Введение. Общий подход к рассмотрению ионных, ковалентных и металлических кристаллов, даёт зонная теория кристаллов

Вопросы для самоконтроля

Зонная теория кристаллов

Общий подход к рассмотрению ионных, ковалентных и металлических кристаллов, даёт зонная теория кристаллов, которые рассматривает твёрдое тело как единый коллектив взаимодействующих частиц.

Эта теория представляет собой теорию молекулярных орбиталей с очень большим числом атомов.

При образовании кристаллов в химические связи вступает огромное число частиц N и соответственно образуется огромное число молекулярных орбиталей МО, охватывающих весь кристалл, разность между энергетическими уровнями МО чрезвычайно мала. В результате образуются энергетические зоны, состоящие из огромного числа подуровней. Разность между верхней и нижней энергиями зоны называется шириной зоны. Заполнение зон электронами происходит согласно принципу Паули и правилу Гунда. Зона полностью заполненная электронами, называется валентной. Зона, свободная от электронов и находящаяся по энергии выше валентной зоны, называется зоной проводимости. Валентная зона и зона проводимости могут либо перекрываться, либо не перекрываться друг с другом.

Если зоны не перекрываются, то между ними существуют запрещённая зона с шириной DЕ. Ширина зоны определяет тип кристалла:

1) металлы – валентная и зона проводимости перекрываются;

2) полупроводники – ширина запрещённой зоны <4 эВ;

3) диэлектрики – ширина запрещённой зоны > 4 эВ.

Зонная теория позволяет объяснить электрические, тепловые свойства металлов, полупроводников, полупроводников и диэлектриков.

1. Дана газовая система объемом 1 м³, находящаяся при стандартных условиях и состоящая из СО₂ (объемная доля 40 %) и Н₂ (объемная доля 60 %). Рассчитайте парциальные давления, молярные и массовые доли (%) компонентов.

2. Определите молярные массы газов, имеющих плотность при стандартных условиях соответственно 1,43 и 0,179 г/дм³. Назовите эти газы.

3. Объясните, почему вязкость и поверхностное натяжение у бензола ниже, чем у воды.

4. Какова природа сил взаимодействия между частицами в кристаллах Хе, НВг, СН₃СООН, Na и NaCl? Расположите их по порядку возрастания энергии кристалли­ческих решеток.

5. Объясните, почему алмаз имеет исключительно высокую твердость, а другая аллотропная разновидность углерода - графит - достаточно мягкое вещество.

Заключение по модулю 1

"Строение вещества"

Квантово–механические представления позволяют объяснить взаимодействия между электронами и ядром в атоме, между атомами – в молекуле, между атомами, ионами и молекулами в комплексных соединениях, газах, жидкостях и твёрдых телах. На базе квантово– механической теории получил дальнейшее развитие основополагающий закон химии - периодический закон Д.И.Менделеева.

Зная квантовые числа, понятия «атомная орбиталь», принципы минимума энергии и запрета Паули, правила Гунда и Клечковского и, основываясь на понимании периодического закона Д.И.Менделеева, можно представить электронную конфигурацию любого атома и предсказать свойства элементов.

На базе теории А.М.Бутелрова о химическом строении развилась теории химических связей. Метод валентной связи даёт возможность описать особенностей химической связи, структуру и свойства большинства молекул, а также валентность элементов в соединениях. Более широкие возможности для объяснения химических связей и построение электронных структур представляет метод молекулярных орбиталей. Он достаточно сложен, особенно для многоатомных молекул, тем не менее широко используется в количественных расчётах с применением компьютеров.

На основе представлений о вандерваальсовых силах и водородной связи можно выяснить взаимодействия между молекулами в газах, жидкостях и молекулярных кристаллах и предсказать свойства веществ в этих состояниях. Координационная теория и донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи совместно с элементами теории поля лигандов объясняют взаимодействие между комплексообразователями и лигандами в комплексных соединениях и свойства этих соединений.

Характер химических связей и свойства веществ в твёрдом состоянии можно понять, используя теории электростатического взаимодействия (ионные кристаллы), ковалентной химической связи (атомные кристаллы) и свободных электронов (металлические кристаллы). Метод молекулярных орбиталей в виде зонной теории позволяет объяснить электрические и теплофизические свойства кристаллических тел.

Как следует из этого краткого изложения, периодический закон и квантово – механическая теория позволяют объяснить строение и свойства многих веществ, причём для относительно простых веществ можно получить количественные результаты. Для сложных веществ даётся качественное объяснения.

В настоящее время происходит усложнение теории, в частности, более широкое распространение метода молекулярных орбиталей, возможности которого расширяются при использовании компьютерной техники. Дальнейшее развитие квантово – механической теории позволяет повысить её предсказательные способности.

По окончании изучения этой темы студент должен знать:

1. Квантовые числа и атомные орбитали.

2. Принцип Паули, правила Гунда и Клечковского.

3. Периодическая система Д. И. Менделеева.

4. Энергия ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность.

5. Понятия о размерах атомов и ионов.

6. Виды и характеристики химической связи.

7. Ковалентная связь и ее природа.

8. Метод валентных связей. Валентность по обменному и донорно-акцепторному механизму.

9. Гибридизация атомных орбиталей.

10. Структура и полярность молекул. Электрический момент диполя.

11. Метод молекулярных орбиталей. Связывающие и разрыхляющие орбитали. Порядок связи.

12. Вандерваальсовы силы.

13. Водородные связи.

14. Донорно-акцепторное взаимодействие молекул.

15. Координационная теория Вернера.

16. Комплекс, лиганды, комплексообразователи, координационное число и заряд комплекса.

17. Уравнение состояния идеального и реального газа.

18. Молекулярно-кинетическая теория газов и жидкостей.

19. Аморфное и кристаллическое состояние твердых тел.

20. Химические связи в твердых телах: ковалентные, ионные и металлические.

21. Кристаллы со смешанными связями, клатраты (соединения включения, интеркаляты).

22. Элементы зонной теории кристаллов. Валентная зона, запрещенная зона и зона проводимости.

23. Дефекты в реальных кристаллах. Твердые электролиты. Нестехиометрические соединения.

И должен уметь:

1. Составить электронную конфигурацию любого атома и определить квантовые числа электронов.

2. По электронным конфигурациям определить элемент, его место в таблице Д. И. Менделеева и его свойства.

3. Определить валентность элементов в основном и возбужденном состояниях по обменному и донорно-акцепторному механизмам.

4. Определить полярна или неполярна химическая связь и степень ее полярности. Привести примеры полярных и неполярных связей.

5. Объяснить структуру молекул с sp-, sp² и sp³- гибридизацией атомных орби­талей.

6. Определить полярна или неполярна молекула.

7. Показать энергетическую диаграмму молекулярных орбиталей. Определить порядок связи в молекуле.

8. Указать примеры веществ, у которых между молекулами возникают: а) ван-дервальсовы силы, б) водородные связи.

9. Определить заряд и координационное число комплексов.

10. Определить вакантные орбитали комплексообразователей и неподеленные электронные пары, ответственные за образование ковалентных связей в комплексах.

11. Показать пространственную структуру комплексов.

12. Показать качественно кривую распределения Максвелла – Больцмана.

13. Определить стандартные (нормальные) условия.

14. Определить объем газа при известных массе и условиях.

15. Объяснить причину различия температур кипения, вязкости и поверхностно­го натяжения у разных жидкостей.

16. Привести примеры кристаллов с различными видами химической связи.

17. Объяснить свойства тех или иных кристаллических веществ на основании знания характера химических связей.

18. Объяснить электронные свойства кристаллических веществ на базе основ зонной теории.

19. Показать влияние дефектов на свойства твердых тел.

Под окружающей средой понимается совокупность природы и среды, созданной человеком, – распаханные поля, исскуственные сады и парки, обводненные пустыни, осушенные болота, крупные города с особым тепловым режимом, микроклиматом, водоснабжением и т.д.

Развитие научно-технического прогресса, связанные с ним грандиозные масштабы производственной деятельности человека привели к большим позитивным преобразованиям в мире – созданию мощного промышленного и сельскохозяйственного потенциала, широкому развитию все видов транспорта, ирригации и миллиорации больших земельных площадей, созданию систем исскуственного климата. Вместе с тем резко ухудшилось состояние окружающей среды. Загрязнение атмосферы, почвы и водоемов твердыми, жидкими и газообразными отходами достигает угрожающих размеров, происходит истощение невозобновляемых природных ресурсов – в первую очередь полезных ископаемых и пресной воды. Дальнейшее ухудшение состояния экосферы может привести к далекоидущим отрицательным последствиям для человечества. Поэтому охрана природы, защита ее от загрязнения стала одной из важнейших глобальных проблем.

Слово "экология" образовано из двух греческих слов: "oicos", что означает дом, обиталище, жилище, и "logos" - наука и дословно переводится как "наука о доме, местообитании". Впервые этот термин использовал немецкий зоолог Эрнст Геккель в труде "Общая морфология организмов" в 1886 году, определив экологию как область знаний, изучающую экономику природы, - исследование общих взаимоотношений животных, как с живой, так и с неживой природой, включающей все как дружественные, так и недружественные отношения, с которыми животные и растения прямо или косвенно входят в контакт. Такое понимание экологии стало общепризнанным и сегодня классическая экология - это наука об изучении взаимоотношений живых организмов с окружающей их средой. В конце 80-х годов ХIХ столетия экология сформировалась как самостоятельная биологическая дисциплина и оставалась такой до 50-х годов ХХ столетия. Методы исследований современной экологии очень разнообразны. Это новые физические, химические, биофизические, биоиндикационные, биохимические, радиобиологические, метеорологические и кибернетические методы, наземный, воздушный и космический экомониторинги, современные ЭВМ с их возможностями анализа, систематики, моделирования экосистем, прогноза. Основными задачами будущих экологических исследований большинство ученых считает решение проблем: глобальной конверсии сознания человечества, выработка абсолютно новых моральных основ, полной перемены жизненной парадигмы, превращение человечества в единый биосоциальный организм с коллективным интеллектом и чрезвычайно высокой системой информации; народонаселения; парникового эффекта; кислотных дождей и озоновой дыры; полной утилизации отходов промышленности; экологически "чистой" энергетики; дехимизации сельского хозяйства; экологически чистого транспорта; демилитаризации; ресурсосбережения и рекультивации литосферы; достижение планетарного консенсуса взаимоотношений человечества с природой.

Классификация, задачи и объекты экологии

Человек - это биологический вид, существование которого неразрывно связано с определенными условиями или факторами среды, а именно, температурой, влажностью, газовым составом воздуха, качеством воды, составом пищи и т.д. Требования любого живого организма к качеству среды консервативны. Они вырабатывались в течение многотысячелетней эволюции. Качество окружающей среды (ОС) – это степень соответствия природных условий потребностям людей и других живых организмов. Понятно, что при резком изменении этих факторов, отклонения их от некоторой требуемой для организма нормы, возможны нарушения обмена веществ или несовместимость этих нарушений с жизнью организма. Высокое или достаточное качество среды для конкретной природной системы означает:

1) возможность устойчивого существования и развития данной системы, сложившейся, созданной или преобразованной человеком в данном месте или районе;

2) отсутствие неблагоприятных последствий для любой важной группы организмов, находящейся в данной местности или районе исторически или временно.

За критерии качества среды принимают:

1)высокую биологическую продуктивность группы одинаковых организмов;

2)оптимальное соотношение видов и биомасс в какой-то системе, взаимодействующих организмов, находящихся на разном пищевом уровне.

Не возможно охранять природу, пользоваться ею, не зная, как она устроена, по каким законам существует и развивается, как реагирует на воздействия человека, каковы предельно-допустимые нагрузки на природные системы может позволить себе общество, чтобы не разрушить их. Все перечисленное является предметом изучения экологии.

В зависимости от объекта исследования и угла зрения, под которым он изучается, в экологии сформировались самостоятельные научные направления.

По размерности объектов изучения экологию делят на аутэкологию (организм и его среда), популяционную экологию (популяция и ее среда), синэкологию (сообщества и их среда), биогеоцитологию (учение об экосистемах) и глобальную экологию (учение о биосфере Земли).

В зависимости от объекта изучения экологию подразделяют на экологию микроорганизмов, грибов, растений, животных, человека, агроэкологию, промышленную (инженерную), экологию человека и т.п.

Уточним содержание двух последних направлений - экологии человека и промышленной экологии, поскольку именно они получили широкое распространение в последнее время.

Экология человека - это научная дисциплина, изучающая взаимодействие человека со средой обитания. В отличие от всех других видов живого, которые приспосабливаются к условиям окружающей среды, человек изменяет и приспосабливает среду обитания для своих нужд под себя. Кроме того, в отличие от других видов живого, человек - существо социальное. Его деятельность может быть направлена как во благо, так и во вред. Стремительное развитие человечества привело к изменению его духовного мира, последствием которого может стать кризис цивилизации. Синтезированная дисциплина, изучающая все аспекты взаимодействия человека с природой, называется экологией человека.

Люди уже давно поняли, что человеческая активность меняет характер окружающей среды. Но в то же время любая деятельность человека - промышленная, сельскохозяйственная, рекреационная есть источник жизни человека, основа его существования. Значит, человек неизбежно будет менять характеристики окружающей среды. Весь вопрос: как?

Прежде всего, через создание таких технологий, которые в наименьшей степени влияют на окружающую среду. Те технологии, которые обладают таким свойством, называются экологичными. А научные (инженерные) дисциплины, которые занимаются принципами создания таких технологий, объединяются общим названием инженерной или промышленной экологии. Данные дисциплины - разные по своему конкретному содержанию, но они объединяются общей методологией и общей целью - предельно сократить влияние промышленной деятельности на процессы кругооборота веществ в природе и загрязнение окружающей среды.

По средам и компонентам различают экологию суши, пресных водоемов, моря, пустынь, высокогорий и других средовых и географических пространств.

Дата добавления: 2014-01-04