Лекции по химии (Лекция 1 09-10)

Посмотреть архив целиком

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.


Случайные файлы

Файл
97329.rtf
23484.rtf
64319.rtf
109096.rtf
143876.doc




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.