Электронное строение атомов, молекул и наноразмерных объектов РОСЖЕЛДОР Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО РГУПС) Научно-популярный материал для проведения занятий в лицее Ростов-на-Дону 2013

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.)

Бойль Ньютон Развитие атомно-молекулярного учения

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. Современное атомно-молекулярное учение

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 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4

Порядок заполнения электронами уровней и подуровней в атоме.

ИЗОТОПЫ дейтерий протий тритий

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. Металл А – металл А, оба слабо удерживают внешние электроны, - образуется металлическая связь ; 2. Металл А (отдаёт электроны) – неметалл В (захватывает электроны), образуются положительные и отрицательные ионы, а между ними ионная связь ; 3. Неметалл В – неметалл С (электронные пары подтягивает к себе более электроотрицательный неметалл, образуется полярная ковалентная связь ); 4. 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.

Изображение поверхности кристалла, полученное с помощью туннельного микроскопа Наноразмерные объекты

1. На небольших расстояниях все атомы притягиваются друг к другу 2. При расстояниях, меньших равновесного, атомы ведут себя как жесткие сферы

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 Межатомные расстояния примерно равны диаметрам атомов Плотности твердых тел тт ~10 3 кг/м 3 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)