1. Химия и периодическая система элементов, химическая связь

Весь окружающий нас многообразный мир, все существующее - это материал, которая проявляется в двух формах: вещества и поля. Вещество состоит из частиц, имеющих собственную массу (массу покоя), например, атомов, молекул, ионов. Поле - это такая форма существования материи, которая прежде всего характеризуется энергией. Посредством поля осуществляется взаимодействие между частицами вещества. В качестве примера можно привести электромагнитные и гравитационные поля.

Материя без движения немыслима. Движение - это изменение вообще, всякое взаимодействие материальных объектов, это свойство и способ существования материи. Движение происходит в пространстве и времени, которые являются всеобщими формами существования материи. Пространство и время не существуют вне материи и независимо от нее. Формы движения очень разнообразны и взаимосвязаны друг с другом. Формы движения материи изучаются разными естественными науками: физикой, химией, биологией и др. Формы движения могут переходить друг в друга, например химическая форма движения может переходить в тепловую, тепловая в электрическую и т.д.

Мерой движения материи, количественной его характеристикой служит энергия, в то же время мерой инерции материи является масса, поэтому энергия и масса - важнейшие взаимосвязанные свойства материи.

Закон сохранения массы и энергии

Этот закон по существу был сформулирован М.В. Ломоносовым еще в 1760 г. Современная формулировка закона гласит: в изолированной системе сумма масс и энергий постоянна. Эта формулировка учитывает, что между массой m и энергией Е существует взаимосвязь согласно уравнению

где с - скорость света в пустоте, равная 3 108 м/с.

Это соотношение между энергией света и его массой обнаружил русский физик П.Н.Лебедев. Позднее А. Эйнштейн (1905) доказал, что уравнение справедливо для любых форм материи. Уравнение называется уравнением Эйнштейна..

Уравнение Эйнштейна указывает на взаимосвязь, а не на эквивалентность массы и энергии и не их превращения друг в друга.

Определение химии

Химия изучает химическую форму движения материи, под которой понимают качественное изменение веществ, т.е. превращение одних веществ в другие. При химических процессах происходит обмен атомами между различными веществами, перераспределение электронов между атомами, разрушение одних соединений и возникновение других. В результате химических процессов возникают новые вещества с новыми химическими и физическими свойствами. Таким образом, химия - это наука о веществах и законах их превращений.

Современная химия - это разветвленная система многих наук: общей, неорганической, органической, физической, аналитической химии, электрохимии, биохимии и т.д. Общая химия изучает наиболее общие законы и концепции химии, включая периодический закон, теорию химической связи, основные закономерности химических процессов, учение о растворах, окислительно-восстановительные реакции и др.

Объектом изучения в химии являются химические элементы и их соединения. Химическим элементом называют вид атомов с одинаковым зарядом ядер. В свою очередь, атом - это наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Таким образом, каждому химическому элементу соответствует определенный вид атомов. Атомы данного элемента характеризуются одинаковыми свойствами.

Молекулой называют наименьшую частицу индивидуального вещества, способную к самостоятельному существованию, обладающую его основными химическими свойствами и состоящую из одинаковых или различных атомов. Молекулы могут быть одно-, двух- и многоатомными. Они являются составными частицами вещества. Если молекулы состоят из одинаковых атомов, то вещество называют простым или элементарным. Простоя вещество является формой существования химического элемента в свободном состоянии.

Если молекула вещества состоит из разных атомов, то вещество называют сложным (или химическим соединением). Любое вещество характеризуется определенным составом (природой и числом атомов в его молекуле), строением (пространственным расположением атомов в молекуле) и определенными физическими и химическими свойствами.

Химические свойства вещества характеризуют его способность участвовать в химических реакциях, т.е. в процессах превращения одних веществ в другие. Для понимания этих свойств необходимо знать и состав и строение вещества. Поэтому химия изучает состав, строение, свойства веществ и их превращения.

Как одна из отраслей естествознания, химия связана с другими естественными науками. Химические реакции играют важную роль в физических, биологических, геологических и других процессах.

Количество вещества

Количество вещества - это число структурных элементов (атомов, молекул, ионов и др.) в системе. Единицей измерения количества вещества является моль. Моль - количество вещества системы, которое содержит столько определенных структурных элементов (молекул, атомов, электронов и т.д.), сколько атомов содержится в 0,012 кг углерода - 12.

Массу одного моля вещества называют молярной массой (М). Основной единицей измерения молярной массы является килограмм на моль (кг/моль) или грамм на моль (г/моль). Например, молярная масса калия М(К)=39,102 г/моль, молярная масса аммиака М(NH3)=17,031 г/моль.

Любое соединение кроме молярной массы характеризуется относительной молекулярной массой. Относительная молекулярная масса М - это молярная масса соединения, отнесенная в 1/12 молярной массы атома углерода - 12.

Относительная атомная масса А - это молярная масса атома вещества, отнесенная к 1/12 молярной массы атома углерода - 12.

Закон постоянства состава

Согласно этому закону каждое химически чистое соединение всегда имеет один и тот же количественный состав независимо от способа его получения. Закон появился в результате длительного спора французских химиков Пруста (отношения между элементами, образующими соединения, должны быть постоянными) и Бертолле (состав химических соединений являются переменным).

Соединения переменного состава - бертоллидами. Соединения постоянного состава - дальтонидами.

Закон эквивалентов

Рихтер открыл закон эквивалентов: все вещества реагируют в эквивалентных отношениях. В настоящее время эквивалентом называют реальную или условную частицу вещества, которая может замещать, присоединять, высвобождать или быть каким-либо другим способом эквивалента одному иону водорода в кислотно-основных или ионнообменных реакциях или одному электрону в окислительно-восстановительных реакциях. Соотвественно закон эквивалентов можно сформулировать в следующем виде: моль эквивалентов одного вещества реагирует с одним молем эквивалентов одного вещества реагирует с одним молем эквивалентов другого вещества.

Закон кратных соотношений

Закон предложенный Дальтоном гласит: если два элемента образуют между собой несколько различных соединений, то на одну и туже массу одного из них приходятся такие массы другого, которые относятся между собой и как простые целые числа.

Энергия ионизации

Энергия, необходимая для удаления одного моля электронов от одного моля атомов какого либо элемента, называется первой энергией ионизации. В результате ионизации атомы превращаются в положительно заряженные ионы. Энергию ионизации выражают либо в кДж/моль, либо эВ.

Энергия ионизации характеризует восстановительную способность элемента. Первая энергия ионизации определяется электронным строением элементов и ее изменение имеет периодический характер. Энергия ионизации возрастает по периоду. Наименьшие значения энергии ионизации имеют щелочные элементы, находящиеся в начале периода, наибольшими значениями энергии ионизации характеризуются благородные газы, находящиеся в конце периода.

В одной и той же группе энергия ионизации несколько уменьшается с увеличением порядкового номера элемента, что обусловлено увеличением размеров атомов и расстояния внешних подоболочек от ядра.

Энергетический эффект присоединения моля электронов к молю нейтральных атомов называется сродством к электрону.

Для характеристики способности атомов в соединениях притягивать к себе электроны введено понятие электроотрицательности (ЭО). Учитывая, что эта способность атомов зависит от типа соединений, валентного состояния элементов, эта характеристика имеет условный характер. Однако ее использование полезно для объяснения типа химических связей и свойств соединений.

Строение атома и периодическая система элементов

В 1897 году Дж. Томсон (Англия) открыл электрон, а в 1909 г. Р.Малликен определил его заряд, который равен 1,6× 10-19Кл. Масса электрона составляет 9,11× 10-28г. В 1904 г. Дж. Томсон предложил модель строения атома, согласно которой атом можно представить в виде положительно заряженной сферы с вкрапленными электронами.

Исследованиями М. Склодовской-Кюри и другими учеными было установлено, что при радиоактивном распаде радия образуются гелий и неизвестный в то время элемент радон с порядковыми номерами 222. Таким образом, новые открытия доказали, что атом является сложной системой и состоит из более простых частиц.

Электроны выделяются из самых различных веществ. Отсюда было сделано заключение, что они являются составной частью всех элементов. Но так как электроны заряжены отрицательно, а атом в целом электронейтрален, то, очевидно, внутри атома находится положительно заряженная часть, которая своим зарядом компенсирует отрицательный заряд электронов.

Экспериментальные о наличии положительно заряженного ядра и его расположении в атоме были получены английским ученым Э. Резерфордом совместно с учениками при исследовании движения a - частиц в газах и других веществах.

На основе экспериментальных работ Резерфорд (1911) высказал гипотезу о планетарном строении атома. Согласно этой гипотезе, атом представляет собой систему из очень малого по размерам ядра, по круговым орбитам которого движется такое число электронов, что они своим отрицательным зарядом нейтрализуют положительный заряд ядра. Предложенная Резерфордом ядерная теория строения атома получила широкое распространение, но в дальнейшем исследователи натолкнулись на ряд принципиальных трудностей. Так, согласно классической электродинамике, электрон должен излучать энергию и двигаться не по окружности, а по спиральной кривой и в конце концов упасть на ядро.

На смену теории Резерфорда пришла теория Н. Бора. Датский ученый Н. Бор на основе квантовой теории излучения М.Планка развил квантовую теорию строения атома. Исходя из квантовой теории, Бор теоретически обосновал модель самого простого из всех атомов - атома водорода. В основу своей теории Бор положил следующие постулаты: электрон может двигаться вокруг ядра не по любым орбитам, а только по вполне определенным, дозволенным.

При движении электрона по этим дозволенным орбитам атом не излучает энергии, излучение и поглощение энергии происходят при переходе электрона с одной орбиты на другую. При этом энергия излучается порциями, или квантами, каждому из которых соответствует определенная частота.

Для характеристики орбиты Бор ввел квантовое число, впоследствии получившее название главного. Число орбит элемента определяется номером периода.

Теорию Бора развил немецкий физик Зоммерфельд (1915-1916). Он предположил существование не только круговых, но и эллиптических орбит, поэтому для характеристики движения электрона в атоме одного квантового числа уже было недостаточно.

Зоммерфельд вводит второе квантовое число - орбитальное. В теории атома Бора-Зоммерфельд предполагалось, что, во-первых, можно определить положение и скорость каждого электрона и, во-вторых, проследить его движение по орбите.

Распределение электронов в атомах по энергетическим уровням, подуровням и орбиталям определяется тремя основными положениями:

- принципом Паули, который устанавливает, что в атоме не может быть двух электронов с одинаковыми значениями всех четырех квантовых чисел;

- принципом наименьшей энергии, последовательность заполнения электронами уровней и подуровней должна отвечать наибольшей связи электрона с ядром, т.е. электрон должен обладать наименьшей энергией;

- правилом Хунда, согласно которому определяется порядок заполнения орбиталей. Орбитали в пределах энергетического подуровня сначала заполняются все по одному электрону, затем их занимают вторые электроны.

Ядра всех атомов содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов.

Атомы, имеющие одинаковый заряд ядра, но разные массовые числа, называют изотопами.

Атомы различных изотопов одного и того же химического элемента наряду с разными ядерными свойствами имеют одинаковое строение электронной оболочки, поэтому химические и физические свойства изотопов почти одинаковы.

В 1869 году Д.И.Менделеев открыл периодический закон химических элементов:

Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов.

За основу периодической системы он берет не только атомную массу, но и химические свойства элементов.

С увеличением атомной массы:

    1. ослабевают металлические свойства и усиливаются неметаллические;
    2. увеличивается валентность элемента в соединении с кислородом с водородом.

Разработанная в дальнейшем теория строения атома подтвердила периодический закон. В современной формулировке периодический закон звучит так: свойства химических элементов и образуемых ими простых и сложных соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядер их атомов.

С увеличением заряда ядра атома (порядкового номера элемента) периодически изменяется строение электронной оболочки. Эта периодичность связана с появлением через определенное число элементов 2-8-18-32 аналогичных электронных структур, которые отвечают s-, p-, d-, f- элементами. Периодичность электронных структур приводит к периодическому изменению свойств элементов, в частности атомных радиусов, потенциалов ионизации, энергии сродства к электрону, электроотрицательности.

Номер периода совпадает со значением главного квантового числа внешнего электронного слоя.

Группа - вертикальный ряд элементов, в котором сверху вниз усиливаются металлические свойства.

В современной периодической системе всего восемь групп. Каждая из них делится на главную и побочную подгруппы.

В главные подгруппы входят два элемента малых периодов и все под ним стоящие. Главные подгруппы составляют s- и p- элементы. Побочные подгруппы составляют только элементы больших периодов, все они являются металлами. Побочные подгруппы составляют d- элементы.

Основные виды связей

К основным видам химической связи относятся ионная, ковалентная и металлическая связи. Кроме того, между молекулами возникает водородная химическая связь и происходят вандерваальсовы взаимодействия.

Энергия и длина связи

Количество энергии, выделяющееся при образовании химической связи, называется энергией химической связи Есв. Она имеет единицу измерения кДж/моль. Для многоатомных соединений с однотипными связями за энергию связи принимается среднее ее значение, рассчитанное делением энергии образования соединения из атомов на число связей. Чем больше энергия химической связи, тем устойчивее молекулы.

Важной характеристикой химической связи является ее длина lсв, равная расстоянию между ядрами в соединении. Она зависит от размеров электронных оболочек и степени их перекрывания. Имеется определенная корреляция между длиной и энергией связи: с уменьшением длины связи обычно растет энергия связи и соответственно устойчивость молекул.

Сумма энергии ионизации и сродства к электрону называется электроотрицательностью.

Ионная химическая связь

Ионная химическая связь представляет собой электростатическое взаимодействие отрицательно и положительно заряженных ионов в химическом соединении. Такая связь возникает лишь в случае большой разности электроотрицательность (ЭО) атомов.

При образовании катионов и анионов могут возникать устойчивые октетные электронные конфигурации. Атомы и ионы с одинаковыми электронными конфигурациями образуют изоэлектронные ряды.

Так как электрическое поле иона имеет сферический характер, то для ионной химической связи не характерна направленность. Ионной связи также не свойственна насыщенность, так как ион способен взаимодействовать со многими соседними ионами противоположного знака, число которых зависит от зарядов ионов и соотношений геометрических размеров. Ионная химическая связь проявляется в твердых веществах с ионной кристаллической решеткой. Так как энергия ионизации больше энергии сродства к электрону, то полного перехода электрона не происходит даже в случае пары атомов с большой разностью ЭО. Поэтому и чисто ионная связь не существует. Можно лишь говорить о доле ионной связи.

Ковалентная связь

Химическая связь, образованная путем обобществления пары электронов двумя атомами, называется ковалентной связью.

Рассмотрим для примера образование ковалентной связи в молекуле водорода. При сближении атомов водорода происходит проникновение их электронных облаков друг в друга. Электронная плотность между ядрами возрастает. Ядра притягиваются друг к другу. Вследствие этого снижается энергия системы. Однако, при очень сильном сближении атомов возрастает отталкивание ядер. Поэтому имеется оптимальное расстояние между ядрами (длина связи) при котором система имеет минимальную энергию. При таком состоянии выделяется энергия, называемая энергией связи Есв.

Особенности ковалентной химической связи являются ее направленность и насыщаемость. Так как атомные орбитали пространственно ориентированы, то перекрывание электронных облаков происходит по определенным направлениям, что и обуславливает направленность ковалентной связи. Количественно направленность выражается в виде валентных углов между направлениями химической связи в молекулах и твердых телах.

Насыщаемость ковалентной связи вызывается ограничением числа электронов, находящихся на внешних оболочках, которые могут участвовать в образовании ковалентной связи.

Если ковалентная связь образована одинаковыми атомами, например Н-Н, О=О, Cl-Cl, N=N, то обобществленные электроны равномерно распределены между ними.

Такая связь называется ковалентной неполярной связью. Если же один из атомов сильнее притягивает электроны, то электронная пара смещается в сторону этого атома. В этом случае возникает полярная ковалентная связь. Критерием способности атома притягивают электрон может служить электроотрицательность. Чем выше ЭО у атома, тем более вероятно смещения электронной пары в сторону ядра данного атома. Поэтому разность электроотрицательностти атомов характеризуется полярность связи.

Если же молекула образована различными атомами, то молекулярное электронное облако смещается в сторону наиболее электроотрицательного атома. Такая ковалентная связь называется полярной ковалентной связью.

Вандерваальсовы силы

В 1873 г. Голландский ученый И. Ван-дер-Ваальс предположил, что существуют силы, обуславливающие притяжение между молекулами. Эти силы позднее получили название вандерваальсовых сил. Они включают в себя три составляющие: диполь-дипольное, индукционное и дисперсионное взаимодействие.

При сближении полярных молекул они ориентируются таким образом, чтобы положительная сторона одного диполя была ориентирована к отрицательной стороне другого диполя.

Диполи могут воздействовать на неполярные молекулы, превращая их в индицированные (наведенные) диполи.

В любой молекуле или атоме благородного газа возникают флуктуации электрической плотности, в результате чего появляются мгновенные диполи, которые в свою очередь индуцируют мгновенные диполи у соседних молекул Движение мгновенных диполей становится согласованным, их появление и распад происходит синхронно. В результате взаимодействия мгновенных диполей энергия системы понижается.

Металлическая связь

Металлы которые характеризуются рядом особых свойств: высокими электрической проводимостью, теплопроводностью, ковкостью и пластичностью, металлическим блеском и высокой отражательной способностью по отношению к свету. Эти специфические свойства металлов можно объяснить особым типом химической связи, получившей название металлической.

Согласно теории свободных электронов в узлах решетки металла находятся положительно заряженные ионы, которые погружены в электронный "газ", распределенный по всему металлу. Таким образом, валентные электроны у металлов не локализованы.

Химия


*****
Новосибирск © 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.