Физические и химические явления 4 страница

В начале XIX в. старое слово уголь в русской химической литературе иногда заменялось словом «углетвор» (Шерер, 1807; Севергин, 1815); с 1824 г. Соловьев ввел название углерод.

И черный, невзрачный, тускло поблескивающий в солнечных лучах кусок каменного угля, и пестрый букет цветов, и нефть – все они содержат углерод, без которого невозможно существование ни медикаментов, ни большинства взрывчатых веществ, ни огромного множества так называемых органических соединений, из которых в свою очередь состоят организмы человека, животных и растений.

Углерод – единственный из элементов, способный только с одним водородом давать бесчисленное множество соединений. Это объясняется своеобразием химического строения атомов углерода. В отличие от большинства других элементов атомы углерода способны химически соединяться между собой, образуя при этом то прямые, то разветвленные цепочки, то замкнутые, кольцеобразные молекулярные структуры. Число атомов углерода в таких соединениях колеблется от единиц до многих десятков и даже сотен. Если учесть, что свободные валентности, помимо водорода, могут быть насыщены атомами или группами

атомов других элементов, то число возможных соединений углерода становится буквально неисчислимым.

И если число минералов, т.е. природных неорганических соединений, достигает 3 тыс., а из всех, кроме углерода, элементов, вместе взятых, усилиями химиков получено около 100 тыс. соединений, то число соединений, содержащих углерод, уже сейчас составляет не менее 10 млн.

Благодаря способности углерода давать огромное количество различных соединений возникло все богатство и разнообразие видов растений и животных. Достаточно указать, что одних только видов насекомых некоторыми исследователями насчитывается не менее 2-3 млн. Общее число видов растений на земном шаре близко к 500 тыс., число видов позвоночных превышает 57 тыс.

Однако углерод не определяет основной массы живого вещества и составляет в среднем не более 10% ее веса. Но и при такой величине общее количество углерода, содержащегося в живом веществе, по данным академика В.И. Вернадского, составляет 100 000 млрд. т. Такое же количество углерода находится в океанах и морях земного шара. 20 000 млрд. т углерода содержится в каменном угле. 2000 млрд. т углерода «висит» в атмосфере, где углерод находится в виде углекислого газа. Больше всего углерода входит в состав известняков, мела, мрамора – тех видов углеродных соединений, из которых сложены некоторые горы и горные хребты.

Углерод – неметалл, химически не очень активное вещество. При обычных температурах углерод химически инертен, при достаточно высоких температурах соединяется со многими элементами, образуя множество соединений.

 

Графит	Алмаз	Уголь
Рисунок 62. Формы существования углерода в природе

Углерод существует во множестве аллотропных модификаций с очень разнообразными физическими свойствами. Разнообразие модификаций обусловлено способностью углерода образовывать химические связи разного типа.

В организм человека углерод поступает с пищей (в норме около 300 г в сутки). Общее содержание углерода в организме человека достигает около 21% (15 кг на 70 кг массы тела). Углерод составляет 2/3 массы мышц и 1/3 массы костной ткани. Выводится из организма преимущественно с выдыхаемым воздухом (углекислый газ) и мочой (мочевина).

§10. Относительная атомная масса элемента

Абсолютные массы атомов

Одним из фундаментальных свойств атомов, является их масса. Абсолютная (истинная) масса атома – величина, чрезвычайно малая. Взвесить атомы на весах невозможно, поскольку таких точных весов не существует. Их массы были определены с помощью расчетов.

Например,         масса        одного        атома        водорода        равна 0,000 000 000 000 000 000 000 001 663 грамма! Масса атома урана – одного из самых

тяжелых атомов, составляет приблизительно 0,000 000 000 000 000 000 000 4 грамма.

Записывать и читать эти числа непросто; можно ошибиться, пропустив ноль или добавить лишний. Существует другой способ записи – в виде произведения: 4 ∙ 10−22 (22 – количество нулей в предыдущем числе).

Точное значение массы атома урана – 3,952 ∙ 10−22 г, а атома водорода, самого легкого среди всех атомов, – 1,673 ∙ 10−24 г.

Производить расчеты с малыми числами неудобно. Поэтому вместо абсолютных масс атомов используют их относительные массы.

 

Относительная атомная масса

О массе любого атома можно судить, сравнивая ее с массой другого атома (находить отношение их масс). С момента определения относительных атомных масс элементов использовались различные атомы в качестве сравнения. Своеобразными эталонами для сравнения в свое время были атомы водорода и кислорода

Единая шкала относительных атомных масс и новая единица атомной массы, принята Международным съездом физиков (1960) и унифицирована Международным съездом химиков (1961).

По сегодняшний день эталоном для сравнения является 1/12 часть массы атома углерода. Данное значение называют атомной единицей массы, сокращенно а.е.м.

m атома(C) абсолютная = 1,994 ∙ 10 −23 г

1 а.е.м. = 1/12 ∙ 1,994 ∙ 10−23 г = 1,662 ∙ 10−24 г.

Сравним, во сколько раз отличается абсолютная масса атома водорода и урана от 1 а.е.м., для этого разделим эти числа одно на другое:

Н 1,673 ∙ 10 – 24 г = 1,007      U

Г

3,952 ∙ 10 – 22 г

Г

≈ 238

Рисунок 63. Одна атомная единица массы – это масса

Полученные при расчетах значения и являются

1/12 атома углерода

относительными атомными массами элементов – относительно 1/12 массы атома углерода.

Так, относительная атомная масса водорода приблизительно равна 1, а урана –

238. Обратите внимание, что относительная атомная масса не имеет единиц измерения, так как при делении единицы измерения абсолютных масс (граммы) сокращаются.

Относительные атомные массы всех элементов указаны в Периодической Системе химических элементов Д.И. Менделеева. Символ, при помощи которого обозначают относительную атомную массу – А r (буква r – сокращение от слова relative, что означает относительный).

Значения относительных атомных масс элементов используются во многих расчетах. Как правило, значения, приведенные в Периодической Системе, округляются до целых чисел. Обратите внимание, что элементы в Периодической Системе размещены в порядке увеличения относительных атомных масс.

Например, при помощи Периодической Системы, определим относительные атомные массы ряда элементов:

Ar(O) = 16;            Ar(Na) = 23;          Ar(P) = 31.

Относительную атомную массу хлора принято записывать равной 35,5!

Ar(Сl) = 35,5

Подведем итоги

Вопросы, упражнения и задачи

Сформулируйте определение, что такое относительная атомная масса.

Как определяется атомная единица массы, какой элемент выбран в качестве эталона для сравнения?

Каким символом принято обозначать относительную атомную массу?

При помощи Периодической Системы химических элементов Д.И. Менделеева определите и запишите относительные атомные массы азота, магния, кремния, кальция, меди, брома, серебра, ртути, сурьмы, свинца, кобальта.

Найдите в Периодической Системе химических элементов Д.И. Менделеева элементы, относительные атомные массы которых отличаются в три раза.

Определите во сколько раз атом углерода легче атома магния; атом кислорода легче атома железа; атом ртути тяжелее атома фосфора; атом азота тяжелее атома лития.

Определите относительные атомные массы атомов: гелия, если абсолютная масса его атома равна 6,647·10−24 г; кислорода, если абсолютная масса его атома равна 2,66·10−23 г.

Определите значения абсолютных масс атомов натрия, кремния, олова, серебра в граммах и килограммах.

В земной коре содержится одинаковое число атомов железа и кальция. Одинаковые ли массы этих элементов в земной коре? Если нет, то масса какого из них больше и во сколько раз?

Число атомов фосфора в земной коре в пять раз превышает число атомов стронция. Какого элемента больше по массе и во сколько раз?

 

Блокнот эрудита

32. Международный союз теоретической и прикладной химии (International Union of Pure and Applied Chemistry – IUPAC) – международная неправительственная организация в области химии. Состоит из национальных организаций-участниц. Эта организация занимается разработкой и распространением стандартов в области наименований химических соединений через межрегиональную комиссию по номенклатуре и обозначениям. Является членом Международного совета по науке.

Система наименований химических соединений длительное время развивалась хаотично, наименования давались в основном первооткрывателями каких-либо соединений. Многие вещества известны настолько давно, что происхождение их наименований носит легендарный характер. Исторически сложившиеся «собственные имена» выделяют как тривиальные названия. Они не вытекают из каких-либо единых систематических принципов, не выражают строения соединения и чрезвычайно разнообразны. Например: рудничный газ, винный спирт, ванилин, сода.

Современная номенклатура химических соединений в основном базируется на правилах ИЮПАК (IUPAC), которые разрабатывались начиная с 40-х годов XX века. Правила ИЮПАК определяют общие принципы и приемы построения названий соединений и периодически пересматриваются. Наиболее значительные

изменения вводились в 1979 и в 1993 годах. На сегодняшний день все химики мира, при названии химических веществ пользуются рекомендациями и правилами ИЮПАК.

33. Международная система единиц СИ (SI) – система единиц физических величин.

СИ является наиболее широко используемой системой единиц в мире, как в повседневной жизни, так и в науке и технике. В настоящее время СИ принята в качестве основной системы единиц большинством стран мира и почти всегда используется в области техники, даже в тех странах, в которых в повседневной жизни используются традиционные единицы.

Например, единицы измерения массы могут быть различными: фунт, унция, карат. Но международной, общепринятой, единицей массы является килограмм.

34. РОБЕРТ БОЙЛЬ (1627–1691)

Британский физик, химик и богослов Роберт Бойль родился в ирландском замке Лисмор. Роберт был седьмым сыном Ричарда Бойля, графа Йоркского. Отец предоставил ему возможность получить разностороннее образование, в том числе и в области естествознания и медицины: в 1635–1638 гг. Бойль учился в Итонском колледже, а в 1639–1644 гг. – в Женевской академии.

Сначала Бойль занимался религиозными и философскими вопросами, затем (с 1654 г.), переселившись в Оксфорд, обратился к исследованиям в области химии и физики, приняв участие в работах научного общества, прозванного «невидимой коллегией» (Invisible College), так как оно собиралось то в Оксфорде, то в Лондоне. В 1660 г. по его инициативе было создано Лондонское королевское общество. В 1665 г. Бойль получил степень почётного доктора физики Оксфордского университета. В 1668 г. он обосновался в Лондоне, где в 1680 г. был избран президентом Королевского общества (организованного в 1663 г. на основе «невидимой коллегии»), но отказался от этой должности.

Научная деятельность Бойля посвящена обоснованию экспериментального метода в физике и химии и развитию атомистической теории. Большое влияние на взгляды Бойля оказала философия Фрэнсиса Бэкона; в работах Бойля встречается немало ссылок на мысли Бэкона о естествознании и в первую очередь о признании опыта за критерий истины.

Исследования в области физики привели Бойля к открытию в 1660 г. закона изменения объёма воздуха при изменении давления (независимо от Бойля закон открыл также французский учёный Эдм Мариотт). В результате своих экспериментальных работ по количественному изучению процессов обжига металлов, горения, сухой перегонки древесины, превращения солей, кислот и щелочей Бойль ввёл в химию понятие анализа состава тел. В 1663 г. Бойль впервые применил индикаторы для определения кислот и щелочей. Исследуя состав минеральных вод (1684–1685 гг.), он пользовался отваром чернильных орешков для открытия железа и аммиаком для открытия меди. Описывая свойства фосфора (полученного Бойлем в 1680 г. независимо от других химиков), Бойль указывал его цвет, запах, плотность, способность светиться, его отношение к растворителям. Многочисленные наблюдения Бойля положили начало аналитической химии.

Важнейшей работой Бойля стала книга «Химик-скептик», вышедшая в 1661 г. В ней Бойль, опираясь на опытные данные, убедительно опроверг и аристотелевское учение о четырёх стихиях (огне, воздухе, воде и земле), и учение алхимиков о трёх принципах (сере, ртути и соли), из которых якобы состоят все природные тела. Элементами Бойль считал «простые, вполне не смешанные тела, которые не составлены друг из друга, но представляют собой те составные части, из которых составлены т.н. смешанные тела и на которые последние могут быть в конце концов разложены». Бойль доказывает, что химия должна стать самостоятельной наукой, изучающей реальные химические элементы, а не заниматься попытками превращения неблагородных металлов в золото, а также поисками способов приготовления лекарств. Развивая атомистические представления, Бойль ввёл представление о «первичных корпускулах» как элементах и «вторичных корпускулах» как сложных телах; он также дал объяснение различным агрегатным состояниям тел.

Значительное внимание Бойль уделял практической химии. Для развития горного дела и металлургии большое значение имели введённые Бойлем методы анализа руды мокрым путём, а также обоснованная им замена древесного угля каменным.

Теоретические и экспериментальные работы Бойля оказали решающее влияние на развитие химии. Бойль наглядно показал, что химики должны решать принципиальные проблемы своей науки на основании экспериментальных данных, положив своими работами начало становлению химии как науки.

35. Железо, Ferrum, Fe (26)

Железо (англ. Iron, франц. Fer, нем. Eisen) – один из семи металлов древности. Весьма вероятно, что человек познакомился с железом метеоритного происхождения раньше, чем с другими металлами. Метеоритное железо обычно легко отличить от земного, так как в нем почти всегда содержится от 5 до 30% никеля, чаще всего – 7– 8%. С древнейших времен железо получали из руд, залегающих почти повсеместно. Наиболее распространены руды гематита (Fe2O3), бурого железняка (2Fe2O3·3Н2О) и его разновидностей (болотная руда, сидерит, или шпатовое железо FeCO3), магнетита (Fe3О4) и некоторые другие. Все эти руды при нагревании с углем легко восстанавливаются при сравнительно низкой температуре начиная с 500°С.

Этимология названий железа на древних языках довольно отчетливо отражает историю знакомства наших предков с этим металлом. Многие древние народы, несомненно, познакомились с ним, как с металлом, упавшим с неба, т.е. как с метеоритным железом. Так, в древнем Египте железо имело название би-ни-пет (бенипет, коптское – бенипе), что в буквальном переводе означает небесная руда, или небесный металл. В эпоху первых династий Ур в Месопотамии железо именовали ан- бар (небесное железо). Древнегреческое название железа связано с древнейшим словом, уцелевшим в латинском языке, – sidereus (звездный от Sidus – звезда, светило). O том, что древние люди пользовались вначале именно железом метеоритного происхождения, свидетельствуют и распространенные у некоторых народов мифы о богах или демонах, сбросивших с неба железные предметы и орудия, – плуги, топоры и пр. Интересен также факт, что к моменту открытия Америки индейцы и

эскимосы Северной Америки не были знакомы со способами получения железа из руд, но умели обрабатывать метеоритное железо.

В древности и в средние века семь известных тогда металлов сопоставляли с семью планетами, что символизировало связь между металлами и небесными телами и небесное происхождение металлов. Такое сопоставление стало обычным более 2000 лет назад и постоянно встречается в литературе вплоть до XIX в. Во II в. н.э. железо сопоставлялось с Меркурием и называлось меркурием, но позднее его стали сопоставлять с Марсом и называть марс (Mars), что, в частности, подчеркивало внешнее сходство красноватой окраски Марса с красными железными рудами.

Впрочем, некоторые народы не связывали название железа с небесным происхождением металла. Так, у славянских народов железо называется  по

«функциональному» признаку. Русское железо (южнославянское зализо, польское zelaso, литовское gelesis и т.д.) имеет корень «лез» или «рез» (от слова лезо – лезвие). Такое словообразование прямо указывает на функцию предметов, изготовлявшихся из железа,

– режущих инструментов и оружия. Приставка «же», по-видимому, смягчение более древнего «зе» или «за»; она сохранилась в начальном виде у многих славянских народов (у чехов – zelezo).

Ставшее международным, латинское название Ferrum принято у романских народов. Оно, вероятно, связано с греколатинским fars (быть твердым), которое происходит от санскритского bhars (твердеть). Алхимики наряду с Ferrum употребляли и многие другие названия, например Iris, Sarsar, Phaulec, Minerau др.

Железные изделия из метеоритного железа найдены в захоронениях, относящихся к очень давним временам (IV–V тысячелетиях до н.э.), в Египте и Месопотамии. Однако железный век в Египте начался лишь с ХII в. до н.э., а в других странах еще позднее. В древнерусской литературе слово железо фигурирует в древнейших памятниках (с XI в.) под названиями желъзо, железо, жельзо.

Железо представляет собой серебристо-белый, мягкий металл. Железо – металл средней активности. При нагревании оно реагирует со многими веществами; в присутствии влаги железо способно реагировать с кислородом в обычных условиях (ржавление).

 

 

Рисунок 64. Внешний вид железа

На практике чаще применяется не чистое железо, а сплавы железа с углеродом: сталь (до 2,14 вес.% углерода) и чугун (более 2,14 вес.% углерода), а также нержавеющая (легированная) с добавками легирующих металлов (хром, марганец, никель и др.). Совокупность специфических свойств железа и его сплавов делают его

«металлом №1» по важности для человека.

 

Рисунок 65. Руда железа – гематит Fe2O3

Рисунок 66. Руда железа – магнетит Fe3O4

Рисунок 67. Руда железа – пирит FeS2

Соединения железа

 

Рисунок 68. Железный купорос FeSO4·7H2O

Рисунок 69. Красная кровяная соль K3[Fe(CN)6]

Рисунок 70. Гидроксид железа Fe(ОН)3

В живых организмах железо является важным микроэлементом, катализирующим процессы обмена кислородом (дыхания). Недостаток железа проявляется как болезнь организма: хлороз у растений и анемия у животных.

Обычно железо входит в ферменты в виде комплекса, называемого гемом. В частности, этот комплекс присутствует в гемоглобине – важнейшем белке, обеспечивающем транспорт кислорода с кровью ко всем органам человека и животных. И именно он окрашивает кровь в характерный красный цвет.

В организме взрослого человека содержится около 3–4 граммов железа (около 0,02%), из которых только около 3,5 мг находится в плазме крови. Источниками железа служат железо пищи и железо, освобождающееся при постоянном распаде эритроцитов в клетках печени и селезёнки.

Суточная потребность человека в железе следующая: дети – от 4 до 18 мг, взрослые – 10-18 мг.

§11. Атомы, ионы, молекулы

Атом и его строение

Над тем, как устроено вещество, люди размышляли с глубокой древности. Античные греческие ученые предполагали, что вещества состоят из мельчайших, невидимых глазу частиц разной формы, которые соединяются друг с другом при помощи различных крючков и присосок. Слово «атом» в переводе с греческого означает «неделимый».

Так ли это? Действительно ли атом неделим? Существование атома было доказано лишь в XIX веке путем эксперимента. Установлено, что атом содержит еще более мелкие по размеру частицы. Атом состоит из ядра и электронов, находящихся в околоядерном пространстве. В ядре сосредоточена практически вся масса атома. Вклад электронов в массу атома крайне мал. Масса электрона

составляет 9,1·10−31 кг. Каждый электрон заряжен отрицательно, условно его заряд принимают равным –1. Символ, которым принято обозначать электрон – ē.

Электроны движутся вокруг ядра, перемещаясь по сложным траекториям.

Ядро атома состоит из двух типов частиц: протонов и

нейтронов. Протоны обозначают буквой р, а нейтроны – n.

Заряды и массы протона, нейтрона и электрона, приведены в таблице 1:

Рисунок 71. Схема строения атома

 

Таблица 1. Некоторые характеристики элементарных частиц

Элементарная частица	Символ	Заряд	Масса
Электрон	ē	–1	9,1·10−31 кг
Протон	р	+1	1,67·10−27 кг
Нейтрон	n	0	1,67·10−27 кг

В целом атом электронейтрален, то есть его заряд равен нулю. С учетом электронейтральности атома, количество электронов в атоме всегда совпадает с количеством протонов.

С учетом того, что в ядре только протоны заряжены (нейтроны заряда не имеют), и заряд каждого протона +1, ядро имеет заряд.

Как определить количество электронов и протонов в

атоме?

Рисунок 72. Схема атома водорода

 

 

На рисунке 72 приведена схема строения атома водорода. Видно, что атом водорода состоит из одного отрицательно заряженного электрона и положительно заряженного ядра, состоящего из одного протона.

Обратимся к Периодической Системе химических

элементов. Порядковый номер водорода 1. Порядковый номер элемента равен заряду его ядра (Z) и имеет второе название – протонное число.

Рассмотрим другой пример. Определим количество электронов, протонов и заряд ядра для атома кислорода. Порядковый номер кислорода – 8. Значит, в его атоме содержится 8 электронов, 8 протонов, заряд ядра +8

(рисунок 73).

Как определить количество нейтронов? В начале параграфа уже упоминалось, что практически вся масса атома

 

Рисунок 73. Схема атома кислорода Синие частицы – ē Красные частицы – р Желтые частицы – n

сосредоточена в его ядре. В свою очередь ядро состоит из протонов и нейтронов. Относительная атомная масса элемента, записанная в Периодической Системе, приблизительно равна сумма масс протонов и нейтронов, поскольку масса электронов очень мала. Сумму масс протонов и нейтронов, равную округленной атомной массе химического элемента, называют массовым (нуклонным) числом и обозначают А.

Определим количество нейтронов в атоме кислорода. Относительная атомная масса кислорода с учетом округления равна 16. Вычтем количество протонов: 16 – 8 = 8. В атоме кислорода 8 нейтронов.

С учетом вышесказанного можем записать несколько простых выражений:

· количество электронов равно количеству протонов ē = p;

·

заряд ядра равен количеству протонов и имеет знак +, Z = p.

Протоны и нейтроны имеют общее название – нуклоны (от лат. nucleus –

«ядро»).

Термином нуклид обозначают атом с определённым порядковым номером Z и массовым числом А, т.е. с определённым набором протонов и нейтронов. Нуклиды с одним и тем же атомным номером, но с разными массовыми числами называются изотопными нуклидами или просто изотопами (от греч. «изос» – «равный» и «топос» –

«место»). Другими словами, в ядрах всех изотопов данного элемента содержится одинаковое число протонов, но разное число нейтронов.

Нуклиды обозначают символом элемента и массовым числом: 12С, 14N, 16O; другая форма записи: углерод-12, азот-14, кислород-16. Если массовое число не указывать, то подразумеваются все природные изотопы данного элемента. Иногда указывают и атомный номер элемента, но это не обязательно, поскольку символ элемента однозначно связан с определённым Z.

Так, для атомов водорода Z = 1, для азота Z = 7, для кислорода Z = 8 и т.д. Разных нуклидов значительно больше, чем элементов. Например, в природе найдены три изотопа водорода – нуклиды 1Н, 2Н (другое обозначение D – дейтерий) и 3Н (или Т – тритий), три изотопа углерода (12С, 13С и 14С), четыре – серы, пять – кальция, шесть

– селена, семь – молибдена, восемь – кадмия, девять – ксенона и десять – олова (это рекорд). Есть и элементы-одиночки, представленные всего одним нуклидом: 9Ве, 19F, 23Na, 27Al, 31P и др.

Некоторые природные нуклиды нестабильны: со временем они распадаются; это – радионуклиды.

Ионы

В отличие от атомов, ионы – это заряженные частицы. Ионы образуются в том случае, если нейтральный атом «потеряет» или «приобретет» часть электронов.

Например, в результате некоторой реакции, атом натрия утратил один электрон. Обратимся к Периодической Системе, согласно которой узнаем, что в атоме натрия 11 электронов. Если один электрон покинет атом, их останется 10, тогда нарушится принцип электронейтральности атома и положительно заряженное ядро будет доминировать, то есть частица приобретет положительный заряд.

                                                            Na 0 – ē ® Na +