Общая и Неорганическая химия с примерами решения задач - Михаил Бармин

IY. Современная формулировка периодического закона, объяснение явления периодичности с точки зрения теории строения атома.

Периодический закон Д.И. Менделеева и высказанные на его основе гипотезы явились стимулом к выяснению строения атома.

В начале ХХ века была создана теория строения атома, на основе которой периодический закон Д.И. Менделеева формулируется так:

«Свойства химических элементов и образуемых ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атомов этих элементов».

Было выяснено, что порядковый номер химического элемента совпадает с зарядом ядра его атома.

На основе знания теории строения атома сущность явления периодичности объясняется тем, что с возрастанием заряда ядра атомов элементов наблюдается периодическая повторяемость элементов с одинаковым числом валентных элементов, чем объясняется периодическая повторяемость свойств химических элементов и их соединений.

Расположение электронов объясняется теорией строения атомного ядра. В свете учения о строении атомного ядра следует объяснить положение водорода в периодической системе. Атом водорода имеет один внешний электрон, который он может отдавать атомам других элементов. Подобное свойство проявляют атомы всех элементов, начинающих период: Li, Na, K, Pb, Cs, Fr. Поэтому водород Н, проявляющий металлические свойства (отдача электронов), должен находиться в главной подгруппе 1-й группы.

С другой стороны, поскольку на первом уровне от ядра может 2 электрона, водород может принимать один электрон подобно тому, как принимает его каждый атом галогенов:

+ е = Н–

этом случае водород проявляет неметаллические свойства

должен находиться в главной подгруппе VII группы. Двойс-твенность в химическом поведении водорода дает возможность отнести его прежде всего к главной подгруппе I группы и затем к главной подгруппе VII группы (в этом случае символ элемен-та заключается в скобки). Однако часто водород ставят только в I группе, поскольку он начинает период.

Y. Значение периодического закона и периодической системы химических элементов, применение ее для выяснения физических и химических свойств элементов, получения новых элементов.

Периодический закон Д.И. Менделеева имеет исключительно большое значение. Он положил начало современной химии, сделал ее единой, целостной наукой. Элементы стали рассматриваться во взаимосвязи, в зависимости от того, какое место они занимают в периодической системе. Как указывал Н. Д. Зелинский, периодический закон явился «открытием взаимной связи всех атомов мироздания».

Химия перестала быть описательной наукой. С открытием периодического закона в ней стало возможным научное предвидение. Появилась возможность предсказывать и описывать новые элементы и их соединения.

На основе закона Д.И. Менделеева были заполнены все клетки его системы от элемента с Z=1 до Z=92, а также открыты трансурановые элементы. И сегодня этот закон служит ориентиром для открытия или искусственного создания новых химических элементов (ивзестно 116 элементов).

Периодический закон послужил основой для исправления атомных масс элементов. У 20 элементов Д.И. Менделеевым были исправлены атомные массы, после чего эти элементы заняли свои места в периодической системе.

На основе периодического закона и периодической системы быстро развивалось учение о строении атома. Оно вскрыло физический смысл периодического закона и объяснило положение элементов в периодической системе.

Учение о строении атома привело к открытию атомной энергии и использованию ее для нужд человека. Можно без преувеличения сказать, что периодический закон является первоисточником всех открытий химии и физики ХХ века. Он сыграл выдающуюся роль в развитии других, смежных с химией естественных наук.

Периодический закон и система элементов лежат в основе решения современных задач химической науки и промышленности. С учетом периодической системы элементов Д.И. Менделеева ведутся работы по получению новых полимерных и полупроводниковых материалов, жаропрочных сплавов, веществ с заданными свойствами, по использованию ядерной энергии, исследуются недра Земли и Вселенная.

Девиз: «ВЗАИМОДЕЙСТВУЮТ

АНТИПОДЫ»

ЛЕКЦИЯ 4

ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

План лекции:

Теории Косселя и Льюиса.

Метод валентных связей (ВС) и молекулярных орбиталей

(МО).

Свойства связей.

Металлическая связь.

Водородная связь.

Вопрос о химической связи является одним из фундаментальных в химии. Первая теория – Берцелиуса – электростатическая. Вещества связаны посредством притяжения разноименно заряженных частиц.

Однако, не все химические соединения можно объяснить с позиций этой теории: H2, Cl2 и т.д. (H+,H –). Органические соединения также не укладывались в рамки этой теории.

Теории, базирующиеся на электронном строении были предложены Косселем и Льюисом.

Положения. При формировании электронных оболочек в конце каждого периода реализуется устойчивая s2 и s2p6 кон-фигурация, поэтому атомы стремятся создать устойчивые 2-х или 8-и электронные оболочки.

ТЕОРИЯ КОССЕЛЯ

Застройка внешнего ē слоя до двух или восьмиэлектронной конфигурации может происходить двумя способами:

а) путем присоединения электронов б) путем отдачи электронов

а) 11Na 1s22s22p63s1

Na0 – ē → Na+[1s22s22p6(Ne)]

б) 17Cl 1s22s22p63s23p5

Cl0 +ē → Cl-[1s22s22p63s23p6(Ar)]

Процесс образования химической связи заключается в передаче электронов от атома Na к атому Cl, в результате чего образуются разноименно заряженные ионы, связанные между собой силами электростатического взаимодействия. Такая связь получила название ионной (гетерополярной) или электровалентной.

Недостаток теории в невозможности объяснения связи в органических соединениях, а также в молекулах H2, Cl2 и т.д.

ТЕОРИЯ ЛЬЮИСА

Основным положением теории Льюиса является то, что образование химической связи до устойчивой 2-х или 8-элект-ронной оболочки осуществляется путем обобществления электронов.

1) Cl2      17Cl      1S22S22P6 3S23P5

Символом элемента обозначим ядро атома с внутренними электронами, внешние валентные электроны – точками.

(Cl–Cl)

Рассмотрим образование химической связи для молекулы N2

7N      1S22S22P3

2P3      Px Py Pz

(N ≡ N )

Такая связь, образовавшаяся путем обобществления электронов, называется ковалентной или гомеополярной или атомной.

В том случае, когда химическое соединение или молекула состоят из одинаковых атомов образуется неполярная ковалентная химическая связь.

При образовании молекул, состоящих из разных атомов, образуется ковалентная полярная связь, причем электронные пары смещаются в сторону более электроотрицательного атома. Для оценки полярной химической связи вводится величина дипольного момента, чем больше значение его, тем больше полярность связи ядрами. В результате проведенного расчета было установлено, что образование ковалентной химической связи возможно только лишь в том случае, если спины электронов ориентированы противоположно, т.е. ковалентная химическая связь представляет собой 2-х центровую, 2-х-электронную химическую связь с различной ориентацией спинов.

Е – энергия системы,

r – расстояние между ядрами, ДЕ – энергия диссоциации молекул Н, которую условно можно считать энергией образующейся химической связи

В случае кривой оси (I) не происходит образования химических связей. В случае противоположном (II) наблюдается образование минимума полной энергии, что свидетельствует об образовании ковалентной химической связи. r0 представляет собой межъядерное расстояние. Данный метод был распространен на различные химические соединения: органические, неорганические, комплексные соединения. Метод валентных связей является наглядным поскольку электронная пара может быть представлена в виде черты (валентность).