us9000

После увиденного мной поста о медной радуге http://pikabu.ru/story/quotmednaya_radugaquot_5138482

я решил немного рассказать почему вообще у соединений одного элемента может быть столько цветов. Рано или поздно все задумываются об этом, как почему и небо голубое, но не все получают ответ. Может судьба отправит вас учиться на юриста, экономиста на программиста или еще кого, а вопрос из детства останется забытым.

Ответим сначала на вопрос, что такое свет. Светом в физической оптике называют электромагнитные волны, которые человеческий глаз может различать. Мы можем различать свет с длиной волны от 400 нм (фиолетовый) до 780 нм (красный).

Как видите, люди очень слепы. Но ничего страшного в этом нет, давно уже придумали себе "очки", позволяющие нам видеть больше. Такие приборы называют спектрометрами. Почему так важно раскладывать свет в спектр? Дело в том, что длина волны света напрямую связана с энергией фотона:

E = hv = hc/y , где h-постоянная Планка, v-частота света, y-длина волны.

А от этого сильно зависят его физические свойства, ведь в микроволновке тоже "свет", но вы не захотите греть им голову, а вот на солнышке загорать любят все. А что тогда с белым светом?

Белый свет — это электромагнитное излучение состоящее из всего спектра длин волн видимого диапазона, как например солнечное излучение. Белым так же мы можем воспринимать цвет состоящий из трех цветов (RGB), но это несколько иной свет. Если через призму пропустить свет, то он разложится на составляющие его монохроматические компоненты, свет солнца даст нам радугу, а экран монитора несколько полос, из которых он составляет цвета. В современных приборах используют не призмы, а дифракционные решетки, добавлю отличное видео с простым опытом, такой можно повторять и дома, сам неоднократно это делал, советую!!!

Если бы мои глаза могли видеть и другие длины волн, для меня не существовало бы проблемы куда поставить роутер, чтобы охватить максимальную площадь квартиры.

Теперь ответим на вопрос, откуда вообще у веществ есть цвета. Дело в том, что фотоны света, при взаимодействии с частицами веществ могут поглощаться ими. И если на вещество падает белый свет, то после поглощения какой-то длины волны другие отразятся, а мы увидим свет с цветом, дополнительным к поглощенному.

Бананы поглощают синий свет, растения красный, наша кровь поглощает зеленый и немного синего. Для растворенных веществ строятся спектры поглощения, это графики зависимости коэффициента поглощения от длины волны света. Подобные графики для многих веществ словно отпечатки пальцев, поэтому спектрометры так распространены во всех сферах деятельности человека, даже сельское хозяйство использует спектры со спутников, чтобы следить за состоянием растительности на полях.

Но почему вещества поглощают только определенный цвет? Если вы читали какой-нибудь из моих прошлых постов, то можете вспомнить, что у атомов и молекул есть уровни энергии, которые можно описать электронными орбиталями. Фотон поглощаясь веществом, переводит молекулу в возбужденное состояние, а электрон перескакивает с одной орбитали на другую. Так как уровни энергии четко определены, то чтобы не нарушать закон сохранения энергии поглощаться сможет только свет с длинной волны, соответствующей данному переходу.

E=hc/y или y=hc/E, как видите из формулы, чем больше энергия тем меньше длина волны.

В принципе можно рассчитать для молекул уровни энергии, и узнать их цвет. Но в голове у нас нет компьютера, и для химиков важны наглядные простые теории. Про одну из таких я уже рассказывал раньше, есть еще одна, похожая, используется для переходных элементов.

Если взять d орбитали и поместить их в поле с симметрией отличной от сферической, то некоторые орбитали станут менее выгодны по энергии, а некоторые более. Рассмотрим на простом примере с октаэдрическим окружением иона металла.

Черные точки на рисунке это отрицательные заряды, поэтому электрону будет выгоднее быть на орбитали, которая дальше от этих орбиталей. На рисунке сверху, третья орбиталь выгоднее чем первые две. Поэтому происходит расщепление уровней энергии. При этом разные ионы и молекулы в окружении вызывают различное расщепление, например хлорид ион вызовет меньшее расщепление чем вода, а аммиак большее чем вода.

Зная эту энергию мы можем узнать, какой цвет будет поглощаться(там на самом деле всё сложнее, но простым языком так),а соединение будет иметь цвет соответствующий дополнительному.  

Как пример, раствор медного купороса голубого цвета

Значит он поглощает в оранжевой области, а если мы добавим к нему много хлорида натрия, то часть молекул воды, окружающее ионы меди, заменятся на хлорид ионы, как я раньше говорил, хлориды вызывают меньшее расщепление, а значит поглощаться будет свет с меньшей энергией, и большей длиной волны. Поглощался оранжевый, а будет красный, вещество должно быть зеленым.

Получилось, что еще мы сможем предсказать? Ну если добавить к купоросу много аммиака, мы должны будем сдвинуть поглощаемый свет в другую сторону, поглощался оранжевый, а будет желтый, раствор должен стать сине-фиолетовым, что мы и наблюдаем

Если взять раствор соли никеля, он будет зеленым

И добавить аммиака, то расщепление увеличится, аммиак сильнее воды расщепляет орбитали. Поглощался красный свет, а станет поглощаться желто-оранжевый, так как длина волны станет меньше. Значит цвет станет синим, что мы и видим. Тут ссылочка на видео откуда картинка.

Еще на энергию играет роль геометрическое строение, октаэдрическое окружение расщепляет уровни сильнее чем тетраэдрическое, поэтому если к красному раствору соли кобальта(справа), которая поглощает в зеленом цвете, добавить много хлорида, то образуется ион [CoCl4]2-, в котором 4 иона, то он будет поглощать уже в оранжевой области, и значит будет синим(слева).

На энергии перехода в частицах существует еще очень много разных влияний. Плюс я очень грубо объяснял, дело в том, что ионы поглощают несколько длин волн, и надо складывать много дополнительных цветов, при этом некоторые цвета невидимые изначально, будут вылазить из ИК или УФ области. Чтобы узнать подробнее об этом, надо читать книги по спектроскопии.

Надеюсь вы узнали что-то новое из моего поста. Хороших выходных.

В этом посте я расскажу о современных взглядах на атом. Но прежде чем начать, хочу отметить интересный факт.

Если вы читали прошлый пост, то видели, что в 1808 году Дальтон изложил свою атомистическую гипотезу в труде «Новая система химической философии». Так вот, дело в том, что название «гомеопатия» было предложено Самуэлем Ганеманом (1755—1843) в конце 1807 года. Тут не удивительно, что Ганеман не понимал в чём проблема огромных разбавлений, да и вообще всей идеи гомеопатии. Получается, что через год после своего названия, гомеопатия уже стала противоречить науке. А гомеопаты утверждают о большой истории. Да-да, большая история лженауки.

Стандартные картиночки с сайта с объяснением действия гомеопатии:

Доказать наличие молекул на то время было очень сложно, они очень малы. Чтобы вы понимали  насколько, покажу простейший расчет.

В видимой части вселенной порядка 10^24 звезд, если поставить каждой звезде одну молекулу воды, то объем воды будет

10^24*18/6.02E23/1,0=29,90 мл или полторы столовые ложки.

Физики объясняли(математически) эффекты преломления света и рассеивания в диэлектриках с помощью уравнений, которые предполагали, что в материи есть осциллирующие заряды. Это могло означать, что атомы это зарядовые осцилляторы с собственными частотами. Но почему тогда они не излучают свет сами, как требуют того уравнения Максвелла, и что за заряды в атоме, из чего он состоит?

Всё прояснилось в 1897 году, когда установили, что катодные лучи состоят из частиц с одинаковым отрицательным зарядом. Их назвали электронами. И они точно были в составе атома, но в виде чего?

Первая модель атома, называется "Пудинг с изюмом"

С точки зрения Томсона:

атомы элементов состоят из нескольких отрицательно заряженных корпускул, заключённых в сферу, имеющую однородно распределённый положительный электрический заряд.

Если что, я нарисую квадратную сферу.

Самое любопытное, что в чём-то он был прав. У него появилась идея о плотности заряда(только вот он перепутал где что)

Но эта модель была опровергнута в эксперименте по рассеянию альфа-частиц на золотой фольге в 1909 году, который был проанализирован Эрнестом Резерфордом в 1911 году, предположившим, что в атоме есть очень малое ядро, содержащее очень большой положительный заряд (в случае золота, достаточный, чтобы компенсировать заряд около 100 электронов), что привело к созданию планетарной модели атома Резерфорда.

Вот видео о модели рассеяния

Модель Резерфорда тоже имела недостатки, дело в том, что движение заряда по орбите, будет вызывать электромагнитные волны, которые унесут энергию электрона, и он непременно упадет на ядро.

Для объяснения стабильности атомов, Нильсу Бору пришлось ввести постулаты, которые сводились к тому, что электрон в атоме, находясь в некоторых специальных энергетических состояниях, не излучает энергию («модель атома Бора-Резерфорда») Это очень грубая теория. Безумно грубая. Но для атома водорода она дала верное значение, но для любых других атомов давала ошибку, и химическую связь объяснить тоже не смогла.

Всё изменилось только после развития квантовой механики, уравнение Шредингера примененное к атомам, давало очень точные результаты, только вот оно имело аналитическое решение лишь для атома водорода. Да и то довольно громоздкое.

Но из него следовали потрясающие следствия. Дело в том, что электрон как бы размазан всюду. Всюду -означает буквально везде, вероятность найти этот электрон существует буквально везде во вселенной, только вот крайне быстро падает с расстоянием.

Электрон не излучает, так как и не движется будто, он "размазан" по всему атому. (вспомните модель булочки с изюмом)

Еще, электрон может находиться на определенных уровнях энергии.Это объясняло дискретный вид спектров излучения различных атомов. Эти уровни в честь орбит, назвали орбиталями, причем на некоторых, электрон имеет момент импульса, будто бы вращается, но это проявляется только в магнитных эффектах,  так как "вращается" всё облако сразу,  а заряд при этом не меняет своего распределения.

Структура таблицы Менделеева стала понятна, номер элемента в таблице это заряд ядра. А периодичность свойств, это проявление заполнения орбиталей электронами.

Хоть уравнение Шредингера для многоэлектронных атомов решить нельзя, общие принципы можно обозначить в простейших правилах, которые все учат в школе или в университетах на первом курсе. Расписывать подробно не стану, лишь упомяну их. Найти их можно в любом учебнике химии от 9 класса и старше.

1. Принцип наименьшей энергии.

2. Правило запрета Паули

3. Правило Хунда

Это простые правила, которые без расчетов, простейшей арифметикой дают способ узнать электронное строение большинства атомов в таблице Менделеева.

Об этом рассказывают в школах, но даже сейчас школьники говорят что электрон "вращается" вокруг ядра, как ни странно.

А вот формы орбиталей в атоме водорода. В других атомах они очень близки к водородным.

Стоит еще сказать о размерах атома. Дело в том, что размер ядра в 10000 раз меньше, чем размер атома. А большую часть массы атома, составляет именно масса ядер.  Если ядро атома увеличить до размера горошины, то сам атом должен будет быть, размером с Останкинскую телебашню. Мы на огромную свою часть пустые. (именно поэтому для радиации мы прозрачны)

Представления о химической связи прошли очень близкий путь со строением атома, но имели свои особенности. О хим. связи, видах связей и современном понимании я расскажу в следующем посте. Будут веселые картинки молекулярных орбиталей, которые я получил на компьютере, типа таких

Это должен был быть первый пост который я хотел сделать, но что-то пошло не так)

Я попытаюсь рассказать о самой важной части химии, а именно о химической связи и атомах. Причем, попытаюсь показать эволюцию представлений о строении веществ вокруг нас. Придется окунуться в историю.

Представьте, что играет лира, @castiar бегает и подсматривает за Зевсом, вы пьете вино разбавленное водой, и Дионис ваш лучший друг. Но сегодня нашей спутницей пусть будет Афина.

Древняя Греция, где-то V—IV веков до н. э. , в философии существуют два принципа:атомизм и континуум. Атомизм учит о том, что материя состоит из атомов и пустоты. Атомы идеальны, и именно их движение причина всего. Континуум учит, что материю можно делить бесконечно,и конечно же она идеальна.

Атомизм поддерживал Демокрит, после Платон,об экспериментах никто и не думал, все были уверены, что до всего можно дойти умом. Самым знаменитым критиком и противником атомизма был Аристотель(а еще самый знаменитый философ,гений, плейбой, филантроп... так так... не туда,ученик Платона кстати). Имя Аристотеля и сейчас авторитет, именно по этой причине атомизм был забыт до 17-го века, только в 17-ом веке стали опять говорить про атомы, и то с большим трудом.

Критика атомизма была проста:

первое, если есть пустота, то она "ничто", а как может быть "ничто"?

Природа не терпит пустоты (лат. natura abhorret a vacuo) — Аристотель.

второе, если атомы идеальны, как они цепляются? Если у них есть "крючки", то значит эти "крючки" часть атома, и он уже не идеален, а состоит из каких-то частей.

Атомизм стали поддерживать хоть кто-то, только в в XVI-XVII веках, и то на них сыпалась критика, от сторонников Аристотеля. Полностью он возродился, только в начале XIX века. Как только всё  стало базироваться на экспериментальных данных, так сразу стали появляться научные теории.

В начале XIX века Дальтон открыл несколько новых эмпирических закономерностей: закон парциальных давлений (закон Дальтона), закон растворимости газов в жидкостях (закон Генри-Дальтона) и, наконец, закон кратных отношений (1803). Объяснить эти закономерности (прежде всего закон кратных отношений), не прибегая к предположению о дискретности материи, невозможно. В 1808 году Дальтон изложил свою атомистическую гипотезу в труде «Новая система химической философии». Вики.

Основные положения теории Дальтона состояли в следующем:

1. Вещества не сплошные, а дискретны, состоят из мельчайших частиц(атомов), различия между веществами лишь различия в свойствах этих частиц.

2. Атомы одного вещества одинаковы. Тождественны, и неразличимы, а еще атомы неделимы и неизменны.

3. Частицы различных веществ различны, по свойствам, по массе.

4. Атомы различных элементов могут объединяться в определенных соотношениях.

5.Важнейшее свойство атомов, атомный вес(впоследствии мы узнаем, что заряд ядра).

Ну тут и началась химия, теория хороша, но вопросов стало больше чем было. Что за атомы, какой размер, из чего состоят, почему держатся, и т.д. и т.п.

Еще Дальтон ввёл символы химических элементов, и писал их в таблицу.

Как видите, его массы во многом неверны. Но в правильном определении масс, помог закон Авогадро, который утверждал, что одинаковые объемы газов, содержат одинаковые количества молекул газа.

Во времена Ломоносова еще писали формулу  воды то как HO, то как HO2, то еще черти пойми как. Но в итоге разобрались.

С развитием органической химии стало ясно, что вещества это не просто набор атомов, а атомы еще и как-то соединены, возможно образуют структуру. Появляется понятие "валентность". Было несколько ученых которые вводили это понятие , но их идеи не сразу были приняты, а решающее значение сыграл Кекуле. (он еще структуру Бензола придумал)

Кекуле утверждал, что у атома помимо веса, есть еще одно свойство основность(валентность), это способность атома соединяться с другими атомами. В качестве примера метан CH4,где углерод соединен с 4 атомами водорода.

Бутлеров улучшил подход Кекуле, и объяснил химическое различие атомов в молекуле. В 1865 г. А. фон Гофман продемонстрировал первые шаростержневые модели, в которых роль атомов играли крокетные шары.

А следом и в учебниках стали рисовать структуры.

Пару лет спустя. В 1869 году, Менделеев открыл периодический закон, и придумал систему химических элементов. Она настолько была хороша, что Дмитрий Иванович очень точно предполагал свойства еще не открытых элементов. Вы только посмотрите на это, он гений, просто гений. Слева предсказанные Менделеевым свойства, справа экспериментальные данные.

Если я я сделаю на компьютере квантовый расчет, боюсь по некоторым пунктам у меня ошибка будет больше! Это просто феноменально. Структура таблицы и причина периодичности, стала ясна только в первой половине 20 века, после открытия строения атома, и появления уравнения Шредингера.

О 20 веке, и современных представлениях я напишу в следующем посте.