Химия как раздел естествознания и ее роль в современном машино- и приборостроении. Квантово-механическая модель атома водорода

Baumanki.NET

Лекция №1

Химия как раздел естествознания и ее роль в современном машино- и приборостроении. Квантово-механическая модель атома водорода. Квантовые числа. Понятие атомной орбитали. Формы орбиталей. Строение многоэлектронного атома. Принцип Паули. Принцип минимальной энергии. Правила Хунда и Клечковского. Электронные конфигурации атомов. Энергетические характеристики атомов: энергия ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность. Периодические свойства атомов. Периодический закон Д.И.Менделеева и Периодическая система элементов.

Химия как раздел естествознания и ее роль в современном машино- и приборостроении.

Представлять химию студентам университета предоставим возможность М.В.Ломоносову, который, по характеристике А.С.Пушкина, сам есть «наш первый Университет».

После 6 (17) сентября 1751 года, когда М.В.Ломоносов в публичном собрании Императорской Академии Наук произнес свое знаменитое «Слово о пользе химии», у всех нас на слуху его провидческие слова: «Широко распростирает химия руки свои в дела человеческие, слушатели. Куда ни посмотрим, куда ни оглянемся, везде обращаются пред очами нашими успехи ея прилежания».

В результате отмеченного Ломоносовым «прилежания» современная химия превратилась в одну из важнейших ветвей естествознания и сегодня ее можно определить так: Химия – это область естествознания о химических соединениях и химических веществах, их свойствах и превращениях, а также о явлениях, сопровождающих эти превращения.1

Химические соединения – это атомные группировки определенного состава и структуры. Химические вещества – это макротела, состоящие из химических соединений. Например, химическое соединение H2O может образовывать несколько химических веществ – жидкая вода и 10 кристаллических веществ, имеющих общее название «лед».2

Несмотря на неуниверсальность наших представлений о структуре и свойствах вещества, роль химии в современной науке, технологии и жизни общества в целом переоценить нельзя. Химия лежит в основе процессов получения всех конструкционных материалов – металлов, полупроводников, полимеров, керамики, композитов. Она же обеспечивает защиту этих материалов от разрушающего воздействия окружающей среды – коррозии.

Химические превращения – основной источник энергии как в технологических процессах самих машино- и приоростроения, так и необходимой для функционирования их продукции. (Доля атомной энергетики в общемировом энергетическом балансе составляет только 7% ).3

Но химия сегодня – это не только «скелет и мускулы» современных машин и приборов. Без помощи химии невозможно себе представить создания ни робототехники (сенсорные элементы для ориентации в окружающей среде), ни «интеллектуализации» нового поколения машин и приборов (носители памяти и процессоры).

На уровне технологий назревает прорыв в нано-область. Мы сможем структурировать и функционально использовать пространство 10-8 – 10-9 метра! Учтем при этом, что при уменьшении размеров детали резко возрастает ее механическая прочность – вес уменьшается пропорционально кубу размера, а площади сечений – только квадрату! И в 10 раз меньшая деталь оказывается в 10 раз прочнее. Это крайне важное обстоятельство делает перспективными сложнейшие конструкторские решения в области космического машиностроения. Парадокс заключается в том, что чем меньше и сложнее конструкция, тем она надежнее в работе!

Вот, например, как может выглядеть редуктор, построенный всего из 15342 атомов (анимацию см. http://kbogdanov1.narod.ru/nanotechnology/Drexler.htm ):

А такие размеры – это области протекания элементарных актов химических реакций. И без учета химических факторов освоение этой области совершенно невозможно.4

Огромную роль играет химия в решении экологических проблем, накопившихся в современном социуме. Борьба с загрязнением окружающей среды, решение проблемы «парникового эффекта» и неконтролируемого изменения климата, создание эффективных средств борьбы с раком и СПИДом – все это сегодня однозначно связано с химией.

Однако все, о чем здесь было сказано, относится к компетенции именно химии и должно разрабатываться профессионалами-химиками.

Каковы же требования к химической компетенции инженера-механика, который профессионально должен конструировать создавать и эксплуатировать различные машины и приборы?

Инженер-механик должен уметь осознать химический характер вставшей перед ним проблемы, сформулировать ее на химическом языке перед специалистом-химиком, и понять смысл решений и рекомендаций, полученных от специалиста-химика. Поэтому в курсе будет уделяться большое внимание терминологии и определениям химических понятий.

Квантово-механическая модель атома водорода.

Один из самых блестящих физиков XX века, нобелевский лауреат Ричард Фейнман 5 задался вопросом: «Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались бы уничтоженными и к грядущим поколениям живых существ перешла бы только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего количества слов, принесло бы наибольшую информацию?». И ответил на него так: «Все тела состоят из атомов – маленьких телец, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать к другому».

И добавил: «В одной этой фразе, как вы убедитесь, содержится невероятное количество информации о мире, стоит лишь приложить к ней немного воображения и чуть соображения».

То, что атомы являются сложными объектами, было экспериментально открыто в 1898 году Анри Беккерелем.6 В 1910 году Эрнст Резерфорд 7 экспериментально открыл атомное ядро.

После этого стало возможным предметно изучать структуру молекул, энергетику и геометрию химической связи, реакционную способность веществ.

С современной химической точки зрения атом – это нуклидо-электронная система, содержащая нуклид (ядро) с определенным зарядом и структурированно расположенные в пространстве вокруг нуклида электроны, количество которых равно заряду ядра.

Принципы и механизмы химического поведения атомов всех видов – а их сегодня известно 115 8, можно продемонстрировать на примере простейшего из них – атома водорода.

Атом водорода состоит из двух элементарных частиц – протона (нуклид) и электрона. Протон в 1836 раз тяжелее электрона. Обе частицы несут единичный электрический заряд. Протон – положительный, а электрон – отрицательный.

Очевидно, что образовать устойчивую систему – атом – эти частицы могут только в относительном движении. Очевидно также, что при такой разнице в массах более подвижным будет электрон.

Простейшей моделью, объяснившей основные свойства атома водорода, была планетарная модель Резерфорда-Бора 1913 года. Она описывала атом водорода как «планетную систему» - тяжелый протон в центре (ядро атома), а вокруг него вращается легкий электрон.

Модель давала количественные предсказания, совпадающие с данными спектроскопии, но содержала ряд допущений, противоречивших классической электродинамике.

Главное противоречие заключается в том, что, двигаясь по произвольной орбите последовательно от точки к точке своей траектории по орбите, электрон постоянно изменяет направление своего движения (вектор его скорости постоянно отклоняется от прямой). Это, согласно классической электродинамике, должно приводить к излучению энергии, уменьшению радиуса орбиты и падению электрона на ядро за миллионные доли секунды.9

Преодоление этого противоречия выявило принципиально новый тип движения – квантово-механическое движение, и создало стройную теорию этого движения – квантовую механику.

Изучаемый в классической физике тип движения описывает движение центра масс физического тела. Квантово-механическое движение описывает поведение конкретных материальных частиц.

Оказалось, что при квантово-механическом движении отсутствуют понятия траектории и орбиты. Электрон при своем движении в поле ядра НЕ перемещается в пространстве из данной области в соседнюю, а как бы «хаотически прыгает» из одной в другую.

Хаотичность такого движения, однако, во многом только кажущаяся. Движение электрона в поле ядра подчинено особым квантовым законам, которые «удерживают» эту хаотичность в определенных рамках. В результате оказывается, что квантовое движение электрона проявляется в некоторой области пространства.

Область пространства вокруг ядра, в которой по законам квантовой механики движется электрон с заданной энергией, получила название орбиталь.

Иными словами орбиталь – это область ярко выраженного квантово-механического движения электрона.

При таком движении нет и понятия ускорения, связанного с плавным движением по орбите, а потому нет и противоречия с классической электродинамикой. В квантовой же электродинамике свои законы, которые электрон выполняет строго.

Основные понятия и законы квантовой механики, необходимые нам для понимания химического поведения атомов, будут рассмотрены в курсе физики.

Как стало ясно после завершения формального описания квантово-механического движения в работах Нильса Бора,10 Луи Де Бройля,11 Вернера Гейзенберга,12 Эрвина Шредингера,13 Поля Дирака,14 Макса Борна 15 и многих других физиков, каждый физический объект имеет в нашем пространстве генеральную характеристику, которая определяет все его наблюдаемые физические свойства и описывается уравнением Шредингера.

В краткой операторной форме уравнение Шредингера записывается так:

,

где - оператор набла.

- общая характеристика состояния частицы.

Эта характеристика называется волновой функцией (или пси-функцией).16 Зная аналитическое выражение волновой функции частицы математически можно определить ВЕРОЯТНОСТЬ того, что она находится в данной области пространства и имеет определенную энергию, импульс, магнитный момент и другие физические характеристики.

Вероятностный характер квантово-механических предсказаний как раз и является следствием того, что в квантовой механике мы имеем дело с принципиально иным, чем в классической, типом движения.

Итак, совмещая с расчетом вероятности нахождения частицы в данной области пространства расчеты её энергии, импульса и т.п. , мы получим полный набор тех ее параметров, которые могут быть одновременно экспериментально определены для частицы в этой области.

Квантовые числа. Понятие атомной орбитали. Формы орбиталей.

Оказалось, что единственным химическим объектом, для которого возможно точное решение уравнения Шредингера это атом водорода. Решение для энергии электрона, входящего в состав этого атома, оказывается дискретной функцией трех параметров n,l,m:

E=f(n,l,m).

Целочисленные параметры решения уравнения Шредингера называются квантовыми числами.

При задании определенной вероятности (обычно это 90…99%) обнаружить электрон, можно получить геометрические характеристики области, где это произойдет. Эта область является частью орбитали движения данного электрона. Такие геометрические образы (абрисы) в химии также часто называют орбиталями.

Рассмотрим физический смысл квантовых чисел n,l,m.

Главное квантовое число n.

Может принимать значение чисел натурального ряда. n= 1,2,3 и т.д.

Главное квантовое число определяет:

1. Основную долю энергии данной орбитали, или основную энергию энергетического уровня. Оно является и номером энергетического уровня. Чем больше n, тем больше энергия данного уровня.
2. Число подуровней данного энергетического уровня.
3. Размер орбитали. Чем больше n, тем больше размер орбитали. При этом увеличение размера не меняет формы абриса геометрического образа орбитали.

В сложных атомах главное квантовое число имеет и специальные буквенные обозначения: 1 – K; 2 – L; 3 – M; 4 – N; 5 – O;

Орбитальное квантовое число l.

Может принимать значения l= 0,1,2,…,(n-1), т.е. при данном n l может принять n значений.

Орбитальное квантовое число определяет:

1. Форму абриса и внутреннюю структуру s, p и большинства d-орбиталей.17
2. Энергию энергетических подуровней энергетического уровня.
3. Орбитальный момент количества движения (импульс) электрона.

Кроме численных значений орбитальное квантовое число имеет и буквенное обозначение: 0 – s; 1 – p; 2 – d; 3 – f; 4 – g; 5 – h;

Первое из отмеченных свойств (наличие у большинства орбиталей сложной формы абриса) связано с тем, что волновая функция электрона в полярных координатах имеет две составляющие – радиальную и угловую, т.е. вероятность нахождения электрона зависит как от расстояния его до ядра, так и от направления в пространстве. И эти функции зависят как от l (для s и p орбиталей), так и от m для f-орбиталей.

Формы абрисов некоторых орбиталей приведены на рисунке:

Магнитное квантовое число m

Может принимать значения m= -l, -(l-1),..., -1, 0, 1,..., (l-1), l.

Магнитное квантовое число определяет:

1. Изменение энергии и ориентацию орбитали в пространстве при воздействии внешнего магнитного поля
2. Количество орбиталей с данным значением l. Оно равно 2l+1
3. Форму абриса некоторых орбиталей с большим значением l (например, dz2)

Спин