Морозова Елена Германовна , кандидат химических наук Введение в естествознание (учебное пособие) Рецензент: кандидат геолого-минералогических наук, священник Константин Буфеев Учебное пособие представляет собой курс естествознания, который может быть использован в системе высшего гуманитарного и среднего общего образования.
Де Шанкуртуа, Ньюлендс и Мейер открыли проявления периодичности изменения свойств элементов в зависимости от их атомного веса. Однако они не смогли создать единую периодическую систему всех элементов, поскольку в открытых ими закономерностях многие элементы не находили своего места. Никаких серьезных выводов из своих наблюдений этим ученым также сделать не удалось, хотя они чувствовали, что многочисленные соотношения между атомными весами элементов являются проявлениями общего закона.
Этот общий закон был открыт великим русским химиком Дмитрием Ивановичем Менделеевым (1834-1907) в 1869 г. Менделеев сформулировал периодический закон в виде следующих основных положений. Элементы, расположенные по величине атомного веса, представляют явственную периодичность свойств. Должно ожидать открытия еще многих неизвестных простых тел, например, сходных с AI и Si элементов с атомным весом 65-75.
Величина атомного веса элемента иногда может быть исправлена, зная его аналогии. Некоторые аналогии элементов открываются по величине веса их атома. Первое положение было известно еще до Менделеева, однако именно Менделеев придал ему характер всеобщего закона, предсказав на его основе существование еще не открытых элементов, изменив атомные веса ряда элементов и расположив некоторые элементы в таблице вопреки их атомным весам, но в полном соответствии с их свойствами (главным образом, валентностью). Положения (2)-(4)
открыты только Менделеевым и являются логическими следствиями из периодического закона. Правильность этих следствий, подтвержденная многими опытами в течение последующих двух десятилетий, позволила говорить о периодическом законе как о строгом законе природы. В коротком варианте периодическая система состоит из 7 периодов (10 рядов) и 8 групп.
Периодом называется наименьшая последовательность элементов, которая начинается щелочным металлом (или водородом) и заканчивается инертным газом. Первый период содержит 2 элемента, второй и третий — по 8, четвертый и пятый — по 18, шестой — 32 и седьмой (незавершенный) — 23 элемента. Атомы химических элементов взаимодействуют друг с другом и образуют молекулы.
Молекула — это наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами (определение Канницаро, 1860 г.). С современной точки зрения молекула — это наименьшая электронейтральная замкнутая совокупность атомов, образующих определенную структуру с помощью химических связей. Атомы в молекуле взаимодействуют друг с другом и не взаимодействуют с атомами других молекул.
Система взаимодействующих атомов, имеющая заряд, называется молекулярным ионом. Индивидуальные молекулы существуют только в газовой фазе. Например, пары воды состоят из молекул Н2О, которые отделены друг от друга значительными расстояниями и химически не взаимодействуют. В жидкой воде или во льду между молекулами Н2О образуются водородные связи, которые связывают их в агрегаты.
Поэтому вода уже не является замкнутой системой и не может считаться молекулой. В газовой фазе существует огромное число самых разнообразных молекул, поскольку, в принципе, любой атом может при определенном возбуждении реагировать с любым другим атомом или молекулой. Получены и подробно исследованы такие любопытные молекулы и ионы, как NaK , Не2, НеАг, Н3+, Na 4, Аг, Н2О, HCI , СО2 и др.
Вещество — это любая совокупность атомов и молекул, находящаяся в определенном агрегатном состоянии. Вещества бывают простые и сложные. В состав простых веществ входят атомы только одного элемента. Сложные вещества, или химические соединения, содержат атомы нескольких элементов. Очень важно различать понятия «химический элемент» и «простое вещество».
Например, углерод как простое вещество характеризуется определенными физическими и химическими свойствами. Углерод как химический элемент— это просто вид атомов с зарядом ядра +6, которые могут входить в состав простых веществ (графит, алмаз и др.) или сложных веществ (сода, углекислый газ, уксусная кислота). Многие элементы образуют несколько простых веществ, различающихся составом или строением.
Это явление называется аллотропией, а соответствующие простые вещества — аллотропными модификациями. В качестве примера можно привести элемент кислород, который имеет две аллотропные модификации — кислород О2и озон О3, и элемент углерод, который образует 4 простых вещества — алмаз, графит, карбин и фуллерен С60. Современные химические символы придумал шведский химик Йене Якоб Берцелиус (1779-1848)
, который предложил обозначать элемент первой буквой его латинского названия. Если эта буква уже занята другим элементом, то добавляется вторая буква. Так, углерод, известный человеку с незапамятных времен, обозначается буквой С (Carboneum ), а кальций и хлор, открытые намного позже, — двумя буквами, Са (Calcium ), CI (Chlorum ), соответственно.
Состав соединений обозначается с помощью химических формул, которые состоят из символов элементов и подстрочных индексов, указывающих число атомов данного элемента в составе молекулы. Химические формулы газообразных вещества отражают состав молекулы (Н2, Не, COCI ,, О3), а формулы твердых и жидких веществ, как правило, описывают простейшее соотношение атомов элементов (CaS , С, Н2О).
Превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и (или) строения, называются химическими реакциями. При химических реакциях ядра атомов не затрагиваются, и число атомов каждого элемента сохраняется. Классификация химических реакций осуществляется по многим признакам: по типу превращения (реакции соединения, разложения, обмена), по тепловому эффекту (экзо- и эндотермические реакции), по степени превращения веществ (обратимые и необратимые реакции).