Bendroji chemija
5 (100%) 1 vote

Bendroji chemija

ELEKTRONAI IR ATOMAI1. Elektromagnetinė spinduliuotė

2. Atominiai spektrai

3. Kvantinė teorija

4. Boro atomo modelis

5. Naujosios kvantinės mechanikos atsiradimas

6. Banginė mechanika

7. Kvantiniai skaičiai ir elektronų orbitalės

8. Elektrono sukinys

9. Daugiaelektroniai atomai

10. Elektronų išsidėstymas atomuose

Papildomieji skaitiniai. Helio-neono lazerisXIX a. pabaigoje dažnas mokslininkas manė, kad fizika ( jau išbaigtas

mokslas. Visa, ką buvo įmanoma atrasti, jau atrasta. Liko tik perkelti

fizikos žinias į chemiją ir biologiją. Fizikai gėrėjosi dviejų ( trijų

šimtmečių darbo vaisiumi ( darnia pasaulio sąrangos teorija. Idilišką

fizikų pasaulį temdė tik kelios neišspręstos problemos. Dar ne visai buvo

aišku, kaip įkaitinti kūnai spinduliuoja šviesą ir kaip paaiškinti

fotoefektą. Neilgai trukus šios problemos buvo išspręstos, tačiau visiškai

netikėtu būdu. Joms išspręsti prireikė naujos teorijos. Dienos šviesą

išvydo kvantinė teorija. Amžių sandūroje atsiradusi energijos kvantavimo

hipotezė pradėjo naują mokslinės minties vystymosi etapą. Su šviesa

susijusių reiškinių paaiškinimas ne tik kad nepadėjo paskutinio taško

fizikos istorijoje, bet dargi pradėjo naują erą moksle. Kvantinė teorija

atvėrė kelius naujiems atradimams. Didžiausias kvantinės teorijos nuopelnas

– naujas atomo sandaros modelis. Klasikiniai fizikos dėsniai negali

tinkamai paaiškinti daugelio atomų ir molekulių savybių. Tai galima

padaryti tik naudojantis kvantine teorija. Šiame skyriuje sužinosite, kaip

elektronų būseną apibūdina kvantinė teorija, kas yra kvantiniai skaičiai,

elektronų orbitalės. Šio skyriaus žiniomis naudosimės aiškindami elementų

savybių periodinius dėsningumus, cheminius ryšius, tarpmolekulinės sąveikos

jėgas.

1. ELEKTROMAGNETINĖ SPINDULIUOTĖ

Pagrindinis šio skyriaus tikslas – išsiaiškinti elektroninę atomo

sandarą. Deja, savo akimis pamatyti, kaip sudarytas atomas, neįmanoma. Apie

jo sandarą tenka spręsti iš įvairių bandymų. Svarbiausi iš jų –

elektromagnetinės spinduliuotės ir medžiagos sąveikos tyrimai. Prieš

pradėdami kalbėti apie atomo sandarą, pirmiausia šį tą turime sužinoti apie

bangas ir elektromagnetinę spinduliuotę.Jeigu kada nors teko sėdėti nedidelėje valtelėje, pajutote bangas. Jos

periodiškai kilsteli ir nuleidžia valtelę. Banga – tam tikras judėjimas,

kuriam vykstant sklinda energija. Elektrinis ir magnetinis laukas bangų

pavidalu gali sklisti ir medžiagomis (pvz., stiklu), ir tuštuma – vakuumu.

Toks energijos sklidimo būdas vadinamas elektromagnetine spinduliuote. Nors

vandens paviršiumi bėgančios bangos mums labiau įprastos, pradžiai

pakalbėkime apie banguojančią virvę arba stygą.

Būdas, kuriuo energija gali sklisti

Elektromagnetinė spinduliuotė – tai

Elektromagnetinė spinduliuotė – tai energijos pernaša per vakuumą ar

medžiagą (pvz., stiklą), elektriniams ir magnetiniams laukams sklindant

bangų pavidalu. Banga – tai periodinis trikdymas, pernešantis energiją per

terpę. Bangų sklidimą galima stebėti vandens telkinyje iš valtelės.

Didesnės – jūros bangos periodiškai siūbuoja pačią valtelę. Reiškinio

prigimtį lengviausia suvokti, stebint bangą, bėgančią styga.

Bangos ant vandens, garso bangos ir seisminės bangos (susidarančios,

vykstant žemės drebėjimams) nėra panašios į elektromagnetines bangas. Joms

sklisti reikalinga materiali terpė.

Judinant įtemptą stygą ranka aukštyn – žemyn, styga iš kairės į dešinę

pradeda bėgti bangos. Tokia viena kryptimi sklindanti banga yra vadinama

keliaujančiaja banga. Bangos ilgis – tai atstumas tarp dviejų viename

aukštyje esančių ir viena kryptimi svyruojančių taškų.

Pav. 9-1 atvaizduota styga, kuri viename gale yra nejudamai

įtvirtinta, o kitas jos galas laikomas įtemptas. Šioje stygoje pasirinkime

ir pažymėkime kokį nors tašką. Norint sukelti bangą, reikia įtemptą stygą

staigiai pakelti aukštyn ir nuleisti žemyn. Atsiradusi banga judės tolyn

nuo atsiradimo vietos, bet mūsų pasirinktasis taškas judės tik aukštyn –

žemyn. Judėdama (bėgdama) banga suformuos “viršūnes” ir “slėnius”, t. y.

aukščiausiai iškilusius ir žemiausiai nusileidusius taškus, skaičiuojant

nuo Pav 9-1 atvaizduotos punktyrinės linijos. Aukščiausias bangos pakilimo

arba žemiausias nusileidimo atstumas vadinamas amplitude. Atstumas tarp

dviejų aukščiausiųjų (arba žemiausiųjų) taškų (bangos viršūnių) vadinamas

bangos ilgiu (žymimas graikiška raide liambda, \).

Bangos ilgis – tai svarbi jos charakteristika. Kita svarbi

charakteristika – dažnis, žymima graikiška raide niu \, parodantis, kiek

bangos viršūnių prabėga pro kokį nors fiksuotą tašką per t. t. laiko

vienetą. Dažnio dimensija – s-1, ji reiškia bangos ciklų skaičių per

sekundę. Bangos ilgio (\) ir dažnio (\) sandauga parodo, kokį kelią banga

nubėga per laiko vienetą, tai bangos greitis. Pav.
9-1 atvaizduotos bangos

ilgis 0,5 m, dažnis 3 s-1 (tai reiškia, kad per sekundę styga padaro tris

svyravimus aukštyn – žemyn). Šios bangos greitis – 0,5 m x 3 s-1 = 1,5 m/s.

Elektromagnetinės bangos atvaizduotos Pav. 9-2. Jų spinduliuotės

magnetinio lauko dedamoji yra statmena elektrinio lauko dedamajai.

Elektrinis laikas susidaro apie elektringasias daleles; jis taip pat veikia

į šį lauką patekusią kitą elektringąją dalelę. Magnetinis laukas susidaro

apie įmagnetintus kūnus. 1865 m. James Clerk Maxwell’as (1831 – 1879)

pasiūlė teoriją, pagal kurią sklindančios erdvėje elektromagnetinės bangos

susidaro kintamu greičiu judant elektringosioms dalelėms. Radiobangos –

tai elektromagnetinių bangų rūšis, susidaranti dėl elektros srovės

fliuktuacijų specialios konstrukcijos elektros grandinėse. Kitą

elektromagnetinių bangų rūšį – matomasias bangas sukelia elektronai

atomuose ir molekulėse.

Pav. 9-2. Elektromagnetinės bangos.

Elektromagnetines bangas sudaro vienas kitam statmeni kintami

elektrinis ir magnetinis laukai. Vienos rūšies bangai elektrinio ir

magnetinio lauko bangos ilgis, dažnis ir amplitudė yra vienodi. Ten, kur

elektromagnetinės bangos ilgis didesnis, jos dažnis mažesnis (a); jei banga

trumpesnė, jos dažnis didesnis (b).

Elektromagnetinių bangų dažnis, ilgis ir greitis

SI sistemoje dažnio vienetas (s-1) – hercas (Hz), o ilgio vienetas –

metras (m). Daugelio elektromagnetinės spinduluotės rūšių bangų ilgiai yra

labai maži dydžiai, jiems žymėti naudojami specialūs išvestiniai dydžiai.

Tarp jų pateikiamas angstremas, pavadintas švedų mokslininko fiziko Anders

A\ngstro\m (1814 – 1874) garbei, nėra SI sistemos vienetas:

1 centimetras (cm) = 1 x 10-2 m

1 mikrometras (mikronas; \m) = 1 x 10-6 m

1 nanometras (nm) = 1 x 10-7 m

1 angstremas (\) = 1 x 10-10 mElektromagnetinės bangos vakuume sklinda pastoviu 2,997925 x 108 m s-1

greičiu (vadinamuoju šviesos greičiu). Jis žymimas simboliu c;

elektromagnetinės bangos ilgis ir dažnis yra susiję:

\ Šviesos greičio reikšmės dažnai suapvalinama iki 3,00 x 108 m s-1.Pav. 9-3 atvaizduotas platus elektromagnetinių bangų ilgių ir dažnių

diapazonas. Matome, kad mažėjant bangos ilgiui, auga jos dažnis. (9.1)

uždavinyje panaudota (9.1) lygtis.Pav. 9-3. Elektromagnetinių bangų rūšys.

Matomojo spektro šviesa, apimanti elektromagnetinės spinduliuotės dalį

nuo ilgiausių raudonųjų iki trumpiausių violetinių bangų, sudaro tik

nedidelę viso elektromagnetinio spektro dalį. Šiame paveiksle nurodyti

bangų ilgiai ir dažniai yra apytiksliai.

Matomųjų bangų spektras

Šviesos greitis medžiagoje yra mažesnis, nei vakuume.

Pereidamas iš vienos skaidrios terpės į kitą šviesos spindulys lūžta

(žr. Pav. 9-4). Vakuume įvairaus ilgio elektromagnetinės bangos turi

vienodą greitį, tuo tarpu skaidrioje aplinkoje (pavyzdžiui ore)jos sklinda

nevienodu greičiu. “Balta” šviesa sudaryta iš įvairaus ilgio bangų.

Baltai šviesai pereinant iš vienos skaidrios terpės į kitą, įvairių ilgių

šviesos bangos lūžta skirtingu kampu, o šviesos pluoštas išskaidomas į

spalvų juostą – spektrą. Pav. 9-5 atvaizduotas pro siaurą plyšį praėjęs

pluoštas išskaidytas stiklo prizmės; spektro spalvos fiksuojamos

fotografinėje plokštelėje.

……………………………………………………….Pav. 9-4. Šviesos lūžimas

Kokteilio šiaudelis nuo pamerkimo vietos atrodo užlūžęs. Šio reiškinio

priežastis – šviesos bangų lūžimas.

……………………………………………………….

……………………………………………………….Pav. 9-5. “Baltos” šviesos spekteras.

“Baltai” šviesai pereinant per stiklo prizmę raudonos šviesos lūžimo

kampas yra mažiausias, o violetinės – didžiausias. Kitos spektro spalvos

išsidėsto tarp raudonos ir violetinės.

2. ATOMINIS SPEKTRAS

Šviesos šaltinis, atvaizduotas Pav. 9-5, gali būti saulės šviesa ar

elektros lemputės kaitinimo siūlelis. Kiekvienos spalvos banga praėjusi

per prizmę suformuoja prieš prizmę stovinčio plyšio pavidalo atvaizdą; tų

atvaizdų tiek daug, kad jie susilieja į ištisinę spektro juostą,

pereinančią nuo raudonos iki violetinės spalvos (sakoma, kad “baltos”

šviesos spektras yra ištisinis). Tuo tarpu dujošvyčių lempų skleidžiamos

šviesos bangos sudarytos tik iš pavienių spalvotų spektro linijų; tokių

lempų skleidžiamos šviesos spektre lieka tamsios juostos. Šis neištisinis

spektras vadinamas atominiu arba linijiniu spektru. Pav. 9-7 atvaizduota

tokio spektro gavimo schema.

Pirmieji darbai spektroskopijoje atlikti naudojant Bunsen’o specialiai

tam sukonstruotą dujų degiklį. Šis ir dabartiniu metu laboratorijose

naudojamas degiklis skleidžia šviesą, tinkamą atominių spektrų gavimui.

Pav. 9-7. Atomonio linijinio spektro gavimas. Šviesos šaltinis – žemo

slėgio helio lempa. Praeinant elektros išlydžiui per išretintas
dujas

helio atomai sugeria energiją, kurią vėliau išspinduliuoja šviesos

pavidalu. Matomosios srities helio spektras sudarytas iš šešių linijų,

kurias galima stebėti plika akimi. Atvaizduotasis aparatas vadinamas

spektrografu; jame gautasis spektras nufotografuojamas. Jei atliekant

bandymą spektrą reikia tik stebėti neregistruojant, dirbama su

spektroskopu.

Kiekvieno elemento atomai turi tik jiems būdingą linijinį spektrą.

Robert’as Bunsen’as (1811 – 1899) ir Gustav’as Kirchhoff’as (1824 – 1887)

sukonstravo pirmąjį spektroskopą ir panaudojo jį identifikuoti elementams.

1860 m. jie atrado naują elementą ir pavadino jį ceziu (lot. caesius –

žydras), nes šio elemento spektre buvo ryškios žydros linijos. Panašiai

jie atrado ir rubidį (lot. rubudius – tamsiai raudonas). Dar vienas

elementas, atrastas pagal savo spektrą – helis (gr. helios – saulė). Jo

spektras buvo stebėtas saulės užtemimo metu 1868; pats grynas elementas

buvo gautas tik po 27 metų.

Vienas iš nuodugniausiai išstudijuotų – vanndenilio spektras.

Vandenilio lempa švyti rausvai purpurine šviesa (žr. Pav. 9-8).

Pagrindinis skleidžiamos šviesos komponentas – raudona 656,3 nm bangos

ilgio spektro linija. Matomoje srityje stebimos dar trys vandenilio

spektro linijos: mėlynai žalia 486,1 nm ilgio, ir dvi violetinės – 434,0 ir

410,1 nm. Šis atominis vandenilio spektras parodytas Pav. 9-9. 1885 m.

Jonann’as Balmer’is, pasinaudodamas eksperimentiniais duomenimis, išvedė

formulę šio sprktro linijų bangų ilgiams skaičiuoti, kurią patobulino

Johannes Rydberg’as:

3. KVANTINĖ TEORIJA

Infraraudonąją spinduliuotę skleidžia ne vien tik įkaitę kūnai.

Naudojant specialią įrangą infraraudonosios spinduliuotės pagalba galima

matyti įvairius objekus naktį.

Žinome, kad įkaitę kūnai skleidžia įvairių spalvų šviesą

nuo tamsiai raudonos elektrinės plytelės kaitinamojo elemento iki

akinančiai baltos elektros lemputės siūlelio spalvos. Šio reiškinio,

vadinamo juodojo kūno spinduliavimu, panašiai kaip ir atominių spektrų

negalėjo paaiškinti 19 a. pabaigos fizika. 1900 m. Max’as Planck’as (1858

– 1947) pateikė revoliucinį pasiūlymą: energija, panašiai kaip ir medžiaga,

nėra tolydinė. Klasikinė fizika neriboja energijos kiekio, kurį gali

turėti sistema, tuo tarpu kvantinė teorija sistemos turimą energiją

suskirsto tam tikrais dydžiais. Skirtumas tarp dviejų artimų galimų

energijos reikšmių yra vadinamas energijos kvantu. Energijos kvantą mes

galime prilyginti atomui; visa mus supanti energija sudaryta iš kvantų,

panašiai kaip iš atomų sudaryta medžiaga.Planck’as pateikė formulę, pagal kurią elektromagnetinės spinduliuotės

kvantas yra proporcingas jos dažniui; kuo didesnis dažnis, tuo didesnė

energija:

E = h\ (9.3)

Proporcingumo konstanta h (vadinamoji Planck’o konstanta) lygi 6,626 x

10-34 J s.

Kvantinė teorija gerai paaiškino juodojo kūno spinduliavimą bei kitus

reiškinius, tuo pastūmėdama į priekį mokslo vystymąsi. Pripažinimas atėjo

panaudojus kvantų savoką fotoelektrinio efekto aiškinimui.

Ar galima surasti kvantinės teorijos analogijų mus supančioje

aplinkoje? Norint suprasti dėsningumus, susijusius su golfo kamuokiuko,

automobilio ar kosminio laivo judėjimu, nereikia naudotis kvantine teorija.

Šie makroobjektai turi tiek daug energijos, kad kelių kvantų papildymas ar

netekimas nepaveiks jų judėjimo trajektorijos. Todėl stipriai

neapsiriksime manydami, kad makroobjektų energija yra ištisinė, o juos

stebėdami nerasime kvantų buvimo įrodymų. Kvantų analogus galime

įsivaizduoti visiškai kitoje srityje. Pavyzdžiu galėtų būti pinigų keitimo

automatas, priimantis 5, 10 ir 25 centų monetas. Jame jūs galite surinkti

0,45; 0,50 arba 0,55 USD sumą, bet negalite ten įmesti 0,57 USD. Kvantą

šiuo atveju atitinka 0,05 USD (penkiacentė moneta), 10 ir 25 centų monetas

sudarys du ir penki kvantai.

Fotoelektrinis efektas

Pav. 9-10 atvaizduotas fotoelektrinio efekto stebėjimo bandymas. Šį

efektą 1888 m. atrado H. Hertz’as, vėliau ištyrė P. Lenard’as.

Fotoelektrinio efekto esmė: apšvietus kai kurių metalų paviršių gaunamas

elektronų pluoštas. Lenard’as pastebėjo, kad šviesos išmuštų (emituotų)

elektronų skaičius (bet ne jų energija) priklauso nuo apšvitinimo

intensyvumo. Elektronų energijos priklauso nuo šviesos bangų dažnio

(apšvietimo spalvos). Emituotų elektronų energijos gaunamos didesnės, kai

atitinkamas metalas apšviečiamas mėlyna, ir mažesnės, kuomet – raudona

šviesa. Fotoelektrinis efektas tapo dar viena neišsprendžiama mįsle to

meto fizikams, kurie manė, kad šviesos bangų energija priklauso nuo jos

intensyvumo, o ne nuo dažnio.

Pav. 9-10. Fotoelektrinis efektas.

Šviesos srautas susidūręs su metalo paviršiumi išmuša

elektronus. Metalas, netekęs elektronų, įgyja teigiamą krūvį. Metalą

sujungus su elektroskopu, elektronų perteklius iš
nuteka į

fotoelektrodą, o elektroskopo metalinės folijos plokštelės įgyja teigiamą

krūvį ir atstumia viena kitą.

1905 m. Einstein’as padarė prielaidą, kad elektromagnetinės (taip pat

ir matomosios šviesos) bangos yra sudarytos iš “dalelių” ir pavadino jas

fotonais. Dalelių energijai skaičiuoti jis pritaikė Planck’o lygtį E = h\.

Šviesos energija yra sukoncentruota fotonuose. Vykstant fotoelektriniam

efektui, fotonai susidurdami perduoda energiją elektronams. Kiekvieno

susidūrimo metu elektronui perduodamas energijos kvantas. Kuo didesnis

elektromagnetinės bangos dažnis, tuo didesnė ją sudarančių fotonų energija.

Tokiu atveju daugiau energijos bus perduodama elektronams ir emituotų

elektronų kinetinė energija bus didesnė. Šviesos dalelinė prigimtis yra

atvaizduota Pav. 9-11.

Elektronas iš metalo gali būti išmuštas vieno jo susidūrimo su fotonu

metu. Procesas negali vykti kelis kartus susiduriant elektronui su fotonu.

Pav. 9-11. Šviesos srautas sudarytas iš fotonų.

Fotonai ir cheminės reakcijos

8 skyriuje užsiminėme apie fotochemines reakcijas, t. y. šviesos

sukeltas chemines reakcijas. Šiose reakcijose dalyvauja fotonai; mes juos

pažymėsime simboliu h\. Atmosferoje vykstanti ozono susidarymo reakcija

gali būti užrašyta:

O2 + h\ \ O + O

O2 + O + M \ O3 + MPirmoji reakcija vyksta veikiant ultravioletinei šviesai (bangos ilgis

242,4 nm). Šioje reakcijoje susidarę deguonies atomai O jungiasi su O2

molekulėmis; reakcijos produktas – ozonas O3. Trečioji dalelė M [pvz.

N2(d)] sugeria energijos perteklių ir apsaugo O3 molekules nuo skilimo.

Planck’o konstantos (h) ir dažnio (\) sandaugos rezultatas lygus

vieno fotono energijai, išreikštai džauliais. Šis dydis labai mažas, todėl

kartais naudojama ir didesnė išraiška – vieno molio (6,02214 x 1023) fotonų

energija.

4. BOHR’o ATOMO MODELIS

2-3 paragrafe pateiktame Rutherford’o atomo modelyje nenurodyta

elektronų išsidėstymo atomuose tvarka. Remiantis klasikinės fizikos

dėsniais, nejudantys neigiami elektronai turėtų būti pritraukti teigiamo

branduolio. Todėl elektronai atomuose turi judėti, panašiai kaip juda

planetos apie Saulę. Klasikinės fizikos dėsniai teigia, kad taip judantys

elektronai turi turėti pagreitį ir spinduliuoti energiją. Prarasdami

energiją šie elektronai turėtų spirališkai judėti prie branduolio, kol

nukristų į jį. Tokia situacija atvaizduota Pav. 9-12.

Pav 9-12. Nestabilaus atomo modelis.

Pagal šį modelį atomas praranda energiją,

spinduliuodamas šviesą, o elektronas nuolat spirališkai artėja prie

branduolio. Tokiu atveju elektrono ir branduolio susidūrimas turėtų įvykti

labai greitai.

1913 m. Niels’as Bohr’as (1885 – 1962) išsprendė šį prieštaravimą,

panaudojęs Planck’o pradėtą kurti kvantinę teoriją. Sujungęs klasikinę ir

Šiuo metu Jūs matote 30% šio straipsnio.
Matomi 2507 žodžiai iš 8320 žodžių.
Peržiūrėkite iki 100 straipsnių per 24 val. Pasirinkite apmokėjimo būdą:
El. bankininkyste - 1,45 Eur.
Įveskite savo el. paštą (juo išsiųsime atrakinimo kodą) ir spauskite Tęsti.
SMS žinute - 2,90 Eur.
Siųskite sms numeriu 1337 su tekstu INFO MEDIA ir įveskite gautą atrakinimo kodą.
Turite atrakinimo kodą?
Po mokėjimo iškart gausite atrakinimo kodą, kurį įveskite į laukelį žemiau:
Kodas suteikia galimybę atrakinti iki 100 straispnių svetainėje ir galioja 24 val.