Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева. Строение вещества

Тема 2.2. Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева. Строение вещества.

1. Открытие Периодического закона. Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева.

2. Значение Периодического закона и Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева для развития науки и понимания химической картины мира.

3. Ковалентная связь: неполярная и полярная. Ионная связь. Катионы и анионы. Металлическая связь. Водородная связь.

1. Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева — величайшее открытие конца XIX в., основа современной химии, динамичное и развивающееся учение. Оно отражает явления, реально существующие в природе, и поэтому никогда не потеряет своего значения.

Открытие периодического закона и Периодической системы химических элементов было подготовлено всем ходом развития химии, однако потребовалась гениальность Д. И. Менделеева, его дар научного предвидения, чтобы эти закономерности были сформулированы и графически представлены в виде таблицы.

Менделеев расположил все известные во второй половине XIX в. химические элементы в ряд по возрастанию их относительных атомных масс (во времена Менделеева эту величину называли атомным весом) и выделил в нём отрезки — периоды, где свойства элементов и образованных ими веществ изменялись сходным образом, а именно (в современных терминах):

– металлические свойства ослабевали;

– неметаллические свойства усиливались;

– степень окисления элемента в высших оксидах увеличивалась с +1 до +7 (+8);

– степень окисления элементов в гидридах (твёрдых солеподобных соединениях металлов с водородом) увеличивалась с +1 до +3, а затем увеличивалась в летучих водородных соединениях с –4 до –1;

– оксиды от осно́вных через амфотерные сменялись кислотными;

– гидроксиды от щелочей через амфотерные гидроксиды сменялись всё более сильными кислотами.

На основании этих наблюдений Д. И. Менделеев сформулировал периодический закон.

Свойства химических элементов и образованных ими веществ находятся в периодической зависимости от их относительных атомных масс.

Днём рождения периодического закона химических элементов считается 1 марта 1869 г.

Одним из величайших научных открытий XIX в. по праву считаются Периодический закон и Периодическая система химических элементов, которые носят имя великого русского ученого Д. И. Менделеева. В основу своей работы по классификации химических элементов Д. И. Менделеев положил два их основных и постоянных признака: относительную атомную массу и свойства образованных этими элементами веществ. Он выписал на карточки все известные сведения об открытых и изученных в то время химических элементах и их соединениях. Сопоставляя эти сведения, ученый составил естественные группы сходных по свойствам элементов. Выстраивая химические элементы в порядке возрастания атомных масс, Д. И. Менделеев объединил естественные группы химических элементов в единую систему. При этом он обнаружил, что свойства элементов с возрастанием атомной массы изменяются монотонно (возрастают или убывают), а затем повторяются периодически, т.е. через определенное число элементов встречаются сходные по свойствам. Ученый выделил периоды, в которых свойства химических элементов и образованных ими веществ закономерно изменяются. Рассмотрим эти изменения.

1. Металлические свойства простых веществ, наиболее ярко выраженные у щелочных металлов, ослабевают и сменяются неметаллическими, которые наиболее ярко выражены у галогенов.

2. Валентность атомов элементов в высших оксидах возрастает от I до VII (валентность VIII характерна только для осмия, рутения и железа).

3. Валентность атомов неметаллов в летучих водородных соединениях сначала возрастает, затем убывает; например, для элементов II периода:

III        IV        III          II         I

ВН₃ → СН₄ → NH₃ →Н₂О → HF

4. Основные оксиды элементов начала периода сменяют амфотерный оксид и далее — кислотные оксиды, свойства которы> усиливаются; например:

Na₂О → MgO → Al₂О₃ → SiО₂ → Р₂О₅ → SО₃ → С1₂О₇

Основные оксиды       Амфотерный      Кислотные оксиды

оксид

5.Гидроксиды-основания через амфотерный гидроксид сменя ются все более сильными кислотами; например:

NaOH → Mg(OH)₂ → А1(ОН)₃ → H₂SiО₃ → Н₃РО₄ → Н₂SO₄ → HClO₄

Щелочь  Основание Амфотерный Слабая    Кислота    Сильная    Очень

                                    гидроксид    кислота   средней      кислота    сильная

силы                         кислота

На основании этих наблюдений Д. И. Менделеев сформулировал Периодический закон, который в соответствии с принятой в настоящее время терминологией звучит так:

■ Свойства химических элементов и образованных ими веществ находятся в пе риодической зависимости от их относительных атомных масс.

Графическим выражением закона является Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева. Чаще всего Периодическую систему изображают в виде Периодической таблицы химических элементов.

Наиболее известна и широко испольуется так называемая короткопериодная форма Периодической таблицы, изображенная на первом форзаце учебника. В такой форме таблицы периоды разбивают на ряды, группы — на подгруппы.

Периодом называют горизонтальный ряд химических элементов в Периодической таблице Д. И. Менделеева, расположенных в порядке возрастания их относительных атомных масс, который начинается щелочным металлом и заканчивается благородным газом.

Всего в Периодической таблице семь периодов. Различают малые и большие периоды.

Малыми называют периоды, состоящие только из одного ряда. Так, малыми являются I, II и III периоды. Первый период состоит всего из двух элементов: водорода и гелия, во втором и третьем периодах — по 8 элементов.

Большими называют периоды, состоящие из двух рядов – четного и нечетного. К большим относятся периоды с IV по VII. Четвертый и пятый периоды содержат по 18 элементов, шестой 32 элемента, седьмой период не завершен, но, очевидно, по завершении будет содержать также 32 элемента.

Шестой и седьмой периоды иногда называют сверхбольшими, так как они содержат дополнительно по 14 элементов, которые называют лантаноидами (шестой период) и актиноидами (седьмой период). В короткопериодном варианте эти элементы выносят в нижнюю часть Периодической таблицы.

По вертикали Периодическая таблица делится на восемь групп.

Группой называют вертикальный ряд химических элементов в Периодической таблице Д. И. Менделеева, сходных по свойствам образованных ими соединений.

В группе находятся химические элементы, сходные по своим свойствам.

С развитием представлений о строении атомов химических элементов определение периодов и групп получило современное звучание.

В короткопериодном варианте Периодической таблицы различают главную и побочную подгруппы.

Главной называют подгруппу, состоящую из элементов и малых, и больших периодов. Побочной называют подгруппу, состоящую из элементов только больших периодов.

Например, главная подгруппа первой группы называется подгруппой щелочных металлов, главная подгруппа седьмой группы — подгруппой галогенов, главная подгруппа восьмой группы — подгруппой благородных газов. Побочную подгруппу первой группы составляют медь, серебро и золото, побочную подгруппу седьмой группы — марганец, технеций и рений.

Номер группы связан со степенью окисления элементов, которую они проявляют в своих соединениях. Напомним, что степень окисления — это условный заряд атома химического элемента, вычисленный на основе предположения, что и ионные, и ковалентные полярные соединения состоят только из ионов. Как правило, высшая положительная степень окисления элементов равна номеру группы. Исключения составляют: фтор (его степень окисления в соединениях всегда равна -1), медь, серебро и золото (проявляют степени окисления +1, +2, +3), а также элементы некоторых других групп.

Периодический закон и Периодическая система Д. И. Менделеева являют собой триумф российской химической науки.

Периодический закон и Периодическая система позволили:

1)                  установить взаимную связь между элементами и объединить их по свойствам;

2)                  расположить элементы в естественной последовательности;

3)                  вскрыть периодичность, т.е. повторяемость общих свойств элементов и их соединений;

4)                  исправить и уточнить значения относительных атомных масс отдельных элементов (например, исправить относительную атомную массу бериллия с 13 на 9);

5)                  исправить и уточнить валентность отдельных элементов (например, исправить валентность бериллия с III на II);

6)                  предсказать, описать свойства, указать пути открытия еще неоткрытых элементов.

В 1955 г. группа американских химиков во главе с Г. Сиборгом получила новый — 101-й элемент, которому в честь русского химика Д. И. Менделеева единодушно присвоила название менделевий.

СТРОЕНИЕ АТОМА И ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА

Формулировка Периодического закона, данная Д. И. Менделеевым в середине XIX в., не могла быть абсолютно полной и точной, поскольку она отражала состояние науки на тот период времени, когда о сложном строении атома ученые только догадывались. Тем более можно поражаться гениальности выдающегося русского химика, который, опираясь на научную интуицию, выявив ряд закономерностей, сумел блестяще предсказать порядок расположения элементов. Созданная ученым Периодическая таблица довольно простая, тем не менее она, максимально характеризуя строение атомов химических элементов, не претерпела никаких принципиальных изменений уже на протяжении полутора столетий.

Последующие достижения в области физики и химии только дополняли и углубляли открытие Д. И. Менделеева. В конце XIX в. было доказано сложное строение атома, предложены модели, отражающие это строение. Было установлено, что заряд ядра атома каждого элемента в Периодической таблице Д. И. Менделеева возрастает на единицу по сравнению с зарядом ядра атома предыдущего элемента, т. е. заряд атомного ядра совпадает с порядковым номером элемента в Периодической системе.

Эти открытия потребовали уточнить первую — менделеевскую формулировку Периодического закона. В современной редакции этот закон формулируется так:

Свойства химических элементов и образованных ими веществ находятся в периодической зависимости от зарядов их атомных ядер.

Положение химического элемента в Периодической системе самым тесным образом связано со строением его атома. Так, порядковый номер элемента (или атомный номер), как вы уже знаете, указывает заряд атомного ядра Z, т.е. число протонов в ядре, и число электронов на электронной оболочке атома, поскольку в целом атом электронейтрален.

Помимо протонов в состав ядер атомов входят электронейт ральные частицы, которые называют нейтронами. Сумму числа протонов Z и нейтронов N в ядре называют массовым числом А: A = Z + N.

Как вы уже поняли, ядра атомов какого-либо элемента всегда содержат одно и то же число протонов. Например, в ядре любого атома углерода 6 протонов. А вот число нейтронов, оказывается, может быть различным. Например, в природе встречаются атомы углерода с массовыми числами 12 и 13. Значит, число нейтронов в их ядрах равно соответственно 6 и 7.

Атомы одного химического элемента, содержащие различное число нейтронов в ядре и, следовательно, имеющие различные массовые числа, называют изотопами.

Так, в периодах с увеличением порядкового номера элемента металлические свойства ослабевают, а неметаллические усиливаются, поскольку:

1)                  увеличивается заряд атомных ядер элементов;

2)                  увеличивается число электронов на внешнем слое атомов;

3)                  число электронных слоев в атомах элементов не изменяется;

4)                  уменьшается радиус атомов.

В главных группах с ростом порядкового номера элемента металлические свойства усиливаются, а неметаллические ослабевают, так как:

1)                  увеличивается заряд атомных ядер элементов;

2)                  число электронов на внешнем слое не изменяется;

3)                  увеличивается число электронных слоев атомов;

4)                  увеличивается радиус атомов.

Эти особенности строения атомов элементов позволяют дать ответ на вопрос, почему заряд атомного ядра элемента в Периодической таблице возрастает монотонно, а свойства изменяются периодически — т.е. дать еще одну, причинно-следственную формулировку Периодического закона:

Свойства химических элементов и образованных ими веществ находятся в периодической зависимости от строения электронных оболочек атомов.

2. ЗНАЧЕНИЕ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ЗАКОНА И ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ.

Открытие Периодического закона и создание Периодической системы элементов — заслуга великого русского ученого Дмитрия Ивановича Менделеева. Подумайте сами, ведь ученые, которые занимались поиском естественной классификации химических элементов, находились в равных условиях, имели одни и те же научные предпосылки для обобщения. Почему же ни одному из них кроме Д. И. Менделеева не покорился Периодический закон?

Очевидно, объективных предпосылок (накопленного фактологического материала, работ предшественников) было мало. Потребовался субъективный, личностный фактор, который у каждого из ученых разный. У Д. И. Менделеева он был чрезвычайно высок. Это и энциклопедичность знаний, и уникальное умение обобщать факты, и гениальное предвидение на этой основе новых фактов, и оправданный научный риск, и многое-многое Другое, что составляет менталитет истинно русского ученого.

Очевидно, справедливы слова крупного русского химика Л. А. Чугаева, сказанные им о Д. И. Менделееве: «Гениальный химик, первоклассный физик, плодотворный исследователь в облает гидродинамики, метеорологии, геологии, в различных отделах химической технологии (взрывчатые вещества, нефть, учение о топливе) и других сопредельных с химией и физикой дисциплинах, глубокий знаток химической промышленности и промышленности вообще, особенно русской, оригинальный мыслитель в области учения о народном хозяйстве, государственный ум, которому, к сожалению, не суждено было стать государственным человеком, но который видел и понимал задачи и будущность, России лучше представителей нашей официальной власти... он умел быть философом в химии, физике и других отраслях естествознания, которых ему приходилось касаться, и естествоиспытателем в проблемах философии, политической экономии и социологии».

Триумфом Периодического закона и Периодической систем», стало открытие трех предсказанных Д. И. Менделеевым элементов — галлия, скандия и германия. Это позволило известном' философу назвать открытие русским ученым Периодического за кона научным подвигом, подобным подвигу астронома Леверье предсказавшего орбиту еще неизвестной планеты Нептуна.

Первым из открытых элементов, существование которых предсказал Д. И. Менделеев в 1870-1871 гг., стал галлий (экаалюминий). Он был получен спустя четыре года французом Л. де Буабодраном. Д. И. Менделеев, блестяще владевший французские языком, написал статью, которую адресовал первооткрывателю галлия, и указал не только на ошибку Л. де Буабодрана (тот определил неверно плотность галлия), но и назвал причины этой ошибки — образец галлия был недостаточно очищен — и посоветовал, как лучше провести очистку.

В заключение приведем слова Д. И. Менделеева о его статье «Заметки по поводу открытия галлия»: «Эта статья показывает как мою научную смелость, так и мою уверенность в Периодическом законе. Все оправдалось. Это мое имя».

Периодический закон и Периодическая система Д. И. Менделеева — это триумф российской химической науки. Все учёные, которые занимались поиском естественной классификации химических элементов, находились в равных условиях, имели одни и те же научные предпосылки (т. е. накопленный фактологический материал) для обобщения.

Почему же ни одному из них, кроме Менделеева, не удалось открыть периодический закон? Очевидно, здесь сыграл роль субъективный, личностный фактор.

Менделеев имел энциклопедические знания, умел обобщать факты и выдвигать на их основе гипотезы.

Остаётся только недоумевать, почему Нобелевский комитет в 1886 г. из двух кандидатур — французского учёного А. Муассана (1852—1907) и русского учёного Д. Менделеева — отдал предпочтение французу. Очевидно, немаловажную роль в этом решении сыграл тот факт, что кандидатуру Муассана выдвинула Французская академия наук, а кандидатуру Менделеева — Академия наук Германии. Стыдно признать, но Менделеев, будучи почётным членом, почти всех европейских академий наук, так и не был избран членом Российской академии наук, хотя баллотировался в неё не раз. Пожалуй, странно выглядит и Лондонское королевское общество, которое в 1882 г. присудило Менделееву медаль Дэви (являвшуюся аналогом медали нобелевского лауреата) «За открытие периодических соотношений атомных весов», а через 5 лет, в 1887 г., вручило такую же медаль своему соотечественнику Дж. Нью́лендсу (1837—1898) «За открытие периодического закона химических элементов». Признанием заслуг русского химика перед мировой наукой является следующий факт: в 1955 г. группа американских химиков во главе с Г. Сиборгом (1912—1999) получила новый, 101-й элемент, которому «в честь величайшего русского химика Менделеева единодушно присвоила название «менделевий».

Периодический закон и Периодическая система Д. И. Менделеева позволили:

1)                 установить взаимную связь между элементами и объединить их по свойствам;

2)                 расположить элементы в естественной последовательности;

3)                 обнаружить периодичность, т. е. повторяемость общих свойств элементов и их соединений и объяснить причину этого;

4)                 исправить и уточнить значение относительных атомных масс некоторых элементов;

5)                 исправить и уточнить степени окисления (валентность) некоторых элементов;

6)                 предсказать существование ещё не открытых элементов, описать их свойства, указать пути их открытия.

*8. Подготовьте сообщение на тему: «Эволюция представлений о строении атома».

*9. Подготовьте сообщение на тему: «Значение Периодического закона и Периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева для науки, общества и теории познания»

3. ИОННАЯ ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

Любая система стремится к такому состоянию, которое характризуется минимальным запасом энергии. Для атомов химически элементов таким состоянием является полностью заполненный внешний электронный слой, т.е. такой, как у атомов благородных газов. С этой точки зрения благородные газы представляют собой уникальные химические элементы, так как даже в форме простого вещества они существуют в виде отдельных атомов, не связанных друг с другом. Так происходит потому, что атомы благородных газов содержат завершенный внешний электронный слой, на котором у атома гелия находится два электрона, а у остальных элементов — по восемь электронов. Атомы всех других химических элементов могут решить проблему завершения электронной оболочки до оболочки благородного газа только сообща.

Плохо человеку, когда он один,

Трудно одному, один не воин.

Каждый встречный ему господин,

И даже слабые, если двое.

Этими строками В. В. Маяковского вполне можно описать состояние отдельных атомов, которые стремятся приобрести устойчивую электронную конфигурацию. Достичь этого можно либо в результате присоединения электронов от других атомов (такой процесс в химии называют восстановлением), либо в результате отдачи своих внешних электронов другим атомам (процесс окисления). Атомы, присоединившие чужие электроны, превращаются в отрицательные ионы, или анионы. Атомы, отдающие свои электроны, превращаются в положительные ионы, или катионы Понятно, что между катионами и анионами возникают силы электростатического притяжения, которые и будут удерживать их друг около друга, осуществляя тем самым ионную химическую связь.

Ионная химическая связь — это связь, образующаяся между катионами и анионами за счет их электростатического притяжения.

В соединениях, состоящих из двух элементов, ионная связь возникает в том случае, если один из элементов представляет собой типичный металл (например, щелочной и щелочноземельный), а другой — типичный неметалл (например, галоген или кислород). Классическим примером веществ с ионной связью являются галогениды и оксиды щелочных и щелочноземельных металлов.

Схему образования ионной связи в хлориде натрия NaCl можно представить так:

Два разноименно заряженных иона, связанных силами взаимного притяжения, не теряют способности взаимодействовать и с другими противоположно заряженными ионами. В результате образуются кристаллические соединения.

Кристаллические вещества характеризуются правильным расположением ионов, из которых они состоят, в строго определенных точках пространства. При соединении этих точек прямыми линиями образуется пространственный каркас, который называют кристаллической решеткой. Точки, в которых размещены частицы кристалла, называют узлами решетки. Вещества с ионным типом связи имеют ионные кристаллические решетки.

Такие соединения представляют собой твердые, прочные, нелетучие, хрупкие вещества с высокими температурами плавления. При обычных условиях кристаллы таких веществ электрической тока не проводят, а растворы и расплавы большинства ионных соединений представляют собой прекрасные электролиты.

Ионные соединения — это не только соединения щелочных и щелочноземельных металлов с неметаллами. Это также соединения, образованные тремя и более элементами. К ним относится подавляющее большинство солей, а также гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов. Часто такие вещества образуют красивые кристаллы правильной формы.

Вещества с ионным типом связи окружают нас повсюду. Это многие минеральные удобрения (селитры, суперфосфаты, сильвинит), строительные материалы (мрамор, гипс, известь, мел) пищевые добавки (питьевая сода, разрыхлитель теста), медикаменты из медицинской аптечки (перманганат калия, хлорид кальция, глюконат кальция). Однако трудно поспорить с тем, что самым важным в нашей жизни веществом с ионным типом связи является хлорид натрия — обыкновенная поваренная соль.

Организм первобытного человека получал необходимую соль с пищей животного происхождения. Однако потребности организм заставляли искать ее в более концентрированном виде. Давно было обнаружено, что некоторые растения имеют приятный соленый вкус. Такие растения сушили, а затем сжигали в костре. Получающуюся золу использовали в качестве приправы к пище. Позднее люди стали поливать горящие в костре куски дерева соленой водой из моря или озера и оставшуюся золу также использовать в пищу.

В некоторых районах Африки обыкновенная поваренная соль ценилась так высоко, что за килограмм драгоценных кристаллов давали килограмм золота. В Эфиопии в обращении были «соленые деньги». Римским воинам, а затем и крестоносцам нередко жалованье выплачивали солью. Ученые считают, что, возможно с этим связано происхождение французского слова «салер» (жалованье) и итальянского «сольди» (мелкая монета).

Уже за две тысячи лет до нашей эры китайцы научились получать поваренную соль выпариванием морской воды. Знаменитый итальянский путешественник Марко Поло, посетивший в 1286 г. Китай, рассказывал, как в этой стране изготавливали соляные монеты. Сначала рассол кипятили в небольших котлах. Через час соль принимала вид теста, из которого делали небольшие пирожки. Затем на них накладывали клеймо императора, чтобы они были похожи на настоящие металлические монеты, и зажаривала на горячих черепицах.

Нам трудно представить, что в прошлом во многих странах соль служила существенным источником пополнения казны, была важным предметом торговли. Из-за этого неказистого на вид белого вещества даже велись кровопролитные войны между соседними народами.

На Руси издавна добывали много хлорида натрия. Со времени владычества хана Батыя и его потомков поваренная соль добывалась из озер Нижнего Поволжья, где сухой и жаркий климат. В созвездии соляных озер этого района особенно выделяются озера Эльтон и Баскунчак. Более 150 лет там ведется добыча соли. Суммарная толщина солевого слоя на дне озера Эльтон превышает 30 м², а площадь его — 150 км². Еще более богато солью озеро Баскунчак. За многие тысячелетия хлорид натрия преобразовался в осадочную породу — монолит каменной соли (или галит).

В удаленных от моря и соляных озер районах иногда встречаются подземные соляные источники. Люди издавна использовали их для вываривания соли. Для добычи хлорида натрия в земле бурили скважины, строили деревянные трубы и выкачивали соляные растворы из земли.

Однако в нашей стране соль долгое время оставалась недоступной для простого народа. По причине непомерно высоких налогов, устанавливаемых на соль, происходили народные восстания (соляные бунты). Например, такой бунт произошел в Москве весной 1648 г. Этому послужил повышенный налог на соль, введенный царем Алексеем Михайловичем. Тогда же и возникли известные поговорки: «уйти несолоно хлебавши», «съесть пуд соли».

Почему же поваренная соль, к которой мы привыкли относиться как к обычной вкусовой приправе, сыграла такую выдающуюся роль в истории человечества? Оказывается, это вещество совершенно необходимо для жизни человека и животных. В организме человека содержится около 300 г соли, запас которой постоянно расходуется и нуждается в ежедневном пополнении. Поэтому длительное солевое голодание может привести даже к гибели организма. Если животное кормить без ограничения, но обессоленной пищей, то оно погибнет. Дело в том, что поваренная соль необходима для образования в желудке соляной кислоты – основы желудочного сока, благодаря которому пища лучше переваривается, а микробы погибают. Кроме того, эта соль входит в тканевые жидкости и в состав крови, где ее концентрация составляет около 0,5 %. В медицине широко используется так называемый физиологический раствор — 0,9%-й раствор обыкновенной поваренной соли. Его применяют в качестве заменителя плазмы крови при травмах, при внутривенных вливаниях лекарств. Суточная потребность в поваренной соли взрослого человека составляет 10 — 15 г. В условиях жаркого климата потребность в соли возрастает до 25 — 30 г. Это связано с тем, что хлорид натрия выводится из организма с потом и для восстановления баланса в организм нужно вводить больше соли. При работе в горячих цехах и в условиях сухого и жаркого климата врачи рекомендуют пить подсоленную воду (0,3 — 0,5%-й раствор), так как соль способствует удержанию воды в тканях. Организм человека быстро реагирует на нарушение солевого баланса появлением мышечной слабости, быстрой утомляемостью, потерей аппетита, возникновением неутолимой жажды.

Однако все в нашей жизни имеет две стороны, и любое вещество может принести не только пользу, но и непоправимый вред. Хлорид натрия способствует задерживанию воды в организме что в свою очередь приводит к повышению артериального давления. Поэтому при гипертонической болезни, ожирении, отеках врачи рекомендуют снижать суточное потребление поваренной соли. А если за один раз умудриться съесть 150 г соли, то может наступить острое отравление и паралич нервной системы.

Поваренная соль — одно из лучших консервирующих средств. Она убивает многие микроорганизмы и подавляет действие ферментов, вызывающих распад и разложение белковых веществ. Поэтому соление издавна применялось как один из важнейших способов сохранения пищи. В пищевой промышленности хлорид натрия используют для консервирования мяса, рыбы, для квашения и соления овощей. В химической промышленности из хлорида натрия получают соду, гидроксид натрия, хлор и многие другие вещества.

КОВАЛЕНТНАЯ ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

Механизм образования ковалентной связи рассмотрим на примере простейшей молекулы — молекулы водорода Н₂. Атомы водорода стремятся быть похожими на атомы благородного газа гелия, внешний и единственный слой которого содержит два электрона, т.е. каждый из двух атомов водорода нуждается в присоединении еще одного электрона.

Если встречаются два одинаковых атома водорода, то проблему завершения электронного слоя эти атомы будут решать на паритетных началах — объединят свои электроны, обобществят их, т.е. создадут общую электронную пару:

    или Н—Н

Таким образом, возникает ковалентная связь у всех двухатомных молекул простых веществ (Cl₂, N₂ и др.):

   или С1—С1

 или        NN

Ковалентная химическая связь — это связь, возникающая между атомами за счет образования общих электронных пар.

Если ковалентной связью соединены одинаковые атомы, т.е. атомы одного и того же элемента, общая электронная пара расположена строго посередине между центрами ядер двух атомов и в равной мере принадлежит каждому из них. Такая ковалентная связь называется неполярной.

Ковалентной связью могут быть соединены атомы разных элементов, например двух неметаллов:

Если ковалентной связью соединены атомы разных химических элементов, то общая электронная пара смещена к атому элемента, проявляющему более выраженные неметаллические свойства, т.е. обладающему большей электроотрицательностью.

Электроотрицательностью называют способность атомов химических элементов оттягивать к себе общие электронные пары.

Важнейшие неметаллы можно расположить в ряд по усилению их электроотрицательности (ряд электроотрицательности).

Поскольку общая электронная пара оказывается смещенной в сторону атома более электроотрицательного элемента, на этом атоме образуется частичный отрицательный заряд (его обозначают δ-). Соответственно на атоме менее электроотрицательного элемента возникает такой же частичный, но уже положительный заряд (его обозначают δ+). Следовательно, по линии ковалентной связи возникает два полюса – отрицательный и положительный. Поэтому; такую ковалентную связь называют полярной. В рассмотренных примерах для молекул хлороводорода и метана связи Н—Cl и С—Н являются ковалентными полярными:

Поскольку ковалентная химическая связь в линейной молекуле хлороводорода полярная, полярной будет и сама молекула. В ней также присутствуют два противоположно заряженных полюса, поэтому такие молекулы называют диполями.

Молекулы воды, имеющие угловое строение, также представляют собой диполи:

Для веществ с ковалентной связью характерны два типа кристаллических решеток — молекулярные и атомные. В узлах молекулярных кристаллических решеток располагаются молекулы, образованные за счет прочных ковалентных связей. А вот между молекулами действуют слабые силы межмолекулярного притяжения, а потому вещества с молекулярными решетками легкоплавкие, летучие, часто обладают запахом.

Такие кристаллические решетки имеют газы и жидкости в твердом состоянии, кристаллический иод, сера, белый фосфор, большинство органических веществ.

Ковалентные связи могут приводить к образованию веществ не только молекулярного, но и атомного строения, т. е. веществ с атомной кристаллической решеткой. Такие вещества характеризуются тем, что в узлах их кристаллических решеток располагаются отдельные атомы, которые соединены между собой очень прочными ковалентными связями.

Примером веществ с таким типом кристаллических решеток могут служить аллотропные модификации углерода, и в первую очередь алмаз. Необычайная твердость алмаза по особой шкале твердости веществ (она называется шкалой Мооса) оценена самым высоким значением — 10. Благодаря высокой твердости алмаз используют для изготовления буров, сверл, шлифовальных инструментов, стеклорезов, хотя в сознании большинства алмаз — это камень ювелиров, использующих для изготовления изделий и украшений ограненные алмазы, называемые бриллиантами.

Атомные кристаллические решетки характерны не только для простых, но и для сложных веществ; например, для всех природных разновидностей оксида алюминия А1₂О₃: корунда, рубина, сапфира. Совершим небольшой экскурс в увлекательную науку минералогию.

Месторождения корунда А1₂О₃ встречаются в Казахстане, на Восточных склонах Урала, в Якутии. Это камень, как правило, синеватого или сероватого оттенка. Такую окраску корунду придают примеси: соединения железа, кремния, титана. Они же делают корунд, как и бокситы, абсолютно непрозрачным. Корунд — чрезвычайно твердый минерал, из него изготавливают точильные круги, наждачную бумагу, шлифовальные порошки.

Корунд, в котором примесей содержится немного, становится прозрачным и «превращается» в драгоценные камни — рубин, сапфир.

Рубин в переводе с латинского означает красный. Красный оксид алюминия? Оказывается, возможно и такое. Как вы уже поняли, благодаря наличию примесей. Соединения хрома придают рубину фиолетово-красную окраску, соединения меди и железа — ярко-красный и темно-красный цвет. В России россыпи рубинов встречаются на Южном и Средне Урале.

Обычно кристаллы достигают размеров 0,5 — 1,0 см, но встречаются гиганты размером до 8 см. Самый большой рубин «Эдуарде», исключительный по качеству кристалл массой 162 карата (карат — единица массы драгоценных камней и металлов, равно примерно 0,2 г), хранится в Музее естественной истории в Лондоне.

Рубин известен с глубокой древности (около VI в. до н.э.), его называли царем драгоценных камней. Рубин упоминается в Библии. Греки называли его антракс, римляне — карбункул. На Руси цветные разновидности корунда называли яхонтом.

Помимо изготовления украшений и драгоценностей рубин используют, как вы уже знаете, в часовой промышленности и электронике. На его основе изготавливают наиболее распространенный тип лазера.

Существует еще одна разновидность прозрачного корунда сапфир. Название этого камня происходит от греческого сапфейрос — голубой ценный камень (или от вавилонского сипру — царапающий).

Несмотря на название, сапфиры кроме синего бывают фиолетовыми, зелеными, желтыми, оранжевыми, розовыми. Встречаются сапфиры черные и бесцветные (лейкосапфир). Синий цвет ему придают соединения железа(П), желтый — соединения железа(Ш), оранжевый — соединения хрома, а в фиолетовом сапфире присутствуют железо, хром и иногда титан.

Ни один драгоценный камень по красоте цвета не может сравниться с синим сапфиром. В коллекции Алмазного фонда России хранится брошь с сапфиром васильково-синего цвета массой 51,6 г. В Музее естественной истории США экспонируется изумительный сапфир с шестилучевой звездой массой 112,6 г, названные «Синей звездой Индии». Крупнейший ограненный темно-синий сапфир «Черная звезда Квинсленда» имеет массу 288,8 г. Большой кристалл сапфира украшал когда-то корону египетской царицы Клеопатры.

Жаль, что сапфиров в Уральских горах немного. Лучшие камни поставляют Индия, Шри-Ланка и Таиланд. Однако сапфиры, как и рубины, синтезируют в промышленных масштабах. Впервые искусственные сапфиры были получены в 1904 г. Заметим, что без специального оборудования отличить искусственный камень от природного очень сложно.

*6. Приготовьте сообщение на тему: «История семи великих камней Алмазного фонда России». При подготовке его используйте материалы по истории и мировой художественной культуре.

*7. Откуда пошла поговорка «Тяжела ты, шапка Мономаха»?

*8. Сравните две императорские короны: Британской империи и Российской империи по истории создания, авторству, составу этих государственных символов. Используйте материалы энциклопедий и исторических справочников.

*9. Какие знаки государственного отличия в царской, советской и современной России изготовлены с использованием бриллиантов?

*10. В каких единицах измеряют массу драгоценных камней?

МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

Общность свойств всех металлов заключается в том, что при протекании химических реакций они относительно легко отдают свои валентные электроны атомам неметаллов. Это происходит потому, что атомы металлов характеризуются двумя отличительными особенностями. Во-первых, многие металлы имеют совсем немного (от 1 до 3) электронов на внешнем электронном слое. Следовательно, для формирования электронной оболочки, подобной оболочке благородного газа, им легче отдать электроны, чем присоединить. Однако у некоторых металлов число валентных электронов довольно большое: у атомов олова и свинца — четыре сурьмы и висмута — пять, полония — шесть. Почему же эти элементы являются металлами? Очевидно, начинает сказываться вторая отличительная особенность строения атомов металлов — сравнительно большой радиус. Внешние (валентные) электроны оказываются настолько далеко от ядра, что довольно слабо с ним связаны. При сближении атомов металлов их электронные облака могут перекрываться, и валентные электроны получают возможность перемещаться с электронного облака одного атома на близкие энергии облака соседних атомов. Атом, от которого «ушел» электрон, превращается при этом в положительный ион. В результате этого в металлическом изделии или кусочке металла формируется совокупность свободных электронов, которые непрерывно перемещаются между ионами. При этом, притягиваясь к положительным ионам металла, электроны вновь превращают их в атомы, затем снова отрываются, превращая в ионы, и так бесконечно. Следовательно, в простых веществах металлах происходит бесконечный процесс превращения атом <=> ион, который осуществляют валентные электроны, а частицы, из которых состоят металлы, так и называются атом-ионами:

Такая же картина наблюдается в металлических сплавах. В металлах и сплавах реализуется особый тип химической связи, которая называется металлической.

Металлической связью называют связь в металлах и сплавах между атом-ионами металлов, осуществляемую совокупностью валентных электронов.

Металлическая связь определяет особое кристаллическое строение металлов и сплавов –металлическую кристаллическую решетку.

Металлическая кристаллическая решетка и металлическая связь определяют и все наиболее характерные свойства металлов: ковкость, пластичность, тягучесть, электро- и теплопроводность, металлический блеск, способность к образованию сплавов.

Пластичностью объясняется способность металлов расплющиваться при ударе или вытягиваться в проволоку под действием силы. Это — одно из важнейших механических свойств металлов. Пластичность металла объясняет тем, что под внешним воздействием одни слои атом-ионов в кристаллах легко смещаются, как бы скользят друг относительно друга без разрыва связи между ними. Некоторое представление об этом вам может дать простейший опыт. Если между двумя плоских стеклянными пластинками, например между зеркальцами, поместить несколько капель воды, то зеркальца будут легко скользить друг по другу, а вот разъединить их будет достаточно трудно. В таком опыте вода играет роль совокупности электронов металла.

Наиболее пластичны золото, серебро и медь. Например, из золота можно изготовить самую тонкую фольгу толщиной всего 0,003 мм. Такие же тонкие листочки фольги используют для золочения изделий, например деревянной резьбы.

Высокая электрическая проводимость металлов как раз и обусловлена наличием в них совокупности подвижных электронов, которые под действием электрического поля приобретают направленное движение. Лучшими проводниками электрического тока являются серебро и медь. Немного уступает им алюминий. Однако в большинстве стран все чаще и чаще провода изготавливают не из меди, а из более дешевого алюминия. Хуже всего электрический ток проводят марганец, свинец и ртуть, а также вольфрам и некоторые подобные ему тугоплавкие металлы. Электрическое сопротивление вольфрама настолько велико, что он начинает светиться при прохождении через него тока, что используют для изготовления нитей лампочек накаливания.

Аналогично электропроводности изменяется и теплопроводность металлов, которая также объясняется высокой подвижностью электронов, которые, сталкиваясь с колеблющимися в узлах решетки ионами металлов, обмениваются с ними тепловой энергией. С повышением температуры эти колебания ионов с помощью электронов передаются другим ионам, и температура металла быстро выравнивается.

Гладкая поверхность металла или металлического изделия характеризуется металлическим блеском, который является результатом отражения световых лучей. Высокой световой отражательной способностью обладают ртуть, серебро, палладий и алюминий. Три последних металла используют при изготовлении зеркал, прожекторов, отражателей светотехники. В порошке металлы теряют блеск, приобретая черную или серую окраску, и только магний и алюминий сохраняют его. Отраженный поверхностью металлов свет и определяет серебристо-белый цвет большинства металлов.

Чрезвычайно важными для технического использования являются магнитные свойства металлов.

Металлы играют настолько важную роль в жизни человека, что даже историю человечества принято делить на периоды в соответствии с доминирующим в хозяйственной деятельности металлом или сплавом: медный век, бронзовый век, железный век.

Например, трудно найти другой такой металл, как железо, с которым была бы так неразрывно связана история человечества. ' 0 один из первых металлов, знакомых человеку еще в каменном веке. Однако железным веком называют период IX - VII вв. н.э., когда многие народы и племена Европы и Азии научись выплавлять железо из руд.

В Древнем Египте железо называли «небесным металлом». Существует легенда, согласно которой царь Соломон после строительства Иерусалимского храма устроил пир в честь строителей каждый из которых: каменщик, плотник, землекоп и другие считал, что именно его труд в сооружении храма наиболее значимый. Мудрый Соломон разрешил этот спор так: поскольку все орудия строительства были сделаны из железа кузнецом, то главным строителем храма является именно кузнец.

Было время, когда железо ценилось дороже золота. Богачи заказывали себе украшения из железа, причем нередко в золотой оправе. Как свидетельствует в «Илиаде» Гомер, победителя игр, устроенных Ахиллом, награждали куском золота и куском железа. Железо входит в состав многочисленных руд и минералов. Наиболее известны бурый железняк (лимонит), красный железняк (гематит), магнитный железняк (магнетит).

Железо — металл войны. Недаром алхимики обозначали его знаком бога войны Марса: изображали щит и копье. Большинство видов оружия изготавливали и изготавливают из сплавов железа. Вероятно, некоторые из вас слышали или читали о дамасской стали (или булате), из которой ковали уникальные сабли. Лезвие булатного клинка можно было заточить до исключительной остроты.

Однако железо — это и важнейший металл мирной техник. Это основа всех наземных и водных транспортных средств: автомобилей, электропоездов, морских судов. Железо — это станки и оборудование, сельскохозяйственные машины и трубопроводы строительные конструкции и техника, предметы быта и садовый инвентарь.

Если железо — металл-труженик, то благородное золото своеобразный символ богатства, роскоши, достатка. Ни один другой металл на Земле не окутан таким ореолом таинственности и противоречивости. Эпитетом «золотой» люди наделяли нечто очень красивое, желанное, дорогое, хотя сам металл нередко именовался «презренным». Золото ассоциируется порой с алчностью и стяжательством, жадностью и коварством. Ради обладания этим металлом велись кровопролитные войны, совершались измены и предательства.

Алхимики всегда считали золото «царем металлов», и это не лишено оснований. Подчеркивая его совершенство, они обозначали золото знаком Солнца. Действительно, у золота красивый цвет и блеск, оно устойчиво к действию подавляющего большинства химических, веществ. Недаром золото называют благородным металлом.

Из-за своей химической инертности золото встречается в природе в чистом виде: в самородках или в виде вкраплений в твердые породы. На россыпи золота благодаря при искательному внешнему виду обратили внимание древние скотоводы и уже в VI тысячелетии до н.э. научились обрабатывать металл кустарным способом. Благодаря мягкости (даже ноготь оставляет на нем царапину) и удивительной красоте золото стало излюбленным материалом ювелиров и художников. Легкодоступное золото, лежащее на поверхности, вскоре было собрано, и в развитых странах древнего мира стали добывать крупинки металла вкрапленные в кварцевые породы. Содержание металла в них не превышало нескольких граммов на тонну пустой породы. Кварц измельчали и на специальных наклонных лотках промывали водой. Благодаря очень большой плотности золотые песчинки оставались на лотке, а пустая порода уносилась потоком воды. Так же «мыли» золото артели старателей. При разрушении горных пород золото вместе с песком и глиной уносится водой в русла рек, где и образуются золотые россыпи. Только один Амур выносит в Тихий океан ежегодно 8,5 т золота.

Золото — один из самых тяжелых металлов. Слиток размером с кулак весит более 3 кг! Известен рассказ древнегреческого писателя Плутарха о том, как сиракузский царь Гиерон II поручил Архимеду узнать, действительно ли из чистого золота корона, изготовленная по заказу царя. Пользуясь открытым им законом, ученый взвесил корону, а затем, погружая ее в воду, определил объем и вычислил плотность. Она оказалась меньше, чем у чистого золота. Так был разоблачен корыстный ювелир, заменивший часть золота при изготовлении короны серебром.

Первую в России золотую россыпь обнаружил в 1724 г. крестьянин Ерофей Марков в районе Екатеринбурга. В начале XIX в. были открыты новые месторождения золота в Сибири. С 1821 по 1850 г. в России было добыто 3 293 т золота, почти в 4 раза больше, чем во всех остальных странах мира.

За 1 500 лет до н.э. золото стали использовать в качестве денег. Сначала это были небольшие слитки размером с горошину. Однако нечистые на руку торговцы часто спиливали с них небольшие крупинки, отчего «горошина» становилась все легче и легче. Тогда на всю поверхность металла стали наносить клеймо, чтобы любое спиливание сразу стало заметным. При нанесении клейма «горошина» расплющивалась и превращалась в более привычную для нас плоскую монету.

Первые монеты появились в VII в. до и. э. в Малой Азии в государстве Лидия. На монетах был изображен лев — геральдический символ этого государства. С тех пор каждое вновь возникающее государство придумывало свою монетную систему, и богатство страны определялось его золотым запасом.

Золото — необыкновенно пластичный металл. Кусочек золота Размером со спичечную головку можно расплющить в просвечивающую голубовато-зеленым цветом фольгу площадью 50 м, толщиной меньше человеческого волоса. Из золотой горошины массой 1 г можно протянуть проволоку длиной 2 км. Необычайна ковкость и тягучесть позволяют делать из золота различные вещи, чаши и кубки, броши и серьги, кольца и цепи.

Однако золото — дорогой металл. Поэтому в целях экономии крупинки золота прокатывают в тончайшие листочки, который покрывают поверхность других материалов: дерева, камня, менее ценного металла. Так золотят купола храмов, деревянную резьбу, украшающую дворцы, художественные произведения. Позолоченные архитектурные детали и мебель органически вошли в пышное убранство дворца далекого прошлого.

*6. Охарактеризуйте художественное значение металлов и сплавов. Приведите примеры.

*7. Подготовьте сообщение на тему: ≪История возникновения и развития зеркального производства≫.

*8. Подготовьте сообщения на темы: ≪Краткий очерк мировой истории металлических денег≫, ≪Металлические деньги в истории России≫.

*9. Подготовьте сообщение на тему: ≪Из чего изготавливали древние и современные олимпийские награды?≫.

Водородная связь

Атом водорода, соединенный с атомом фтора, кислорода или азота (реже - хлора, серы или других неметаллов), может образовывать еще одну дополнительную связь. Это открытие, сделанное в восьмидесятых годах девятнадцатого столетия, связывают с именами русских химиков М.А. Ильинского и Н.Н. Бекетова. Было установлено, что некоторые водородсодержащие группы атомов часто образуют устойчивую химическую связь с электроотрицательными атомами, входящими в состав другой или той же самой молекулы. Такая химическая связь получила название водородной связи.

Межмолекулярная и внутримолекулярная водородная связь

Водородная связь - это взаимодействие между двумя электроотрицательными атомами одной или разных молекул посредством атома водорода: А−Н ^... В (чертой обозначена ковалентная связь, тремя точками - водородная связь).

Водородная связь обусловлена электростатическим притяжением атома водорода (несущим положительный заряд δ+) к атому электроотрицательного элемента, имеющего отрицательный заряд δ−. В большинстве случаев она слабее ковалентной, но существенно сильнее обычного притяжения молекул друг к другу в твердых и жидких веществах. В отличие от межмолекулярных взаимодействий водородная связь обладает свойствами направленности и насыщаемости, поэтому ее нередко считают одной из разновидностей ковалентной химической связи. Она может быть описана с помощью метода молекулярных орбиталей как трехцентровая двухэлектронная связь.

Одним из признаков водородной связи может служить расстояние между атомом водорода и другим атомом, ее образующим. Оно должно быть меньше, чем сумма радиусов этих атомов. Чаще встречаются несимметричные водородные связи, в которых расстояние Н ^... В больше, чем А−В. Однако в редких случаях (фтороводород, некоторые карбоновые кислоты) водородная связь является симметричной. Угол между атомами во фрагменте А−Н ^... В обычно близок к 180^o. Наиболее сильные водородные связи образуются с участием атомов фтора. В симметричном ионе [F−H−F]⁻ энергия водородная связи равна 155 кДж/моль и сопоставима с энергией ковалентной связи. Энергия водородная связи между молекулами воды уже заметно меньше (25 кДж/моль).

Межмолекулярная и внутримолекулярная водородная связь

Водородные связи обнаружены во многих химических соединениях. Они возникают, как правило, между атомами фтора, азота и кислорода (наиболее электроотрицательные элементы), реже - при участии атомов хлора, серы и других неметаллов. Прочные водородные связи образуются в таких жидких веществах, как вода, фтороводород, кислородсодержащие неорганические кислоты, карбоновые кислоты, фенолы, спирты, аммиак, амины. При кристаллизации водородные связи в этих веществах обычно сохраняются. Поэтому их кристаллические структуры имеют вид цепей (метанол), плоских двухмерных слоев (борная кислота), пространственных трехмерных сеток (лед).

Если водородная связь объединяет части одной молекулы, то говорят о внутримолекулярной водородной связи. Это особенно характерно для многих органических соединений (рис. 42). Если же водородная связь образуется между атомом водорода одной молекулы и атомом неметалла другой молекулы (межмолекулярная водородная связь), то молекулы образуют довольно прочные пары, цепочки, кольца. Так, муравьиная кислота и в жидком и в газообразном состоянии существует в виде димеров:

а газообразный фтороводород содержат полимерные молекулы, включающие до четырех частиц HF. Прочные связи между молекулами можно найти в воде, жидком аммиаке, спиртах. Необходимые для образования водородных связей атомы кислорода и азота содержат все углеводы, белки, нуклеиновые кислоты. Известно, например, что глюкоза, фруктоза и сахароза прекрасно растворимы в воде. Не последнюю роль в этом играют водородные связи, образующиеся в растворе между молекулами воды и многочисленными OH-группами углеводов.

Аномалии свойств, обусловленные наличием водородной связи

Наличием водородных связей обусловлены уникальные свойства многих веществ, в том числе воды. Трехатомная молекула Н₂О образует четыре водородные связи. В их образовании принимают участие оба атома водорода, а атом кислорода, имеющий две неподеленные электронные пары, образует две водородные связи с атомами водорода соседних молекул воды.

Если бы не было водородных связей, то температуры плавления и кипения воды были бы существенно ниже, как это наблюдается у других водородных соединений неметаллов

Температуры кипения халькогеноводородов

	H2Te	H2Se	H2S	H2O
tкип, oС	−2	−42	−60	100

Сильные водородные связи между молекулами воды препятствуют ее плавлению и испарению.

Водородные связи являются причиной и другого уникального свойства воды - при плавлении ее плотность возрастает. В структуре льда каждый атом кислорода связан через атомы водорода с четырьмя другими атомами кислорода - из других молекул воды. В результате образуется очень рыхлая "ажурная" структура. Вот почему лед такой легкий.

При плавлении льда около 10% водородных связей разрушается, и молекулы воды немного сближаются. Поэтому плотность жидкой воды при температуре плавления выше, чем плотность льда. Дальнейшее нагревание, с одной стороны, должно вызывать увеличение объема воды. Это происходит со всеми веществами.

Но, с другой стороны, водородные связи продолжают разрушаться, а это должно приводить к уменьшению объема воды. В результате плотность воды изменяется неравномерно. Наибольшее значение (1,00 г/мл) она имеет при температуре 4 ^oС. Такова зимняя температура вблизи дна пресноводных водоемов, где скапливается вода с максимальной плотностью.

При замерзании вода расширяется и занимает больший объем. Плотность льда (0,92 г/мл) – меньше, чем плотность жидкой воды. Поэтому лед плавает на поверхности воды. Если бы у льда была более высокая плотность, по мере замерзания он опускался бы на дно, что сделало бы жизнь в водоемах зимой невозможной.

Наличие водородных связей влияет и на кислотные свойства многих веществ. Фтороводородная кислота, в отличие от других галогеноводородных кислот является слабой так как атомы водорода связаны сразу с двумя атомами фтора, что препятствует их отщеплению (по той же причине большинство карбоновых кислот являются слабыми). Благодаря особо прочным водородным связям фтороводородная кислота - единственная одноосновная кислота, способная образовывать кислые соли, например NaHF₂.