III. Количество электронов, отдаваемых атомом на образование связи, определяет его валентность. 1 страница

Введение

Создание этого пособия стало попыткой решить две проблемы современного образования в педагогических ВУЗах, которые готовят будущих учителей химии. Перед нами, преподавателями химии, стоит сложная задача: вырастить учителя химии, который будет иметь высокую квалификацию, но при этом количество времени, выделяемого на наши дисциплины недостаточно. Это происходит из-за очевидного факта: учитель химии должен быть не только хорошим химиком, но и хорошим педагогом, поэтому половину подготовки такого студента занимают педагогика с психологией. Кроме того, сейчас в нашей стране активно развивается инклюзивное образование, что опять требует дополнительного времени на подготовку будущего учителя. Таким образом, в педагогическом ВУЗе на обучение студента основной дисциплине выделено вдвое меньше времени, а ведь нам есть, о чем рассказать.

Вторая проблема связана с недостаточной материальной базой в школах и отсутствием специалистов-химиков в школах. Поколение родителей автора в школах было свидетелем таких ярких экспериментов как варка мыла, реакция между водой и натрием, они учились отличать чистый водород от грязного по звуку его взрыва. Поколению автора достались скучные реакции образования осадка или газа, а сама лабораторная работа проводилась уже не в больших колбах, а в пробирках. У современных абитуриентов дела обстоят еще хуже. Учителю химию приходится преподавать, что называется «на пальцах», на одном лишь теоретическом материале. А в качестве вишенки, венчающей ситуацию, необходимо указать еще и на то, что уроки химии могут проводиться не учителем химии, а биологии или физики. Все это приводит к тому, что уровень подготовки абитуриентов по химии крайне низок, и даже ВУЗы крупных городов, где есть возможность выбрать лучших абитуриентов, страдают от этой проблемы.

При наложении этих двух проблем друг на друга получается следующая картина: обучение абитуриента надо начинать с начала, со школьного курса. Курс общей химии, с которого начинается становление специалиста-химика, предполагает опору на школьные знания, которых у студента нет. Равно как нет и времени, которое можно уделить этой проблеме, ведь речь идет не о паре вопросов, а о целом отсутствующем пласте знаний. Именно поэтому данное пособие, во-первых, написано доступным языком, а во-вторых, включает в себя не только сам курс общей химии, но и выдержки из школьной программы.

Оглавление

Глава 1. Основные понятия и законы химии

1.1 Химический элемент и атом, вещество и молекула.

1.2 Атомная единица массы, относительная атомная и молекулярная масса. Количество вещества. Эквивалент. Основные законы химии.

Глава 2.

Глава 1. Основные понятия и законы химии.

1.1 Химический элемент и атом, вещество и молекула.

Изучение любой естественной науки начинается с определения её границ применимости. То есть, нужно дать ответ на вопрос: «Какие явления природы эта наука изучает?», определить границы, за пределами которых модели и методы этой науки не работают. И тут появляется первая проблема изучения химии. Нет у этой науки общепризнанного, точного определения. В школьных учебниках, как в признанных классических, так и в актуальных современных используются различные варианты определения химии, как науки, которая изучает вещества и их взаимные превращения [1-6]. Определение простое, легко запоминается, но неверно устанавливает границы применимости. Например, химиков интересует не только процесс превращения веществ, но и тепловой эффект, которым сопровождается это превращение. При определении содержания веществ в какой-либо пробе, нас интересует взаимодействие этого вещества с электромагнитными волнами, электрическим током. С другой стороны, превращение одного вещества в другое в результате ядерной реакции рассматривается в химии поверхностно, этим занимается физика. Получается, что ряд явлений, рассматриваемых химией, в это определение не включается, а другие явления, попадающие под это определение, химией не изучаются. То есть, границы применимости установлены этим определением для науки неверно. Кроме того, школьное определение включает в себя термин вещество, который тоже нуждается в пояснении. Он тесно связан с термином молекула, молекула состоит из атомов, атомы принадлежат к химическим элементам… «…в доме, который построил Джек». С другой стороны, многие авторы учебников высшей школы или энциклопедий пытаются приводить свои определения химии:

· Согласно электронной энциклопедии Wikipedia: «Химия это наука о веществах, их составе и строении, их свойствах, зависящих от состава и строения, их превращениях, ведущих к изменению состава — химических реакциях, а также о законах и закономерностях, которым эти превращения подчиняются» [7].

· Согласно другой, специализированной энциклопедии Xumuk.ru: «Химия этонаука, изучающая строение веществ и их превращения, сопровождающиеся изменением состава и(или) строения.»[8]

· Н.Л Глинка в учебнике, который сегодня считается классическим, определяет химию как науку о строении, свойствах веществ, их превращениях и сопровождающих явлениях.[9]

И чем точнее определение, тем большее количество терминов оно в себе содержит. Поэтому, вместо определения химии остановимся на её основных понятиях. А именно:

• Элемент

• Атом

• Молекула

• Вещество

• Атомная единица массы – а.е.м.

• Относительная атомная и относительная молекулярная массы.

• Количество вещества.

• Молярная масса

• Эквивалент

Первые два понятия тесно связаны между собой, поэтому их легко перепутать. Химический элемент – это вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Все атомы химического элемента обладают одинаковыми свойствами. Атом – наименьшая частица элемента, обладающая его свойствами.

Не самые понятные определения, но на деле все довольно просто. Элемент – это все атомы в нашей Вселенной, которые обладают одинаковым зарядом ядра. Именно заряд атомного ядра определяет химические свойства атома, поэтому в понятие элемент входят все атомы нашей Вселенной с одинаковыми химическими свойствами. Атом химического элемента сера S будет обладать одинаковыми химическими свойствами хоть в России, хоть в Африке, хоть на Плутоне, хоть на любой из звезд Альфа Центавра. Атом, в отличие от элемента, это реально существующая частица, с определенной структурой – ядром и электронной оболочкой. Пока заряд атомного ядра не меняется, атом принадлежит к одному элементу. Если заряд ядра изменится в результате ядерной реакции, то сам атом существовать не перестанет, но изменится его принадлежность к химическому элементу. Например, у рассматриваемых атомов химического элемента серы заряд ядра равен +16, уменьшился этот заряд до +14 и теперь атом принадлежит к элементу кремний Si. Именно поэтому атом определяется как наименьшая частица, обладающая свойствами элемента. Изменится частица – изменится и принадлежность к элементу. Под словосочетанием «атом серы» подразумевается реально существующая частица с определенной структурой и определенным набором химических свойств.

Теперь несколько слов о той структуре, которая определяет свойства атома. Атом состоит из электронной оболочки и ядра:

· Атомное ядро состоит из протонов – частиц с положительным электрическим зарядом (+1.6×10^-19 Кулона) и массой приблизительно 1 а.е.м. и нейтронов – частиц без заряда и массой приблизительно 1 а.е.м.

· Электронная оболочка – пространство вокруг ядра атома, в котором перемещаются электроны – элементарные частицы с крайне малой массой (в большинстве расчетов она принимается равной 0) и отрицательным зарядом (-1.6×10^-19 Кулона).

Представить себе соотношение массы и размера этих частей атома можно, взглянув модель солнечной системы. Подавляющая масса сосредоточена в одной точке – атомном ядре, там же сосредоточен положительный заряд. А размер электронной оболочки можно сравнить с орбитами планет. В качестве примера подойдет простейший атом – атом водорода. Он состоит из одного протона и электрона. Масса протона примерно в 1840 раз больше массы электрона, а его размер равен примерно 10^-13 см. Размер электронной оболочки атома водорода примерно 10^-8 см. Таким образом, ядро водорода тяжелее электронной оболочки в 1840 раз и в 100 000 раз меньше неё.[10]

Химические свойства определяются электронной конфигурацией – распределением электронов в электронной оболочке. Поскольку заряд электронов равен заряду протонов, то именно количество протонов в атомном ядре выбрано в качестве критерия, на основании которого атом относят к химическому элементу.

Следующая пара понятий «молекула» и «вещество». Как ни странно, проблемным в этой паре является термин «вещество». В наиболее распространенных базах данных, термину вещество дано определение в стиле: «вещество - это вид материи, в отличие от полей, обладающий массой покоя»[11,12]. Такое определение используется в физике и философии, но для химика не представляет интереса, так как мы вкладываем иной смысл, причем не единственный. Если обратиться к школьным учебникам химии[1-6], либо ориентированным на школьников ресурсам[13,14] то придется столкнуться с пространными рассуждениями в итоге заканчивающимися так называемыми «интуитивно понятными»/«очевидными» заданиями в стиле:

Вещь		Вещество
+	←Карандаш
	Дерево→	+
+	←Ручка
	Пластмасса→	+
+	←Альбом
	Бумага→	+

Впрочем, в некоторых случаях определение все же присутствует: «То, из чего состоят физические тела, то есть окружающие нас предметы, называется веществом.»[15] И вот это понятие уже близко к химическому смыслу, но нужно сделать еще одно уточнение. Физические тела (из приведенного выше определения, имеющие массу покоя) состоят из смесей веществ, которые можно разделить физическими методами. Например, морскую воду можно выпарить, получив водяной пар и соль, нефть можно перегонкой разделить на различные фракции (бензин, мазут, керосин) а эти фракции той – же перегонкой до различных углеводородов (бутан, гептан, пентан). И так до тех пор, пока разделение любым физическим методом перестанет давать результат - до тех пор, пока разделение на составные части прекратится. Разделение нефти закончится на углеводородах – бутан, гептан, пентан можно подвергать процедурам разделения сколь угодно долго, дальнейшего деления на компоненты, которые обладали бы иными свойствами, не произойдет (да, можно разделить литр бутана на несколько частей, но свойства этих частей будут одинаковы). Полученную субстанцию можно было – бы назвать индивидуальным веществом, если – бы не одно «но»: ни один метод разделения не даёт 100% чистого вещества. Да, бутан делиться перестанет, но в нём все равно будут присутствовать примеси других углеводородов, и не только их. Поэтому термин «вещество» в химии, под которым понимается именно индивидуальное вещество – физическое тело, не поддающееся дальнейшему разделению на составные части, является такой – же недостижимой абстракцией, как температура абсолютного нуля, или абсолютно черное тело.

Но это только первый смысл, который вкладывается в термин. Индивидуальное вещество обладает некоторым набором физических и химических свойств: определенной плотностью, электропроводностью, температурами плавления и кипения, кислотностью или основностью, окислительными или восстановительными способностями и так далее. Свойства всех физических тел в нашей Вселенной, состоящих из одного вещества одинаковы. Серная кислота обладает одинаковой кислотностью хоть в России, хоть в Африке и так далее по списку. Поэтому, когда химик использует название некоторого вещества, например той – же серной кислоты, в виду могут иметься два различных понятия – либо абстрактное индивидуальное вещество в нашей Вселенной вообще: «Серная кислота вступает в реакцию нейтрализации со щелочами», либо определенное физическое тело, состоящее из этого вещества: «А теперь отберем пипеткой 10 миллилитров серной кислоты из этой емкости и поместим в коническую колбу». Именно из-за того, что в этот термин вкладывается двойной смысл дать ему простое, понятное определение сложно. Получится что-то подобное: вещество – это совокупность всех физических тел, не подвергающихся физическому разделению до более простых компонентов, и обладающих одинаковыми свойствами.

А вот понятие «молекула» определяется очень просто: молекула – это наименьшая часть вещества, обладающая всеми его химическими свойствами. Как и атом, молекула имеет определенную структуру (состоит из определенного количества атомов, которые соединены химическими связями в определенной последовательности) и принадлежит к определенному веществу. Все молекулы одного вещества обладают одинаковыми свойствами. Молекула сернистой кислоты имеет формулу H₂SO₃, то есть состоит из двух атомов водорода (H₂) одного атома серы (S единица в химических формулах опускается) и трёх атомов кислорода (O₃). Если, например, в результате реакции окисления, к молекуле присоединится еще один атом кислорода, то молекула не исчезнет, но изменится её принадлежность к веществу – это будет уже серная кислота, чья молекула описывается формулой H₂SO₄. Свойства этих двух кислот сильно отличаются.

Так, возвращаясь к первому вопросу, что такое химия? Каким определением пользоваться? Любым из тех, что были приведены выше, либо найденным в других учебниках и пособиях для ВУЗов. Главное что нужно помнить – это смысл, который вкладывается в каждый термин в используемом определении. В свою очередь, сама наука делится на четыре больших раздела: физическую химию, неорганическую химию, органическую химию, аналитическую химию.

Физическая химия – это раздел химии, изучающий свойства и превращения веществ с помощью методов теоретической физики. Это самый разнообразный раздел химии, ведь у химической реакции и веществ можно определить множество характеристик:

· Скорость и механизм реакции – изучением этих характеристик занимается химическая кинетика.

· Направление реакции, тепловой эффект, изменение теплоёмкости – это вотчина термодинамики.

· Строение атомов, их взаимодействие между собой – это самый загадочный раздел химии, в котором не работают привычные законы макромира – квантовая механика.

Неорганическая химия – раздел химии, изучающий свойства неорганических соединений. Неорганические соединения – это производные всех химических элементов периодической таблицы, за одним исключением. Атомы углерода способны образовывать стабильные цепочки. Вещества, молекулы которых содержат такие цепочки, называются органическими, и их изучением занимается органическая химия. Для одного класса веществ пришлось создавать свой собственный раздел химии. Органическая химия – это потенциально самый большой раздел химии, так как цепочки из атомов углерода можно наращивать чуть – ли не бесконечно. Именно в этом разделе фраза «Химия – это конструктор с безграничными возможностями» показывает себя во всей красе.

Аналитическая химия – это наука о методах определения химического состава вещества и его структуры. В любой сфере человеческой деятельности рано или поздно возникает вопрос: «Из чего состоит это тело?» и «Сколько в этом теле содержится некоторого вещества?». На эти вопросы отвечают качественный и количественный анализы. Качественный анализ направлен на установление качества вещи, то есть, на определение её составных частей. Количественный анализ направлен на определение количественного содержания вещества в какой-либо пробе.

А как – же общая химия, по которой, собственно, написано это пособие? Нет такого раздела химии. Общая химия – это вводный курс в химию, он включает в себя упрощенные фрагменты физической химии, немного органической и неорганической химии.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое химический элемент и как он связан с атомом?

2. Что такое вещество? Какой смысл вкладывает химик в этот термин?

3. Что такое молекула?

4. Что такое химия?

5. На какие разделы делится химия?

Следующее понятие – атомная единица массы, сокращенно а.е.м., относительная атомная и относительная молекулярная массы, количество вещества, молярная масса и эквивалент созданы для упрощения расчетов (точнее для того, что – бы расчеты нужного количества вещества стали вообще возможны).

Атомы и молекулы обладают очень маленькой массой и размерами. Настолько маленькими, что измерять поштучно их количество бессмысленно. В этом месте напрашивается аналогия с магазином стройматериалов. Допустим, для сборки пары тысяч шкафов нужно 123 751 болт. Будет – ли продавец отсчитывать такое количество болтов? Ответ очевиден. Выход есть – поштучно болты продавец считать не будет, но это и не нужно – достаточно знать массу болтов (допустим 2,5 грамма), тогда у продавца нужно попросить 309,5 килограмм (123 751×2,5гр ≈ 309,5 кг), ведь взвесить гораздо проще, чем пересчитывать по одному болту. Другая аналогия, для кулинаров. Допустим, для приготовления партии некоторых консерв нужно 10 000 000 (10 миллионов) крупинок обычной поваренной соли. И если 25 болтов продавец для одного шкафа сосчитать согласиться, то в этом случае комментарии придется опустить. Масса одной крупинки соли в среднем составляет 0,01 г (10 мг). Нехитрым умножением 10 миллионов крупинок на 10 миллиграмм определяем нужную массу соли – всего каких-то 100 килограмм. Но эти примеры меркнут, по сравнению с малыми массами атомов и молекул, и их громадным количеством, которое участвует в химических реакциях. Масса самого легкого атома – водорода в граммах примерно равна 1,6×10^-24гр. [16] В виде десятичной дроби это будет выглядеть так[17]:

0, 000 000 000 000 000 000 000 0016 гр.

И даже если брать массы гигантских молекул-полимеров, расчеты принципиально проще не станут. Скажем, масса молекулы полиэтилена может быть в 100 000 раз больше массы атома водорода[18]. Хорошо, 1,6×10 ^-24× 100 000 =1,6×10^-19, на 5 нулей в десятичной записи будет меньше:

0, 000 000 000 000 000 000 16 гр.

Очевидно, что пользоваться привычными единицами измерения масс, когда речь идет об атомах и молекулах крайне неудобно, поэтому нужен некий эталон массы. Таким эталоном является атомная единица массы (а.е.м.).

Одна а.е.м. равна 1/12 от массы изотопа углерода ¹²С. В привычных граммах это 1.66053×10^-24 г. Собственно, почему это часть атома углерода? Ведь есть самый легкий атом – водород, или более доступный кислород. Первым эталоном, привязанным к массе реального атома, действительно была масса самого легкого атома – водорода. Но далеко не все элементы образуют стабильные соединения с водородом, поэтому фактически расчет производился не по массе водорода, а по массе кислорода. Поэтому в 1906 году в качестве эталона приняли 1/16 массы атома кислорода, но попались в ловушку: кислород в атмосфере представлен тремя изотопами, с массами 16, 17 и 18. До 1960 года существовало две шкалы атомных масс. В одной за эталон была взята масса 1/16 от изотопа кислорода с массой 16, в другой масса 1/16 от некоторого «среднего» атома кислорода. В 1960 году Международный союз теоретической и прикладной химии (International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC) принял современный стандарт, так называемую «углеродную шкалу».[19]

Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 253; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!