Валентность – это способность атомов присоединять к себе определенное число других атомов.
С одним атомом одновалентного элемента соединяется один атом другого одновалентного элемента (HСl). С атомом двухвалентного элемента соединяются два атома одновалентного (H2O) или один атом двухвалентного (CaO). Значит, валентность элемента можно представить как число, которое показывает, со сколькими атомами одновалентного элемента может соединяться атом данного элемента. Валентность элемента – это число связей, которое образует атом:
Некоторые химические элементы могут образовывать несколько простых веществ. Такое свойство элементов называется аллотропией, а простые вещества – аллотропическими (аллотропными) модификациями. Кислород имеет две аллотропические модификации кислород и озон (Рис. 1). Рассмотрим состав молекул этих веществ, а также особенности их физических свойств.
Вода, у тебя нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха, тебя невозможно описать, тобой наслаждаются, не ведая, что ты такое! Нельзя сказать, что ты необходима для жизни: ты – сама жизнь. Ты наполняешь нас радостью, которую не объяснить нашими чувствами... Ты самое большое богатство на свете...
Антуан де Сент-Экзюпери
Почему же одно из бесчисленных химических соединений с простой и ничем не примечательной формулой, состоящее из двух обычных химических элементов, молекула которого трехатомна, – простая окись водорода, самая обычная вода, занимает столь особое место в жизни природы? И чем же объясняется такая исключительная роль воды? Почему вода не подчиняется законам химии? Самое изученное вещество еще до конца так и не разгадано. Я попробую с точки зрения химии прикоснуться к разгадкам лишь нескольких тайн. Итак, начнем со строения молекулы.
ВОДОРОД(лат. Hydrogenium), H, химический элемент с атомным номером 1, атомная масса 1,00794. Химический символ водорода Н читается в нашей стране «аш», как произносится эта буква по-французски.
Природный водород состоит из смеси двух стабильных нуклидов с массовыми числами 1,007825 (99,985 % в смеси) и 2,0140 (0,015 %). Кроме того, в природном водороде всегда присутствуют ничтожные количества радиоактивного нуклида — трития 3Н (период полураспада Т1/2=12,43 года). Так как в ядре атома водорода содержится только 1 протон (меньше в ядре атома элемента протонов быть не может), то иногда говорят, что водород образует естественную нижнюю границу периодической системы элементов Д. И. Менделеева (хотя сам элемент водород расположен в самой верхней части таблицы). Элемент водород расположен в первом периоде таблицы Менделеева. Его относят и к 1-й группе (группе IА щелочных металлов), и к 7-й группе (группе VIIA галогенов).
В 8-м классе мы объясняли все явления с позиции атомно-молекулярной теории. Теория позволяет не только объяснять наблюдаемые явления, но и дает возможность предсказать еще неизвестные явления. Любая теоретическая модель не может быть совершенной, и существуют факты, не поддающиеся объяснению с позиции атомно-молекулярной теории. Проанализируем границы использования атомно-молекулярной теории для объяснения химических фактов.
С помощью данной теории можно объяснить, например, многообразие химических веществ и их свойств. Известно, что атомы различных веществ различаются по атомной массе и способности присоединять к себе другие атомы. По составу вещества делят на простые и сложные. В соответствии со свойствами, которые определяются составом, простые вещества делятся на металлы и неметаллы, а сложные – на оксиды, кислоты, основания и соли.
Представления об атомах и молекулах позволяют объяснить различие в свойствах веществ из разных классов отличием их состава. Например, кислоты вступают в реакции замещения с металлами, т.к. имеют в своем составе атомы водорода, способные замещаться на металл.
Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2
Но вещества из одного класса, в свою очередь, тоже различаются по составу, а значит, будут различаться и по свойствам. Например, кислоты различаются кислотными остатками. Поэтому каждая кислота обладает особыми, характерными только для нее свойствами.
Например, серная кислота обугливает органические вещества, соляная кислота «дымит» на воздухе, азотная кислота любой концентрации вступает в реакцию даже с малоактивными металлами и при этом водород практически не выделяется, одни кислоты едкие, другие – нет и т.д.
С позиции атомно-молекулярной теории сущность химической реакции можно объяснить так: продукты реакции состоят из тех же атомов химических элементов, которые ранее входили в состав исходных веществ.
По составу и количеству исходных веществ и продуктов химические реакции делят на 4 типа:
1. Реакции соединения (из нескольких веществ образуется одно вещество)
2. Реакции разложения (из одного вещества образуется несколько веществ)
3. Реакции замещения (из одного простого и одного сложного веществ образуется новое сложное и новое простое вещества)
4. Реакции обмена (когда два сложных вещества обмениваются своими составными частями)
Необъяснимые с позиции АМТ факты
На данном этапе изучения химии атомно-молекулярная модель устройства вещества помогала нам объяснить наблюдаемые явления и факты, но в некоторых случаях мы сталкивались с фактами, которые невозможно объяснить с позиции атомно-молекулярной теории.
Эта теория не дает ответ на вопрос, почему атомы разных химических элементов отличаются по массе. Также, мы пока не можем объяснить, почему одни химические элементы образуют простые вещества металлы, а другие – неметаллы.
Рис. 1. Физические и химические свойства металлов и неметаллов сильно различаются (слева – неметалл сера, справа – металл медь)
Таким образом, вы видите, что созданная человеком теория не может быть совершенной. Всегда найдутся факты, ей противоречащие. Эти факты служат основой для создания новой теории или усовершенствования старой.
Теперь, я надеюсь, вы осознали необходимость изучения новых теоретических представлений об устройстве веществ, которые позволят вам ответить на многие вопросы:
• Почему одни металлы активнее других?
• Почему одни химические реакции протекают быстро, а другие медленно?
• Почему в результате одних реакций теплота выделяется, а в результате других – поглощается?
В твердых телах, по сравнению с жидкостями и тем более газами, частицы вещества находятся в тесной взаимосвязи, на небольших расстояниях. В газообразных же веществах расстояния между молекулами настолько велики, что практически исключает взаимодействие между ними.
Рис. 1. Модели строения вещества в разных агрегатных состояниях
При отсутствии взаимодействия между молекулами их индивидуальность не проявляется. Значит, можно считать, что между молекулами в любых газах расстояния одинаковые. Но при условии, что эти газы находятся в одинаковых условиях – при одинаковых давлении и температуре.
Раз расстояния между молекулами газов равны, значит, равные объемы газов содержат равное число молекул. Такое предположение высказал в 1811 г. итальянский ученый Амедео Авогадро. Впоследствии его предположение было доказано и названо законом Авогадро.
Свою гипотезу Авогадро использовал для объяснения результатов опытов с газообразными веществами. В процессе рассуждений он смог сделать важные выводы о составе молекул некоторых веществ.
Рассмотрим результаты экспериментов, на основании которых Авогадро смог смоделировать молекулы некоторых веществ.
Вы уже знаете, что при пропускании через воду электрического тока, вода разлагается на два газообразных вещества - водород и кислород.
Опыт по разложению воды проведем в электролизере. При пропускании электрического тока через воду на электродах начнут выделяться газы, которые вытеснят воду из пробирок. Газы получатся чистыми, потому что воздуха в пробирках, заполненных водой, нет. Причем объем выделившегося водорода будет в 2 раза больше, чем объем выделившегося кислорода.
Какой вывод сделал из этого Авогадро? Если объем водорода в два раза больше объема кислорода, значит, молекул водорода образовалось тоже в 2 раза больше. Следовательно, в молекуле воды на два атома водорода приходится один атом кислорода.
Рассмотрим результаты других опытов, которые позволяют сделать предположение о строении молекул веществ. Известно, что при разложении 2 л аммиака образуется 1 л азота и 3 л водорода (Рис. 2).
Рис. 2. Соотношение объемов газов, участвующих в реакции
Отсюда можно сделать вывод, что в молекуле аммиака на один атом азота приходится три атома водорода. Но почему тогда для реакции потребовалось не 1л аммиака, а 2л?
Если воспользоваться моделями молекул водорода и аммиака, которые предложил Д. Дальтон, то получил результат, противоречащий эксперименту, т.к. из 1 атома азота и трех атомов водорода получится только 1 молекула аммиака. Таким образом, по закону Авогадро объем разложившегося аммиака в этом случае будет равен 1 л.
Рис. 3. Объяснение результатов эксперимента с позиций теории Д. Дальтона
Если же предположить, что каждая молекула водорода и азота состоит из двух атомов, то у модели не будет противоречия с экспериментальным результатом. В этом случае одна молекула азота и три молекулы водорода образуются из двух молекул аммиака.
Рис. 4. Модель реакции разложения аммиака
Рассмотрим результаты еще одного опыта. Известно, что при взаимодействии 1 л кислорода с 2 л водорода образовалось 2 л паров воды (т.к. реакцию проводят при температуре больше 100 С). Какой вывод можно сделать о составе молекул кислорода, водорода и воды?Такое соотношение можно объяснить, если предположить, что молекулы водорода и кислорода состоят из двух атомов:
Рис. 5. Модель реакции между водородом и кислородом
Из двух молекул водорода и 1 молекулы кислорода образуется 2 молекулы воды.
К основным законам химии относится закон постоянства состава:
Всякое чистое вещество независимо от способа его получения всегда имеет постоянный качественный и количественный состав.
Атомно-молекулярное учение позволяет объяснить закон постоянства состава. Поскольку атомы имеют постоянную массу, то и массовый состав вещества в целом постоянен.
Закон постоянства состава впервые сформулировал французский ученый-химик Ж.Пруст в 1808 г
У кислорода интересная история открытия. Он,можно сказать был открыт трижды. Задержке его открытия способствовали свойства кислорода, такие как газообразность, бесцветность, отсутствие вкуса и запаха.
Ученые предполагали о существовании данного вещества.
Интересным фактом является то, что впервые кислород выделили не химики. Это сделал изобретатель подводной лодки К. Дреббель в начале XVII в. Этот газ он использовал для дыхания в лодке, при погружении в воду. Но работы изобретателя были засекречены. Поэтому работы К. Дреббеля не сыграли большой работы для развития химии.
Открыт же был кислород практически одновременно, независимо друг от друга, великими химиками XVIII века шведом Карлом Вильгельмом Шееле и англичанином Джозефом Пристли. Шееле выделил кислород немного ранее, однако его трактат «О воздухе и огне», где имелись данные о кислороде, был опубликован позже, чем сообщение об открытии Пристли. Они открыли новый газ. Только и всего. И до конца жизни остались преданными теории флогистона, которая в конце XVIII века стала тормозом для развития науки.
Кислотные оксиды – это оксиды, которым в качестве гидроксидов соответствуют кислоты.
Кислотные оксиды образуют все неметаллы любой степени окисления (исключение – несолеобразующие оксиды CO, NO, N2O, SiO) и металлы в степени окисления +5 и выше.
