Алканы являются насыщенными углеводородами и содержат максимально возможное число атомов водорода. Простейшим представителем класса является метан (CH 4).

По номенклатуре ИЮПАК названия алкано в образуются при помощи суффикса -ан путём добавления к соответствующему корню от названия углеводорода. Выбирается наиболее длинная неразветвлённая углеводородная цепь так, чтобы у наибольшего числа заместителей был минимальный номер в цепи. В названии соединения цифрой указывают номер углеродного атома, при котором находится замещающая группа или гетероатом, затем название группы или гетероатома и название главной цепи.

Для алканов характерен тип гибридизации - sp 3 .

Пространственное строение - у метана тетраэдрическая форма молекулы, у алканов n>4 - зигзагообразная форма.

Изомерия предельных углеводородов обусловлена простейшим видом структурной изомерии - изомерией углеродного скелета. Гомологическая разница - -CH 2 -.

Физические свойства

Температуры плавления и кипения увеличиваются с молекулярной массой и длиной главной углеродной цепи. При нормальных условиях неразветвлённые алканы с CH 4 до C 4 H 10 - газы; с C 5 H 12 до C 13 H 28 - жидкости; после C 14 H 30 - твёрдые тела. Температуры плавления и кипения понижаются от менее разветвленных к более разветвленным. Газообразные алканы горят бесцветным или бледно-голубым пламенем с выделением большого количества тепла.

Химические свойства алканов

1. Реакции замещения.

Галогенирование - это одна из реакций замещения. В первую очередь галогенируется наименее гидрированый атом углерода (третичный атом, затем вторичный, первичные атомы галогенируются в последнюю очередь). Галогенирование алканов проходит поэтапно - за один этап замещается не более одного атома водорода:

CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl (хлорметан)
CH 3 Cl + Cl 2 → CH 2 Cl 2 + HCl (дихлорметан)
CH 2 Cl 2 + Cl 2 → CHCl 3 + HCl (трихлорметан)
CHCl 3 + Cl 2 → CCl 4 + HCl (тетрахлорметан).

Нитрование алканов (реакция Коновалова)

На алканы действует pазбавленная азотная кислота пpи нагpевании и давлении. В pезультате пpоисходит замещение атома водоpода на остаток азотной кислоты – нитpогpуппу NO 2 .

R- H + HO -NO 2 → R-NO 2 + H 2 O

Эту pеакцию называют pеакцией нитpования, а пpодукты pеакции – нитpосоединениями.

2. Горение.

Основным химическим свойством предельных углеводородов, определяющих их использование в качестве топлива, является реакция горения. Пример:

CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O + Q

Значение Q достигает 46 000 - 50 000 кДж/кг.

В случае нехватки кислорода вместо углекислого газа получается угарный газ или уголь (в зависимости от концентрации кислорода).
В общем виде реакцию горения алканов можно записать следующим образом:

С n Н 2n+2 + (1,5n+0,5)O 2 → nCO 2 + (n+1)H 2 O

3. Крекинг алканов.

Реакции разложения происходят лишь под влиянием больших температур. Повышение температуры приводит к разрыву углеродной связи и образованию свободных радикалов.

CH 4 → C + 2H 2 (t > 1000 °C)

C 2 H 6 → 2C + 3H 2

Крекинг – процесс термического разложения углеводородов, в основе которого лежат реакции расщепления углеродной цепи крупных молекул с образованием соединений с более короткой цепью.

Термический крекинг. При температуре 450–700 o С алканы распадаются за счет разрыва связей С–С (более прочные связи С-Н при такой температуре сохраняются) и образуются алканы и алкены с меньшим числом углеродных атомов.

Например:

C 6 H 14 → C 2 H 6 + C 4 H 8

Каталитический крекинг проводят в присутствии катализаторов (обычно оксидов алюминия и кремния) при температуре450°С и атмосферном давлении. При этом наряду с разрывом молекул происходят реакции изомеризации и дегидрирования:

2CH 4 1500 ° C → H–C≡C–H (ацетилен) + 3H 2

4. Изомеризация.

Под влиянием катализаторов при нагревании углеводороды нормального строения подвергаются изомеризации - перестройке углеродного скелета с образованием алканов разветвленного строения.

CH 3 –CH 2 –CH 2 –CH 2 –CH 3 (пентан) –t°,AlCl 3 → CH 3 –CH 2 –CH 2 –CH 3 I

CH 3 (2-метилбутан)

5. Дегидрирование алканов

При нагревании алканов в присутствии катализаторов происходит их каталитическое дегидрирование за счет разрыва связей С-Н и отщепления атомов водорода от соседних углеродных атомов. При этом алкан превращается в алкен с тем же числом углеродных атомов в молекуле:

C n H 2n+2 → C n H 2n + H 2

CH 3 -CH 3 → CH 2 =CH 2 + H 2 (этан → этен)

CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 → CH 2 = CH-CH 2 -CH 3 + H 2 (бутан → бутен-1 )

Наряду с бутеном-1 в этой реакции образуется также бутен-2.

6. Реакции окисления алканов

Алканы - соединения с низкими степенями окисления углерода, и в зависимости от условий реакции они могут окисляться с образованием различных соединений.

Получение алканов

Алканы выделяют из природных источников (природный и попутный газы, нефть, каменныйуголь). Используются также синтетические методы.

1. Крекинг нефти (промышленный способ)

При крекинге алканы получаются вместе с непредельными соединениями (алкенами). Этот способ важен тем, что при разрыве молекул высших алканов получается очень ценное сырье для органического синтеза: пропан, бутан, изобутан, изопентан идр.

2. Гидpиpование непpедельных углеводоpодов:

C n H 2n + H2 →C n H 2n+2 ← -H2 C n H 2n-2

алкены → алканы ← алкины

3. Газификация твердого топлива (при повышенной температуре и давлении, катализатор Ni):

С + 2Н 2 → СН 4

4. Из синтез-газа (СО + Н 2) получают смесь алканов:

nСО + (2n+1)Н 2 → C n H 2n+ 2 + nH 2 O

5. Синтез более сложных алканов из галогенопpоизводных с меньшим числом атомов углеpода:

2CH 3 Cl + 2Na → CH 3 -CH 3 + 2NaCl (реакция Вюрца)

6. Из солей карбоновых кислот:

а) сплавление со щелочью (реакция Дюма

CH 3 COONa + NaOH → CH 4 + Na 2 CO 3

ацетат натрия

б) электролиз по Кольбе

2RCOONa + 2H 2 O → R-R + 2CO 2 + H 2 + 2NaOH

на аноде → на катоде

7. Разложение карбидов металлов (метанидов) водой:

Al 4 C 3 + 12HOH → 4Al(OH) 3 + 3CH 4

Применение алканов.

Предельные углеводороды находят широкое применение в самых разнообразных сферах жизни и деятельности человека.

Газообразные алканы (метан и пpопан-бутановая смесь) используются в качестве ценного топлива.

Жидкие углеводоpоды составляют значительную долю в моторных и ракетных топливах и используются в качестве растворителей.

Вазелиновое масло (смесь жидких углеводоpодов с числом атомов углерода до 15) - пpозpачная жидкость без запаха и вкуса, используется в медицине, паpфюмеpии и косметике.

Вазелин (смесь жидких и твеpдых пpедельных углеводоpодов с числом углеpодных атомов до 25) пpименяется для пpиготовления мазей, используемых в медицине.

Паpафин (смесь твеpдых алканов С 19 - С 35) - белая твеpдая масса без запаха и вкуса (t пл = 50-70°C) - пpименяется для изготовления свечей, пpопитки спичек и упаковочной бумаги, для тепловых пpоцедуp в медицине и т.д.

Нормальные предельные углеводороды средней молекулярной массы используются как питательный субстрат в микробиологическом синтезе белка из нефти.

Большое значение имеют галогенопроизводные алканов, которые используются как растворители, хладоагенты и сырье для дальнейших синтезов.

В современной нефтехимической промышленности предельные улеводороды являются базой для получения разнообразных органических соединений, важным сырьем в процессах получения полупродуктов для производства пластмасс, каучуков, синтетических волокон, моющих средств и многих других веществ.

Квантово-мхеаническая теория атомов

Рассмотрим теперь квантово-механическую теорию атомов, гораздо более полную, чем старая теория Бора. Она сохраняет некоторые аспекты старой теории. Например, электроны могут находиться в атоме только в дискретных состояниях с определенной энергией; при переходе электрона из одного состояния в другое испускается (или поглощается) фотон. Но квантовая механика – не просто обобщение теории Бора . Она представляет собой гораздо более глубокую теорию и рисует совершенно иную картину строения атома. Согласно квантовой механике , не существует определенных круговых орбит электронов , как в теории Бора. В силу волновой природы электрон «размазан» в пространстве , подобно «облаку» отрицательного заряда .

(7.1.1)

где Ψ(r ) – волновая функция положения, зависящая от расстояния r до центра.

Постоянная r 1 совпадает с радиусом первой боровской орбиты. Следовательно, электронное облако в основном состоянии водорода сферически-симметрично, как показано на рис. 7.1.

Электронное облако грубо характеризует размеры атома, но поскольку облако может не иметь четко выраженных границ, атомы также не имеют ни точной границы, ни определенного размера.

Как мы увидим в дальнейшем, не все электронные облака сферически-симметричны. Обратите внимание на то, что, хотя функция Ψ(r ) при больших радиусах r , как следует из приведенного выше выражения, сильно убывает, она не обращается в нуль на конечных расстояниях. Поэтому квантовая механика утверждает, что основная часть атома не представляет собой пустое пространство . Т.к. только при , мы заключаем, что и во Вселенной не существует в подлинном смыслепустого пространства .

Электронное облако можно интерпретировать как с корпускулярной, так и с волновой точки зрения. Напомним, что под частицей мы понимаем нечто локализованное в пространстве: в любой момент времени частица занимает вполне определенное положение в пространстве. Следовательно, размытое в пространстве облако является результатом волновой природы электронов. Электронное облако можно также интерпретировать как распределение вероятностей для данной частицы. Мы не можем предсказать траектории, по которой будет двигаться электрон. После измерения его положения точно предсказать, где будет находиться электрон в последующие моменты времени, невозможно. Мы можем лишь вычислить вероятность обнаружения электрона в различных точках. Ясно, что подобная ситуация в корне отличается от классической ньютоновской физики. Как отмечал впоследствии Бор, бессмысленно даже спрашивать, как при испускании атомом светового фотона, электрон переходит из одного состояния в другое.

Атом водорода. Решение задачи об энергетических уровнях электрона для водорода (а также водородных систем: атома гелия He + , лития Li 2+ и др.) сводится к задаче о движении электрона в кулоновском поле ядра.

Потенциальная энергия взаимодействия электрона с ядром, обладающим зарядом Ze (для атома водорода Z = 1):

,

(7.1.2)

где r – расстояние между электроном и ядром. Графически функция U (r ) изображается на рис. 7.2 жирной кривой. U (r ) с уменьшением r (при приближении электрона к ядру) неограниченно убывает.

Состояние электрона в атоме водорода описывается волновой функцией Ψ, удовлетворяющей стационарному уравнению Шредингера, учитывающему значения (7.1.2):

,

(7.1.3)

где m – масса электрона, E – полная энергия электрона в атоме.

Рассмотрим энергию электрона. В теории дифференциальных уравнений доказывается, что уравнения типа (7.1.3) имеют решение, удовлетворяющее однозначности, конечности и непрерывности волновой функции Ψ только при собственных значениях энергии

,

(7.1.4)

где n = 1, 2, 3,…. Т.е. имеет дискретный набор отрицательных значений энергии.

Таким образом, как и в случае потенциальной ямы с бесконечно высокими стенками, решение уравнения Шредингера для атома водорода приводит к появлениюдискретных энергетических уровней . Возможные значения E 1 , E 2 , E 3 ,… показаны на рис. 7.2 в виде горизонтальных полос. Самый низкий уровень E 1 , отвечающий минимальной возможной энергии, – основной (n =1), все остальные (n = 2, 3, 4,…) – возбужденные . При движение электрона является связанным – он находится внутри гиперболической потенциальной ямы. Из рис. 7.2 следует, что по мере роста главного квантового числа n энергетические уровни располагаются теснее и при .

При E > 0 движение электрона становится свободным , т.е. область E > 0 соответствует ионизированному атому .

Итак, если Бору пришлось вводить дополнительные гипотезы (постулаты), то в квантовой механике дискретные значения энергии , являясь следствием самой теории , вытекают непосредственно из решения уравнения Шредингера .

Квантовые числа.

В квантовой механике доказывается, что уравнению Шредингера удовлетворяют собственные функции , определяемые набором трёх квантовых чисел:главного n , орбитального l и магнитного m .

Главное квантовое число n характеризует расстояние электрона от ядра – радиус орбиты.

Согласно (7.1.4) n определяет энергетические уровни электрона в атоме и может принимать любые целочисленные значения, начиная с единицы.

В атомной физике состояния электрона, соответствующие главному квантовому числу n , (n = 1, 2, 3, 4,…) принято обозначать буквами K , L , M , N ,….

Орбитальное квантовое число l = 0, 1, 2, ... n –1 характеризует эллиптичность орбиты электрона (рис. 7.3) и определяет момент импульса электрона .

Квадрат модуля функции характеризует вероятность найти электрон в заданной точке. Область пространства , в которой высока вероятность обнаружить электрон (не менее 0,95), называют орбиталью . Основные типы орбиталей обозначают буквами s , p , d , f , … (от слов sharp , principal , diffuse , fundamental ).

Два типа орбиталей s (она одна), p (их три), по которым «размазан» электронный заряд, показаны на рис. 7.4.

Орбитали часто называют подоболочками оболочек , поскольку они характеризуют формы разных орбит , на которых можно обнаружить электроны ,находящиеся в одной оболочке (при заданном квантовом числе n ).

Решая последовательно задачу об электроне в прямоугольной потенциальной яме, мы доказали, что энергия и положение электрона квантуются , т.е. принимают дискретные значения .

Решая уравнения Шредингера для атома, можно получить выражения для энергии, момента импульса и других динамических переменных электрона без привлечения каких-либо постулатов.

Рассмотрим (без вывода) движение электрона в потенциальном поле .

Обратимся вновь к стационарному уравнению Шредингера:

Так как электрическое поле – центрально-симметрично, то для решения этого уравнения воспользуемся сферической системой с координатами (r , θ, φ), которые связаны с декартовыми координатами, как это следует из рис. 7.5, соотношениями:

Подставим в (7.2.1) выражение оператора Лапласа в сферических координатах и получим уравнение Шредингера в следующем виде:

Уравнение (7.2.2) имеет решение при всех значениях полной энергии E > 0, что соответствует свободному электрону. При Е < 0 электрон находится в потенциальном поле ядра:

Таким образом, энергия принимает дискретные значения , т.е. квантуется (n = 1, 2, 3…).

Вывод такой же, как и в теории Бора, но в квантовой механике этот вывод получается как естественное следствие из уравнения Шредингера.

В квантовой механике широко используется понятие – оператор . Под оператором понимают правило, посредством которого одной функции φ сопоставляется другая функция f , т е. , где – символ обозначения оператора .

Используя оператор энергии, стационарное уравнение Шредингера можно записать в виде:

Воздействуя на волновую функцию Ψ, полученную при решении уравнения (7.2.2) оператором момента импульса (движение электрона вокруг ядра осуществляется по криволинейной траектории), можно получить выражение для момента импульса .

Для момента импульса в квантовой механике вводятся четыре оператора: оператор квадрата момента импульса и три оператора проекций момента импульса на оси координат .

Оказалось, что одновременно определенные значения могут иметь лишь квадрат момента импульса и одна из проекций на координатные оси. Две другие проекции оказываются при этом совершенно неопределенными. Это означает, что «вектор» момента импульса не имеет определенного направления, и следовательно не может быть изображен, как в классической механике с помощью направленного отрезка, прямой.

Решение уравнения является очень трудным. Поэтому ограничимся только конечным результатом.

Собственное значение орбитального момента импульса L :

гдеl – орбитальное квантовое число(l = 0, 1, 2, …, n – 1).

Если обратиться к привычной нам модели атома, то n характеризует среднее расстояние электрона от ядра (радиус орбиты), l – эллиптичность орбиты.

Из выражения для L видно, что орбитальный момент импульса электрона в атоме тоже квантуется.

Основным состоянием электрона в атоме водорода является s -состояние. Если вычислить наиболее вероятное расстояние от ядра для электрона в s - состоянии, получим: – это первый боровский радиус (в СИ ).

Для других значений n получим выражения, соответствующие боровским орбитам.

Боровские орбиты электрона представляют собой геометрическое место точек, в которых с наибольшей вероятностью может быть обнаружен электрон.

По теории Бора, вероятность нахождения электрона при любых других значениях r , кроме r = , равна нулю (рис. 7.6).

Согласно квантовой механике эта вероятность достигает максимального значения лишь при r = . Допускается нахождение электрона и на других расстояниях от ядра, но с меньшей вероятностью.

Атом водорода

Атом водорода - физическая система, состоящая из атомного ядра , несущего элементарный положительный электрический заряд , и электрона , несущего элементарный отрицательный электрический заряд. В состав атомного ядра может входить протон или протон с одним или несколькими нейтронами , образуя изотопы водорода. Электрон преимущественно находится в тонком концентрическом шаровом слое вокруг атомного ядра, образуя электронную оболочку атома. Наиболее вероятный радиус электронной оболочки атома водорода в стабильном состоянии равен боровскому радиусу a 0 = 0,529 Å.

Атом водорода имеет специальное значение в квантовой механике и релятивистской квантовой механике, поскольку для него проблема двух тел имеет точное или приближенное аналитическое решения. Эти решения применимы для разных изотопов водорода, с соответствующей коррекцией.

В квантовой механике атом водорода описывается двухчастичной матрицей плотности или двухчастичной волновой функцией . Также упрощенно рассматривается как электрон в электростатическом поле бесконечно тяжёлого атомного ядра, не участвующего в движении (или просто в кулоновском электростатическом потенциале вида 1/r ). В этом случае атом водорода описывается редуцированной одночастичной матрицей плотности или волновой функцией.

Решение уравнения Шрёдингера

Решение уравнения Шрёдингера для водородного атома использует факт, что кулоновский потенциал является изотропным , то есть не зависит от направления в пространстве, другими словами, обладает сферической симметрией . Хотя конечные волновые функции (орбитали ) не обязательно сферически симметричны, их зависимость от угловой координаты следуют полностью из изотропии основного потенциала: собственные значения оператора Гамильтона можно выбрать в виде собственных состояний оператора углового момента. Это соответствует тому факту, что угловой момент сохраняется при орбитальном движении электрона вокруг ядра. Отсюда следует, что собственные состояния гамильтониана задаются двумя квантовыми числами углового момента l и m (целые числа). Квантовое число углового момента l может принимать значения 0, 1, 2… и определяет величину углового момента. Магнитное квантовое число может принимать m = −l , …, +l ; оно определяет проекцию углового момента на (произвольно выбранную) ось z .

В дополнение к математическим выражениям для волновых функций полного углового момента и проекции углового момента, нужно найти выражение для радиальной зависимости волновой функции. В потенциале 1/r радиальные волновые функции записываются с использованием полиномов Лагерра). Это приводит к третьему квантовому числу, которое называется основным квантовым числом n и может принимать значения 1, 2, 3… Основное квантовое число в атоме водорода связано с полной энергией атома. Заметим, что максимальное значение квантового числа углового момента ограничено основным квантовым числом: оно может изменяться только до n − 1 , то есть l = 0, 1, …, n −1 .

Из-за сохранения углового момента состояния с одинаковыми l , но различными m в отсутствие магнитного поля имеют одну и ту же энергию (это выполняется для всех задач с аксиальной симметрией). Кроме того, для водородного атома состояния с одинаковыми n , но разными l также вырождены (то есть имеют одинаковую энергию). Однако это свойство - особенность лишь атома водорода (и водородоподобных атомов), оно не выполняется для более сложных атомов, которые имеют (эффективный) потенциал, отличающийся от кулоновского (из-за присутствия внутренних электронов, экранирующих потенциал ядра).

Волновые функции

Подставляя это значение в выражение для энергии, получим, что

В нормальном (основном) состоянии (главное квантовое число n = 1 ) атом водорода в изолированном виде может существовать неограниченное время. Согласно квантохимическим расчетам, радиус мест наибольшей вероятности нахождения электрона в атоме водорода в нормальном состоянии (главное квантовое число n = 1 ) равен 0,529 Å . Этот радиус является одной из основных атомных констант, он получил название боровский радиус (см. выше). При возбуждении атома водорода электрон проходит на более высокий квантовый уровень (n = 2, 3, 4 и т. д.), при этом радиус мест наибольшей вероятности нахождения электрона в атоме возрастает пропорционально квадрату главного квантового числа:

Возбуждение и ионизация атома водорода

Уровни энергии атома водорода.

Возбуждение атома водорода происходит при нагревании, электроразряде, поглощении света и т. д., причём в любом случае атом водорода поглощает определённые порции - кванты энергии, соответствующие разности энергетических уровней электронов. Обратный переход электрона сопровождается выделением точно такой же порции энергии. Квантовые переходы электрона соответствуют скачкообразному изменению концентрического шарового слоя вокруг ядра атома водорода, в котором преимущественно находится электрон (шаровым слой является только при нулевом значении азимутального квантового числа l ).

Согласно квантовомеханическим расчётам, наиболее вероятное расстояние электрона от ядра в атоме водорода равно боровскому радиусу ~ 0,53 Å при n = 1 ; 2,12 Å - при n = 2 ; 4,77 Å - при n = 3 и так далее. Значения этих радиусов относятся как квадраты натуральных чисел (главного квантового числа) 1 2: 2 2: 3 2 … . В очень разреженных средах (например, в межзвёздной среде) наблюдаются атомы водорода с главными квантовыми числами до 1000 (ридберговские атомы), чьи радиусы достигают сотых долей миллиметра.

Если электрону в основном состоянии придать дополнительную энергию, превышающую энергию связи E 0 ≈ 13,6 эВ , происходит ионизация атома водорода - распад атома на протон и электрон.

Строение атома водорода в основном состоянии

Радиальная зависимость dp (r )/dr плотности вероятности нахождения электрона в атоме водорода, находящемся в основном состоянии, представлена на рисунке. Эта зависимость даёт вероятность того, что электрон будет обнаружен в тонком шаровом слое радиуса r толщиной dr с центром в ядре. Площадь этого слоя равна S = 4πr 2 , его объём dV = 4πr 2 dr . Общая вероятность нахождения электрона в слое равна (4πr 2 dr ) ψ 2 , поскольку в основном состоянии волновая функция электрона сферически симметрична (то есть постоянна в рассматриваемом шаровом слое). Рисунок выражает зависимость dp (r )/dr = 4πr 2 ψ 2 . Кривая радиального распределения плотности вероятности dp (r )/dr нахождения электрона в атоме водорода имеет максимум при a 0 . Этот наиболее вероятный радиус совпадает с боровским радиусом. Размытое облако плотности вероятности, полученное при квантовомеханическом рассмотрении, значительно отличается от результатов теории Бора и согласуется с принципом неопределённости Гейзенберга. Это размытое сферически симметричное распределение плотности вероятности нахождения электрона, называемое электронной оболочкой, экранирует ядро и делает физическую систему протон-электрон электронейтральной и сферически симметричной - у атома водорода в основном состоянии отсутствуют электрический и магнитный дипольные моменты (как и моменты более высоких порядков), если пренебречь спинами электрона и ядра. Следует отметить, что максимум объёмной плотности вероятности ψ 2 достигается не при r = a 0 , как для радиальной зависимости, а при r = 0 .

Атом водорода в электрическом поле

По теории деформационной поляризации, нейтральный атом водорода, попадая во внешнее электрическое поле, подвергается деформации - центр электронной оболочки атома водорода смещается относительно ядра на некоторое расстояние L , что приводит к появлению в атоме водорода наведённого электрического дипольного момента μ . Величина наведённого дипольного момента прямо пропорциональна напряжённости внешнего электрического поля E :

Коэффициент пропорциональности α e носит название электронной поляризуемости . Электронная поляризуемость атома водорода составляет 0,66 3 .

Чем выше напряжённость приложенного электрического поля, тем больше смещение центра электронной оболочки от центра атома водорода и, собственно, длина наведённого диполя

где q - величина заряда ядра атома водорода.

При высоких значениях напряжённости приложенного электрического поля атом водорода подвергается ионизации полем с образованием свободных протона и электрона.

Взаимодействие атома водорода с протоном

Деформационная поляризация атома водорода в электрическом поле протона

Протон, обладая положительным элементарным электрическим зарядом q = 1,602 10 −19 Кл, как и всякий точечный электрический заряд создаёт вокруг себя электрическое поле с напряжённостью E. E = q/R 2 , Где R - расстояние точки поля до протона.

Нейтральный атом водорода, попадая в электрическое поле протона, подвергается деформационной поляризации (рис.1.). Длина наведённого электрического диполя атома водорода обратно пропорциональна квадрату расстояния между атомом водорода и протоном L = α e E/q = α e /R 2 = 0,66/R 2

Отрицательный полюс наведённого электрического диполя атома водорода ориентируется в сторону протона. В результате чего начинает проявляться электростатическое притяжение между атомом водорода и протоном. Сближение частиц (атома водорода и протона) возможно до тех пор, пока центр плотности вероятности нахождения электрона станет равноудалённым от обоих протонов. В этом предельном случае d=R=2L. Центр области вероятного нахождения электрона совпадает с центром симметрии образовавшейся системы H 2 + - молекулярного иона водорода , при этом d=R=2L=³√2α e = ³√2 0,66 = 1,097 Å.

Найденная величина d = 1,097 Å близка к экспериментальной величине межъядерного расстояния в молекулярном ионе водорода H 2 + - 1,06 Å.

Взаимодействуя с протоном, атом водорода образует молекулярный ион водорода

Самый простой по своему строению и самый распространенный в природе. По некоторым научным данным, на долю этого элемента приходится свыше девяноста процентов всех атомов. Наиболее важное соединение, в котором присутствует водород, - это вода. Ее химическая формула пишется так: H2O. Атом водорода состоит из одного протона, представляющего ядро, и из одного электрона. Это единственный элемент, который представляет собой горючий газ.

Как расположен атом водорода в периодической таблице?

Данный элемент расположен вверху первой группы. Это сделано по той причине, что атом водорода, теряя свой электрон, образует положительный ион с одним зарядом. Однако при определенных условиях водород может приобретать металлические свойства. В обычных условиях он проявляет только свойства, свойственные неметаллам. Водород имеет значительные отличия от остальных элементов, принадлежащих первой группе.

Как получить водород в условиях лаборатории?

Водород можно получить посредством действия неконцентрирорванных кислот на металлы: Zn (цинк в твердом состоянии) + 2HCl (водный раствор кислоты соляной) = ZnCl2(водный раствор + H2 (газ)

Получение водорода посредством гидролиза: 2H3O- + 2e- = H2 (газ) + 2H2O (вода.)

Получение водорода возможно посредством действия щелочей на алюминий или цинк. Эти металлы могут реагировать с водными растворами или натря. При этом образуется водород:
Zn (цинк) + 2OH- + 2H2O = (Zn(OH)4)2- (тетрагидроксоцинкат-ион)) + H2 (газ)
Al (алюминий) + 2OH- + 6H2O = (Al(OH)4)- (тетрагидроксоалюминат-ион) + H2 (газ).

Также данный химический элемент можно получить при гидролизе водных растворов: CaH2 (гидрид кальция) + 2H2O (вода) = Ca(OH)2 + 2H2 (водород).

Изотопы водорода

Есть три изотопные формы данного химического элемента: протий, дейтерий и тритий. При этом в природном водороде содержится около 99% протия, остальной процент приходится на долю дейтерия. Третий изотоп представляет собой радиоактивный неустойчивый изотоп. По этой причине в природе он встречается только в виде следов. Тритий испускает радиоактивные частицы, а его период полураспада составляет 12,3 года.

Изотопные формы водорода имеют практически одинаковые химические свойства, однако они существенно отличаются по физическим. Для каждого водородного соединения есть дейтериевый аналог. Важнейший из них - это оксид дейтерия (или тяжелая вода). Это вещество используется в ядерных реакторах. Получают его посредством

Химические свойства водорода

Рассматриваемый нами химический элемент может восстанавливать неметаллы 4-7 групп, оксиды и органические ненасыщенные соединения, окислять металлы, образуя в результате гидриды.

Соединения водорода

Это ионные, комплексные и ковалентные гидриды, а также гидриды типа соединений внедрения.

Получение водорода

Процесс Бора;

Из природного газа или нафты (лигроина);

Посредством крекинга и риформинга углеводородов;

При помощи электролиза рассола (то есть водного раствора натрия хлорида).

Атом водорода в квантовой механике

Водородный атом имеет важное значение в квантовой механике, так как для него проблема двух тел имеет аналитическое приближенное или точное значение. Эти решения можно применять для разных изотопов водорода, но с подходящей коррекцией. Атом водорода в квантовой механике описывается волновой двухчастичной функцией. Также он рассматривается как не участвующий в движении электрон в атомного тяжелого ядра.

Атом водорода по Бору

В 1913 году Бор Нильс предложил свою модель атома водорода. Она имеет множество упрощений и предположений. Несмотря на то, что модель была не совсем правильной, Бор вывел из нее спектр излучения и получил верные значения уровней энергии атома.

Атом водорода
Hydrogen Atom

Атом водорода – связанная система, состоящая из положительно заряженного ядра – протона и отрицательного заряженного электрона.
Размеры атома определяются размерами его электронной оболочки ≈ 10 -8 см.
Энергии связанных состояний электрона получаются при решении уравнения Шредингера с потенциалом V(r) = -e 2 /r и определяются соотношением

где n – главное квантовое число, определяющее энергии различных состояний электрона в атоме водорода (n = 1, 2, 3…), R - постоянная Ридберга
(R = 1.0974·10 5 см -1).

Каждому уровню с главным квантовым числом n соответствует n состояний, различающихся квантовыми числами l = 0, 1, 2, …, (n-1). Такое вырождение уровней по энергии характерно только для кулоновского поля. Кроме того, каждое из этих вырожденных по l состояний (2l+1)-кратно вырождено по магнитному числу
m = ±l, ±(l-1),...±1, 0. Таким образом, полная кратность вырождения стационарного квантового состояния с главным квантовым числом n дается соотношением .
Такое рассмотрение справедливо при условии, что спин электрона равен нулю. Так как электрон имеет спин s = 1/2, полный момент количества движения электрона будет определяться векторной суммой его орбитального и спинового моментов
= + .
Так как спин электрона s = 1/2, его полный момент количества движения J может быть только полуцелым.
При заданном значении орбитального момента l в атоме водорода возможно два состояния, различающихся значениями полного момента = + = l + 1/2 и
j = l - s = l - 1/2. Эти два значения различаются взаимными ориентациями орбитального и спинового векторов. Энергии электрона в состояниях l + 1/2 и l - 1/2 в кулоновском поле протона несколько отличаются, и вырождение по энергии состояний снимается. Это дополнительное взаимодействие носит название спин-орбитального. С учетом снятия вырождения спектр низколежащих состояний атома водорода обогащается, происходит тонкое расщепление уровней энергий. Вместо двух низших уровней водорода без учета спин-орбитального расщепления (основного 1s и первого возбужденного 2s2p (рис. 1, а)) с учетом спин-орбитального расщепления их становится четыре (рис. 1, б). Квантовые характеристики этих уровней даны в таблице. Уровень с большим значением j = l + 1/2 расположен выше по энергии, чем уровень с j = l - 1/2. Состояния с различными значениями l, но одним и тем же значением nj оказываются по-прежнему вырожденными. Например, 2s 1/2 и 2p 1/2 .

Квантовые характеристики электрона в самых нижних
состояниях атома водорода

Из точного решения релятивистского уравнения Дирака для электрона со спином s = 1/2 следует зависимость энергии уровней атома водорода от квантовых чисел n и j

,

где α = 1/137 - постоянная тонкой структуры. Поправка в E nj не зависит от квантового числа l. Поэтому энергии состояний с одинаковыми j и разными l должны быть равны. Величина тонкого расщепления уровней δE j+1,j при данном n определяется соотношением

Величина расщепления уровня с n = 2 составляет ≈ 4.5·10 -5 эВ.
Ядро атома водорода – протон - также имеет собственный момент – спин s = 1/2. Это тоже слегка изменяет взаимодействие электрона с протоном, так как возникает дополнительное взаимодействие магнитного момента протона, вызванного наличием у него спина, с магнитным полем электрона. Величина этого взаимодействия зависит от взаимной ориентации спинового момента протона и полного момента электрона. Таким образом, возникает еще один тип расщепления уровней атома, называемого сверхтонким, так как его величина существенно меньше тонкого расщепления. Сверхтонкое расщепление будет наблюдаться уже для основного состояния
(n = 1, l = 0). Переход между двумя подуровнями сверхтонкого расщепления основного состояния водорода приводит к излучению с длиной волны λ = 21 см (частота излучения 1420 МГц). С помощью этого излучения обычно регистрируется межзвездный водород во Вселенной.
Состояния от n = 2 до n = ∞ называются возбужденными состояниями. Энергия возбуждения E возб (энергия, которую необходимо сообщить системе, чтобы она перешла из начального состояния n i в конечное состояние n f) определяется из соотношения

Все состояния от n = 1 до n = ∞ являются связанными состояниями, так как имеют отрицательные энергии. При приближении n к бесконечности энергии состояний сближаются, и разница в энергиях соседних состояний становится настолько мала, что расщепленные уровни сливаются, и дискретный спектр уровней трансформируется в непрерывный (сплошной). Когда энергия электрона становится положительной (E > 0), система превращается в несвязанную и электрон становится свободным. Спектр энергий свободного электрона непрерывный.
Переходы из состояний n = 2, 3, … ∞ в состояние n = 1 образуют серию Лаймана. Переходы из состояния n = 3, 4, … ∞ в состояние n = 2 – серию Бальмера. Переходы между состояниями с отрицательной энергией (E < 0) приводят к образованию дискретного спектра переходов, в то время как переходы между состояниями с E > 0 и состояниями с E < 0 дают непрерывный спектр переходов.

Рис. 2. Схема уровней атома водорода.

Согласно точному решению уравнения Дирака, уровни энергии с одинаковым значением квантового числа n = 1, 2, 3,... и одинаковым значением полного момента
j = 1/2, 3/2,... должны совпадать по энергии независимо от значения квантового числа l. В 1947 г. У. Лэмб и Р. Ризерфорд обнаружили сдвиг уровней 2s 1/2 и 2p 1/2 в атоме водорода. Этот сдвиг уровней называется лэмбовским сдвигом . Основная причина лэмбовского сдвига обусловлена радиационными поправками:

1. Испусканием связанным электроном виртуальных фотонов.
2. Поляризацией вакуума - рождением в вакууме электрон-позитронных пар.

Эти две поправки полностью объясняют наблюдаемую величину лэмбовского сдвига уровней 2s 1/2 и 2p 1/2 (ΔE = 4.5·10 -6 эВ).
Вероятность dw нахождения электрона в объеме dV в определенном месте пространства определяется выражением

dw = |ψ(x, y, z)|2 dV = |R nl (r)Y lm (θ,φ)| 2 r 2 sinθdθdφdr =
= |R nl (r)| 2 r 2 |Y lm (θ,φ)| 2 sinθdθdφdr,

распадается на радиальную вероятность ||R nl (r)| 2 r 2 | 2 r 2 dr и угловую - |Y lm (θ,φ)| 2 dΩ. Распределения этих вероятностей даны на рис. 3–5.