Общая химия. 
Химия

ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА И СТРОЕНИЕ АТОМА

Изучив материал данной главы, вы будете:

знать

• • современную формулировку Периодического закона Д. И. Менделеева;
• • основные закономерности изменения свойств химических элементов в группах и периодах Периодической таблицы;

уметь

• • составлять электронные конфигурации атомов с указанием валентных электронов;
• • давать общую характеристику химических элементов главных и побочных подгрупп и их соединений по положению в Периодической системе с учетом строения атома.

Атомы и химические элементы

Человек живет в весьма сложном мире, характеризующемся не только разнообразием всевозможных объектов природы и искусственно создаваемых изделий, но и их изменчивостью. Изменения, затрагивающие материал каких-либо объектов, относятся к области, изучаемой химией.

Химия — это наука о веществах, их строении, свойствах и превращениях.

Вещества (материалы) и все, что из них состоит, имеют способность дробиться и разрушаться. Собственный опыт позволяет каждому вспомнить примеры разрушения и измельчения камня, древесины, металла и т. д.

Подобные наблюдения позволили мыслителям Древней Греции сформировать представления о пределах дробления вещества, об атомах как мельчайших неделимых частицах. Однако даже на современном уровне знаний достоверно неизвестны такие мельчайшие частицы, которые не могли бы делиться далее. Тем не менее представление об атомах как неделимых частицах сохранилось, приобретя строгое научное содержание.

Газообразные вещества при обычных условиях^[1][2][3] состоят из свободно движущихся микрочастиц — молекул. Сильное нагревание газов ведет к распаду молекул на еще меньшие частицы, которым и присвоено название «атом». Известны шесть газообразных веществ: гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон, атомы которых вообще не образуют молекул. Жидкие и твердые вещества при нагревании также переходят в газообразное состояние в виде молекул, но при температуре 4000— 5000 °C даже самые устойчивые молекулы распадаются на отдельные атомы. В газе на уровне видимой поверхности Солнца (5800 °С) имеются только несвязанные между собой атомы.

Важнейшая отличительная особенность атомов состоит в том, что из них в процессе охлаждения вновь образуются молекулы, и в соответствующих условиях получаются определенные вещества. Это означает, что атомы при любых химических превращениях сохраняются: они не делятся на части, не укрупняются, не исчезают; атом одного вида не превращается в атом другого вида. Все это позволяет рассматривать атом как наибольшую (а не наименьшую, как часто можно встретить в книгах) микрочастицу вещества, сохраняющуюся при химических превращениях. Это выражается в знакомых вам уравнениях химических реакций: число атомов каждого вида слева и справа от знака равенства одинаково.

Атом представляет собой сложную микрочастицу, состоящую из тяжелого (более 99,97% всей массы атома) ядра и удерживаемых его притяжением, непрерывно движущихся легких электронов. Ядро атома образовано микрочастицами двух видов — протонами и нейтронами. Протоны имеют положительный электрический заряд, чем и обусловлено притяжение отрицательно заряженных электронов. Атом в целом — электронейтральная частица. Перечисленные микрочастицы трех видов, составляющие атом, называют субатомными. Важнейшие свойства субатомных частиц приведены в табл. 1.1. Следует обратить внимание на то, что масса как протонов, так и нейтронов близка к единице (в атомных единицах массы). Поэтому масса атомного ядра и всего атома близка к целому числу, равному суммарному числу протонов и нейтронов; эту сумму называют массовым числом.

Таблица 1.1

Субатомные частицы

Примечание. В качестве атомной единицы массы (а.е.м.) принята 1/12 массы атома изотопа ¹²С.

Объяснение сложной структуры атома и законов движения и взаимодействия электронов, протонов и нейтронов явилось гигантским достижением науки прошлого века. Однако так и остается не выясненным вопрос о причине существования атомов и управляющих ими законах.

Химический элемент — это совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра.

Химический элемент — важнейшее понятие химии. Порядковый номер элемента в Периодической таблице Д. И. Менделеева совпадает с зарядом ядра атома.

Атомы с одинаковым зарядом ядра могут содержать разное число нейтронов и различаться по массе. Вследствие этого в науке возникло понятие «нуклид».

Нуклид — это совокупность атомов с одинаковым зарядом и массой ядра.

В составе химического элемента может быть несколько нуклидов. Такие нуклиды называют изотопами.

Химические элементы обозначают символами. Для обозначения нуклидов или изотопов к символу слева добавляют нижний индекс — заряд ядра и верхний индекс — массовое число. Некоторые элементы представлены в природе одним изотопом (фтор, алюминий); у олова число природных изотопов достигает 10. Химический элемент углерод состоит из трех изотопов: (98,9%), (1,1%) и (следы).

Пример 1.1.

Определите заряд ядра, число протонов, нейтронов и электронов в атомах изотопов кремния^jSi, f|Si, f^Si.

В Периодической таблице Д. И. Менделеева порядковый номер кремния 14. Следовательно, атомы кремния содержат 14 протонов и 14 электронов. Число нейтронов (JV) равно разности между массовым числом (А) и числом протонов {Z)N = A-Z. Таким образом, в изотопах кремния f|Si, ^|Si,^Si имеется 14, 15 и 16 нейтронов соответственно.

Важная характеристика атома — его масса. За атомную единицу массы (а.е.м.) принята 1/12 массы атома углерода ¹²С:

Относительная атомная масса {А_г) химического элемента — это отношение массы атома к атомной единице массы.

Относительные атомные массы химических элементов (далее для краткости — атомные массы) близки к целым числам, если в природе данные элементы представлены только одним изотопом или содержание одного из изотопов сильно преобладает над другими, как, например, в случае углерода. Для некоторых элементов содержание отдельных изотопов в природной смеси сопоставимо, и тогда атомная масса существенно отличается от целого числа.

Пример 1.2.

Рассчитайте массовые доли изотопов^С1 и f^Cl в природном хлоре.

Зная, из каких изотопов состоит природный хлор и атомную массу хлора, можно сделать вывод, что в природе преобладает легкий изотоп хлора, так как среднее значение А_г = 35,453 ближе к 35, чем к 37. Представим известные и неизвестные характеристики для 1 моля (35,453 г) хлора в виде следующей схемы:

Составим систему уравнений:

Решая систему, получим х = 0,7735 моль, у = 0,2265 моль.

Рассчитаем массовые доли изотопов:

Таким образом, массовая доля изотопа^С1 равна 76,4%, изотопа^С1 — 23,6%.

Чтобы понять причину удивительной устойчивости атомных ядер при химических реакциях, рассмотрим пример.

Пример 1.3.

Алюминий в природе представлен одним изотопом с массовым числом 27, однако точное значение его относительной атомной массы А,. = 26,98 154. Совпадает ли это значение с суммой масс частиц в атоме алюминия?

Ядро алюминия состоит из 13 протонов и 14 нейтронов. Масса как протона, так и нейтрона превышает 1 а.е.м., поэтому суммарная масса 27 этих частиц и еще 13 электронов заведомо больше 27. Рассчитаем эту суммарную массу (см. данные табл. 1.1):

Недостаток атомной массы составляет.

На 1 моль (27 г) алюминия, образовавшегося из протонов, нейтронов и электронов, недостаток массы составляет более 242 мг! Эта масса теряется в результате выделения энергии связи в образующемся устойчивом атомном ядре (согласно формуле Эйнштейна Е = тс²). Энергия, выделяющаяся при химических реакциях, на много порядков меньше и не может вызвать поддающееся обнаружению изменение массы реагирующих веществ. Поэтому и действует эмпирический (установленный на основе эксперимента) закон сохранения массы в химии. Однако если, например, можно было бы взвесить 665 тыс. т угля с точностью до 0,1 г, сжечь его в кислороде, масса которого точно известна, и точно определить массу образовавшегося углекислого газа, то была бы обнаружена такая же убыль массы, как вычислено для 27 г алюминия.

Однако не все атомные ядра устойчивы. Химические элементы начиная с полония (№ 84) радиоактивны; их ядра спонтанно (без какого-либо воздействия) выбрасывают заряженные частицы и кванты у-излучения, превращаясь в ядра других элементов. Для радиоактивных превращений записывают уравнения реакций, похожие на уравнения химических реакций, но в них не сохраняются химические элементы; обязательно сохраняются массовое число и электрические заряды; например:

Атом радиоактивного элемента (металла) радия выбрасывает из своего ядра ядро гелия (его называют а-частицей) и превращается в атом другого радиоактивного элемента — радона. Скорость этого превращения характеризуется периодом полураспада 1600 лет. Можно подсчитать, что при такой скорости в 1 г радия ежесекундно распадаются 1,2 • 10^й атомов.

Ядерные реакции идут также при участии нейтронов и разогнанных в ускорителях до околосветовых скоростей протонов, электронов и ядер разных атомов. В результате получают радиоактивные изотопы всех известных в природе элементов, а также атомы не существующих в природе трансурановых (следующих за ураном) элементов. Эти искусственно полученные элементы постепенно заполняют пустые клетки в седьмом периоде Периодической таблицы Д. И. Менделеева.

Вопросы и задания

• 1. Что является предметом изучения химии?
• 2. Охарактеризуйте понятия «атом», «химический элемент».
• 3. Какие субатомные частицы составляют атом?

• 4. Как определяют заряд ядра, число электронов в атоме?
• 5. Как рассчитать число протонов и нейтронов в ядре данного атома?
• 6. Дайте определение понятия «изотоп». Назовите химические элементы, имеющие природные изотопы.
• 7. Назовите химические элементы, ядра атомов которых содержат 8 и 13 протонов.
• 8. Укажите число субатомных частиц в атомах фосфора и кальция.

• [1] Под обычными условиями подразумевают те значения температуры и давления,
• [2] при которых человек может существовать без герметичных изолирующих приспособле
• [3] ний — скафандров.