Д.И. Менделеева и строение атома Моделирование в познании химии

Моделирование - метод практического или теоретического изучения химии, один из

наиболее часто применяемых методов.

Метод моделирования основан на принципе соответствия объекта (оригинала) и его

модели (заместителя). Сущность моделирования заключается в том, что при изучении какого

либо химического соединения или явления создаётся его модель, которая служит объектом

исследования этого явления, источником знаний о нём. Наиболее широко в химии используют

структурные, динамические модели химических процессов и символико-графические модели.

Символико-графические модели используются для классификации веществ и реакций; для

определения их взаимосвязей, для раскрытия сущности химических закономерностей и

круговоротов веществ; сложных логико-теоретических обобщений, выраженных графически,

например, периодическая система химических элементов.

Важнейшим свойством моделей являются: общность их признаков оригиналом,

объективность, упрощённость, наглядность, функциональность, ограничение разнообразия

свойств изучаемого через модель реального объекта.

Периодическая система Д.И. Менделеева

в свете учения о строении атома

На основании своих наблюдений 1 марта 1869 г. Д.И.Менделеев сформулировал

Периодический закон: « Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений

элементов находятся в периодической зависимости от величин атомных весов элементов (от их относительных атомных масс)».

Своё выражение периодический закон нашёл в созданной ДИ. Менделеевым

периодической системе. Периодическая система – это упорядоченное множество элементов и

их естественная классификация в основе которой лежит фундаментальный закон природы.

15

Графическая форма представления периодической системы – периодическая таблица.

Периодическая система - одна, а периодических таблиц - много (более 500).

Рассмотрим подробно структуру короткопериодной таблицы. Периодическая система

состоит из: периодов (больших и малых -1,2,3) – горизонтальных, групп (главных и побочных)

– вертикальных и химических элементов.

Период - ряд элементов, расположенных по увеличению порядкового номера, с одинаковым

количеством энергетических уровней, равным номеру периода.

Группа – ряд элементов, расположенных по увеличению порядкового номера с одинаковой

высшей степенью окисления, равной номеру группы.

Подгруппа - ряд элементов с одинаковым строением валентных энергетических уровней.

У элементов главных подгрупп электронами заполняется последний энергетический

уровень, а у элементов побочных – один из предпоследних.

Порядковый номер элемента - численно равен заряду ядра его атома.

Положение элемента в Периодической системе и строение

электронной оболочки атома

Уязвимым местом Периодического закона сразу после его открытия была невозможность объяснения п р и ч и н ы циклического повторения

свойств элементов увеличением относительной массы их атомов. Более того, несколько пар

элементов расположены в Периодической системе с нарушением порядка роста значения

относительной атомной массы. Например, аргон с относительной атомной массой 39.948

занимает 18-е место, а калий, относительная атомная масса которого 39.102 имеет

порядковый номер 19.

Только с открытием строения атомного ядра и установлением физического смысла порядкового (атомного) номера элемента стало понятно, что элементы в Периодической системе расположены в порядке увеличения положительного заряда их атомных ядер. С этой точки зрения никакого нарушения в последовательности элементов:

₁₈Ar – ₁₉K, ₂₇Co – ₂₈Ni, ₅₂Te – ₅₃I, ₉₀Th - ₉₁Pa – не существует.

Следовательно, в современной трактовке Периодический закон устанавливает: «Свойства химических элементов и образуемых ими веществ находятся в периодической зависимости от величины заряда их атомных ядер».

Положение элемента в периодической системе напрямую связано с его электронной конфигурацией. Напротив, можно легко определить положение элемента в таблице Менделеева по полной электронной формуле: достаточно подсчитать число электронов в атоме (верхние индексы формулы) получить порядковый номер элемента. Например, элемент с электронной конфигурацией 1S²2S²2P⁶3S23P⁶4S²3d¹⁰4P² - это германий (2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 10 + 2 = 32).

В результате мы пришли к нескольким важным выводам: 1.Свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от величины положительного заряда их атомных ядер. 2. Причина сходства в свойствах элементов одной группы заключается в периодическом повторении конфигурации валентных электронов. 3. Номер внешнего энергетического уровня атома совпадает с номером периода, в котором расположен элемент. 4.Число валентных электронов, как правило, совпадает с номером группы элемента в Периодической системе и его высшей степенью окисления в соединениях.

16

Изменение свойств химических элементов и их соединений

в периодах и главных подгруппах Периодической системы

элементов Д.И.Менделеева

Свойство элемента соединения	Изменения свойства в периоде	Изменение свойства в главной подгруппе
Заряд ядра атома Число электронных уровней в атоме Число электронов на внешнем электронном уровне атома Радиус атома Восстановительная способность элемента Окислительная способность элемента Высшая положительная степень окисления элемента Низшая степень окисления элемента Металлические свойства простых веществ Неметаллические свойства простых веществ Кислотные свойства высшего оксида (гидроксида) Основные свойства высшего оксида (гидроксида)	Взрастает слева направо В периоде не изменяется Возрастает слева направо Убывает слева направо Убывает слева направо Возрастает слева направо Увеличивается слева направо от+1 до +8 Увеличивается слева направо от-4 до-1 Ослабевают слева направо Усиливаются слева направо Усиливаются слева направо Ослабевают слева направо	Возрастает сверху вниз Возрастает сверху вниз В подгруппе не изменяются (равно номеру группы) Возрастает сверху вниз Возрастает сверху вниз Убывает сверху вниз В подгруппе не изменяется (равна номеру группы n) В подгруппе не изменяется (равна 8-n) Усиливается сверху вниз Ослабевает сверху вниз Ослабевает сверху вниз Усиливает сверху вниз

Эти особенности в строении атомов позволяют дать ответ на вопрос, почему заряд атомного ядра элемента в периодической системе Д.И.Менделеева возрастает монотонно, а свойства изменяются периодически, - т.е. можно дать ещё одну, причинно-следственную формулировку Периодического закона: « Свойства химических элементов и образованных ими веществ находятся в периодической зависимости от строения внешних и предвнешних электронных слоёв их атомов»

17

Значение периодического закона

Отражает взаимосвязь всех химических элементов, объединяя их в единую упорядоченную систему; носит прогностический характер, даёт возможность предсказывать существование новых элементов и соединений, предугадывать их свойства; имеет мировоззренческое значение, так как согласуются с фундаментальными законами природы и влияет на формирование научного мировоззрения человека; является теоретической основой изучения химии.

Задание: дома нарезать из бумаги 20 карточек размером 6х10 см для элементов с порядковыми номерами с 1по 20. Написать на них сведения о химических элементах как указано в опыте №1.

Образцы заполнения карточек для лития, бериллия, азота :

Li 3 Литий 6,939 Li2O основной оксид LiOH основание

Be 4 Бериллий 9,0122 BeO амфотерный оксид Be(OH)2 амфотерный гидроксид

N 7 Азот 14,0067 N2O5 кислотный оксид HNO3 кислота

Выучить теоретическую часть по теме выполняемой работы.

Письменно ответить на контрольные вопросы для самоконтроля по теме, записав ответы на них в отчёт.

Провести в лаборатории исследования периодических изменений свойств химических элементов в соответствии с указаниями опыта 1.

Письменно и устно ответить на вопросы опыта 1.

Оформить отчёт в соответствии с требованиями, предъявляемыми к оформлению лабораторной работы.

Описание лабораторного оборудования

Материалы и оборудование: бумага, ножницы.

Методика выполнения задания Опыт 1. Моделирование построения Периодической таблицы химических элементов

Приготовьте20 карточек размером 6х10 см для элементов с порядковыми номерами с 1по 20.

18 На карточке укажите следующие сведения об элементе: - химический символ - название - относительную атомную массу - формулу высшего формулу высшего оксида (в скобках укажите характер оксида – основной, кислотный или амфотерный) - формулу высшего гидроксида ( в скобках укажите характер гидроксида металла – основной или амфотерный) - формулу летучего водородного соединения для неметалла. Перемешайте карточки, а затем расположите их по возрастанию относительных атомных масс элементов. Расположите сходные элементы, начиная с 3-го по 18-й, друг под другом. Водород и калий над литием и под натрием соответственно, кальций под магнием, гелий – над неоном. Сформулируйте выявленную вами закономерность в виде закона. Поменяйте в полученном ряду местами аргон и калий. (Объясните почему?) Ещё раз сформулируйте выявленную вами закономерность в виде закона.

Контрольные вопросы для самопроверки:

Вариант 1

1.Номер периода в котором находится элемент, равен:

а) числу электронов на внешнем энергетическом уровне

б) числу энергетических уровней в атоме элемента, на которых есть электроны

в) высшей валентности

г) числу орбиталей на внешнем энергетическом уровне

2. Число электронов на внешнем уровне атома кислорода равно:

а) 2 б) 4 в) 6 г) 8

3.Неметаллические свойства элементов в ряду О – N – C – B:

а) остаются неизменными б) усиливаются в) ослабевают г) усиливаются

4.Самым активным металлом среди элементов Mg, Ca, Sr, Ba являются:

а) магний б) кальций в) стронций г) барий

5. Амфотерным является оксид:

а) натрия б) магния в) кремния г) алюминия

Вариант 2

1.Для элементов главных подгрупп номер группы равен:

а) числу электронов на внешнем энергетическом уровне

б) числу энергетических уровней в атоме элемента, на которых есть электроны

в) высшей валентности

г) числу орбиталей на внешнем энергетическом уровне

2. Порядковый номер элемента в Периодической системе равен:

а) общему числу электронов в атоме

б) числу электронов на внешнем энергетическом уровне в) числу валентных электронов

19

г) числу электронов на предвнешнем энергетическом уровне 3.Неметаллические свойства элементов в ряду I – Br – Cl – F:

а) определённой закономерности не прослеживается б) усиливаются

в) остаются неизменными г) ослабевают

4.Самым активным металлом среди элементов Ge, As, Se, Br является:

а) германий б) мышъяк в) селен г) бром

5. Кислотные свойства сильнее выражены у оксида, формула которого:

а) P₂O₅ б) SiO₂ в) SO₃ г) Al₂O₃

Требования к содержанию и оформлению отчета по лабораторной работе

Запишите в журнал лабораторно-практических занятий:

1.Название лабораторной работы, цель работы, наименование опыта

2. Краткое описание опыта, наблюдения

4. Напишите вывод к работе

Список литературы

Учебник О.С. Габриелян для СПО, 2008, с. 34 - 42

20

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2

ПОЛУЧЕНИЕ СУСПЕНЗИЙ И ЭМУЛЬСИЙ

Цель работы: научиться получать суспензии и эмульсии опытным путем, отличать

эмульсию от суспензии рассмотреть образцы дисперсных систем,

применяемых в повседневной жизни и установить какие свойства

определяют срок их годности

Задачи работы: овладение методами экспериментального исследования

и обработки полученных результатов; приобретение

практических умений работы с образцами дисперсных систем

Теоретическая часть по теме: «Строение вещества»

Дисперсные системы, их классификация

Дисперсными называют гетерогенные системы, в которых одно вещество в виде очень мелких частиц равномерно распределено в объёме другого.

Первое вещество, которое распределено в объёме второго, называют дисперсной фазой.

Второе вещество, представляющее собой непрерывную фазу, носит название дисперсной среды.

В зависимости агрегатного состояния дисперсной фазы и дисперсной среды различают восемь типов дисперсных систем:

Таблица 1.Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию

Дисперсионная система	Дисперсная фаза	Наименование системы	Пример
Газ	Жидкость	Аэрозоль	Туман, облака, карбюраторная смесь бензина с воздухом в двигателе автомобиля
Газ	Твердое вещество	Пена	Дым, смог, пыль в воздухе
Жидкость	Газ	Пена	Газированные напитки, взбитые сливки
Жидкость	Жидкость	Эмульсия	Молоко, майонез, жидкие среды организма (плазма крови, лимфа), жидкое содержимое клеток (цитоплазма, кариоплазма)
Жидкость	Твердое вещество	Золь, суспензия	Речной и морской ил, строительные растворы, пасты
Твердое вещество	Газ	Твердая пена	Керамика, пенопласты, полиуретан, поролон, пористый шоколад.
Твердое вещество	Жидкость	Гель	Желе, желатин, косметические и медицинские средства (мази, тушь, помада).
Твердое вещество	Жидкость	Гель	Желе, желатин, косметические и медицинские средства (мази, тушь, помада).
Твердое вещество	Твердое вещество	Твердый золь	Горные породы, цветные стекла, некоторые сплавы

В зависимости от размеров частиц дисперсной фазы различают: грубодисперсные системы - суспензии, эмульсии, аэрозоли; коллоидные системы - гели и золи.

Суспензии – это грубодисперсная система с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсной средой. Под действием силы тяжести частицы твёрдого вещества оседают – седиментируют. Суспензии, в которых седиментация (оседание) идёт очень медленно из-за малой разности в плотности дисперсной фазы и дисперсной среды, также называют взвесями. Различные строительные взвеси называют цементными растворами. Практически значимыми строительными суспензиями являются побелка (« известковое молоко»), эмалевые краски. Особую группу составляют грубодисперсные системы, в которых концентрация дисперсной фазы велика. Примерами таких систем могут служить пасты (в том числе зубная) медицинские и косметические кремы, мази.

Эмульсии - это дисперсная система с жидкой дисперсной средой и жидкой дисперсной фазой. Из применяемых в практической деятельности человека эмульсий можно назвать некоторые смазочно-охлаждающие жидкости, пестицидные препараты, битумные материалы, лекарственные и косметические средства, пищевые продукты. Типичная биологическая эмульсия – это капельки жира в лимфе

Коллоидные системы

Важнейшими типами коллоидных систем являются золи (коллоидные растворы) и гели ( студни ).

Золи – это коллоидные системы, в которых дисперсной средой является жидкость, а дисперсной фазой - твёрдое вещество. Для золей характерно явление коагуляции, т. е. слипания коллоидных частиц и выпадения их в осадок. В результате действия силы тяжести такие частицы выпадают в осадок, происходит их седиментация. Кроме коагуляции при длительном хранении гидрофильные золи могут превращаться в гели.

Гели – это коллоидные системы, в которых частицы дисперсной фазы образуют пространственную структуру.

Гели широко распространены в нашей жизни. Для некоторых из них характерно явление синерезиса – самопроизвольного расслоения жидкости, так как со временем

22

структура гелей разрушается. Синерезис определяет сроки годности пищевых, медицинских и косметических гелей.

Классификация гелей

Пищевые Косметические Минеральные

сыр, хлеб, мармелад гели для душа, опал, жемчуг,

Торт, «Птичье молоко» гели после бритья, сердолик, халцедон

Зефир, желе, холодец. кремы, пасты

Биологические Медицинские

хрящи, сухожилия, мази, пасты

волосы, ткани

Задание. Внимательно прочесть теоретическую часть по теме:

«Строение вещества» и ответить письменно на контрольные

вопросы по данной теме, записав ответы на них в отчёте.

Получить у лаборанта материалы и оборудование. Выполнить

опыты №2 и №3, №4 .Написать отчёт в соответствии с требованиями,

предъявляемыми к его оформлению

Описание лабораторного оборудования

Материалы Оборудование

мел микропробирки 2шт.

моторное масло : фарфоровая ступка

зубная паста, пробиркодержатель

крем (для тела, лица, рук),

желейные конфеты, зефир,

конфеты «птичье молоко» и другое

Методика выполнения задания

Опыт 2. Приготовление суспензии карбоната кальция

В пробирку налейте 4-5 капель свежеприготовленного раствора

гидроксида кальция (известкой воды) и осторожно через трубочку

продувайте через него выдыхаемый воздух.

Известковая вода мутнеет в результате протекании реакции:

Са(ОН)₂ + СО₂ = СаСО₃ + Н₂О

Опыт 3. Получение эмульсии моторного масла

Поместить в пробирку 4 капли моторного масла и 10 капель воды. Содержимое пробирки энергично взболтать до образования мутно-желтого коллоидного раствора. Полученный раствор отстоять в течение 2 минут. Наблюдать за произошедшими изменениями.

23

Опыт 4. Ознакомление со свойствами дисперсных систем

Приготовьте небольшую коллекцию образцов дисперсных систем из имеющихся дома суспензий, эмульсий, паст и гелей. Каждый образец снабдите фабричной этикеткой.

Поменяйтесь с соседом коллекциями и затем распределите образцы коллекции в соответствии с классификацией дисперсных систем.

Ознакомьтесь со сроками годности пищевых, медицинских и косметических гелей. Каким свойством гелей определяется срок их годности?

Контрольные вопросы для самопроверки

Вариант 1

1.В случае морской пены дисперсная фаза: а) твердая б) жидкая в) газообразная

2. Смог – это: а) золь б) гель в) пена г) аэрозоль 3. К эмульсиям относятся: а) мыльный раствор б) морской ил в) молоко г) лимфа 4.Деление растворов на истинные и коллоидные обусловлено: а) цветом б) температурой в) размером частиц г) прозрачностью 5. Дисперсная фаза – это: а) вещество, которого в дисперсной системе больше б)вещество, которого в дисперсной системе меньше в) смесь всех веществ, которые содержит дисперсная система г) вещество, с размером частиц менее 1 нм

Вариант 2 1.В случае пористого шоколада дисперсная среда: а) твёрдая б) жидкая в) газообразная 2. Дым – это: а) золь б) гель в) аэрозоль г) пена 3. Явление коагуляции характерно: а) для золей б) гелей в) эмульсий г) аэрозолей 4. В случае чугуна дисперсная фаза: а)твёрдая б)жидкая в) газообразная 5. Кисель – это: а) истинный раствор б) коллоидный раствор в)аэрозоль г) взвесь

Вариант 3

1.Дайте определение, что такое золи, гели? 2. На какие подгруппы можно разделить гели? 3. Чем определяется срок годности косметических, медицинских и пищевых гелей? 4.Охарактеризуйте понятие «золи». На какие группы делят золи? Приведите примеры и расскажите об их значении 5.Охарактеризуйте явления коагуляции и синерезиса

24 6. Какое практическое значение имеет синерезис в промышленном производстве? 7. Охарактеризуйте понятие «гели». На какие группы делят гели? Приведите примеры каждой из групп гелей и расскажите об их значении

Требования к содержанию и оформлению отчёта по лабораторной работе

Запишите в журнал лабораторно-практических занятий:

1. Наименование опыта

2. Краткое описание опыта

3. Наблюдения

4. Вывод к работе

Список литературы и интернет - источников

Учебник О.С. Габриелян для СПО, 2008, с. 58 - 64

25

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3