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.
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).
Открытие частиц, составляющих атом, и исследование структуры атомов а затем и молекул, знание электронного и ядерного строения атомов позволило увидеть более глубокий смысл в периодизации элементов, предложенной Д. И. Менделеевым. Из рассмотрения электронных конфигураций атомов наглядно прослеживается периодичность свойств элементов. Число электронов, находящихся на внешнем уровне в атомах элементов, располагающихся в порядке увеличения порядкового номера, объясняется периодическим изменением числа электронов на их внешних энергетических уровнях.
По числу энергетических уровней атома элементы делятся на семь периодов. Первый период состоит из атомов, в которых электронная оболочка состоит из одного уровня, во втором периоде — из двух, в третьем — из трех, в четвертом — из четырех и т. д. Каждый новый период начинается тогда, когда начинает заполняться новый энергетический уровень. В периодической системе каждый период начинается элементами, атомы которых на внешнем уровне имеют один электрон, — атомами щелочных металлов — и заканчивается элементами, атомы которых на внешнем уровне имеют 2 (в первом периоде) или 8 электронов (во всех последующих) — атомами благородных газов.
Далее мы видим, что внешние электронные оболочки сходны у атомов элементов (Li , Na , К, Rb , Cs ,); (Be , Mg , Ca , Sr ); (F , CI , Br , I ); (He , Ne , Ar , Кг, Хе) и т. д. Каждая из вышеприведенных групп элементов оказывается в определенной главной подгруппе периодической таблицы: Li , Na , К, Rb , Cs в 1 группе, F , CI , Br , I — в VII и т. д.
Именно вследствие сходства строения электронных оболочек атомов сходны их физические и химические свойства. Число главных подгрупп определяется максимальным числом элементов на энергетическом уровне и равно 8. Число переходных элементов (элементов побочных подгрупп) определяется максимальным числом электронов на d -подуровне и равна 10 в каждом из больших периодов.
Поскольку в периодической системе химических элементов одна из побочных подгрупп содержит сразу три переходных элемента, близких по химическим свойствам (так называемые триады Fe — Со — Ni , Ru — Rh — Pd , Os — I r — Pt ), то число побочных подгрупп, так же как и главных, равно 8. По аналогии с переходными элементами число лантаноидов и актиноидов, вынесенных внизу Периодической системы в виде самостоятельных рядов, равно максимальному числу электронов на f подуровне, т. е. 14.
Таким образом, строгая периодичность расположения элементов в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева полностью объясняется последовательным характером заполнения энергетических уровней. На базе современных представлений периодический закон, являющийся основой систематизации на всех уровнях химической формы движения материи, формулируется так.
Свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атома (порядкового номера), т. е. заряд ядра определяет индивидуальность элементов и их свойства. Свойства соединений зависят также от энергии связи между атомами. Энергия связи в химических соединениях Атомы элементов взаимодействуют между собой или с атомами других элементов и образуют при этом более или менее сложные частицы. Лишь немногие химические элементы (благородные газы)