Лекция 2: Периодический закон и ПСЭМ

План лекции:

1. Периодический закон и ПСЭМ;

2. Строение атома;

3. Химическая связь и строение вещества;

4. Валентность исходя из ПСЭМ;

5. Химические реакции;

1в. Периодический закон – один из важнейших законов химии, который был открыт в 1869г Менделеевым. Менделеев полагал, что должен существовать закон, объединяющий все химические элементы, главной характеристикой которых является их атомная масса. Поэтому он расположил все известные элементы в один ряд в порядке увеличения их атомной массы и сформулировал закон: свойства элементов, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомной массы элементов.

Периодическая система – это графическое выражение периодического закона; она состоит из 7 периодов, 10 рядов и 8 групп.

Период – это последовательность элементов, которая начинается щелочным металлом (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) и заканчивается инертным газом (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон). Исключения: I период – начинается водородом и VII – является незавершенным. Периоды делятся на малые (I-III), состоящие из 1 горизонтального ряда и большие (IV-VI), состоящие из 2 горизонтальных рядов. Верхние ряды больших периодов (4,6,8) называются четными и в них находятся только металлы, а нижние (5,7,9) – нечетными. В каждом периоде слева направо металлические свойства элементов ослабевают, а неметаллические свойства – усиливаются.

Группа – это совокупность элементов, которые имеют одинаковую высшую валентность в оксидах и в других соединениях. Эта валентность равна номеру группы. Каждая группа состоит из 2 подгрупп: главной и побочной. Главная подгруппа содержит элементы малых и больших периодов. Побочная подгруппа – только элементы больших периодов. В главных подгруппах сверху вниз металлические свойства усиливаются, а неметаллические свойства – ослабевают. В побочных подгруппах все элементы являются металлами.

2в. Атом является сложной электронейтральной системой, в состав которой входят определенные частицы; его положительный заряд ядра численно равен сумме отрицательных зарядов всех электронов.

Согласно протонно - нейтронной теории строения – ядра всех атомов состоят из положительно заряженных частиц – протонов и нейтральных частиц – нейтронов. Электроны, нейтроны и протоны являются элементарными частицами, из которых состоит атом.

Химический элемент – это вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Теория строения атомов объясняет периодическое изменение свойств элементов при увеличении заряда ядра (порядкового номера). Важнейшими свойствами элементов являются металличность (металлические свойства – это способность атомов элементов отдавать электроны) и неметалличность (неметаллические свойства – это способность атомов элементов присоединять электроны).

Итак: заряд ядра совпадает с порядковым номером – это главная характеристика элемента. Число электронов в атоме равно порядковому номеру элемента. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в ПСЭМ. Суммарное число протонов (Z) и нейтронов (N) в ядре атома называется массовым числом. Ar = Z+N

Пример: ²⁷₁₃AI – порядковый номер – 13; атомная масса – 27. Следовательно, число электронов – 13, число протонов – 13, число нейтронов (N = Ar – Z): 27-13=14.

Графически строение атома отображается следующим образом:

²⁷₁₃AI (13р; 13е; 14n).

3в. Химия изучает вещества и их превращения. Вещества состоят из молекул, а молекулы из атомов, которые связаны определенными силами. Эти силы называются химической связью, главную роль, в образовании которых играют электроны. Химическая связь образуется в связи с тем, что электронные структуры атомов становятся более устойчивыми. В зависимости от их образования, различают ковалентную и ионную связи.

Ковалентная связь существует в молекулах простых веществ (H₂, CI₂, N₂ …) и в молекулах, которые образованы атомами различных неметаллов (HCI, NH₃, CO₂ …). Связь, образованная атомами типичных металлов и атомами типичных неметаллов называется ионной (NaCI, CaO, Na₂O, KCI…).

При образовании ионной связи атомы типичных металлов отдают электроны и превращаются в положительно заряженные частицы, которые называются положительными ионами или катионами kat⁺. Атомы типичных неметаллов принимают электроны и превращаются в отрицательно заряженные ионы, т.е. An^-.

Общая схема образования молекулы NaCI из атомов Na и CI выглядит следующим образом:

Na⁰ – 1 e = Na⁺¹

CI⁰ + 1 e = CI^-1

Na⁺¹ + CI^-1 = Na⁺ CI^-

Na⁰ + CI⁰ = Na⁺ CI^-

4в. Валентность элемента – это число химических связей, которое атом данного элемента образует с другими атомами в данной молекуле. Как правило, высшая валентность элементов равна номеру группы.

Например: валентность увеличивается от I у лития до V у азота (кислород и фтор имеют постоянную валентность, равную II и I); от I у натрия до VII у хлора.

Любая молекула является электронейтральной, поэтому алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в молекуле всегда равно нулю.

Ca⁺²F₂ ^{-1 ;} Mg⁺²O^-2 ; C⁺⁴H₄^-1

Некоторые элементы во всех сложных веществах имеют постоянную степень окисления:

- щелочные металлы (литий, натрий, калий, рубидий, цезий, франций) +1;

- элементы II группы - кроме ртути (бериллий, магний, кальций, стронций, варий, радий, цинк и кадмий) +2;

- алюминий +3;

- фтор -1.

Водород и кислород, за очень редким исключением также имеют постоянную степень окисления +1 и -2. Исключение: Na⁺¹H^{-1 ;} Ca⁺²H₂^-1 ; H₂⁺¹O₂^-1 ; Ca⁺²O₂^-1

Все другие элементы имеют переменную степень окисления.

5в. Главным предметом изучения в химии являются химические реакции. Знание сущности и закономерностей их протекания дает возможность управления ими. Химические реакции записывают с помощью схем и уравнений. В схеме реакции записывают, какие вещества вступили в химическую реакцию и какие образуются в результате реакции. Сначала записывают формулы реагентов, между которыми ставят знак +, далее ставят стрелку, справа от которой указывают формулы продуктов реакции, также через знак +. Согласно закону сохранения вещества – сколько атомов элемента вступило в реакцию, столько же остается после реакции. Для соблюдения данного закона перед формулами веществ ставят коэффициенты, обозначающие, сколько частиц этого вещества вступило в реакцию и сколько получилось (коэффициент 1 не ставится, но подразумевается).

2Mg + O₂ → 2MgO

На данном примере видно, что в химическую реакцию вступают 2 атома магния с 1 молекулой кислорода, а в результате реакции получаем 2 молекулы оксида магния.

В уравнении реакции все коэффициенты должны быть максимально возможными натуральными числами. Т.е. приведенную реакцию нельзя записывать, например, следующим образом: 6Mg + 3O₂ → 6MgO

Материал для закрепления:

1) Расставьте коэффициенты в уравнениях реакций:

Zn + HCI → ZnCI₂ + H₂

Fe + CI₂ → FeCI₃

(NH₄)₂Cr₂O₇ → Cr₂O₃ + H₂O + N₂

NaOH + CO₂ → Na₂CO₃ + H₂O

AI + CI₂ → AICI₃

AI +CuCI₂ → AICI₃ + Cu

2) Сократите коэффициенты, где это возможно:

H₃PO₄ + 3NaOH → Na₃PO₄ + 3H₂O

4KMnO₄ → 2 K₂MnO₄ + 2MnO₂ + 2O₂

6 H₂O + 2 P₂O₅ → 4 H₃PO₄

4 AI + 12 HCI → 4AICI₃ + 6 H₂

6Cu + 3O₂ → 6 CuO

6 CaSO₄ → 6 CaO + 6SO₂ +3O₂

3) Какие из приведенных реакций уравнены:

2 C₆H₁₂N₄ + O₂ → 8 CO₂ + 6 H₂O + 2N₂

2 C₆H₁₂N₄ + 18 O₂ → 12 CO₂ + 12 H₂O + 4N₂

C₆H₁₂N₄ + 9 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + 2N₂

Химические реакции можно классифицировать следующим образом.

1) По числу веществ, вступивших в реакцию и получившихся в результате нее:

- разложения, т.е. из одного вещества образуется два и более (С → А + В);

- соединения, т.е. из 2 и более веществ образуется одно новое (А + В → С);

- замещения, т.е. из 2 веществ получается два новых вещества, причем один из реагентов целиком входит в состав продукта (АВ + С → АС + В);

- обмена, т.е. из 2 веществ получается два новых вещества, причем реагенты обмениваются своими составными частями (АВ + СД → АД + СВ).

2) По признаку обратимости: обратимые и необратимые.

Необратимыми называются реакции, которые протекают только в одном направлении (зачастую, в результате таких реакций выделяется осадок, газ или образуется слабый электролит (например – вода)).

Zn + HCI → ZnCI₂ + H₂

Большинство химичеких реакций являются обратимыми. Обратимыми называются реакции, которые одновременно протекают в прямом и обратном направлениях. Н₂ + I₂ = 2 HI.

На обратимость реакции указывают стрелки, направленные в противоположные стороны.

3) По тепловому эффекту реакции:

– экзотермические (многие реакции соединения);

– эндотермические (многие реакции разложения).

4) По признаку изменения степени окисления:

- без изменения степеней окисления (КОН + HNO₃ = KNO₃ +H₂O) ;

- с изменением степеней окисления, т.е. окислительно – восстановительные. Таковыми ч.в. являются реакции соединения с участием простых веществ, а также реакции замещения.

Итак, исходя из всего вышесказанного, каждой реакции можно дать соответствующую характеристику. Например, следующая реакция является

2KMn⁺⁷O₄ → K₂Mn⁺⁶O₄ + Mn⁺⁴O₂ + O₂

реакцией разложения, необратимой, окислительно - восстановительной.