Что же такое химия? Все что нас окружает – это тела. Тело Вещество • Лед • Консервная банка • Гвоздь • Украшения • Воздух • Вода • Алюминий • Железо • Золото, серебро, медь • Кислород Вещества – то, из чего состоят физические тела. Свойства веществ – признаки, позволяющие отличить одни вещества от других, или установить сходство между ними Явления Сравнение физических и химических явлений Физические явления Химические явления Химия так же еще изучает свойства не только натуральных веществ, а так же искусственных (синтетических). Что же такое химия? Наука о веществах, их свойствах, превращениях веществ и явлениях, сопровождающих эти превращения Вещество состоит из более мелких частиц, называемых молекулами, а они состоят из атомов. Молекула – мельчайшая, делимая частица вещества, обладающая его свойством. Атом – мельчайшая, невидимая глазу, неделимая частица. Вещества Простые Состоят из 1 вида атомов Сложные Состоят из нескольких видов атомов Большой вклад в изучение строения атома внёс физик-экспериментатор Эрнест Резерфорд. На основе экспериментальных данных была предложена модель строения атома, которая получила название «планетарная модель строения атома». Согласно модели Резерфорда, атом состоит из очень маленького положительно заряженного ядра, размер которого в тысячи раз меньше самого атома, и электронов, которые вращаются вокруг ядра по круговым орбитам. Атом — это частица, состоящая из положительно заряженного ядра и электронной оболочки. Протон (p) — это частица с положительным зарядом Нейтрон (n) не имеет заряда Электрон (e−) имеет отрицательный заряд Протоны и электроны – притягиваются друг к другу, поэтому электроны, двигаясь вокруг ядра, не отрываются от него. Взаимодействие протонов и электронов называют электрическими. Поэтому говорят, что у них существуют электрические заряды. С увеличением числа нейтронов – увеличивается масса ядра. С увеличением числа протонов – увеличивается масса ядра и его заряд. Атом — это электронейтральная частица! Число протонов и электронов одинакова Атомы различных веществ отличаются друг от друга числом протонов, электронов и нейтронов. С увеличением числа протонов возрастают масса и заряд ядра. Число нейтронов не изменяет заряд ядра, а изменяет лишь его массу. Изменение состава ядра происходит только в сложных ядерных реакциях. Вместе с тем существует большое количество физических и химических явлений, в процессе которых от атома отрываются электроны или наоборот – присоединяются дополнительные электроны к атому. Ионы – имеют электрический заряд! Положительный ион Отрицательный ион Количество протонов превышает число электронов Количество электронов превышает количество протонов Изотопы — разновидности атомов (и ядер) химического элемента, имеющие одинаковый атомный номер, но разные массовые числа. Химический элемент — это определённый вид атомов. Атомы разных химических элементов отличаются массой, размерами, строением и свойствами. Каждый химический элемент имеет название и обозначается символом или химическим знаком. Для упрощённого обозначения химических элементов используют химическую символику. Химический элемент обозначают начальной или начальной и одной из последующих букв латинского названия данного элемента. Так, водород (лат. hydrogenium — гидрогениум) обозначают буквой Н, ртуть (лат. hydrargyrum — гидраргирум) — буквами Hg и т. д. 1 2 1. Обозначение химического элемента 2. Русское наименование 3. Порядковый номер 4. Атомная масса 5. Распределение электронов по энергетическим уровням 6. Электронная конфигурация внешнего уровня Порядковый номер элемента в периодической таблице Д.И. Менделеева равен числу протонов, а число протонов равно числу электронов. Порядковый номер = заряд атома = число электронов = число протонов Атомы химических элементов обладают массой, которая складывается из масс входящих в их состав протонов, нейтронов и электронов. В химии чаще используются относительные значения Посчитайте число нейтронов, электронов и протонов самостоятельно для атомов бериллия, кислорода, меди. В настоящее время известно 118 различных видов атомов, т. е. 118 химических элементов. Из атомов этого сравнительно небольшого числа элементов образуется огромное многообразие веществ. Многие сведения об элементах собраны в систему, которая отражает один из основных законов химии – Периодический закон Д.И. Менделеева. Менделеев Дмитрий Иванович Атомные орбитали Электронная орбиталь (атомная орбиталь) область пространства вокруг ядра, где электрон находится с наибольшей вероятностью Орбитали характеризуются энергией. Несколько орбиталей, обладающих равной или близкой энергией, образуют энергетический уровень (слой). Чем меньше энергия орбитали, тем ближе она расположена к ядру. Каждый уровень может вместить в себя определённое максимальное количество электронов , которое определяется по формуле: , где — номер уровня. Таким образом, максимальное число электронов на первом уровне — два, на втором — восемь, на третьем — восемнадцать: Правила заполнения электронных орбиталей 1. Электроны занимают уровни последовательно, в порядке увеличения их энергии (принцип наименьшей энергии). 2. Число энергетических уровней в атоме равно номеру периода, в котором находится элемент. В этом заключается физический смысл номера периода в таблице Д.И. Менделеева. 3. Каждый энергетический уровень в атоме начинается с s-орбитали. На каждом энергетическом уровне содержится всего по одной s-орбитали. На втором и последующем уровнях после s-орбитали появляются три p-орбитали. Так как на каждой орбитали может размещаться не более двух электронов, то на s-орбитали максимально может находиться два электрона, на трёх р-орбиталях — максимально шесть электронов. 4. У элементов 1-го периода происходит заполнение первого энергетического уровня, который максимально содержит 2 электрона, поэтому в 1-м периоде всего два элемента. У элементов 2-го периода заполняется второй уровень, который максимально вмещает 8 электронов, поэтому во втором периоде 8 элементов. У элементов 3-го периода заполняется третий уровень, который может максимально содержать 18 электронов, но в третьем периоде содержится только 8 элементов, так как третий уровень к концу 3-го периода не завершен, потому что d–подуровень остался незаполненным. Связь между электронным строением атома и его положением в Периодической системе Д.И. Менделеева 1.Число электронов на внешнем энергетическом уровне у элементов главных подгрупп равно номеру группы. 2.Химические свойства определяются не всеми электронами, а только теми, которые обладают наибольшей энергией — так называемыми валентными. Число валентных электронов равно номеру группы. Число валентных электронов определяет принадлежность элемента к металлам или неметаллам, свойства образованных этим элементом соединений и его валентность в этих соединениях. Атомы элементов со сходными свойствами имеют сходное строение внешних электронных уровней, например: щелочные металлы содержат на внешнем уровне один электрон, углерод и кремний — четыре, галогены — семь. 3.С увеличением порядкового номера элемента число валентных электронов периодически повторяется, что обусловливает периодическое изменение свойств элементов и их соединений. Электронная конфигурация атома Электроны атома находятся в непрерывном движении вокруг ядра. Энергия электронов отличается друг от друга, в соответствии с этим электроны занимают различные энергетические уровни. Энергетические уровни подразделяются на несколько подуровней: •Первый уровень Состоит из s-подуровня: одной "1s" ячейки, в которой помещаются 2 электрона (заполненный электронами - 1s2) •Второй уровень Состоит из s-подуровня: одной "s" ячейки (2s2) и p-подуровня: трех "p" ячеек (2p6), на которых помещается 6 электронов •Третий уровень Состоит из s-подуровня: одной "s" ячейки (3s2), p-подуровня: трех "p" ячеек (3p6) и d-подуровня: пяти "d" ячеек (3d10), в которых помещается 10 электронов •Четвертый уровень Состоит из s-подуровня: одной "s" ячейки (4s2), p-подуровня: трех "p" ячеек (4p6), d-подуровня: пяти "d" ячеек (4d10) и f-подуровня: семи "f" ячеек (4f14), на которых помещается 14 электронов Порядок заполнения орбиталей в основном состоянии Принцип наименьшей энергии. Электроны занимают в первую очередь орбитали, имеющие наименьшую энергию. Принцип Паули. На каждой орбитали могут находиться не более двух электронов, причём спины их противоположны. Правило Хунда. Орбитали заполняются электронами так, чтобы их суммарный спин был максимальным. Спин электрона — свойство электрона, характеризующее его способность взаимодействовать с магнитным полем. Может принимать два значения (положительное и отрицательное). Существует ряд правил, которые применяют при составлении электронных конфигураций атомов: •Сперва следует заполнить орбитали с наименьшей энергией, и только после переходить к энергетически более высоким •На орбитали (в одной "ячейке") не может располагаться более двух электронов •Орбитали заполняются электронами так: сначала в каждую ячейку помещают по одному электрону, после чего орбитали дополняются еще одним электроном с противоположным направлением •Порядок заполнения орбиталей: 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s После 3p подуровня следует переход к 4s, хотя логично было бы заполнить до конца 4s подуровень. Однако природа распорядилась иначе. Запомните, что, только заполнив 4s подуровень двумя электронами, можно переходить к 3d подуровню. Обращаю ваше особе внимание: на 2p-подуровне углерода мы расположили 2 электрона в разные ячейки, следуя одному из правил. А на 3p-подуровне у серы электронов оказалось много, поэтому сначала мы расположили 3 электрона по отдельным ячейкам, а оставшимся одним электроном дополнили первую ячейку. Таким образом, электронные конфигурации наших элементов: •Углерод - 1s22s22p2 •Серы - 1s22s22p63s23p4 Внешний уровень и валентные электроны Электроны, относящиеся к последнему энергетическому уровню, называют внешними (валентными) электронами. Количество электронов на внешнем (валентном) уровне - это число электронов на наивысшем энергетическом уровне, которого достигает элемент. Такие электроны называются валентными: они могут быть спаренными или неспаренными. Иногда для наглядного представления конфигурацию внешнего уровня записывают отдельно: •Углерод - 2s22p2 (4 валентных электрона) •Сера -3s23p4 (6 валентных электронов) Неспаренные валентные электроны способны к образованию химической связи. Их число соответствует количеству связей, которые данный атом может образовать с другими атомами. Таким образом неспаренные валентные электроны тесно связаны с валентностью способностью атомов образовывать определенное число химических связей. •Углерод - 2s22p2 (2 неспаренных валентных электрона) •Сера -3s23p4 (2 неспаренных валентных электрона) •Магний - 1s22s22p63s2 •Скандий - 1s22s22p63s23p64s23d1 Провал электрона Провалом электрона называют переход электрона с внешнего, более высокого энергетического уровня, на предвнешний, энергетически более низкий. Это связано с большей энергетической устойчивостью получающихся при этом электронных конфигураций. Подобное явление характерно лишь для некоторых элементов: медь, хром, серебро, золото, молибден. Основное и возбуждённое состояние атомов Наиболее устойчивое состояние атома, в котором энергия его электронной оболочки минимальна, называется основным состоянием атома. Любые другие состояния атома называют возбужденными состояниями. Возбужденное состояние связано с движением электронов относительно атомных ядер. Говоря проще: при возбуждении пары электронов распариваются и занимают новые ячейки. Возбужденное состояние является для атома нестабильным, поэтому долгое время в нем он пребывать не может. У некоторых атомов: азота, кислорода , фтора возбужденное состояние невозможно, так как отсутствуют свободные орбитали ("ячейки") - электронам некуда перескакивать, к тому же d-орбиталь у них отсутствует (они во втором периоде). У серы возможно возбужденное состояние, так как она имеет свободную d-орбиталь, куда могут перескочить электроны. Четвертый энергетический уровень отсутствует, поэтому, минуя 4s-подуровень, заполняем распаренными электронами 3dподуровень. Na K AI Br C Au Si CI H P Hg Cu Zn Ca Ag O S Fe N Mg По 14 элементов-близнецов, похожих по своим свойствам одни на лантан, другие на актиний, которые представляют их на верхних этажах По вертикали химические элементы, «живущие» в сходных по своим свойствам ячейках, располагаются друг под другом в столбцах – группах. Каждая группа состоит из двух подгрупп – главной и побочной. Подгруппу, в которую входят элементы и малых, и больших периодов, называют главной подгруппой или группой А. Подгруппу, в которую входят элементы только больших периодов, называют побочной подгруппой или группой В. Химические формулы Химические формулы – аналоги слов, которые записывают с помощью букв – знаков химических элементов. Выразим с помощью химических символов состав самого распространенного вещества на Земле – воды! В молекулу воды входят два атома водорода и один атом кислорода. Переводим в химический язык H2O Индекс – цифра, стоящая внизу справа символа. Индекс 1 не пишут! Коэффициенты – показывают число молекул. Пишут перед химическими формулами. Коэффициент «1» не записывается. Повторяющиеся группы атомов в формуле заключают в скобки. Аш два о Калий хлор Натрий два цэ о три Кальций эн о три дважды Магний эс о четыре Кальций пэ о четыре дважды Феррум эс Натрий два силициум о три Барий о аш дважды Калий аш Относительная атомная масса Относительная молекулярная масса Относительная атомная масса — это отношение массы атома к атомной единице массы. За атомную единицу массы выбрана 1/12 часть массы атома углерода. Массы атомов малы. Так, масса атома водорода равна ma(H)=1,67⋅10−24 г, а масса атома углерода — ma(C)=19,94⋅10−24 г. Использовать такие числа неудобно. Поэтому в химии применяется относительная атомная масса Ar. Относительные атомные массы химических элементов приведены в периодической таблице. В расчётах обычно используют их значения, округлённые до целых. Исключение — Ar(Cl)= 35,5. Относительная молекулярная масса - Mr Относительная молекулярная масса складывается из суммы относительных атомных масс всех атомов, входящих в состав вещества. Mr (O2) = (2 × Ar(O)) = 2 × 16 = 32 Mr (H2O) = (2 × Ar(H)) + Ar(O) = (2 × 1) + 16 = 18 Массовая доля элемента в веществе «Доля» означает часть от целого. Это универсальное математическое понятие. Например, кусок арбуза, изображенный на рисунке, составляет одну четвертую часть от целого арбуза, то есть его доля 1 равна , или 25 %. 4 Вам предстоит поровну разделить еще с четырьмя друзьями яблочный пирог. Вес пирога - 500 г. Кусок какой массы достанется каждому? Масса каждого куска будет равна 100 г. Долю одного куска от всего пирога можно вычислить, разделив массу куска на массу всего пирога, т. е. 100/500 = 1/5 или 20%. Массовая доля части от целого – отношение массы части к массе целого. Массовая доля обозначается буквой греческого алфавита («омега») – ω. Измеряется массовая доля в долях или %. Она принимает значения от 0 до 1 или 0 до 100%. Массовая доля химического элемента показывает, какая часть относительной молекулярной массы соединения приходится на данный химический элемент. Массовые доли элементов ωЭ в химическом соединении рассчитывают по формуле: · 100%
