Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:А ты хочешь знать химию. Учебно-справочное пособие для старшеклассников и абитуриентов
.pdf
Атомы — электрически нейтральные частицы, так как
общий отрицательный заряд всех электронов нейтрализуется зарядом ядра атома.
Атом натрия Na
22s22p63s1
1s
o
Атом хлора Clo
1s22s22p63s23p
5
+11 + (–11) = 0 +17 + (–17) = 0
11 электронов 17 электронов
При данном взаимодействии электрон с 3 s-орбитали атома натрия переходит на 3 р-орбиталь атома хлора. При этом
атом натрия превращается в положительно заряженный ион
натрия, а атом хлора в отрицательно заряженный ион хлора — хлорид-ион.
Ион натрия Na
+
Ион хлора Cl
1s22s22p6 1s22s22p63s23p
-
6
+11 + (–10) = +1 +17 + (–18) = –1
10 электронов 18 электронов
Ионы — заряженные частицы, в которые превращаются
атомы, отдавая или принимая электроны.
Обращаем внимание на то, что ион натрия имеет строение
электронных оболочек такое же, как и у ближайшего инертного газа — неона (1s
электронных оболочек такое же, как у аргона (1s
22s22p6
), а хлорид-ион имеет строение
22s22p63s23p6
),
т. е. ионы приобретают устойчивые, более энергетически
выгодные электронные системы (оболочки инертного газа).
Ионная химическая связь — это взаимодействие между
заряженными частицами (ионами), обусловленное
электростатическими силами взаимного притяжения.
Ионные соединения — вещества, состоящие из ионов,
образованных при взаимодействии металлов и неметаллов.
Примеры ионных соединений, т. е. веществ, в которых
существует ионная связь:
хлорид натрия разность ЭО 3,0 – 0,9
оксид кальция - » - ЭО 3,5 – 1,0
нитрид лития - » - ЭО 3,0 – 1,0
= 2,1
= 2,5
= 2,0
Теперь мы знаем, что вещества могут состоять не
только из молекул, но и из ионов. Ионную связь можно
рассматривать как частный случай ковалентной связи, а
поэтому нельзя провести чёткой границы между ионными
соединениями и веществами с полярной ковалентной
связью.
111
§ 47. Металлическая связь
Ковалентная химическая связь возникает преимущественно при взаимодействии между атомами неметаллов, возникно вение ионной связи характерно при взаимодействии типичных металлов с типичными неметаллами. Особый вид химической связи образуется в металлах — металлическая
связь. Строение атомов металлов характеризуется тем, что
они на внешнем слое имеют малое число электронов при
наличии избытка свободных валентных орбиталей. В металлах электроны приобретают способность свободно перемещаться между ядрами в пространстве именно благодаря наличию свободных орбиталей. Свободные электроны (электронный
газ) непрерывно перемещаются между положительно
заряженными ионами металла (которые и образовались из-за
того, что электроны отошли от атомов металла и атомы
превратились в ионы). Согласно современным теориям металлы состоят из положительно заряженных ионов (структурных частиц), находящихся в электронном газе.
Между отрицательно заряженными свободными электронами и положительно заряженными ионами металлов действуют электростатические силы взаимного притяжения и
отталкивания, которые и обеспечивают связь между
электронами и положительно заряженными ионами металлов
и этот вид химической связи называют металлической
связью.
Металлическая связь — это взаимодействие между свободными электронами, образующими электронный газ в металлах, и положительно заряженными ионами металла.
§ 48. Кристаллические решётки
Кристалл — это твёрдое тело правильной формы.
Внешняя правильная форма кристалла обусловлена
правильным расположением структурных частиц (молекул,
атомов, ионов) внутри кристалла. Структурные частицы —
это название происходит от английского слова «structure»,
что в переводе означает «строение», следовательно, структурные частицы — это частицы, из которых состоит вещество.
Правильное расположение частиц подразумевает расположение частиц в соответствии с определёнными закономерностями, которые в школе не изучаются.
112
Кристаллическая решётка — это правильное располо-
жение структурных частиц, образующих данное вещество.
Узлы кристаллической решётки — это точки пересечения воображаемых линий, проходящих через центры частиц;
узлы кристаллической решётки — это месторасположения
структурных частиц в кристалле.
Различают четыре типа кристаллических решёток. Основанием для классификации, т. е. признаком, по которому
кристаллические решётки могут быть разбиты на группы,
типы, является вид структурной частицы, находящейся в
узлах кристаллической решётки.
Кристаллические решётки
ионная атомная металлическая
Ионная
кристаллическая
решётка
Атомная
кристаллическая
решётка
Металлическая
кристаллическая
решётка
Молекулярная кристаллическая решётка — это такая
кристаллическая решётка, в узлах которой находятся молекулы.
Ионнная кристаллическая решётка — это такая кристаллическая решётка, в узлах которой находятся ионы.
Атомная кристаллическая решётка — это такая кристаллическая решётка, в узлах которой находятся атомы.
Металлическая кристаллическая решётка — это такая кристаллическая решётка, в узлах которой находятся
положительно заряженные ионы металлов.
Свойства веществ зависят от строения вещества. Строение вещества определяется типом кристаллической решётки.
Тип кристаллической решётки вытекает из вида химической связи.
113
Сначала рассмотрим вещества с молекулярной кристал-
лической решёткой. Этот тип кристаллической решётки ха-
рактерен для веществ с ковалентным видом связи. Между молекулами действуют межмолекулярные силы взаимного притяжения и отталкивания. Эти силы — слабые, а поэтому
молекулярная кристаллическая решётка — непрочная, а это
значит, что вещества с молекулярной кристаллической решёткой при обычных условиях могут быть твёрдыми, например, сахар — твёрдое вещество с низкой температурой плавления; иод — твёрдое летучее вещество; жидкими, например, вода — летучее вещество; газами, например, кислород,
азот, углекислый газ. Обратим внимание на то, что вещества с
молекулярной кристаллической решёткой могут быть при
обычных условиях в трёх агрегатных состояниях и обладают
низкими температурами плавления и летучестью.
Теперь рассмотрим ионные соединения, имеющие ионную
кристаллическую решётку. Такие кристаллические решётки образуют соединения с ионным видом связи. Между ионами действуют электростатические силы взаимного притяжения и отталкивания между заряженными частицами. Эти
силы достаточно велики, а поэтому ионные кристаллические
решётки — прочные, а это, в свою очередь, означает, что ионные соединения — твёрдые, нелетучие и тугоплавкие вещества. Примеры ионных соединений: соли, основания и др.
Алмаз и графит — это примеры веществ с атомной кристаллической решёткой. Это значит, что они состоят из ато-
мов, свзанных между собой ковалентными химическими связями. Природа любой химической связи, как мы уже знаем,
электрическая, а это значит, что в атомной кристаллической
решётке действуют электростатические силы взаимного притяжения и отталкивания между заряженными частицами.
Эти силы — большие, а поэтому атомные кристаллические
решётки — прочные, а это значит, что вещества — твёрдые,
нелетучие и тугоплавкие.
В металлической кристаллической решётке также действуют электростатические силы взаимного притяжения и
отталкивания между положительно заряженными ионами
металлов и электронами, образующими электронный газ. Но
величина этих сил зависит от величины действующих зарядов, которые, в свою очередь, зависят от числа валентных
электронов, участвующих в образовании металлической связи. Металлы, имеющие малое число валентных электронов
(металлы главных подгрупп 1, 2 и 3-й групп), имеют доста-
114
точно низкие температуры плавления. К легкоплавким металлам можно отнести щелочные металлы. Металлы, имеющие большое число валентных электронов (металлы побочных подгрупп — переходные металлы), имеют достаточно
высокие температуры плавления. К тугоплавким металлам
относят, например, хром, железо, вольфрам и др. Но, в общем, решётка металлов достаточно прочная, а поэтому металлы — твёрдые нелетучие вещества (исключение: ртуть), температура плавления которых зависит от числа валентных
электронов.
Строение металлов характеризуется наличием свобод-
ных блуждающих электронов, которые обусловливают особые металлические свойства: непрозрачность, металличе-
ский блеск, электропроводность, ковкость и пластичность.
Вопросы и задания
по теме «Строение вещества»:
1. Как связаны со строением атома: а) химическая инертность бла-
2. Что заставляет атомы объединяться в молекулы определённого
состава, т. е. быть химически связанными друг с другом?
3. Что означает понятие «возникновение химической связи»?
4. Как осуществляется связь между атомами?
5. Какие силы действуют между электронами и ядрами в атомах
и молекулах?
6. Как количественно характеризуется прочность химической
связи?
7. Какие виды химических связей вы знаете?
8. Что такое ковалентная связь?
9. Что такое электроотрицательность?
10. Как изменяется электроотрицательность в периодах и главных подгруппах с возрастанием порядкового номера элемента?
11. Какой самый электроотрицательный элемент?
12. Какие виды ковалентной связи вы знаете?
13. Для каких элементов характерно образование веществ с ковалентной связью?
14. В каких веществах существует неполярная ковалентная
связь? Пример вещества.
15. В каких веществах существует полярная ковалентная связь?
Пример вещества.
16. Чем полярная ковалентная связь сходна с неполярной и чем
отличается от неё?
17. Что такое ион?
115
18. Что такое ионная связь?
19. Для каких элементов характерно образование веществ с ион-
ным видом связи?
20. Что такое кристаллическая решётка?
21. Что такое ионная кристаллическая решётка?
22. Какими свойствами обладают вещества с ионной кристалли-
ческой решёткой? Почему? Приведите пример веществ с ионной
кристаллической решёткой.
23. Что такое молекулярная кристаллическая решётка?
24. Какой вид химической связи существует в веществах с моле-
кулярной кристаллической решёткой?
25. Какими свойствами обладают вещества с молекулярной кри-
сталлической решёткой? Почему? Приведите пример вещества с
молекулярной кристаллической решёткой.
26. Что такое атомная кристаллическая решётка?
27. Какой вид химической связи существует в веществах с атом-
ной кристаллической решёткой?
28. Какими свойствами обладают вещества с атомной кристалли-
ческой решёткой? Почему? Приведите пример вещества с атом-
ной кристаллической решёткой.
29. Что такое металлическая кристаллическая решётка?
30. Какими свойствами обладают вещества с металлической кри-
сталлической решёткой? Почему? Приведите пример вещества с
металлической кристаллической решёткой.
31. Почему кристаллы ионных соединений в отличие от металлов
не проводят электрический ток?
32. Какие свойства металлов обусловлены наличием свободных
электронов в кристаллической решётке металлов?
116
Глава 8
Степень окисления.
Окислительно-восстановительные реакции
§ 49. Степень окисления
Наряду с понятием валентность в химии используется по-
нятие степень окисления.
Таблица 11
Возможные степени окисления серы
0
S
+16 + (–16) = 0 +16 + (–18) = –2 +16 + (–12) = +4 +16 + (–10) = +6
H2S S-2SO
S+4SO
2
S
3
+6
Заряд ядра
Общий заряд
всех электронов
В атоме 16
Заряд ядра
Общий заряд
всех электронов
В атоме 18 В атоме 12 В атоме 10
Заряд ядра
Общий заряд
всех электронов
Заряд ядра
Общий заряд
всех электронов
Степень окисления — это величина, которая характеризует (показывает) состояние атома числом электронов, условно отданных или принятых атомом при взаимодействии с
другим атомом.
В простом веществе степень окисления элемента равна 0,
так как простое вещество состоит из атомов одного элемента,
то величина значений электроотрицательности у атомов будет одна и та же, а это значит, что ни один из атомов не будет
перетягивать на себя электронную плотность, т. е. она равномерно распределена между атомами. В атомах простых веществ общий отрицательный заряд всех электронов нейтрализуется зарядом ядра (1-я колонка табл. 11).
В состав сложных веществ входят атомы разных элементов, которые обладают разной электроотрицательностью, а
это значит, что в данном случае можно говорить о смещении
электронной плотности в сторону элемента с наибольшей величиной электроотрицательности. Условились считать,
что даже в соединениях с ковалентной связью происходит
не просто смещение электронной плотности, а переход
электронов на более электроотрицательный элемент от
элемента с меньшей электроотрицательностью.
117
Так, например, в сероводороде H2S большую электроотрицательность имеет сера (запомним правило: в химических
формулах наиболее электроотрицательный элемент записывают на последнем месте). Будем считать, что сера принимает
на себя электроны от водорода при образовании сероводорода,
причём каждый атом серы примет только два электрона, т. е.
столько, сколько нехватает её атому для завершения наружного слоя, т. е. до восьми. В таком случае каждый атом серы
приобретёт два электрона (две дополнительные отрицательные частицы), а заряд ядра остаётся неизменным при химических реакциях. Следовательно, сера в сероводороде имеет степень окисления –2 (см. 2-ю колонку табл. 11). Отрицатель-
ная степень окисления — величина постоянная. Сколько
электронов принимают на себя все атомы одного элемента,
столько электронов в целом теряют все атомы другого элемента. Степень окисления водорода равна +1, так как каждый
атом серы снимает два электрона с двух атомов водорода, а
значит с каждого атома водорода снимает по одному электрону. При неизменном заряде ядра в атоме водорода становится
на одну отрицательную частицу меньше. Степень окисления
определяется аналогично тому, как определяется валентность
элемента по формуле и известной валентности другого элемента. Рассмотрим ещё один пример: определим степень окисления алюминия в оксиде алюминия Al
: начнём решение с
2O3
атома кислорода, так как он записан на последнем месте в
формуле оксида алюминия — это указывает на то, что из данных двух элементов кислород более электроотрицателен, а
это значит, что каждый атом кислорода будет оттягивать от
атома алюминия на себя два электрона, а поэтому степень
окисления кислорода будет равна –2; в формуле три атома
кислорода, а это значит, что три атома будут принимать на
себя от двух атомов алюминия 6 электронов, следовательно,
каждый атом алюминия будет терять по три электрона, а это,
в свою очередь, означает, что в атоме алюминия при потере
отрицательных частиц (каковыми являются электроны) появится избыток положительных частиц и степень окисления
алюминия будет +3.
+ –2 +3 –2
H2S Al2O
2 =2 6 =6
118
3
§ 50. Окислительно-восстановительные реакции
При изучении этой темы необходимо вспомнить, как составить
определение того или иного понятия на основе родового понятия
(обобщающего слова) и видового отличия, т. е. тех отличительных
признаков, которые позволяют отличить одно вещество (или один
элемент) от другого, используя прогностическую роль суффиксов.
Необходимо понять и запомнить значение приведённых ниже
слов, которые записываем на доске и в тетрадях:
Окислить — снять электроны с другого элемента.
Окислиться — отдать электроны другому элементу. (Частица ся
указывает на то, что элемент сам отдаёт электроны.)
Окисление — процесс, при котором элемент отдаёт электроны.
Восстановить — отдать электроны другому элементу.
Восстановиться — взять себе электроны, снимая их с другого
элемента.
Восстановление — процесс, при котором элемент принимает
электроны.
Рассмотрев значение указанных слов, вы самостоятельно
и вполне осознанно можете составить определение понятий
«окислитель», «восстановитель» и «окислительно-восстановительные реакции». Сверить составленные вами определения
можно по образцам, приведённым ниже.
Восстановитель — элемент, который отдаёт электроны
другому элементу (на восстановление этого элемента), а сам
при этом окисляется.
Окислитель — элемент, который снимает электроны с
другого элемента, а сам при этом восстанавливается.
Окислительно-восстановительные реакции — это реакции, в которых изменяются степени окисления элементов вследствие перехода электронов от одного элемента к
другому.
Рассмотрим уравнение окислительно-восстановительной
реакции и расстановку в нём коэффициентов с использованием схемы электронного баланса на примере взаимодействия
алюминия с кислородом:
0 0 +3 –2
Al + O2 = Al2O
3
Окисление — процесс, при котором элемент лишается
электронов.
119
Восстановление — это процесс, при котором элемент
приобретает электроны.
Элемент может лишиться электронов по разному: элемент
сам отдаёт электроны (окисляется) или с него снимают
электроны (его окисляют). Но элемент может и приобрести
электроны по разному: элемент сам снимает электроны с
другого элемента и принимает их на свою электронную оболочку (восстанавливается) или ему отдают электроны (его
восстанавливают). В нашем примере с алюминия кислород
снимает электроны, т. е. мы можем сказать, что кислород
окисляет алюминий, и, значит, является окислителем. Кислород, снимая электроны с алюминия, принимает их на свою
электронную оболочку, т. е. приобретает электроны, а это значит, что кислород восстанавливается.
Но мы можем рассмотреть этот процесс с другой стороны, т. е. элемент может сам отдать электроны. В нашем
примере можно считать, что алюминий сам отдаёт электроны кислороду, т. е. сам окисляется и отдаёт эти электроны
на процесс восстановления кислорода, т.е. является восстановителем.
Схема электронного баланса составляется с целью расста-
вить коэффициенты в уравнении реакции и называется она
так, потому что должен быть баланс электронов, т. е. число
электронов, которые отдают один элемент, должно быть равно числу электронов, которые принимает другой элемент.
В нашем примере каждый атом алюминия отдаёт 3 электрона, а каждый атом кислорода может принять на свою внешнюю оболочку только 2 электрона, но поскольку молекула
кислорода состоит из двух атомов, то для двух атомов потребуется электронов в два раза больше — 4 электрона — баланса нет, такого быть не должно. Чтобы найти минимальное
число электронов, которое будет участвовать в данной реакции, т. е. переходить от одного элемента к другому, находим
наименьшее общее кратное для чисел 3 и 4. Для этих чисел
наименьшее общее кратное будет 12.
Следовательно, 12 электронов должно переходить от одного элемента к другому, поэтому, чтобы атомы алюминия отдавали 12 электронов мы должны поставить коэффициент — 4
(12е : 3е
= 4) в схеме электронного баланса на строчке, где есть
запись об алюминии. Чтобы атомы кислорода приняли то же
число электронов — 12 электронов, на строчке в схеме электронного баланса мы должны поставить коэффициент — 3
(12е : 4е
= 3).
120
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]