МЕНЮГостевая книга Форум |
УЧЕБНИК ПО ХИМИИПараграф 1 - Химические вещества и их свойстваМы живем среди химических веществ. Как только маленький человек появляется на свет, он попадает в мир химических веществ. Он вдыхает воздух, а это смесь газов (азота, кислорода и других), выдыхает углекислый газ. Его умывают водой - это еще одно вещество, самое распространенное на Земле. Добрые мамины руки заворачивают малыша в пеленки, надевают распашонку, а чтобы не было холодно, накрывают одеяльцем... Все эти вещи сделаны из волокон - хлопчатобумажных, основа которых природное вещество целлюлоза (клетчатка), и шерстяных, состоящих из природных белков. Малыш закапризничал: пора кушать. Мама дает ему бутылку с молоком. Молоко - смесь воды с мельчайшими капельками молочного жира, и не только: здесь еще есть молочный белок казеин, минеральные соли, витамины и даже сахар, но не тот, с которым пьют чай, а особый, молочный - лактоза. Все это вещества природного, естественного происхождения. Бутылочка сделана из стекла, а соска - из резины; это тоже вещества, точнее, материалы (смеси веществ). И стекло, и резина - искусственного происхождения, в природе их не было. Малыш растет, у него уже появились зубки, и он с аппетитом грызет яблоко. А яблоко состоит из целого набора химических веществ - здесь и сахар, и яблочная кислота, и витамины... Когда прожеванные кусочки яблока попадают в желудок, на них начинают действовать пищеварительные соки человека, которые помогают усваивать все вкусные и полезные вещества не только яблока, но и любой другой пищи. Мы не только живем среди химических веществ, но и сами из них состоим. Каждый человек - его кожа, мышцы, кровь, зубы, кости, волосы построены из химических веществ, как дом из кирпичей. Если человек двигается, думает, работает и растет, это значит, что он получает с пищей и питьем все новые порции химических веществ... За окном зеленеет дерево. Ветки его и ствол состоят в основном из уже знакомой нам целлюлозы, а в листьях есть очень важное для растений зеленое вещество хлорофилл. C помощью хлорофилла растение поглощает из воздуха углекислый газ и под действием света превращает его в полезные вещества, поэтому и растет. Растение поглощает один газ, а "выдыхает" другой - кислород. Способность растительного хлорофилла к такому обмену веществ - это его важное свойство. По улице проехала машина. Она сделана из искусственных веществ - железа, пластмассы, резины, меди, алюминия, одно из свойств которых - прочность... В моторе у машины сгорает бензин - смесь веществ, полученных из природной нефти. Горючесть - вот важное свойство бензина, благодаря которому работает двигатель автомобиля. Подросший за лето малыш лепит куличики в песочнице. Песок - природное вещество, это мелкие крупинки очень твердого минерала кварца. Когда песок очень чистый, он совершенно бесцветный, а желтым или серым он становится от загрязнений. Цвет и твердость - свойства кварцевого песка. Зимой, когда на улице будет холодно, малыш сядет за стол и будет рисовать на бумаге карандашом, грифель которого сделан из природного вещества графита. Графит серого цвета, и хотя он кажется твердым, им можно писать и рисовать, потому что от этого вещества при трении легко отделяются мелкие чешуйки. Эти свойства графита очень полезны и позволяют использовать его для черчения и рисования. Твердость, прочность, горючесть, цвет, запах и многое другое, чем можно описать химическое вещество - это его свойства. Итак, вещество - это то, из чего состоит физическое тело. Например: вода - вещество, но капля воды - тело. Каждое вещество может быть охарактеризовано набором свойств, которые позволяют отличить вещества друг от друга или установить между ними сходство. Такими свойствами могут быть цвет, запах, плотность, температуры плавления и кипения, электропроводность и теплопроводность, способность к тем или иным превращениям. Параграф 2 - Чистые вещества и их смесиНам хорошо знакомо, что такое чистота. Чистая комната, чистая тетрадь, чистая одежда... А что такое "чистое вещество"? Химики установили, чистые вещества обладают постоянными физическими свойствами. Например, чистая вода имеет температуру кипения 100 °С и температуру плавления 0 °С. У чистого металла олова, которое знакомо каждому, кто хотя бы раз в жизни имел дело с паяльником, температура плавления 232 °С. Но если в олове есть хотя бы небольшая примесь другого металла - свинца, то температура плавления становится на несколько градусов ниже. Это значит, что мы имеем дело не с чистым веществом, а со смесью (в данном случае - со сплавом металлов). Совершенно чистые вещества в природе не встречаются, хотя их стараются получить ученые в своих лабораториях. Обычно мы имеем дело со смесями, а смеси бывают однородными и неоднородными. Неоднородные смеси постепенно распадаются на составные части, а если их рассматривать через сильный микроскоп, можно различить частицы разных веществ. Иногда (например, на разломе изделия из чугуна - сплава железа и углерода) эти частицы видно, что называется, невооруженным взглядом. Но особенно часто в своей жизни мы имеем дело с однородными смесями - растворами. Это и бензин, и соленая морская вода, и сладкий чай в чашке (жидкие растворы), и воздух, которым мы дышим (газообразный раствор кислорода в азоте), и нержавеющая сталь, из которой сделаны ножи и вилки, и латунь, которая знакома по заклепкам на джинсах, металлической посуде и блестящим дверным ручкам. Сталь и латунь - твердые растворы разных металлов друг в друге. Химикам приходится немало потрудиться, чтобы разделить между собой вещества, которые попали в состав смеси. Параграф 3 - Химические реакцииМама зажгла спичку, повернула кран горелки газовой плиты, и произошло маленькое привычное чудо: загорелся газ. Природный газ - метан или пропан, который подается к плите по трубам или из баллона, соединяясь с воздухом (точнее, с кислородом воздуха), образует жаркое пламя. Когда газ сгорает, из него получаются совсем другие вещества - углекислый газ (диоксид углерода) и вода (водяной пар). Это превращение называют химической реакцией. Превращение природного газа и кислорода в продукты сгорания идет с выделением тепла, поэтому реакцию горения используют не только дома на кухне, но и в больших котельных, где подогревают воду для отопления целых городских кварталов, и на заводе, где выплавляют металлы из руды или делают цемент, кирпич, стекло... Но вернемся на кухню, где уже варится еда. На конфорках стоят кастрюльки и сковородки, и запах такой аппетитный! Почему крупы и картофель при варке становятся мягкими, а яйцо, наоборот, из жидкого становится твердым или превращается в яичницу-глазунью? Каким образом на жареной рыбе появляется румяная корочка, а в духовке поднимаются пышные пирожки? Все эти "вкусные" превращения основаны на химических реакциях, где одни вещества переходят в другие. Что сегодня на ужин? Блинчики? У мамы наготове молоко, мука, сахар, соль, вот она насыпает в чайную ложку питьевую соду (гидрокарбонат натрия) и капает туда столовый уксус (слабый раствор уксусной кислоты). Смесь "закипает": это в результате химической реакции выделился наш старый знакомый - углекислый газ. Если эта смесь попадет в тесто, блинчики будут пышными и вкусными. Химические реакции, о которых мы только что говорили, сопровождаются изменением цвета, выделением тепла, выпадением осадка или выделением газа. Но бывают и такие реакции, которые очень трудно распознать по внешним проявлениям, для этого требуются специальные приборы. Кроме химических превращений, вещества могут участвовать и в физических. Если мы возьмем чайную ложку поваренной соли и растворим в стакане теплой воды, а на следующий день или даже через неделю выпарим воду из раствора, перед нами снова окажется то же самое вещество - поваренная соль. Если воду налить на блюдечко и выставить на мороз или поставить в морозильник, вода замерзнет и превратится в лед. Но как только блюдце нагреется, лед растает. Когда кипит чайник, вода превращается в пар, который, попадая в холодный воздух, образует туман. Поднесем к носику кипящего чайника холодную чашку, и на ней тотчас же осядут капельки воды; чашка станет мокрой. Растворение и кристаллизация соли из раствора, замерзание и испарение воды - все это физические, а не химические явления: ведь вещества, которые в них участвовали, остаются в итоге неизменными. Параграф 4 - Мельчайшие частичкиПроведем небольшой опыт. Возьмем стакан, наполним его доверху водой из-под крана и капнем туда каплю синей (а вообще-то любой) краски. Перемешайте ее хорошенько. Что случилось? Краска перемешалась с водой и вода покрасилась в синий цвет. Как такое могло случиться, ведь капелька была совсем маленькой, а стакан большой? Просто капля состояла из множества маленьких капелек, и когда она попала в стакан, капельки разьединились и разбрелись по всему стакану. Наверное, этих капелек было очень много, раз их хватило, чтобы покрасить целый стакан Выльем половину стакана с краской и дольем туда полстакана чистой воды. Вода обесцветилась? Совсем нет, цвет стал просто не таким синим, а скорее голубым. То есть, даже то, что мы вылили половину капли краски не помешало ей покрасить целый стакан воды Продолжайте выливать воду с краской и вливать чистую воду и постарайтесь заметить момент, когда уже нельзя будет заметить, что вода синяя, ну хотя бы чуть-чуть. Ну что, долго пришлось вам воду переливать? Какой же из этого вывод? Раз нам пришлось так долго выливать краску, чтобы от нее избавиться, значит в ней было много мельчайших частичек, которые должны быть очень маленькими. Такие частички называются молекулами. У синей краски тоже есть своя молекула. Нарисовать ее здесь я не смог, так как во-первых, вы еще не знаете, как рисуются молекулы, а во-вторых, есть очень много молекул, которые обладают синим цветом. Интересно, а насколько же маленькие эти молекулы? Представьте, очень-очень маленькие. Такие маленькие, что их даже нельзя увидеть. Наберите литр воды. Как вы думаете, сколько там молекул? Миллион? Миллиард? Больше? На самом деле, там гораздо больше молекул. Я даже боюсь написать, сколько именно. Вот сколько - 3344444444444444444444444444444444 молекулы. Параграф 5 - А слабо еще мельчеА действительно, а слабо природе сделать что-нибудь еще мельче, чем молекулы, или на этом ее могущество останавливается? Оказывается, что не слабо. Все молекулы состоят из еще более мелких частиц, называемых атомами. В одной молекуле атомов может быть от двух до нескольких миллиардов. Как определить, с чем мы имеем дело, с атомами или молекулами? Вот, например, взяли мы железную вещь. Она сделана из атомов или молекул? Если в этой вещи только чистое железо, то из атомов. А как я это узнал? На самом деле, атомов есть не так уж и много - пока их открыто около 110 штук. И все они описаны в специальной таблице - Таблице Менделеева. Был такой ученый - Дмитрий Иванович Менделеев, который догадался все атомы (а тогда их было еще не 110, а меньше) рассортировать по клеточкам, чтобы получилась таблица. И теперь плодами его трудов пользуются все химики планеты В число этих 110 атомов входит и железо. Если вы посмотрите на эту таблицу, а она есть почти в каждом учебнике по химии, то вы найдете клеточку с номером 26. В ней написано "Железо" и значок "Fe". Все химики обозначают железо именно буквами Fe. Вы можете спросить, а почему нельзя железо назвать железом. Зачем запоминать бессмысленное словосочетание Fe? Потому-что это короче! Согласитесь, легче написать FeS, чем железосера. (Сера - тоже атом, найдите ее в таблице сами) Параграф 6 - Простые и сложные молекулыМы уже узнали из прошлого документа, что молекулы состоят из атомов (кто не узнал, прочитайте). А есть ли такие молекулы, которые состоят из одинаковых атомов. Оказывается есть. Например, кислород. Если вы посмотрите в таблицу Менделеева, то вы увидите кислород под номером 6. Значит ли это, что кислород в воздухе - это такой атом (в таблице Менделеева записаны только атомы, повторю еще раз) Нет, мы дышим не атомами кислорода, а молекулами кислорода. Но как же так, спросите вы, ведь в таблице написано, что кислород - атом, а вы вот говорите, что это молекула, то есть это несколько атомов. Как же так? Приведу пример. Вы, допустим, мне говорите, что ключ - это такое устройство, чтобы им открывать квартиру. А я вам говорю - нет, ключ это такое устройство, чтобы им гайки закручивать. Кто из нас прав? Оба правы. Только ключи мы имели в виду разные Так и здесь, есть и атом кислорода, что в таблице, и молекула кислорода, которая состоит из нескольких атомов. А вот дышим мы именно МОЛЕКУЛАМИ кислорода. Мы сказали, что молекула состоит из атомов. Из каких же атомов состоит молекула кислорода? Наверное, вы и сами уже догадались, что молекула кислорода состоит из атомов кислорода Действительно, это так. Но вот сколько атомов кислорода в молекуле? На самом деле это довольно сложный вопрос, и сами вы на него вряд ли ответите. Даже ученые долго бились, пока не определили это. Оказалось, что в молекуле кислорода два атома кислорода. Тогда зачем вообще нужен атом кислорода, раз мы дышим молекулами? Вообще бы оставили одни молекулы, а про атомы забыли. На самом деле не все так просто. Если мы не дышим атомами, то это не значит, что их нет. Если пропустить через воздух достаточно большой ток, то на очень короткое время там образуются атомы кислорода. К тому же если молекула кислорода состоит из двух атомов кислорода, то это не значит, что других молекул из атомов кислорода не существует. Такая молекула есть - она называется молекулой озона. И она тоже построена из атомов кислорода. Вот только их не два, как в молекуле кислорода, а три. Все молекулы, которые состоят из атомов одного и того же вида, например молекулы кислорода и озона, называются простыми веществами, или простыми молекулами Но таких веществ мало. Гораздо чаще встречаются такие молекулы, в состав которых входят разные атомы. Например, всем известная вода. Хотя мы видим ее каждый день, и нет ничего проще нее, на самом деле, она сложное вещество. Она состоит из атомов двух видов - двух атомов водорода и одного кислорода Вот такие-то вещества называются сложными веществами, или сложными молекулами. Их гораздо больше, чем простых и в основном именно их изучают химики Параграф 7 - Одинаковые неодинаковостиВ конце прошлого документа я вам сказал, что молекула воды состоит из трех атомов. Что это означает? Значит ли это, что три атома просто собрались вместе и соединились. Ну захотелось им вместе полетать? На самом деле, они соединены не все. Главный среди этих трех атомов - атом кислорода. Именно он соединен с атомами водорода. Атомы водорода же не соединены друг с другом (смотри картинку). Почему они соединились именно так, мы сейчас рассматривать не будем, а пока спросим себя, а могут ли молекулы состоять из одних и тех же атомов, но быть разными? Могут! Вот посмотрите на рисунок. Здесь нарисованы две молекулы. Обе они состоят из двух атомов углерода, шести водорода и одного кислорода. Но одинаковы ли они? Нет, они даже называются по разному - ЭТИЛОВЫЙ СПИРТ и ДИМЕТИЛОВЫЙ ЭФИР. Почему же так произошло? Все очень просто - в этих молекулах атомы соединены в разном порядке. Вот мы и узнали, чем отличаются молекулы друг от друга - тем, из каких атомов они состоят, сколько их, и каким образом они соединены Параграф 8 - Каков он - воздух?Что такое воздух? Атом? Молекула? Подумайте хорошенько. Не знаете? Значит вы плохо читали наш учебник. Еще в параграфе 2 мы написали, что воздух это смесь веществ - газообразный раствор кислорода в азоте Что такое газообразный раствор? А вообще, что такое раствор? Например на стройке готовят раствор цемента в песке и воде. Для этого их перемешивают вместе. Пока для нас такого определения хватит - раствор это нечто перемешанное А газообразный раствор - это когда перемешаны два газа. Что означает раствор кислорода в азоте? Это означает, что молекулы кислорода перемешаны с молекулами азота (которые состоят из двух атомов азота). Отвлечемся от темы. Допустим вы слили литр воды и добавили туда миллилитр серной кислоты (вы пока не знаете, что это за вещество, но главное не это. Главное - это то, что его очень мало). Перемешаем. Что мы получили? Растор серной кислоты в воде. А теперь сольем наоборот - литр концентрированной серной кислоты и дольем туда миллилитр воды. Мы получим уже раствор воды в серной кислоте, потому что серной кислоты будет больше, чем воды. Понятно? Вернемся к воздуху. Нам сказано, что это раствор кислорода в азоте. А это означает, что азота в воздухе больше, чем кислорода. Как же так? Ведь мы дышим кислородом. Если его в воздухе мало, то как же мы дышим? На самом деле его не так уж и мало - целый 21%, но вот азота и вправду больше - 78% Вы скажете - 21+78=99% А где же еще один процент? Действительно, воздух это не просто раствор кислорода в азоте. В состав воздуха входят еще несколько веществ Большинство из них - инертные газы. Если вы посмотрите в таблицу Менделеева, то они находятся в колонке с римским номером 8 (VIII) - Гелий, Неон, Аргон и так далее Еще в воздухе есть небольшое количество углекислого газа. Это тоже сложное вещество, как и вода. И состоит она из двух атомов кислорода и одного атома углерода (см. рисунок). Углекислого газа в воздухе мало - всего 0,04% То, что мы перечислили - это состав идеального воздуха. Но если вы, например, извините за выражение, испортите воздух, то в состав воздуха вы смело можете добавить еще одно вещество - сероводород. Параграф 9 - Закон сохранения массыЭто один из самых главных законов в химии, и придуман он знаменитым русским ученым Ломоносовым. Позднее к тому же выводу независимо от Ломоносова пришел французский химик Лавуазье Формулируется он так: масса веществ, вступающих в химическую реакцию равна массе веществ получающихся в результате реакции. Есть одно исключение из этого закона - это ядерные реакции. При ядерных реакциях масса вещества изменяется Смысл данного закона таков: Атомы в результате химической реакции никуда не исчезают и ниоткуда не появляются, они лишь могут перераспределяться между разными молекулами Действие данного закона на конкретных примерах мы продемонстрируем позднее, когда изучим способы записи химических уравнений. Но один пример можно разобрать уже сейчас. Мы говорили в параграфе 3, что при смешении соды и уксуса происходит химическая реакция с выделением углекислого газа. То есть, если мама на кухне смешает килограмм соды и килограмм уксуса, а потом измерит массу того, что получится после бурной реакции, то у нее все равно получится два килограмма, как и было изначально (но для этого, конечно, нужно не дать улететь образующемуся углекислому газу, иначе масса будет меньше). Параграф 10 - Закон постоянства составаЗакон постоянства состава это еще один из главнейших законов химии и формулируется он так: Всякое чистое вещество, независимо от способа его получения имеет одинаковый качественный и количественный состав Например, в параграфе 3, мы писали, что углекислый газ образуется при горении газа на кухне и при действии соды на уксусную кислоту, то есть разными способами. Но мы видим, что по всем свойствам это тот же самый углекислый газ И по закону постоянства состава, состав углекислого газа должен быть в обоих случаях одинаков. И действительно, если вы возьмете две пробы газа, полученных разными способами и проанализируете их, то вы найдете, что эти газы абсолютно одинаковы. Каждый из них построен из двух атомов кислорода и одного атома углерода. То есть состав у них один и тот же. Но наука не стоит на месте, и ученые нашли вещества, состав которых непостоянен. Например, соединение, состоящее из ванадия и кислорода, которое по законам валентности (рассмотренным позже) должно состоять из одного атома ванадия и одного или двух атомов кислорода, на самом деле не таково. На один атом ванадия может приходиться от 0,97 до 1,03 атома кислорода, в зависимости от того, как это вещество получено Скажу сразу, что атомы нельзя разделить на части химическими реакциями. Не бывает 1,03 атома кислорода. Вышеприведенная запись лишь означает, что из ста атомов ванадия, 97 соединены с одним кислородом, а еще три - с двумя кислородами Веществ постоянного состава больше и назвали их дальтонидами в честь ученого Дальтона, а вещества, состав которых зависит от условий получения назвали бертоллидами в честь ученого Бертолле, который сразу предполагал, что такие вещества есть Параграф 11 - Химический языкПомните, мы писали в параграфе 5, что соединение, состоящее из железа и серы, химики обозначают FeS? Если не помните, то перечитайте. А если помните, то у вас наверняка возник вопрос - а какие еще буквы, цифры и символы нужно знать, чтобы быть умным химиком? На самом деле, у химиков есть свой язык, отличающийся от языка других наук. Как и у всех языков, у него есть свои буквы, слова и предложения. И их надо знать. Но не пугайтесь, не обязательно знать сразу все. Как и в любом языке, можно учить его понемножку, используя только те слова, которые мы уже выучили. Для начала изучим "буквы" химического языка. Буквами химики обозначают различные виды атомов. Мы уже говорили, что все они перечислены в таблице Д.И.Менделеева. В настоящее время их насчитывается сто десять, из них у ста девяти есть названия, а последний еще не назван (хотя к тому моменту, как вы прочитаете этот учебник, их вполне может стать больше). Пока мы изучим из них самые "распространенные" и "нужные". У каждого вида атомов есть во-первых, обозначение, во-вторых, чтение, а в-третьих, русское название. На самом деле, про них нужно знать гораздо больше, но пока хватит и этого. Чем отличается чтение от названия? Чтение - это то, как надо читать название атома в какой-нибудь молекуле. Например, молекула воды H2O - Аш-Два-О. А русское название - это название атомов - "атом водорода", "атом кислорода". Посмотрите в нижеследующую таблицу с самыми распространенными атомами и постарайтесь их выучить. Ну, если не все, то хотя бы несколько.
Если в молекулу входит несколько одинаковых атомов, то их количество пишется снизу от атома, цифрой. Например O2, N2O5. Читается это просто - "эн-два-о-пять". Если же в молекулу входит несколько одинаковых "групп" атомов, то группа заключается в скобочки, а цифра ставится после них. Например, Fe(NO3)3. И читается уже "феррум-эн-о-три-трижды". Теперь вы должны потренироваться без запинки читать химические формулы. Например H2SO4 - Аш-два-эс-о-четыре. Или Fe2(SO4)3 - феррум-два-эс-о-четыре-трижды. Потренируйтесь на следующих формулах: NO; NO2; Cr(NO3)3; HF; NaCl; ZnI2; Al2O3 Параграф 12 - Строение атомаМы начинаем изучать очень важную тему - мы изучим, как устроен атом. Почему-то все считают, что изучить это очень сложно, практически невозможно, и вообще нереально. На самом деле, тема это достаточно легкая и интересная. Если говорить очень просто - то атом устроен так: в центре у него находится ядро, в котором есть два вида частиц: протоны и нейтроны. А вокруг ядра вращаются электроны. Примерно вот так:
Чем эти протоны, нейтроны и электроны друг от друга отличаются?
У вас может возникнуть вопрос - ведь атомы незаряжены? Как же в них могут быть заряженные частицы? Все очень просто - количество электронов и протонов в "обычном" атоме абсолютно одинаково, поэтому положительный заряд протонов полностью компенсируется отрицательным зарядом электронов. Электроны вращаются вокруг атома не только по круговым орбитам, но и по орбитам более сложной формы. Все эти формы орбит мы изучим позднее. Параграф 13 - А как измерить массу атомов?Итак, мы узнали, что атом состоит из "тяжелых" протонов и нейтронов, и "легких" электронов. Соответственно, сумма их масс и будет масса атома. Массы всех этих трех частиц уже определены, и, вроде бы никаких проблем - суммируй и считай. Но проблема в том, что числа эти очень маленькие. Масса электрона, например 9,1*10-31 кг. Кому охота складывать такие числа? Никому не охота. Первое, что сделали химики, чтобы упростить вычисления - перестали считать массу электронов. Ведь они гораздо меньше, чем протоны и нейтроны - и их массой можно пренебречь. Второе - протоны и нейтроны примерно одинаковой массы, так давайте примем ее за "единицу". Один протон - одна единица массы. Два нейтрона - две единицы массы. Эту единицу массы назвали "атомная единица массы", или а.е.м. Именно в ней написана масса атомов в "таблице Менделеева". Потом, правда, химики все переиграли, и заявили, что атомная единица массы - это одна двенадцатая массы атома углерода - но это практически ни на что не повлияло. В атоме углерода 6 протонов и 6 нейтронов - так что, можно сказать, что атом углерода весит 12 а.е.м. Следовательно 1 а.е.м. - как раз 1/12 массы атома углерода. То есть ничего не изменилось, просто сказано по другому. Параграф 14 - Разбираем примеры атомовПрежде чем разбирать примеры атомов, введем еще одно "неочевидное" правило: номер элемента в таблице Менделеева численно равен числу протонов в атоме. Например - атомы железа имеют в таблице Менделеева номер 26. Следовательно в ядре атоме железа находится 26 протонов. Доказывать это правило мы не будем, просто запомните его. А теперь поехали. Возьмем, например, тот самый атом углерода, про который мы говорили в предыдущем параграфе. Если посмотреть в таблицу Менделеева, то его можно найти в клеточке с номером 6, и ниже будет написана его масса: 12,0108. Единицы измерения не написаны, но подразумевается, что это 12,0108 атомных единиц массы (а.е.м.). Видно, что масса практически равна 12 а.е.м. А раз мы приняли, что протоны и нейтроны весят по 1 а.е.м., то ядро атома углерода имеет 12 частиц - протонов и нейтронов. Кроме того, мы теперь знаем, что номер клеточки, в которой находится атом равен числу протонов. Углерод находится в клеточке с номером 6, значит в ядре у него 6 протонов. А нейтронов? А нейтронов 12-6=6. Ведь в сумме частиц должно быть 12. А сколько же в углероде электронов? Раз атом должен быть незаряжен, а в ядре у него шесть протонов с положительными зарядами, значит у него должно быть и 6 электронов с отрицательными зарядами. Итого в атоме углерода 6 протонов, 6 нейтронов и 6 электронов А теперь давайте разберем атом железа, но уже побыстрее. Он находится в клеточке с номером 26 - значит 26 протонов. Раз 26 протонов, то и 26 электронов, ведь атом должен быть незаряжен. Масса железа 55,847 а.е.м., то есть примерно 56 а.е.м., следовательно нейтронов в атоме 56-26=30. Итого в атоме железа 26 протонов, 30 нейтронов и 26 электронов Параграф 15 - А почему некруглые числа?Вы можете спросить - а почему масса атома железа только примерно 56 а.е.м., а углерода 12 а.е.м.? Почему не точно 12,0000 а.е.м.? Все дело в том, что атомов углерода и железа есть несколько видов. На самом деле есть 13 различных атомов углерода с разной массой. Есть атомы углерода с массами от 8 до 22 а.е.м. Какой же из них отображен в таблице Менделеева? Прежде всего, туда не входят нестабильные атомы углерода - которые распадаются с течением времени. Из 13 атомов к таким относится 11. Оставшиеся два атома - углерод-12 и углерод-13 стабильны. В таблицу Менделеева входят оба вида атомов. Оба занимают одну и ту же клеточку, а масса считается, исходя из распространенности атома. Так как углерода-12 в природе гораздо больше, чем углерода-13, то атомная масса углерода почти равна 12 а.е.м., но все же несколько больше из-за углерода-13 Но что будет, если атомов разных видов будет поровну? Тогда будет дробная атомная масса. А как же тогда узнать число протонов, если скажем атомная масса 12,5? 12 или 13? Химики не стали решать данную проблему совсем. Потому что такой атом только один - хлор. Его атомная масса 35,5 а.е.м. Для него нужно запомнить, что у него два изотопа - хлор-35 и хлор-37. Хлора-35 больше, поэтому масса хлора 35,5 ближе к 35, чем к 37. Все остальные цифры в таблице Менделеева более-менее круглые. Параграф 16 - Моль, которая не ест шубыИтак, мы разобрались, как химики считают массу атомов. В очень маленьких единицах, называемых "атомная единица массы", или а.е.м. И все бы было хорошо, да только опять возникла проблема. Возьмем, например, литр воды. Мы можем посчитать, что масса одной молекулы воды - 18 а.е.м. (в нее входит, как вы помните, наверное, из параграфа 7, один атом кислорода (16 а.е.м.) и 2 атома водорода (2 а.е.м.) - следовательно в сумме 18 а.е.м.). А вот как посчитать, сколько молекул там есть? Миллион? Миллиард? Понятно, что очень много, но как? Вообще, это довольно просто сделать. Нужно поделить общую массу (1 литр = 1 килограмм = 1000 грамм) на массу одной молекулы. Вот так:
Но у нас то масса одной частицы не в граммах. А в атомных единицах массы! Ну так не проблема. Можно ж перевести. Из параграфа 13 мы помним - что 1 а.е.м. - это одна двенадцатая массы атома углерода. Следовательно, получим:
А теперь перенесем эту массу 1/12 атома углерода - влево:
И все. Теперь мы знаем и массу частиц в граммах (1000 грамм). И массу одной частицы (18 а.е.м.). Поделим 1000 на 18, получим 55,56. Но 55,56 чего? Мы ведь нашли не количество частиц в штуках, а некую величину "кол-во частиц, умноженное на массу 1/12 атома углерода в граммах". Химики назвали эту единицу "моль", величину назвали "количество вещества" - и сказали - "отныне в ней и будем считать количество частиц". То есть:
Откуда видим, что:
Эту величину (1 разделить на массу) химики назвали "Число Авогадро". Оно равно 6,02*10^23. Вот такое большое число. Обозначают его Na. То есть:
Чем же этот "моль" так приглянулся химикам? Просто в нем очень просто считать число частиц. Вот - в литре воды 55,56 моль. Ни одного маленького числа, ни одного большого. Ну и напоследок - химики обозначают количество вещества буквой n, число частиц - N. Параграф 17 - Еще одна проблема с количеством веществаВсе бы хорошо, но только с введением понятия "количество вещества" появились и свои проблемы. Вспомним из предыдущего параграфа - как его найти:
Видите в чем проблема? Размерности не сходятся. Слева количество вещества (в молях), справа граммы, деленные на а.е.м. А должно быть - если слева моли, то и справа моли. И химики опять схалтурили. Они сделали вот что. Давайте, говорят, заменим "массу одной частицы в а.е.м." на другую величину. Назовем, ее, скажем, "молярная масса". Это будет точно такое же число, но только с размерностью "грамм на моль". Тогда все сходится. Слева моль - справа моль (граммы сокращаются). Итак, химики изобрели новую величину - Молярную массу (обозначается М). На самом деле это абсолютно то же самое, что "масса частицы в а.е.м.", но только измеряется она не в а.е.м., а в граммах на моль. Скажем, если масса молекулы воды 18 а.е.м., то можно сказать, что молярная масса воды - 18 грамм на моль. И ее можно подставить в нашу же формулу вместо "массы одной частицы в а.е.м." Параграф 18 - Закрепляем все на практикеСкорее всего вы после предыдущих сухих параграфов подустали, и вам захотелось чего-то более интересного? Ну что ж, давайте найдем среднее число атомов в среднестатистическом человеческом теле (мы пока забудем что атомы вообще-то в молекулах и будем считать, что они сами по себе). Нормальная задачка? Нормальная :). Интересно, сколько в тебе атомов ведь. Итак, нам нужно выбрать "среднего человека". Выберем, скажем, человека, массой 70 кг, или 70000 г. Теперь нужно найти массу "среднестатистического атома" в человеке. В основном человек состоит из водорода, углерода, азота и кислорода. Массы их 1,12,14,16 а.е.м. Последние 3 - в среднем дают 14 а.е.м., но с водородом - пусть будет 13 а.е.м. скажем. Перво-наперво, найдем количество вещества. По формуле из предыдущего параграфа n=масса всех частиц / масса одной частицы = 70000 / 13 = 5384,62 моль А дальше найдем число частиц по последней формуле параграфа 16: Число частиц = 6,02*10^23*5384,62 = 3241541240000000000000000000 частиц Неплохо? Неплохо. Вот столько частиц в среднестатистическом человеке. Очень много. Параграф 19 - Чем отличаются электрончикиМы уже знаем, что атом состоит из ядра, а вокруг ядра вращаются электрончики. Но как они вращаются? Все кучей? Или по каким-то законам? Конечно по законам. Законов несколько:
Сложно? Сложно. Попробуем разобраться. Из правил видно, что электроны "маркируются" цифрами и буквами, то есть можно представить все орбиты в виде таблицы:
Теперь вступает в действие еще одно правило - не существует орбит, находящихся в верхней правой части таблицы - существуют только вот такие:
Вы можете спросить - почему так - сначала все идет по диагонали, а потом вдруг на f-орбиталях выравнивается и идет ровно? Все просто. На самом деле все и дальше идет по диагонали. На уровне 5 впервые появляются g-орбитали, на уровне 6 - h-орбитали. Вот только ни одного элемента с такими орбиталями еще не открыли - поэтому их и не изучают. Теперь учтем третий закон - должно быть по одной s-орбите, по 3 p, по 5 d и по 7 f орбит.
А вот теперь главный вопрос. Вот есть у нас скажем железо. У него номер 26. Где расположены эти 26 электронов? На s-орбиталях? На p? А может сначала на d, а потом на f? Все очень просто. Заполнение электронами идет по диагоналям. Вот так:
Проследим на примере первых элементов, как это происходит. Первый элемент у нас - водород. У него номер первый, значит один протон, а значит и один электрон (если не понятно - повтори лекции 13 и 14). Раз электрон один - он и идет на самую первую орбиталь - 1s. Значит можно написать, что "электронная формула" водорода - 1s1, что означает "у водорода есть один электрон на орбите 1s", или, как любят говорить химики, на "1s-орбитали". Дальше идет гелий. У него второй номер, а значит два электрона. Но по правилу 4 - мы помним, что на одной орбите могут быть одновременно два электрона. Значит второй электрон попадает на ту же орбиту 1s, и "электронная формула" гелия - 1s2 - "два электрона на орбите 1s" Третий элемент - литий. Он с тремя электронами. Третий на 1s-орбиталь уже не поместится, значит идем далее - следующая стрелка у нас пересекает 2s-орбиталь. Вот туда и идет третий электрон. Конфигурация лития - 1s2;2s1 (два электрона на 1s-орбитали, один электрон на 2s-орбитали). Четвертый элемент с четырьмя электронами - бериллий. Как вы уже, наверное поняли, четвертый электрон отправляется к третьему на 2s орбиталь, и получается конфигурация 1s2;2s2. Пятый элемент - бор. Пятый электрон не вмещается на 2s-орбиталь, и на третьей стрелочке мы видим, что дальше идет 3x2p, то есть три орбитали "2p". Пятый электрон идет на одну из них. Неважно на какую, но "традиционно" считается, что на первую. Конфигурация - 1s2;2s2;2p1. Шестой элемент - углерод. Шестой элемент тоже, как мы понимаем, идет на 2p орбиталь - но вот загвоздка - у нас три 2p-орбитали. И непонятно - куда идет шестой электрон - соседом к пятому на первую 2p-орбиталь, или отдельно от пятого - на вторую 2p-орбиталь, которая пока свободна? Посмотрим оба варианта. Если он пойдет к пятому на первую орбиталь, то они (по правилу 4) будут иметь противоположные спины - один положительный, другой отрицательный (ведь они на одной орбитали). Общий спин тогда будет равен сумме плюса и минуса - то есть ноль. А если шестой электрон займет пока пустующую вторую 2p орбиталь, то спины у пятого и шестого электрона будут одинаковы (они находятся каждый на своей орбитали и им никто не мешает). Допустим, оба спина будут положительны. Тогда общий спин - положительный + положительный = два положительных спина. Что явно больше нуля. А по правилу 5 - спин должен быть максимален. Вот и ответ на вопрос - шестой электрон не живет вместе с пятым - а занимает вторую 2p-орбиталь, которая пока свободна. Седьмой элемент азот, как уже понятно - так же вольготно занимает третью орбиталь, поднимая спин до "трех положительных" - 1s2;2s2;2p3 А вот восьмой элемент - кислород - уже не может вольготно разместиться на четвертой p-орбитали по причине ее отсутствия - орбиталей всего три. Следовательно он присоседится к одному из уже разместившихся там электронов, для простоты, например, к первому. Конфигурация 1s2;2s2;2p4 Девятый элемент - фтор - присоседится ко второму 2p-электрону и получим конфигурацию 1s2;2s2;2p5. Ну и десятый элемент - неон - присоседится к последнему 2p-электрону и мы получим 1s2;2s2;2p6. Дальше по стрелке у нас идет 3s орбиталь. Она у нас одна - на нее поместится только два электрона - это будут элементы 11 и 12 - натрий и магний, соответственно. Они будут иметь конфигурации 1s2;2s2;2p6;3s1 и 1s2;2s2;2p6;3s2. Далее - три орбитали 3p. Там у нас, как и на 2p-орбитали разместится 6 элементов. Это будут элементы алюминий, кремний, фосфор, сера, хлор и аргон. Скажем сера будет иметь конфигурацию 1s2;2s2;2p6;3s2;3p4 Далее 4s орбиталь - два элемента - калий и кальций А вот дальше - 3d орбиталь. В количестве пяти штук. Так как на каждой орбитали располагается по 2 электрона - то всего на этих орбиталях их разместится десять штук. Это будут элементы скандий, титан, ванадий, хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк. Вот и все. Если вы поняли правила - вам не составит труда написать строение орбиталей любого атома, даже такого сложного, как скажем свинец (в котором 82 электрона) Параграф 20 - Придумаем веществоКакие же выводы можно сделать о том, как будет себя вести атом, если мы знаем его "электронную конфигурацию". И тут есть свое правило: "Атомы стремятся к тому, чтобы их внешний электронный слой был полностью заполнен". Попробуем его применить. Возьмем, скажем бор. Его электронная конфигурация, как мы помним из предыдущего параграфа - 1s2;2s2;2p1. Внешняя орбиталь у него вторая (кто не понял почему - прочитайте правило 2 в предыдущем параграфе - орбитали "2s;2p" располагаются от ядра дальше чем "1s", и, следовательно как раз "внешние"). На второй орбитали у бора три электрона - два s-электрона и один p-электрон. А сколько может быть? Восемь. На втором уровне может быть два s-электрона и шесть p-электронов (как это и есть у неона). А так как мы сказали, что атомы любят, чтобы их внешний слой был "полностью заполнен", то значит ли это, что в химических соединениях бор будет тянуть на себя пять электронов, чтобы получить как раз восемь - полную орбиталь? Вовсе нет! Ведь это сейчас у нас внешний слой - второй. А представьте, мы забрали у бора 2s и 2p электроны (3 штуки). И его конфигурация стала 1s2, как у гелия. Какой теперь у него внешний электронный слой? Первый! Второго ведь не осталось. А полный он? Да, полный. На слое номер один есть только s-орбиталь - и там может быть максимум два электрона - как у нас. То есть у бора есть два пути - либо забрать у кого-нибудь 5 электронов, либо отдать кому-нибудь три. Как вы думаете, что проще? Конечно отдать три! Ведь три явно меньше, чем пять. Так и есть. Бор - чаще всего как раз отдает три электрона в химических соединениях. А теперь рассмотрим элемент фтор. Его номер в таблице Менделеева - 9, а конфигурация 1s2;2s2;2p5. Видно, что на внешнем "втором" слое у фтора 7 электронов. Как и в случае с бором, можно оставить ему только первый слой - забрав эти 7 электронов. Но можно и добавить один - и тогда на втором слое станет 8 электронов - и будет полный второй слой. Ясно, что добавить один гораздо проще чем семь отнять - и следовательно, чаще всего (практически всегда) фтор отнимает один электрон у других элементов. А давайте смешаем два элемента - бор и фтор. Что получится? Бор привык три электрона отдавать. Он их отдаст. Фтор привык один электрон забирать. Но ведь их не один - их три! Значит надо три атома фтора. Каждый заберет по одному электрону - и будет счастлив. Один отдаст три электрона - три других по одному заберут. И получится у нас ... "фторид бора" - BF3. Такое вещество действительно существует - вот как доказательство статья из википедии. Обратите внимание - мы вывели формулу только из электронного строения атомов. Параграф 21 - Валентности и степени окисленияХимики привыкли называть число электронов, которые отдает или забирает атом в соединении - валентностью. То есть, как следует из предыдущего параграфа - валентность бора = 3, а валентность фтора = 1. Но валентность не отражает - забирает атом электроны - или отдает. Для этого есть другая величина - степень окисления. Это та же валентность, но со знаком. Положительный знак означает, что атом отдает электроны, а отрицательный - что забирает. Можете запомнить это как "тот кто отбирает чужие вещи - отрицательный персонаж". Следовательно бор у нас "положительный персонаж" и его степень окисления - +3. А фтор - "отрицательный персонаж" - он отбирает электроны. Его степень окисления - минус один. А теперь еще одно правило - "сумма всех степеней окисления в соединении должна быть равна нулю". Например во фториде бора BF3 - степень окисления равна +3 + 3*(-1) = 0. +3 дает бор, -1 каждый из трех фторов. В сумме - ноль. Ну и для закрепления материала рассмотрим еще атом водорода. У него один электрон - 1s1. Максимум на первой орбитали может быть два электрона. То есть водород может отнять один электрон и перейти в конфигурацию 1s2. Но может и один отдать - и перейти в конфигурацию 1s0. У него тогда вообще не будет внешнего слоя - такая ситуация тоже считается "полным слоем". Следовательно водород может проявить степени окисления - как +1, так и -1. Если он соединится скажем со фтором, который очень любит забирать электроны, водород отдаст ему свой электрон, и получится "фтороводород" - HF. А, вот, например, литий - скорее отдаст свой один электрон. Так что водород его заберет и получится "гидрид лития" - LiH. Как видите - в формулах принято слева писать те элементы, которые электроны отдают, а справа - которые принимают. Параграф 22 - Какие бывают связиЗначит ли это, что электроны всегда забираются и отдаются? Нет. Это самый крайний случай. Есть три основных вида "связи" между атомами (основных! есть еще виды связи, но пока мы о них умолчим).
Параграф 23 - ВодородРассмотрим с вами самый первый (номер 1), самый легкий (масса 1 а.е.м) элемент - водород. Мы уже разобрали его в параграфе 21, и определили, что он может как принять один электрон, так и отдать один электрон. Можно предположить, что водород может соединиться сам с собой - каждый водород отдаст электрон в общее пользование - и будет молекула H2. Действительно, такая молекула есть - и называется она также, как и атом - "молекула водорода". У нее будет ковалентная неполярная связь - мы это разобрали в параграфе 22. Водород это очень взрывоопасный газ, это вы, наверное уже знаете. У кого водород может забрать электрон? Очевидно у какого-нибудь атома, который легко их отдает - то есть, у такого, у которого на внешнем слое один или два электрона. Это, например, бериллий, натрий, калий, и еще много других (напишите их электронные формулы и убедитесь что у них мало электронов на внешнем слое. Если забыли как - воспользуйтесь параграфом 19). Такие элементы называют гидридами, например Гидрид натрия - NaH, Гидрид калия - KH, Гидрид Бериллия - BeH2. У последнего соединения два атома водорода - ведь у бериллия два электрона на внешнем слое, а каждый водород забирает только по одному. Когда же водород может отдать электрон? Очевидно, когда есть элемент, который хочет его забрать. Например, p-элемент, у которого 7 электронов из 8 на внешнем слое - например фтор, хлор, бром, йод. Вместе фтор, хлор, бром и йод называются "галогены". А соединения водорода с такими элементами, когда водород отдает электрон - кислотами. Например, если электрон у водорода заберут галогены, мы получим Хлороводород - HCl, Бромоводород - HBr и Йодоводород - HI. Если взять вещество, которому не хватает двух электронов до полного слоя, оно может отобрать по электрону у двух атомов водорода, например Сероводород - H2S Но постойте? Разве мы не сказали, что это кислоты? Разве не должны они, например, называться "хлороводородная кислота", "бромоводородная кислота", "йодоводородная кислота"? Да, должны. Но так исторически повелось, что такими названиями стали называть не сами кислоты, а их растворы в воде. То есть, если растворить HCl (хлороводород) в воде, мы получим "хлороводородную кислоту". Если растворим HBr (бромоводород) - получим бромоводородную кислоту. Хлороводородную кислоту HCl редко кто называет "хлороводородной", потому что для нее осталось историческое название "соляная". Это название образовано не по правилам химического именования веществ, но все к нему привыкли. Дело в том, что формула "соляной кислоты" HCl очень похожа на формулу поваренной соли NaCl - потому-то кислоту и назвали "соляной". Точно так же, у фтороводородной кислоты есть свое "историческое" название - "плавиковая кислота". Видимо потому, что она очень активная и все "расплавляет" - "разъедает". Конечно, мы рассмотрели тут очень малую часть того, что можно сказать о водороде, но первое представление мы получили. Параграф 24 - СолиВ прошлом параграфе, когда мы с вами рассматривали водород, мы увидели, что одни атомы (натрий, калий, бериллий) так и хотят отдать свои электроны, а другие (фтор, хлор, бром) - так и хотят забрать. И мы рассмотрели, как они это делают на примере водорода. А почему бы этим атомам не лезть к водороду, а забрать электроны друг у друга? Например хлору у натрия? У хлора не хватает электрона, у натрия - лишний. Запросто. Будет Хлорид Натрия - NaCl. Впрочем, как и HCl его не всегда так называют "хлорид натрия". Иногда называют это соединение "поваренная соль". Очевидно потому что это та соль, которую мы бросаем в кастрюлю, когда что-то варим. Точно так же, если бром заберет электрон у калия, получим Бромид калия - KBr. Если два фтора заберут по электрону у цинка (а у него два электрона на внешнем слое - проверьте по параграфу 19), получим Фторид цинка - ZnF2. Такие соединения, где соединяются атомы, легко отдающие электроны с атомами, которые их легко забирают, называются "соли". Наверное, это пошло от "поваренной соли" NaCl. С точки зрения химика - NaCl это только одна из солей. KBr, KCl, KI, NaBr, NaF и многие другие соединения - это тоже соли. Другое дело, что есть их нельзя. |