Шпаргалка по химии

 1. Химия  – это наука, изучающая вещества  и процессы их превращения,  сопровождающиеся изменением состава  и строения вещества. Химия –  наука о веществах, их строении, свойствах и превращениях. Химия  изучает явления, которые происходят  на микроскопическом уровне, т.е. на атомно-молекулярном.  Химия состоит из таких разделов, как неорганическая химия, органическая химия, физическая химия.

 Основные  понятия в химии:

 Атом – это наименьшая частица элемента в химических соединениях; химически неделимая частица, из которых состоят молекулы. Атом состоит из ядер и электронов. Ядра из протонов и нейтронов. Протон – частица с зарядом +1 (их число обозначается Z). Нейтрон – частица, имеющая нулевой заряд (их число обозначается N). Общее название этих частиц – нуклоны. Общее число нуклонов в ядре называют массовым числом A: A=Z+N.

 Молекула – это наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами (определение 1860 года). Современное определение: молекула – это наименьшая электронейтральная замкнутая совокупность атомов, образующих определенную структуру с помощью химических связей. Молекулы бывают одноатомными (Н), двухатомные (О2), многоатомные (H2SO4).

 Вещество – это любая совокупность атомов и молекул. Вещества бывают простые и сложные. Простые вещества образованы атомами одного элемента. Сложные вещества, или химические соединения состоят из атомов разных элементов, связанных между собой постоянными соотношениями.

 Количество  вещества – это число структурных элементов в системе.

 Моль – это количество вещества системы, которое содержит столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в 0,012кг изотопа углерода С12.

 Значение  химии:

1. создание материалов с заданными свойствами;
2. обработка новых материалов;
3. разработка новых технологий;
4. защита металлов и металлических конструкций от коррозии.

   2. Основные законы химии:

1. закон сохранения массы и энергии (Ломоносов): в изолированной системе сумма массы и энергии постоянна. Е=mc2.
2. закон постоянства состава вещества: независимо от нахождения в природе или способа получения любое химическое соединение имеет постоянный качественный и количественный состав.
3. закон эквивалента (Рихтер): все вещества реагирующие строго в эквивалентном соотношении. Эквивалент – это реальные частицы вещества, которые могут присоединять, замещать, освобождать или быть каким либо другим.
4. закон кратных отношений (Дж.Дальтон, 1803): если два элемента могут образовывать между собой несколько соединений, то массовые доли любого из элементов в этих соединениях относятся друг к другу как небольшие целые числа .
5. закон Авогадро: в равных объемах различных  газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул.

3. Атом – это сложная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Сложное строение атома было установлено в результате следующих опытов:

1. открытие радиоактивности и установление природы α-, β- и γ-частиц, испускаемых атомами;
2. открытие электрона (Дж.Томсон, 1897);
3. опыты по рассеянию α-частиц на атомах (Э.Резерфорд, 1911).

На основе этих опытов была сформулирована простейшая модель атома – планетарная модель Резерфорда. Ее основные положения:

1. в центре атома находится положительно заряженное ядро, занимающее ничтожную часть пространства внутри атома.
2. весь положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в ядре.
3. вокруг ядра вращаются электроны. Их число равно положительному заряду ядра.

Модель  Томсона:  
 

Модель  Морозова: 
 

Модель  Резерфорда: 
 

4. Кванты и модель Бора. В 1900 г. М. Планк (Германия) высказал предположение, что вещества поглощают и испускают энергию дискретными порциями, названы им квантами. Энергия кванта Е пропорциональна частоте излучения (колебания) v: где h -  постоянная Планка (6, 626*10"-34 Дж-с.);  v = с /Лямбда, с — скорость света; X — длина волны. В 1910 г. датский ученый Н.Бор, используя модель Резерфорда и теорию Планка, предложил модель строения атома водорода, согласно которой электроны двигаются вокруг ядра не по любым, а лишь по разрешенным орбитам, на которых электрон обладает определенными энергиями. При переходе электрона с одной орбиты на другую атом поглощает или испускает 5 Бор вычислил радиусы орбит. Радиус первой орбиты был 5,29-10"13 м, радиус других орбит был равен: г = n2(5,29-10'13).Энергия электрона (эВ) зависела от значения главного квантового числа n: En=-13,6 (1/n2).Отрицательный знак энергии означает устойчивость системы, которая тем более устойчива, чем ниже (чем более отрицательна) ее энергия. Атом водорода обладает минимальной энергией, когда электрон находится на

первой  орбите (n=1). Такое состояние называется основным. При переходе электрона на более высокие орбиты атом становится возбужденным. Такое состояние атома неустойчиво. При переходе с верхней орбиты на нижнюю атом излучает квант света, что экспериментально обнаруживается в виде серий атомного спектра  Значения n и m в уравнении соответствуют значениям главных квантовых чисел, с которых электрон переходит (т) и на которые электрон переходит (n). Теория Бора позволила рассчитать энергию электронов, значения квантов энергии, испускаемых при переходе электрона с одного уровня на другой. Теория Бора получила экспериментальное подтверждение, но она не смогла объяснить поведение электрона в магнитном поле и все атомные спектральные линии. Теория Бора оказалась непригодной для многоэлектронных атомов. Возникла необходимость в новой модели атома, Двойственная природа электрона. В 1905 г. А. Эйнштейн предсказал, что любое излучение представляет собой поток квантов энергии, называемых фотонами. Из теории Эйнштейна следует, что свет имеет двойственную (корпускулярно-волновую) природу. В 1924 г. Луи де Бройль (Франция) выдвинул предположение, что электрон также характеризуется корпускулярно-волновым дуализмом. Позднее это было подтверждено на опытах по дифракции на кристаллах. Де Бройль предложил уравнение, связывающее длину волны Я электрона или любой другой частицы с массой т и скоростью V, λ= h/(mv).Волны частиц материи де Бройль назвал материальными волнами. Они свойственны всем частицам или телам, но как следует из уравнения, для макротел длина волны настолько мала, что в настоящее время не может быть обнаружена. Так, для тела с массой 1000 кг, двигающегося со скоростью 108 км/ч (30 м/с) λ= 2,21-10"38 м.В 1927 г. В. Гейзенберг (Германия) постулировал принцип неопределенности, согласно которому положение и импульс движения субатомной частицы (микрочастицы) принципиально невозможно определить в любой момент времени с абсолютной точностью. В каждый момент времени можно определить только лишь одно из этих свойств. Э. Шредингер (Австрия) в 1926 г. вывел математическое описание поведения электрона в атоме. Работы Планка, Эйнштейна, Бора, де Бройля, Гейзенберга, а также Шредингера, предложившего волновое уравнение, заложили основу квантовой механики, изучающей движение и взаимодействие микрочастиц. основанной на открытиях в микромире.

5. Квантовые  числа. Для характеристики поведения  электрона в атоме введены  квантовые числа: главное, орбитальное,  магнитное и спиновое. Главное  квантовое число n определяет энергию и размеры электронных орбиталей. Главное квантовое число принимает значения 1, 2, 3, 4, 5,... и характеризует оболочку или энергетический уровень. Чем больше n, тем выше энергия. Оболочки (уровни) имеют буквенные обозначения: К (n = 1), L (n = 2), М (n= 3), N(n = 4), Q (n =5), переходы электронов с одной оболочки (уровня) на другую сопровождаются выделением квантов энергии, которые могут проявиться в виде линий спектров Орбитальное квантовое число l определяет форму атомной орбитали. Электронные оболочки расщеплены на подоболочки, поэтому орбитальное квантовое число также характеризует энергетические подуровни в электронной оболочке атома. Орбитальные квантовые числа принимают целочисленные значения от 0 до (n-1). Подоболочки также обозначаются буквами: Подоболочка (подуровень)     s p d f.  Орбитальное квантовое число, l (0 1 2 3) Электроны с орбитальным квантовым числом 0, называются s-электронами. Орбитали и соответственно электронные облака имеют сферическую форму. Электроны с орбитальным квантовым числом 1 называются р-электронами. Орбитали и соответственно электронные облака имеют форму, напоминающую гантель. Электроны с орбитальным квантовым числом 2 называют d-электронами. Орбитали имеют более сложную форму, чем р-орбитали. Наконец, электроны с орбитальным квантовым числом 3 получили название f-электронов. Форма их орбиталей еще сложнее, чем форма d-орбиталей. В одной и той же оболочке (уровне) энергия подоболочек (подуровней) возрастает в ряду: В первой оболочке (n = 1) может быть одна (s-), во второй (n = 2) — две (s-, р-), в третьей (n = 3) — три (s-, p-, d-),в четвертой (n= 4) — четыре (s-, p-, d-, f-) - подоболочки. Магнитное квантовое число m характеризует ориентацию орбитали в пространстве. В отсутствие внешнего магнитного поля все орбитали одного подуровня (подоболочки) имеют одинаковое значение энергии. Под воздействием внешнего магнитного поля происходит расщепление энергии подоболочек. Магнитное квантовое число принимает целочисленные значения от –l до +l, включая ноль. Например, для l = 3, магнитные квантовые числа имеют значения -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, т. е. в данной подоболочке (f-подоболочке) существует семь орбиталей. Соответственно в подоболочке s (l = 0) имеется одна орбиталь (m= 0), в подоболочке p (l = 1) — три орбитали (m = -1,0, +1), в подоболочке d (l = 2) пять орбиталей (m = -2, -1, 0, +1, +2). Магнитное спиновое число ms  - проекция спина на ось z. Она может иметь лишь два значения: ms = + ½ , ms = - ½. Поскольку спин электрона S – величина постоянная, его обычно не  включают с набор квантовых чисел, характеризующих движение электрона  в атоме, и говорят о четырех квантовых числах.

6. Электронная  конфигурация атома – распределение  электронов  в атоме по орбиталям.  Оно определяется тремя принципами:

1. Правило В. Клечковского. Увеличение энергии и соответственно заполнение орбиталей происходит в порядке возрастания суммы квантовых чисел n+1, а при равной сумме в порядке возрастания числа n. (1s| 2s 2p| 3s 3p| 4s 3d 4p| 5s 4d 5p| 6s 4f 5d 6p |7s 5f  6d 7p)
2. Принцип Паули. В атоме не может быть двух электронов, обладающих одинаковым набором квантовых чисел.
3. Принцип минимальной энергии. Электроны в основном состоянии заполняют орбитали в порядке повышения уровня энергии орбиталей.  Основное состояние – это наиболее устойчивое состояние атома, в котором электроны занимают орбитали с наименьшей энергией.
4. Правило Гунда. Заполнение орбитали  одной подоболочки в основном состоянии атома начинается одиночными электронами с одинаковыми спинами.

7. Нормальное и возбужденное состояние атома.

 ……….

8. Периодическая  система Д. И. Менделеева, ее структура.   Периодический закон: свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра элемента. Периодическая система элементов – графическое изображение Периодического закона.

Номер элемента обозначает количество протонов в ядре и количество электронов в  поле ядра.

Элементы  в системе Менделеева расположены  в порядке возрастания их атомного номера и в соответствии с распределением электронов вокруг ядра. В таблице 7 периодов, 10 рядов, 8 групп, пока известно 109 элементов. В горизонтальных рядах – периодах – элементы располагаются, начиная от типичных металлов, через элементы, обладающие свойством амфотерности (двойственности), к неметаллам. Заканчиваются все периоды инертными газами. Первый период содержит 2 элемента, второй и третий – по 8, четвертый и пятый – по 18, шестой – 32 и седьмой (незавершенный) – 26 элементов. В малых периодах с увеличением порядкового номера усиливаются неметаллические свойства элементов.

По вертикали – элементы располагаются по группам (группой называют совокупность элементов с одинаковым значением максимальной валентности, равным номеру группы). Их всего 8. Сверху вниз возрастают металлические свойства элементов. Группы делятся на главные и побочные, которые отличаются количеством электронов на внешнем энергетическом уровне. Все элементы побочных подгрупп (переходные элементы) – металлы.

Химические  элементы, расположенные после урана (порядковый номер 92), называют трансурановыми. Это элементы 93 – 109. они получены искусственно. Их ядра крайне нестабильны. Элементам 106 – 109 названия пока не присвоены.

 9. s-, p-, d-, f-элементы, их расположение в периодической системе.

Первый  период состоит из двух элементов: водорода и гелия. Атомом гелия заканчивается формирование K-оболочки атома, обозначим ее [Не]. Электрон, который последним заполняет орбитали атома, называется формирующим, и элемент относится к группе, называемой по формирующему электрону. В данном случае оба элемента имеют формирующие s-электроны и соответственно называются s-элементами  У элементов второго периода формируется L-оболочка, заполняются s- и p-подоболочки. Формирующими электронами у первых двух элементов являются s-электроны, поэтому Li и Be относятся к s-элементам. Остальные шесть элементов периода входят в число р-элементов, так как формирование их орбиталей заканчивается  p-электроном. У элемента Ne полностью заполнена 2р-подоболочка, обозначим его электронную конфигурацию как [Ne].Третий период начинается с натрия, электронная конфигурация которого 1s22s22p63s1 и заканчивается аргоном с электронной конфигурацией 1s22s22p63s23p6[Аr]. Хотя в третьем уровне (оболочка М) имеется подоболочка 3d которая остается незаполненной, в четвертом периоде начинает формироваться следующая оболочка N (n=4) и период начинается с s-элемента калия, [Аr]4s1. Это обусловлено тем, что энергия подуровня 4s несколько ниже, чем энергия подуровня 3d (см. рис. 1.5). В соответствие с правилом Клечковского n+1 у 4s(4) ниже, чем n+1 у 3d(5). После заполнения 4s-подоболочки заполняется 3d-подоболочка. Элементы от Sc [Ar] 3d1 4s2 до Zn [Ar] 3d |04s2, имеющие формирующие d-электроны, относятся к d-элементам. Как видно из табл. 1.3, у хрома на 4s-подоболочке остается один электрон, а на 3d-подоболочке вместо четырех оказывается пять d-электронов. Такое явление получило название «провала» электрона с s- на d-подоболочку. Это обусловлено более низкой энергией конфигурации 3d54s] по сравнению с конфигурацией 3d44s2. «Провал» электронов наблюдается и у других атомов, например у атомов Си, Nb, Mo, Pt, Pd  Четвертый период завершается формированием подоболочки 4р у криптона [Аг] 3d104s24p6 или [Кг]. Всего в четвертом периоде 18 элементов. Пятый период аналогичен четвертому периоду. Он начинается с s-элемента рубидия [Кг] 5s1 и заканчивается p-элементом ксеноном [Кr] 4d105s25p6 или [Хе] и включает в себя десять 4d-элементов от иттрия до кадмия. Всего в пятом периоде 18 элементов. В шестом периоде, как и в пятом, после заполнения s-подоболочки начинается формирование d-подоболочки предвнешнего уровня у лантана. Однако, у следующего элемента энергетически выгоднее формирование 4f-подоболочки по сравнению с 5d-подоболочкой. Поэтому после лантана следует 14 лантаноидов с формирующими f-электронами, т.е.f-элементов от церия Се [Хе] 4f25d°6s2 до лютеция Lu [Хе] 4f145dl6s2. Затем продолжается заполнение оставшихся орбиталей в 5d-подоболочке и 6p-подоболочке. Период завершает радон [Хе] 4f145d°6s26p6 или [Rn]. Таким образом период имеет 32 элемента: два s-элемента, шесть p-элементов, десять d-элементов и четырнадцать элементов. Седьмой период начинается и продолжается аналогично шестому периоду, однако формирование его не завершено. Он также имеет вставную декаду из d-элементов и четырнадцать 5/элементов (актиноидов)