Физические и химические явления 5 страница

Частица Na+ и есть ион. Возможен и другой вариант, атом, в результате химической реакции, может присоединять электроны. В этом случае образуется избыток электронов и, следовательно, суммарный отрицательный заряд электронов больше, чем положительный заряд ядра. Такой ион будет заряжен отрицательно.

Молекулы

Из курса природоведения вам известно, что молекулы образуются из атомов посредством их взаимодействия в результате химических реакций. Например, молекула водорода Н2, образуется при взаимодействии двух атомов водорода.

 

 

Рисунок 74. Схема образования молекулы водорода

Подобно молекулам водорода образуются и другие молекулы, например: молекула азота N2, кислорода О2, хлора Cl2 и другие.

Конечно же, существуют и более сложные молекулы, состоящие из большего числа атомов. Например, сладкий вкус фруктам придает глюкоза. Модель ее молекулы изображена на рисунке 75.

Существуют очень большие молекулы, в состав которых входят десятки, сотни и даже тысячи атомов! Например, молекулы

 

Рисунок 75. Модель молекулы глюкозы

белков, из которых состоят все живые организмы, состоят из сотен и тысяч различных атомов!

1. Определите сколько атомов водорода (белые шарики), кислорода (красные шарики) и углерода (черные шарики) входит в состав молекулы глюкозы.

 

Атомно-молекулярная теория

Процесс познания складывается таким образом, что блестящие догадки и великие теории, являвшиеся в свое время результатом гениального творчества, через более или менее продолжительное время становятся едва ли не тривиальными фактами, которые большинство людей принимает на веру. Многие ли из нас могли бы самостоятельно, на основе наблюдений и размышлений, догадаться, что Земля круглая, или что Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот, и наконец, что существуют атомы и молекулы? С высоты современной науки основные положения атомно-молекулярной теории выглядят всем известными положениями. Но для ученых прошлого, пытавшихся решить два основных вопроса: 1) из чего состоят вещества? и 2) почему вещества бывают разными, и почему одни вещества могут превращаться в другие? На решение их ушло больше 2000 лет. Результатом стала атомно-молекулярная теория, основные положения которой можно сформулировать следующим образом:

1. Все вещества состоят из молекул. Молекула – наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами.

2. Молекулы состоят из атомов. Атом – наименьшая частица элемента в химических соединениях. Разным элементам соответствуют разные атомы.

3. Молекулы и атомы находятся в непрерывном движении.

4. При химических реакциях молекулы одних веществ превращаются в молекулы других веществ. Атомы при химических реакциях не изменяются.

Подведем итоги

Вопросы, упражнения и задачи

Сформулируйте определения: элементарная частица, атом, ион, молекула, ядро, протон, нейтрон, электрон.

Перечислите элементарные частицы. Какими символами они обозначаются? Каковы заряды элементарных частиц?

Как определить количество электронов, протонов, нейтронов и заряд ядра в атоме?

Определите количество электронов, протонов, нейтронов, заряд ядра для атомов лития, углерода, фтора, магния, серы, титана, никеля, цинка, олова.

Вставь пропущенные слова: а) в состав ядра входят... и...;

б) общее число протонов в ядре равно... ядра и... элемента; в) заряд протона равен...;

г) масса протона равна...;

д) общее число нейтронов в ядре равно...; е) заряд нейтрона равен...;

ж) масса нейтрона равна....

Назовите элементы с зарядом ядра +2, +5, +19, +15. Охарактеризуйте их положение в ПС.

Назовите элементы с общим числом электронов 10, 14, 26, 34 и охарактеризуйте их положение в ПС.

Опишите процесс образования ионов из атомов. Какие виды ионов вам известны?

Составьте схемы образования ионов из атомов: калия (потеря 1 электрона), серы (присоединение  2 электронов), кальция (потеря двух электронов), хлора

(присоединение одного электрона), алюминия (потеря трех электронов), азота (потеря четырех электронов).

Заполните пропуски в таблице:

Символ элемента	Название	№ периода	№ группы	Количество электронов	Количество протонов	Количество нейтронов	Заряд ядра
Si
	Барий
		3	5
				24
					35
					51	71
							+29

Определите количество электронов содержащихся в 1 кг электронов.

Определите заряд частицы, если она содержит: а) ядро с зарядом +26 и 26 электронов; б) ядро с зарядом +8 и 10 электронов; в) ядро с зарядом +11 и 10 электронов; г) ядро с зарядом + 6 и 6 электронов; д) ядро с зарядом +9 и 10 электронов; е) ядро с зарядом +12 и 10 электронов.

Заполните таблицу

Элемент	Нуклонное число А	Протонное число Z	Количество
			протонов	электронов	нейтронов
Li	6
О	16
Mg	25
Аr	40
Ті	49

Сколько протонов и электронов содержится в ионах S2−, Н+, Аl3+, F⎺, Са2+?

Сколько протонов и электронов содержится в ионах Н⎺, Сl⎺, Na+, Ті4+, Mg2+?

Приведите полное обозначение нуклида, который содержит: а) 18 электронов и 22 нейтронов; б) 30 электронов и 34 нейтронов; в) 25 электронов и 30 нейтронов.

Приведите полное обозначение нуклида, содержащего: а) 21 нейтрон и 38 других частиц; б) 44 нейтрона и 70 других частиц; в) 16 нейтронов и 30 других частиц.

Нуклиды элементов X, Y и Z обозначаются так: 18 Х, 33 Y, 40 Z. Назовите элементы

X, Y и Z. Какой состав ядра атома каждого из нуклидов?

 

Но если сравнивать не массы, а размеры, то окажется, что атом намного более

«пустой», чем Солнечная система. Её диаметр примерно в 4 тыс. раз больше диаметра Солнца. Размеры же атомов (порядка 10−10 м) приблизительно в 100 тыс. раз превышают размеры ядра (порядка 10−15 м для лёгких ядер)! Если увеличить ядро до 1 мм (булавочная головка), то сам атом вырастет до 100 000 мм = 100 м (размер футбольного поля). Ещё разительнее сопоставление объёмов ядра и атома – получается разница в 15 порядков. Это означает, например, что практически вся масса огромного свинцового куба с ребром 100 м (она равна 11 млн. тонн) сосредоточена в ядрах атома свинца, суммарный объём которых меньше спичечной головки! Трудно даже представить себе, насколько высока плотность ядерного вещества.

37. Гелий, Helium, Не (2)

ЕГО НАШЛИ НА СОЛНЦЕ. 18 августа 1868 г. ожидалось полное солнечное затмение. Астрономы всего мира деятельно готовились к этому дню. Они надеялись разрешить тайну протуберанцев – светящихся выступов, видимых в момент полного солнечного затмения по краям солнечного диска. Одни астрономы полагали, что протуберанцы представляют собой высокие лунные горы, которые в момент полного солнечного затмения освещаются лучами Солнца; другие думали, что протуберанцы – это горы на самом Солнце; третьи видели в солнечных выступах огненные облака солнечной атмосферы. Большинство же считало, что протуберанцы – не больше, как оптический обман.

К 1860 г. был уже изобретен спектроскоп – прибор, дающий возможность путем наблюдений видимой части оптического спектра определять качественный состав тела, от которого получается наблюдаемый спектр. Вот почему, готовясь к солнечному затмению 1868 г., каждый астроном в список инструментов для наблюдения включил и спектроскоп. Не забыл этот прибор и Жюль Жансен, известный французский ученый, отправляясь для наблюдения протуберанцев в Индию, где условия для наблюдения солнечного затмения по вычислениям астрономов были наилучшими.

В момент, когда сверкающий диск Солнца был полностью закрыт Луной, Жюль Жансен, исследуя с помощью спектроскопа оранжево-красные языки пламени, вырывавшиеся с поверхности Солнца, увидел в спектре, кроме трех знакомых линий водорода: красной, зелено-голубой и синей, новую, незнакомую – ярко-желтую. Ни одно из веществ, известных химикам того времени, не имело такой линии в той части спектра, где ее обнаружил Жюль Жансен.

 

Такое же открытие, но у себя дома, в Англии, сделал астроном Норман Локиер.

25 октября 1868 г. парижская Академия наук получила два письма. Одно, написанное на следующий день после солнечного затмения, пришло из Гунтура, маленького городка на восточном побережье Индии, от Жюля Жансена; другое письмо, от 20 октября 1868 г., было из Англии от Нормана Локиера.

Полученные письма были зачитаны на заседании профессоров парижской Академии наук. В них Жюль Жансен и Норман Локиер, независимо один от другого, сообщили об открытии одного и того же «солнечного вещества». Это новое

вещество, найденное на поверхности Солнца с помощью спектроскопа, Локиер предлагал назвать гелием от греческого слова «солнце» – «гелиос».

В 1895 г. лондонский химик Генри Майерс обратил внимание Вильяма Рамзая, известного английского физика-химика, на тогда уже забытую статью геолога Хильдебранда. В этой статье Хильдебранд утверждал, что некоторые редкие минералы при нагревании их в серной кислоте выделяют газ, не горящий и не поддерживающий горения. В числе таких редких минералов был клевеит.

Рамзай решил исследовать природу газа, содержащегося в клевеите. Во всех химических магазинах Лондона помощникам Рамзая удалось купить всего только... один грамм клевеита, заплатив за него всего 3,5 шиллинга. Выделив из полученного количества клевеита несколько кубических сантиметров газа и очистив от примесей, Рамзай исследовал его с помощью спектроскопа. Результат был неожиданным: выделенный газ из клевеита оказался... гелием!

Не доверяя своему открытию, Рамзай обратился к Вильяму Круксу, крупнейшему в то время в Лондоне специалисту спектрального анализа, с просьбой исследовать выделенный из клевеита газ.

Крукс исследовал газ. Результат исследования подтвердил открытие Рамзая. Так, 23 марта 1895 г. на Земле было обнаружено вещество, 27 лет назад найденное на Солнце. В тот же день Рамзай опубликовал свое открытие, отправив одно сообщение в Лондонское Королевское общество, а другое – известному французскому химику академику Бертло. В письме к Бертло Рамзай просил сообщить о своем открытии ученому собранию профессоров парижской Академии.

Через 15 дней после Рамзая, независимо от него, шведский химик Ланглэ выделил гелий из клевеита и так же, как Рамзай, сообщил о своем открытии гелия химику Бертло.

В третий раз гелий был открыт в воздухе, куда, по мысли Рамзая, он должен был поступать из редких минералов (клевеита и др.) при разрушении и химических превращениях на земле.

В небольших количествах гелий был обнаружен и в воде некоторых минеральных источников. Однако больше всего было обнаружено гелия в некоторых минералах. Он содержится в самарските, фергусоните, колумбите, монаците, уранините. В минерале торианите с острова Цейлон содержится особенно много гелия. Килограмм торианита при нагревании докрасна выделяет 10 л гелия.

 

 

Вскоре было установлено, что гелий встречается только в тех минералах, в составе которых находятся радиоактивные уран и торий. Альфа-лучи, испускаемые некоторыми радиоактивными элементами, представляют собой не что иное, как ядра атомов гелия, которые, присоединяя электроны, превращаются в атомы гелия.

Гелий – прозрачный газ, без вкуса и запаха, следующий по величине атомного веса после водорода элемент. Он абсолютно инертен, т.е. не вступает ни в какие реакции. Из всех веществ гелий имеет самую низкую температуру кипения – 269°С. Жидкий гелий – самая холодная жидкость. «Замерзает» гелий при –272°С. Эта температура всего на один градус выше температуры абсолютного нуля.

 

 

Рисунок 76. Символ элемента, выполненный из газоразрядных трубок, наполненных гелием.

Рисунок 77. Два сосуда Дьюара по 250 л с жидким гелием

Рисунок 78. Сжиженный гелий. Этот гелий – не только сжижен, он охлажден до точки сверхтекучести. Капля жидкости на дне стакана представляет собой гелий, самопроизвольно вытекающий из контейнера через край

Гелий – лучший газ для воздухоплавательных аппаратов. Для их наполнения обычно используется смесь гелия (85%) с водородом (15%). Огромные количества гелия (до 200 000 м3), в прошлом необходимые для наполнения дирижаблей, добывались в основном из природных газов.

В водолазном деле гелий используется для получения искусственного воздуха. Искусственный воздух, в составе которого азот частично заменен гелием, применяется для облегчения дыхания водолазов, работающих под особенно большим давлением.

«Гелиевый» воздух имеет плотность в три раза меньше плотности обычного воздуха. Поэтому дышать «гелиевым» воздухом легче, чем обычным (уменьшается работа дыхательных мышц). Это обстоятельство имеет важное значение при заболевании дыхательных мышц и некоторых других болезнях, связанных с актом дыхания. Поэтому «гелиевый» воздух применяется также в медицине при лечении астмы, удуший и других болезней.

Гелий применяется также в технике, получения низких температур.

§12. Простые и сложные вещества

Простые вещества и их классификация

При изучении материала предыдущих параграфов, вы уже познакомились с некоторыми веществами. Так, например, молекула газа водорода, состоит из двух атомов химического элемента водорода – Н + Н = Н2.

К простым веществам, из числа известных вам веществ, относят: кислород, графит, серу, азот, все металлы: железо, медь, алюминий, золото и т.д. Сера состоит только из атомов химического элемента серы, а графит состоит из атомов химического элемента углерода.

Нужно четко различать понятия «химический элемент» и

«простое вещество». Например, уголь и углерод – не одно и тоже. Углерод – химический элемент, а уголь – простое  вещество,

образованное химическим элементов углеродом. В данном случае химический элемент (углерод) и простое вещество (уголь) называются по-разному. Часто химический элемент и отвечающее ему простое вещество называются одинаково. Например, элементу кислороду, соответствует простое вещество – кислород. Различать, где идет речь об элементе, а где о веществе, необходимо научиться! Например, когда говорят, что кислород входит в состав воды – речь идет об элементе кислороде. Когда говорят, что кислород – это газ, необходимый для дыхания – здесь идет речь о простом веществе кислороде.

Простые вещества химических элементов подразделяют на две группы – металлы и неметаллы.

Металлы и неметаллы кардинально отличаются по своим физическим свойствам. Все металлы при нормальных условиях твердые вещества, исключение составляет ртуть – единственный жидкий металл. Металлы непрозрачны, обладают

характерным металлическим блеском. Металлы пластичны, хорошо проводят тепло и электрический ток.

              

Самородная медь	Магний	Ртуть
Рисунок 79. Образцы металлов

Неметаллы не похожи друг на друга по физическим свойствам. Так, водород, кислород, азот – газы, кремний, сера, фосфор – твердые вещества. Единственный жидкий неметалл – бром – жидкость коричнево-красного цвета.

 

 

Бром	Фосфор	Сера
	Рисунок 80. Образцы неметаллов

Если провести условную линию от Бора к Астату, то в длинном варианте Периодической Системы над линией расположены неметаллические элементы, а под ней – металлические (рисунок 81, см. также последний форзац). В коротком варианте Периодической Системы под этой линией расположены неметаллические элементы, а над ней – как металлические, так и неметаллические элементы. Значит, определять, является элемент металлическим или неметаллическим, удобнее по длинному варианту Периодической Системы. Это деление условное, поскольку все элементы так или иначе проявляют как металлические, так и неметаллические свойства, но в большинстве случаев такое распределение соответствует действительности.

Рисунок 81. Размещение металлов и неметаллов в Периодической Системе: серым цветом обозначены металлы, желтым – неметаллы,

красным – элементы, проявляющие свойства и металлов и неметаллов

Сложные вещества и их классификация

Если в состав простых веществ входят атомы только одного вида, несложно догадаться, что в состав сложных веществ будут входить несколько видов различных атомов, как минимум двух. Примером сложного вещества является вода, ее химическая формула вам известна, Н2О. Молекулы воды состоят из двух видов атомов: водорода и кислорода.

 

Проведем следующий эксперимент. Смешаем порошки серы и цинка. Поместим смесь на металлический лист и подожжем при помощи деревянной лучины. Смесь загорается и быстро сгорает ярким пламенем. После завершения химической реакции образовалось новое вещество, в

состав которого входят атомы серы и цинка. Свойства этого вещества совершенно другие, нежели свойства исходных веществ – серы и цинка.

Рисунок 82. Реакция серы с цинком

Сложные вещества принято делить на две группы: неорганические вещества и их производные и органические вещества и их производные. Например, каменная соль – это неорганическое вещество, а крахмал, содержащийся в картофеле – органическое вещество.

 

Типы строения веществ

По типу частиц, входящих в состав веществ, вещества делят на вещества молекулярного и немолекулярного строения.

В состав вещества могут входить различные структурные частицы, такие как атомы, молекулы, ионы. Следовательно, существует три типа веществ: вещества атомного, ионного и молекулярного строения. Вещества различного типа строения будут иметь различные свойства.

· Вещества атомного строения. Примером веществ атомного строения могут быть вещества, образованные элементом углеродом: графит и алмаз. В состав этих веществ входят только атомы углерода, но свойства этих веществ очень сильно отличаются. Графит – хрупкое вещество серо-черного цвета. Алмаз – прозрачный, один из самых твердых на планете, минерал. Почему вещества, состоящие из одного типа атомов, имеют различные свойства? Все дело в строении этих веществ. Атомы углерода в графите и алмазе соединяются различным способом. В общем, вещества атомного строения имеют высокие температуры кипения и плавления, как правило, нерастворимы в воде, нелетучи.

Кристаллическая решетка алмаза	Кристаллическая решетка графита
Рисунок 83. Кристаллические решетки алмаза и графита   Кристаллическая решетка – вспомогательный геометрический образ, вводимый для анализа строения кристалла

· Вещества молекулярного строения. Вещества молекулярного строения

– это практически все жидкости и большинство газообразных веществ. Существуют и кристаллические вещества, в состав кристаллической решетки которых входят молекулы. Вода – вещество молекулярного строения.

Лед также имеет молекулярное строение, но в отличие от жидкой воды, имеет кристаллическую решетку, где все молекулы строго упорядочены. Вещества молекулярного строения имеют невысокие температуры кипения и плавления, как правило хрупкие, не проводят электрический ток.

· Вещества ионного строения. Вещества

ионного строения – это твердые кристаллические вещества. Примером вещества ионного соединения может быть поваренная соль. Ее химическая формула

Рисунок 84. Модель кристаллической решетки поваренной соли

NaCl. NaCl состоит из ионов Na+ и Cl⎺, чередующихся в узлах кристаллической решетки. Вещества ионного строения имеют высокие температуры плавления и кипения, хрупкие, как правило, хорошо растворимы в воде, не проводят электрический ток.

Понятия «атом», «химический элемент» и «простое вещество» не следует смешивать. «Атом» – конкретное понятие, так как атомы существуют реально.

«Химический  элемент» –  это  собирательное,  абстрактное  понятие;  в  природе

химический элемент существует в виде свободных или химически связанных атомов, то есть простых и сложных веществ.

Названия химических элементов и соответствующих простых веществ совпадают в большинстве случаев.

Когда мы говорим о материале или компоненте смеси – например, колба наполнена газообразным хлором, водный раствор брома, возьмём кусочек фосфора, – мы говорим о простом веществе. Если же мы говорим, что в атоме хлора содержится 17 электронов, вещество содержит фосфор, молекула состоит из двух атомов брома, то имеем в виду химический элемент.

Нужно различать свойства (характеристики) простого вещества (совокупности частиц) и свойства (характеристики) химического элемента (изолированного атома определенного вида), см. таблицу ниже:

Характеристики химического элемента	Характеристики простого вещества
атомный номер относительная атомная масса изотопный состав распространённость в природе положение в Периодической Системе строение атома энергия ионизации сродство к электрону электроотрицательность степени окисления валентность аллотропные модификации химический знак …	окраска запах электропроводность теплопроводность растворимость твёрдость температура кипения температура плавления вязкость молярная масса оптические свойства магнитные свойства химическая формула …

Сложные вещества необходимо отличать от смесей, которые тоже состоят из разных элементов.

Количественное            соотношение компонентов смеси может быть переменным, а химические соединения имеют постоянный состав.

Например, в стакан чая вы можете внести одну ложку сахара, или несколько, а

молекулы сахарозы С12Н22О11 содержит точно 12 атомов углерода, 22 атома водорода и 11 атомов кислорода.

Таким образом, состав соединений можно описать одной химической формулой, а состав смеси – нет.

Компоненты смеси сохраняют свои физические и химические свойства. Например, если смешать железный порошок с серой, то образуется смесь двух веществ. И сера, и железо в этой смеси сохраняют свои свойства: железо притягивается магнитом, а сера не смачивается водой и плавает по ее поверхности.

Если же сера и железо прореагируют друг с другом, образуется новое соединение с формулой FeS, не имеющее свойств ни железа, ни серы, но обладающее

набором собственных свойств. В соединении FeS железо и сера связаны друг с другом, и разделить их методами, которыми разделяют смеси, нельзя.

Таким образом, вещества можно классифицировать по нескольким параметрам:

 

Подведем итоги

Вопросы, упражнения и задачи

Сформулируйте понятия «простое вещество», «сложное вещество»,

«неорганическое вещество», «органическое вещество», «кристаллическое вещество».