Лекция 4. Основные понятия неорганической химии

Виды веществ. Молярная масса вещества

В предыдущих лекциях мы много говорили о строении атома. проверим и освежим свои знания в этой области знаний, для того чтобы изучать материал дальше.

Познакомившись со строением атома и атомного ядра, периодической системой Д.И. Менделеева (в которой представлены атомы всех известных элементов) рассмотрим подробнее, как образуются вещества. В таблице 1 представлены виды веществ. Ознакомьтесь с рисунком 1, на котором представлены виды веществ.

Ниже, на рисунке 2, приведены примеры простых и сложных веществ.

Рис. 2 Примеры простых и сложных веществ.

К простым относим: молекулу кислорода (состоит из 2 атомов кислорода), гелия (один атом гелия), серы (8 атомов серы), озона (3 атома кислорода). К сложным: этиловый спирт (2 атома углерода, 6 атомов водорода, 1 атом кислорода), метан (1 атом углерода, 4 атома водорода), углекислый газ (1 атом углерода, 2 атома кислорода), угарный газ (1 атом углерода, 1 атом кислорода).

На следующем видео вы можете еще раз ознакомиться с понятиями ""простое" и "сложное" вещество.

Ниже предлагаем вам выполнить задание, поразмыслив о простых и сложных веществах в природе.

Каждый атом имеет свой химический знак (буквы латинского алфавита) и атомную массу, представленную в периодической таблице Д.И. Менделеева в атомных единицах массы а.е.м.

Рис. 4 Нахождение атомной массы из периодической таблицы Д.И. Менделеева.

Сложные вещества принято записывать химическими формулами. Приведем пример: молекула углекислого газа имеет вид $C O_{2}$ , где индекс 2 показывает количество атомов одного элемента в составе молекулы, в случае с углекислым газом молекул углерода одна, а молекул кислорода две. Приведем еще один пример: $2 {CO}_{2}$ , здесь, перед химической формулой молекулы углекислого газа стоит коэффициент 2, который показывает количеств молекул, в данном случае 2. Таким образом, индексы в химических формулах показывают количество атомов в составе молекулы, а коэффициенты показывают количество молекул.

Массы молекул, так же как и массы атомов, выражают в атомных единицах массы. Для вычисления молекулярной массы необходимо суммировать атомные массы элементов, входящих с состав молекулы. Напоминаем, атомные массы элементов можем найти в периодической таблице Д.И. Менделеева.

Пример 1.

Вычислим молекулярную массу серной кислоты $H_{2} {SO}_{4}$ .

$M_{r} (H_{2} {SO}_{4}) = 1 \cdot 2 + 32 + 16 \cdot 4 = 98$

Постоянство состава веществ.

Постоянным составом обладают большинство веществ. Это положение сформулировал Ж. Пруст в начале XIX столетия: каждое химически чистое вещество независимо от места нахождения и способа получения имеет один и тот же постоянный состав. На примере это положение будет более понятно.

Пример 2.

Молекула воды имеет химическую формулу $H_{2} O$ , в ее состав входят два атома водорода и один атом кислорода. Зная атомные массы кислорода (16) и водорода (1) найдем соотношение их масс: H:O=2:16=1:8. То есть какой бы не была масса воды, соотношение атомов водорода к атомам кислорода будет 1:8.

Пример 3.

Решим задачу. Внимательно разберитесь с решением!

Сколько потребуется серы, чтобы она без остатка соединилась с 2,8 кг железных опилок, если эти элементы соединяются в массовом соотношении S:Fe=4:7.

Решение.

Для решения этой задачи необходимо составить пропорцию:

4 кг серы реагируют с 7 кг железа

х кг серы реагирует с 2,8 кг железа

$х = \frac{4 \cdot 2, 8}{7} = 1, 6 к г$

Ответ: 1,6 кг серы полностью соединятся с 2,8 кг железных опилок.

Валентность химических элементов

Существует закономерность, по которой атомы соединяясь между собой образуют вещества. Чтобы ее понять, необходимо познакомиться с таким понятием, как валентность. Валентность - это свойство атомов элемента присоединять определенное число атомов другого элемента. Атом водорода способен присоединять только один атом другого элемента, поэтому его валентность равна 1, Атомы элементов проявляют валентность только в соединениях. Валентность атомов некоторых элементов в химических соединениях представлена на рисунке 5.

Их таблицы заметим, что некоторые атомы имеют переменную валентность.

Правило валентности: число единиц валентностей всех атомов одного элемента должно быть равно числу единиц валентности всех атомов другого элемента.

Данное правило позволит нам написать алгоритм определения валентности элементов по химическим формулам. Приведем сразу несколько примеров, одни из них рекомендуем записать в тетрадь, для успешного выполнения тестового задания.

1. Пишут химическую формулу вещества и отмечают валентность известного элемента:

2. Находят и записывают общее число валентностей данного элемента:

3. Вычисляют и проставляют над химическими знаками валентность второго элемента. Для этого общее число валентностей делят на индекс второго элемента.

При определении валентности, для избежания ошибок, вам необходимо помнить:

Величина валентности не может быть числом дробным.
Числовое значение валентности не может быть больше 8.
Некоторые химические элементы имеют переменную валентность.

Теперь расскажем вам, как составлять химические формулы (расставлять индексы), учитывая валентность элементов.

1. Записываем рядом химические элементы, из которых состоит вещество:

2. Над знаками химических элементов расставляют их валентности:

3. Определяем наименьшее общее кратное валентностей обоих элементов:

4. Делим наименьшее общее кратное на валентность и получаем индекс:

На следующем видео вы можете еще раз поразмыслить над понятием "валентность".

Электрон. Состояние электронов в атоме

В предыдущей лекции, при объяснении теории Резерфорда о строении атомов мы говорили, что в центре атома находится положительно заряженное ядро ,в котором сконцентрирована почти вся его масса. Вокруг ядра движутся отрицательно заряженные электроны. Давайте разберем движение электронов в ядре подробнее.

Электрон - это очень маленькая частица, которая движется в атоме с огромной скоростью. Электрон не имеет четкой траектории движения, мы можем говорить лишь о вероятности нахождения его в пространстве вокруг ядра. Электроны занимают пространство в атоме вокруг ядра и движутся вокруг него с огромными скоростями. При этом говорят, что они образуют электронное облако - область наиболее вероятного местонахождения электрона в пространстве.

Еще одна особенность перемещения электронов в атоме состоит в том, что электроны не могут находиться в каждой точке пространства вокруг ядра, они могут перемещаться лишь в ограниченных объемах. Эти объемы называют электронными слоями или энергетическими уровнями. Число таких уровней совпадает с номером периода, в котором химический элемент расположен в периодической системе Д.И. Менделеева. На каждом уровне может вместиться определенное количество электронов.

Выше мы уже говорили ,что нет строго выделенных траектории ,по которым движется электрон вокруг ядра. Но для любого электрона можно выделить область пространства, где он бывает с вероятностью 90%. Такую область пространства называют электронной (атомной) орбиталью. Орбитали различаются формой и размером. По форме различают 4 известных ныне орбиталей, их обозначают латинскими буквами s (шарообразная орбиталь), p (орбиталь в виде объемной восьмерки или гантели), d, f -имеют более сложную форму. На рисунке 7 представлены формы атомных орбиталей.

Рис. 7 Формы атомных орбиталей (электронных облаков).

Важнейшей характеристикой движения электрона на определенной орбитали является энергия его связи с ядром. Между ядром (+ заряд) и электроном (-заряд) существуют силы Кулоновского притяжения. Чем ближе электрон к ядру ,тем эти силы больше.

Электроны, которые обладают близкими значениями энергии, образуют единый электронный слой или энергетический уровень. Энергетические уровни нумеруют, начиная от ядра: 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7. Целое число n, обозначающее номер энергетического уровня, называют главным квантовым числом. Число энергетических уровней (электронных слоев) в атоме равно номеру периода в системе Д. И. Менделеева, к которому принадлежит химический элемент: у атомов элементов первого периода – один энергетический уровень, второго периода – два, седьмого периода – семь.

Наибольшее число электронов на энергетическом уровне определяется по формуле

N = 2n²,

где N – максимальное число электронов; n – номер уровня или главное квантовое число. Следовательно, на первом, ближайшем к ядру энергетическом уровне может находиться не более двух электронов N = 2*1² =2;

на втором – не более 8, N = 2*2² =2*4=8
на третьем – не более 18, N = 2*3² =2*9=18
на четвертом – не более 32, N = 2*4² =2*16
на пятом – не более 50, N = 2*5² =2*25=50

Энергетические уровни (электронные слои) тоже имеют свою структуру. Начиная со второго энергетического уровня (n = 2), каждый из уровней подразделяется на подуровни (подслои), несколько отличающиеся друг от друга энергией связи с ядром.

Число подуровней равно значению главного квантового числа: первый энергетический уровень имеет один подуровень; второй – два; третий – три; четвертый – четыре подуровня. Подуровни, в свою очередь, образованы орбиталями. Подуровни принято обозначать латинскими буквами, равно как и форму орбиталей, из которых они состоят: s, p, d, f.

s-Подуровень – первый, ближайший к ядру атома подуровень каждого энергетического уровня, состоит из одной s-орбитали;
р-подуровень – второй подуровень каждого, кроме первого, энергетического уровня, состоит из трех p-орбиталей.
d-подуровень – третий подуровень каждого, начиная с третьего, энергетического уровня, состоит из пяти d-орбиталей;
f-подуровень каждого, начиная с четвертого, энергетического уровня, состоит из семи f-орбиталей.

Распределение электронов по орбиталям удобно расписывать с помощью графических схем. Они представлены на рисунке 8 и 9.

Рис. 8 Распределение электронов по орбиталям.

Рис. 9 Распределение электронов по орбиталям.

На следующем видео вы сможете наблюдать визуализацию орбиталей электронов в атоме, это позволит вам четче понимать, как электроны располагаются в атомах.

Швейцарский физик В. Паули в 1925 г. установил, что в атоме на одной орбитали может находиться не более двух электронов, имеющих противоположные (антипараллельные) спины (в переводе с английского "веретено"), Этот принцип носит название принципа Паули. Если на орбитали находится один электрон, то он называется неспаренным, если два, то это спаренные электроны, то есть электроны с противоположными спинами.

Прежде чем строить электронную формулу элемента, необходимо вспомнить, как строятся схемы электронного строения. Для этого нам потребуется периодическая таблица Д.И. Менделеева и умение определять по ней количество протонов, нейтронов и электронов. Рассмотрим схемы на примере водорода и гелия. На рисунке 10 фрагмент периодической таблицы. На которой видно, что атом водорода имеет один неспаренный электрон, атом гелия уже два спаренных. У обоих элементов присутствует только s-орбиталь, максимальная вместимость которой 2 электрона.

Рис. 10 Фрагмент периодической таблицы Д.И. Менделеева.

Схема электронного строения этих элементов выглядит следующим образом (рисунок 11).

Рис. 11 Схема электронного строения водорода и гелия.

Атом водорода и гелия находятся в первом периоде периодической таблицы химических элементов Д.И. Менделеева, поэтому у них будет лишь один энергетический уровень (максимальное число электронов на нем 2), на котором у водорода будет находиться один неспаренный электрон, а у гелия два спаренных (рисунок 12).

На рисунке 13 представлены схемы строения электронных оболочек атомов элементов второго периода. Ознакомьтесь внимательно с каждой схемой.

Рис. 13 Строение электронных оболочек атомов элементов второго периода.

Большой объем знаний вы сегодня усвоили. Немного отвлечем голову перед контролем знаний. Выполните следующее задание.