Бейорганикалық химияның теориялық негіздері туралы

Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 32 бет
Таңдаулыға:

Бейорганикалық химияның теориялық негіздері пәні бойынша дәрістер

1. ХИМИЯНЫҢ НЕГІЗГІ ЗАҢДАРЫ МЕН ТҮСІНІКТЕРІ

Химия пәні

Химия пәні материя қозғалысының химиялық формасын зерттейді. Химиялық реакциялар барысында молекулалар құрамындағы бөлшектердің қосылуы, айрылуы, алмасуы, орын басуы нәтижесінде бастапқы заттардың сапасы өзгеріп жаңа сапалы заттар түзіледі және олардың қасиеттері де басқаша болады. Химия дегеніміз - заттардың құрамын, құрылысын, олардың бір түрден екінші түрге айналуын және осы айналу кезінде байқалатын құбылыстарды зерттейтін ғылым.
Атом-молекулалық ілім.

Барлық заттар атом деп аталатын аса кішкене бөлшектерден түзілген.
Молекула - ол сол заттың химиялық қасиеті бар, ең кіші бөлшегі. Молекуланың химиялық қасиеті оның құрамымен және химиялық құрылысымен анықталады. Молекулалар бір, екі және көпатомды бола алады.
Атом - элементтің химиялық қасиеттерін сақтап тұратын ең кіші бөлшегі. Элементтің химиялық қасиеттері оның құрылысына байланысты.Осы тұрғыдан қарағанда қазір атомға мынадай анықтама беріледі.
Атом - оң зарядталған атом ядросынан және теріс зарядталған электрондардан тұратын электробейтарап бөлшек.

Химияның негізгі түсініктері

Ядро зарядтары бірдей болып келетін атомдардың белгілі бір түрін химиялық элемент деп атайды. Әрбір элементтің аты мен өзінің таңбасы болады. Қазіргі кезде 110-нан астам химиялық элемент белгілі.
Элементтің салыстырмалы атомдық массасы - ол берілген элемент атомының абсолюттік массасы көміртек атомының абсолюттік массасының 112 бөлігінен қанша есе көп екендігін көрсететін сан, яғни массаның атомдық бірлігі.
Салыстырмалы молекулалық масса - ол молекуланың орташа массасының молекуланың атомдық бірлігіне қатынасы. Бұл шама өлшемсіз және Mr таңбасымен белгіленеді.

Химияда қарастырылған шамалардан басқа ерекше физикалық шама - зат мөлшері пайдаланылады. Ол осы заттың құрылымдық бөлшектері (атомдар, молекулалар немесе басқа бөлшектер) санымен анықталады. Зат мөлшері (яғни моль саны) латын әрпі n немесе грек әрпі v (ню) арқылы белгіленеді. Ал зат мөлшерін моль бірлігімен өлшейді.
Бір моль заттың массасын оның молярлық массасы деп атайды, оны М әрпімен белгілеп, гмоль деп өрнектейді. Заттың молярлық массасы (М) оның массасының зат мөлшеріне қатынасы болып келеді:

Зат мөлшері n молекуланың (атомның) берілген санының N Авогадро саны NA қатынасына тең:

Заттардың жіктелуі.

Химиялық элемент деп белгілі бір қасиеттер жиынтығымен сипатталатын атомдардың түрін айтады. Химиялық элементтер бір-бірімен әрекеттесіп әр түрлі қосылыстар түзеді. Бұл қосылыстарды құрамына қарай жай және күрделі заттар деп бөледі. Жай заттар бір элементтің атомынан түзіледі. Күрделі заттар әр түрлі элементтердің атомдарынан тұрады.
Таза заттар
ЗАТТАР
Заттар қоспасы
Жай заттар
Күрделі заттар
Молекулалары бір химиялық элементтің атомдарынан тұрады
Молекулалары әртүрлі химиялық элементтердің атомдарынан тұрады
F2, CI2, Br2, O2, S, N2, P, Ca, H2
N2O5, NaOH, CuSO4, AI2O3, H3PO4
Таза заттар
ЗАТТАР
Заттар қоспасы
Жай заттар
Күрделі заттар
Молекулалары бір химиялық элементтің атомдарынан тұрады
Молекулалары әртүрлі химиялық элементтердің атомдарынан тұрады
F2, CI2, Br2, O2, S, N2, P, Ca, H2
N2O5, NaOH, CuSO4, AI2O3, H3PO4

Әрбір элемент ең болмағанда бір жай зат түзеді. Кейбір элементтер бір емес, екі немесе бірнеше жай заттарды түзуі мүмкін. Бұл құбылысты аллотропия деп атайды.
Аллотропия - ол бір элементтің бірнеше қарапайым зат түзу құбылысы. Бір химиялық элементтен түзілетін бірнеше жай заттарды аллотропиялық түр өзгерістер дейді.
Мысалы, көміртегі химиялық элементі алмаз, графит, карбин деп аталатын үш жай зат түзеді. Алмаз - мөлдір, өте қатты, графит - сұр түсті, үйкегенде із қалдыратын жұмсақ, ал карбин - аморфты күйе тәрізді заттар. Үшеуі де көміртегінен тұратын бұл жай заттардың физикалық қасиетіндегі айырмашылықтар, олардағы көміртегі атомдарының орналасу ретіне байланысты.

Валенттілік. Химиялық формулалар.
Химиялық реакциялардың теңдеулері

Элементтің валенттілігі - ол элемент атомының химиялық байланыс түзе келіп, басқа атомдардың белгілі санын қосып алу қабілеттілігі.
Валенттілік атомдардың түзетін химиялық байланыстарының санымен анықталады.
Кез келген молекуланың құрамын химиялық формуламен өрнектеп көрсетуге болады.
Химиялық формуладағы, молекула құрамына енген элемент атомының қанша екендігін қөрсететін сандарды индекстер дейді. Химиялық формула молекуланың сапалық және сандық құрамын (молекула қандай элементтердің атомдарынан тұратындығын және молекулада осы атомдар саны қанша екендігін) көрсетеді.
Молекуладағы атомдардың қосылу реті мен әрбір элементтің валенттілігін көрсететін формулаларды құрылымдық формулалар дейміз. Бұл формулалардағы валенттілік қысқаша сызықшалармен белгіленеді, ондағы сызықша саны элементтің валенттілігіне тең болуы керек. Енді берілген қосылыстардың құрылымдық формуласын жазайық: AsH3, Mg3N2, K2S, SiО2, PCI3 .

H - As - H; K - S - K; Mg = N - Mg - N = Мg; О = Si = О; CI - P - CI

H CI

Химиялық теңдеу - ол химиялық реакцияларды химиялық таңбалар мен формулалар көмегімен өрнектеу.
Мысалы, 2 A1+6HC1=2A1C13 +3H2
Теңдеудегі формулалар алдына қойылған цифрларды коэффициенттер дейді. Олар реакцияға әрбір заттың қанша молі түсіп, қанша моль өнім түзілгендігін көрсетеді.

Негізгі стехиометриялық заңдар

Стехиометрия - ол әрекеттесуші заттардың массалық немесе көлемдік қатынастары туралы ілім.
Стехиометрияның негізін стехиометриялық заңдар құрайды және бұларға зат массасының сақталу заңы, құрам тұрақтылық заңы, эквиваленттер заңы, еселік қатынас заңы, Авогадро заңы жатады. Бұл заңдар заттардың атомдар мен молекулалардан тұратынын және атом-молекулалық ілімнің дұрыс екенін дәлелдеді.

Массаның сақталу заңы.

М.В. Ломоносовтың масса сақталу заңы: химиялық реакцияға түскен заттардың массасы, реакция нәтижесінде түзілген заттардың массасына тең.
Кез келген түрлену барысында массалар өзгеріске тап болып, энергия бөлінеді немесе сіңіріледі. Масса мен энергия арасындағы мұндай өзара байланысты қазіргі физиканың негізін салушы А. Эйнштейн 1905 жылы көрсетті:
Е = ∆m · с2
мұндағы Е - энергияның мөлшері;
∆m - массаның өзгеруі;
с - вакуумдағы жарық жылдамдығы.
Ендеше, массаның сақталу заңы масса мен энергияның сақталу заңының бір түрі болады.
Заттардың құрам тұрақтылық заңы. 1801 жылы француз химигі Ж.Пруст металдардың оксидтері мен сульфидтерін анализдеу негізінде, құрам тұрақтылық заңын тұжырымдады: Қандай жолмен алынған болса да, таза химиялық қосылыстардың сапалық және сандық құрамы әрдайым тұрақты болады.
Еселік қатынас заңы. Ағылшын ғалымы Джон Дальтон 1803 жылы еселік қатынас заңын ашты. Егер екі элемент бір-бірімен бірнеше молекулалық қосылыс түзетін болса, онда бір элементтің белгілі бір тұрақты массасына келетін екінші элементтің массаларының өзара қатынасы кіші бүтін сандардың қатынасындай болады.
Еселік қатынастар заңы белгілі болған кезден бастап химиялық реакциялар атомистикалық теория тұрғысынан қарастырыла бастады.

Газ заңдары

Көлемдік қатынастар заңы. 1808 жылы Ж. Гей-Люссак көлемдік қатынастар заңын ашты: реакцияласушы және реакциядан шығатын газдардың көлемдерінің өзара қатынасы кіші бүтін сандар қатынасындай болады.
Газдың күйін масса m, көлем V, қысым Р және температурамен T (T=273+t0C) сипаттауға болады. Осы шамалардың арасындағы байланыс идеалды газдардың заңдарымен өрнектеледі.
Бойль-Мариотт заңы: тұрақты температурадағы (изотермиялық процесс, Т=cоnst) газдың массасы үшін газ көлемі қысымға кері пропорционалды.
рV = cоnst
Гей-Люссак заңы: тұрақты қысымдағы (изобаралық процесс, Р=cоnst) берілген газдың массасы үшін газ көлемі абсолюттік температураға тура пропорционалды.
= cоnst
Шарль заңы: тұрақты көлемдегі (изохоралық процесс, V= cоnst) берілген газдың массасы үшін қысым абсолюттік температураға тура пропорционалды.
= cоnst
Газдардың көлемдерін тек мына жағдайларда ғана салыстыруға болады: 273К және 101,3кПа (1 атм). Бұл температура мен қысымды қалыпты жағдай (қ.ж.) деп атайды.
Бойль-Мариотт пен Гей-Люксактың біріккен газ заңы. Бұл заң берілген мөлшердегі газ күйін сипаттайтын қысым, көлем және температура арасындағы өзара байланыстарды көрсетеді:

мұндағы P0, V0, T0 - қ.ж. кезіндегі газдың қысымы, көлемі мен температурасы.
Қалыпты жағдайдағы 1моль газ үшін шамасы барлық газдарға бірдей болады және оны әмбебапты газ тұрақтысы деп атайды. Оның (R) сандық мәні газдың қысым және көлем бірліктеріне тәуелді болады:
R=8,314 ДжмольּК; R=0,082 лּатм мольּК; R=62,4 лּмм.рт.стмольּК.

Авогадро заңы.

1811 жылы Италия ғалымы А.Авогадро кейін заңға айналған гипотезасын ұсынды:
Авогадро заңының тұжырымы: бірдей жағдайда алынған әртүрлі газдардың бірдей көлемдеріндегі молекулалардың саны да бірдей болады.
Авогадро заңынан аса маңызды екі салдар туындайды:
бірдей жағдайдағы әртүрлі газдардың бірдей молекула саны бірдей көлем алады, яғни кез келген газдың 1молі бірдей жағдайда бірдей көлемде болады;
кез келген газдың 1 молі қ.ж. 22,4 л көлем алады. Бұл көлемді молярлық көлем Vm деп атайды; Vm =22,4 лмоль.

Газдың молярлық көлемін Vm біліп, кез келген газдың көлемін V, моль санын n және массасын m есептеуге болады:

Кез келген заттың тығыздығы ρ - ол осы зат массасының m оның көлеміне V қатынасы:

Егер кез келген газдың 1 молін алса, оның массасы молярлық массаға М, ал көлемі молярлық көлемге Vm тең болады.
Демек, газдың тығыздығы тең:
Әртүрлі газдардың бірдей көлемдегі массаларының қатынасы олардың молярлық массаларының қатынасына тең:

- қатынасы екінші газ бойынша алынған бірінші газдың салыстырмалы тығыздығы D деп аталады:

Әдетте, әртүрлі газдардың тығыздығын сутекке (ең жеңіл газ) және ауаға қатынасы бойынша жиі анықтайды.
Кез келген газдың сутек бойынша салыстырмалы тығыздығы тең:
M(газ) = 2 ·
Кез келген газдың ауа бойынша салыстырмалы тығыздығы тең:
M(газ) = 29 ·
Газдың салыстырмалы тығыздығы - өлшемсіз шама.

Идеалды газ күйі Клайперон-Менделеев теңдеуімен толық өрнектеледі:
немесе
мұндағы Р - газ қысымы;
V - газ көлемі;
Т - абсолюттік температура;
R - әмбебапты газ тұрақтысы;
n - газдың мольдік саны;
m - газ массасы;
М - газдың молярлық массасы.

Эквивалент. Эквивалент заңы

Элементтің эквиваленті деп сутегі атомдарының 1 молімен әрекеттесетін немесе сондай мольді қосылыстан ығыстырып шығаратын заттың мөлшерін айтады.
Мысалы иодсутекте HI сутегінің 1 молімен қосылып тұрғандықтан иодтың эквиваленті 1 мольге, күкіртсутекте H2S сутегінің екі молімен қосылып тұрғандықтан күкірттің эквиваленті 1:2 мольге, aммиакта NH3 cутегінің үш молімен қосылып тұрғандықтан азоттың эквиваленті 1:3 мольге, силанда SiH4 сутегінің төрт молімен қосылып тұрғандықтан кремнийдің эквиваленті 1:4 мольге тең болады.
Элементтің 1 эквивалентінің массасын оның эквиваленттік массасы дейді, ал ол гмольмен көрсетіледі. Жоғарыда келтірілген қосылыстардағы иодтың, күкірттің, азоттың, кремнийдің сәйкес эквиваленттік массалары мынадай: 127гмоль, 32:2=16гмоль, 14:3=4,67гмоль, 28:4=6,5гмоль.
Қосылыстағы элемент молінің қандай бөлігі сутегі атомдарының 1 моліне эквивалентті екенін көрсететін санды эквиваленттік фактор дейді және оны fэкв әрпімен белгілейді. Эквиваленттік фактор өлшемсіз сан, оны 1-ді қосылыстағы сол элементтің валенттілігіне (В) бөлу арқылы табады.
fэкв = 1: В
Мысалы, жоғарыдағы келтірілген қосылыстардағы иодтың, күкірттің, азоттың, кремнийдің сәйкес эквиваленттік факторлары мынадай: 1:1; 1:2; 1:3; 1:4.
Бұдан элементтің зквиваленттік массасы Э немесе элемент эквивалентінің 1 молінің массасы элементтің эквиваленттік факторын оның молярлық массасына (М) көбейткенге тең:
Э= fэкв ·М
Элементтің эквиваленттік массасын оның эквивалентінің молярлық массасы деп атайды.
Газдар үшін "бір моль эквиваленттің көлемі" түсінігі енгізілген. Бұл шама қалыпты жағдайда тең:
V1 мольּэкв.= fэкв. ּ 22,4 л
Эквиваленттік көлем деп осы жағдайда заттың 1 эквивалентіне сәйкс келетін көлемді айтады. Мысалы, қалыпты жағдайда сутегінің 1 эквиваленті (1 гмоль) 11,2 л, оттегінің 1 эквиваленті (8 гмоль) 5,6 л көлем алады.
Қышқылдың эквиваленті қышқылдың молярлық массасының оның негізділік санына (металл атомымен орын алмаса алатын сутек атомының саны) қатынасына тең:
Мэ қышқыл =
Мысалы,
Негіздің эквиваленті негіздің молярлық массасының оның қышқылдық санына (негіз түзетін гидроксид - ионының санына немесе металл валенттілігі) қатынасына тең:

Мысалы,
Тұздың эквиваленті тұздың молярлық массасының металдың атом саны (n) мен металл валенттілігі (В) көбейтіндісінің қатынасына тең:

Мысалы,
Оксидтің эквиваленті оттек және онымен қосылған элемент эквивалентінің қосындысына тең:
Эоксид = Ээлемент + Эоттек, мұндағы Эоттек = 8

3. АТОМ ҚҰРЫЛЫСЫ

Атом құрылысының күрделілігі

ХIХ ғасырдың аяғы мен ХХ ғасырдың басында ашылған физика мен химияның ұлы жаңалықтары: катод сәулелерінің, электролиз құбылысының, радиоактивтіктің ашылуы атом құрылысының күрделі екенін және оның құрамына электрондар кіретінін көрсетті. Электрон -- заряды теріс, массасы протон массасының 11840 бөлігіне тең бөлшек. Атом электробейтарап бөлшек болғандықтан электрондардың теріс зарядтарын бейтараптап тұратын атом құрамына кіретін оң зарядтар болуға тиіс.
Атом құрамына оң зарядты бөлшектер кіретінін 1911 жылы ағылшын ғалымы Э.Резерфорд тәжірибе арқылы дәлелдеді. Ол α-сәулелерінің шоғырын жұқа металл пластинкасына бағыттап жібергенде, сәулелердің басым көпшілігі металл пластинкасы арқылы өтіп кететіні, тек кейбір α-сәулелерінің бағытын өзгертетінін, ал өте сирек бірен-саран α-бөлшектерінің кейін қайтатынын байқаған. Кейбір α-сәулелерінің кейін қайтуын олардың атом құрамындағы заряды оң бөлшекпен соқтығысуынан деп қана түсіндіруге болады. Орасан көп атомдар арқылы өткен сәулелердің тек кейбіреулері ғана бағытын өзгертеді. Бұдан атомның құрамындағы оң зарядтар шоғырланған бөлшектің көлемі өте кішкентай екенін байқауға болады.
Осы тәжірибе негізінде Э.Резерфорд атомның планетарлық теориясын ұсынды. Бұл теория бойынша атомның ортасында оң зарядталған ядро болады, оны электрондар орбиталар бойынша айналып жүреді.
Атом электробейтарап болғандықтан ядродағы оң зарядтардың саны, оны айналып жүрген электрондар зарядының санына тең. Электрондар массасы өте аз шама болғандықтан, атомның барлық массасы ядроға шоғырланған. Ядроның көлемі атомға қарағанда өте кішкентай. Егер атом, ядро, электрон шар тәрізді десек, атомның диаметрі 10-10 м, ал ядроның диаметрі 10-15 м болады, яғни ядро атомнан 100000 есе кіші болады.
Бұдан былайғы зерттеулер ядродағы оң зарядтардың саны Д.И.Менделеевтің периодтық жүйесіндегі элементтің реттік нөмеріне тең екенін көрсетті.
Сонымен элемент атомы ядросындағы оң зарядтардың саны және оны айналып жүретін электрондардың саны элементтің реттік нөмеріне тең. Мысалы, кальцийдің периодтық жүйедегі реттік нөмері 20. Бұдан кальций атомының ядросында 20 оң заряд бар екенін және оны 20 электрон электрондық қабаттарда айналып жүретінін білуге болады.
Атомдардың электрондық құрылымы.

Н.Бор ұсынған атом құрылысының теориясы. 1913 жылы Дания ғалымы Нильс Бор сутек атомы құрылысының теориясын ұсынды. Бұл теорияны жасауда ол Э.Резерфордтың планетарлық моделін және М.Планктың сәуле шығарудың кванттық теориясын негізге алды. Кванттық теория бойынша заттар энергияны жеке-жеке порциялар - кванттар түрінде сіңіреді немесе бөліп шығарады:
E=hν,
мұнда h - Планк тұрақтысы, ν - тербеліс жиілігі.
Бор электронның ядроға құламайтын себебі электрон ядроны айналғанда пайда болатын орталықтан тебетін күш mv2r электронның ядроға тартылу күшімен e2r2 теңестіріліп тұрады деген пікірге келеді
mv2r=e2r2 , (I)
мұндағы m - электрон массасы, e - электрон мен ядро зарядтары, r - орбитаның радиусы, v - электрон қозғалысының жылдамдығы.
Бұл теңдеуде m мен e-нің мәндері белгілі, ал r мен v - нің мәндері белгісіз. Екі белгісі бар теңдеуді шешуге болмайды.
Классикалық электродинамика бойынша бір дененің орталықтың төңірегіндегі қозғалуы mvּ2PIr-ге тең қозғалыс мөлшерінің моментімен аяқталады, ал кванттық механика бойынша электрон энергиясы, яғни электрон қозғалысы мөлшерінің моменті бүтін санды квант әрекеттеріне nh тең. Олай болса, мынадай теңдеу құруға болады: mvּ2PI=nh. (II)
Бұл (II) теңдеуден v мен r - ді тауып, олардың мәндерін бірінші (I) теңдеуге қойсақ, мынадай теңдеулер келіп шығады:
;
Енді теңдеудегі әріптердің сандық мәндерін (h=6,62·10-34Дж·с,PI =3,14, e=1,6·10-19 Кл, m=9,108·10-31кг) қою арқылы тұрақты орбиталдың радиустары (rn) мен оларды айналатын электрон жылдамдықтарын (vn) табамыз:
rn = 0,053 n2 нм, vn = 2187 1n кмс,
n - Бор тұрақты орбитасының нөмері.
Келтірілген теңдеулер Бор теориясының I постулатының математикалық көрінісі.
Бордың I постулаты. Электрон ядроның маңайында кез келген орбиталар бойынша емес, тек тұрақты орбиталар бойынша айналады. Бұл орбиталар бойынша айналғанда электрон энергия бөліп шығармайды. Бірінші тұрақты орбита үшін n=1. Олай болса оның радиусы r1=0,053·12=0,053нм, бұл орбита бойынша айналатын электронның жылдамдығы v1=21871=2187 кмс.
Екінші орбита үшін n=2, олай болса, оның радиусы r2=0,053·22=0,212 нм, ал екінші орбита бойынша айналатын электронның жылдамдығы v2=21872=1093,5кмс
Бордың II постулаты. Электрон бір тұрақты орбитадан екінші тұрақты орбитаға көшкенде атом квант түрінде энергия сіңіреді немесе бөліп шығарады:
E=hν,
мұндағы, ν-тербеліс жиілігі.
Электрон жақын орбитадан алыс орбитаға көшкенде атом квант түрінде энергия сіңіреді, ал электрон алыс орбитадан жақын орбитаға көшкенде атом энергия бөліп шығарады.
Кванттық механика тұрғысынан атомдардағы электрондардың күйі. Кванттық механика - микробөлшектердің - молекулалардың, атомдардың қозғалыстары мен әрекеттесулерін зерттейді. Кванттық теория бойынша электрон әрі материалдық бөлшектердің, әрі толқынның қасиеттерін көрсетеді.
Оның материалдық бөлшек сияқты белгілі массасы болады, қысым туғызады, сонымен бірге электрондар қозғалғанда толқындық құбылыстар байқалады.
Толқындық қасиеттері бар электрон өте шапшаң қозғалып ядро төңірегіндегі кеңістіктің кез келген бөлігінде бола алады. Сондықтан қазіргі көзқарас бойынша электрон ядро төңірегінде белгілі тығыздығы бар теріс зарядтардың электрон бұлтын түзеді.
Электронның атомдағы күйін 4 квант сандарының мәндері сипаттайды.
1. Бас квант саны n. Бас квант саны электрондардың жалпы энергия қорын және электрондар орналасқан деңгейлердің ядродан қашықтығын көрсетеді.
Бас квант санының мәндерін бүтін сандармен, ал оларға сәйкес келетін энергетикалық деңгейлерді латынша бас әріптермен белгілейді:
Бас квант сандары 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7;
Энергетикалық деңгей K, L, M, N, О, P, Q.
Электрондар орналасқан деңгейлерді электрондық қабаттар дейді. Бас квант сандарының өсуіне байланысты ол деңгейлерде орналасқан электрондардың энергия қорлары да өседі.
2. Орбиталь квант саны l. Энергетикалық деңгейдегі деңгейшелердің санын орбитальдық квант санының мәндері анықтайды. Электрондар орналасқан деңгейшелерді қабатшалар дейді.
Орбиталь квант саны l осы энергетикалық деңгейдегі орбитальдардың мүмкін болатын пішіндерін және сол пішіндерге сәйкес келетін деңгейшелердің сандары мен түрлерін ( s, p, d, f) анықтайды. Орбиталь квант саны бас квант санына тәуелді және бас квант санының n мәніне сәйкес 0-ден n - 1-ге дейінгі бүтін сандар болып келетін мәндері болады және оларға деңгейшелер сәйкес келеді:
0, 1, 2, 3 ... n - 1
s, p, d, f
Сонымен n=1-ге сәйкес келетін бірінші энергетикалық деңгейде бір s-деңгейшесі болады, оның орбиталының пішіні шар тәрізді болады. Екінші энергетикалық деңгейде n=2 екі (s және p деңгейшелер, ал оларға сәйкес келетін s-орбитальдың пішіні шар тәріздес, p-орбитальдарының пішіні гантель тәріздес болады. Үшінші деңгейде үш деңгейше -s p d, төртінші деңгейде төрт деңгейшелер -s p d f болады.
Бас квант саны (n мен қосымша квант санының l) қосындысы деңгейшенің энергиясын анықтайды. Бұл қосынды n+l неғұрлым көп болса энергетикалық деңгейшенің энергиясы да соғұрлым көп болады.
3. М а г н и т к в а н т с а н ы ml пішіндері бірдей орбитальдардың кеңістікте орналасу бағытын көрсетеді. Магнит квант саны орбиталь квант санына тәуелді болады және осы орбиталь квант санының мәніне сәйкес - l, 0, +l шегінде болатын бүтін сандармен өрнектеледі.
4. С п и н к в а н т с а н ы ms электронның өз осінен қай бағытта қозғалатынын көрсетеді. Электрон өз осінен сағат тілінің бағыты бойынша немесе оған қарсы бағытта қозғалуы мүмкін. Осыған сәйкес спин квант санының және болатын мәндері болады. Графикалық түрде электрон спинін жоғары немесе төмен бағытталған стрелкалармен белгілейді.
П а у л и п р и н ц и п і. Атомдардың спектрлерін зерттей келіп швейцария ғалымы В. Паули (1925 ж.) мынадай ереже немесе принцип ұсынды: атомда төрт квант сандарының мәндері бірдей болатын екі электрон болмайды.
Бұл принциптен шығатын салдар бойынша бір орбитальда екі электроннан артық электрон болмайды.
Жоғарыда келтірілген бас (n), орбитальдық (l), магнит (ml) квант сандарының мәндерін және Паули принципін пайдалана отырып атомдардың деңгейлері мен деңгейшелеріндегі электрондардың мүмкін болатын максималь сандарын есептеп шығаруға болады (1-кесте).
1-кесте
Атомдардың энергетикалық деңгейлері мен деңгейшелеріндегі электрондардың максималь сандары
Энергети-калық деңгей
Энергети-калық деңгейше
Магнит квант сандарының мәндері
- l 0 +l
Орбитальдар саны
Максималь электрондар саны

деңгейшеде (2l+1)
деңгейде n2
деңгейшеде (2l+1)2
деңгейде 2n2
К(n=1)

L(n=2)

M(n=3)

N(n=4)
s(l=0)

s(l=0)
p(l=1)

s(l=0)
p(l=1)
d(l=2)

s(l=0)
p(l=1)
d(l=2)

f(l=3)

0

0
- 1, 0, + 1

0
- 1, 0, + 1
- 2, - 1, 0
+ 1, + 2

0
- 1, 0, + 1
- 2, - 1, 0
+1, +2
- 3, - 2, - 1
- 0, + 1, + 2
+3
1

1
3

1
3
5

1
3

5

7
1

4

9

16
2

2
6

2
6
10

2
6
10

14
2

8

18

32

Атом құрылысы және периодтық заң

Элементтің реттік нөмірі мен атомының ядро зарядтарының саны бірдей болатынын 1912 жылы ағылшын ғалымы Г.Мозли тәжірибе жүзінде дәлелдеді және заң түрінде тұжырымдады. Бұл заңның негізгі мәні мынадай: бастапқы элементтен кейінгі элементке ауысқанда атомдардың ядро зарядтары бірге өсіп отырады. Мысалы, сутек ядро заряды 1, гелийдікі 2, литийдікі 3, бериллийдікі 4 т.с.с.
Атом ядросының оң зарядтарының саны қанша болса, оны айналып жүретін электрондардың да саны сонша болады және бір элементтен келесі элементке ауысқанда электрондардың саны да бірге артып отырады.
Атом құрылысы туралы ілімнің жетістіктеріне байланысты Д.И.Менделеевтің периодтық заңы қазір былай айтылады:
Жай заттардың қасиеттері, сондай-ақ элементтердің қосылыстарының формалары мен қасиеттері олардың атомдарының ядро зарядтарының шамасына периодты түрде тәуелді болады.
Бұл заңның қысқаша түрін былай айтуға болады: элементтердің қасиеттері олардың ядро зарядтарының шамасына периодты түрде тәуелді болады.
Периодтық заңның жаңа анықтамасы оған Д.И. Менделеев берген анықтамаға еш уақытта қайшы келмейді, қайта оны жаңа ғылыми деректермен толықтыра түседі және заңның дұрыстығын дәлелдейді. Мысалы, периодтық жүйеде элементтерді Д.И. Менделеев атомдық массаларының өсу ретімен орналастырғанда кейбір сәйкессіздіктер байқалады. Атомдық массалары ауыр, теллур иодтан бұрын, кобальт никельден бұрын орналасқан, ал атомдардың ядро зарядтарының өсу тұрғысынан қарағанда бұлар кестеде дұрыс орналастырылған. Өйткені теллурға қарағанда иодтың, кобальтқа қарағанда никельдің ядро зарядтарының саны бірге артық болып келеді.
Д.И. Менделеевтің периодтық жүйесі перодтық заңның және атом құрылысының дұрыс көрінісі болып есептеледі.
Кіші периодтарда ядро зарядтарының өсуіне байланысты электрондардың саны артады да (1-периодта 1-ден 2-ге дейін, 2, 3-периодта 1-ден 8-ге дейін) осыған сәйкес элементтердің қасиеттері өзгереді. Периодтың басында орналасқан сыртқы қабатындағы электрондарының саны ең аз элемент сілтілік металл болады, ал электрондарының саны өскен сайын солдан оңға қарай металдық қасиет бірте-бірте кеміп, бейметалдық қасиет арта береді де период инертті газбен аяқталады. Периодта солдан оңға қарай элементтердің металдық қасиеттері кеміп бейметалдық қасиеттерінің артуы осы бағытта олардың атомдарының радиустарының кішіреюіне байланысты болады. Оның себебі бір периодтағы элементтердің электрондық қабаттарының саны бірдей болады, ал олардың солдан оңға қарай ядро зарядтарының өсуіне байланысты валенттік электрондары ядроға күшті тартылады да радиусы кішірейеді. Радиусы кішірейген сайын периодтағы элементтердің электрон беру қабілеті әлсірейді, яғни олардың бейметалдық қасиеттері артады.
Үлкен периодтарда (4, 5, 6) элементтер қасиеттерінің сілтілік металдан нағыз бейметалдарға ауысуы кіші периодтарға қарағанда баяу жүреді. Металдық қасиеттің бәсеңдеуі оның атомының радиусына, валенттік электрондардың ядромен байланысына тәуелді. Үлкен периодтардың жұп қатарларындағы элементтердің ядро зарядтары өссе де сыртқы электрондық қабаттардағы электрондар саны тұрақты (1 немесе 2 электрон) болып қалады.
Сыртқы қабаттарында бір немесе екі электрон болғандықтан жұп қатардағы элементтер металдар қатарына жатады. Үлкен периодтардың тақ қатарларында ядро зарядтарының өсуіне байланысты сыртқы қабаттағы электрондар саны бірден сегізге дейін артады. Осыған сәйкес тақ қатарларда, кіші периодтардағы сияқты, металдық қасиет бірте-бірте кеміп, бейметалдық қасиет артады.
Атом құрылысы теориясы периодтық жүйенің неге жеті периодтан тұратынын да түсіндіреді. Әрбір жаңа период жаңа электрондық қабатпен басталады да, сыртқы қабатындағы электрондар саны 8-ге (s2p6) тең болатын инертті газдармен аяқталады. Осы кездегі барлық белгілі элементтердің ең көп болатын электрондық қабаттарының саны (қозбаған жағдайда) 7-ге тең. Бұдан периодтық жүйеде жеті период болу керек екенін білеміз. Периодтың нөмірі сол периодтағы элементтердің электрондық қабаттарының санын көрсетеді.
Атом құрылысы теориясы пеиодтық жүйенің неге 8 топтан тұратынын және әрбір топтың неге екі топшаға бөлінетінін де түсіндіреді. Әрбір топтың нөмірі сол топқа жататын элементтердің химиялық байланыс түзуге қатыса алатын электрондарының ең көп мөлшерін көрсетеді. Әрбір топ негізгі және қосымша топшаларға бөлінеді. Мұндай бөліну топшалардағы элементтердің электрондық қабаттарындағы электрондардың орналасу тәртібіне байланысты. Барлық негізгі топшаларда элементтердің кезекті электрондары сыртқы қабаттың (І және ІІ топтарда) s-немесе p-қабатшаларында (ІІІ - VIII топтарда) орналасады. Сондықтан да І және ІІ топтардың негізгі топшаларының элементтері s-типті, ІІІ - VIII топшалардың негізгі топшаларының элементтері р-типті элементтерге жатады. Негізгі топша элементтерінің валенттілік электрондары сыртқы қабатта орналасқан және саны топтың нөміріне тең болады. Қосымша топшалардағы элементтердің кезекті электрондары сырттан санағанда екінші қабаттың d-қабатшаларында орналасқандықтан олар d-типке жатады. Қосымша топша элементтерінің сыртқы қабатында 1 немесе 2 электрон болады. Қосымша топша элементтерінің валенттілік электрондары екі қабатта - сыртқы қабаттың s-қабатшасында және ішкі d-қабатшасында орналасқан. Екі қабаттан химиялық байланысқа қатысатын электрондардың ең көп мөлшері сол элемент тұрған топ нөміріне тең болады.
Әрқайсысы 14 элементтен тұратын лантоноидтар мен актиноидтардың кезекті электрондары сырттан санағанда үшінші қабаттың f-қабатшасында орналасатындықтан f-типті элементтер қатарына жатады. f-типті элементтердің химиялық байланысқа қатысатын электрондары сыртқы үш қабатта жатады.
Атом құрылысы теориясы тұрғысынан топтардағы элементтердің ядро зарядтарының өсуіне байланысты бейметалдық қасиет кеміп, металдық қасиет артатындығын да түсіндіруге болады.
Топтағы элементтердің ядро зарядтары артқан сайын электрондық қабаттар саны да арта береді. Яғни, олардың радиустары үлкейіп сыртқы валенттік электрондардың ядроға тартылу күші кемиді. Осы себептен элементтердің жоғарыдан төмен қарай металеместік қасиеті кеміп, металдық қасиеті арта береді.
Электрондық және электрондық-графикалық формулалар. Атомдағы электрондардың энергетикалық деңгейлер мен деңгейшелерде орналасуы Клечковскийдің ережелеріне бағынады.
Атомның электрондары оның деңгейлері мен деңгейшелерінде бас және орбиталь квант сандарының қосындысының (n+l) өсу ретімен орналасады, ал егер екі деңгейше үшін (n+l)-дің мәні бірдей болса, онда электрон алдымен l-дің мәні үлкен деңгейшеде орналасады.
Атомдағы электрондар деңгейлер мен деңгейшелерде мынадай ретпен орналасатынын көруге болады:
1s2s2p3s3p4s3d 4p5s4d5p6s4f 5d6p7s5f6d
Жоғарыда айтылған төрт квант сандарының мәндері, Паули принципі және Клечковскийдің ережелері химиялық элементтер атомдарының электрондық және электрондық-графикалық формулаларын жазуға мүмкіндік береді.
Элемент атомының электрондық формуласын жазу үшін электрондар орналасқан деңгейлерді бас квант санына сәйкес бүтін сандармен, деңгейшелерді әріптермен (s, p, d, f ), ал әр деңгейшедегі электрондарды дәреже көрсеткіші түрінде жазады.
Мысалы, бірінші периодтағы сутек пен гелийдің электрондық формулалары былай жазылады:

Элементтің электрондық-графикалық формуласын жазу үшін орбитальды кванттық ұяшық (төртбұрыш) түрінде, ал электрондардың спиндерін жоғары немесе төмен бағытталған стрелкалармен көрсетеді. Бір ұяшықтағы электрондардың спиндері Паули принципіне сәйкес қарама-қарсы болуы керек. Әр деңгейшедегі электрондардың орналасу реті Гунд ережесіне бағынады: Осы деңгейшеде электрондар алдымен жеке ұяшықтарға дара электрондар түрінде орналасуға тырысады, сонан кейін элементтердің реттік нөмірлерінің өсуіне байланысты жаңа электрондардың есебінен ұяшықтағы дара электрондар жұптасады.
Жоғарыда келтірілген сутек (№1) пен гелийдің (№2) электрондық-графикалық формулалары былай жазылады
1s 1s
1H 2He

Екінші периодтың элементтерінің электрондары екі деңгейге орналасады. Бірінші энергетикалық деңгей электрондармен толықтырылып біткендіктен литий (№3) мен берилийде (№4) электрондар екінші деңгейдің s-деңгейшелерінің орбитальдарына немесе ұяшықтарына орналасады. Бұл элементтер атомдарының электрондық және электрондық-графикалық формулалары мынадай:
1s 2s 2p 1s 2s 2p
3Li1s22s1 4Be1s22s2

Паули принципі бойынша екінші деңгейдің s-деңгейшесінің бір ұяшығында екіден артық электрон болмайды. Сондықтан келесі 6 элементтерде кезекті электрондар екінші деңгейдің p-орбитальдарына немесе ұяшықтарына орналасады. 2р-деңгейшеде электрондар орналасу борда (№5) басталып неонда (№10) аяқталады. Элементтер атомдарының дара электрондарының саны олардың мүмкін болатын валенттіліктерін көрсетеді.
Атом ядросының құрылысы

Нейтрондар ашылғаннан кейін совет ғалымдары Д.Д. Иваненко, Е.Н. Гапон ядро құрылысының протондық-нейтрондық теориясын ұсынды. Бұл теория тұрғысынан қарағанда атом ядросы п р о т о н д а р мен н е й т р о н д а р д а н тұрады. Протонның массасы 1 м.а.б., ал заряды +1 тең. Нейтрон - массасы шамамен протон массасына тең зарядсыз бөлшек. Протондар мен нейтрондар - ядроның екі түрлі күйдегі қарапайым бөлшектері.
Атом ядросының қасиеттері оның құрамындағы протондар мен нейтрондардың санына байланысты. Ядродағы протондардың немесе оң зарядтардың саны периодтық жүйедегі сол элементтің реттік нөміріне тең болады.
Атом ядросының қасиеттерін сипаттайтын екінші жағдай - ол оның массалық саны (А).
Ядроның массалық саны А, оның құрамына кіретін протондар (р) мен нейтрондар (п) санының қосындысына тең: А=Nn+Np.
Ядродағы протондар саны элементтің реттік нөміріне тең, ал нейтрондар саны массалық А сан мен протондар санының айырмасына тең: Nn=А - Np. Мысалы, калий элементінің ядросындағы протондар мен нейтрондар санын табу үшін оның периодтық жүйедегі реттік нөмірін анықтайды. Калийдің реттік нөмірі 19, яғни протондардың саны да 19-ға тең. Нейтрондардың санын табу үшін оның массалық санынан (39),протондар санын 19) алып тастайды. Nn=А - Np=39 - 19=20. Калийдің нейтрондарының саны 20-ға тең.
Атом ядроларын белгілеу үшін элементтің химиялық таңбасының сол жақ төменгі жағынан оң ... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.