Файл: 25-28.doc

25. Строение атомов и периодическая таблица д.И. Менделеева.

Состав атома.

Атом состоит из атомного ядра и электронной оболочки.  Ядро атома состоит из протонов (p⁺) и нейтронов (n⁰). У большинства атомов водорода ядро состоит из одного протона. Число протонов N(p⁺) равно заряду ядра (Z) и порядковому номеру элемента в естественном ряду элементов (и в периодической системе элементов).

N(p⁺) = Z

Сумма числа нейтронов N(n⁰), обозначаемого просто буквой N, и числа протонов Zназывается массовым числом и обозначается буквой А.

A = Z + N

Электронная оболочка атома состоит из движущихся вокруг ядра электронов (е^-). Число электронов N(e^-) в электронной оболочке нейтрального атома равно числу протонов Z в его ядре. Масса протона примерно равна массе нейтрона и в 1840 раз больше массы электрона, поэтому масса атома практически равна массе ядра.  Форма атома - сферическая. Радиус ядра примерно в 100000 раз меньше радиуса атома. Химический элемент - вид атомов (совокупность атомов) с одинаковым зарядом ядра (с одинаковым числом протонов в ядре). Изотоп - совокупность атомов одного элемента с одинаковым числом нейтронов в ядре (или вид атомов с одинаковым числом протонов и одинаковым числом нейтронов в ядре). Разные изотопы отличаются друг от друга числом нейтронов в ядрах их атомов. Обозначение отдельного атома или изотопа:  (Э - символ элемента), например: .

Строение электронной оболочки атома

Атомная орбиталь - состояние электрона в атоме. Условное обозначение орбитали - . Каждой орбитали соответствует электронное облако. Орбитали реальных атомов в основном (невозбужденном) состоянии бывают четырех типов: s, p, d и f. Электронное облако - часть пространства, в которой электрон можно обнаружить с вероятностью 90 (или более) процентов. Примечание: иногда понятия "атомная орбиталь" и "электронное облако" не различают, называя и то, и другое "атомной орбиталью". Электронная оболочка атома слоистая. Электронный слой образован электронными облаками одинакового размера. Орбитали одного слоя образуют электронный ("энергетический") уровень, их энергии одинаковы у атома водорода, но различаются у других атомов. Однотипные орбитали одного уровня группируются в электронные (энергетические) подуровни:  s-подуровень (состоит из одной s-орбитали), условное обозначение - .p-подуровень (состоит из трех p-орбиталей), условное обозначение - .d-подуровень (состоит из пяти d-орбиталей), условное обозначение - .f-подуровень (состоит из семи f-орбиталей), условное обозначение - . Энергии орбиталей одного подуровня одинаковы. При обозначении подуровней к символу подуровня добавляется номер слоя (электронного уровня), например: 2s, 3p, 5d означает s-подуровень второго уровня, p-подуровень третьего уровня, d-подуровень пятого уровня. Общее число подуровней на одном уровне равно номеру уровня n. Общее число орбиталей на одном уровне равно n². Соответственно этому, общее число облаков в одном слое равно также n².  Обозначения:  - свободная орбиталь (без электронов),  - орбиталь с неспаренным электроном,  - орбиталь с электронной парой (с двумя электронами). Порядок заполнения электронами орбиталей атома определяется тремя законами природы (формулировки даны упрощенно): 1. Принцип наименьшей энергии - электроны заполняют орбитали в порядке возрастания энергии орбиталей. 2. Принцип Паули - на одной орбитали не может быть больше двух электронов. 3. Правило Хунда - в пределах подуровня электроны сначала заполняют свободные орбитали (по одному), и лишь после этого образуют электронные пары. Общее число электронов на электронном уровне (или в электронном слое) равно 2n². Распределение подуровней по энергиям выражается рядом (в прядке увеличения энергии):

---

1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p ...

Валентные электроны - электроны атома, которые могут принимать участие в образовании химических связей. У любого атома это все внешние электроны плюс те предвнешние электроны, энергия которых больше, чем у внешних. Например: у атома Ca внешние электроны - 4s², они же и валентные; у атома Fe внешние электроны - 4s², но у него есть 3d⁶, следовательно у атома железа 8 валентных электронов. Валентная электронная формула атома кальция - 4s², а атома железа - 4s²3d⁶.

Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева (естественная система химических элементов)

Периодический закон химических элементов (современная формулировка): свойства химических элементов, а также простых и сложных веществ, ими образуемых, находятся в периодической зависимости от значения заряда из атомных ядер. Периодическая система - графическое выражение периодического закона.  Естественный ряд химических элементов - ряд химических элементов, выстроенных по возрастанию числа протонов в ядрах их атомов, или, что то же самое, по возрастанию зарядов ядер этих атомов. Порядковый номер элемента в этом ряду равен числу протонов в ядре любого атома этого элемента. Таблица химических элементов строится путем "разрезания" естественного ряда химических элементов на периоды (горизонтальные строки таблицы) и объединения в группы (вертикальные столбцы таблицы) элементов, со сходным электронным строением атомов.  В зависимости от способа объединения элементов в группы таблица может быть длиннопериодной (в группы собраны элементы с одинаковым числом и типом валентных электронов) и короткопериодной (в группы собраны элементы с одинаковым числом валентных электронов). Группы короткопериодной таблицы делятся на подгруппы (главные и побочные), совпадающие с группами длиннопериодной таблицы. У всех атомов элементов одного периода одинаковое число электронных слоев, равное номеру периода. Число элементов в периодах: 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32. Большинство элементов восьмого периода получены искусственно, последние элементы этого периода еще не синтезированы. Все периоды, кроме первого начинаются с элемента, образующего щелочной металл (Li, Na, K и т. д.), а заканчиваются элементом, образующим благородный газ (He, Ne, Ar, Kr и т. д.). В короткопериодной таблице - восемь групп, каждая из которых делится на две подгруппы (главную и побочную), в длиннопериодной таблице - шестнадцать групп, которые нумеруются римскими цифрами с буквами А или В, например: IA, IIIB, VIA, VIIB. Группа IA длиннопериодной таблицы соответствует главной подгруппе первой группы короткопериодной таблицы; группа VIIB - побочной подгруппе седьмой группы: остальные - аналогично. Характеристики химических элементов закономерно изменяются в группах и периодах.

---

В периодах (с увеличением порядкового номера)

• увеличивается заряд ядра,

• увеличивается число внешних электронов,

• уменьшается радиус атомов,

• увеличивается прочность связи электронов с ядром (энергия ионизации),

• увеличивается электроотрицательность,

• усиливаются окислительные свойства простых веществ ("неметалличность"),

• ослабевают восстановительные свойства простых веществ ("металличность"),

• ослабевает основный характер гидроксидов и соответствующих оксидов,

• возрастает кислотный характер гидроксидов и соответствующих оксидов.

В группах (с увеличением порядкового номера)

• увеличивается заряд ядра,

• увеличивается радиус атомов (только в А-группах),

• уменьшается прочность связи электронов с ядром (энергия ионизации; только в А-группах),

• уменьшается электроотрицательность (только в А-группах),

• ослабевают окислительные свойства простых веществ ("неметалличность"; только в А-группах),

• усиливаются восстановительные свойства простых веществ ("металличность"; только в А-группах),

• возрастает основный характер гидроксидов и соответствующих оксидов (только в А-группах),

• ослабевает кислотный характер гидроксидов и соответствующих оксидов (только в А-группах),

• снижается устойчивость водородных соединений (повышается их восстановительная активность; только в А-группах).

---

26. Виды химических связей.

Химическая связь — это взаимодействие частиц (атомов, ионов), осуществляемое путем обмена электронами. Различают несколько видов связи.               Ковалентная связь образуется в результате обобществления электронов (с образованием общих электронных пар), которое происходит в ходе перекрывания электронных облаков. В образовании ковалентной связи участвуют электронные облака двух атомов.           Различают две основные разновидности ковалентной связи: а) неполярную и б) полярную.           а) Ковалентная неполярная связь образуется между атомами неметалла одного и того лее химического элемента. Такую связь имеют простые вещества, например О2; N2; C12. Можно привести схему образования молекулы водорода:  (на схеме электроны обозначены точками).           б) Ковалентная полярная связь образуется между атомами различных неметаллов.           Схематично образование ковалентной полярной связи в молекуле НС1 можно изобразить так:            Общая электронная плотность оказывается смещенной в сторону хлора, в результате чего на атоме хлора возникает частичный отрицательный заряд , а на атоме водорода — частичный положительный  . Таким образом, молекула становится полярной:             Ионной называется связь между ионами, т. е. заряженными частицами, образовавшимися из атома или группы атомов в результате присоединения или отдачи электронов Ионная связь характерна для солей и щелочей. Сущность ионной связи лучше рассмотреть на примере образования хлорида натрия. Натрий, как щелочной металл, склонен отдавать электрон, находящийся на внешнем электронном слое. Хлор же, наоборот, стремится присоединить к себе один электрон. В результате натрий отдает свой электрон хлору.            В итоге образуются противоположно заряженные частицы — ионы Na+ и Сl-, которые притягиваются друг к другу. При ответе следует обратить внимание, что вещества, состоящие из ионов, образованы типичными металлами и неметаллами. Они представляют собой ионные кристаллические вещества, т. е. вещества, кристаллы которых образованы ионами, а не молекулами.               Для ковалентной неполярной, полярной и ионной связи общим является участие в образовании связи внешних электронов, которые еще называют валентными. Различие же состоит в том, насколько электроны, участвующие в образовании связи, становятся общими. Если эти электроны в одинаковой мере принадлежат обоим атомам, то связь ковалент-ная неполярная; если эти электроны смещены к одному атому больше, чем другому, то связь ковалент-ная полярная. В случае, если электроны, участвую щие в образовании связи, принадлежат одному атому, то связь ионная.           Металлическая связь — связь между ион-атомами в кристаллической решетке металлов и сплавах, осуществляемая за счет притяжения свободно перемещающихся (по кристаллу) электронов (Mg, Fe).           Все вышеперечисленные отличия в механизме образования связи объясняют различие в свойствах веществ с разными видами связей.     

---

27. Развитие структурной химии.

В первой половине XIX века зародилась принципиально новая концепция химии –структурная химия, исходящая из предпосылки о том, что свойства вещества определяются не только его составом, но и структурой, т.е. порядком соединения атомов и их пространственным расположением. Самые первые структурные представления с необходимостью возникают вместе с атомистикой Дальтона. Развивая представления о способах объединения "простых атомов" в "сложные атомы", Дальтон преследовал лишь одну цель – создать теорию для объяснения эмпирически открытых стехиометрических законов. Тем не менее, сами избранные Дальтоном символы химических элементов предполагали при изображении сложных атомов выбор определённого порядка соединения атомов между собой. Однако вопрос о порядке соединения атомов оказался отложен на довольно долгое время, поскольку химики не имели никаких фактов, указывающих на влияние способа соединения атомов на свойства вещества. Химическая символика Берцелиуса позволила обойти этот вопрос, хотя и в электрохимической теории Берцелиуса всё же рассматриваются некоторые проблемы ("силы сцепления", "соположение" и т.п.), ставшие впоследствии фундаментальными вопросами структурной химии. 

Возникновение структурной химии следует, видимо, связывать с открытием явления изомерии. В 1825 г. Иоганн Юстус фон Либих обнаружил, что элементный состав гремучей (фульминовой) кислоты в точности соответствует составу циановой кислоты, которую за год до этого получилФридрих Вёлер. Повторные анализы, проведённые Вёлером и Либихом, однозначно установили существование веществ, одинаковых по составу, но различающихся по свойствам. Продолжая работы с циановой кислотой, Вёлер, выпаривая раствор изоцианата аммония, получил в 1828 г. изомерное органическое вещество – мочевину. В 1830 г. Й. Я. Берцелиус установил, что виноградная и виннокаменная кислоты также имеют одинаковый состав, но различаются по свойствам. Берцелиус предложил для обнаруженного явления термин "изомерия" (от греческого ισοζ μερον – равной меры). Вскоре обнаружилось, что это явление чрезвычайно распространено в органической химии. В состав органических веществ входит относительно небольшое число элементов – углерод, водород, азот, кислород, сера и фосфор (т.н. элементы-органогены) – при огромном разнообразии свойств. Именно поэтому на протяжении почти всего XIX века структурные представления оказались востребованы, прежде всего, в органической химии. Следует подчеркнуть, однако, что категорически не следует отождествлять понятия "структурная химия" и "органическая химия". 

---