Атомно-молекулярное учение

Представления об атомах как мельчайших неделимых частицах зародились в древней Греции. Основы современного атомно-молекулярного учения впервые сформулировал М.В. Ломоносов (1748), но его представления, изложенные в частном письме, были неизвестны большинству учёных. Поэтому основоположником современного атомно-молекулярного учения считается английский ученый Дж. Дальтон, который сформулировал (1803–1807) его основные постулаты.

1. Каждый элемент состоит из очень мелких частиц – атомов.

2. Все атомы одного элемента одинаковы.

3. Атомы различных элементов имеют разные массы и обладают разными свойствами.

4. Атомы одного элемента не превращаются в атомы других элементов в результате химических реакций.

5. Химические соединения образуются в результате комбинации атомов двух или нескольких элементов.

6. В данном соединении относительные количества атомов различных элементов всегда постоянны.

Эти постулаты вначале были косвенно доказаны совокупностью стехиометрическихзаконов. Стехиометрия - часть химии, которая изучает состав веществ и его изменение в ходе химических превращений. Это слово образовано от греческих слов «стехион» - элемент и «метрон» - мера. К законам стехиометрии относятся законы сохранения массы, постоянства состава, кратных отношений, объемных отношений, закон Авогадро и закон эквивалентов.

1.3. Стехиометрические законы

Законы стехиометрии считаются составными частями АМУ. На основании этих законов было введено понятие о химических формулах, химических уравнениях и валентности.

Установление стехиометрических законов позволило приписать атомам химических элементов строго определенную массу. Массы атомов чрезвычайно малы. Так, масса атома водорода составляет 1,67∙10 –27 кг, кислорода - 26,60∙10 -27 кг, углерода - 19,93∙10 –27 кг. Пользоваться такими числами при различных расчетах очень неудобно. Поэтому с 1961 года за единицу массы атомов принята 1 / 12 массы изотопа углерода 12 С - атомная единица массы (а.е.м.). Раньше её называли углеродной единицей (у.е.), но сейсчас это название использовать не рекомендуется.

Масса а.е.м. составляет 1,66 . 10 –27 кг или 1,66 . 10 –24 г.

Относительной атомной массой элемента (Аr ) называют отношение абсолютной массы атома к 1 / 12 части абсолютной массы атома изотопа углерода 12 С. Иначе говоря, А r показывает, во сколько раз масса атома данного элемента тяжелее 1 / 12 массы атома 12 С. Например, округлённое до целого числа значение А r кислорода равно 16; это означает, что масса одного атома кислорода в 16 раз больше 1 / 12 массы атома 12 С.

Относительные атомные массы элементов (Аr) приводятся в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева.

Относительной молекулярной массой (М r) вещества называется масса его молекулы, выраженная в а.е.м.Она равна сумме атомных масс всех атомов, входящих в состав молекулы вещества и вычисляется по формуле вещества. Например, относительная молекулярная масса серной кислоты H 2 SO 4 слагается из атомных масс двух атомов водорода (1∙2 = 2), атомной массы одного атома серы (32) иатомной массы четырех атомов кислорода (4∙16 = 64). Она равна 98.

Это означает, что масса молекулы серной кислоты в 98 раз больше 1 / 12 массы атома 12 С.

Относительные атомные и молекулярные массы - величины относительные, а потому - безразмерные.

Основные законы химии

Раздел химии, рассматривающий количественный состав веществ и количественные соотношения (массовые, объемные) между реагирующими веществами, называется стехиометрией . В соответствии с этим, расчеты количественных соотношений между элементами в соединениях или между веществами в химических реакциях называются стехиометрическими расчетами . В основе их лежат законы сохранения массы, постоянства состава, кратных отношений, а также газовые законы – объемных отношений и Авогадро. Перечисленные законы принято считать основными законами стехиометрии.

Закон сохранения массы - закон физики, согласно которому масса физической системы сохраняется при всех природных и искусственных процессах. В исторической, метафизической форме, согласно которой вещество несотворимо и неуничтожимо, закон известен с древнейших времен. Позднее появилась количественная формулировка, согласно которой мерой количества вещества является вес (позднее - масса). Закон сохранения массы исторически понимался как одна из формулировок закона сохранения материи . Одним из первых его сформулировал древнегреческий философ Эмпедокл (V век до н. э.): ничто не может произойти из ничего, и никак не может то, что есть, уничтожиться. Позже аналогичный тезис высказывали Демокрит, Аристотель и Эпикур (в пересказе Лукреция Кара). С появлением понятия массы как меры количества вещества , пропорциональной весу, формулировка закона сохранения материи была уточнена: масса есть инвариант (сохраняется), то есть при всех процессах общая масса не уменьшается и не увеличивается (вес, как предполагал уже Ньютон, инвариантом не является, поскольку форма Земли далека от идеальной сферы). Вплоть до создания физики микромира, закон сохранения массы считался истинным и очевидным. И. Кант объявил этот закон постулатом естествознания (1786). Лавуазье в «Начальном учебнике химии» (1789), приводит точную количественную формулировку закона сохранения массы вещества, однако не объявляет его каким-то новым и важным законом, а просто упоминает мимоходом как о хорошо известном и давно установленном факте. Для химических реакций Лавуазье сформулировал закон так: ничто не творится ни в искусственных процессах, ни в природных, и можно выставить положение, что во всякой операции [химической реакции] имеется одинаковое количество материи до и после, что качество и количество начал остались теми же самыми, произошли лишь перемещения, перегруппировки .

В XX веке обнаружились два новых свойства массы: 1. Масса физического объекта зависит от его внутренней энергии. При поглощении внешней энергии масса растет, при потере - уменьшается. Отсюда следует, что масса сохраняется только в изолированной системе, то есть при отсутствии обмена энергией с внешней средой. Особенно ощутимо изменение массы при ядерных реакциях. Но даже при химических реакциях, которые сопровождаются выделением (или поглощением) тепла, масса не сохраняется, хотя в этом случае дефект массы ничтожен; 2. Масса не является аддитивной величиной: масса системы не равна сумме масс ее составляющих. В современной физике закон сохранения массы тесно связан с законом сохранения энергии и выполняется с таким же ограничением - надо учитывать обмен системы энергией с внешней средой.

Закон постоянства состава (Ж.Л. Пруст, 1801-1808гг.) - любое определенное химически чистое соединение независимо от способа его получения состоит из одних и тех же химических элементов, причем отношения их масс постоянны, а относительные числа их атомов выражаются целыми числами . Это один из основных законов химии. Закон постоянства состава выполняется для дальтонидов (соединений постоянного состава) и не выполняется для бертоллидов (соединений переменного состава). Однако условно для простоты состав многих бертоллидов записывают как постоянный.

Закон кратных отношений открыт в 1803 Дж.Дальтоном и истолкован им с позиций атомизма. Это один из стехиометрических законов химии: если два элемента образуют друг с другом более одного соединения, то массы одного из элементов, приходящиеся на одну и ту же массу другого элемента, относятся как целые числа, обычно небольшие .

Моль. Молярная масса

В международной системе единиц (СИ) за единицу количества вещества принят моль.

Моль - это количество вещества, содержащее столько структурных единиц (молекул, атомов, ионов, электронов и др.), сколько атомов содержится в 0,012 кг изотопа углерода 12 С.

Зная массу одного атома углерода (1,933×10 -26 кг), можно вычислить число атомов N A в 0,012 кг углерода

N A = 0,012/1,933×10 -26 = 6,02×10 23 моль -1

6,02×10 23 моль -1 называется постоянной Авогадро (обозначение N A , размерность 1/моль или моль -1). Она показывает число структурных единиц в моле любого вещества.

Молярная масса – величина, равная отношению массы вещества к количеству вещества. Она имеет размерность кг/моль или г/моль. Обычно ее обозначают М.

В общем случае молярная масса вещества, выраженная в г/моль, численно равна относительной атомной (А) или относительной молекулярной массе (М) этого вещества. Например, относительные атомные и молекулярные массы С, Fe, O 2 , H 2 O соответственно равны 12, 56, 32, 18, а их молярные массы составляют соответственно 12 г/моль, 56 г/моль, 32 г/моль, 18 г/моль.

Следует отметить, что масса и количество вещества – понятия разные. Масса выражается в килограммах (граммах), а количество вещества – в молях. Между массой вещества (m, г), количеством вещества (ν, моль) и молярной массой (М, г/моль) существуют простые соотношения

m = νM; ν = m/M; M = m/ν.

По этим формулам легко вычислить массу определенного количества вещества, либо определить число молей вещества в известной массе его, либо найти молярную массу вещества.

Относительная атомная и молекулярная массы

В химии традиционно применяют не абсолютные значения масс, а относительные. За единицу относительных атомных масс с 1961 г. принята атомная единица массы (сокращенно а.е.м.), представляющая собой 1/12 массы атома углерода-12, то есть изотопа углерода 12 С.

Относительной молекулярной массой (М r) вещества называется величина, равная отношению средней массы молекулы естественного изотопического состава вещества к 1/12 массы атома углерода 12 С.

Относительная молекулярная масса численно равна сумме относительных атомных масс всех атомов, входящих в состав молекулы, и легко подсчитывается по формуле вещества, например, формула вещества В х Д у С z , тогда

М r = хА В + уА Д + zА С.

Молекулярная масса имеет размерность а.е.м. и численно равна молярной массе (г/моль).

Газовые законы

Состояние газа полностью характеризуется его температурой, давлением, объемом, массой и молярной массой. Законы, которые связывают эти параметры, для всех газов очень близки, а абсолютно точны для идеального газа , у которого между частицами полностью отсутствует взаимодействие, и частицы которого представляют собой материальные точки.

Первые количественные исследования реакций между газами принадлежат французскому ученому Гей-Люссаку. Он является автором законов о тепловом расширении газов и закона объемных отношений. Эти законы были объяснены в 1811 году итальянским физиком А. Авогадро. Закон Авога́дро - одно из важных основных положений химии, гласящее, что «в равных объемах различных газов, взятых при одинаковых температуре и давлении, содержится одно и то же число молекул ».

Следствия из закона Авогадро:

1) молекулы большинства простых атомов двухатомны (Н 2 , О 2 и т.д.);

2) одинаковое число молекул различных газов при одинаковых условиях занимают одинаковый объем.

3) при нормальных условиях один моль любого газа занимает объем равный 22,4 дм 3 (л). Этот объем называется молярным объемом газа (V о) (нормальные условия - t о = 0 °С или

Т о = 273 К, Р о = 101325 Па = 101,325 кПа = 760 мм. рт. ст. = 1 атм).

4) один моль любого вещества и атом любого элемента, независимо от условий и агрегатного состояния содержит одинаковое число молекул. Это число Авогадро (постоянная Авогадро) - опытным путем установлено, что это число равно

N A = 6,02213∙10 23 (молекул).

Таким образом: для газов 1 моль – 22,4 дм 3 (л) – 6,023∙10 23 молекул – М, г/моль ;

для вещества 1 моль – 6,023∙10 23 молекул – М, г/моль.

Исходя из закона Авогадро: при одном и том же давлении и одинаковых температурах массы (m) равных объемов газов относятся как их мольные массы (М)

m 1 /m 2 = M 1 /M 2 = D,

где D - относительная плотность первого газа по второму.

Согласно закону Р. Бойля – Э. Мариотта , при постоянной температуре давление, производимое данной массой газа, обратно пропорционально объёму газа

Р о /Р 1 = V 1 /V о или РV = const.

Это означает, что по мере возрастания давления объем газа уменьшается. Впервые этот закон был сформулирован в 1662 г. Р. Бойлем. Поскольку к его созданию причастен также французский ученый Э. Мариотт, в других странах, кроме Англии, этот закон называют двойным именем. Он представляет собой частный случай закона идеального газа (описывающего гипотетический газ, идеально подчиняющийся всем законам поведения газов).

По закону Ж. Гей-Люссака : при постоянном давлении объем газа изменяется прямо пропорционально абсолютной температуре (Т)

V 1 /T 1 = V о /T о или V/T = const.

Зависимость между объемом газа, давлением и температурой можно выразить общим уравнением, объединяющим законы Бойля-Мариотта и Гей-Люссак (объединенный газовый закон )

PV/T = P о V о /T о,

где Р и V - давление и объем газа при данной температуре Т; P о и V о - давление и объем газа при нормальных условиях (н.у.).

Уравнение Менделеева-Клапейрона (уравнение состояния идеального газа) устанавливает соотношение массы (m, кг), температуры (Т, К), давления (Р, Па) и объема (V, м 3) газа с его мольной массой (М, кг/моль)

где R - универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/(моль К). Кроме этого газовая постоянная имеет еще два значения: Р – мм рт.ст., V – см 3 (мл), R = 62400 ;

Р – атм, V – дм 3 (л), R = 0,082 .

Парциа́льное давление (лат. partialis - частичный, от лат. pars - часть) - давление отдельно взятого компонента газовой смеси. Общее давление газовой смеси является суммой парциальных давлений ее компонентов.

Парциальное давление газа, растворенного в жидкости, является парциальным давлением того газа, который образовался бы в фазе газообразования в состоянии равновесия с жидкостью при той же температуре. Парциальное давление газа измеряется как термодинамическая активность молекул газа. Газы всегда будут вытекать из области с высоким парциальным давлением в область с более низким давлением; и чем больше разница, тем быстрее будет поток. Газы растворяются, диффундируют и реагируют соответственно их парциальному давлению и не обязательно зависимы от концентрации в газовой смеси. Закон сложения парциальных давлений был сформулирован в 1801 году Дж. Дальтоном. При этом правильное теоретическое обоснование, основанное на молекулярно-кинети-ческой теории, было сделано значительно позже. Законы Дальтона - два физических закона, определяющих суммарное давление и растворимость смеси газов и сформулированы им начале XIX века:

Закон о растворимости компонентов газовой смеси: при постоянной температуре растворимость в данной жидкости каждого из компонентов газовой смеси, находящейся над жидкостью, пропорциональна их парциальному давлению

Оба закона Дальтона строго выполняются для идеальных газов. Для реальных газов эти законы применимы при условии, если их растворимость невелика, а поведение близко к поведению идеального газа.

Закон эквивалентов

Количество элемента или вещества, которое взаимодействует с 1 молем атомов водорода (1 г) или замещает это количество водорода в химических реакциях, называется эквивалентом данного элемента или вещества (Э).

Эквивалентной массой (М э, г/моль) называется масса одного эквивалента вещества.

Эквивалентную массу можно вычислить по составу соединения, если известны мольные массы (М):

1) М э (элемента): М э = А/В,

где А - атомная масса элемента, В - валентность элемента;

2) М э (оксида) =М/2n(О 2) = М э (элем.) + М э (О 2) = М э (элем.) + 8,

где n(О 2) - число атомов кислорода; М э (О 2) = 8 г/моль - эквивалентная масса кислорода;

3) М э (гидроксида) = М/n (он-) = М э (элем.) + М э (ОН -) = М э (элем.) + 17,

где n (он-) - число групп ОН - ; М э (ОН -) = 17 г/моль;

4) М э (кислоты) = М/n (н+) = М э (Н +) + М э (кисл. ост.) = 1 + М э (кисл. ост.),

где n (н+) - число ионов Н + ; М э (Н +) = 1 г/моль; М э (кисл. ост.) – эквивалентная масса кислотного остатка;

5) М э (соли) = М/n ме В ме = М э (элем.) + М э (кисл. ост.),

где n ме - число атомов металла; В ме - валентность металла.

При решении некоторых задач, содержащих сведения об объемах газообразных веществ, целесообразно пользоваться значением эквивалентного объема (V э).

Эквивалентным объемом называется объем, занимаемый при данных условиях

1 эквивалентом газообразного вещества. Так для водорода при н.у. эквивалентный объем равен 22,4 1/2 = 11,2 дм 3 , для кислорода - 5,6 дм 3 .

Согласно закону эквивалентов: массы (объемы) реагирующих друг с другом веществ m 1 и m 2 пропорциональны их эквивалентным массам (объемам)

m 1 /M э1 = m 2 /M э2 .

Если одно из веществ находится в газообразном состоянии, тогда

m/М э = V о /V э.

Если оба вещества находятся в газообразном состоянии

V о1 /V э 1 = V о2 /V э2 .

Периодический закон и

Строение атома

Периодический закон и периодическая система элементов послужили мощным толчком к исследованиям строения атома, которые изменили представление о законах мироздания и привели к практическому воплощению идеи использования ядерной энергии.

К моменту открытия периодического закона только лишь стали утверждаться представления о молекулах и атомах. Причем атом считался не только наименьшей, но и элементарной (то есть неделимой) частицей. Прямым доказательством сложности строения атома было открытие самопроизвольного распада атомов некоторых элементов, названное радиоактивностью . В 1896 г. французский физик А. Беккерель обнаружил, что материалы, содержащие уран, засвечивают в темноте фотопластинку, ионизируют газ, вызывают свечение флюоресцирующих веществ. В дальнейшем выяснилось, что этой способностью обладает не только уран. П. Кюри и Мария Склодовская-Кюри открыли два новых радиоактивных элемента: полоний и радий.

Катодные лучи, открытые В. Круксом и Дж. Стоней в 1891 г. предложил назвать электронами – как элементарные частицы электричества. Дж. Томсон в 1897 г., исследуя поток электронов, пропуская его через электрическое и магнитное поля, установил значение величины е/m – отношение заряда электрона к его массе, что привело ученого Р. Милликена в 1909 г. к установлению величины заряда электрона q = 4,8∙10 -10 электростатических единиц, или 1,602∙10 -19 Кл (Кулон), а соответственно и к массе электрона –

9,11∙10 -31 кг. Условно рассматривают заряд электрона как единицу отрицательного электрического заряда и присваивают ему значение (-1). А.Г. Столетовым было доказано, что электроны входят в состав всех атомов, имеющихся в природе. Атомы электронейтральны, то есть в целом не обладают электрическим зарядом. А это значит, что в состав атомов, кроме электронов должны входить положительные частицы.

Модели Томсона и Резерфорда

Одна из гипотез о строении атома была выдвинута в 1903 г. Дж.Дж. Томсоном. Он полагал, что атом состоит из положительного заряда, равномерно распределённого по всему объёму атома, и электронов, колеблющихся внутри этого заряда, подобно семечкам в «арбузе» или «пудинга с изюмом». Для проверки гипотезы Томсона и более точного определения внутреннего строения атома в 1909-1911 г.г. Э. Резерфорд совместно с Г. Гейгером (впоследствии изобретателем известного счётчика Гейгера) и студентами поставили оригинальные эксперименты.

Эрнест Резерфорд (1871 – 1937)

Сфокусировав пучок a-частиц на поверхность тонкого металлического листка, они наблюдали за тем, что происходит, когда этими летящими с большой скоростью a-части-цами простреливается металлическая фольга. На основании результатов эксперимента была предложена ядерная модель атома , согласно которой большая часть массы атома сосредоточена в центре (ядре), а внешние части атома, то есть подавляющая часть пространства атома, заняты электронами. Ядерная модель атома Э. Резерфорда называется еще планетарной моделью , так как напоминает нашу солнечную систему, где планеты вращаются вокруг Солнца. Атом состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него электронов.

Планетарная модель строения атома

Суть планетарной модели строения атома можно свети к следующим утверждениям:

1. В центре атома находится положительно заряженное ядро, занимающее ничтожную часть пространства внутри атома;

2. Весь положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в его ядре (масса электрона равна 1/1823 а.е.м.);

3. Вокруг ядра вращаются электроны. Их число равно положительному заряду ядра.

Эта модель оказалась очень наглядной и полезной для объяснения многих экспериментальных данных, но она сразу обнаружила и свои недостатки. В частности, электрон, двигаясь вокруг ядра с ускорением (на него действует центростремительная сила), должен был бы, согласно электромагнитной теории, непрерывно излучать энергию. Это привело бы к тому, что электрон должен был бы двигаться вокруг ядра по спирали и, в конце концов, упасть на него. Никаких доказательств того, что атомы непрерывно исчезают, не было, отсюда следует, что модель Э. Резерфорда в чём-то ошибочна.

Закон Мозли

Рентгеновские лучи были открыты в 1895 г. и интенсивно изучались в последующие годы, началось их использование для экспериментальных целей: они незаменимы для определения внутренней структуры кристаллов, порядковых номеров химических элементов. Г. Мозли удалось измерить заряд атомного ядра с помощью рентгеновских лучей. Именно в заряде ядра заключается основное различие между атомными ядрами разных элементов. Г. Мозли назвал заряд ядра порядковым номером элемента . Единичные положительные заряды позднее назвали протонами (1 1 р).

Рентгеновское излучение зависит от строения атома и выражается законом Мозли : корни квадратные из обратных значений длин волн находятся в линейной зависимости от порядковых номеров элементов. Математическое выражение закона Мозли: , где l - длина волны максимального пика в спектре рентгеновских лучей; а и b – константы, одинаковые для аналогичных линий данной серии рентгеновского излучения.

Порядковый номер (Z) – это число протонов в ядре. Но только к 1920 г. было установлено название «протон » и изучены его свойства. Заряд протона равен по величине и противоположен по знаку заряду электрона, то есть 1,602×10 -19 Кл, а условно (+1), масса протона равна 1,67×10 -27 кг, что приблизительно в 1836 раз больше, чем масса электрона. Таким образом, масса атома водорода, состоящего из одного электрона и одного протона, практически совпадает с массой протона, обозначают 1 1 р.

Для всех элементов масса атома больше суммы масс электронов и протонов, входящих в их состав. Разница указанных величин возникает из-за наличия в атомах еще одного типа частиц, названных нейтронами (1 о n), которые были открыты только в 1932 г. английским ученым Д. Чедвиком. Нейтроны почти равны по массе протонам, но лишены электрического заряда. Сумма числа протонов и нейтронов, содержащихся в ядре атома, называется массовым числом атома . Число протонов равно порядковому номеру элемента, число нейтронов равняется разности между массовым числом (атомной массой) и порядковым номером элемента. Ядра всех атомов данного элемента имеют одинаковый заряд, то есть содержат одинаковое число протонов, а число нейтронов может быть различно. Атомы, имеющие одинаковый заряд ядра, а значит и тождественные свойства, но разное число нейтронов, а, следовательно, разные массовые числа называются изотопами («изос» - равный, «топос» - место). Каждый изотоп характеризуется двумя величинами: массовым числом (проставляется вверху слева от химического знака элемента) и порядковым номером (проставляется внизу слева от химического знака элемента). Например, изотоп углерода с массовым числом 12 записывается так: 12 6 С или 12 С, или словами: «углерод-12». Изотопы известны для всех химических элементов. Так, кислород имеет изотопы с массовыми числами 16, 17, 18: 16 8 О, 17 8 О, 18 8 О. Изотопы калия: 39 19 К, 40 19 К, 41 19 К. Именно наличием изотопов объясняют те перестановки, которые в свое время сделал Д.И. Менделеев. Заметьте, что он сделал это только на основании свойств веществ, так как строение атомов ещё не было известно. Современная наука подтвердила правоту великого русского учёного. Так, природный калий образован в основном атомами его лёгких изотопов, а аргон – тяжёлых. Поэтому относительная атомная масса калия меньше, чем аргона, хотя порядковый номер (заряд ядра атома) калия больше.

Атомная масса элемента равна среднему значению из всех его природных изотопов с учётом их распространенности. Так, например, природный хлор состоит из 75,4 % изотопа с массовым числом 35 и 24,6 % изотопа с массовым числом 37; средняя атомная масса хлора 35,453. Атомные массы элементов, приводимые в периодической системе

Д.И. Менделеева, есть средние массовые числа природных смесей изотопов. Эта одна из причин, почему они отличаются от целочисленных значений.

Стабильные и неустойчивые изотопы . Все изотопы подразделяются на: стабильные и радиоактивные . Стабильные изотопы не подвергаются радиоактивному распаду, поэтому они и сохраняются в природных условиях. Примерами стабильных изотопов являются 16 О, 12 С, 19 F. Большинство природных элементов состоят из смеси двух или большего числа стабильных изотопов. Из всех элементов наибольшее число стабильных изотопов имеет олово (10 изотопов). В редких случаях, например, у алюминия или фтора, в природе встречается только один стабильный изотоп, а остальные изотопы неустойчивы.

Радиоактивные изотопы подразделяются, в свою очередь, на естественные и искусственные и те и другие самопроизвольно распадаются, испуская при этом α- или β-частицы до тех пор, пока не образуется стабильный изотоп. Химические свойства всех изотопов в основном одинаковы.

Изотопы широко используют в медицине и научных исследованиях. Ионизирующее излучение способно разрушать живые ткани. Ткани злокачественных опухолей более чувствительны к облучению, чем здоровые ткани. Это позволяет лечить раковые заболевания при помощи γ-излучения (радиационная терапия) , которое получают обычно с помощью радиоактивного изотопа кобальта-60. Излучение направляют на пораженный опухолью участок тела больного, сеанс лечения длится обычно несколько минут и повторяется в течение нескольких недель. Во время сеанса все остальные части тела больного должны быть тщательно закрыты непроницаемым для излучения материалом, чтобы предотвратить разрушение здоровых тканей.

В методе меченых атомов радиоактивные изотопы используют для того, чтобы проследить «маршрут» некоторого элемента в организме. Так, пациенту с больной щитовидной железой вводят препарат радиоактивного йода-131, что позволяет врачу проследить за прохождением йода по организму больного. Поскольку период полураспада

йода-131 всего 8 дней, то его радиоактивность быстро уменьшается.

Особенно интересно применение радиоактивного углерода-14 для определения возраста предметов органического происхождения на основе радиоуглеродного метода (геохронология) разработанный американским физико-химиком У. Либби. Этот метод удостоен Нобелевской премии в 1960 г. При разработке своего метода У. Либби использовал известный факт образования радиоактивного изотопа углерода-14 (в форме оксида углерода(IV)) в верхних слоях земной атмосферы при бомбардировке атомов азота нейтронами, входящими в состав космических лучей

14 7 N + 1 0 n → 14 6 C + 1 1 p

Радиоактивный углерод-14 в свою очередь распадается, испуская β-частицы и превращаясь снова в азот

14 6 С → 14 7 N + 0 -1 β

Атомы разных элементов, имеющие одинаковые массовые числа (атомные массы) называются изобарами. В периодической системес уществует 59 пар и 6 троек изобар. Например, 40 18 Ar 40 19 K 40 20 Ca.

Атомы разных элементов, имеющие одинаковое число нейтронов, называются изотонами . Например, 136 Ba и 138 Xe – у них по 82 нейтрона в ядре атома.

Периодический закон и

Ковалентная связь

В 1907 г. Н.А. Морозов и позднее в 1916-1918 г.г. американцы Дж. Льюис и И. Ленгмюр ввели представление об образовании химической связи общей электронной парой и предложили обозначать валентные электроны точками

Связь, образованная электронами, принадлежащими двум взаимодействующим атомам, называется ковалентной . По представлениям Морозова-Льюиса-Ленгмюра:

1) при взаимодействии атомов между ними формируются поделенные – общие – электронные пары, принадлежащие обоим атомам;

2) за счет общих электронных пар каждый атом в молекуле приобретает на внешнем энергетическом уровне восемь электронов, s 2 p 6 ;

3) конфигурация s 2 p 6 – это устойчивая конфигурация инертного газа и в процессе химического взаимодействия каждый атом стремится ее достигнуть;

4) количество общих электронных пар определяет ковалентность элемента в молекуле и равно оно числу электронов у атома, недостающих до восьми;

5) валентность свободного атома определяется числом неспаренных электронов.

Изображать химические связи принято по разному:

1) с помощью электронов в виде точек, поставленных у химического символа элемента. Тогда образование молекулы водорода можно показать схемой

Н× + Н× ® Н: Н;

2) с помощью квантовых ячеек (орбиталей) как размещение двух электронов с противоположными спинами в одной молекулярной квантовой ячейке

Схема расположения, показывает, что молекулярный энергетический уровень ниже исходных атомных уровней, а значит, молекулярное состояние вещества более устойчиво, чем атомное;

3) часто, особенно в органической химии, ковалентную связь изображают черточкой (например, Н-Н), которая символизирует пару электронов.

Ковалентная связь в молекуле хлора также осуществляется с помощью двух общих электронов, или электронной пары.

Как видно, каждый атом хлора имеет три неподеленные пары и один неспаренный электрон. Образование химической связи происходит за счет неспаренных электронов каждого атома. Неспаренные электроны связываются в общую пару электронов, называемую также поделенной парой .

Метод валентных связей

Представления о механизме образования химической связи на примере молекулы водорода распространяются и на другие молекулы. Теория химической связи, созданная на этой основе, получила название метода валентных связей (МВС) . Основные положения:

1) ковалентная связь образуется в результате перекрывания двух электронных облаков с противоположно направленными спинами, причем образованное общее электронное облако принадлежит двум атомам;

2) ковалентная связь тем прочнее, чем в большей степени перекрываются взаимодействующие электронные облака. Степень перекрывания электронных облаков зависит от их размеров и плотности;

3) образование молекулы сопровождается сжатием электронных облаков и уменьшением размеров молекулы по сравнению с размерами атомов;

4) в образовании связи принимают участие s- и p-электроны внешнего энергетического уровня и d-электроны предвнешнего энергетического уровня.

Сигма (s) и пи (p)-связи

В молекуле хлора каждый его атом имеет завершенный внешний уровень из восьми электронов s 2 p 6 , причем два из них (электронная пара) в одинаковой степени принадлежит обоим атомам. Перекрывание электронных облаков при образовании молекулы показано на рисунке

Схема образования химической связи в молекулах хлора Cl 2 (а) и хлороводорода HCl (б)

Химическая связь, для которой линия, соединяющая атомные ядра, является осью симметрии связывающего электронного облака, называется сигма (σ)-связью . Она возникает при «лобовом» перекрывании атомных орбиталей. Связи при перекрывании s-s-орбиталей в молекуле Н 2 ; р-р-орбиталей в молекуле Cl 2 и s-p-орбиталей в молекуле НСl являются сигма связями. Возможно «боковое» перекрывание атомных орбиталей. При перекрывании р-электронных облаков, ориентированных перпендикулярно оси связи, т.е. по оси у- и z-осям, образуются две области перекрывания, расположенные по обе стороны от этой оси. Такая ковалентная связь называется пи (p)-связью . Перекрывание электронных облаков при образовании π-связи меньше. Кроме того, области перекрывания лежат дальше от ядер, чем при образовании σ-связи. Вследствие этих причин π-связь обладает меньшей прочностью по сравнению с σ-связью. Поэтому энергия двойной связи меньше удвоенной энергии одинарной связи, которая всегда является σ-связью. Кроме того, σ-связь имеет осевую, цилиндрическую симметрию и представляет собой тело вращения вокруг линии, соединяющей атомные ядра. π-Связь, наоборот, не обладает цилиндрической симметрией.

Одинарная связь всегда является чистой или гибридной σ-связью. Двойная же связь состоит из одной σ- и одной π-связей, расположенных перпендикулярно друг относительно друга. σ-Связь прочнее π-связи. В соединениях с кратными связями обязательно присутствует одна σ-связь и одна или две π-связи.

Донорно-акцепторная связь

Возможен и другой механизм образования ковалентной связи – донорно-акцепторный. В этом случае химическая связь возникает за счет двухэлектронного облака одного атома и свободной орбитали другого атома. Рассмотрим в качестве примера механизм образования иона аммония (NH 4 +). В молекуле аммиака атом азота имеет неподеленную пару электронов (двухэлектронное облако)

У иона водорода свободна (не запонена) 1s-орбиталь, что можно обозначить как Н + (здесь квадрат означает ячейку). При образовании иона аммония двухэлектронное облако азота становится общим для атомов азота и водорода, то есть оно превращается в молекулярное электронное облако. А значит, возникает четвертая ковалентная связь. Процесс образования иона аммония можно представить схемой

Заряд иона водорода становится общим (он делокализован, т.е. рассредоточен между всеми атомами), а двухэлектронное облако (неподеленная электронная пара), принадлежащая азоту, становится общей с Н + . В схемах изображение ячейки  часто опускается.

Атом, предоставляющий неподеленную электронную пару, называется донором , а атом, принимающий ее (то есть предоставляющий свободную орбиталь), называется акцептором .

Механизм образования ковалентной связи за счет двухэлектронного облака одного атома (донора) и свободной орбитали другого атома (акцептора) называется донорно-акцепторным. Образованная таким путем ковалентная связь называется донорно-акцепторной или координационной связью.

Однако это не особый вид связи, а лишь иной механизм (способ) образования ковалентной связи. По свойствам четвертная связь N-H в ионе аммония ничем не отличается от остальных трех.

Большей частью донорами являются молекулы, содержащие атомы N, O, F, Cl связанные в ней с атомами других элементов. Акцептором может быть частица, обладающая вакантными электронными уровнями, например, атомы d-элементов, обладающие незаполненными d-подуровнями.

Свойства ковалентной связи

Длина связи – это межъядерное расстояние. Химическая связь тем прочнее, чем меньше ее длина. Длина связи в молекулах составляет: НС 3 -СН 3 1,54 ; Н 2 С=СН 2

1,33 ; НС≡СН 1,20 .В пересчете на одинарные связи эти величины увеличиваются, реакционная способность соединений с кратными связями возрастает. Мерой прочности связи является энергия связи.

Энергия связи определяется количеством энергии, которое необходимо для разрыва связи. Обычно она измеряется в килоджоулях, отнесенных к 1 молю вещества. С увеличением кратности связи энергия связи увеличивается, а ее длина уменьшается. Величины энергии связи в соединениях (алканы, алкены, алкины): С-С 344 кДж/моль; С=С 615 кДж/моль; С≡С 812 кДж/моль. То есть энергия двойной связи меньше удвоенной энергии одинарной связи, а энергия тройной связи меньше утроенной энергии одинарной связи, поэтому алкины более реакционноспособны из этой группы углеводородов.

Под насыщаемостью понимают способность атомов образовывать ограниченное число ковалентных связей. Например, атом водорода (один неспаренный электрон) образует одну связь, атом углерода (четыре неспаренных электрона в возбужденном состоянии) – не более четырех связей. Вследствие насыщаемости связей молекулы имеют определенный состав: Н 2 , СН 4 , НСl и т.д. Однако и при насыщенных ковалентных связях могут образовываться более сложные молекулы по донорно-акцепторному механизму.

Направленность ковалентной связи обусловливает пространственную структуру молекул, то есть их форму. Рассмотрим это на примере образования молекул HCl, H 2 O, NH 3 .

Согласно МВС, что ковалентная связь возникает в направлении максимального перекрывания электронных орбиталей взаимодействующих атомов. При образовании молекулы НСl происходит перекрывание s-орбитали атома водорода с р-орбиталью атома хлора. Молекулы такого типа имеют линейную форму.

На внешнем уровне атома кислорода имеются два неспаренных электрона. Орбитали их взаимно перпедикулярны, т.е. располагаются относительно друг друга под углом 90 о. При образовании молекулы воды

На законе Авогадро основан важнейший метод определения молекулярных масс веществ, находящихся в газообразном состоянии. Но прежде чем говорить об этом методе, следует сказать, в каких единицах выражают молекулярные и атомные массы.

При вычислениях атомных масс первоначально за единицу массы принимали массу атома водорода как самого легкого элемента и по отношению к нему вычисляли массы атомов других элементов. Но так как атомные массы большинства элементов определяются, исходя из состава их кислородных соединений, то фактически вычисления производились по отношению к атомной массе кислорода, которая считалась равной 16; отношение между атомными массами кислорода и водорода принимали равным . Впоследствии более точные измерения показали, что это отношение равно или . Изменение атомной массы кислорода повлекло бы за собой изменение атомных масс большинства элементов. Поэтому было решено оставить для кислорода атомную массу 16, приняв атомную массу водорода равной 1,0079.

Таким образом, за единицу атомной массы принималась часть массы атома кислорода, получившая название кислородной единицы, В дальнейшем было установлено, что природный кислород представляет собой смесь изотопов (см. § 35), так что кислородная единица массы характеризует среднее значение массы атомов природных изотопов кислорода. Для атомной физики такая единица оказалась неприемлемой, и в этой отрасли науки за единицу атомиой массы была принята часть массы атома кислорода . В результате оформились две шкалы атомных масс - химическая и физическая. Наличие двух шкал атомных масс создавало большие неудобства.

В 1961 г. принята единая шкала относительных атомных масс, в основу которой положена часть массы атома изотопа углерода , названная атомной единицей массы . В соответствии с этим в настоящее время относительной атомной массой (сокращенно - атомной массой) элемента называют отношение массы его атома к части массы атома . В современной шкале относительные атомные массы кислорода и водорода равны соответственно 15,9994 и 1,00794.

Аналогично относительной молекулярной массой (сокращенно - молекулярной массой) простого или сложного вещества называют отношение массы его молекулы к части массы . Поскольку масса любой молекулы равна сумме масс составляющих ее атомов, то относительная молекулярная масса равна сумме соответствующих относительных атомных масс.

Например, молекулярная масса воды, молекула которой содержит два атома водорода и один атом кислорода, равна: .(До недавнего времени вместо терминов «атомная масса» и «молекулярная масса» употреблялись термины «атомный вес» и «молекулярный вес».)

Наряду с единицами массы и объема в химии пользуются также единицей количества вещества, называемой молем (сокращенно обозначение - «моль»).

Моль - количество вещества, содержащее столько молекул, атомов, ионов, электронов или других структурных единиц, сколько содержится атомов в изотопа углерода .

Применяя понятие «моль», необходимо в каждом конкретном случае точно указывать, какие именно структурные единицы имеются в виду. Например, следует различать моль атомов Н, моль молекул , моль ионов .

В настоящее время число структурных единиц, содержащихся в одном моле вещества (постоянная Авогадро), определено с большой точностью. В практических расчетах его принимают равным .

Отношение массы m вещества к его количеству называют молярной массой вещества

Молярную массу обычно выражают в г/моль. Поскольку в одном моле любого вещества содержится одинаковое число структурных единиц, то молярная масса вещества , г/моль) пропорциональна массе соответствующей структурной единицы, т. е. относительной молекулярной (или атомной) массе данного вещества (Мотн)

где К - коэффициент пропорциональности, одинаковый для всех веществ.

Нетрудно видеть, что К=1. В самом деле, для изотопа углерода Мотн =12, а молярная масса (по определению понятия «моль») равна 12 г/моль. Следовательно, численные значения М (г/моль) и Мотн совпадают, а значит К=1. Отсюда следует, что молярная масса вещества, выраженная в граммах на моль, имеет то же численное значение, что и его относительная молекулярная (атомная) масса. Так, молярная масса атомарного водорода равна 1,0079 г/моль, молекулярного водорода - 2,0158 г/моль, молекулярного кислорода - 31,9988 г/моль.

Согласно закону Авогадро одно и то же число молекул любого газа занимает при одинаковых условиях один и тот же объем. С другой стороны, 1 моль любого вещества содержит (по определению) одинаковое число частиц. Отсюда следует, что при определенных температуре и давлении 1 моль любого вещества в газообразном состоянии занимает один и тот же объем.

Нетрудно рассчитать, какой объем занимает один моль газа при нормальных условиях, т. е. при нормальном атмосферном давлении или ) и температуре . Например, экспериментально установлено, что масса 1 л кислорода при нормальных условиях равна 1,43 грамм. Следовательно, объем, занимаемый при тех же условиях одним молем кислорода (32 грамм), составит 32:1,43=22,4 л. То же число получим, рассчитав объем одного моля водорода, диоксида углерода и т. д.

Отношение объема, занимаемого веществом, к его количеству называется молярным объемом вещества. Как следует из изложенного, при нормальных условиях молярный объем любого газа равен 22,4 л/моль.

Относительная атомная и относительная молекулярная масса. Моль. Число Авогадро

Соврем методы исследования позволяют определить чрезвычайно малые массы атомов с большой точностью. Так, например, масса атома водорода составляет 1,674 10 27 кг, кислорода - 2,667 x 10 -26 кг, углерода - 1,993 x 10 26 кг. В химии традиционно используются не абсолютные значения атомных масс, а относительные. В 1961 г. за единицу атомной массы принята атомная единица массы (сокращенно а.е.м.), которая представляет собой ‘/12 часть массы атома изотопа углерода «С. Большинство химических элементов имеют атомы с различной массой. Поэтому относительной атомной массой А, хим элемента называется величина, равная отношению средней массы атома естественного изотопического состава элемента к 1/12 массы атома углерода 12C. Относительные атомные массы’ элементов обозначают А, где индекс r - начальная буква английского слове relative - относительный. Записи Аr(Н), Ar(0), Ar(С) означают: относ атомная масса водорода, относит атомная масса кислорода, относит атомная масса углерода. Например, Ar(Н) =1,6747x 10-27 = 1,0079; 1/12 x 1,993 x 10 -26

Относительная атомная масса - одна из основных характеристик химического элемента. Относительной молекулярной массой М, вещества называется величина, равная отношению средней массы молекулы естественного изотопического состава вещества к 1/12 массы атома углерода 12С. Вместо термина «относит атомная масса» можно использовать термин «атомная масса». Относ молекулярная масса численно равна сумме относительных атомных масс всех атомов, входящих в состав молекулы вещества. Она легко подсчитывается по формуле вещества. Например Мг(H2O) слагается из 2Аr(Н)=2 1,00797=2,01594 Ar(0) =1x15, 9994 = 15,9994

Mr (H2O) = 18,01534 Значит, относит молекулярная масса воды равна 18,01534, округленно, 18. Относит молекулярная масса показывает, во сколько масса молекулы данного вещества больше 1/12 массы атома С +12 . Так, молекулярная масса воды равна 18. Это означает, что масса молекулы воды в 18 раз больше, чем 1/12 массы атома С +12 . Относит молекулярная масса-одна из основных характеристик вещества. Моль. Молярная масса. В Международной системе единиц (СИ) за единицу количества вещества принят моль. Моль - это количество вещества, содержащее столько структурных единиц (молекул, атомов, ионов, электронов и других), сколько атомов содержится в 0,012 кг изотопа углерода С +12 . Зная массу одного атома углерода (1,993 10-26 кг), можно вычислить число атомов NA в 0,012 кг углерода: NA=0,012 кг/моль = 1,993 х10-26 кг 6,02 х 1023 ед/моль.

Это число называется постоянной Авогадро (обозначение НА размерность 1/моль), показывает число структурных единиц в моле любого вещества. Молярная масса - величина, равная отношению массы вещества к количеству вещества. Она имеет размерность кг/моль или г/моль; обычно ее обозначают буквой М. Молярную массу вещества легко вычислить, зная массу молекулы. Так, если масса молекулы воды равна 2,99х10-26, кг, то молярная масса Мr (Н2О) = 2,99 10-26 кг 6,02 1023 1/моль = 0,018 кг/моль, или 18 г/моль. В общем случае молярная масса вещества, выраженная в г/моль, численно равна относительной атомной или относительной молекулярной массе этого вещества. -Например, относительные атомные и молекулярные массы С, Fe, О, Н 2О соответственно равны 12, 56, 32,18, а их молярные массы составляют соответственно 12 г/моль, 56 г/моль, 32 г/моль, 18 г/моль. Молярная масса может быть подсчитана для веществ как в молекулярном, так и в атомном состоянии. Например, относительная молекулярная масса водорода Мr (Н 2) = 2, а относит атомная масса водорода А(Н) = 1. Количество вещества, определенное числом структурных единиц (Н А), в обоих случаях одинаково - 1 моль. Однако молярная масса молекулярного водорода 2 г/моль, а молярная масса атомного водорода 1 г/моль. Один моль атомов, молекул или ионов содержит число этих частиц, равное постоянной Авогадро, например

1 моль атомов С +12 = 6,02 1023 атомов С +12

1 моль молекул Н 2 O = 6,02 1023 молекул Н 2 O

1 моль ионов S0 4 2- = 6,02 1023 ионов S0 4 2-

Масса и количество вещества - понятия разные. Масса выражается в килограммах (граммах), а количество вещества - в молях. Между массой вещества (т, г), количеством вещества (п, моль) и молярной массой (М, г/моль) существуют простые соотношения: m=nM, n=m/M M=m/n По этим формулам легко вычислить массу определенного количества вещества, или определить количество вещества в известной ассе его, или найти молярную массу вещества.

В химической литературе исторически сложилось положение, когда массы атомов и молекул выражают посредством -понятий атомный вес и молекулярный вес.

Как известно, если тело с массой m (а также атом или молекула) движется под действием притяжения Земли с ускорением g, то сила тяжести данного тела равна т. е. сила тяжести пропорциональная массе тела, на которое она действует.

Если тело покоится, то вес тела равен силе тяжести, на него действующей, и в формуле можно считать Р весом тела. Следовательно, для покоящихся тел их веса пропорциональны массам. Однако ускорение в различных точках земной поверхности различно, поэтому и вес одного и того же тела (атома, молекулы!) будет здесь разным. Вес тела будет также уменьшаться и при подъеме над поверхностью Земли.

В заключение зададим себе вопрос, Судет ли вес тела (и соответственно вес атома, молекулы) одинаковым на Земле, на космической орбитальной станции, на поверхности Луны?

Если есть необходимость, то можно повторить физические понятия «вес», «масса» и т. д..

Относительные единицы для выражения веса атомов впервые использовал Дальтон, который определил атомный вес как число, показывающее, во сколько раз атом какого-либо элемента тяжелее атома другого элемента. В качестве единицы атомных весов им был предложен вес самого легкого атома - водорода.

Более правильно, как было показано выше, нужно говорить о единице атомных или молекулярных масс, поэтому в дальнейшем изложении авторы стремились везде использовать эти понятия вместо «атомный вес», «молекулярный вес».

Поскольку атомные массы элементов вычисляли из экспериментальных данных по весовым отношениям в различных соединениях, а кислород образует соединения с гораздо большим числом элементов по сравнению с водородом, то в последующие годы, вплоть до 1961 г., в качестве единицы атомной массы была принята часть массы атома кислорода. Эта относительная единица меры массы атомов была названа кислородной единицей (к. е.).

Однако уже к 1930 г. было обнаружено, что помимо атомов кислорода с массой 16 к. е.существуют отличающиеся по массе изотопы кислорода(0,039%) и(0,204%). Химические свойства изотопов кислорода одинаковы, а физические хотя и не сильно, но разнятся, поэтому изотопный состав кислорода в различных природных соединениях неодинаков. Например, средняя атомная масса атмосферного кислорода на 0,00011 атомных единиц меньше средней атомной массы кислорода из морской воды.

Возникли физическая и химическая система единиц атомных масс. Физики за единицу атомной массы принималичасть массы изотопаа химики - часть средней массы атома кислорода природного изотопного состава. Это приводило к различным величинам атомных масс и затрудняло сопоставление физических и химических атомных масс, что и явилось в конце концов основной причиной отказа от кислородной атомной единицы.

В 1961 г. Международный союз чистой и прикладной химии принял решение выбрать стандартную единицу атомной массы и перейти к единой шкале атомных масс. В качестве новой стандартной единицы атомной массы была выбрана углеродная единица (у. е.) - часть массы изотопа углеродаАтомные массы, основанные на новой единице (у. е), равны старым (к. е.), умноженным на 0,99996, так что изменения прежних атомных масс настолько малы, и это следует особо подчеркнуть, что не сказываются практически при всех химических расчетах.

Таким образом, масса атома, выраженная в углеродных единицах, называется атомной массой. Атомная масса показывает, во сколько раз масса атома данного элемента тяжелеемассы атома углерода С10. Масса молекул также выражается в углеродных единицах (у. е.).

Молекулярной массой вещества называется масса его молекулы, выраженная в углеродных единицах. Молекулярная масса показывает, во сколько раз масса молекулы данного вещества тяжелеемассы углерода С12. Следовательно, как атомная, так и молекулярная массы являются относительными единицами измерений. При написании обычно не указывают размерности атомных и молекулярных масс, помня о том, что они выражены в углеродных единицах.

Для количественных расчетов удобно пользоваться следующими характеристиками - грамм-атомом и грамм-молекулой.

Грамм-атомом называется количество граммов вещества, численно равное атомной массе этого элемента. Например, атомная масса натрия равна 23 у. е., следовательно, г -атом натрия имеет массу 23 г.

Количество граммов вещества, численно равное его молекулярной массе, называется грамм-молекулой этого вещества, или молем. Например, молекулярная масс перманганата калия равна 158 у. е., следовательно, составляют 1 грамм-молекулу.

Понятия атомной и молекулярной масс принципиально отличаются от понятий грамм-атомной и грамм-молекулярной масс. Если значения атомной и молекулярной масс суть числа относительные и показывают, во сколько раз масса атома или молекулы больше части атома изотопа углерода, то грамм-атом и грамм- молекула - это числа абсолютные, показывающие количество граммов вещества.

После открытия закона Авогадро (см. § 5, гл. IV)" было доказано, что число молекул (атомов), содержащихся в одной грамм-молекуле (грамм-атоме) любого вещества, одинаково и равно(число Авогадро), т. е. и масса грамм-молекулы равна массе молекул данного вещества. Стоит подчеркнуть, чтомолекул (атомов) содержится в 1 моле

(1 г-атоме) -любого вещества в любом агрегатном состоянии- твердом, жидком, газообразном.