Естествознание. Базовый уровень. 10 класс

3. Где в Периодической системе Д. И. Менделеева располагаются элементы со схожими химическими свойствами?

Задания

На основании сведений, полученных вами при изучении предыдущей главы, объясните, что означают числа, помещённые в каждой ячейке периодической системы. Почему многие из них являются дробными?

§ 48 Строение атома и свойства химических элементов

После того как физикам удалось многое узнать о строении атома, стало возможным применить эти знания для объяснения химических свойств элементов и теоретического обоснования Периодического закона Менделеева. Нам известно, что порядковый номер элемента в периодической системе соответствует числу протонов в его ядре (рис. 122). Так как протоны обладают положительным электрическим зарядом, а атом всегда электрически нейтрален, то положительный заряд ядра должен в точности уравновешиваться суммарным зарядом отрицательно заряженных электронов. Следовательно, число электронов в атоме всегда равно числу протонов в его ядре.

Рис. 122. Состав атомных ядер химических элементов № 1—20 таблицы Д. И. Менделеева (красные шарики – протоны; голубые – нейтроны; Z – порядковый номер элемента; Ar – массовое число, равное сумме протонов и нейтронов)

Находящиеся в ядре нейтроны, не имеющие электрического заряда, влияют на массу атома элемента, но не определяют число движущихся вокруг ядра электронов.

Химические свойства атомов элементов определяются строением их электронной оболочки. Электроны в атоме, как вы знаете, находятся в определённых областях пространства, называемых орбиталями. Этот термин был введён вместо употреблявшегося ранее понятия «орбита» для того, чтобы не складывалось ощущения, что электрон вращается вокруг ядра по какой-то конкретной линии. В действительности электрон в атоме не имеет определённой траектории движения, более того, он проявляет свойства как частицы, так и волны. Квантовая механика рассматривает вероятность нахождения электрона в пространстве вокруг ядра. Наиболее вероятно нахождение электрона вблизи ядра. По мере удаления от ядра вероятность нахождения электрона в данной точке пространства постепенно снижается. Пространство вокруг ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, и называется орбиталью. Орбитали атома имеют разные размеры. Электроны, находящиеся на орбиталях близкого размера, образуют электронные слои. Электронные слои называют также энергетическими уровнями. Их нумеруют, начиная от ядра: 1, 2, 3, 4 и т. д. Энергетические уровни разделяются на подуровни. Подуровни принято обозначать латинскими буквами s, р, d и т. д. На s-подуровне находится только одна орбиталь, её, как и подуровень, называют s-орбиталью. На p-подуровне находятся три p-орбитали. Орбитали имеют разную форму: так, s-орбиталь имеет форму шара, р-орбиталь – форму гантели, или объёмной восьмёрки. Каждая орбиталь обладает своим особенным количеством энергии. Известно, что на одной и той же орбитали может находиться одновременно не более двух электронов.

По мере увеличения порядкового номера элемента в периодической системе растёт содержащееся в его ядре число протонов, а вместе с ним и число электронов, находящихся на различных энергетических уровнях. На первом уровне имеется только один s-подуровень, который обозначается как 1s. Он может содержать один или два электрона. У атома водорода на этом уровне находится его единственный электрон (рис. 123, А). В ходе химического взаимодействия атомы могут отдавать или принимать электроны, превращаясь в заряженные частицы – ионы. Атом водорода легко расстаётся со своим электроном, отдавая его другим атомам и превращаясь в положительно заряженный ион Н+. Атом гелия имеет на том же уровне два электрона, поэтому его первая и единственная орбиталь оказывается заполненной (см. рис. 123, А). Новые электроны он присоединить не может, а расставаться с теми, которые находятся на завершённой внешней оболочке, энергетически невыгодно. Поэтому гелий является инертным веществом, которое не способно вступать в химические реакции.

Чем больше протонов и электронов в атоме, тем сложнее становится структура его электронной оболочки. Если первый уровень имеет только один подуровень 1s, то второй – уже два (2s и 2р), и с возрастанием номера уровня число содержащихся в нём подуровней продолжает увеличиваться (рис. 123, Б).

Химические свойства атомов во многом определяются числом электронов, расположенных на внешних уровнях электронной оболочки.

Рис. 123. Строение атома: А – схемы строения электронных оболочек атомов водорода (Н) и гелия (Не); Б – формы s– и p-орбиталей (электронных облаков)

Рис. 124. Процесс обмена электронами при окислительно-восстановительной реакции

Если эти уровни содержат мало электронов, атом, вступая в химическую реакцию, стремится их отдать, если много – присоединить чужие электроны, чтобы заполнить внешнюю оболочку. Если же эта оболочка заполнена, атом становится инертным и в большинстве случаев вообще не участвует в химических реакциях. Элементы, находящиеся в начале каждого периода, содержат на внешней оболочке мало электронов и поэтому легко их отдают, превращаясь при этом в положительно заряженные ионы. Потеря электронов атомом называется окислением (рис. 124). В конце периодов, непосредственно перед инертными газами, находятся галогены (фтор, хлор, бром, иод), которым для заполнения внешней оболочки не хватает одного электрона. Поэтому они легко присоединяют электроны и становятся при этом отрицательно заряженными ионами. Этот процесс носит название восстановления. Итак, чем меньше электронов находится на внешней оболочке атома, тем активнее он их отдаёт; чем меньше электронов не хватает для заполнения внешней оболочки атома, тем активнее он их принимает.

Элементы, которые склонны к отдаче электронов, называют металлами, а те, которые способны их принимать, – неметаллами. Атомы многих элементов, например углерода, серы, примерно с равной вероятностью могут и отдавать, и принимать электроны. Чёткой границы между металлами и неметаллами не существует.

Наиболее распространённым и наглядным примером взаимодействия металлов и неметаллов является процесс, который происходит при контакте щелочного металла с галогеном. Металл легко отдаёт свой единственный внешний электрон, а галоген присоединяет его как единственный недостающий. В результате образуется положительно заряженный ион металла (катион) и отрицательно заряженный ион галогена (анион)[11]. Имея разноимённые заряды, эти ионы притягиваются друг к другу. В результате получаются соли, примером которой является хлорид натрия (поваренная соль). Хлорид натрия состоит из кристаллов, в состав которых входят катионы натрия Na+ и анионы хлора Cl- (рис. 125). При растворении хлорида натрия в воде его кристаллы распадаются на ионы. Процесс распада молекул или ионных кристаллов веществ на ионы при растворении в воде называют электролитической диссоциацией.

Рис. 125. Схема электролитической диссоциации хлорида натрия

Таким образом, в растворе поваренной соли нет молекул хлорида натрия, а присутствуют только ионы натрия и хлора, окружённые молекулами воды (см. рис. 125). Слово «диссоциация» здесь означает распад, разделение. Вещества, способные к электролитической диссоциации, называют электролитами. Их растворы проводят электрический ток. Это становится понятным, если учесть, что ток – это перенос заряженных частиц, которыми в данном случае являются катионы и анионы. Электролитической диссоциации при растворении в воде подвергается не только соли, но также кислоты и основания.

Проверьте свои знания

1. В каких случаях при протекании химических реакций атом чаще отдаёт, а в каких – присоединяет электроны?

2. Почему гелий и другие благородные газы почти не способны вступать в химические реакции?

3. Чем определяются реакции окисления и восстановления?

Задания

Опираясь на рисунок 125, опишите, какую роль играет вода в процессе электролитической диссоциации.

§ 49 Валентность. Химическая связь

Валентность.

Внешняя электронная оболочка атома, которая соответственно и определяет его химические свойства, может содержать не более восьми электронов. Исключение составляют только атомы водорода и гелия, на единственной орбитали которых может находиться не более двух электронов. С помощью внешних электронов, которые называют валентными, осуществляется химическая связь между атомами, и образуются химические соединения. Электронную оболочку, содержащую валентные электроны, называют валентной оболочкой. Слово валентность (от лат. valentia – сила) означает способность атома образовывать определённое число химических связей с другими атомами. Валентность атома определяется числом имеющихся у него валентных электронов.

У атомов элементов каждого нового периода Периодической системы Д. И. Менделеева возникает новая валентная оболочка, которой не было у атомов элементов предыдущего периода. Элементы IIIА группы – щелочные металлы – содержат на этой оболочке всего один электрон. Их атомы легко отдают этот единственный электрон, поэтому все щелочные металлы одновалентны и химически очень активны. По мере увеличения порядкового номера элемента в периоде происходит постепенное заполнение валентной оболочки. Так, элементы IIА группы содержат на внешнем уровне два электрона, IIIА группы – три электрона и т. д. Галогены находятся в VIIA группе, следовательно, их атомы содержат семь валентных электронов. Благородные газы, стоящие в конце периода в VIIIA группе (например, неон, аргон, криптон, ксенон), содержат по восемь валентных электронов. Их внешняя оболочка заполнена, поэтому они почти не обладают химической активностью. После заполнения валентной оболочки (в конце периода) у следующего элемента возникнет новая оболочка.

Химическая связь.

Процесс обмена электронами между атомами и является причиной возникновения химической связи. Один из видов химической связи – ионная связь. Это связь, возникающая между ионами в результате действия электростатических сил притяжения (рис. 126). Типичным примером вещества с ионной связью является хлорид натрия. Однако это не единственный вид химической связи. Рассмотрим молекулу, состоящую из одинаковых атомов, например молекулу водорода, имеющую формулу Н₂. Каким образом два атома водорода соединяются между собой? Мы знаем, что на единственной 1 s-орбитали атома водорода могут находиться два электрона. Однако атом водорода имеет всего один электрон, и для заполнения оболочки ему нужен ещё один. В таком же положении находится и второй атом водорода.

Рис. 126. Образование ионной связи

Поэтому они как бы «договариваются» пользоваться имеющимися в их распоряжении двумя электронами сообща. Теперь в их распоряжении имеется общая орбиталь, заполненная, как ей и полагается, двумя электронами. Такая молекула обладает очень высокой устойчивостью.

Химическую связь, при которой атомы обобществляют свои валентные электроны, называют ковалентной (рис. 127, 128). В зависимости от количества общих электронных пар ковалентная связь может быть одинарной, двойной, а иногда и тройной. Многие химические вещества построены из молекул, состоящих из атомов двух элементов, одним из которых является атом кислорода. Такие вещества называются оксидами. К оксидам относятся такие хорошо известные вам вещества, как углекислый газ СО₂, вода Н₂О и многие другие. При образовании оксидов кислород, у которого для заполнения валентной оболочки не хватает двух электронов, охотно образует две общие электронные пары с атомами других элементов, образуя с ними двойную ковалентную связь. А вот тройные связи встречаются в химических соединениях гораздо реже и образуются преимущественно между атомами углерод – углерод, углерод – азот и азот – азот.

Многие элементы во всех соединениях проявляют одинаковую валентность. Так, водород и щелочные металлы всегда одновалентны, а кислород всегда двухвалентен. Существуют, однако, элементы с переменной валентностью. Одним из рекордсменов среди таких элементов является хлор, который находится в VIIА группе периодической системы. Хлор способен проявлять валентности от I до VII, и образует многочисленные и самые разнообразные соединения.

Рис. 127. Ковалентная связь возникает в результате образования общих электронных пар

Рис. 128. При взаимодействии двух атомов одного и того же элемента– неметалла образуется неполярная ковалентная связь. При взаимодействии атомов разных элементов-неметаллов образуется полярная связь. При этом электронная пара смещается к элементу с большей электроотрицательностью

Соединяясь, например, с кислородом, он способен образовывать различные оксиды: Cl₂O, ClO₂, Cl₂O₇. Известны и другие элементы, валентность которых в различных реакциях может быть различной. Так, сера может обладать валентностями II, IV и VI, железо может быть двух– и трёхвалентным, углерод – двух– и четырёхвалентным и т. д.

Связь, которую образуют свободные электроны в кристаллической решётке металлов, называют металлической. В узлах кристаллической решётки металлов расположены их положительно заряженные ионы. А поскольку, как вы знаете, электроны валентной оболочки металлов не очень прочно удерживаются ядром, они отрываются и беспорядочно, подобно молекулам газа, движутся между ними. Притягивая положительные ионы, эти электроны не дают кристаллу разрушится под действием взаимного отталкивания этих ионов. Вместе с тем электроны не могут покинуть кристалл, поскольку притягиваются положительно заряженными ионами, находящимися в узлах решётки. Из-за того что во всех металлах находится большое количество свободно движущихся электронов, они, как известно, служат хорошими проводниками электрического тока.

Рис. 129. Молекула воды представляет собой диполь

Существует ещё один вид химической связи, играющий важную роль в биологических процессах. Эту связь называют водородной. Причиной возникновения таких связей является полярность некоторых молекул. Поясним данное явление на примере молекулы воды (рис. 129). Как вам известно, в этой молекуле атом кислорода удерживает возле себя два атома водорода с помощью ковалентной связи. Но поскольку ядро атома кислорода содержит восемь положительно заряженных протонов, а каждый атом водорода – только один, то под действием электрического притяжения общие электронные пары смещены от атома водорода в сторону кислорода. Из-за этого та часть молекулы, где находится атом кислорода, приобретает небольшой отрицательный заряд, а участки, соответствующие атомам водорода, – положительный. Такая молекула, различающаяся электрическими зарядами на разных своих участках, называется полярной молекулой или диполем. Представим себе теперь, что две молекулы воды оказываются рядом. Тогда отрицательный участок одной молекулы будет притягиваться к положительному участку другой, и между ними возникнет водородная связь. Аналогичная связь может возникать не только в воде, но и во многих других, в том числе и органических, соединениях. Водородные связи являются довольно слабыми, но в том случае, когда их много, они могут достаточно прочно скреплять молекулы различных веществ, что имеет большое значение для многих биологических процессов.

Проверьте свои знания

1. Что такое валентность?

2. Какие электроны называются валентными?

3. Как называют химическую связь, при которой атомы «обобществляют» электроны?

4. Каким образом осуществляется связь в металлических кристаллах?

Задания

Используя рисунок 129, поясните явление полярности и образование водородных связей на примере молекулы воды.

§ 50 Химические реакции

Процессы, при которых происходит разрыв связей между атомами и (или) образование новых связей, называют химическими реакциями. В отличие от ядерных, во время химических реакций ядра атомов элементов, а значит, и сами элементы остаются неизменными, меняется только их принадлежность к различным молекулам.

Схемы и уравнения реакций.

Химические реакции обычно описывают с помощью уравнений. Химическим уравнением называют условную запись химической реакции посредством химических знаков и формул.

Рис. 130. Уравнение реакции и его изображение с помощью моделей

В левой части уравнения реакции записывают формулы веществ, которые вступают в реакцию (реагентов), а в правой – формулы конечных продуктов реакции (рис. 130).

Рассмотрим реакцию образования воды из кислорода и водорода. Химическая формула газообразного кислорода О₂, а водорода – Н₂. Составим схему реакции: Н₂ + О₂→ Н₂О. Для того чтобы она превратилась в уравнение, надо расставить коэффициенты: 2Н₂ + O₂ = 2H₂O.

Коэффициенты в уравнении реакции показывают, в каком количественном соотношении находятся реагирующие вещества и продукты. Из полученного нами уравнения следует, что число вступающих в данную реакцию молекул водорода в два раза больше числа молекул кислорода. Смесь водорода и кислорода в соотношении 2: 1 называют гремучим газом, так как достаточно небольшого воздействия, например в виде искры, для того чтобы произошёл взрыв и образовалась вода.

Теперь разберём более сложный случай. Одним из важнейших процессов, обеспечивающих существование жизни на Земле, является осуществляемый растениями фотосинтез. В результате фотосинтеза из воды и углекислого газа образуются глюкоза и кислород. Рассмотрим схему и составим уравнение этой реакции. Формула глюкозы С₆Н₁₂О₆. Следовательно, схема процесса выглядит так:

Н₂О + СО₂ → С₆Н₁₂О₆ + О₂.

Расставив коэффициенты, получаем уравнение реакции:

6H₂O + 6CO₂ = C₆H₁₂O₆ + 6O₂.

По химическим уравнениям производят различные количественные расчёты в производственной и лабораторной практике. Например, попробуем определить, сколько граммов воды и углекислого газа потребуется для синтеза 1 г глюкозы. Для этого вспомним понятие моля. Моль – это такое количество вещества, масса которого, выраженная в граммах, численно равна его атомной или молекулярной массе. Молекулярная масса глюкозы равна сумме атомных масс входящих в её молекулу элементов, т. е. 6 12 + 12 • 1 + 6 • 16 = 180. Следовательно, масса одного моля глюкозы составляет 180 г. То же самое относится к воде, масса одного моля которой равна 18 г, и к углекислому газу, масса моля которого составляет 44 г. Значит, для получения 180 г глюкозы потребуется 108 г воды и 264 г углекислого газа. Итого 372 г. Но всем известно, что материя не исчезает. Куда же делись остальные 192 г? Очевидно, что это масса выделившегося кислорода. Проверим. В реакции образовалось 6 моль О₂, каждый из которых имеет массу 32 г. Итого ровно 192 г. Как видите, закон сохранения массы и в этом случае оказался справедлив. Если вы хотите теперь узнать, сколько воды и углекислого газа потребуется для образования 1 г глюкозы и сколько при этом выделится кислорода, разделите все полученные числа на 180.

Типы химических реакций.

Существует огромное многообразие химических реакций. Простейшие из них можно условно разделить на четыре группы: реакции соединения, разложения, замещения и обмена.

В реакциях соединения из нескольких исходных веществ образуется одно сложное вещество. Примером такого вида реакций может служить процесс образования зелёного налёта малахита (CuOH)₂CO₃ на поверхности бронзовых изделий (рис. 131):

2Cu + O₂ + H₂O + CO₂ = (CuOH)₂CO₃.

Реакции разложения приводят к распаду молекул одного исходного сложного вещества на несколько продуктов. Такие реакции чаще протекают при нагревании. Некоторые вещества разлагаются под действием света. Так, соединения серебра на свету чернеют вследствие выделения серебра. На этом процессе основана чёрно-белая фотография.

Реакции замещения – это реакции между простым и сложным веществами, в результате которых образуются два новых вещества (простое и сложное).

Реакции обмена – это реакции взаимодействия между двумя сложными веществами, при котором они обмениваются атомами или группами атомов.

Рис. 131. Примером реакции соединения является процесс образования зелёного налёта малахита на поверхности бронзовых изделий

Проверьте свои знания

1. Какую информацию можно получить на основе уравнения химической реакции?

2. Какие вещества образуются в результате фотосинтеза?

3. Почему в химии применяют физическую величину «количество вещества»? В каких единицах она измеряется?

Задания