Электронное строение атомов, молекул и наноразмерных

РОСЖЕЛДОР
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«Ростовский государственный университет путей сообщения»
(ФГБОУ ВПО РГУПС)
Электронное строение атомов, молекул
и наноразмерных объектов
Ростов-на-Дону 2013
Научно-популярный материал для проведения занятий в лицее
Ричард Фейнманн
Какое послание оставить грядущей цивилизации?
Все тела состоят из мельчайших частиц – атомов или молекул,
которые постоянно движутся и взаимодействуют друг с другом
Атомистическая гипотеза Демокрита
Демокрит Абдерский (ок. 460 до н. э. — ок. 370 до н. э.)
Развитие атомно-молекулярного учения
Бойль
Ньютон
Современное атомно-молекулярное учение
1. Все вещества состоят из атомов.
2. Атомы каждого вида (элемента) одинаковы между собой, но
отличаются от атомов любого другого вида (элемента).
3. При взаимодействии атомов образуются молекулы: гомоядерные
(при взаимодействии атомов одного элемента) или
гетероядерные (при взаимодействии атомов разных элементов).
4. При физических явлениях молекулы сохраняются, при
химических - разрушаются; при химических реакциях атомы в
отличие от молекул сохраняются.
5. Химические реакции заключаются в образовании новых веществ
из тех же самых атомов, из которых состоят первоначальные
вещества.
ПЛАНЕТАРНАЯ МОДЕЛЬ СТРОЕНИЯ
АТОМА РЕЗЕРФОРДА
Фотографии отдельных атомов
(2009, Харьковский ФТИ)
Электроны располагаются в атомах не хаотично, а на определённом
расстоянии от ядра (орбите). Количество электронных уровней (орбит)
совпадает с номером периода, в котором находится химический
элемент. На каждом уровне есть подуровни (определяют траекторию
движения электрона) –s, p, d, f …Число подуровней совпадает с
номером уровня. Так на 1 уровне - только s-подуровень, на 2 уровне – s
и p- подуровни и т. д.
Максимальная ёмкость электронных
уровней
Распределение электронов в атоме можно отображать
электронными формулами. Например, в атоме серы 16
электронов. Они распределены по трём электронным
уровням (третий период).
+16 S )2)8)6
1s22s22p63s23p4
Порядок
заполнения
электронами
уровней и
подуровней в
атоме.
ИЗОТОПЫ
протий
1
1
тритий
H
3
1
дейтерий
2
1
H
H
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ АТОМОВ
Для атомов присуще стремление приобрести более
устойчивую
и
энергетически
выгодную
электронную конфигурацию, характерную для
благородных газов (завершённый внешний
энергетический уровень – «электронный
октет»). В результате взаимодействия между
собой, атомы более электроотрицательных
элементов захватывают электроны на внешний
уровень, а атомы менее электроотрицательных
элементов – отдают свои внешние электроны.
ХИМИЧЕСКИЕ СВЯЗИ
Возможны 4 случая взаимодействия атомов:
1.
2.
3.
4.
Металл А – металл А, оба слабо удерживают внешние электроны, образуется металлическая связь;
Металл А (отдаёт электроны) – неметалл В (захватывает электроны),
образуются положительные и отрицательные ионы, а между ними
ионная связь;
Неметалл В – неметалл С (электронные пары подтягивает к себе более
электроотрицательный неметалл, образуется полярная
ковалентная связь);
Неметалл В – неметалл В (электронные пары расположены строго
посередине, так как электроотрицательность обоих атомов одинакова,
образуется неполярная ковалентная связь).
ИОННАЯ И МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ
СВЯЗИ
Атомы металлов очень слабо удерживают свои
внешние электроны и в кристалле металла наряду с
нейтральными атомами всегда присутствуют
положительные ионы и свободно движущиеся
электроны – «электронный газ». С этим связаны все
типичные свойства простых веществ металлов:
электропроводность, высокая теплопроводность,
металлический блеск и ковкость. Таким образом,
металлическая связь похожа на ионную, а свойства
металлов - на свойства ионных веществ.
КОВАЛЕНТНЫЕ СВЯЗИ
ОБРАЗОВАНИЕ КОВАЛЕНТНОЙ
СВЯЗИ
Ковалентная связь формируется между атомами неметаллов в
результате перекрывания электронных облаков
(другими словами, в результате образования общих пар
электронов).
ВИДЫ КОВАЛЕНТНЫХ СВЯЗЕЙ
Они могут быть неполярными, полярными, одинарными, двойными и
тройными. Двойные и тройные называются кратными
СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА
Частицы вещества находятся в непрестанном
хаотическом движении, при повышении
температуры колебания частиц усиливаются, а
при понижении – замедляются. Соответственно
существуют 3 агрегатных состояния веществ:
1. Твёрдое;
2. Жидкое;
3. Газообразное.
Наноразмерные объекты
Изображение поверхности кристалла, полученное с помощью
туннельного микроскопа
Наноразмерные объекты
Сила взаимодействия атомов
1. На небольших расстояниях все атомы притягиваются друг к
другу
Притяжение
0
r0
Отталкивание
Расстояние между атомами
2. При расстояниях, меньших равновесного, атомы ведут себя
как жесткие сферы
Наноразмерные объекты
Стремясь расположиться как можно ближе друг к другу, атомы
образуют упорядоченные пространственные структуры кристаллы
Наноразмерные объекты
Атомы в кристалле совершают
колебательные движения
около положений равновесия
d
l d
l
Межатомные расстояния
примерно равны диаметрам
атомов
Плотности твердых тел тт ~103 кг/м3
Наноразмерные объекты
Гидроксид магния, полученный
гидротермальной обработкой
(снимок получен в МГУ им. М.В.
Ломоносова)
Оксид цинка, получаемый при
осаждении паров оксида цинка в
присутствии In2O3 на
графитовую или кремниевую
подложку (снимок получен в
МГУ им. М.В. Ломоносова)
Глинистый минерал, выделенная из почвенной
массы (снимок получен в РГУПС)