Химический элемент. Вещество. Реакционная способность веществ

Как сказано выше, развитие химии как науки тесно связано со становлением атомно-молекулярного учения. Представление о том, что такое атом, химический элемент, молекула, вещество менялось по мере накопления физических и химических знаний. Современные формулировки этих базовых понятий связаны с успехами квантовой физики, которая является теоретической основой химии нашего времени.

Атом– это сложная квантово-механическая система взаимодействующих частиц, состоящая из ядра и электронов.

Химический элемент – это вид атомов с одинаковым зарядом ядра, то есть совокупность изотопов.

Ядро атомазанимает область, радиус которой в 10⁴ меньше радиуса атома, в нем сосредоточен весь положительный заряд и почти вся масса атома. Ядро образовано барионами: положительно заряженными протонами и нейтральными нейтронами. Число протонов в ядре определяет величину его положительного заряда и равно порядковому номеру элемента в периодической системе. Сумма чисел протонов и нейтронов соответствует его массовому числу.

Вокруг ядра, по замкнутым орбиталям, вращаются отрицательно заряженные электроны, число которых равно заряду ядра. Следует напомнить, что поведение электрона, как и других элементарных частиц, отличается двойственностью и, следовательно,неопределенностью. Электрон может находиться в любой части околоядерного пространства, но вероятностьего нахождения в разных частях неодинакова. Следовательно,электронная орбиталь – это область вокруг ядра, в пределах которой велика вероятность обнаружения электрона.

Нуклиды– это различные виды атомов. Нуклиды отличаются друг от друга количеством содержащихся в ядре протонов и нейтронов. Нуклиды с одинаковым зарядом ядра (то есть с одинаковым количеством протонов), но с разной массой (за счет разного количества нейтронов) называютсяизотопами. Поскольку у изотопов одинаковый заряд ядра, количество электронов и их распределение на орбиталях у них также не различается. Химические же свойства атомов определяются именнораспределением электронов.

Указанные соображения лежат в основе современного определения химического элемента и уточняют формулировку периодического закона:свойства химических элементов, а также свойства и формы их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра атома элемента.

Чем же определяется распределение электронов в атоме? В современной модели атома состояние электрона в нем определяется четырьмя квантовыми числами.

Квантовые числа – это целые или полуцелые числа, определяющие возможные дискретные значения физических величин или параметров, описывающих состояние микрообъекта, в данном случае электрона.

Главное квантовое число (n) определяет энергию электрона и степень его удаления от ядра, то есть электронный слой (энергетический уровень). Оно принимает целочисленные значения, начиная с одного (n = 1, 2, 3…). Электронные слои обозначают большими буквами латинского алфавитаК,L, М,N,0… Наибольшее количество электронов в слое равно 2n², поэтому в самом близком к ядру слоеК (п = 1) может находиться не более двух электронов, в слоеL (п = 2) – не более восьми и т. д. Чем больше заряд ядра (порядковый номер элемента в таблице), тем сильнее притягиваются электроны, особенно внутренних слоев, поэтому диаметры слоев с ростом номера элемента уменьшаются, и все атомы имеют почти одинаковые размеры порядка 10^–10м.

Побочное (азимутальное, или орбитальное) квантовое число (l) определяет возможные значения орбитального момента импульса в силовом поле, то есть форму атомной орбитали. Оно принимает целочисленные значения от 0 до (п – 1): (l= 0, 1, 2, … ,п– 1). Состояния с различными значениямиlотличаются величиной момента импульса, им присвоили специальные обозначения. Приl= 0 атомная орбиталь имеет сферическую форму (s-орбиталь); значениюl = 1 соответствует гантелеобразная орбиталь (p-орбиталь); еще более сложную форму имеют орбитали, отвечающие высоким значениемl, равным 2, 3 и 4 (d,f,gсоответственно).

Магнитное квантовое число (т) определяет величину положение атомной орбитали в пространстве относительно внешнего магнитного или электрического поля, оно изменяется от +lдо –l, включая 0. Следовательно, каждому значениюlсоответствует 2l +1 значений магнитного числа.

Спиновое квантовое число (m_s) связано с собственным моментом импульса электрона, не связанным с движением электрона в пространстве, которое получило название спина;m_s = +1/2; –1/2. Спин – это внутреннее свойство микрочастицы. Значения спинового квантового числа определяются принципом Паули.

Подобно любой системе, атомы стремятся к минимуму энергии. Это достигается распределением электронов по орбиталям, которое подчиняется следующим закономерностям:

1.       Принцип Паули: в атоме не может быть электронов с одинаковым значением всех четырех квантовых чисел.

2.       Правило Хунда: электроны располагаются на одинаковых орбиталях таким образом, чтобы суммарный спин был максимален.

3.       Правило Клечковского: порядок заполнения энергетических состояний определяется стремлением атома к минимальному значению суммы главного и побочного квантовых чисел, причем в пределах фиксированного значенияп +l в первую очередь заполняются состояния, отвечающие минимальному значению п.

Так, атом азота имеет 7 электронов; из них по два (с “правым” и “левым” спином) располагаются на уровнях 1sи 2s, а остальные три – на уровне 2р, который может вместить только 6 электронов. По правилу Хунда, последние три электрона азота имеют одинаковую ориентацию спина. Таким образом, на внешнем электронном уровне азота три неспаренных электрона. Такое распределение электронов в атоме азота записывается формулой 1s²2s²2p³.

Следующим уровнем химической организации материи являются молекулы.

Молекула – нейтральная по заряду наименьшая совокупность атомов, связанных вследствие химического взаимодействия в определенном порядке, не имеющая, как правило, неспаренных электронов и способная к самостоятельному существованию.

Молекулы могут состоять из атомов одного элемента – гомоатомные молекулы – или из атомов различных элементов –гетероатомные молекулы.

Дальнейшее усложнение химической организации материи происходит при взаимодействии атомных и молекулярных частиц, ведущем к образованию молекулярных ассоциатов иагрегатов.

Важнейшим химическим понятием является понятие вещества. Как упоминалось выше, в общем смысле под веществом понимают вид материи, имеющий массу покоя. В химии это понятие используется в более узком смысле.

Химическое вещество– определенная совокупность атомных или молекулярных частиц, их ассоциатов и агрегатов, находящихся в любом из трех агрегатных состояний.

Например, химическое вещество вода, состоящее из молекул воды, является одним и тем же веществом, будучи паром, жидкостью, льдом.

Простые вещества – вещества, состоящие из атомов одного и того же химического элемента.

Сложные вещества(химические соединения) – вещества, состоящие из связанных химическим взаимодействием атомов разных химических элементов.

Существование молекул большинства простых и всех сложных веществ, их превращения в ходе химических процессов обусловлено наличием и изменением химических связеймежду атомами.

Ковалентная связь – связь атомов посредством электронных пар. Среди свободных атомов различных химических элементов наиболее стабильной конфигурацией обладают атомы инертных газов, имеющие формулуns²np⁶. Электронные слои их полностью заполнены, у них нет неспаренных электронов. Атомы других химических элементов стремятся приобрести электронную конфигурацию ближайшего инертного газа, как отвечающую минимуму энергии и, следовательно, более стабильную. Это достигается образованием неспаренными электронами  электронных пар, принадлежащих обоим соединяющимся атомам и взаимодополняющим их электронные орбитали до устойчивой конфигурации, присущей инертным газам.

Если связь образована одинаковыми атомами, электронная пара принадлежит в равной степени обоим атомам (электронная плотность не смещена). Такая связь называется ковалентной неполярнойи характерна для молекул водорода, фтора, азота и т. д.

Если связь образована двумя разными атомами, электронная пара испытывает более сильное притяжение со стороны более электроотрицательного атома (электронная плотность смещена). Такая связь называется ковалентной полярнойи характерна для молекул хлороводорода, сероводорода, воды, углекислого газа.

Электроотрицательность, то есть способность атомов оттягивать на себя электроны других атомов, в первую очередь зависит от степени заполненности наружного электронного слоя.

Ковалентные связи разной степени полярности характерны для многих органических соединений.

Если электроотрицательность двух атомов очень различается по величине, электронная плотность смещается настолько, что менее электроотрицательный атом полностью теряет электрон, а более электроотрицательный полностью присоединяет его. Так нейтральные атомы превращаются в ионы – положительно (катионы) или отрицательно (анионы) заряженные частицы, количество электронов которых не совпадает с зарядом атомного ядра.

Ионная связь – связь между ионами, основанная на электростатическом притяжении этих образовавшихся ионов. Поскольку при этом типе связи нет электронных пар, связывающих конкретные атомы, и взаимодействие осуществляется путем электростатического притяжения, то вещества с ионным типом связи не имеют молекулярного строения. Это агрегаты, представляющие собой ионную кристаллическую решетку.

Ионная и ковалентная связи – это предельные случаи химических связей. Чаще всего встречаются молекулы с промежуточными типами связей.

Водородная связь– это межмолекулярное взаимодействие, которое возникает между гетероатомными молекулами, в состав которых входят атомы водорода. В этом случае молекулы характеризуются наличием ковалентных связей с высокой степенью полярности. Атом водорода при этом приобретает частично положительный заряд, атом, с которым он связан – частично отрицательный. Такие молекулы представляет собой электрические диполи, притягивающие друг друга. Она в несколько раз слабее ковалентной и ионной связи.

Металлическая связь – связь, проявляющаяся при взаимодействии атомов элементов, имеющих избыток свободных орбиталей по отношению к числу валентных электронов. В этом случае в кристаллической решетке металлов возникают свободные электроны, непрерывно перемещающиеся между положительными ионами.

Важной количественной характеристикой, показывающей число взаимодействующих между собой атомов в образовавшейся молекуле, является валентность.

Валентность– свойство атомов одного элемента присоединять определенное количество атомов других элементов.

Впервые понятие валентности использовал английский химик Э. Франкленд в 1853 г. Тогда валентность водорода считалась общепринятой, поэтому для другого элемента она выражалась числом атомов водорода, которое может присоединить или заменить один атом рассматриваемого элемента. Вместе с немецким химиком А. Кольбе он установил трехвалентность азота, фосфора, мышьяка и четырехвалентность углерода. При этом они отметили, что валентность зависит как от состояния атомов рассматриваемого элемента, так и от химической природы другого реагента: углерод в соединении с кислородом может образовывать и СО, и СО₂. Значит, валентность позволяет оценить формулу химического соединения. Так пришли к понятиюстехиометрической валентности.

В современной химии внешняя оболочка атома, содержащая орбитали самых высоких энергий атома, называется валентной оболочкой. Валентность атомов определяется числом неспаренных электронов, принимающих участие в образовании химической связи в основном или возбужденном состоянии.

Атомы, относящиеся к одной группе элементов таблицы Менделеева, имеют одинаковую валентность, обусловливающую их сходные химические свойства. На внешних оболочках они имеют одинаковое число электронов, которые называются валентными.