Периодическая система элементов оказала большое влияние на последующее развитие химии.
Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907)
Она не только была первой естественной классификацией химических элементов, показавшей, что они образуют стройную систему и находятся в тесной связи друг с другом, по и явилась могучим орудием для дальнейших исследований.
В то время, когда Менделеев на основе открытого им периодического закона составлял свою таблицу, многие элементы были еще неизвестны. Так, был неизвестен элемент четвертого периода скандий. По атомной массе вслед за кальцием шел титан, но титан нельзя было поставить сразу после кальция, так как он попал бы в третью группу, тогда как титан образует высший оксид , да и по другим свойствам должен быть отнесен к четвертой группе. Поэтому Менделеев пропустил одну клетку, т. е. оставил свободное место между кальцием и титаном. На том же основании в четвертом периоде между цинком и мышьяком были оставлены две свободные клетки, занятые теперь элементами галлием и германием. Свободные места остались и в других рядах. Менделеев был не только убежден, что должны существовать неизвестные еще элементы, которые заполнят эти места, но и заранее предсказал свойства таких элементов, основываясь на их положении среди других элементов периодической системы. Одному из них, которому в будущем предстояло занять место между кальцием и титаном, он дал название экабор (так как свойства его должны были напоминать бор); два других, для которых в таблице остались свободные места между цинком и мышьяком, были названы эка-алюминием и экасилицием.
В течение следующих 15 лет предсказания Менделеева блестяще подтвердились: все три ожидаемых элемента были открыты. Вначале французский химик Лекок де Буабодран открыл галлий, обладающий всеми свойствами экаалюминия; вслед за тем в Швеции Л. Ф. Нильсоном был открыт скандий, имевший свойства экабора, и, наконец, спустя еще несколько лет в Германии К. А. Винклер открыл элемент, названный им германием, который оказался тождественным экасилицию.
Чтобы судить об удивительной точности предвидения Менделеева, сопоставим предсказанные им в 1871 г. свойства экасилиция со свойствами открытого в 1886 г. германия:
Открытие галлия, скандия и германия было величайшим триумфом периодического закона.
Большое значение имела периодическая система также при установлении валентности и атомных масс некоторых элементов. Так, элемент бериллий долгое время считался аналогом алюминия и его оксиду приписывали формулу . Исходя из процентного состава и предполагаемой формулы оксида бериллия, его атомную массу считали равной 13,5. Периодическая система показала, что для бериллия в таблице есть только одно место, а именно - над магнием, так что его оксид должен иметь формулу , откуда атомная масса бериллия получается равной десяти. Этот вывод вскоре был подтвержден определениями атомной массы бериллия по плотности пара его хлорида.
Точно И в настоящее время периодический закон остается путеводной нитью и руководящим принципом химии. Именно на его основе были искусственно созданы в последние десятилетия трансурановые элементы, расположенные в периодической системе после урана. Один из них - элемент № 101, впервые полученный в 1955 г., - в честь великого русского ученого был назван менделевием.
Открытие периодического закона и создание системы химических элементов имело огромное значение не только для химии, но и для философии, для всего нашего миропонимания. Менделеев показал, что химические элементы составляют стройную систему, в основе которой лежит фундаментальный закон природы. В этом нашло выражение положение материалистической диалектики о взаимосвязи и взаимообусловленности явлений природы. Вскрывая зависимость между свойствами химических элементов и массой их атомов, периодический закон явился блестящим подтверждением одного из всеобщих законов развития природы - закона перехода количества в качество.
Последующее развитие науки позволило, опираясь на периодический закон, гораздо глубже познать строение вещества, чем это было возможно при жизни Менделеева.
Разработанная в XX веке теория строения атома в свою очередь дала периодическому закону и периодической системе элементов новое, более глубокое освещение. Блестящее подтверждение нашли пророческие слова Менделеева: «Периодическому закону не грозит разрушение, а обещаются только надстройка и развитие».
Возможность научного прогнозирования неизвестных элементов стала реальностью лишь после открытия периодического закона и периодической системы элементов. Д. И. Менделеев предсказал существование 11 новых элементов : экабора, экасилиция, экаалюминия и др. «Координаты» элемента в периодической системе (порядковый номер, группа и период) позволяли ориентировочно предсказать атомную массу, а также важнейшие свойства прогнозируемого элемента. Точность этих предсказаний возрастала особенно тогда, когда прогнозируемый элемент находился в окружении известных и достаточно изученных элементов.
Благодаря этому в 1875 г. во Франции Л. де Буабодран открыл галлий (экаалюминий); в 1879 г. Л. Нильсон (Швеция) открыл скандий (экабор); в 1886 г. в Германии К. Винклер открыл германий (экасилиций).
В отношении неоткрытых элементов девятого и десятого рядов высказывания Д. И. Менделеева были более осторожными, ибо их свойства были изучены крайне слабо. Так, после висмута, на котором обрывался шестой период, были оставлены два прочерка. Один соответствовал аналогу теллура, другой принадлежал неизвестному тяжелому галогену. В седьмом же периоде были известны лишь два элемента - торий и уран. Д. И. Менделеев оставил несколько клеток с прочерками, которые должны были принадлежать элементам первой, второй и третьей групп, предшествующих торию. Пустая клетка была оставлена и между торием и ураном. За ураном было оставлено пять свободных мест, т.е. почти за 100 лет были предвидены трансурановые элементы.
Для подтверждения точности прогнозов Д. И. Менделеева относительно элементов девятого и десятого рядов можно привести пример с полонием (порядковый номер 84). Предсказывая свойства элемента с порядковым номером 84, Д. И. Менделеев обозначил его как аналог теллура и назвал двителлуром. Для этого элемента он предположил атомную массу 212 и способность образовывать оксид типа ЭО э. Этот элемент должен иметь плотность 9,3 г/см 3 и быть легкоплавким, кристаллическим и труднолетучим металлом серого цвета. Полоний, который в чистом виде был получен лишь в 1946 г., представляет собой мягкий легкоплавкий металл серебристого цвета с плотностью 9,3 г/см 3 . По свойствам во многом напоминает тел- лур.
Периодический закон Д. И. Менделеева, будучи одним из важнейших законов природы, имеет исключительное значение. Отражая естественную взаимосвязь, существующую между элементами, ступенями развития материи от простого к сложному, этот закон положил начало современной химии. С его открытием химия перестала быть описательной наукой.
Периодический закон и система элементов Д. И. Менделеева являются одним из надежных методов познания мира. Так как элементы объединены общностью свойств или строения, то это свидетельствует о закономерностях взаимосвязи и взаимообусловленности явлений.
Все элементы составляют в совокупности одну линию непрерывного развития от самого простейшего водорода до 118-го элемента. Такая закономерность впервые была подмечена Д. И. Менделеевым, сумевшим предсказать существование новых элементов, показав тем самым непрерывность развития материи.
Сопоставлением свойств элементов и их соединений внутри групп легко можно обнаружить проявление закона о переходе количественных изменений в качественные. Так, внутри любого периода имеется переход от типичного металла к типичному неметаллу (галогену), однако переход от галогена к первому элементу следующего периода (щелочному металлу) сопровождается появлением резко противоположных этому галогену свойств. Открытие Д. И. Менделеева заложило точный и надежный фундамент теории строения атома, оказав огромное влияние на развитие всех современных знаний о природе вещества.
Работа Д. И. Менделеева по созданию периодической системы положила начало научно обоснованному методу целенаправленного поиска новых химических элементов. Примерами могут служить многочисленные успехи современной ядерной физики. За последние полвека с небольшим синтезированы элементы с порядковыми номерами 102-118. Изучение их свойств, так же как и получение, было бы невозможно без знаний закономерностей взаимосвязи между химическими элементами.
Доказательством подобного утверждения являются результаты исследований по синтезу элементов 114, 116, 118 .
Изотоп 114-го элемента получен взаимодействием плутония с изотопом 48 Са, а 116-го - взаимодействием кюрия с изотопом 48 Са:
Стабильность полученных изотопов столь высока, что они спонтанно не делятся, а испытывают альфа-распад, т.е. расщепление ядра с одновременным испусканием альфа-частиц.
Полученные экспериментальные данные полностью подтверждают теоретические расчеты: по мере последовательных альфа-распадов образуются ядра 112-го и 110-го элементов, после чего начинается спонтанное деление:
Сравнивая свойства элементов, мы убеждаемся, что они взаимосвязаны общностью структурных признаков. Так, сопоставляя строение внешних и предвнешних электронных оболочек, можно с высокой точностью предсказать все типы соединений, характерные для данного элемента. Такая четкая взаимосвязь очень хорошо иллюстрируется на примере 104-го элемента - резерфордия. Химиками было предсказано, что если данный элемент является аналогом гафния (72 Hf), то его тетрахлорид по свойствам должен быть примерно таким же, что и HfCl 4 . Экспериментальные химические исследования подтвердили не только прогноз химиков, но и открытие нового сверхтяжелого элемента 1(M Rf. Такая же аналогия прослеживается в свойствах - Os (Z = 76) и Ds (Z = 110) - оба элемента образуют летучие оксиды типа R0 4 . Все это говорит о проявлении закона взаимосвязи и взаимообусловленности явлений.
Сравнение свойств элементов как в пределах групп, так и периодов, и сопоставление их со строением атома указывают на закон перехода количества в качество. Переход количественных изменений в качественные возможен лишь через отрицание отрицания. Внутри периодов с увеличением заряда ядра происходит переход от щелочного металла к благородному газу. Следующий период вновь начинается со щелочного металла - элемента, который полностью отрицает свойства предшествующего ему благородного газа (например, Не и Li; Ne и Na; Аг и Кг и т.д.).
В каждом периоде заряд ядра последующего элемента возрастает на единицу но сравнению с предыдущим. Этот процесс наблюдается от водорода до 118-го элемента и свидетельствует о непрерывности развития материи.
Наконец, совмещение в атоме разноименных зарядов (протон и электрон), проявление металлических и неметаллических свойств, существование амфотерных оксидов и гидроксидов есть проявление закона единства и борьбы противоположностей.
Необходимо также отметить, что открытие периодического закона явилось началом фундаментальных исследований, касающихся свойств материи.
По выражению Нильса Бора, периодическая система является «путеводной звездой для исследований в области химии, физики, минералогии, техники».
- Элементы 112, 114, 116, 118 получены в Объединенном институте ядерных исследований (г. Дубна, Россия). Элементы 113 и 115 получены совместно российскими и американскими физиками. Материал любезно предоставлен академиком РАН Ю. Ц. Оганесяном.
Д. И. Менделеев писал: «До периодического закона элементы представляли лишь отрывочные случайные явления природы; не было повода ждать каких-либо новых, а вновь находимые были полной неожиданной новинкой. Периодическая закономерность первая дала возможность видеть не открытые еще элементы в такой дали, до которой невооруженное этой закономерностью зрение до тех пор не достигало».
С открытием Периодического закона химия перестала быть описательной наукой - она получила инструмент научного предвидения. Этот закон и его графическое отображение - таблица Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева - выполнили все три важнейшие функции теоретического знания: обобщающую, объясняющую и прогностическую. На их основе ученые:
- систематизировали и обобщили все сведения о химических элементах и образуемых ими веществах;
- дали обоснование различным видам периодической зависимости, существующим в мире химических элементов, объяснив их на основе строения атомов элементов;
- предсказали, описали свойства еще не открытых химических элементов и образованных ими веществ, а также указали пути их открытия.
Систематизировать и обобщить сведения о химических элементах пришлось самому Д. И. Менделееву, когда он открывал Периодический закон, строил и совершенствовал свою таблицу. Причем ошибки в значениях атомных масс и наличие не открытых еще элементов создавали дополнительные трудности. Но великий ученый был твердо уверен в истинности открытого им закона природы. Основываясь на сходстве в свойствах и веря в правильность определения места элементов в таблице Периодической системы, он существенно изменил принятые в то время атомные массы и валентность в соединениях с кислородом у десяти элементов и «подправил» их еще у десяти других. Восемь элементов он разместил в таблице вопреки принятым в то время представлениям об их сходстве с другими. Например, таллий он исключил из естественного семейства щелочных металлов и поместил в III группу согласно проявляемой им высшей валентности; бериллий с неверно определенной относительной атомной массой (13) и валентностью III он перевел из III группы во II, изменив значение его относительной атомной массы на 9 и высшую валентность на II.
Большинство ученых восприняли поправки Д. И. Менделеева как научное легкомыслие, необоснованную дерзость. Периодический закон и таблица химических элементов рассматривались как гипотеза, т. е. предположение, нуждающееся в проверке. Ученый понимал это и именно для проверки правильности открытого им закона и системы элементов подробно описал свойства не открытых еще элементов и даже способы их открытия, исходя из предполагаемого места в системе. По первому варианту таблицы он сделал четыре прогноза о существовании неизвестных элементов (галлий, германий, гафний, скандий), а по усовершенствованному, второму - еще семь (технеций, рений, астат, франций, радий, актиний, протактиний).
За период с 1869 по 1886 г. были открыты три предсказанных элемента: галлий (П. Э. Лекок де Буабодран, Франция, 1875 г.), скандий (Л. Ф. Нильсон, Швеция, 1879 г.) и германий (К. Винклер, Германия, 1886 г.). Открытие первого из этих элементов, подтвердившее правильность прогноза великого русского ученого, вызвало у его коллег только интерес и удивление. Открытие же германия стало подлинным триумфом Периодического закона. К. Винклер писал в статье «Сообщение о германии»: «Не подлежит больше никакому сомнению, что новый элемент есть не что иное, как предсказанный Менделеевым за пятнадцать лет до этого экасилиций. Ибо едва ли может быть дано более убедительное доказательство справедливости учения о периодичности элементов, чем воплощение бывшего до сих пор гипотетическим экасилиция, и оно представляет собой поистине нечто большее, чем простое подтверждение смело выдвинутой теории, - оно означает выдающееся расширение химического поля зрения, могучий шаг в области познания».
На основе закона и таблицы Д. И. Менделеева были предсказаны и открыты благородные газы. И сейчас этот закон служит путеводной звездой для открытия или искусственного создания новых химических элементов. Например, можно утверждать, что элемент с № 114 похож на свинец (экасвинец), а № 118 будет благородным газом (экарадон).
Открытие Периодического закона и создание таблицы Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеевым стимулировало поиск причин взаимосвязи элементов, способствовало выявлению сложной структуры атома и развитию учения о строении атома. Это учение, в свою очередь, позволило вскрыть физический смысл Периодического закона и объяснить расположение элементов в Периодической системе. Оно привело к открытию атомной энергии и использованию ее для нужд человечества.
Вопросы и задания к § 5
- Проанализируйте распределение биогенных макроэлементов по периодам и группам Периодической системы Д. И. Менделеева. Напомним, что к ним относят С, Н, О, N, Са, S, Р, К, Mg, Fe.
- Почему элементы главных подгрупп 2-го и 3-го периодов называют химическими аналогами? В чем проявляется эта аналогия?
- Почему водород, в отличие от всех других элементов, записывают в Периодической таблице Д. И. Менделеева дважды? Докажите правомочность двойственного положения водорода в Периодической системе, сравнив строение и свойства его атома, простого вещества и соединений с соответствующими формами существования других элементов - щелочных металлов и галогенов.
- Почему так похожи свойства лантана и лантаноидов, актиния и актиноидов?
- Какие формы соединений будут одинаковыми у элементов главных и побочных подгрупп?
- Почему общие формулы летучих водородных соединений в Периодической системе пишут только под элементами главных подгрупп, а формулы высших оксидов - под элементами обеих подгрупп (посередине)?
- Какова общая формула высшего гидроксида, соответствующего элементам VII группы? Каков его характер?
Периодическая система элементов явилась одним из наиболее ценных обобщений в химии. Она представляет собой как бы конспект химии всех элементов, график по которому можно читать свойства элементов и их соединений. Система позволила уточнить положение, величины атомных масс, значение валентности некоторых элементов. На основе таблицы можно было предсказать существование и свойства еще неоткрытых элементов. Менделеев сформулировал периодический закон и предложил его графическое отображение, однако в то время нельзя было определить природу периодичности. Смысл периодического закона был выявлен позже, в связи с открытиями по строению атома.
1. В каком году был открыт периодический закон?
2. Что Менделеев взял за основу систематизации элементов?
3. Как гласит закон открытый Менделеевым?
4. В чем разница с современной формулировкой?
5. Что называется атомной орбиталью?
6. Как изменяются свойства в периодах?
7. Как подразделяются периоды?
8. Что называется группой?
9. Как подразделяются группы?
10. Какие виды электроновы вы знаете?
11. Как происходит заполнение энергетических уровней?
Лекция №4: Валентность и степень окисления. Периодичность изменения свойств.
Происхождение понятия валентности. Валентность химических элементов является одним из самых важных их свойств. Понятие валентности было введено в науку Э. Франкландом в 1852 г. Вначале понятие носило исключительно стехиометрический характер и вытекало из закона эквивалентов. Смысл понятия валентности вытекал из сопоставления величин атомной массы и эквивалента химических элементов.
С установлением атомно-молекулярных представлений понятие валентности приобрело определенный структурно-теоретический смысл. Под валентностью стали понимать способность одного атома данного элемента присоединять к себе то или иное число атомов другого химического элемента. За единицу валентности была принята соответствующая способность атома водорода, поскольку отношение атомной массы водорода к его эквиваленту равно единице. Таким образом валентность химического элемента определяли как способность его атома присоединять то или иное число атомов водорода. Если данный элемент не образовывал соединений с водородом, его валентность определялась как способность его атома замещать то или иное число атомов водорода в его соединениях.
Такое представление о валентности подтверждалось для простейших соединений.
На основе представления о валентности элементов возникло представление и о валентности целых групп. Так, например, группе OH, поскольку она присоединяла один атом водорода или замещала один атом водорода в других его соединениях, приписывалась валентность, равная единице. Однако представление о валентности теряло свою однозначность, когда дело касалось соединений более сложных. Так, например, в перекиси водорода H 2 O 2 валентность кислорода должна быть признана равной единице, поскольку в этом соединении на каждый атом кислорода приходится один атом водорода. Однако известно, что каждый атом кислорода в H 2 O 2 соединен с одним атомом водорода и одной одновалентной группой OH, т. е. кислород двухвалентен. Подобным образом валентность углерода в этане C 2 H 6 должна быть признана равной трем, так как в этом соединении на каждый атом углерода приходится по три атома водорода, но, поскольку каждый атом углерода соединен с тремя атомами водорода и одной одновалентной групой CH 3 , валентность углерода в C 2 H 6 равна четырем.
Следует заметить, что при формировании представлений о валентности отдельных элементов указанные осложняющие обстоятельства не принимались во внимание, а учитывался только состав простейших соединений. Но и при этом оказалось, что у многих элементов валентность в различных соединениях не одинакова. Особенно это было заметно для соединений некоторых элементов с водородом и кислородом, в которых проявлялась различная валентность. Так, в соединении с водородом валентность серы оказалась равной двум, а с кислородом – шести. Поэтому стали различать валентность по водороду и валентность по кислороду.
В дальнейшем в связи с представлением о том, что в соединениях одни атомы поляризованы положиельно, а другие отрицательно, понятие о валентности в кислородных и водородных соединениях было заменено понятием о положительной и отрицательной валентности.
Различные значения валентности у одних и тех же элементов проявлялись также в их различных соединениях с кислородом. Другими словами, одни и те же элементы оказались способны проявлять различную положительную валентность. Так появилось представление о переменной положительной валентности некоторых элементов. Что касается отрицательной валентности неметаллических элементов, то она, как правило, оказалась у одних и тех же элементов постоянной.
Элементов, проявляющих переменную положительную валентность, оказалось большинство. Однако для каждого из таких элементов характерной оказалась его максимальная валентность. Такая максимальная валентность получила название характеристичной .
В дальнейшем, в связи с возникновением и развитием электронной теории строения атома и химической связи, валентность стали связывать с числом электронов, переходящих от одного атома к другому, или с числом химических связей, возникающих между атомами в процессе образования химического соединения.
Электровалентность и ковалентность. Положительная или отрицательная валентность элемента – проще всего определить, если два элемента образовывали ионное соединение: считалось, что элемент, атом которого стал положительно заряженным ионом, проявил положительную валентность, а элемент, атом которого стал отрицательно заряженным ионом, – отрицательную. Численное значение валентности считалось равным величине заряда ионов. Поскольку ионы в соединениях образуются посредством отдачи и присоединения атомами электронов, величина заряда ионов обусловливается числом отданных (положительный) и присоединенных (отрицательный) атомами электронов. В соответствии с этим положительная валентность элемента измерялась числом отданных его атомом электронов, а отрицательная валентность – числом электронов, присоединенных данным атомом. Таким образом, поскольку валентность измерялась величиной электрического заряда атомов, она и получила название электровалентности. Ее называют также ионной валентностью.
Среди химических соединений встречаются такие, в молекулах которых атомы не поляризованы. Очевидно, для них понятие о положительной и отрицательной электровалентности неприменимо. Если же молекула составлена из атомов одного элемента (элементарные вещества), теряет смысл и обычное понятие о стехиометрической валентности. Однако, чтобы оценивать способность атомов присоединять то или иное число других атомов, стали использовать число химических связей, которые возникают между данным атомом и другими атомами при образовании химического соединения. Поскольку эти химические связи, представляющие собой электронные пары, одновременно принадлежащие обоим соединенным атомам, называются ковалентными, способность атома образовать то или иное число химических связей с другими атомами получила название ковалентности. Для установления ковалентности используются структурные формулы, в которых химические связи изображаются черточками.
Степень окисления и окислительное число. При реакциях образования ионных соединений переход электронов от одних реагирующих атомов или ионов к другим сопровождается соответствующим изменением величины или знака их электровалентности. При образовании соединений ковалентной природы такого изменения электровалентного состояния атомов фактически не происходит, а только имеет место перераспределение электронных связей, причем валентность исходных реагирующих веществ не изменяется. В настоящее время для характеристики состояния элемента в соединениях введено условное понятие степени окисления . Численное выражение степени окисления называют окислительным числом .
Окислительные числа атомов могут иметь положительное, нулевое и отрицательное значения. Положительное окислительное число определяется числом электронов, оттянутых от данного атома, а отрицательное окислительное число – числом притянутых данным атомом электронов. Окислительное число может быть приписано каждому атому в любом веществе, для чего нужно руководствоваться следующими простыми правилами:
1. Окислительные числа атомов в любых элементарных веществах равны нулю.
2. Окислительные числа элементарных ионов в веществах ионной природы равны значениям электрических зарядов этих ионов.
3. Окислительные числа атомов в соединениях ковалентной природы определяются при условном расчете, что каждый отянутый от атома электрон придает ему заряд, равный +1, а каждый притянутый электрон – заряд, равный –1.
4. Алгебраическая сумма окислительных чисел всех атомов любого соединения равна нулю.
5. Атом фтора во всех его соединениях с другими элементами имеет окислительное число –1.
Определение степени окисления связано с понятием об электроотрицательности элементов. С использованием этого понятия формулируется еще одно правило.
6. В соединениях окислительное число отрицательно у атомов элементов с большей электроотрицательностью и положительно – у атомов элементов с меньшей электроотрицательностью.
Понятие степени окисления, таким образом, пришло на смену понятию электровалентности. В связи с этим представляется нецелесообразным пользоваться и понятием ковалентности. Для характеристики элементов лучше применять понятие валентности, определяя ее числом электронов, используемых данным атомом для образования электронных пар, независимо от того, притягиваются они к данному атому, или, наоборот, оттягиваются от него. Тогда валентность будет выражаться числом без знака. В отличие от валентности степень окисления определяется числом электронов, оттянутых от данного атома, – положительная, или притянутых к нему, – отрицательная. Во многих случаях арифметические значения валентности и степени окисления совпадают – это вполне естественно. В некоторых же случаях числовые значения валентности и степени окисления отличаются друг от друга. Так, например, в молекулах свободных галогенов валентность обоих атомов равна единице, а степень окисления – нулю. В молекулах кислорода и перекиси водорода валентность обоих атомов кислорода равна двум, а степень окисления их в молекуле кислорода равна нулю, а в молекуле перекиси водорода – минус единице. В молекулах азота и гидразина – N 4 H 2 – валентность обоих атомов азота равна трем, а степень окисления в молекуле элементарного азота – нулю, а в молекуле гидразина – минус двум.
Очевидно, что валентность характеризует атомы, только входящие в состав какого-либо соединения, хотя бы гомоядерного, т. е. состоящего из атомов одного элемента; о валентности же отдельных атомов говорить бессмысленно. Степень же окисления характеризует состояние атомов как входящих в какое-либо соединение, так и существующих отдельно.
Вопросы для закрепления темы:
1. Кем было введено понятие «валентность»?
2. Что называется валентностью?
3. В чем отличие валентности и степени окисления?
4. Какой бывает валентность?
5. Как определяется степень окисления?
6. Всегда ли валентность и степень окисления элемента равны?
7. По какому элементу определяется валентность элемента?
8. Что характеризует валентность элемента, а что степень окисления?
9. Может ли быть валентность элемента отрицательной?
Лекция№ 5: Скорость химической реакции.
Химические реакции могут существенно различаться по времени протекания. Смесь водорода и кислорода при комнатной температуре может долгое время оставаться практически без изменений, однако при ударе или поджигании произойдет взрыв. Железная пластина медленно ржавеет, а кусочек белого фосфора самовоспламеняется на воздухе. Важно знать, насколько быстро протекает та или иная реакция, чтобы иметь возможность контролировать ее ход.
В 1869 г. Д. И. Менделеев на основе анализа свойств простых веществ и соединений сформулировал Периодический закон: «Свойства простых тел и соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных масс элементов.» На основе периодического закона была составлена периодическая система элементов. В ней элементы со сходными свойствами оказались объединены в вертикальные столбцы группы. В некоторых случаях при размещении элементов в Периодической системе приходилось нарушать последовательность возрастания атомных масс, чтобы соблюдалась периодичность повторения свойств. Например, пришлось "поменять местами" теллур и йод, а также аргон и калий. Причина состоит в том, что Менделеев предложил периодической закон в то время, когда не было ничего известно о строении атома.После того, как в XX веке была предложена планетарная модель атома, периодический закон формулируется следующим образом:
«Свойства химических элементов и соединений находятся в периодической зависимости от зарядов атомных ядер.»
Заряд ядра равен номеру элемента в периодической системе и числу электронов в электронной оболочке атома. Эта формулировка объяснила "нарушения" Периодического закона. В Периодической системе номер периода равен числу электронных уровней в атоме, номер группы для элементов главных подгрупп равен числу электронов на внешнем уровне.
Научное значение периодического закона . Периодический закон позволил систематизировать свойства химических элементов и их соединений. При составлении периодической системы Менделеев предсказал существование многих еще не открытых элементов, оставив для них свободные ячейки, и предсказал многие свойства неоткрытых элементов, что облегчило их открытие.Первое из них последовало через четыре года.
Но не только в открытии нового большая заслуга Менделеева.
Менделеев открыл новый закон природы. Вместо разрозненных, не связанных между собою веществ перед наукой встала единая стройная система, объединившая в единое целое все элементы Вселенной, атомы стали рассматриваться как:
1. органически связанные между собой общей закономерностью,
2. обнаруживающие переход количественных изменений атомного веса в качественные изменения их химич. индивидуальностей,
3. свидетельствующие о том, что противоположность металлич. и неметаллич. свойств у атомов носит не абсолютный, как считалось раньше, а лишь относительный характер.
24.Возникновение структурных теорий в процессе развития органической химии. Атомно-молекулярное учение как теоретическая основа структурных теорий.
Органическая химия. В течение всего 18 в. в вопросе о химических взаимоотношениях организмов и веществ ученые руководствовались доктриной витализма – учения, рассматривавшего жизнь как особое явление, подчиняющееся не законам мироздания, а влиянию особых жизненных сил. Этот взгляд был унаследован и многими учеными 19 в., хотя его основы были поколеблены еще в 1777, когда Лавуазье предположил, что дыхание – процесс, аналогичный горению.
В 1828 немецкий химик Фридрих Вёлер (1800–1882), нагревая цианат аммония (это соединение безоговорочно причислялось к неорганическим веществам), получил мочевину – продукт жизнедеятельности человека и животных. В 1845 Адольф Кольбе, ученик Вёлера, синтезировал уксусную кислоту из исходных элементов – углерода, водорода и кислорода. В 1850-е годы французский химик Пьер Бертло начал систематическую работу по синтезу органических соединений и получил метиловый и этиловый спирты, метан, бензол, ацетилен. Систематическое исследование природных органических соединений показало, что все они содержат один или несколько атомов углерода и очень многие – атомы водорода. Теория типов. Открытие и выделение огромного числа сложных углеродсодержащих соединений остро поставили вопрос о составе их молекул и привели к необходимости ревизовать существующую систему классификации. К 1840-м годам ученые-химики осознали, что дуалистические идеи Берцелиуса применимы только к неорганическим солям. В 1853 была предпринята попытка классифицировать все органические соединения по типам. Обобщенная «теория типов» была предложена французским химиком Шарлем Фредериком Жераром , который полагал, что объединение различных групп атомов определяется не электрическим зарядом этих групп, а их специфическими химическими свойствами.
Структурная химия. В 1857 Кекуле, исходя из теории валентности (под валентностью понималось число атомов водорода, вступающих в соединение с одним атомом данного элемента), предположил, что углерод четырехвалентен и потому может соединяться с четырьмя другими атомами, образуя длинные цепи – прямые или разветвленные. Поэтому органические молекулы стали изображать не в виде комбинаций радикалов, а в виде структурных формул – атомов и связей между ними.
В 1874 датский химик Якоб Вант-Гофф и французский химик Жозеф Ашиль Ле Бель (1847–1930) распространили эту идею на расположение атомов в пространстве. Они считали, что молекулы не плоские, а трехмерные структуры. Эта концепция позволяла объяснить многие известные явления, например пространственную изомерию, существование молекул одинакового состава, но с разными свойствами. Очень хорошо вписывались в нее данные Луи Пастера об изомерах винной кислоты.
