Перенесенная химия

Некоторые аспекты излагаемого упрощены для облегчения восприятия.

Цель этой страницы - подготовить человека к восприятию химии в таком виде, в каком ее преподают в средней школе. А преподают ее несколько странно. Сначала предполагается тупо зубрить свойства веществ, формулы, валентность, типы реакций и прочее, а через год расскажут в чем, собственно, суть. Характеристика элемента по его положению в периодической таблице и строению атома на -156 странице - в советском учебнике. В современном издании этого же учебника, на стр. 157.

Между тем, с этого следует начинать.

Смысл говорить о конструкциях, не объяснив, из чего они собраны? Где обратная связь? Мини-опрос показал, что предмет мало кому дался в школе. Один товарищ, прочитав эту страницу, выразился: "такое ощущение, что я в школе химию вообще не учил". Стало быть, дело не в тупых учениках, а в подаче материала.

В данном изложении мало формул, почти нет фамилий, дат, и уж тем более портретов (какую смысловую нагрузку они несут?), но в общих чертах объясняются механизмы химических явлений. Полезно почитать и тем, для кого школьная химия “пройденный” этап.

Автор данного труда не профильный специалист, а такой же, как многие, бывший школьный мученик, которого задолбало подобное положение вещей. Так что, камнями не бить. Если есть претензии, дополнения, предложения - пишите комментарии внизу страницы, а лучше - на ящик, указанный на стартовой странице.

По тексту будут повторы, обусловленные необходимостью избыточности информации с одной стороны, и многочисленным редактированием с другой.

Атомы и молекулы

Все вещества состоят из мельчайших частиц - молекул. На рисунке молекулы показаны в виде соединений шариков:

Сами же шарики - это атомы, из которых состоят молекулы.

От того, сколько и каких именно атомов соберется в молекулу, зависят все свойства вещества, состоящего из таких молекул.

То есть, молекула - мельчайшая частица вещества, обладающая свойствами этого вещества.

Если разорвать молекулу на атомы, данное вещество перестанет существовать - как перестает существовать машина, разобранная на части.

Например, молекулу воды Н2О, состоящую из двух атомов водорода (Н) и одного атома кислорода (О), можно разложить на составляющие, которые по своим свойствам сильно отличаются от исходной воды.

Вода в нормальных для нас условиях - жидкость, а разделяясь на компоненты, становится смесью двух газов.

Если мы соберем те же самые атомы водорода H и кислорода O в молекулу, но в другом соотношении - два атома водорода и два атома кислорода, то получится не вода, а очень агрессивное вещество - перекись водорода Н2О2.

Более того: даже если собрать одинаковые атомы в одинаковом количестве, но в ином порядке, получаются вещества с разными свойствами. Такие вещества называются изомерами.

Представьте себе швейные булавки с мягкими шариками-головками.

Это будут наши атомы с иголками в качестве соединителей-электронов (подробнее об этом чуть ниже).

"Атомы"-булавки можно соединить в "молекулу" остриями друг к другу, тогда они не смогут никого уколоть, то есть "химическая активность" такой булавки будет низкой. Если же мы соединим их так, чтобы острие одной из них торчало наружу, такая "молекула" будет "химически активной" - на острие можно будет нанизывать следующие атомы-булавки.

Сами же атомы представляют собой мельчайшие неделимые (в пределах химических процессов) частицы материи. Каждый вид атома называется химическим элементом. К примеру, водород - это один вид атомов, кислород - другой вид.

Видов атомов в природе чуть более сотни, и все они перечислены в таблице Менделеева.

А вот соединений этих атомов в различных сочетаниях гораздо больше.

Атомы - как буквы алфавита, их немного, но из них складывается множество различных слов. И значение каждого слова будет зависеть от того, сколько именно букв и в каком порядке мы соединим.

Так же и с атомами, соединенными в молекулы. И в этих "словах" - молекулах, практически нет ограничения на размеры. К тому же, в отличие от слов, пишущихся в строку, молекулы многомерны. Молекула скорее напоминает кроссворд, только трехмерный.

Примером огромной молекулы может служить ДНК, хранящая нашу наследственную информацию:

Вся инструкция по сборке и функционированию нашего организма закодирована всего лишь расположением атомов!

Атомы, находящиеся на Земле, уже никогда никуда не денутся, и их вид никак не изменится. Единственное, что с ними может происходить - это их соединение друг с другом (в молекулы) в различных сочетаниях, и обратный процесс - разборка молекул.

Попробуйте на вкус свеклу. Она сладкая. Хотя земля, в которой она росла, сахара не содержит. Нет сахара и в воде, необходимой для ее роста. Сборка молекул сахара происходит в самом растении - из веществ, содержащихся в земле и воздухе, с помощью энергии солнечного света.

Перебродивший яблочный сок превращается в спирт, хотя спирта в яблоках изначально не было.

Все это и есть примеры природных химических реакций - пересборки атомов в различные молекулы.

Разберем устройство атома. Ядра атомов содержат положительно заряженные протоны. Вокруг ядер обращаются отрицательно заряженные электроны.

Потому как именно от количества протонов в ядре (и, соответственно, электронов возле ядра) зависят все свойства вещества. То есть, свойства химического элемента зависят от конкретного устройства его атомов.

Заметим, что любой из нарисованных выше элементов можно "собрать" из элемента номер 1 - водорода. Если умудриться соединить два ядра атома водорода в одно, получится элемент номер 2 - гелий. По сути, так оно и происходило: в недрах массивных звезд, атомы водорода сливались во все более и более тяжелые (с большим количеством протонов в ядре) элементы. Все химические элементы в природе сформировались там. И сами мы, по сути - звездный пепел. Но такие ядерные слияния изучает другая наука - ядерная физика. В химических же реакциях слияния ядер не происходит. Атомы просто "цепляют" друг друга за электроны, сами при этом оставаясь в неизменном виде.

Химия - наука, описывающая соединение атомов в молекулы.

Молекула - это два (или более) атома, соединенных друг с другом.

Каким образом атомы собираются в молекулы? Разберем механизм этого явления.

Если потереть резиновым надувным шариком о шерсть, шарик прилипнет к шерсти.

Почему? Дело в том, что некоторые электроны при определенных условиях могут покинуть атом, и тело, состоящее из этих атомов. При трении тел друг об друга, часть электронов переходит с одного тела на другое, в нашем случае - с шерсти на шарик. При этом получается, что шарик заряжается отрицательно (электроны носят отрицательный заряд), а на шерсти оказывается дефицит (недостаток) электронов. Потому заряд шерсти положительный. А

предметы, обладающие разноименным зарядом притягиваются друг к другу).

Запомнить легко по аналогии: разнополые притягиваются.

Причем тут химия? Дело в том, что атомы соединяются в молекулы за счет электростатических сил - тех же сил, которые "приклеивают" шарик к шерсти.

Молекулы - это связанные друг с другом общими электронами атомы. Атомы держат друг друга за электроны.

Молекула воды Н2О - это два атома водорода H (hydrogen) , сцепленные с одним атомом кислорода O (oxygen) общими электронами. Смотрим левый рисунок:

Так происходит спаривание электронов соединенных атомов.

Поясним подробнее на примере молекулы водорода H2, состоящей из двух атомов водорода H.

Одиночный атом водорода H выглядит так: один положительно заряженный протон в центре (ядре атома) и один электрон перемещающийся по орбите вокруг него:

Получается, что "минус" крутится вокруг "плюса". Что будет, если рядом с этим атомом окажется второй, точно такой же? Мы знаем, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются. Значит, произойдет синхронизация частоты вращения электронов обоих атомов (электроны начнут вращаться с одинаковой частотой, как зубцы в сцепленных шестеренках),

Например, в молекуле воды, спаренные электроны будут смещены ближе к атому кислорода, потому что ядро атома кислорода содержит большее количество протонов, а значит, сильнее притягивает электроны.

Способность данного вида атома оттягивать к себе электронные пары называется "электроотрицательность".

Для понимания роли электронов в связывании атомов в молекулы, очень показателен процесс электролиза. Электролиз - это разложение воды на водород и кислород на электродах, к которым подведено напряжение.

В молекуле воды атом кислорода (красный шар на нижнем рисунке) оттягивает к себе электроны (синие шарики) двух присоединенных атомов водорода (зеленые) и, собственно, за счет этого их удерживает. Однако, вблизи отрицательного электрода (катода), атомы водорода могут "плюнуть" на свои "родные" электроны, и получить точно такие же на катоде (левая картинка). Ибо отрицательным называется электрод, на котором имеется избыток электронов - на нем электроны "сидят" снаружи, как мухи.

С этого момента молекула воды перестает существовать - у атома водорода больше нет причин цепляться за атом кислорода. И водород, превращаясь в газ, выделяется в виде пузырьков возле отрицательного электрода (правая картинка).

Вернемся к строению атома: в центре - ядро, состоящее из:

- нейтронов. Нейтроны имеют массу, но не имеют заряда и поэтому на химические свойства вещества не влияют никак. Их учитывают только при расчете масс. В пределах курса химии о них можно не вспоминать.

- протонов. Это частицы с такой же массой, как у нейтрона, но имеющие элементарный (самый минимальный, меньше в природе не бывает) положительный заряд.

Нейтроны и протоны называют нуклонами. Ядро состоит из нуклонов.

Масса обоих нуклонов примерно равна одной атомной единице массы (а.е.м.).

Согласно определению, 1 а.е.м. это одна двенадцатая массы атома углерода. Ядро атома углерода содержит 12 нуклонов: шесть протонов и шесть нейтронов. Так что, а.е.м., по сути, и есть масса нуклона:

1 а.е.м. равна массе одного элемента ядра - нейтрона или протона.

В химических реакциях состав ядра атома не меняется.

Количество протонов (а значит - заряд!) ядра любого атома равен его порядковому номеру: элемент номер №1 содержит один протон в ядре, заряд ядра +1. Элемент №n - n протонов в ядре, заряд ядра +n.

Вокруг ядра, как планеты, вокруг Солнца, обращаются электроны.

Масса электрона примерно в 2000 раз меньше массы протона, а заряд точно такой же как у протона, только со знаком минус (отрицательный). Количество электронов атома равно числу протонов, потому суммарный заряд атома равен нулю. Сколько протонов в ядре, столько электронов вокруг ядра.

Атом, хоть и состоит из положительно и отрицательно заряженных частиц, в целом электронейтрален.

То есть, количество электронов атома также равно порядковому номеру: элемент номер №1 содержит один электрон, элемент №n - n электронов.

Из соотношения масс электронов и нуклонов (протонов и нейтронов) видно, что масса атома сосредоточена в его ядре. Масса электронов при расчетах не учитывается.

В таблице Менделеева - справочнике химических элементов - эти элементы расположены в порядке возрастания числа протонов в их ядрах.

В ячейке каждого элемента указан его порядковый номер и его масса. Так как порядковый номер элемента равен количеству протонов в ядре, получается, что разница между порядковым номером и массой атома - на совести нейтронов (напомню: весят они одинаково). К примеру, номер гелия (He) - указан в правом верхнем углу - 2, масса (ниже), округленно, 4.

Значит, в дополнение к двум протонам, ядро гелия содержит два нейтрона:

Еще раз:

номер элемента - это количество протонов (положительно заряженных нуклонов) в ядре данного элемента,

а его атомная масса - это общее количество нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре.

Но в природе существуют так называемые “изотопы” - элементы с таким же количеством протонов, что и у “основного” элемента, но с другим количеством нейтронов. Как отмечалось выше, нейтроны, независимо от их количества в ядре, никак не влияют на химические свойства (на способность соединяться с другими атомами посредством общих электронов) элементов, так как у них нет заряда.

У того же “обычного” гелия (с атомной массой 4) существует еще 7 изотопов. У одного из изотопов не хватает одного нейтрона в ядре, понятно, его масса равна трем (гелий-3). У остальных - излишек нейтронов. И, соответственно, больше масса - 5, 6, 7, 8, 9 и 10 (гелий-5...гелий-10). А раз число протонов в ядрах всегда одинаково - два, значит нейтронов в ядрах - 3,4,5,6,7 и 8, химические свойства всех этих изотопов одинаковы.

Светлым условно показаны протоны, черным - нейтроны.

А это изотопы водорода:

Слева - обычный (самый распространенный) водород. Изотопы (правее) содержат дополнительные нейтроны. Все остальное идентично.

В отличие от планет, электроны вокруг ядра могут обращаться только по нескольким, строго определенным орбитам. На самой близкой к ядру атома орбите (нижнем уровне), может находиться не более двух электронов, на второй орбите (уровне) - не более восьми, на третьем - не более восемнадцати, четвертом - тридцать два.

Все равно, как на орбите Меркурия помещались бы две планеты, на орбите Венеры - восемь, Земли - не более восемнадцати, Марса - тридцать две. Больше не влезает. Здесь тоже все логично - чем дальше орбита, тем больше ее протяженность.

Каждая орбита (уровень) состоит из нескольких близко расположенных подуровней, но на данном этапе изучения предмета, сие несущественно. Видео по теме:

Можно представить, что электроны занимают сферы. Каждый последующий слой электронов - все более удаленную от ядра сферу. А площадь сферы пропорциональна квадрату ее радиуса. Стало быть, чем дальше сфера от ядра, тем в ней больше места для электронов. Поэтому вместимость любого электронного слоя описывается формулой n^2х2. Номер слоя (n) возводится в квадрат и умножается на два. Получается именно столько, сколько указано выше:

1 слой - 1х1х2=2 электрона

2 слой - 2х2х2=8 электронов

3 слой - 3х3х2=18 электронов

4 слой - 4х4х2=32 электрона

и так далее.

Но! На внешней орбите (на верхнем уровне) количество электронов никогда не превышает восьми.

Как же так? А как заполняются слои до 18, 32 и т.д. электронов???

А вот как: третий слой заполнился до восьми электронов:

Аргон: +18 -2 -8 -8, (плюс показывает заряд ядра, минусы - распределение электронов по слоям)

следующий электрон появляется в четвертом слое.

Калий: +19 -2 -8 -8 -1.

В следующем элементе к нему добавляется еще один - всего получается два электрона во внешнем слое.

Кальций: +20 -2 -8 -8 -2.

После этого рост числа электронов четвертого слоя прекращается, дополнительные электроны заполняют предпоследний, третий слой до тех самых восемнадцати штук.

Скандий +21 -2 -8 -9 -2

Титан +22 -2 -8 -10 -2

Ванадий +23 -2 -8 -11 -2

при переходе от ванадия к хрому, получается “провал” - в предпоследнем слое становится больше сразу на два электрона, а во внешнем слое остается один. То есть, суммарно электронов в атоме, как и положено, больше на один, чем у предыдущего.

Хром +24 -2 -8 -13 -1

У следующего элемента - марганца, добавляется один электрон на внешний слой, и дальше идет как раньше - два электрона во внешнем слое, дополнительные электроны заполняют предпоследний слой.

Марганец +25 -2 -8 -13 -2

Железо +26 -2 -8 -14 -2

Кобальт +27 -2 -8 -15 -2

Никель +28 -2 -8 -16 -2

И только потом растет (до восьми!) количество электронов в самом четвертом слое.

Медь +29 -2 -8 -18 -1

Цинк +30 -2 -8 -18 -2

Галлий +31 -2 -8 -18 -3

Германий +32 -2 -8 -18 -4

Мышьяк +33 -2 -8 -18 -5

Селен +34 -2 -8 -18 -6

Бром +35 -2 -8 -18 -7

Криптон +36 -2 -8 -18 -8

Таблица распределения электронов по уровням.

Вернемся к началу таблицы Менделеева, к ее первым элементам.

Атом первого химического элемента (водорода H), имеет один протон в ядре и один электрон на самом нижнем, близком к ядру уровне: +1 -1.

У второго элемента (гелия He) два протона в ядре и два электрона на нижнем уровне +2 -2.

Между тем, водород химически крайне активен (вступает в химические связи, т.е., соединяется с другими атомами), а гелий инертен (в химических связях не замечен). В чем разница между ними? А в том, что ядро гелия содержит два протона, а значит, электроны в два раза сильнее удерживаются ядром.

Представьте, что у нас под ногами вместо одной Земли, образовались две. Понятно, что сила тяжести увеличится вдвое. И две Луны вдвое сильнее удерживались бы двойной Землей. Никакая пролетающая мимо планета не смогла бы отнять наши луны.

Единственный же протон ядра водорода, гораздо слабее удерживает электрон, поэтому его часто захватывают атомы других элементов и даже другие атомы того же водорода, что и обусловливает химическую активность водорода, так как отдать или отнять электрон означает образовать связь с другим атомом.

Атом третьего элемента (лития) содержит три протона в ядре, и три электрона. Из них два электрона - на нижнем уровне, третий электрон - на следующем +3 -2 -1.

Раз в ядре лития три протона, его электроны должны удерживаться атомом еще сильнее, чем даже у гелия? Нет. Сила притяжения электронов к ядру зависит не только от заряда ядра, но и от расстояния между ядром и электроном (орбитой).

Точно так же в солнечной системе самая близкая к Солнцу планета - Меркурий удерживается им гораздо сильнее Плутона на дальней окраине.

Два электрона нижнего уровня, таки да, сверхпрочно удерживаются ядром. Ибо находятся близко к ядру. Третий же электрон находится на дальней орбите, и поэтому удерживается слабее. А значит, может быть захвачен атомом другого вещества - образовать химическую связь. И даже способен покинуть атом - превратиться в свободный электрон.

Именно наличие свободных электронов позволяет веществу проводить как тепло, так и электрический ток. Ибо ток

есть направленное движение заряженных частиц. А двигаться могут только свободные заряженные частицы. Точно так же как поток воды в водопроводе возможен только при наличии в нем жидкой воды. Если воды нет, или она замерзла - нет потока. Как ни странно, электроны тоже можно “заморозить”. Если электроны захвачены другими атомами, то “электропроводить” и “теплопроводить” уже нечем. Например, железо хороший проводник тока и тепла, а окись железа (ржавчина) - электро- и теплоизолятор. Ибо электроны железа в окиси захвачены атомами кислорода (окись - соединение кислорода с чем-либо).

Четвертый химический элемент.

Бериллий.

Раз у него порядковый номер четыре, значит, ядро бериллия содержит четыре протона. И четыре же электрона должны обращаться вокруг ядра. Из них два на нижнем уровне и два - на следующем: +4 -2 -2:

Нетрудно сообразить, что электроны бериллия на втором уровне будут удерживаться ядром сильнее, чем электрон лития на том же уровне - заряд-то ядра уже равен четырем. А расстояние от ядра до второй орбиты - точно такое же.

В таком положении вещей виноват закон Кулона: сила взаимодействия заряженных тел прямо пропорциональна их заряду и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

Проще говоря, во сколько раз больше заряд каждого из тел, во столько раз они сильнее притягиваются друг к другу.

А вот от расстояния сила зависит не линейно, а квадратично, то есть, при изменении расстояния, к примеру, в два раза, сила взаимодействия изменяется 2х2=4 в четыре раза. При изменении в пять раз: 5х5=25 - в 25 раз!

Почему именно так? Из геометрии нам известно, что площадь сферы пропорциональна квадрату ее радиуса R:

А значит, сила, действующая со стороны ядра на электрон "размазывается" по соответствующей площади в такой же зависимости.

Каждому участку сферы "достается" этой силы меньше в квадратичной зависимости от расстояния до центра. По этой же причине, ударная волна взрыва (или яркость источника света) убывает пропорционально квадрату расстояния от него.

F в этой формуле - сила притяжения данного электрона ядром, q1, допустим, - заряд ядра, а q2 - заряд электрона, r - расстояние от ядра до этого электрона (то есть, радиус данной орбиты).

Величина q2 (заряд электрона) постоянна - все электроны абсолютно одинаковы. А вот заряд ядра q1 растет от элемента к элементу, за счет увеличения количества протонов ядра. Соответственно, растет сила F, удерживающая электроны. Но для каждой следующей орбиты увеличивается расстояние r. Поэтому на дальней орбите электроны удерживаются слабее, причем в квадратичной зависимости: при увеличении расстояния r вдвое, сила падает в четыре раза, при увеличении расстояния в три раза - падает в девять раз и т.д. (вспомните разительную разницу свойств сверхактивного водорода и инертного гелия).

Смотрим:

Электрон и протон атома водорода H притягиваются друг к другу с силой F.

Каждый из двух электронов гелия He притягивается к двум протонам ядра с удвоенной силой 2F - не оторвать!

Два ближайших к ядру электрона в атоме лития Li притягиваются к трем протонам ядра с утроенной силой 3F.

Третий электрон лития притягивается гораздо слабее - за счет ослабления силы взаимодействия при увеличении расстояния. Поэтому именно этот электрон может покинуть атом.

Кстати, формула, описывающая гравитационное взаимодействие тел, аналогична формуле выведенной Кулоном:

Сила взаимного притяжения тел прямо пропорциональна их массе и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

К примеру, если Луну удалить от Земли в два раза, сила взаимного притяжения между ними уменьшится в четыре раза. Если же увеличить массу Земли (или Луны) в несколько раз, во столько же раз увеличится сила их взаимного притяжения.

Из закона Кулона понятно, что спариваться могут только электроны внешних орбит - за счет удаленности от ядра, они удерживаются слабее, и потому только они могут участвовать в образовании связей.

Из того же закона следует, что электроотрицательность данного химического элемента определяют два параметра:

1. количество протонов в ядре (зависит от порядкового номера атома)

2. расстояние от ядра до самых дальних (валентных) электронов, то есть, от радиуса крайней орбиты. А орбиты эти, как мы знаем, могут располагаться только на строго определенных расстояниях от ядра.

Валентность

Согласно учебнику, “валентность – это свойство атома данного элемента присоединять, удерживать или замещать в химических реакциях определённое количество атомов другого элемента. За единицу валентности принята валентность атома водорода. Поэтому иногда определение валентности формулируют так: валентность – это свойство атома данного элемента присоединять или замещать определённое количество атомов водорода.”

Человечьим языком: атомы соединяются в молекулы посредством объединения электронов верхней орбиты. Смотрим выше: у водорода сколько электронов на верхнем уровне? Один. Вот он один и может быть захвачен атомом другого вещества. Атом водорода будет связан с другим атомом посредством одного электрона. Это и означает, что водород одновалентен.

У лития сколько электронов на верхнем уровне? Тоже один. Стало быть, литий тоже одновалентен. А вот у бериллия два электрона на верхнем уровне. И если найдется атом “сильнее” бериллия, отберет у него оба электрона. Получится, что атом бериллия будет связан двумя электронами с другим атомом. Иными словами, бериллий двухвалентен.

Но валентность может быть как положительной, так и отрицательной (в химии используется термин "степень окисления"). Например, у атома серы (S) шесть электронов на верхней орбите (справа наверху указано распределение электронов по орбитам).

Сера может либо захватить два чужих электрона, чтобы заполнить свою верхнюю орбиту (заполненная внешняя орбита содержит восемь электронов), либо отдать шесть электронов верхней орбиты (и в этом случае ее верхняя орбита будет содержать восемь электронов! Только в этом случае верхней окажется орбита, бывшая до передачи электронов предпоследней). Все зависит от того, с кем сера имеет дело - с “сильным” или “слабым” веществом. "Сильному" придется отдать электроны, а у "слабака" их можно отобрать.

Таково условие соединения атомов в молекулы: атомы должны иметь завершенный внешний слой - 8 электронов на верхнем уровне (правило октета).

Исключение составляет гелий: его завершенный слой - два электрона. Для большего количества электронов там просто нет места - орбита ближняя, а стало быть - маленькая.

Для чего атомам необходимо достраивать свои оболочки? Это связано с тем, что в таком виде атомы обладают наименьшей энергией. То есть, им "легче" находиться в таком состоянии. Одиночный атом водорода "открыт" для соединения с другими атомами из-за недостроенности своей оболочки. Достраивая ее, он "отгораживается" от соседей. Представьте себе дом, огороженный с трех сторон. С четвертой стороны - заходи, кто хочет. Но. Если два таких дома "присоединить" друг к другу открытыми сторонами, получится территория, полностью защищенная от внешнего вторжения.

Понятно, что при захвате двух чужих электронов сера двухвалентна (связана с другим атомом посредством двух электронов). А когда сера отдает шесть электронов - шестивалентна. То есть, отрицательная степень окисления серы равна двум, положительная - шести.

Например, соединяясь с кислородом (O),

у которого тоже шесть электронов снаружи, сера отдает ему (атом кислорода "сильнее" атомов серы, подумайте - почему) два из своих шести внешних электронов. Но раздать-то нужно все шесть! Стало быть, атому серы придется соединиться с тремя атомами кислорода. Получится молекула SO3:

или, иначе:

Каждый атом кислорода (О) заберет по два электрона от атома серы (S), и получится, что у всех четырех атомов, образовавших молекулу, до предела заполнены верхние уровни. В схеме видно количество связей (валентность) каждого атома. У серы - шесть связей (то есть, она шестивалентна в этом соединении), у кислорода - две связи. Кислород двухвалентен.

В сульфиде же серебра Ag2 S, атом серы S отнимает по одному внешнему электрону у каждого из двух атомов серебра Ag (серебро одновалентно - один электрон на верхней орбите). В этом соединении сера двухвалентна. Ясно, что атомы серебра "слабее" атомов серы.

По формуле Ag2 S понятно, сколько атомов каждого вещества содержит это соединение: два атома серебра Ag и один атом серы S.

Если в молекуле атом захватывает чужие электроны, его валентность отрицательна (электроны отрицательно заряжены). Если атом отдает электроны - валентность положительна (дефицит электронов в атоме означает что положительных протонов в нем осталось больше).

Таблица валентности.

Если в образовавшейся молекуле один из атомов имеет меньше восьми электронов на внешней орбите, такая молекула стремится присоединить к себе другие атомы - с целью достроить внешнюю оболочку. То есть, такая молекула химически активна и называется свободным радикалом.

Пример такой активности:

при сгорании дров в печи образуется углекислый газ CO2, совершенно безопасный. Им газируют воду, он содержится в выдыхаемом нами воздухе. Молекула CO2 состоит из одного атома углерода С (черный на рисунке) и двух атомов кислорода О. Кислород двухвалентен, углерод четырехвалентен. В этой молекуле все верхние (валентные) электроны всех атомов задействованы на образование связей - четыре электрона углерода попарно захвачены двумя атомами кислорода.

Только эта группа веществ способна отнимать электроны друг у друга (сильный у слабого). Еще легче этой группой осуществляется отъем электронов у металлов. То есть все химические вещества - это соединения "желтых" либо друг с другом, либо с металлами (всей остальной "серой массой").

Ясно почему элементы ниже этой группы являются металлами: у них большой радиус внешней орбиты, поэтому крепкое удержание электронов невозможно.

А элементам расположенным левее группы неметаллов, не дает крепко удерживать электроны малый заряд их ядер.

А раз электроны удерживаются слабо и могут покинуть атом, такие элементы хорошо проводят ток и тепло, что и определяет их принадлежность к металлам.

Надо особо указать, что покинув атом, электроны не покидают вещество - они остаются бродить в его толще между атомами - отсюда их название "свободные электроны".

Например, у кислорода (O) не хватает до заполнения верхнего уровня (до восьми) двух электронов. И шесть имеющихся там, он удерживает крепко. Теперь представим, что рядом с атомом кислорода оказался атом бериллия (Be) с двумя электронами на верхней орбите. Что произойдет? Атом кислорода заберет себе два верхних (валентных) электрона бериллия. А за электронами последует и атомный остов бериллия (атомным остовом называется атом, лишенный электронов верхней орбиты). Образуется окись бериллия - BeO.

Между прочим, атом кислорода в этой молекуле показал ту же валентность (количество связей), что и бериллий - два. Только природа этой валентности прямо противоположная. Если бериллию-слабаку проще отдать два электрона, то кислороду - захватить (повторим, что валентность атома-захватчика называется отрицательной, атома, отдавшего электроны - положительной).

При таком раскладе у обоих элементов на верхних уровнях находится максимально возможное число электронов - восемь, и все довольны. Помните, выше шла речь о “силе атомов” - электроотрицательности? Так вот, кислород в данной связке более сильный, более электроотрицательный, нежели бериллий.

Рядом с атомом кислорода может оказаться атом водорода (H). Кислород отнимет электрон у атома водорода. Но электрон-то у водорода всего один, а кислороду нужно два, чтобы достроить свой верхний уровень до заветных восьми электронов. Что делать? Захватить электроны у двух атомов водорода, и дело с концом. При этом атомные остовы водорода "приклеятся" к атому кислорода. Получится вода H2O.

У фтора (F) одна вакансия на верхнем уровне. А это значит, что “сил” у фтора очень много. И он может отнять электроны у того же бедного бериллия. Но место-то на крайней орбите фтора только одно! Одна вакансия. Что же, придется, двум атомам фтора брать на абордаж один атом бериллия. Формула получаемого соединения BeF2 - один атом бериллия и два атома фтора. Как видите, все предсказуемо и легко просчитывается, спасибо Менделееву.

Все, наверное, видели электрические разъемы типа “папа” и “мама”? Самый распространенный вариант - электрическая вилка (папа) и розетка (мама).

У вилки два штырька, у розетки два гнезда. Вилка и розетка двухвалентны (как бериллий и кислород).

Но в у фтора всего одна вакансия-гнездо. Что делать? Втыкаем одну вилку-бериллий в две одногнездовые розетки - в два атома фтора. BeF2, иначе говоря.

Может оказаться, что в розетке будет, допустим, три гнезда, а вилки у нас двухштырьковые. Все гнезда и штырьки обязательно должны найти друг друга. Где же выход? Спасет математика. Возьмем две трехгнездовые розетки (Ш Ш), и три двухштырьковых вилки (П П П). Тогда все сойдется. Число гнезд совпадет с числом штырьков. Формула полученного соединения Ш2П3.

Можно использовать аналогию с игрушками “лего”. Допустим, есть красные элементы с шестью выступами (шестивалентные), и синие с пятью гнездами (пятивалентные). Какое минимальное количество элементов обоих цветов нужно соединить, чтобы были задействованы все ответные части? Самое маленькое число, делящееся и на 5 и на 6 это 30. Значит, наша лего-молекула будет содержать 30 связей. Стало быть, понадобится 5 красных элементов с шестью выступами, и 6 синих с пятью гнездами. Только в этом случае количество элементов связи обоих цветов будет рано друг другу. Это - необходимое условие. Стало быть, формула полученного вещества будет Красных5Синих6. Ферштейн?

Вообще, при решении задач, в первое время лучше рисовать атомы реагирующих веществ в виде, допустим, кружочков, или прямоугольников с отростками. Количество отростков соответствует валентности атома. Так проще понять, сколько атомов того и другого вида потребуется, для того, чтобы собрать молекулу.

Моль

Википедия:

“Моль есть количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг. При применении моля структурные элементы должны быть специфицированы и могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами и другими частицами или специфицированными группами частиц.

Из определения моля непосредственно следует, что молярная масса углерода-12 равна 12 г/моль точно.

Количество специфицированных структурных элементов в одном моле вещества называется числом Авогадро, обозначаемом обычно как NA. Таким образом, в углероде-12 массой 0,012 кг содержится NA атомов. Значение числа Авогадро, рекомендованное CODATA в 2010 году, равно 6,02214129(27)·1023 моль−1.

1/12 массы атома углерода-12 называют атомной единицей массы (обозначение а. е. м.). Отсюда следует, что 1 а. е. м. = 0,001/NA кг.”

Убейся, лучше не скажешь. А зачем, собственно, нужен этот самый моль?

Чтобы не вышло, как в песенке “потому, что на десять девчонок, по статистике, девять ребят”. Ибо наши ребята и девчата должны быть удовлетворены целиком и полностью. Только в данном случае речь не об отдельных атомах, а о большом количестве каждого из реагирующих веществ. Сколько требуется одного и сколько другого (в граммах), чтобы вещества прореагировали без остатка.

Моль - это мера измерения большого числа частиц.

Солдат же, например, не считают "по головам", а пользуются терминами "рота", "батальон", "полк" и т.д.

Мы ведь не можем посредством пинцета и микроскопа отсчитать нужное количество атомов каждого вида? А моль - это 6,022·10^23 атомов (или молекул),

которым предстоит вступить в связь. Ровно столько же атомов содержит эталон - 12 грамм углерода.

Чтобы наши вещества прореагировали без остатка, количество связей одного элемента должно совпадать с количеством связей другого. Как в вышеприведенном примере - количество дырок должно совпадать с количеством штырьков. Чтобы каждое отверстие нашло ответную часть. Понятно, что на двести трехгнездовых розеток потребуется триста двыхштырьковых вилок. На тысячу таких розеток - полторы тысячи вилок. Ибо тысяча таких розеток это три тысячи дырок, полторы тысячи вилок - ровно столько же штырьков.

И если мы возьмем 1 моль бериллия и 1 моль кислорода, то все путем. 6,022·10^23 атомов кислорода соединятся с 6,022·10^23 атомами бериллия и ни один атом не будет обделен. Ибо у обоих химически элементов по две “ответные части”.

Если же предстоит соединить трехвалентный элемент с пятивалентным, надо взять пять моль первого элемента и три моль второго. Потому что у 5 моль трехвалентного элемента столько же “концов”, сколько у 3 моль пятивалентного. Нетрудно догадаться, да?

А как же узнать, сколько весит один моль того или иного вещества?

Да легко: 12 грамм углерода - это 1 моль (так решил Авогадро - должен же быть эталон). Что, по сути, означает: молярная масса углерода - 12 грамм на моль. Атом углерода имеет атомную массу 12 (смотрим ее в таблице Менделеева). Если вещество, например, вдвое тяжелее углерода, ясно, что один моль такого вещества (такое же количество атомов) будет весить ровно вдвое больше. Несложно догадаться, что любое вещество имеет молярную массу, равную его атомной массе. А атомная масса указана в таблице Менделеева. То есть,

один моль любого вещества, в граммах весит ровно столько, каков его атомный вес, указанный в таблице Менделеева!

Еще раз: у углерода 12 нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре. Понятно, что во сколько раз больше или меньше нуклонов в ядре любого другого вещества, во столько же раз больше или меньше будет весить моль этого вещества. Ведь, по сути, масса вещества есть сумма масс его нуклонов.

Получается: литий - 7 грамм на моль, бериллий - 9, серебро - 108 грамм на моль и т.д. Именно такая масса каждого вещества содержит 6,022·10^23 атомов.

Взвешиваем сколько нужно моль одного вещества и другого. Производим реакцию. Вся любовь.

Если же в реакции участвуют молекулы, суммируем массы всех атомов, входящих в состав молекулы. Например, вода - H2O. Смотрим таблицу Менделеева: водород весит 1 а.е.м. (атомная единица массы), кислород - 16.

В молекуле воды два атома водорода и один атом кислорода. Суммируем:

1 а.е.м первого атома водорода +1 а.е.м. второго атома водорода +16 а.е.м. атома кислорода =18 а.е.м.

Сие означает: один моль воды весит 18 грамм. И эти 18 грамм содержат столько же “структурных единиц”, сколько эталон - 12 грамм углерода. Просто? Пожалуй. Понятно, что верно и обратное утверждение:

сколько весит (в граммах) один моль любого вещества, столько нуклонов содержится суммарно в его молекулах.

А если вещество - газ? Его как взвесить?

Никак. В этом нет необходимости. Ибо 1 моль любого газа при нормальных условиях занимает объем 22,4 литра. Прикольно, да? Одинаковое количество молекул любого газа в одинаковых условиях занимает одинаковый объем. А что есть “нормальные условия”? 0 градусов по Цельсию и 1 атмосфера. Или один килограмм на квадратный сантиметр, если угодно.

Из вышеприведенного видно, что если испарить 18 грамм (1 моль) воды, она займет объем 22,4 литра.

Если мы хотим взорвать гремучий газ - смесь кислорода с водородом - нужно 22,4 литра кислорода смешать с 44,8 литра водорода. Надеть каску и поднести спичку. Смесь сгорит (точнее, взорвется) без остатка.

В цилиндры двигателя внутреннего сгорания засасывается воздух и впрыскивается топливо. Топливо сгорает, выделяется тепло и совершается работа - перемещается поршень. Если мы хотим ехать помедленнее, подаем в цилиндры меньше топлива - убираем ногу с педали акселератора (в народе - педаль газа). В этом случае части молекул кислорода не достается топливо и эти молекулы выходят из цилиндра не среагировав с ним - в виде того же кислорода.

Если же нам нужно ускориться - давим на педаль - впрыскиваем больше топлива. Когда мы давим педаль "в пол", уже каждая молекула кислорода находит себе молекулы топлива для реакции, а значит газ в цилиндре нагревается (а значит - и расширяется, давя на поршень) сильнее.

Но больше определенного количества топлива в цилиндр подавать нет смысла - для его сгорания просто не хватит кислорода в цилиндре. То есть, части молекул топлива не достанется молекул кислорода, не сгоревшая часть топлива вылетит в выхлопную трубу. И никакой прибавки мощности мы не получим. Если прибавка мощности таки нужна, требуется двигатель либо с большим объемом цилиндров (чтобы больше воздуха влезало), либо в цилиндры воздух придется подавать под давлением - с турбины или компрессора. Только в этом случае каждая молекула топлива найдет себе молекулу кислорода для окисления (сгорания).

В этом смысл молярных расчетов.

Вообще, смесь горючих газов с кислородом взрывается только при определенном диапазоне их соотношений. Если одного из газов слишком много или мало, взрыва не будет. Максимальная же мощность при взрыве выделяется при правильном соотношении газов, когда на каждую молекулу одного газа приходится молекула второго газа-реагента (если их валентность одинакова). Если же валентность разная, то при правильном соотношении их объемов с учетом валентности:

И вот еще аспект: если мы соединим один грамм одного вещества и два грамма второго вещества, получим три грамма продукта. Но моли так тупо складывать не получится. Взяв один моль кислорода и два моль водорода, мы получаем на выходе два моль воды! 1+2 = 2!

Поясним сей парадокс на макроскопических объектах.

У нас есть, шпильки (болты без головок, на рисунке - слева), попарно стянутые, к примеру, резинками. Назовем такую пару шпилек "структурной единицей".

Точно так же попарно, в виде "структурных единиц" у нас есть гайки.

Мы хотим на каждую шпильку навернуть по две гайки (точно так же, как соединяем один атом кислорода с двумя атомами водорода).

Пар шпилек у нас 1 моль (6,022*10^23 шт.) Гаек - ровно в два раза больше - 2 моль.

Сколько изделий получится в итоге? 2 моль (12,044*10^23 шт.). Хотя на входе было 3 моль (18,066*10^23 шт) структурных единиц.

Можно привести военную аналогию. В роте 84 военнослужащих. Если каждого из них считать индивидуально, получается 84 элементарные (простейшие) структурные единицы.

Если же мы соединим их в отделения по 7 человек, получим 12 структурных единиц - 12 отделений.

Объединяя тех же людей во взводы по 21 человеку, получим 4 структурные единицы - 4 взвода.

При том, что общее количество солдат - атомов осталось прежним.

То же самое происходит при соединении, разделении и перераспределении атомов в химических реакциях.

То есть, в молях считают не атомы, а "структурные единицы". Иногда это действительно атомы, а иногда - молекулы. "Структурная единица" - обособленный цельный объект.

1 моль газа кислорода О2, как и любого другого газа, занимает объем 22,4 литра и содержит 6,022*10^23 структурных единиц - молекул кислорода, по два атома в каждой (левая картинка).

Но атомы кислорода могут соединяться в молекулы не только попарно, но и по три штуки. Такой газ - озон О3, (правая картинка) - образуется в высоких слоях атмосферы под воздействием ультрафиолетового излучения. Понятно, что 1 моль озона точно так же занимает объем 22,4 литра и содержит столько же структурных элементов (6,022*10^23) - трехатомных молекул (но весит в полтора раза больше на единицу объема из-за более тяжелых молекул).

Если же озон преобразовать в кислород, из каждых двух молекул озона получится три молекулы кислорода (2О3 => 3О2, или, нагляднее 3+3 => 2+2+2 ). И, понятно, этого кислорода получится уже полтора моля. Соответственно, он займет объем в полтора раза больший, чем исходный озон: 22,4 л * 1,5 = 33,6 л.

Преобразуя же кислород О2 в озон, мы получаем уменьшение объема в те же полтора раза.

Соединяя 1 моль (12 грамм) углерода С и 1 моль кислорода (22.4 л.) О2, мы получаем 1 моль (22.4 л.) углекислого газа СО2:

С + О2 => СО2.

Изначально углерод (первый член уравнения) был в твердом виде , а кислород - газом из молекул, по два атома О в каждой (второй член).

После реакции образовались молекулы опять же газа, теперь уже углекислого, состоящие из тех же двух атомов кислорода. с присоединенным к ним атомом углерода (третий член уравнения, справа от знака =).

Было твердое вещество и газ, а в результате реакции получился один лишь газ. занимающий прежний объем.

Но при этом масса реагирующих веществ, разумеется, никуда не делась - новый газ ровно на 12 грамм тяжелее.

Интересно, что в растениях идет обратный процесс (фотосинтез) - из углекислого газа и воды производится сборка твердых веществ - органических молекул - длинных цепочек из углерода и водорода, из которых состоим мы с вами.

Виды химических связей

Выше рассказывалось, как атомы в молекулах заполняют свои крайние оболочки (уровни). Кислород заполняет двумя электронами бериллия свой верхний уровень, бериллий тоже остается с заполненным верхним уровнем. Правда, до вступления в связь, этот уровень был у него предпоследним...

Когда сильный жрет слабого это понятно, но есть и другие типы связей.

Например, газообразный водород H2 состоит из молекул, в составе которых два атома водорода. Ясно, что здесь нет хищника и нет жертвы. А есть хитрость: объединив свои электроны в пару, два атома, как бы, тоже заполняют свой верхний уровень до предела.

Такая связь, посредством общих электронных пар, называется ковалентной.

Почему она так странно называется? Приставка ко-, это то же, что наша со-:

со-чувствие, со-осность. Вместе получается со-валентность, со-владение, со-связь.

Точно так же, посредством совместного владения недостающим верхним электроном, соединяются и некоторые другие атомы. У атома хлора не хватает одного электрона “для счастья”? Он объединяется с собратом. Получается молекула Cl2. В объединении атомов участвуют только по одному электрону с каждой стороны, то есть, всего два - электронная пара. Остальные электроны остаются у прежних владельцев.

Стоп! А почему в данном ролике характер движения спаренных электронов не похож на объяснения в начале страницы? Во-первых, ролик довольно условен, в нем мы видим одиночный электрон на крайней орбите, хотя знаем, что у хлора на ней семь электронов, то есть, не хватает одного для завершения уровня. Во-вторых, у электрона имеется собственное магнитное поле, называемое спин. В пределах электронных уровней есть подуровни, каждый из которых вмещает только два электрона с противоположным спином (один северным полюсом "вверх", второй - "вниз"). А у атома хлора один из внешних электронов не спарен. Поэтому, два атома с неспаренными электронами представляют собой миниатюрные магнитики, притягивающиеся друг к другу разноименными полюсами. Такая модель спаривания электронов также имеет право на жизнь. Однако, если речь идет о спаривании нескольких электронов одного атома, трудно представить себе формы всех их магнитных полей: они должны влиять только друг на друга, но не на остальные спаренные электроны. Поэтому электростатическая модель, описанная в самом начале, на мой взгляд, проще для понимания. В конце концов, речь идет всего лишь о моделях - о наших представлениях о механизмах связей.

Таким же образом могут соединяться и атомы разных видов, например, водород и хлор - HCl.

Как это? У хлора на верхнем уровне не хватает всего одного электрона. Заряд ядра хлора аж +17! В 17 раз больше, чем у водорода! Значит, он со страшной силой должен вырвать единственный электрон водорода, разве не так? А вот не так. Электрон водорода находится на самой близкой к ядру орбите. А вакансия (свободное место) хлора - аж на третьей! А сила взаимодействия между зарядами убывает пропорционально квадрату расстояния между ними. Потому примерно равны "силы" водорода и хлора. Нужно помнить про закон Кулона.

Можно дать еще одно определение электроотрицательности. Она есть свойство атома оттягивать к себе общие электронные пары.

Чем больше цифра под элементом, тем он электроотрицательнее, тем сильнее оттягивает к себе электроны.

Например, у кислорода (O), и серы (S) по 6 электронов верхнего уровня (оба в шестом столбце - шестой группе). Но у кислорода верхний уровень это вторая орбита (кислород находится во второй строке таблицы Менделеева), а у серы - третья орбита (третья строка). Ясно, что ядро кислорода будет сильнее воздействовать на электроны. Электроотрицательность кислорода 3,5, а серы - 2,5. Стало быть, атом кислорода электроотрицательнее, “сильнее” атома серы. И в соединении этих двух веществ, электроны будут смещены ближе к атому кислорода. Вот и вся логика.

Водород и кислород в молекуле воды H2O тоже соединены посредством электронных пар, оттянутых атомом кислорода, то есть, смещенных к нему.

Такое неравноправное владение электронной парой, называется ковалентной полярной (поляризованной) связью.

Опять же вопрос - почему?

В молекуле водорода совместное электронное облако находится точно посередине, между атомов. Айболитов тяни-толкай. Такой молекуле почти наплевать на внешнее электрическое поле, ибо она симметрична.

Другое дело, если электронное облако оттянуто к одному из ядер. Молекула же в целом электронейтральна? Сколько протонов в ней, столько и электронов. Но если электронная пара находится ближе к одному из ядер, а значит, ближе к одному концу молекулы, этот конец будет иметь отрицательный заряд. А другой конец молекулы - положительный. Ибо там оказалось больше протонов.

Получается, что у молекулы есть полюса - положительный и отрицательный. Отсюда и название связи - ковалентная полярная (совместное владение электронной парой, но эта пара смещена к атому более электроотрицательного вещества). Такая молекула называется электрический диполь, она в электрическом поле будет разворачиваться. И понятно как: электронным облаком - к плюсу (разноименные заряды притягиваются), а противоположным концом - к минусу.

Ну и? Что нам это дает?

Да все! Не будь вода полярной, ее молекулы не цеплялись бы друг за друга, и при привычной нам температуре она была бы не жидкостью, а газом. Понятно, что в этом случае ни о какой жизни на Земле не могло быть и речи. Именно полярность молекул воды позволяет ей растворять соли. Не растворяй она вещества - не будет условий для существования жизни.

Использование в технике: полярные диэлектрики, будучи помещенными между обкладок электрического конденсатора, увеличивают его емкость. Намного ли? Намного, да. Если залить туда дистиллированную воду (она диэлектрик), емкость конденсатора возрастет в 81 раз. Нехило да? Конденсатор сможет запасти в 81 раз больше энергии!

Можно привести аналогию с пружиной. Сжимая (или растягивая) ее, мы запасаем в ней энергию. Если каким-то образом в несколько раз увеличить ее жесткость (способность сопротивляться нагрузкам), то она сможет запасать во столько же раз больше энергии.

И еще: дипольность (полярность) молекул воды заставляет их очень крепко держаться друг за друга. Если налить в цилиндр воду, накрыть поршнем, и попытаться "разорвать" воду, оттягивая поршень, сделать это будет очень трудно, так как положительные концы молекул приклеиваются к отрицательным концам соседей (этот эксперимент просто воспроизвести медицинским шприцем, убрав иглу и заткнув отверстие). Получается, что электроны играют роль не только в соединении атомов в молекулы, но и во взаимном притяжении молекул (называемом "водородными связями"). Именно взаимное притяжение молекул есть причина так называемого "поверхностного натяжения".

Атомы металлов также удерживаются вместе общими электронами. В металлах свободные, покинувшие атомы электроны, "гуляют" по решетке (структуре) металла, и скрепляют их точно так же, как и молекулу водорода. Положительно заряженные атомы притягиваются к электронам внутри решетки, это и не дает металлам развалиться, распасться на атомы.

Еще один вид химической связи - ионная. Это предельный случай, когда очень “слабый” атом соединяется с “терминатором”. Тогда “терминатор” полностью захватывает чужой электрон, превращаясь при этом в ион,

понятно, отрицательно заряженный. Ибо у него электронов больше, чем протонов. Атом же, утерявший электрон, тоже становится ионом, только положительно заряженным. Так как у него протонов осталось больше, чем электронов. И эти два иона оказываются связанными друг с другом силами электростатического притяжения, как наэлектризованный шарик с шерстью.

Такая связь существует, например, в поваренной соли NaCl. Хлор, входящий в ее состав, переводит электрон натрия на свою орбиту. Так как у атома натрия один электрон на верхнем уровне, он “слаб”. Хлору же недостает одного электрона для завершения оболочки, значит, он предельно “силен”.

Ион - это атом или молекула с лишними или недостающими электронами. Понятно, что избыток электронов означает, что ион отрицательный, недостаток электронов - положительный (ибо в этом случае в атоме (или молекуле) остается больше положительно заряженных протонов).

При растворении поваренной соли в воде, хлор и натрий распадаются на отдельные ионы Na+ и Cl-, по той причине, что вода, ввиду поляризованности ее молекул, ослабляет взаимодействие между зарядами. Такой распад называется электролитической диссоциацией.

Ни дистиллированная вода, ни поваренная соль по отдельности не проводят ток. Когда же молекулы соли распадаются в воде на ионы, раствор становится проводником тока. Ибо в нем появились свободные заряженные частицы, на этот раз не электроны, а ионы. Видите, как важно быть свободным и заряженным ;)

Еще один важный момент: натрий - металл, бурно реагирующий с водой. Хлор - ядовитый газ. Почему же растворенная соль, состоящая из натрия и хлора, ведет себя так спокойно? Не бурлит и не травит нас?

Так ведь, химическая активность элемента определяется его валентными электронами - натрию срочно надо сбыть "лишний" электрон верхней орбиты. А хлору этот электрон позарез необходим.

А у ионов эти электроны уже на своих местах - натрий его уже отдал, а хлор получил. Проявлять активность незачем и нечем.

Все равно как почтальон Печкин - после получения велосипеда: "теперь я добреть начну".

Приведу еще один пример, кстати, наглядно демонстрирующий "понимание" школьниками предмета. Когда в школе началось изучение химии, мы с товарищем никак не могли взять в толк, почему не горит вода. Она же состоит из водорода и кислорода, а смесь этих газов взрывоопасна. Тогда почему не взрывается вода?

Но ведь врыв смеси этих газов есть результат перераспределения электронов между атомами водорода и кислорода. В ходе этого перераспределения и выделяется тепловая энергия. А в воде эти электроны уже занимают места с более низким потенциалом. И чтобы разорвать молекулы воды на составляющие требуется наоборот, затратить энергию, к примеру, в процессе электролиза или термического разложения. То есть, ни о каком горении или взрыве воды речи быть не может.

Представьте себе два близко расположенных магнита. Притягиваясь друг к другу, они могут совершить некую работу. Но чтобы после их растащить в стороны, требуется совершить работу, то есть, затратить энергию.

Точно так же нужно затратить энергию, чтобы "растащить", отделить друг от друга атомы водорода и кислорода, входящие в состав молекул воды.

Резкой границы между видами связей не существуют. Соотношение “сил” атомов молекулы может быть самым разным. И, в зависимости от этого, электронное облако будет или посередине, или в той или иной степени смещено к одному из атомов.

Степень окисления - есть такой термин. Это всего лишь количество электронов отданных или оттянутых тем или иным атомом в молекуле. Выше рассматривался пример хлорида натрия. Оба они двухвалентны. Стало быть, у обоих элементов степень окисления равна двум. Только у натрия степень - положительная (ибо отдав электроны он остается положительно заряженным). А у хлора - отрицательная степень окисления.

Имея вышесказанное в голове, можно изучать химию по другим источникам.

Конструктивные претензии (а лучше, исправленные тексты) отправляйте на

yulaj-b@yandex.ru

или пишите в комментариях - если есть гугл профиль.

Ниже - краткий обзор школьного учебника химии.

Какой же он мутный, этот советский учебник... В главе “Вещество” нет конкретного четкого определения вещества.

(Речь о химии за 7-8 класс. Учебники 9 и 10 класса составлены грамотно. Изложение четкое и понятное. Мешают их восприятию, имхо, неправильно заложенные основы на начальном этапе. Вместо советских, рекомендую использовать учебники Габриеляна).

Вещество

- субстанция (материя) с определенным химическим составом, например: железо, пластмасса, дерево, газы - пропан, бутан, метан, жидкости - вода, спирт и т.д. Вещество -то, из чего состоят вещи.

- то, что растворяет растворенное вещество.

В магазинах продается жидкость которая так и называется: "растворитель", она растворяет краску.

Растворенный в воде углекислый газ можно отделить от жидкости, сбросив давление - отрыв бутылку "газировки".

Лучше всего растворяются друг в друге вещества с однотипным строением: вещества с полярными молекулами - в полярных, неполярные - в неполярных. Объясняется это просто. Представьте себе кучку магнитов - они крепко сцеплены друг с другом, и если к ним добавить еще магнитов, то сцепление произойдет и с ними.

Полярные молекулы веществ точно так же прочно соединены друг с другом, только механизм сцепления электростатический. Вода уже приводилась как пример подобного вещества. Один конец молекулы воды заряжен положительно, второй (со стороны атома кислорода, забравшего электроны у атомов водорода) - отрицательно. Поэтому в толще воды, полюса молекул притягиваются к противоположным полюсам соседних молекул, образуя своеобразные жидкие "комочки" - кластеры. И струя воды, вытекая из крана, течет одной струей, сразу не распадаясь на капли. Но и капли имеют форму шара, потому как именно шар позволяет молекулам воды быть как можно ближе друг к другу.

Понятно, что точно так же поведут себя любые полярные молекулы (сахар, к примеру), погруженные в воду, то есть, растворятся в воде.

Если же в воду погрузить вещество с неполярными молекулами, то сцепленные молекулы воды просто не допустят их в свою среду. Точно так же, как кучку магнитов будет проблематично смешать, к примеру, с горохом.

Между тем, смешать горох с семечками не составит труда. Аналогично растворяются друг в друге вещества с неполярными молекулами.

Физические явления

- явления, в которых не происходит изменение молекул веществ, как-то: растворение, смешивание, замерзание, плавление, испарение и т.д. При физических явлениях молекулы и атомы веществ не образуют и не разрывают химические связи - связи посредством общих электронов.

Химические явления

- процесс изменения химического состава вещества - соединение исходных веществ в молекулы нового вещества (посредством обобществления электронов - не забываем!). Или разложение молекул на составляющие. Или замена одних атомов в молекулах вещества на другие (реакции замещения).

Признаки химических реакций

- изменение окраски, запаха, образование осадка, выделение газа, выделение или поглощение тепла, световое излучение.

Атомы

- неделимые, не изменяемые “первокирпичики” веществ. Соединения атомов образуют молекулы.

Простые и сложные вещества.

Простые вещества состоят из атомов одного вида. Сложные - из разных.

Таблица Менделеева - список простых веществ.

Сложные вещества можно разложить на простые.

Простые раскладывать уже не на что.

Химический элемент

- определенный вид атомов.

Относительная атомная масса элемента

показывает, во сколько раз атомы данного элемента тяжелее одной двенадцатой массы атома углерода. Так как атом углерода состоит из 12 нуклонов (протонов и нейтронов), единица атомной массы равна массе одного нуклона. По сути масса элемента показывает количество нуклонов в его ядре.

Дробные значения масс получаются из-за наличия изотопов (у изотопов разное количество нейтронов в ядрах - см. выше). Например, хлор есть смесь 75% хлора-35 и 25% хлора-37. Потому атомная масса его - 35,5.

Запись формул.

Чем, отличается запись 2H от H2?

H - атом водорода. Первая запись (2H) означает два атома водорода, вторая (H2) обозначает молекулу (соединение двух атомов) водорода. Как запомнить? Логически.

Если идут два человека, мы так и пишем : 2Чел.

А если идет один, но спаренный, как сиамские близнецы, пишем Чел2. Двойной человек

Сколько палочек-связей у вещества, такова его валентность.

Более электроотрицательный (сильный) элемент захватывает электроны у менее электроотрицательного. Например, на нижнем левом рисунке, атомы кислорода, изображенные левее, захватывают по по одному электрону у атомов натрия (столько у натрия на верхнем уровне), и по одному электрону у атома серы (а кислороду как раз двух электронов не хватает для достройки своего верхнего уровня). Правые (на рисунке) атомы кислорода захватывают по два электрона у атома серы. Ибо у серы шесть электронов на верхнем уровне. Но кислород “сильнее”, электроотрицательнее серы, за счет расположения верхней орбиты ближе к ядру. Потому кислород захватывает верхние электроны серы, а не наоборот.

Наверное, иногда имеет смысл рисовать такие схемы со стрелочками вместо палочек. Направление стрелочки - направление смещения электрона. Так будет понятно, кто у кого электрон украл.

В разобранной (левой) схеме все стрелки были бы направлены к атомам кислорода.

По химической формуле, зная валентность одного вещества, несложно вычислить валентность другого. Только что было сказано, что кислород двухвалентен. Зная формулу воды H2O, рисуем атом кислорода с двумя палочками. Понятно, чтобы присоединить к нему два атома водорода, к каждой палочке надо присобачить по одному атому водорода. По рисунку сразу видно: водород одновалентен.

Возьмем окись бериллия BeO. Рисуем опять же атом кислорода с двумя палочками. Ясно, чтобы прихерачить один атом бериллия, обе палочки нужно протянуть к нему. Стало быть, бериллий двухвалентен. Можно привести аналогию с руками - по две руки у кислорода и бериллия. Водород же - “однорукий бандит”.

Возьмем бытовой газ, горящий на кухне - метан. Формула метана CH4. Водород H, мы помним, одновалентен. Стало быть углерод C - четырехвалентен, раз сумел присоединить четыре атома водорода.

Оксид железа Fe2O3. Кислород двухвалентен. В молекуле Fe2O3, три атома кислорода. Получается, у трех атомов суммарно шесть "концов" - валентных электронов. Железа же Fe в молекуле 2 атома. Стало быть, шесть связей кислорода поделены двумя атомами железа - по три на брата. Значит, железо трехвалентно.

Тут:

тетя довольно внятно объясняет. Но опять же, на запоминание, не на логику. “У неметаллов, в основном, проявляются две валентности - высшая и низшая. Низшая валентность равна разности между числом 8 и номером группы, в которой находится элемент”.

Можно зазубрить (сол, фасол, тарелька, вилька). А можно понять, что высшая валентность - это когда у атома отнимают все 6 или 7 его верхних электронов (валентность 6 и 7, соответственно). А низшая, когда атом заполняет вакансии на высшем уровне до восьми (валентность 2 и 1). Все зависит от того с более сильным или слабым веществом имеет дело наш атом.

Составление формул по валентности.

Вышеуказанный процесс, только наоборот. Рисуем атомы элементов с палочками по валентности - одновалентный с одной палочкой, двухвалентный - с двумя и так далее. Считаем, сколько нужно взять атомов одного и другого вида, чтобы все палочки были задействованы.

Если у элемента А шесть палочек (он шестивалентен), у элемента Б их четыре (четырехвалентен), находим наименьшее число, которое делится и на 4 и на 6. Это, вроде как, 12.

12 делим на 4 палочки четырехвалентного элемента - получаем три. Три атома этого элемента содержат 12 палочек, ферштейн?

Для определения потребного количества атомов второго элемента 12 делим на 6 - получаем два. Два атома шестивалентного вещества содержат те же 12 палочек. Понятно, что надо взять два атома вещества А и три - вещества Б. Формула полученного вещества А2Б3.

Можно потренироваться, задавая различные валентности для элементов А и Б. Включая те, которых в природе не бывает.

Закон сохранения массы веществ.

Масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе получившихся веществ. Оно и так понятно, учитывая полученные выше знания. Если, например, оксид железа весит больше, чем исходное железо, это всего лишь означает, что кислород был захвачен из воздуха. При реакции в запаянном сосуде все четко сходится.

Химические уравнения.

Цель составления уравнения - показать происходящий процесс. Слева пишутся исходные вещества, справа то, что получилось.

Формула 2H2 + O2 = 2H2O отображает горение водорода в кислороде. Две молекулы водорода H2 (каждая - из двух атомов), соединяясь с одной молекулой кислорода O2 (тоже из двух атомов), образует две молекулы воды.

Формула 2H2O = 2H2 + O2 - разложение воды на водород и кислород.

Из двух молекул воды образуются две молекулы водорода и одна молекула кислорода.

Газообразный водород и кислород являют собой двухатомный газ - H2 и O2 соответственно.

Коэффициенты - цифры перед названием вещества - нужны, для того, чтобы уравнение, собственно, стало уравнением. Уравнение, по сути, уравновешенные весы:

Горение и медленное окисление.

Горение - бурное окисление, сопровождаемое выделением теплоты и света. Это из учебника. Довольно спорно - тлеющий уголь тоже выделяет то и другое. Ну нехай себе.

Окисление же - медленный процесс. Например, гвоздь может долго лежать и ржаветь. А в кислороде - сгорит ярким пламенем, как и многие другие, вроде негорючие вещи.

Водород.

Знак H, масса 1, валентность 1, формула H2.

Выделяется, например, при реакции Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2. Цинк (Zn) замещает водород (H), вытесняя его из соляной кислоты (HCl). Соединяясь с кислородом, образует воду: 2H2 + O2 = H2O.

Водород является восстановителем - вытесняет кислород из соединений. То есть, способен из ржавчины восстановить исходный материал. Пример: CuO + H2 = Cu + H2O (оксид меди, реагируя с водородом, образует медь и воду).

Кислород - 3,5, медь - 1,9, водород 2,1.

Li→Rb→K→Ba→Sr→Ca→Na→Mg→Al→Mn→Zn→Cr→Fe→Cd→Co→Ni→Sn→Pb→

H→Sb→Bi→Cu→Hg→Ag→Pd→Pt→Au