Petruci ir hardwood bendroji chemija bilietas
5 (100%) 1 vote

Petruci ir hardwood bendroji chemija bilietas

Petrucci ir Harwood Bendroji chemija

9 skyrius

Vertė R. Raudonis 2003 VU ChF

ELEKTRONAI IR ATOMAI

9.1. Elektromagnetinė spinduliuotė

9.2. Atominiai spektrai

9.3. Kvantinė teorija

9.4. Boro atomo modelis

9.5. Naujosios kvantinės mechanikos atsiradimas

9.6. Banginė mechanika

9.7. Kvantiniai skaičiai ir elektronų orbitalės

9.8. Elektrono sukinys

9.9. Daugiaelektroniai atomai

9.10. Elektronų išsidėstymas atomuose

XIX a. pabaigoje daugelis mokslininkų 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.

9.1. 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 mums labiau įprastos vandens paviršiumi bėgančios bangos, pradžiai pakalbėkime apie banguojančią virvę arba stygą.

Vandens, garso ir žemės drebėjimo sukeltos bangos sklinda tik medžiaga. Elektromagnetinės bangos sklinda ir medžiaga, ir tuštuma.

Paimkime ilgą virvę ir vieną jos galą pririškime prie durų rankenos. Kurioje nors virvės vietoje užlašinkime raudono rašalo. Dabar virvę nesmarkiai įtemkime ir pradėkime ją judinti aukštyn-žemyn (9.1 pav.). Tinkamai judinant virve ims sklisti banga. Mes matysime keteras, arba iškylas (vietas, kur virvė pakils aukščiausiai)ir įdubas (vietas, kur virvė nusileis žemiausiai). Keteros ir įdubos sklis iš vieno virvės galo į kitą. Raudono rašalo dėmė kartu su virve kils aukštyn ir leisis žemyn, tačiau neslinks iš vieno virvės galo į kitą. Paveiksle punktyru pažymėta centrinė linija. Aukščiausio keteros arba žemiausio įdubos taško atstumas nuo centrinės linijos vadinamas bangos amplitude. Atstumas tarp dviejų gretimų keterų viršūnių arba dviejų gretimų įdubų žemiausių taškų vadinama bangos ilgiu ir žymimas graikų abėcėlės raide lambda .

Banga apibūdinama dar vienu dydžiu – dažniu, kuris žymimas graikų abėcėlės raide niu . Dažnis – tai bangos keterų skaičius, prasklindantis pro pasirinktą tašką per laiko vienetą (pvz., per sekundę). Jeigu stebėsime raudono rašalo tašką – dažnis bus lygus šio taško svyravimų skaičiui per vieną sekundę. Dažnio matas yra s–1, arba hercas Hz. Bangos ilgio  ir dažnio  sandauga yra lygi bangos greičiui. Jeigu bangos ilgis yra 0,5 m, o dažnis 3 s–1 (t.y. 3 pilni svyravimai per sekundę), banga sklinda 0,5 m × 3 s–1 = 1,5 m/s greičiu.

Dabar trumpai susipažinkime su elektromagnetine spinduliuote (9.2 pav). Ją sudarančio elektrinio ir magnetinio lauko dedamosios yra statmenos viena kitai. Erdvė aplink elektringąją dalelę yra pakitusi – ten yra elektrinis laukas. Kad šis laukas yra iš tikrųjų, galima nustatyti priartinant kitus įelektrintus kūnus. Juos veikia tam tikra jėga. Magnetas irgi pakeičia erdvės savybes. Aplink magnetą yra magnetinis laukas. 1865 m. Maksvelas (James Clerk Maxwell, 1831–1879) sukūrė elektromagnetinio lauko teoriją. Pagal šią teoriją kai įelektrintas kūnas juda su pagreičiu (t.y., kai jo greitis keičiasi), susidaro elektromagnetinės bangos – erdve sklinda elektrinis ir magnetinis laukas. Radijo bangos – tai elektromagnetinės spinduliuotė, kurią sukelia tam tikroje elektros grandinėje vykstantis elektros srovės svyravimas. Regimoji šviesa – tai irgi elektromagnetinė spinduliuotė. Ji susidaro dėl atomuose
ir molekulėse esančių elektronų greičio pokyčių. 9.1 pav.

Bėgančioji banga.

Ranka aukštyn – žemyn judinant įtemptą virvę, iš kairės į dešinę pradeda bėgti bangos. Bangos ilgis  – tai atstumas tarp dviejų gretimų keterų (iškylų) arba dviejų gretimų įdubų. .

……………………………………………………….

Elektromagnetinių bangų dažnis, ilgis ir greitis

SI sistemoje dažnis matuojamas atvirkštinėmis sekundėmis s–1, arba hercais Hz, o bangos ilgis – metrais m. Tačiau daugelio elektromagnetinės spinduliuotės rūšių bangos yra labai trumpos, todėl naudojami įvairūs smulkesni vienetai.

Šviesos greitis apvalina- mas iki 3,00•108 m/s.

1 cm (centimetras) = 1•10–2 m

1 m (mikrometras) = 1•10–6 m

1 nm (nanometras) = 1•10–9 m

1 Å (angstremas) =1•10–10 m = 1•10–8 cm

Angstremas 1 Å yra tradicinis nesisteminis ilgio matas. Jis taip pavadintas švedų fiziko Angstremo (Anders Ångström, 1814 – 1874) garbei.

Elektromagnetinė spinduliuotė vakuumu sklinda pastoviu 2,997925•108 m/s greičiu. Šis greitis vadinamas šviesos greičiu ir žymimas simboliu c. Jis yra lygus elektromagnetinės spinduliuotės dažnio ir bangos ilgio sandaugai

c =  • (9.1)

9.3 pav. Matome svarbiausias elektromagnetinės spinduliuotės rūšis. Atkreipkite dėmesį, kad kuo trumpesnės elektromagnetinės bangos, tuo didesnis jų dažnis.

9.2 pav.

Elektromagnetinės bangos.

Elektromagnetinės bangos – tai erdve sklindantys viens kitam statmeni kintami elektrinis ir magnetinis laukai. Abiejų laukų bangų ilgiai, dažniai ir amplitudės yra vienodos. Palyginę a ir b paveikslus pastebėsite, kad ilgesnių bangu dažnis yra mažesnis, o trumpesnių bangų – didesnis.

9.3 pav.

Elektromagnetinis spektras.

Regimoji šviesa yra tik mažytė elektromagnetinės spinduliuotės spektro dalis. Ilgiausios yra raudonos spalvos šviesos bangos, o trumpiausios – violetinės. UV – ultravioletiniai spinduliai, IR – infraraudonieji spinduliai.

9.1 uždavinys

Elektromagnetinių bangų ilgis ir dažnis. Natrio garų lempa spinduliuoja 589 nm ilgio šviesos bangas. Koks šių bangų dažnis?

Sprendimas

Šviesos greitis yra 2,998•108 m/s. Kadangi bangos ilgis duotas nanometrais, jį reikia išreikšti metrais. Po to galėsime naudotis 9.1 formule.

 5,09•1014 s–1 = 5,09•1014 Hz

Pratybų užduotis. FM bangų diapozone transliuojanti radio stotis dirba 91,5 megahercų (MHz) dažniu. Apskaičiuokite šios radijo stoties skleidžiamų bangų ilgį metrais.

Regimosios šviesos spektras

Sklisdama kokia nors medžiaga (pvz., stiklu) šviesa sulėtėja. Todėl šviesai sklindant iš vienos aplinkos į kitą, matomas vadinamasis šviesos spindulių lūžis (9.4 pav.). Ir dar viena svarbi aplinkybė. Vakuume bet kurio bangos ilgio šviesos greitis yra vienodas. Patekusi į kokią nors medžiagą skirtingų bangos ilgių šviesa sulėtėja skirtingai. Tiesa, tie skirtumai yra labai maži. Tai, ką mes vadiname balta šviesa, iš tikrųjų yra įvairių bangos ilgių šviesos mišinys. Kai balta šviesa krenta į skaidrią medžiagą, skirtingų bangos ilgių šviesa lūžta skirtingai. Balta šviesa suskyla. Taip susidaro spalvų spektras. 9.5 pav. matome, kas nutinka, kai siauras baltos šviesos pluoštelis krenta į stiklinę prizmę. Labiausiai užlinksta violetinė šviesa, mažiausiai – raudona. Baltos šviesos pluoštelis suskyla sudarydamas spalvotą juostą – spektrą. Prietaisas, kurio principinę schemą matome 9.5 pav., vadinamas spektrografu.

9.4 pav.

Šviesos lūžis.

Įmerktas į vandenį kokteilių šiaudelis atrodo sulinkęs. Šio reiškinio priežastis – šviesos spindulių lūžis. 9.5 pav.

Baltos šviesos spektras.

Balta šviesa yra įvairių spalvų šviesos mišinys. Raudona šviesa lūžta mažiausiai, o violetinė – labiausiai. Išskaidžius baltą šviesą gaunama spalvota juosta – spektras.

9.2 uždavinys

Baltos šviesos sudedamųjų dalių spalva, dažnis ir bangos ilgis. Gatvės apšviečiamos gyvsidabrio ir natrio garų lempomis (9.6 pav.). Kurios rūšies lempų skleidžiamos šviesos dažnis yra didesnis?

Sprendimas

Prisiminkime svarbiausius šio poskyrio faktus:

1. Bangos ilgis ir dažnis yra atvirkščiai proporcingi vienas kitam (9.1 formulė): kuo didesnis bangos ilgis, tuo mažesnis dažnis.

2. Nuo bangos ilgio priklauso šviesos spalva (9.3 pav.). Mažėjant bangos ilgiui spalvos keičiasi taip: raudona > oranžinė > geltona > žalia > mėlyna.

Gyvsidabrio lempos šviesa yra melsva, o natrio – gelsva. Vadinasi, gyvsidabrio lempos skleidžia mažesnio bangos ilgio, t.y. didesnio dažnio elektromagnetinę spinduliuotę.

Pratybų užduotis. Išrikiuokite šviesoforo signalų ir gyvsidabrio lempų skleidžiamą šviesą bangos ilgio didėjimo tvarka.

9.6 pav.

Natrio ir gyvsidabrio garų lempos.

Priekiniame plane matome geltonai šviečiančią natrio garų lempą. Tolumoje matosi melsvos gyvsidabrio lempos. Šiose lempose yra truputis natrio arba gyvsidabrio garų. Elektronų srautas sužadina metalų atomus, kurie spinduliuodami šviesą grįžta į pradinę būseną.

9.2. ATOMINIS SPEKTRAS

Dar kartą grįžkime prie 9.5 pav. Šviesos šaltinis gali būti saulė arba paprasčiausia kaitinamoji lempa. Jeigu šviesa būtų tik vieno bangos ilgio,
už prizmės matytume vieną plyšio atvaizdą. Tačiau balta šviesa susideda iš daugelio ilgių bangų, kurios lūžta skirtingu kampu. Todėl skirtingų ilgių bangos sudaro plyšių atvaizdus skirtingose vietose. Tų atvaizdų yra tiek daug, kad jie susilieja į ištisinę spalvotą juostą. Viename šios juostos gale matome raudoną spalvą, kitame – violetinę. Baltos šviesos spektras yra ištisinis. Kai kurių švytinčių dujų spektras gali būti kitoks. Praleidus jų šviesą per prizmę, matoma keletą spalvotų linijų, tarp kurių lieka juodi tarpai. Tai linijinis, arba atominis spektras (9.7 pav.).

9.7 pav.

Linijinis spektras.

Helio lempa užpildoma nedidelio slėgio helio dujomis. Susidarius elektronų srautui – elektros išlydžiui – helio dujos ima švytėti. Išskaidę helio lempos šviesą matome šešias spalvotas linijas. Prietaisai, su kuriais galime pamatyti arba užregistruoti spektrą vadinami spektroskopais arba spektrografais.

Kiekvienam elementui būdingas nepakartojamas linijinis spektras. Tai savotiški elemento pirštų atspaudai. Pirmąjį spektroskopą sukūrė Robertas Bunzenas (Robert Bunsen, 1811-1899) ir Gustavas Kirhofas (Gustav Kirchhoff, 1824-1887). Šį prietaisą jie pritaikė nustatyti jau žinomiems elementams ir netgi atrasti naujiems. 1860 m. jie atrado naują elementą, kurį pavadino ceziu (lot. caesius – žydras; jo spektre buvo matomos ryškios žydros linijos). 1861 m. Bunzenas ir Kirhofas atrado rubidį (lot. rubidius – tamsiai raudonas). Helis irgi buvo atrastas pasinaudojus spektroskopu. 1868 m. stebint Saulės užtemimą buvo pastebėtos jokiam žinomam elementui nepriklausančios spektro linijos. Saulėje atrastas elementas buvo pavadintas heliu (gr. helios – saulė). Žemėje aptikti helį pavyko tik po 27 metų.

Konstruojant spektroskopą reikėjo tokio šviesos šaltinio , kuris neužgožtų tyrėjus dominančio elemento spektro. Tam Bunzenas sukūrė specialų dujų degiklį. Tokius degiklius chemijos laboratorijose naudojame dar ir dabar.

Kruopščiausiai buvo tiriamas vandenilio spektras. Vandenilio lempa skleidžia purpurinę šviesą (9.8 pav.). Pagrindinis vandenilio spinduliuotės komponentas yra raudonos spalvos 656,3 nm ilgio šviesos bangos. Tačiau vandenilio spektre yra ir kitų linijų, kurios atitinka tokias bangas: 486,1 nm (žalsvai mėlyna), 434,0 nm (violetinė) ir 410,1 (irgi violetinė) (9.9 pav.). 1885 m. Johanas Balmeris (Johann Balmer) pastebėjo ryšį tarp vandenilio spektro linijų dažnių. Jis surado empirinę formulę, kurią patobulinos J. Ridbergas (Johannes Rydberg):

Čia n – didesnis už du sveikasis skaičius, o  – spektrinės linijos dažnis. Kai n = 3, gaunamas raudonosios spektro linijos dažnis. Kai n = 4, gaunamas žalsvai mėlynosios spektro linijos dažnis ir t.t.

Kodėl spektrą sudaro tik tam tikro linijos, kurių dažnis kinta dėsningai? Ar tai kaip nors nėra susiję su atomo sandara? Pirmiausia tai rodė, kad susižadindamas atomas gali įgyti tik tam tikras energijos vertes. Deja, klasikinė XIX a fizikos teorija negalėjo paaiškinti, kaip susidaro linijinis spektras. Atominiams spektrams paaiškinti prireikė fizikos teorijos perversmo – kvantinės teorijos.

9.8 pav.

Vandenilio lempos šviesa.

Lempa užpildyta mažo slėgio vandenilio dujomis. Elektronų srauto sužadinti vandenilio atomai išspinduliuoja regimąją šviesą. Vandenilio molekulės regimosios šviesos nespinduliuoja.

9.9 pav.

Balmerio serija – atominis vandenilio spektras.

Plika akimi matomos tik keturios vandenilio spektro linijos. Ultravioletinėje srityje yra akimi nematomų vandenilio spektro linijų.

9.3. KVANTINĖ TEORIJA

Tam tikras bangas skleidžia net ir nelabai karšti kūnai. Pavyz- džiui, naktinio matymo prietai- sai yra jautrūs vadinamiesiems infraraudoniesiems spindu- liams.

Turbūt pastebėjote, kad stipriai įkaitinti kūnai ima švytėti. Įjungę elektrinę viryklę pastebime, kad nuo jos spiralės sklinda šiluma, vėliau ji pradeda švytėti blausiai raudonai, galiausiai – skaisčiai raudonai. Elektros lemputės siūlelis skleidžia akinamai baltą šviesą. Devynioliktojo amžiaus fizikai negalėjo išsamiai paaiškinti kietųjų kūnų spinduliuotės dėsningumų. 1900 m. Maksui Plankui (Max Planck, 1858-1947) kilo netikėta mintis. Medžiagų sandara yra netolydi. Bet kuri medžiaga susideda iš mažyčių nedalomų “porcijų” – atomų. Gal ir energija yra netolydi? Gal ji susideda iš energijos “porcijų”? Klasikinės fizikos požiūriu nėra jokių apribojimų, kokį energijos kiekį galėtume suteikti kokiam nors kūnui. Bet jei egzistuoja energijos “porcijos” – fizikai juos pavadino kvantais – tai kūnai negali vienas kitam perduoti mažiau nei vieną energijos “porciją”.

Plankas postulavo, kad elektromagnetinės spinduliuotės kvanto energija yra proporcinga dažniui – kuo didesnis spinduliuotės dažnis, tuo didesnė kvanto energija:

E = h• (9.3)

Proporcingumo konstanta h dabar vadinama Planko konstanta. Ji lygi 6,626•10–34 J•s.

Naudojantis Planko energijos kvantuotumo hipoteze pavyko paaiškinti įkaitintų kūnų spinduliavimo dėsningumus. O 1905 m. Albertas Einšteinas šią hipotezę panaudojo fotoefektui aiškinti.

Tai pravartu žinoti …

Kodėl mes nepastebime energijos kvantuotumo? Planko konstanta –
nepaprastai mažas dydis. Net ir labai didelį dažnį padauginę iš Planko konstantos gausime labai mažą energijos vertę. Erdvėlaivis, automobilis, golfo kamuoliukas ir net mažytė smiltelė yra per didelį, kad vienas energijos kvantas pakeistų jų judėjimą. Visiems plika akimi matomiems kūnams nėra reikalo taikyti kvantinės teorijos. Šių kūnų energiją galime laikyti esant tolydžią. Energijos kvantai svarbūs tik mikropasaulio objektams – atomams, molekulėms, elektronams, radikalams. Nematydami atomų ir nejausdami energijos “porcijų” – kvantų – žmonės tūkstantmečiais manė, kad medžiagos ir energija yra tolydūs.

Fotoefektas

Elektronas nekaupia kelių fotonų energi- jos. Jį išmuša vienas atsitrenkęs fotonas. Štai kodėl elektronas įgyja tik tiek energi-jos, kiek jos “atneša” vienas fotonas. Kuo didesnis šviesos intensyvumas, tuo dau-giau fotonų “bombarduoja” metalą. Todėl didinant intensyvumą didėja tik išmuštų elektronų skaičius, bet ne jų energija.

1888 H. Hercas atrado fotoefektą (9.10 pav). Šį reiškinį kruopščiai tyrė P. Lenardas. Kai kurie metalai yra jautrūs šviesai. Šviesos pluoštas įelektrina šiuos metalus teigiamai. Taip yra todėl, kad šviesa išmuša dalį metalo elektronų. Lenardas nustatė, kad kuo intensyvesnė šviesa, tuo daugiau elektronų išlekia iš metalo. Tačiau išlėkusių elektronų energija nepriklauso nuo šviesos intensyvumo. Tačiau keičiant šviesos dažnį (spalvą), elektronų energija irgi keičiasi. Mėlyna šviesa suteikia išmuštiems elektronams daugiau energijos, negu raudona. Klasikinės fizikos požiūriu buvo neaišku, kodėl didinant šviesos intensyvumą didėja tik elektronų skaičius, bet ne energija. Manyta, kad intensyvesnė šviesa elektronams turėtų suteikti daugiau energijos.

Problemą išsprendė A. Einšteinas. Jis nusprendė, kad elektromagnetinė spinduliuotė susideda iš savotiškų “šviesos atomų” – fotonų (9.11 pav.), kurių energija apskaičiuojama pritaikius Planko formulę (9.3). Šviesos energija sukoncentruota fotonuose. Atsitrenkęs į elektroną fotonas jam atiduoda energijos kvantą – visą savo energiją. Kuo didesnis dažnis, tuo didesnė fotonų energija. Štai kodėl didesnio dažnio šviesa elektronams suteikia daugiau energijos.

Cheminės reakcijos ir fotonai

Mes jau minėjome, kad kai kurias reakcijas sukelia šviesa (žr. I knygos 8 skyrių). Tokios reakcijos vadinamos fotocheminėmis. Rašant tokių reakcijų lygtis, fotonai žymimi h. Ozono susidarymo reakcija yra fotocheminė:

O2 + h  O + O

O2 + O + M  O3 + M

Kad vyktų pirmoji reakcija, reikalinga ultravioletinė spinduliuotė, kurios bangos ilgis mažesnis už 242,4 nm. Susidarę deguonies atomai gali susijungti su dideguonies O2 molekulėmis, jei tuo pat metu sąveikauja dar trečia molekulė M. Dažniausiai tai būna N2 dujos. Šiai molekulei atitenka energijos perteklius. Jeigu niekas “nepasiima” energijos pertekliaus, naujai susidariusi O3 molekulė iš karto suskyla.

Šiuo metu Jūs matote 30% šio straipsnio.
Matomi 2696 žodžiai iš 8975 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.