Строение вещества (354,00 руб.)

Стр.3

Стр.227

Стр.228

Стр.229

Стр.230

Стр.231

УДК 544.1(075.8) ББК 24.51я73 Л63 Печатается по решению кафедры общей и неорганической химии химического факультета Южного федерального университета (протокол № 1 от 1 февраля 2021 г.) Рецензенты: профессор кафедры физической химии Кубанского государственного университета, доктор химических наук С. А. Шкирская; профессор кафедры общей и неорганической химии химического факультета Южного федерального университета, доктор технических наук А. А. Нестеров Лисневская, И. В. Л68 Строение вещества : учебник / И. В. Лисневская ; Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2021. – 236 с. ISBN 978-5-9275-3951-2 Учебник содержит систематическое изложение теоретического материала по дисциплине «Строение атома и химическая связь», преподаваемой студентам 1 курса химического факультета Южного федерального университета, обучающимся по программе бакалавриата по направлению 04.03.01 – Химия. Последовательно изложены теории, формирующие у студентов современные представления о поведении электронов в одноэлектронных и многоэлектронных атомах, на основе чего обсуждается структура Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева и закономерности изменения свойств атомов по периодам и подгруппам; рассмотрены современные ключевые теории и модели, применимые для описания различных типов связи, в том числе обсуждены способы и даны алгоритмы их применения для анализа и прогноза строения, физических и химических свойств веществ. Особое внимание уделено описанию современных базовых принципов строения веществ с преимущественно ионным характером связи, чему в литературе, адресованной студентам первых курсов вузов, уделено необоснованно недостаточное внимание. Публикуется в авторской редакции. ISBN 978-5-9275-3951-2 УДК 544.1(075.8) ББК 24.51я73 © Южный федеральный университет, 2021 © Лисневская И. В., 2021

Стр.3

Оглавление ПРЕДИСЛОВИЕ ....................................................................................... 3 ЧАСТЬ I СТРОЕНИЕ АТОМА ............................................................................................. 4 I.1. Экспериментальные факты, доказывающие сложность строения атома. Ранние модели строения атома ..................................................... 4 I.1.1. Первичные сведения о составе и строении атома ....................... 4 I.1.2. Радиоактивность ......................................................................... 10 I.1.3. Ядерные реакции ........................................................................ 14 I.1.4. Катодные лучи. «Кексовая» модель атома Дж.Дж.Томсона .... 20 I.1.5. Опыт Милликена по определению заряда электрона ............... 23 I.1.6. Опыт Э. Резерфорда по рассеянию -частиц и планетарная модель строения атома ........................................................................ 25 I.1.7. Спектр испускания водорода и первая квантовая модель атома (модель Бора) ....................................................................................... 27 I.2. Корпускулярно-волновой дуализм микрочастиц и экспериментальные факты, доказывающие их двойственную природу 32 I.2.1. Фотоэффект ................................................................................. 33 I.2.2. Эффект Комптона ....................................................................... 40 I.2.3. Интерференция ........................................................................... 41 I.2.4. Дифракция ................................................................................... 46 I.3. Современные представления о состоянии электрона в атоме .... 52 I.3.1. Принцип неопределенности Гейзенберга.................................. 52 1.3.2. Квантовомеханическое описание одноэлектронных атомов ... 52 1.3.2.1. Уравнение Шрёдингера. Волновая функция  ..................... 52 1.3.2.2. Квантовые числа...................................................................... 54 1.3.2.3. Физический смысл волновой функции . Атомная орбиталь. Радиус и энергия атомной орбитали в водородоподобных атомах .. 55 1.3.2.4. Представление волновой функции в сферических координатах .......................................................................................... 58 1.3.2.4.а. Радиальная составляющая волновой функции ................... 60 1.3.2.4.б. Угловые составляющие волновой функции. Образ атомной орбитали ............................................................................................... 62 226

Стр.227

I.4. Многоэлектронные атомы. Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева и закономерности изменения атомных свойств ..................................................................................................... 65 I.4.1. Состояние электронов в многоэлектронных атомах. Одноэлектронное приближение. Эффекты экранирования и проникновения ..................................................................................... 65 I.4.2. Порядок заполнения атомных орбиталей электронами ........... 68 1.4.3. Структура периодической системы и периодический закон ... 71 1.4.4. Составление электронных формул химических элементов .... 73 I.4.4. Свойства атомов и их изменение в периодах и подгруппах Периодической системы ..................................................................... 75 I.4.4.1. Орбитальные радиусы атомов ................................................ 75 I.4.4.1.1. Изменение орбитальных радиусов по периодам ................ 76 I.4.4.1.2. Орбитальные радиусы кайносимметричных орбиталей .... 77 I.4.4.1.3. Изменение орбитальных радиусов по подгруппам ............ 77 I.4.4.1.3.a. Изменение орбитальных радиусов в подгруппах р-элементов .......................................................................................... 78 (на примере подгруппы галогенов) .................................................... 78 I.4.4.1.3.б. Изменение орбитальных радиусов в подгруппах d-элементов (на примере подгруппы марганца) ................................ 79 I.4.4.1.3.в. Изменение орбитальных радиусов в подгруппах s-элементов .......................................................................................... 81 (на примере подгруппы щелочных металлов) ................................... 81 I.4.4.2. Эмпирические системы радиусов атомов и ионов ................ 82 I.4.4.3. Потенциалы ионизации ........................................................... 84 I.4.4.3.1. Последовательное изменение потенциалов ионизации в многоэлектронных атомах .................................................................. 85 I.4.4.3.2. Изменение потенциалов ионизации в периодах ................. 86 I.4.4.3.3. Изменение потенциалов ионизации в подгруппах ............. 89 I.4.4.3.3.а. Изменение потенциалов ионизации по подгруппам р-элементов (на примере подгруппы галогенов) ............................... 90 I.4.4.3.3.б. Изменение потенциалов ионизации по подгруппам d-элементов (на примере подгруппы марганца) ................................ 92 I.4.4.3.3.в. Изменение потенциалов ионизации по подгруппам s-элементов (на примере подгруппы щелочных металлов) .............. 93 I.4.4.4. Энергия сродства к электрону ................................................ 94 227

Стр.228

I.4.4.4.1. Изменение энергии сродства к электрону в малых периодах ............................................................................................................... 94 I.4.4.4.2. Изменение энергии сродства к электрону в подгруппах р-элементов (на примере подгруппы галогенов) ............................... 95 I.4.4.5. Электроотрицательность ......................................................... 96 I.4.4.5.1. Изменение электроотрицательности в периодах и подгруппах ........................................................................................... 97 I.4.4.6. Стабилизация степеней окисления в семействе p-элементов 99 I.4.4.7. Стабилизация степеней окисления в семействе d-элементов ............................................................................................................. 102 I.4.4.8. Стабилизация степеней окисления в семействах f-элементов ............................................................................................................. 105 I.4.4.9. Стабилизация степеней окисления в семействе s-элементов ............................................................................................................. 107 ЧАСТЬ II ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ ....................................................................................108 II.1. Ковалентная связь ....................................................................... 109 II.1.1. Общие сведения о ковалентном связывании атомов ............. 109 II.1.2. Метод молекулярных орбиталей (ММО) ............................... 114 II.1.2.1. ММО для молекулы водорода ............................................. 114 II.1.2.2. ММО для двухатомных гомо- и гетероядерных молекул и ионов элементов второго периода .................................................... 117 II.1.3. Принцип изоэлектронной аналогии ....................................... 120 II.1.4. Метод валентных связей (МВС) ............................................. 121 II.1.4.1. МВС для молекулы водорода .............................................. 121 II.1.4.2. Идея резонанса валентных схем .......................................... 122 II.1.4.3. Применение МВС для описания ковалентной связи в двухатомных молекулах .................................................................... 123 II.1.5. Стереохимия молекул и ионов................................................ 124 II.1.5.1. Геометрическая форма молекул и ионов с позиций ММО 124 II.1.5.2. Геометрическая форма молекул и ионов с позиций МВС (концепция гибридизации атомных орбиталей)............................... 127 II.1.5.3. Применение метода валентных связей к описанию строения комплексных соединений .................................................................. 131 II.1.5.4. Модель отталкивания электронных пар валентных орбиталей (модель Гиллеспи) ............................................................................. 134 II.1.5.5. Достоинства и недостатки МВС и ММО ............................ 139 228

Стр.229

II.2. Межмолекулярные взаимодействия .......................................... 140 II.2.1. Общие сведения ...................................................................... 140 II.2.2. Ориентационное (диполь-дипольное) взаимодействие ........ 142 II.2.3. Индукционное взаимодействие .............................................. 143 II.2.4. Дисперсионное взаимодействие ............................................. 144 II.2.5. Ион-дипольное взаимодействие ............................................. 145 II.2.6. Водородная связь .................................................................... 146 II.3. Металлическая связь ................................................................... 150 II.3.1. Общие сведения ...................................................................... 150 II.3.2. Структуры типичных металлов .............................................. 151 II.3.2.1. Гранецентрированная кубическая структура (ГЦК, структурный тип меди) ..................................................................... 152 II.3.2.2. Гексагональная плотнейшая упаковка (ГПУ, структурный тип магния) ........................................................................................ 154 II.3.2.3. Объемноцентрированная кубическая структура (ОЦК, структурный тип вольфрама) ............................................................ 154 II.3.3. Теория электронного газа ....................................................... 155 II.3.4. Зонная теория .......................................................................... 161 II.3.4.1. Основные концепции ........................................................... 161 II.3.4.2. Металлы с позиций зонной теории ..................................... 163 II.3.4.3. Полупроводники и диэлектрики с позиций зонной теории 165 II.3.5. Прочность металлической связи и ее изменение по периодам и подгруппам Периодической системы ............................................... 171 II.4. Ионная связь................................................................................ 175 II.4.1. Механизм образования ионной связи. Ионный кристалл ..... 175 II.4.2. Энергия ионной кристаллической решетки ........................... 177 II.4.3. Описание строения ионных кристаллов на основе плотнейших шаровых упаковок ............................................................................. 183 II.4.4. Важнейшие структурные типы ............................................... 185 II.4.4.1. Бинарные соединения с общей формулой АВ .................... 186 II.4.4.2. Бинарные соединения с общей формулой АВ2................... 189 II.4.4.3. Бинарные соединения с общей формулой А2В3 (корунд) .. 192 II.4.4.4. Некоторые другие структурные типы ряда бинарных и тройных соединений ......................................................................... 192 II.4.5. Критерии прочности веществ с преимущественно ионным характером связи ............................................................................... 194 II.4.6. Поляризационные представления .......................................... 196 229

Стр.230

II.4.6.1. Использование поляризационных представлений для прогноза химических свойств соединений ....................................... 197 II.4.7. Некоторые общие принципы строения веществ с преимущественно ионным характером связи .................................. 203 II.4.7.1. Ограничения координации размерами атомов (ионов) ...... 203 II.4.7.2. Ограничения по валентным углам. Систематика координационных групп .................................................................... 206 II.4.7.3. Условия совместимости координационных групп ............. 207 II.4.7.4. Стереохимическая активность неподеленных электронных пар катионов и анионов и ее влияние на их координацию и связность 208 II.4.7.5. Условие координационного баланса ................................... 210 II.4.7.6. Условие локального баланса валентности .......................... 210 II.4.7.7. Применение правила локального баланса валентности для объяснения некоторых свойств соединений .................................... 211 II.4.8. Теория кристаллического поля (ТКП).................................... 214 II.4.8.1. Основные идеи ТКП ............................................................. 214 II.4.8.2. Обоснование особенностей строения и свойств соединений d-элементов с точки зрения ТКП ...................................................... 218 II.4.8.3. Обоснование положения лигандов с спектрохимическом ряду с позиций ММО ......................................................................... 223 СПИСОК ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ ........................................... 231 ПРИЛОЖЕНИЯ ................................................................................................... 232 230

Стр.231