НЕФТЬ-ГАЗ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
На главную >>


Теперь на нашем сайте можно за 5 минут создать свежий реферат или доклад

Скачать книгу целиком можно на сайте: www.nglib.ru.

Предложения в тексте с термином "Энергии"

л i в соответствии с принципом :апрета Паули (в атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором всех четырех квантовых чисел) и правилом Гунда (на орбиталях с одинаковой энергией электроны по возможности расселяются поодиночке), можно описать орбитальное электронное строение всех атомов в их основном состоянии (этот мысленный процесс называется принципом заполнения).

В каждом периоде периодической таблицы наблюдается общая тенденция к возрастанию энергии ионизации с увеличением порядкового номера элемента.

Почему в атоме водорода орбитали 4s, 4р, 4d и 4/ имеют одинаковую энергию и почему у них различная энергия в многоэлектронных атомах?

Почему первая энергия ионизации S меньше, чем у Р?

Почему первая энергия ионизации Th меньше, чем у Hg?

Каким образом электроотрицательность связана с первой энергией ионизации и сродством к электрону?

Как она связана с энергиями связи молекул?

Для удаления такого электрона требуется энергия 146 кДж-моль"1.

Объясните, почему вторая энергия ионизации Mg больше его первой энергии ионизации, но не столь велика, как вторая энергия ионизации Na.

Какой из перечисленных атомов имеет минимальную первую энергию ионизации: Li, F, Cs или Хе?

В какой последовательности возрастает первая энергия ионизации у атомов С, N, О и F?

9-1 не приведены значения энергии ионизации полония, Ро, и астата, At, поскольку эти элементы не получены в достаточных количествах, чтобы можно было точно измерить их энергии ионизации.

г) Чему равна энергия ионизации электрона на 50-орбитали атома водорода?

д) В атоме водорода орбитали 5s, 5p, 5d, 5/ и 5д имеют одинаковую энергию.

Воспользуйтесь тем, что Хн = 2,20, и найдите необходимые энергии связи в табл.

Согласно первому простому определению Малликена, электроотрицательность элемента полагалась пропорциональной сумме его первой энергии ионизации и сродства к электрону.

Необходимые энергии связи можно найти в табл.

В предыдущих главах было показано, что энергии ионизации, сродство к электрону и электроотрицательности атомов всех элементов удается объяснить на основе рассмотрения орбитальной электронной структуры атомов.

Первая энергия ионизации натрия является мерой способности газообразного атома Na терять электрон, образуя газообразный ион.

является для химии растворов гораздо более важной характеристикой, чем энергия, необходимая для отрыва семи электронов от атома Мп в газовой фазе.

Они легко теряют единственный валентный электрон и поэтому обладают низкими энергиями ионизации и низкими электроотрица-тельностями.

Их энергия ионизации и электроотрицательность умень

Литий теряет электроны в растворе легче, чем Cs, несмотря на более высокую энергию ионизации Li, потому что маленький размер иона Li+ позволяет молекулам воды ближе подойти к центру этого иона; это обусловливает очень высокую устойчивость гидратированного иона.

У цезия самая низкая энергия ионизации среди всех элементов, его валентный электрон легче всего выбивается светом в фотоэлементе.

У ионов щелочных металлов нет свободных электронов, которые могут возбуждаться светом с энергией, соответствующей видимой части спектра.

Вследствие этого атомы щелочноземельных металлов имек>т меньшие размеры и более высокие значения первой энергии ионизации, чем атомы щелочных металлов в соответствующих периодах.

Ом"1 • моль~ 1 низкую способность терять электроны в растворе, по той причине, что у него выше первая энергия ионизации, чем у других элементов его группы.

Подобно литию, бериллий имеет высокую энергию гидратации вследствие малого размера атомов.

Однако Be имеет необычно высокую энергию ионизации и большую энергию испарения (см.

Вторая энергия ионизации щелочноземельных металлов обычно вдвое превышает их первую энергию ионизации; поэтому можно было бы ожидать, что эти металлы образуют ионы с зарядом + 1 и существуют в растворе в состоянии окисления +1.

Гидратация двухзарядного катиона обеспечивает ему настолько высокую устойчивость, что она превосходит энергию, необходимую для удаления второго электрона.

Поглощение излучения с небольшой энергией, отвечающего красной области спектра, означает, что остальная часть видимого спектра проходит через раствор или соединение беспрепятственно и придает веществу дополнительную зелено-голубую окраску.

Поглощение излучения с последовательно увеличивающейся энергией создает у вещества зелено-голубую, синюю, фиолетовую, пурпурную, красно-оранжевую и, наконец, желтую окраску; эти цвета являются дополнительными к красному, оранжевому, желтому, зеленому, голубому и фиолетовому цветам.

Следующие электроны должны поступать на более высокие по энергии р-ор-битали, и после этих элементов в соответствующих периодах располагаются типические (непереходные) элементы с быстро изменяющимися вдоль периодов свойствами.

Энергии ионизации при этом систематически повышаются.

После того как порядковый номер элементов достигает 57, энергия 4/-орбиталей становится достаточно низкой, чтобы они могли использоваться для заселения электронами в атомах.

Подобно этому, в седьмом периоде после Z = 89, когда 5/- и 6^-орбитали приобретают практически одинаковую энергию, возникает 14 актиноидных металлов, в атомах которых происходит последовательное заселение электронами 5/-орбиталей.

Из-за наличия высоких окислительных потенциалов (и низкой первой энергии ионизации) эти металлы быстро тускнеют на воздухе и легко реагируют с водой, вытесняя из нее водород.

наибольшими молекулами имеют самую высокую температуру плавления, поскольку для нарушения взаимодействия между ними требуется большая тепловая энергия.

Висмут не может терять все пять валентных электронов: требуемая для этого энергия слишком велика.

9 об энергии ионизации и сродстве к электрону этих элементов?

Энергия связи, т.

энергия, необходимая для разрыва молекулы на два бесконечно удаленных атома, составляет 432 кДж-моль~ * для Н2 и только 139 кДж-моль~ 1 для F2.

Представление о кратных связях отнюдь не является плодом нашего воображения; данные об энергиях связей и о длинах связей подтверждают представление о наличии простой связи в молекуле F2, двойной связи в О2 и тройной связи в N2:

Энергия связи, кДж • моль ~ ' 942 494 139

Чем выше порядок связи, тем прочнее связаны между собой атомы, тем больше энергия связи и короче сама связь.

Однако экспериментально наблюдаемые длина связи и энергия связи для молекулы О2, как было показано выше, полностью согласуются с простейшей двоесвязной структурой :'б=ЬЧ В гл.

Добавление новых электронов к такой замкнутой оболочке невозможно, потому что следующие доступные для заселения электронами атомные орбитали у элементов второго периода -это расположенные намного выше по энергии 35-орбитали.

Для любой реальной молекулярной системы имеется несколько различных геометрий с приблизительно одинаковой энергией.

По мере возрастания порядка связи между любыми двумя атомами прочность (энергия) связи увеличивается, а длина связи, наоборот, уменьшается.

Какая из молекул имеет наибольшую энергию связи: О2, F2 или N2?

Атомная масса всегда несколько меньше суммы масс частиц, входящих в состав атома, поскольку при образовании атома из этих частиц часть массы превращается в энергию и выделяется в виде излучения (дефект массы).

Сравните энергии связи С—С в С2Н4 и С2Н2.

Больше или меньше энергия связи S2 энергии связи молекулы С12?

Если известна льюисова структура молекулы, можно кое-что сказать об устойчивости, порядке, энергиях и длинах связей этой молекулы.

В данной главе будет показано, что можно продвинуться еще дальше в определении электронного строения молекул, исходя из рассмотрения пространственной направленности и энергии валентных атомных орбиталей, принимающих участие в образовании химической связи.

Комбинация двух ядер и двух электронов устойчивее (имеет более низкую энергию), чем 'два изолированных ядра, каждое со своим электроном.

энергия и тем прочнее оказывается комбинация атомов (которую теперь можно называть молекулой).

12-2 показано, как зависит от расстояния между двумя атомами Н потенциальная энергия молекулы Н2.

Высокая энергия

Низкая энергия

Кривая потенциальной энергии для молекулы Н2.

По мере сближения изолированных атомов и уменьшения расстояния (К) между ядрами потенциальная энергия уменьшается из-за притяжения между электронными облаками и ядрами, но затем она снова возрастает из-за отталкивания между ядрами.

Равновесная длина связи соответствует межъядерному расстоянию в минимуме потенциальной энергии (когда притяжение и отталкивание уравновешиваются и молекула стабильна).

12-5, а показаны кривые потенциальной энергии для связывающей и разрыхляющей орбиталей.

Чем ближе друг к другу ядра молекулы Н2 в разрыхляющем состоянии, тем большая расталкивающая сила действует на них со стороны электронных облаков и тем выше энергия молекулы.

При любом расстоянии между ядрами энергия молекулы больше, чем энергия двух изолированных атомов.

12-5, б показаны энергии связывающей и разрыхляющей молекулярных орбиталей при равновесном межъядерном расстоянии (равновесной длине связи) и они сопоставлены с энергией электронов на ls-орбиталях изолированных атомов.

По соображениям Паули, этот электрон должен находиться на молекулярной орбитали с самой низкой энергией, а согласно рис.

Энергия связи (энергия, необходимая для полного разъединения атомов) в данном случае должна быть гораздо больше, чем в молекулярном ионе водорода.

Хотя энергии гелиевых орбиталей, как атомных, так и молеку

а-кривая потенциальной энергии молекулы с электронами на связывающей орбитали, имеющая минимум при экспериментально наблюдаемом межъядерном расстоянии.

Энергия молекулы с электронами на разрыхляющей орбитали всегда больше энергии полностью изолированных атомов, она монотонно возрастает по мере сближения атомов; б-энергетические уровни двух нижних молекулярных орбиталей для молекулы водорода, а также уровни ls-op-биталей изолированных атомов, комбинация которых дает эти молекулярные орбитали.

лярных, отличаются от энергии водородных орбиталей из-за различия в ядерных зарядах, относительное расположение атомных и молекулярных энергетических уровней одинаково.

Энергия связи в ионе Не^ должна быть поэтому меньше, чем в молекуле Н,.

12-1 указаны наблюдаемые энергии связи и длины связи для HJ, Н2 и Не|.

Более того, измеренные энергии связи согласуются с результирующим числом связываю

(Некоторые разрыхляющие орбитали могут иметь более низкую энергию, чем другие связывающие орбитали, и поэтому заполняются раньше них.

Признаком связывающей орбитали является не более низкая энергия, а достижение минимума энергии при определенном межъядерном расстоянии, как показано на рис.

Молекулярные орбитали, полученные из атомных s-орбиталей, имеют более низкую энергию, чем полученные из р-орбиталей.

Кроме того, из двух молекулярных орбиталей, образованных одними п теми же атомны ми орбиталями, связывающая орбиталь должна иметь более низкую энергию, чем разрыхляющая.

Соли имеют более высокие температуры плавления и кипения, чем молекулярные вещества, потому что для разрушения их устойчивой кристаллической решетки необходима большая тепловая энергия; еще большая тепловая энергия требуется для того, чтобы заставить положительные и отрицательные ионы обобществить свои электроны и объединиться в нейтральные молекулы, способные перейти в газовую фазу.

) Орбитали ях и пу имеют одинаковую энергию или, как говорят, соответствуют вырожденному энер-1егическому уровню.

Выше (по энергии) этих орбиталей лежат две разрыхляющие орбитали, к* и л*, а самой высокорасположенной является разрыхляющая орбиталь ст*.

По этой же причине связь в Li2 слабее, чем в Н2: энергия связи в Li2 равна 110 кДж-моль"1, а в Н2-432 кДж-моль^1.

Энергия связи соответственно больше: 274 кДж-моль~ 1 по сравнению с 110 кДж-моль~ *.

В согласии с предсказаниями, энергия связи С2 приблизительно вдвое больше, чем для В2 (603 кДж • моль ~ ' против 274 кДж-моль~ '), а длина связи меньше (1,24 А против 1,59 А).

График зависимости энергии и длины связи от предсказываемого порядка связи в гомоядерных двухатомных молекулах.

Энергия связи возрастает с повышением порядка связи, а длина связи, наоборот, уменьшается.

Азот имеет наибольшую энергию связи и наименьшую длину связи среди всех двухатомных молекул элементов второго периода, соответственно 942 кДж-моль"1 и 1,10 А.

Длина и энергия связи в молекуле О2 согласуются с предсказаниями теории (см.

Энергия связи и длина связи характеризуются значениями, которых и следует ожидать при наличии простой связи.

Молекула Длина связи, А Энергия связи, кДж-моль l

Если провести математические операции, выражаемые словами «скомбинируем две атомные орбитали так, чтобы получить разрыхляющую и связывающие молекулярные орбитали», то обнаружится, что две такие атомные орбитали должны обладать достаточно близкими энергиями.

В противоположность этому если в молекуле АВ скомбинировать орбиталь атома А, обладающую очень высокой энергией, и орбиталь атома В с довольно низкой энергией, то математические выкладки покажут, что разрыхляющая молекулярная орбиталь представляет собой почти чистую исходную орбиталь атома А, а связывающая орбиталь - почти чистую исходную орбиталь атома В.

Взаимодействие атомных орбиталей двух атомов с большим различием в энергиях пренебрежимо мало.

В молекуле HF энергии атомной ls-орбитали водорода и атомной ls-орбитали фтора настолько различны, что в сущности между ними отсутствует взаимодействие.

Слишком низкой энергией обладает также и 2s-op-биталь атома фтора.

Только 2р-орбитали фтора достаточно близки по энергии к ls-орбитали водорода, чтобы эффективное взаимодействие между ними привело к образованию настоящих молекулярных орбиталей.

Энергии ls-орбитали атома Н (см.

Особенно удачен, на наш взгляд, раздел, посвященный энергии связи, где описан способ вычисления энтальпии образования многоатомных молекул как суммы энергий локализованных связей и вместе с тем показано, что отклонения от этой аддитивной схемы позволяют обнаруживать неприменимость простой модели локализованных связей к описанию молекул с напряженной структурой или с делокализацией электронов.

Энергия электрона на ls-op-битали атома водорода равна — 1310 кДж • моль"1 (первая энергия ионизации Н +1310 кДж • моль '), а энергия электрона на 2р-орбитали фтора равна — 1682 кДж • моль"1 (первая энергия ионизации F + 1682 кДж • моль"1).

правую часть того же рисунка) могут быть рассчитаны из данных о первых энергиях ионизации Н и F.

Если для удаления электрона из атома Н приходится затратить энергию 1310 кДж-моль"1, то энергия этого электрона до удаления из атома должна составлять — 1310кДж-•моль"1.

Точно так же, поскольку первая энергия ионизации F равна 1682 кДж-моль"1, энергия 2р-орбиталей атома F должна составлять —1682 кДж-моль"1.

Молекулярная орбиталь а имеет более близкую энергию к 2р-уровню фтора, чем к 1s-уровню водорода.

Попытаемся представить себе, что произойдет со связью Н—F, если энергия ls-орбитали атома водорода постепенно понизится.

К такой ситуации гораздо ближе связь в молекуле НС1, поскольку первые энергии ионизации атомов Н и С1 довольно мало отличаются друг от друга: 1310 и 1255 кДж-моль~ * соответственно.

В рассмотренном выше примере с НС1 приведенные численные данные создают впечатление, что электроны должны смещаться от атома С1 к атому Н, поскольку первая энергия ионизации у водорода (1310 кДж-моль~ *) больше, чем у хлора (1255 кДж-моль~ 1).

Однако на образование химической связи влияют не только энергии ионизации соединяющихся атомов, но также и сродство к электрону каждого из них.

Для выяснения распределения зарядов вдоль связи между двумя атомами следует принимать во внимание одновременно энергию ионизации и сродство к электрону - другими словами, электроотрицательность каждого из двух атомов.

12-12, наоборот, повышается и от своего положения на глубине —1310 кДж-моль"1 устремляется к пределу-нулевой энергии.

В предельном случае ls-орбиталь «атома Н» приобретает нулевую энергию (что означает полную диссоциацию электрона), а молекулярная орбиталь ст, на которой находятся два связывающих электрона, превращается в чистую 2рг-орбиталь атома F (что соответствует образованию аниона F ~").

Первая энергия ионизации К составляет всего 418 кДж-моль"1, а энергия Зз-орбитали К соответственно — 418 кДж • моль ~ *.

Энергия связи в молекуле BN найдена равной 385 кДж-моль ~ ', что подозрительно мало по сравнению с энергией связи в С2, равной 603 кДж-моль"1.

Порядок связи в этой молекуле равен 2—, а энергия и длина связи имеют промежуточное значение между соответствующими значениями для N2 и О2.

А "Энергия связи.

Молекула Длина связи, 'А Энергия связи кДж -моль" '

Что такое дефект массы и энергия связи и как они связаны с атомной массой?

А Энергия связи, кДж - моль" '

В результате электронная плотность сконцентрирована в межъядерной области, и связывающая орбиталь имеет более низкую энергию, чем атомные орбитали, из которых она возникла.

Энергия электрона на разрыхляющей орбитали больше, чем у электрона на каждой из составляющих ее атомных орбиталей; зависимость энергии разрыхляющей орбитали от межъядерного расстояния не имеет минимума, а монотонно возрастает по мере уменьшения межъядерного расстояния.

шва 12 544 и np-электронами имеют такую последовательность расположения по энергии: as < ст?

Орбитали лх и яу, имеют одинаковую энергию; орбитали с одинаковой энергией называются вырожденными.

По мере возрастания порядка связи в заданной гомоядерной двухатомной системе длина связи уменьшается, а энергия связи увеличивается.

12-2 график потенциальной энергии имеет минимум?

Почему было бы неверно общее утверждение, что связывающие орбитали имеют низкие энергии, а разрыхляющие орбитали-высокие энергии?

В какой последовательности возрастает энергия у молекулярных орбиталей двухатомных молекул, образованных атомными 2s- и 2р-орбита-лями?

Почему энергия связи в молекуле Li2 меньше, чем в Н2?

Для какой молекулы следует ожидать большей энергии связи, О2 или NO?

Каков характер молекулярных орбиталей, образуемых двумя атомными орбиталями пары атомов, сильно отличающимися по энергии?

Если образуется комбинация двух атомных орбиталей с большим различием в энергии и на нижнюю из полученных молекулярных орбиталей помещают пару электронов, то какими свойствами обладают эти электроны?

Как соотносится энергия связи в молекуле NO с энергией связи в ионе NO+ (больше, меньше, равна)?

Как соотносится ее энергия связи с энергией связи молекулы S2?

Какая из двухатомных частиц должна иметь большую энергию связи, NF или NF +?

Больше или меньше его энергия связи, чем у молекулы С12?

Как соотносится энергия связи в РО с энергией связи в молекуле SO (больше, меньше, равна)?

Почему энергия связи в молекуле В2 больше, чем в F2?

Где больше энергия связи, в HF~ или HF?

Резонансные структуры и резонансная энергия стабилизации.

Энергия простой связи С—С в этане равна 347 кДж-моль"1, а энергия двойной связи С—С в этилене достигает 523 кДж-моль"1.

Энергия, необходимая для скручивания молекулы этилена на 90°, должна быть равна разности между этими двумя величинами, т.

Эта энергия столь велика, что молекула этилена остается плоской.

13-2, хорошо иллюстрируют соотношение между порядком связи, ее длиной и энергией для молекул С2Н6, С2Н4 и С2Н2.

По мере возрастания порядка связи С—С длина связи уменьшается, а энергия, необходимая для ее разрыва, возрастает.

Таблица 13-2 Зависимость длины связи и энергии от порядка связи

Молекула Порядок связи С -С Длина, связи С— С, А Энергия связи кДж моль ~ ' н„с-сн„,

Отметим, что на примере рассматриваемых я-орбиталей иллюстрируется общее правило, согласно которому орбитали с большим числом узловых поверхностей имеют более высокую энергию.

Как можно подсчитать, пользуясь экспериментальными данными, молекула бензола на 167 кДж • моль ~ ' более устойчива, чем если судить по сумме энергии шести связей С — Н, трех связей С — С и трех связей С=С.

Чем больше число узловых поверхностей у волновой функции, тем выше ее энергия.

называется резонансной энергией стабилизации.

Полную энергию молекулы с достаточной точностью можно описать при помощи следующего приближенного выражения:

13-4 указаны диапазоны электромагнитного излучения, энергия которого выражена в различных единицах, а также названы источники излучения и приемные устройства, применяемые в каждом диапазоне.

колебания связей С—Н-в области между 3 и 4 мкм (от 2800 до 3000 см Ч Пики поглощения в других областях инфракрасного (ИК) спектра соответствуют изменениям энергии, ассоциируемым с колебаниями других связей или со сложными внутримолекулярными колебаниями.

При облучении светом высокой энергии

Мн<: молекулы могут добавлять к падающему на них свету или отнимать от него небольшие порции энергии, соответствующие энергии определенного молекулярного колебания.

Ненасыщенные углеводороды типа этилена поглощают свет при больших длинах волн (меньших энергиях), чем насыщенные углеводороды.

13-39 показаны пространственное расположение и относительные энергии я- и я*-орбиталей молекулы С2Н4.

Каково соотношение между числом узлов у волновых функций бензола и их энергией?

Почему насыщенные углеводороды поглощают свет с более высокой энергией, чем этилен?

Энергии ионизации

Какая из молекул, этилен или этан, должна иметь большую энергию ионизации?

Предскажите относительные энергии ионизации этилена и ацетилена.

Происходит ли поглощение света, связанное с электронными переходами, в С6Н^" при большей или меньшей энергии, чем у бензола?

шой прочностью, и поэтому для разрушения кристаллической структуры при переходе ионного кристалла в жидкость и из жидкости в пар требуется затратить большую энергию.

Энергия вандерваальсова отталкивания = Ъе~аг (14-1) где b и а-параметры, которые зависят от свойств двух взаимодействующих атомов.

Отметим, что энергия отталкивания быстро уменьшается при возрастании межатомного расстояния г и при больших г становится очень малой величиной.

Энергия, обусловленная этой силой притяжения, получила название энергии лондоновского притяжения по имени Ф.

Энергия межмолекулярного притяжения обратно пропорциональна шестой степени расстояния между атомами: d Энергия лондоновского притяжения =-----g- (14-2) где d- постоянный параметр, а г-расстояние между атомами.

Полная потенциальная энергия (ПЭ) вандерваальсовых взаимодействий представляет собой сумму энергии отталкивания, описываемой выражением (14-1), и энергии притяжения, описываемой выражением (14-2):

Полную вандерваальсову потенциальную энергию можно количественно сравнить с энергией обычных ковалентных связей, рассматривая системы, для которых известны точные кривые зависимости потенциальной энергии от межатомного расстояния г.

14-13 показана кривая потенциальной энергии для вандер-ваальсовых взаимодействий между атомами гелия.

При большем сближении атомов они сильнее притягиваются друг к другуг и энергия системы уменьшается.

В молекуле Н2 сильное притяжение между протонами и электронами, находяшдмися на связывающей молекулярной орбитали, вызывает уменьшение потенциальной энергии двух сближающихся атомов Н, а отталкивание между двумя протонами приводит к быстрому возрастанию энергии при слишком большом сближении атомов.

Для разъединения двух атомов гелия, находящихся на равновесном расстоянии вандерваальсова взаимодействия, требуется всего 76,1 Дж-моль"1, а для разрыва ковалентщш связи в молекуле Н2 необходима энергия 431000 Дж-моль-1.

Это объясняется тем, что для преодоления энергии вандерваальсовой «связи» оказывается достаточно относительно небольшой энергии теплового движения молекул.

Например, при переходе к благородным газам с большими порядковыми номерами прочность вандерваальсовой связи также возрастает; это видно из сопоставления кривых потенциальной энергии для систем Не—Не и Аг—Аг, которое проводится на рис.

Связь между болеекрупными атомами Аг прочнее связи между атомами Не, но в случае Аг энергия связи в 400 раз меньше, чем для связи Н—Н.

Возрастание температур плавления и кипения при увеличении молекулярных размеров и массы частично объясняется тем, что для возбуждения движения тяжелых молекул необходима большая энергия.

Для разъединения двух молекул эйкозана (20 атомов углерода) требуется большая энергия, чем для разъединения двух молекул этана (2 атома углерода), потому что между молекулами больших размеров существует большее число вандерваальсовых взаимодействий.

Энергия типичной кова-лентной связи составляет около 400 кДж-моль"1, а энергия водородной связи между атомами Н и О равна приблизительно 20 кДж • моль ~ *.

Теплота плавления льда составляет всего 5,9 кДж-моль~ ', хотя энергия его водородных связей оценивается в 20 кДж-моль" Ч Это указывает, что при плавлении льда разрушается

При плавлении льда поглощается огромная энергия, а нагревание воды на каждый градус требует большей затраты тепла, чем для большинства других веществ.

Вода способна растворять NaCl и разъединять его противоположно заряженные ионы Na + и С1", потому что необходимая для их разъединения энергия обеспечивается образованием гидратированных ионов (рис.

Для разрушения решетки молекулярного кристалла требуется энергия

Tpedye энергия

Высвобождаемая энергия

При образовании ииполь-Ъипальных связей между полярными молекулами растворенного вещества и полярными молекулами растворителя высвобождается энергия

Энергия, высвобождаемая при образовании диполь-дипольных связей между полярными молекулами растворителя и растворенного вещества, достаточна для разрыва межмолекулярных связей в молекулярных кристаллах (рис.

Исходные атомные 2s- и 2р-орбитали обладают настолько близкими энергиями, что это приводит к перекрыванию зон молекулярных орбиталей.

На бесконечно малом расстоянии над верхним заполненным энергетическим уровнем этой зоны расположены незаполненные энергетические уровни, поэтому для возбуждения электрона и его перемещения по всему кристаллу металла требуется бесконечно малая энергия.

Тогда электроны возбуждаются на незанятые делокализованные молекулярные орбитали, принадлежащие к той же самой зоне (25-зоне в случае лития) и обладающие несколько более высокой энергией.

Проводимость металла ограничивается частыми столкновениями электронов с положительными ионами, которые обладают кинетической энергией и вследствие этого совершают беспорядочные колебания вблизи занимаемых ими в кристалле положений.

14-26), бериллий не обладал бы хорошей электропроводностью, потому что для перемещения электронов в кристалле такого металла потребовалась бы энергия их возбуждения в 2р-зону, равная интервалу между 2s- и 2р-зонами.

Если бы зоны из 2s- и 2р-орбиталей не перекрывались между собой, Be обладалчто для протекания тока в кристаллах потребовалась бы большая энергия.

Но благодаря показанному на рисунке перекрыванию зон для возбуждения электронов в зону 2р-орбиталей необходима бесконечно малая энергия.

Низкие координационные числа являются причиной того, что потенциальная энергия электрона внутри таких кристаллов не постоянна; она значительно понижается в межъядерных областях, и поэтому электроны не могут свободно перемещаться по кристаллу, подобно тому как это происходит в металлах.

Чтобы диэлектрик (изолятор) стал проводить электрический ток, необходима энергия, достаточная для возбуждения электронов из заполненной зоны через межзонную щель в свободную зону молекулярных'орбиталей.

Эта энергия является энергией активации процесса проводимости.

Лишь высокие температуры или чрезвычайно сильные электрические поля могут обеспечить энергию, необходимую для возбуждения значительного числа электронов, которые придают кристаллу проводимость.

Полупроводники обладают свойством пропускать электрический ток при условии, что они получают извне сравнительно небольшую энергию, необходимую для возбуждения электронов из нижней заполненной валентной зоны в верхнюю пустую зону проводимости.

Для высвобождения локируемых электронов требуется лишь 1,05 кДж-моль"1, эта энергия превращает кристалл кремния с небольшой примесью фосфора в проводник.

Но независимо от того, как описывается это явление, твердо установлено, что для активации проводимости такого вещества, как кремний, требуется меньше энергии, если в кристалле содержится небольшое количество донора электронов типа фосфора либо акцептора электронов типа бора.

Ионные, или электростатические, связи, а также ковалентные связи характеризуются энергией связи порядка 400 кДж • моль ~ 1.

Водородные связи намного слабее: энергия связи между атомами О и Н до

Постройте график зависимости энергии вандерваальсова отталкивания [уравнение (14-1)] ,от расстояния г между атомными центрами.

Пользуясь потенциальной кривой, построенной при решении задачи 3, оцените энергию вандерваальсова взаимодействия между Rb + и Вг ~ в предположении, что она совпадает с энергией взаимодействия между •парой атомов Кг, расстояние между которыми равно 2,945 А.

Что дает преобладающий вклад в энергию этого взаимодействия-отталкивание или притяжение?

Какую роль играет энергия вандерваальсова взаимодействия в общей энергии связи в RbBr, равной 377 кДж-моль"1?

Оцените энергию вандерваальсова взаимодействия Кг—Кг при межатомном расстоянии 2 и 1 А и затем объясните, что препятствует слишком сильному сближению ионов Rb + и Вг ~ в ионном кристалле.

Для возбуждения электронов в кристалле алмаза из валентной зоны в зону проводимости требуется энергия 5,2 эВ, или 502 кДж-моль ~ г.

Теплоты реакций и закон сохранения энергии 87

Закон сохранения энергии.

Относительные энергии атомных орбиталей 387

Орбитальная конфигурация и первая энергия ионизации 391

Но почему же тогда древние греки не воспользовались теорией Демокрита и не дошли до получения атомной энергии?

Дешевая мускульная энергия людей избавляла от забот о развитии научной технологии.

Греческий ученый Герон Александрийский изобрел несколько механизмов, приводимых в действие энергией водяного пара, которые могли бы послужить прообразом паровых турбин, но он видел в них только игрушки и диковинки.

В химических реакциях должна сохраняться также и энергия.

В то же время стехиометрия, которая может показаться одним из скучнейших разделов химии, а также понятие о теплоте реакций4 представлены как иллюстрации к одному из важнейших физических принципов-закону сохранения массы и энергии.

В результате получился бы циклический бестопливный источник тепла, непрерывно дающий даровую энергию.

Однако все мечты о вечных двигателях рассыпаются в прах, как только начинаются количественные подсчеты теплоты, энергии и работы.

Если сумма двух реакций представляет собой новую, третью реакцию, то теплота третьей реакции равна сумме теплот первых двух реакций (закон сохранения энергии).

2-6 ТЕПЛОТЫ РЕАКЦИЙ И ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ

До сих пор в этой главе рассматривались химические следствия закона сохранения массы и почти ничего не говорилось об энергии.

Но закон, согласно которому теплоты реакций аддитивны и энергия процесса не зависит от того, проводится ли он в одну или несколько стадий, играет в химии очень важную роль.

Теплота и работа являются различными формами энергии и измеряются в одинаковых единицах.

Если вы совершаете работу над каким-либо телом или совокупностью тел, можно повысить энергию этой системы или нагреть ее в зависимости от того, каким образом совершается работа.

Когда мы поднимаем тяжелый предмет, работа превращается в его потенциальную энергию, а трение приводит к превращению работы в теплоту.

И наоборот, при падении тяжелого предмета энергия превращается в теплоту, а при работе автомобильного двигателя выделяемая в нем теплота превращается в работу.

Если под действием силы тело приходит в движение, выполненная над телом работа превращается в его кинетическую энергию (энергию движения); в реальных условиях часть работы обычно превращается в тепло (например, из-за наличия трения).

Какую кинетическую энергию приобретает мяч в конце подачи?

В конце подачи мяч приобретает кинетическую энергию 115 Дж.

Для проверки полученного результата вычислим кинетическую энергию по формуле, при помощи которой вводится ее определение:?

Джоуль является очень удобной единицей измерения теплоты, так как с его помощью легко понять связь между теплотой, работой-и энергией.

Дело в том, что калория была введена в XIX столетии, когда еще не было известно, что теплота и работа являются различными формами энергии.

(Если бы эту энергию можно было без потерь перевести в работу, ее хватило бы для осуществления 823 подач бейсбольного мяча, подобных описанной в примере 24.

Энтальпию можно рассматривать как энергию, в которую внесена поправка, учитывающая работу, которую могли совершить реагенты, отталкивая атмосферу, если они расширялись во время реакции.

Совокупность химических веществ в заданном состоянии обладает определенной энергией и определенной энтальпией, причем ни энергия, ни энтальпия не зави

(Это означает, что предыстория рассматриваемых химических веществ может влиять на имеющуюся у них энергию и энтальпию, но нам нет нужды знать эту предысторию, чтобы измерить значения Е и Н.

Камень, брошенный вверх, не поднимется сколь-угодно высоко; в конце концов он начинает падать, поскольку имеет ограниченную кинетическую энергию.

Автомобилю не хватает навсегда бака бензина из-за ограниченной химической энергии этого горючего.

В ядерных реакциях может происходить взаимопревращение массы и энергии, но их сумма обязательно должна сохраняться.

Ядерная энергия получается только за счет исчезновения массы; соотношение между массой и энергией было установлено Эйнштейном и носит его имя.

Согласно соотношению Эйнштейна, Е = тс2, где Е- энергия, т- соответствующая ей масса, а с -скорость света.

Масса и энергия были известны задолго до того, как были обнаружены законы их сохранения.

Чтобы получить представление о величине джоуля, укажем, что бейсбольный мяч массой около 150 г, летящий после подачи со скоростью около 150 км -ч"1 (40 м-с"1), обладает кинетической энергией в 120 Дж.

Энергия связи.

Покажите, что кинетическая энергия тела оказывается равной Е = — mv2, полагая, что вся работа силы, действовавшей на тело, была израсходована только на его ускорение.

В чем различие между энергией Е и энтальпией Я?

При каких условиях теплота реакции равна происходящему в результате нее изменению энергии?

Что говорит первый закон термодинамики об энергии Е или энтальпии Я, связанных с теплотой реакции?

Работа силы тяжести и потенциальная энергия

Если бы вся теплота, выделяющаяся при сгорании метана, могла быть превращена в работу по подъему человека (термодинамически это невозможно), сколько граммов метана потребовалось бы сжечь, чтобы получить энергию, достаточную для подъема человека на второй этаж?

Работа и энергия

При торможении автомобиля его энергия движения (кинетическая энергия) превращается в теплоту, нагревающую тормоза и колеса.

Какая энергия требуется, чтобы остановить автомобиль массой 1200 кг, едущий со скоростью 30 м • с ~~1 (108 км • ч ~ ')?

Движение и энергия молекул газа и его температура.

15 мы узнаем, что произведение PV имеет размерность работы или энергии).

Тяжелые молекулы (главным образом одноатомные молекулы ртути), покидающие поверхность кипящей ртути, обладают большой кинетической энергией, часть которой передается частицам стекла при столкновениях.

не сопровождаются потерями энергии на трение.

Жизненный опыт, основанный на наблюдении за теннисным мячом, многократно отскакивающим от земли после удара, подсказывает нам, что кинетическая энергия при столкновениях уменьшается.

Действительно, киi 135нетическая энергия движущегося тела постепенно превращается в тепловую энергию в результате процесса, который называется трением.

Если бы соударения молекул сопровождались трением, молекулы постепенно тормозились бы и теряли свою кинетическую энергию, а следовательно, при соударениях со стенками сосуда передавали им все меньший импульс, так что давление газа постепенно должно было уменьшиться до нуля.

Другими словами, суммарная кинетическая энергия всех сталкивающихся молекул газа остается постоянной.

Средняя кинетическая энергия молекул, которую мы обозначим символом е (е- греческая буква

1 -j «эпсилон»), определяется выражением — mv ; следовательно, кинетическая энергия Ek для 1 моля молекул, т.

Теперь нетрудно понять, что поизведение PV в законе Бойля-Мариотта пропорционально кинетической энергии 1 моля газа: если умножить и разделить правую часть выражения (3-23) на 3, получим?

Если же сравнить этот результат, полученный на основании молеку-лярно-кинетической теории, с экспериментально установленным уравнением состояния идеального газа (уравнение 3-8), можно сделать вывод, что кинетическая энергия 1 моля газа пропорциональна его температуре.

Абсолютная температура Г газа -не что иное, как проявление кинетической энергии газовых молекул, точнее температура -это мера среднеквадратичной скорости молекул.

Теперь можно яснее представить себе, что происходит, когда кинетическая энергия макроскопических тел превращается в тепло.

При остановке движущегося автомобиля его торможение осуществляется в результате превращения кинетической энергии движения в выделяющееся при трении тепло.

Молекулы с большей массой должны двигаться с меньшей скоростью, чем более легкие молекулы, чтобы иметь одинаковую с ними кинетическую энергию, а именно кинетическая энергия молекул непосредственно связана с температурой газа.

Поскольку молекулы газа непрерывно сталкиваются и обмениваются энергией, их скорость то и дело изменяется.

Если каждая молекула газа движется независимо от остальных все время, за исключением моментов столкновений, и если эти столкновения являются упругими, то в смеси различных газов их суммарная кинетическая энергия должна быть равна сумме кинетических энергий индивидуальных газов:

Каждое из уравнений (3-30) можно переписать в таком виде, чтобы оно давало выражение для кинетической энергии через давление соответствующей газовой компоненты

Подставляя эти выражения для кинетических энергий индивидуальных газов в правую часть полученного выше выражения для суммарной кинетической энергии газовой смеси и в левую часть выражения (3-25), а затем сокращая обе части полученного после указанной подстановки равенства на (3/2)7, найдем

Ее можно описывать как перенос кинетической энергии в направлении, противоположном градиенту температуры.

3-16), тем менее значительно межмолекулярное прш:яжение по сравнению с кинетической энергией движущихся молекул и гем ниже давление, при котором начинает преобладать

Произведение давления на объем газа равно двум третям кинетической энергии движения молекул [уравнение (3-25)].

Этот факт в сочетании с экспериментально установленным объединенным законом состояния идеального газа приводит к важному выводу, что кинетическая энергия движения молекул газа прямо пропорциональна его абсолютной температуре [уравнение (3-26)], т.

Почему справедливо утверждение, что произведение давления и объема идеального газа, PV, пропорционально кинетической энергии газа?

Энергия и температура

Вычислите кинетическую энергию молекул 1 моля идеального газа при температуре 25°С.

Если вы воспользуетесь значением универсальной газовой постоянной R = 0,08205 л • атм • К"1 • моль"1, кинетическая энергия окажется выраженной в непривычных, но вполне приемлемых единицах-л • атм.

Сопоставьте полученное вами значение кинетической энергии в расчете на моль молекул с энергией химической связи, типичная величина которой составляет 350 кДж • моль"1.

Что должно произойти, если кинетическая энергия движения и энергия связи окажутся более сходными по величине?

Вычислите кинетическую энергию, приходящуюся при 300°С на моль молекул следующих газов (в предположении, что они обладают идеальными свойствами): а) Н2, б) СН4, в) НВг.

Когда из протонов, нейтронов и электронов образуется атом, часть их массы превращается в энергию, которая выделяется в окружающую среду.

Поскольку атом невозможно разделить на составляющие его элементарные частицы, не подводя к нему извне энергию, которая эквивалентна исчезнувшей массе, эта энергия называется энергией связи атомного ядра.

Этот самоподдерживающийся двухста-лийный процесс мог бы использоваться для вращения маховика и служить неограниченным источником даровой энергии, однако на практике это невозможно (см.

Мы получили бы настоящий вечный двигатель, в котором создается даровая энергия.

Такая энергия требуется, чтобы в молекуле воды разорвать одну связь О—Н, причем оба принадлежавшие этой связи электрона остаются на атоме кислорода.

Температура представляет собой просто меру тепловой энергии или энергии движения, которой обладает совокупность молекул.

При низких температурах молекулы имеют малую энергию движения, и вандерваальсовы силы притяжения удерживают молекулы вместе в упорядоченной плотноупакованной кристаллической структуре или решетке (рис.

Если к кристаллу подводится энергия, его температура повышается и молекулы все сильнее колеблются относительно своих средних или равновесных положений в кристаллической решетке.

Если к кристаллу подведена достаточная энергия, упорядоченная структура молекулярного кристалла разрушается и молекулы получают возможность свободно скользить одна вдоль другой, хотя они по-прежнему соприкасаются друг с другом (рис.

Жидкость по-прежнему удерживается вандерваальсовыми силами притяжения, хотя молекулы имеют слишком большую энергию движения, чтобы оставаться в фиксированных положениях.

Если к жидкости подводится дополнительная энергия, молекулы начинают двигаться достаточно быстро и способны преодолевать вандерваальсовы силы притяжения, полностью отделяясь одна от другой и двигаясь в пространстве по независимым молекулярным траекториям (рис.

В первых пяти главах вы познакомились с большинством важнейших химических представлений: с атомами, молекулами, молем, законом сохранения массы и энергии, с поведением газов, молекулярно-кинетической теорией, узнали о химическом равновесии и кислотно-основных явлениях в растворах.

Если пренебречь возможностью взаимопревращения массы и энергии, которая играет важную роль только в ядерных реакциях, как доказать ошибочность суждения Ристина?

Закономерная взаимосвязь между порядковым номером элемента и частотой (или энергией) рентгеновских лучей, испускаемых элементом, определяется внутриатомным строением элементов.

Когда внешние электроны переходят со своих оболочек на образовавшиеся вакансии, атомы излучают энергию в форме рентгеновских лучей.

В настоящий момент для нас важно то, что эта энергия зависит от заряда ядра атома.

Тем большая энергия требуется для выбивания из атомов этих электронов и, следовательно, тем большая энергия испускается, когда внешний электрон переходит на вакансию во внутренней электронной оболочке.

Энергия ионизации.

» Откровенно говоря, я не верил, что это возможно, так как мы знали, что альфа-частица - очень быстрая и массивная частица, обладающая большой энергией, и если рассеяние обусловлено накапливающимся эффектом ряда небольших рассеяний, шансы рассеяния альфа-частицы в обратном направлении очень малы.

По всем законам классической теории электромагнитного поля, такой осциллятор должен испускать энергию в виде электромагнитных волн.

Но если бы это происходило, атом должен был все время терять энергию, и электрон по спирали приближался бы к ядру.

Низкая ра<1и°-\ Микроволны \ область энергия волны

При повышении температуры максимум интенсивности смещается в сторону больших частот, и тогда светящийся предмет кажется оранжевым, затем желтым и, наконец, белым, если во всей видимой области спектра излучается достаточная энергия.

Предполагалось, что возможны любые частоты колебаний и что энергия, связанная с каждой частотой, зависит только от числа осцилляторов, колеблющихся с этой частотой.

Новаторское предположение Планка заключалось в том, что энергия электромагнитного излучения выделяется порциями, или квантами.

Энергия одного кванта излучения пропорциональна частоте излучения

По теории Планка, группа атомов не может испускать небольшую энергию на высоких частотах; излучение с высокими частотами может испускаться только осцилляторами с большой энергией, как это следует из соотношения Е = = hv.

Отсюда следовало, что вероятность существования осцилляторов с высокими частотами невелика, потому что вероятность существования групп атомов с соответствующими большими колебательными энергиями должна быть мала.

Возможно, представление об испускании электромагнитной энергии определенными порциями, пропорциональными частоте излучения, было еще одним таким же способом объяснить изолированное явление?

Альберт Эйнштейн (1879-1955) привел еще один пример квантования энергии, когда он сумел успешно объяснить фотоэлектрический эффект.

Энергия кванта света, падающего на поверхность металла, должна быть больше у синего света, чем у красного.

Квантовая теория строения атома 339 каждого кванта энергии красного света слишком мало, чтобы выбить электрон из металла; в нашей аналогии поток шариков для пинг-понга не может сделать того, что удается одному быстро летящему стальному шарику.

= /iv позволяет вычислить энергию фотона зеленого света.

Определите эту энергию в килоджоулях.

5,0- 1(Г5 см Энергия фотона зеленого света

Такой энергией обладает 1 фотон зеленого света.

Чтобы получить энергию 1 моля фотонов зеленого света, следует умножить найденную величину на число Авогадро:?

Самый поразительный для химиков пример квантования энергии света связан с попыткой объяснения атомных спектров.

Поглощению с минимальной энергией в этом спектре соответ

Атом, обладающий избыточной энергией (например, атом раскаленного вещества), испускает свет, спектр которого носит название спектра испускания.

Бор также постулировал, что атом, переходя из одного энергетического состояния в другое состояние с меньшей энергией, испускает излучение, дающее спектральную линию, волновое число которой определяется_изменением энергии атома: Д?

В сущности, он заявил представителям классической физики: «Вы введены в заблуждение вашей физикой, полагая, что электрон должен излучать энергию и по спирали падать на ядро.

Но Бор показал, не прибегая к каким-либо другим предположениям и основываясь на законах классической механики и электростатики, что его постулат приводит к ограничению энергии электрона в атоме водорода значениями k

Энергия, которой может обладать электрон в атоме водорода, согласно уравнению (8-5), оказывается ограниченной определенными значениями, или, как говорят, квантованной.

Из уравнения (8-5) видно, что по мере того, как п приближается к бесконечности, энергия электрона Е стремится к нулю.

Таким образом, энергия полностью ионизованного электрона приравнивается нулевому энергетическому уровню.

Поскольку для удаления электрона из атома требуется затратить энергию, связанный в атоме электрон должен обладать энергией, меньшей чем нулевая, т.

отрицательной энергией.

Определите для атома водорода энергию основного состояния, для которого п = 1, относительно ионизованного атома.

Каковы энергия и радиус орбиты электрона в атоме водорода, находящемся в первом возбужденном состоянии, для которого п = 2?

Пользуясь теорией Бора, вычислите энергию ионизации атома водорода.

Энергия ионизации (ЭЙ) представляет собой энергию, необходимую для удаления из атома электрона, т.

Эта энергия равна

Энергия, испускаемая, когда электрон переходит из состояния п2 в более низкое квантовое состояние nlt равна разности между энергиями этих двух состояний: (8-7)

Поглощение света или нагревание газа повышает энергию электрона и заставляет его перейти на более высокую орбиту.

Затем возбужденный атом водорода может испустить энергию в виде кванта света, когда электрон возвращается на нижележащую орбиту.

Энергия боровской орбиты с квантовым числом и в произвольном одноэлектрон-ном атоме зависит от квадрата заряда его ядра (равного порядковому номеру Z элемента)

Вычислите третью энергию ионизации для атома лития.

Первая энергия ионизации, ЭИи атома с несколькими электронами представляет собой энергию, необходимую для удаления одного электрона.

Для лития эта энергия отвечает процессу

Энергия, необходимая для удаления электрона из однозарядного положительного иона (в нашем случае Li + ), называется «второй энергией ионизации», ЭИ2.

Для лития эта энергия соответствует процессу

Наконец, третья энергия ионизации, ЭИ3, в случае лития соответствует удалению последнего оставшегося электрона из иона Li2 +.

Линии, наблюдаемые в спектре Li, удается объяснить только на основе предположения, что каждый из боровских энергетических уровней, кроме первого, на самом деле представляет собой совокупность подуровней с различными энергиями (как показано на рис.

), достигает аналогичного уровня энергии для атома водорода, а все остальные подуровни, относящиеся к тому же квантовому числу, оказываются более стабильными (располагаются ниже).

Это позволяло объяснить различия в энергии подуровней с одинаковым главным квантовым числом п возможностью проникновения электрона на эллиптической орбите в близкую к ядру область (рис.

Для атома водорода, в центре которого находится точечное ядро с зарядом + 1, энергии всех подуровней с одинаковым п должны быть одинаковыми.

В одноэлектронном атоме водорода с точечным ядром все орбиты, относящиеся к одному и тому же главному квантовому числу п, должны иметь одинаковую энергию.

Дифракция рентгеновских лучей (а) с длиной волны 0,71 А и электронов (б) с энергией 600 эВ, соответствующей длине волны 0,50 А.

Исследования дифракции электронов обычно проводятся с ускорением электронов в поле с разностью потенциалов 40000 В, в результате чего электроны приобретают энергию 40000 эВ.

Прежде всего переведем энергию электронов в джоули:

) Поскольку энергия электронов?

= ^mev2 масса дана в килограммах, а скорость в метрах в секунду, то энергия выражается в джоулях, так как 1 Дж = 1 кг • м2 • с ~ 2.

Однако свет обладает корпускулярными свойствами - его можно рассматривать как поток фотонов-частиц, обладающих энергией Е = hv.

Поскольку нежелательно изменять импульс частицы, приходится использовать фотоны с малой энергией.

Однако длина волны фотона с низкой энергией оказывается настолько большой, что положение частицы становится неопределенным.

И наоборот, если мы пытаемся поточнее определить положение частицы, пользуясь для этого коротковолновым фотоном, то такой фотон обладает большой энергией и отталкивает частицу, делая неопределенным ее импульс (рис.

Однако фотоны света с малой длиной волны X обладают большой энергией и, следовательно, имеют большой импульс.

Как соотносятся энергия одного фотона такого света с энергией наблюдаемого

Энергия электрона

Энергия фотона оказывается почти столь же велика:?

Если же использовать свет с меньшей длиной волны, его энергия становится недопустимо большой.

Для того чтобы разрушить устойчивую структуру ионного кристалла, необходимо затратить достаточно большую энергию, и поэтому температуры плавления солей значительно выше, чем у молекулярных кристаллов.

*) = 0 (8-13) су где V- функция потенциальной энергии в точке (х, у, z), а те- масса электрона.

Энергия частицы?

При наличии в атоме только одного электрона его энергия зависит лишь от п.

Все состояния с различными / при одинаковом п в атоме водорода имеют одинаковую энергию; диаграмма энергетических уровней изображена на рис.

Какова энергия ионизации (в электронвольтах) этого электрона?

Какова энергия ионизации электрона с таким же значением п в ионе Не +?

Энергия ионизации электрона в одноэлектронном атоме зависит только от п и определяется соотношениями

Для преодоления сопротивления ионов необходимо затратить много энергии, чтобы из ионов Na + и -С1 ~ образовались молекулы NaCl, поэтому для получения парообразного хлорида натрия эта соль должна быть нагрета до высокой температуры.

Оно получило название магнитного квантового числа, потому что различие между орбиталями с разными пространственными ориен-тациями может быть обнаружено при помещении атомов в магнитное поле; в этих условиях обнаруживается различие между энергиями по-разному ориентированных орбиталей.

Все нагретые тела излучают энергию (излучатель с идеальными свойствами дает излучение абсолютно черного тела).

Планк выдвинул предположение, что энергия электромагнитного излучения квантована.

Энергия кванта электромагнитного излучения пропорциональна его частоте, Е = hv, где h— постоянная Планка, равная 6,6262- 10" 34 Дж- с.

Энергия фотона равна hv, где v- частота электромагнитной волны.

Он предположил, что допустимы лишь определенные орбиты, соответствующие следующим энергиям: где Е- энергия электрона в атоме (относительно ионизованного состояния Н+ + е~), /с -постоянная, равная 13,595 эВ-атом"1, или 1312 кДж-моль"1, а и- квантовое число, ограниченное целочисленными значениями от 1 до оо.

Какая из перечисленных величин пропорциональна энергии электромагнитного излучения: скорость, волновое число или длина волны?

Почему, несмотря на то что в спектроскопии принято пользоваться в качестве единиц измерения длинами волн, для описания величин, пропорциональных энергии, предпочтительнее пользоваться волновыми числами, а не частотами?

Можно ли найти какую-то логическую связь между квантованием энергии в атоме водорода и тем, что знаменитому певцу Карузо удавалось разбить бокал звуком своего голоса, когда он брал высокую ноту?

Почему энергия электрона в атоме всегда принимает отрицательные значения?

В каких условиях d-орбитали могут различаться по энергии?

д) Какой атом имеет более высокую энергию ионизации?

а) Теория успешно объясняет •наблюдаемые спектры испускания и поглощения атомарного водорода, б) Теория требует, чтобы энергия электрона в атоме водорода была пропорциональна его скорости, в) Теория требует, чтобы энергия электрона в атоме водорода принимала лишь определенные дискретные значения, г) Теория требует, чтобы расстояние электрона от ядра в атоме водорода имело только определенные дискретные значения.

а) Электроны возбуждаются на орбиты с высокими энергиями и испускают свет, когда они снова опускаются на орбиты с низкими энергиями.

б) Атом водорода испускает свет, когда электроны возбуждаются на орбиты с высокими энергиями.

в) Атом водорода поглощает свет, когда электроны возбуждаются на орбиты с высокими энергиями.

г) Электроны переходят из возбужденного состояния на орбиты с более низкими энергиями и испускают свет, возвращаясь на орбиты с более высокими энергиями.

Обусловленная этим электростатическая энергия гидратации компенсирует нарушение притяжения между ионами в кристалле соли [1].

г) Кинетическая энергия электрона определяется выражением ^mev2.

Какое из перечисленных ниже свойств не могла объяснить простая теория Бора: а) энергию ионизации атома водорода; б) детали атомных спектров многоэлектронных атомов; в) положение линий в спектре атомарного водорода; г) спектры водородоподобных атомов, например Не+ или Li2 + ; д) энергетические уровни атома водорода?

Квантовая теория строения атома 381 в) энергия орбитали в отсутствие магнитного поля; г) эффективный объем орбитали?

ЗАДАЧИ Свет и энергия

Выразите энергию этого фотона в джоулях.

Какова его энергия в килоджоулях на моль?

Вычислите энергию фотонов с длиной волны 2 А, выразив ее в джоулях на фотон.

Выразите ее в килоджоулях на моль и сравните с энергией простой углерод-углеродной связи, равной 347 кДж • моль ~ *.

Вычислите энергию фотонов, соответствующих радиоволнам на частоте 1000 килогерц (1 кГц = 103 Гц), выразив ее в джоулях на фотон и килоджоулях на моль.

Как соотносится их энергия с энергией простой углерод-углеродной связи?

Первая энергия ионизации атомов Cs равна 376 кДж-моль~ *.

Вычислите первую энергию ионизации одного атома цезия (в килоджоулях и электронвольтах).

Какова длина волны фотонов с энергией 347 кДж • моль " 1?

Как называется излучение с такой энергией?

Какова энергия этого фотона в джоулях на фотон?

Чтобы фотон, ударяющийся о поверхность металла, мог выбить из него электрон, он должен обладать энергией, превышающей некоторый минимум.

Эта минимальная, или пороговая, энергия называется работой выхода электрона из металла.

Если падающий фотон имеет большую энергию, ее избыток превращается в кинегическую энергию выбитого фотона.

Какая энергия (в электронвольтах на атом) требуется для ионизации атома водорода, в котором электрон занимает боровскую орбиту с п = 5?

Вычислите энергию (в электронвольтах на атом), высвобождающуюся при переходе атома водорода из возбужденного состояния с главным квантовым числом 4 в состояние с главным квантовым числом 3.

Определите энергию, соответствующую четвертой боровской орбите, зная, что первой боровской орбите соответствует энергия - 13,60 эВ-атом "Ч

Какая серия в спектре испускания Be3 + включает линию с минимальной энергией, наиболее близкую к первой линии серии Бальмера?

И, наоборот, если энергия гидратации слишком мала, то кристалл является более устойчивой формой и не растворяется в воде.

Орбитальная конфигурация и энергия ионизации.

Энергия связи, длина связи и атомные радиусы.

Тогда можно мысленно построить многоэлектронный атом, последовательно помещая на эти орбитали по одному электрону, причем процесс заселения следует начинать с наиболее низких по энергии орбиталей.

в состоянии с низшей электронной энергией.

У многоэлектронных атомов в отсутствие внешних электрических и магнитных полей энергия электронов зависит от квантовых чисел и и / (эти квантовые числа определяют размеры и форму орбиталей), но не зависит от квантового числа т (определяющего ориентацию орбиталей).

При заселении орбиталей с одинаковой энергией (например, пяти З^-орбиталей) электроны в первую очередь расселяются поодиночке на вакантных орбиталях, после чего начинается заселение орбиталей вторыми электронами.

Это происходит в соответствии с правилом Гунда, согласно которому на орбиталях с одинаковой энергией электроны остаются по возможности неспаренными.

Следствием правила Гунда является особая устойчивость полузаполненного набора орбиталей (полного набора всех орбиталей с одинаковой энергией, на каждой из которых находится по одному электрону).

Взаимное отталкивание отрицательно заряженных электронов приводит к тому, что для удаления (ионизации) этого шестого электрона требуется меньшая энергия, чем для удаления одного из пяти электронов из полузаполненного набора пяти d-орбиталей.

Относительные энергии атомных орбиталей

В атоме водорода орбитали 3s, Зр и 3d имеют одинаковую энергию, но отличаются по степени приближения электрона к ядру (рис.

Энергия электрона на орбитали зависит от притяжения, испытываемого им со стороны положительно заряженного ядра.

Если бы результирующий заряд ядра и электронов на заполненных внутренних орбиталях был сконцентрирован в той точке, где находится ядро, то 3s-, Зр- и Зс/-орбитали в многоэлектронных атомах тоже имели бы одинаковые энергии.

имеют последовательно увеличивающуюся энергию.

4/-орбиталь иметь более высокую энергию, чем Ss-орбиталь, или ЗЛ-орбиталь более высокую энергию, чем 4s-op-биталь.

Орбитальная к -нфигурация и первая энергия ионизации

При этом особое внимание следует обращать на связь между орбитальной электронной конфигурацией атомов и их первой энергией ионизации.

Первой энергией ионизации* (ЭИ^ атома называется энергия, необходимая для удаления из атома одного электрона, т.

) + Энергия (ЭЙ,) -> Положительный ион (г.

Из-за наличия электрон-электронного отталкивания первая энергия ионизации Не меньше, чем следовало бы ожидать для атома с зарядом ядра + 2.

Если не принимать во внимание электрон-электронное отталкивание, каждый электрон должен испытывать притяжение ядра с полным зарядом + 2, и тогда первую энергию ионизации можно вычислить по формуле для одноэлек* В научной литературе также часто используется термин потенциал ионизации (ПИ),-Прим.

Таблица 9-1 Первая энергия ионизации (ЭЙ), сродство к электрону (СЭ) и электроотрицательность (/) атомов в периодической системе3 эй СЭ X эй СЭ X эй СЭ 1 н 1310 + 67,4 2,20 3 Li 519 + 77,0 0,98 11 Na 498 + 117,2 4 Be 900 - 18,4 1,57 12 Mg 736 0 5 В 799 + 31,8 2,04 13 Al 577 + 50,2 6 С 1088 + 119,7 2,55 14 Si 787 + 138,1 7 N 1406 + 4,6 3,04 15 P 1063 + 75,3 8 О 1314 + 141,8 3,44 16 S 1000 + 199,6 9 F 1682 + 349,4 3,98 17 Cl 1255 + 356,1 2 He 2372 -60,2 10 Ne 2080 -54,8 18 Ar 1519

Два электрона заполняют ls-орбиталь, а третий электрон в атоме Li вынужден, согласно принципу запрета Паули, занимать следующую по возрастанию энергии орбиталь, т.

В атоме бериллия, Be, четвертый электрон заполняет 25-орбиталь, а в атоме бора, В, пятый электрон должен занять следующую по возрастанию энергии 2р-орбиталь:

Первая энергия ионизации для В меньше, чем для Be, потому что самый внешний электрон бора находится на менее стабильной (энергетически более высокой) орбитали.

Поэтому первая энергия ионизации О сравнительно мала.

Поэтому пятый р-электрон в атоме F удерживается очень прочно и первая энергия ионизации снова возрастает.

Другие отклонения обусловлены чрезвычайно малым различием в энергии орбиталей d и s либо d и J.

Вследствие этого первая энергия ионизации для элементов третьего периода (с валентными электронами на уровне п = 3) оказывается меньше, чем у соответствующих элементов второго периода (с и = 2).

Вследствие того что 45-орбиталь проникает ближе к ядру, чем З^-орбиталь, процесс заселения орбиталей должен осуществляться с учетом того, что 4з-орбиталь имеет несколько более низкую энергию, чем З^-орбиталь.

Предскажите электронную конфигурацию первого возбужденного (наименее высокого по энергии) состояния хрома.

Согласно принципу заполнения, основное состояние атома хрома должно иметь конфигурацию 3d44s2, но в действительности из-за особой устойчивости полузаполненного набора орбиталей конфигурация 3d54s' оказывается несколько более низкой по энергии, чем конфигурация 3d44s2.

Для тех элементов, конфигурация основного состояния которых отличается от предсказываемой принципом заполнения, последняя соответствует возбужденному состоянию с незначительно более высокой энергией, чем конфигурация основного состояния.

Первая энергия ионизации, последовательно повышавшаяся при возрастании ядерного заряда в ряду переходных металлов, резко падает у Ga, где новый электрон поступает на менее устойчивую 4р-орбиталь.

Однако 4/-орбитали обычно также устойчивее, чем 5^-орбитали, хотя различие между ними по энергии невелико и имеются исключения.

) + Энергия (СЭ)

Если присоединение к атому электрона с образованием отрицательного иона сопровождается выделением энергии, СЭ имеет положительное значение.

Если этот процесс требует затраты энергии, СЭ отрицательно.

В атомах Be и Mg валентная s-орбиталь полностью заполнена и присоединяемый электрон должен заселять расположенную выше по энергии р-ор-биталь.

Объясните различие между первой энергией ионизации фосфора, Р (1063 кДж-моль ~') и серы, S (1000 кДж-моль ~'), основываясь на сопоставлении валентных орбитальных электронных конфигураций атомов Р и S.

В результате дополнительного электрон-электронного отталкивания спаренных Зр-электронов в атоме S нормальная закономерность последовательного повышения первой энергии ионизации с ростом порядкового номера элемента в пределах периода нарушается, так что 3Hj для Р оказывается больше, чем Ж1 для S.

Поэтому энергии ионизации S, C1, и Аг возрастают в обычном порядке (S < С1 < Аг).

Ковалентная связь образуется между соединяющимися атомами, которые имеют валентные электроны с близкими или одинаковыми орбитальными энергиями.

Энергия, необходимая для разъединения двух связанных атомов, называется энергией связи.

В молекуле Н2 энергия связи (соответствующая процессу Н2 -> Н + Н) составляет 432 кДж • моль ~ '.

Ионная связь образуется между атомами с очень сильно отличающимися энергиями ионизации и сродством к электрону.

) показал, что электроотрицательность можно связать с величиной, являющейся средним между сродством к электрону и энергией ионизации атома.

Полинг количественно оценил электроотрицательности элементов, сравнивая энергию связи между двумя несходными атомами АВ со средним значением энергий связи в молекулах А2 и В2.

Если бы в молекуле HF образовывалась ковалентная связь, как в молекулах F2 и Н2, то можно было бы ожидать, что энергия связи в HF близка к среднему значению (скажем, к среднеарифметическому или среднегеометрическому значению) из энергий связи в молекулах Н2 и F2.

Энергия связи в HF 565 кДж-моль 1, тогда как энергии связи в Н2 и F2 равны соответственно 432 и 139 кДж-моль" '.

Среднее геометрическое из двух последних значений составляет (139-432)1'2 = = 245 кДж -моль ~ 1, что намного меньше, чем наблюдаемая энергия связи в HF.

Эта «избыточная» энергия связи (обозначаемая символом А) приписывается частично ионному характеру связи в молекуле АВ, который обусловлен различием электроотрицательностей у атомов А и В.

ХА- хв = 0,102 Д1'2 (9-1) в котором ХА и Хв~электроотрицательности атомов А и В, а Д-избыточная энергия связи в килоджоулях на моль.

Избыточная энергия связи вычисляется по уравнению




Главный редактор проекта: Мавлютов Р.Р.
oglib@mail.ru