Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №17/2005

КУРСЫ ПОВЫШЕНИЯ КВАЛИФИКАЦИИ

Особенности содержания
и методики преподавания
некоторых избранных тем
курса химии 8—9 классов

Бердоносов Сергей Серафимович

Менделеева Екатерина Александровна

Бердоносов
Сергей Серафимович
Менделеева
Екатерина Александровна

Химия как предмет, знание основ которого очень важно для каждого выпускника средней школы, входит в программы школьного образования практически всех развитых стран мира. В России по принятому учебному плану основной школы изучение химии продолжается два года (в 8-х и 9-х классах) и должно быть достаточным для подготовки выпускника школы как к правильному пониманию возможностей химии, так и к практическому использованию ее важнейших достижений.

Иногда кажется, что материал, отнесенный к курсу химии основной школы, настолько прост, что для его понимания и преподавания достаточно освежить в памяти текст школьного учебника. Между тем при знакомстве с имеющейся учебно-методической литературой возникает много вопросов, нуждающихся в серьезном обсуждении и уточнении. Связано это, во-первых, с тем, что в химии постоянно интенсивно накапливаются новые знания и часто устоявшиеся, привычные понятия и сведения нуждаются в серьезной корректировке. Во-вторых, в результате накопления новых знаний наблюдаются многочисленные уточнения принятых ранее терминологии, классификационных признаков и т.д.

Цель предлагаемого цикла лекций по некоторым вопросам курса химии – помочь читателю – учителю химии основной школы — в рассмотрении на уроках тем, которые, по нашему мнению, не всегда достаточно подробно и правильно отражены в имеющейся учебно-методической литературе.

Содержание предлагаемых лекций в известной мере можно рассматривать как дополнение и пояснение к тому, что содержится в наших учебных книгах, выпущенных издательством «Просвещение» в 2002–2003 гг. (учебники «Химия-8», автор С.С.Бердоносов, и «Химия-9», авторы С.С.Бердоносов и Е.А.Менделеева), и в методическом пособии для учителей к этим книгам (авторы С.С.Бердоносов, Е.А.Менделеева и М.Н.Коробкова, 2004 г.). Мы, однако, надеемся, что знакомство с данным циклом лекций будет полезно и учителям, ведущим занятия по химии в школе по учебникам других авторов. Автор лекций № 1–6 – С.С.Бердоносов, лекций № 7 и 8 – Е.А.Менделеева.

Учебный план курса

№ газеты Учебный материал
17 Лекция № 1. Некоторые общие вопросы школьного предмета химии. Вещество. Атомы. Химические элементы. Вещества простые и сложные. Строение атома. Нуклиды и изотопы. Электронные оболочки атомов. Атомы электронейтральные и заряженные (ионы) и их размеры
18 Лекция № 2. Радиоактивность. Основы радиохимии и радиоэкологии. Синтез и изучение новых элементов
19 Лекция № 3. Водород и кислород. Особенности строения молекул. Получение. Важнейшие химические реакции. Применение.
Kонтрольная работа № 1 (срок выполнения – до 15 ноября 2005 г.)
20 Лекция № 4. Тепловые эффекты химических реакций. Скорость химических реакций
21 Лекция № 5. Равновесие. Смещение равновесия. Принцип Ле Шателье
22 Лекция № 6. Растворы. Химические реакции в растворах.
Kонтрольная работа № 2 (срок выполнения – до 29 декабря 2005 г.)
23 Лекция № 7. Особенности строения органических веществ
24 Лекция № 8. Углеводороды нефти и природного газа. Роль нефти и газа в современной химии
Итоговая работа. Разработка урока химии в 8–9-м классе в соответствии с предложенной концепцией. На основе этой разработки слушателем должны быть проведены уроки. Kраткий отчет о проведении итоговой работы, сопровождаемый справкой из учебного заведения, должен быть направлен в Педагогический университет не позднее 28 февраля 2006 г.

Лекция № 1

Некоторые общие вопросы школьного предмета химии

Вещество. Атомы. Химические элементы. Вещества простые и сложные.
Строение атома. Нуклиды и изотопы. Электронные оболочки атомов.
Атомы электронейтральные и заряженные (ионы) и их размеры

Введение

Химия относится к числу естественно-научных дисциплин. Отличие химии, например, от математики состоит в том, что в химии при детальном исследовании даже давно уже известных соединений (например, оксидов) и закономерностей (например, скоростей химических реакций) можно открыть что-то неизвестное ранее, но крайне важное и полезное. А вот посвятить свою жизнь, например, решению квадратных уравнений нельзя: о решении таких уравнений абсолютно все известно учащемуся уже в 8-м классе. Глубина любого участка химии бесконечна, везде есть уже понятое и объясненное учеными и неизведанное. Каждая область химии хранит свои тайны, и невозможно предсказать, где именно и какие большие открытия ожидают химиков в будущем.

Каждый раздел науки характеризуется своей терминологией – совокупностью терминов и понятий. Однако важнейшим терминам химии, как и терминам любой другой области естествознания, часто нельзя дать строгие формулировки. Поэтому приходится ограничиваться упрощенными определениями многих терминов. Действительно, трудности возникают даже с самим определением термина «химия». Принято, например, считать, что химия – область естествознания, которая занимается изучением веществ и их превращений. При этом под превращениями понимают такие процессы получения новых веществ из исходных, при которых атомы, составляющие вещества, сохраняются, но перегруппировываются, объединяются между собой по-новому. Однако такое пояснение термина «превращение» вызывает по меньшей мере два возражения.

Первое из них следующее. Попробуем уточнить, что такое «новое объединение атомов в составе исходных веществ и продуктов превращения». Если добавить «с разрывом старых химических связей и образованием новых», то получится замкнутый круг: ищем определение термина «химия», используя производное от него (химические связи). Оказывается, что при определении термина «химия» однозначно пояснить, когда же речь идет о разном объединении атомов в исходных и конечных веществах, а когда – о практически одном и том же, невозможно. Так, очевидно, что при горении угля связи между атомами исходных веществ разрушаются и между атомами С и О в СО2 возникают новые связи. И не вызывает сомнений то, что горение угля – это химическое превращение. Но рассмотрим еще одно превращение – таяние льда. При таянии льда «старые» (довольно прочные) межмолекулярные водородные связи в большинстве своем разрушаются, так что характер межатомных связей меняется. Но разве на этом основании можно сказать, что плавление льда – это химический процесс? Ведь плавление, в том числе и льда, принято рассматривать как физический, а не химический процесс. Если же использовать приведенное выше определение химии, то плавление льда – это типичное химическое превращение одного вещества в другое… Так что термин «превращение», что называется, «зависает».

Второе возражение против приведенного определения химии состоит в следующем. Близкий к предмету «Химия» предмет «Физика» действительно можно определить только как часть естествознания. Но химия не только часть науки естествознания, но и область производственной деятельности человека. Существуют понятия «большая химия» – крупнотоннажные химические производства типа производства серной кислоты, синтетического каучука, минеральных удобрений и другие – и «малая химия», которая объединяет многочисленные маломасштабные химические производства. Широко распространено название профессии «химик», а вот профессии «физик» на производстве нет.

Из сказанного следует, что дать строгое определение термина «химия» нельзя. Поэтому при знакомстве учащихся с предметом «химия» в базовом курсе выход, видимо, состоит в том, что следует ограничиться интуитивным пониманием учениками химических превращений. В 14–15 лет каждый понимает, что, например, горение свечи – это явление, которое относится к химии, а нагревание воды или включенного в электросеть утюга – это явления, изучаемые физикой.

В химии, как и в любой другой области естествознания, очень важны результаты наблюдений за явлениями, протекающими в природных или в лабораторных (т.е. искусственно создаваемых) условиях. Эти результаты следует возможно более подробно фиксировать, а затем для удобства последующего анализа и использования классифицировать.

Очевидно, что любые классификации (не только в химии) условны, т.к. в их основе всегда лежат задаваемые по нашему произволу (в соответствии с нашими задачами и представлениями) классификационные признаки. Поэтому при составлении любой классификации нужно четко сформулировать классификационные признаки, т.е. те правила, которые положены в основу классификации. Условность классификации приводит к тому, что в природе (в том числе и в химии) всегда есть понятия, которые нельзя однозначно отнести к определенной классификационной области. Например, Fe3O4 – и оксид, и соль Fе[FеО2]2; соединение С12О12 можно рассматривать и как оксид, и как сложный эфир гексагидроксобензола С6(ОН)6 и трех молекул щавелевой кислоты HOOCСOOH; HF по представлениям С.А.Аррениуса – кислота, а Й.Н.Бренстеда – основание.

Вещество. Атомное строение вещества

Химия изучает вещества и их превращения. А какое определение наиболее полно отражает содержание термина «вещество»? Строго говоря, вещество – это вид материи, имеющий массу покоя. Весь окружающий нас материальный мир состоит, во-первых, из веществ и, во-вторых, из различных полей (например, существуют поля тяготения, электромагнитные поля и др.). У любых полей массы покоя нет. Так, если мысленно представить себе «остановленный» луч света – световую волну, то масса у него будет равна нулю. Напротив, у любого вещества, из чего бы оно ни состояло – из протонов или нейтронов, из атомов или молекул, из песчинок или капель жидкости, масса покоя (масса вещества в состоянии, когда оно не движется) имеется. Уж на что мал, например, электрон, тем не менее масса покоя у него есть – она равна 9,109 389 7•10–31 кг. Поэтому даже один электрон – это вещество.

Вещества могут быть газообразными, жидкими или твердыми, чистыми и содержащими примеси, растворимыми в воде и практически нерастворимыми, ядовитыми и неядовитыми, устойчивыми при хранении и быстро разлагающимися уже при комнатной температуре и т.д. Можно отметить, что из некоторых книг может сложиться неверное мнение о том, что вещество – это обязательно что-то чистое, не содержащее примесей. А между тем с точки зрения современной науки абсолютно чистых веществ нет – в любом веществе, даже подвергнутом самой тщательной очистке, всегда можно обнаружить примеси.

Ученые установили, что подавляющее большинство веществ состоит из атомов. В настоящее время с помощью атомного силового микроскопа, туннельного микроскопа и других приборов удалось визуализировать вид разных атомов. На рис. 1 атомы выглядят как небольшие шарики или как уложенные в картонную сетку маленькие яйца.

Рис. 1. Атомы на поверхности кристалла кремния при сильном увеличении

Рис. 1.
Атомы на поверхности
кристалла кремния при
сильном увеличении

Атомы очень малы. Если принять, что диаметр самой маленькой песчинки, которую можно увидеть невооруженным глазом, составляет около 0,1 мм (1•10–4 м), то оказывается, что даже такая песчинка содержит примерно 1016–1017 атомов. Представление о малости атомов может дать такой пример. Если на 1 копейку по современным ценам купить золота, а потом раздать его, например, всем москвичам (их примерно 10 млн), то расчет показывает, что каждый получит несколько миллионов атомов благородного металла.

Простые и сложные вещества.
Химические элементы

Простые вещества состоят из атомов одного элемента, сложные – из атомов разных элементов, связанных между собой химически. Уточнение, что в сложном веществе имеются химические связи между атомами разных элементов, позволяет провести границу между сложными веществами (например, водой) и смесями простых веществ (например, смесью газов кислорода и водорода).

Простым веществам соответствуют химические элементы (на первых этапах развития химии эти понятия не разграничивались), причем каждому элементу соответствует свой вид атомов. У всех веществ есть физические и химические свойства. А вот говорить и писать о физических и химических свойствах отдельных элементов ошибочно. Химический элемент – это условное понятие, и правильно считать, что у химических элементов есть определенные характеристики (например, атомная масса и др.), но физических и химических свойств нет. Отметим, что проведение четких различий между элементами и простыми веществами характерно для отечественной учебной и методической литературы по химии.

Названия и символы химических элементов

Каждый химический элемент принято называть по-латыни и на своем национальном языке. В национальных языках, в том числе и в русском, многие названия элементов по произношению или совпадают с латинскими, или близки к ним. По предложению Й.Я.Берцелиуса символы химических элементов образуют от их латинских названий. В настоящее время самый тяжелый элемент, у которого имеются утвержденные ИЮПАК и ИЮПАП название и символ, – элемент № 111 рентгений (символ Rg).

А вот единых правил произношения символов нет. Принятые в нашей стране правила их произношения связаны с историей становления в России химического языка в XIX в. Они не соответствуют правилам произношения символов элементов в большинстве других стран. Там символы элементов обычно произносят или по произношению латинских букв, или, если сам алфавит данной страны основан на латинице, по произношению соответствующих букв национального алфавита. Так, в Польше символ меди Сu произносят не «купрум», как у нас, а «це-у», а в Англии и США — «си-ю» и т.д. В некоторых странах символы произносят так, как на национальном языке называют элемент. В России произношение символов наиболее распространенных элементов входило в речь химиков тогда, когда латынь все учили в гимназиях. Вероятно, этим объясняется укоренившееся произношение по-латыни в нашей стране символов таких элементов, как железо, медь, олово, серебро, золото, ртуть, свинец и некоторых других. Для других символов используют или произношения латинских букв («пэ», «эс» и др.), или названия элементов (натрий, калий, уран и др.). Никаких правил здесь нет. Кстати, символ водорода Н у нас традиционно произносится не по-латыни («ха»), а так, как буква «Н» произносится по-французски («аш»).

Вероятно, со временем мы тоже перейдем на принятую в мире практику произношения символов химических элементов по произношению латинских букв. Но пока приходится считаться с тем, что в архаичных правилах произношения символов химических элементов (точнее говоря, в отсутствии здесь каких-либо правил) проявляется наша национальная индивидуальность.

Химический элемент – абстрактное понятие, и у элемента физических и химических свойств нет, а есть характеристики: атомный номер, распространенность в земной коре, совокупность возможных степеней окисления, значение электроотрицательности. В случае элементов, атомы которых встречаются в земной коре, наблюдается определенный нуклидный (изотопный) состав, и, как следствие этого, им присущи определенные значения атомной (молярной) массы.

Физические и химические свойства веществ

Каждое вещество обладает физическими и химическими свойствами. Различают физические свойства, которые можно охарактеризовать с помощью органов чувств и которые не имеют числовых характеристик, и свойства, которые можно охарактеризовать численно по результатам тех или иных физических измерений. Первая группа физических свойств сравнительно малочисленна, к ней относят вкус, запах, ядовитость вещества. Вторая группа включает большое число самых разных свойств: температуры плавления и кипения, плотность, удельное сопротивление, растворимость в воде, вязкость, упругость и т.д.

Химические свойства каждого вещества – это способность данного вещества реагировать с другими веществами при определенных условиям (температура, давление, катализатор). Химические свойства твердого вещества обычно зависят от степени его измельчения (дисперсности). Как правило, чем выше дисперсность вещества, тем ниже температура, при которой начинается взаимодействие данного вещества, например, с кислородом или хлором. Так, железный гвоздь с сухим кислородом практически не взаимодействует, а тонко измельченный (высокодисперсный) порошок железа – пирофорен – самовозгорается в атмосферном воздухе.

Некоторые свойства вещества трудно однозначно отнести к физическим или химическим. Так, органические вещества иногда характеризуют не через температуру плавления, а через температуру начала разложения. Разложение обычно проводят на воздухе (вещество взаимодействует с газами воздуха). Поэтому температура начала разложения многих веществ – это и химическая, и физическая характеристика.

Атомное ядро

Любой атом представляет собой ядро, окруженное электронной оболочкой. Диаметр ядра примерно в 100 тысяч раз меньше диаметра атома (диаметр атома около 10–10 м, а диаметр ядер около
10–15 м). Объем ядра составляет ничтожную часть – примерно 10–15 от объема атома. В ядре
сосредоточена практически вся масса атома. Поэтому, если бы удалось получить вещество, состоящее только из соприкасающихся между собой ядер, его плотность была бы огромна (около 1015–1016 г/см3). Иногда появляются сообщения о том, что астрономы наблюдали объекты с чудовищно большой плотностью, гипотетически состоящие из сверхплотного «ядерного» вещества (вещества, в котором ядра соприкасаются между собой), но эти сообщения пока нельзя рассматривать как твердо установленные факты.

Для того чтобы продемонстрировать соотношение размеров ядра и атома, часто приводят такой пример. Если представить атом водорода, увеличенным до размеров главного здания МГУ
им. М.В.Ломоносова, то находящееся в центре такого атома ядро будет размером с абрикос или сливу.

Ядра состоят из элементарных частиц двух типов – положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов. (Термин «элементарные частицы» означает, что речь идет о микрообъектах, внутреннее строение которых пока неизвестно и которые нельзя разложить на более простые частицы.) Общее число протонов и нейтронов в ядре называют массовым числом, массовые числа ядер всегда целочисленны.

Договорились приписывать заряду протона знак «плюс», а противоположному по знаку заряду электрона – знак «минус». По абсолютной величине (1,602 189 2 ± 0,000 004 6)•10–19 Кл заряд протона равен заряду электрона. В природе пока не найдено зарядов меньших, чем заряд протона или электрона, поэтому их заряд условно принимают за единичный (соответственно +1 и –1).

Нуклиды и изотопы

В начале XX в. было установлено, что атомы одного элемента могут различаться по числу содержащихся в них нейтронов. Несмотря на разное число нейтронов, такие атомы занимают в таблице Д.И.Менделеева одну клетку, и поэтому их было предложено называть изотопами. (Термин «изотопы» происходит от греч. isos – равный и – место, его можно перевести как «равноместные».) По своей сущности термин «изотопы» относится к разновидностям атомов одного элемента – атомам с разным числом нейтронов – и может использоваться только во множественном числе. Однако в 1940–1950 гг. его стали широко использовать и в единственном числе (писали и говорили, например, «изотоп кислород-18», «радиоактивный изотоп йод-131»), хотя это противоречит смыслу термина «изотопы». Поэтому в середине XX в. вид атомов с определенным числом в его ядре протонов и нейтронов было предложено называть нуклидом. Этот термин давно рекомендован ИЮПАП и ИЮПАК для использования в физике и химии. При этом если атомы нуклида радиоактивны, то такой нуклид называют «радионуклидом».

Таким образом, в настоящее время следует использовать термины «нуклид кислород-18», «радионуклид йод-131» и т.д. Термин «нуклид» можно использовать и в единственном, и во множественном числе. Нуклиды одного элемента – это изотопы. Можно сказать, что бром в природе представлен двумя нуклидами – 79Br и 81Br, а можно и так: у брома имеются два природных изотопа – бром-79 и бром-81.

Для обозначения нуклидов рекомендована следующая форма записи:

в которой стоящее вверху слева число 16 – массовое число (в ядре атома кислорода 8 протонов и 8 нейтронов), внизу слева число 8 – заряд ядра (число протонов в ядре), число 2 внизу справа – число атомов О в молекуле, а –2 вверху справа – типичная степень окисления атома кислорода. Поскольку каждому элементу отвечает определенный заряд ядра, то при символе элемента заряд ядра обычно не указывают.

Масса атома – относительная и абсолютная

Масса покоя протона равна:

(1,672 648 5 ± 0,000 008 6)•10–24 г,

а нейтрона – немного больше:

(1,674 954 3 ± 0,000 008 6)•10–24 г.

Точно так же в граммах известны массы атомов отдельных нуклидов и химических элементов. Записи этих масс легко сделать компактными. Однако по традиции массы атомов элементов, протона, нейтрона и других элементарных частиц выражают в относительных (углеродных) единицах. При этом относительная масса протона оказывается равной

1,007 276 470 ± 0,000 000 011,

а нейтрона –

1,008 665 012 ± 0,000 000 037.

Физики установили, что при образовании атомных ядер из протонов и нейтронов масса образующегося ядра всегда меньше суммы масс исходных протонов и нейтронов. Вызвано это уменьшение массы (так называемый «дефект массы») тем, что при образовании ядер выделяется огромная энергия, а выделение энергии сопровождается уменьшением массы. Энергию Е, которая выделяется при уменьшении массы на m, можно рассчитать по формуле Эйнштейна:

Е = с2m,

где с – скорость света, равная приблизительно 3•108 м/с. Значение с2 огромно (примерно 1017), поэтому даже незначительное уменьшение массы связано с выделением огромной энергии. Так, при образовании 1 моль ядер нуклида 12С из протонов и нейтронов дефект массы равен:
m = (6•1,007 276 47 + 6•1,008 665 01) – 12,000 000 = 0,095 648 88 г, или округленно 9,56•10–5 кг.
Такому дефекту массы соответствует выделение 9,56•10–5•1017 = 9,56•1012 Дж энергии (при сгорании 1 моль угля энергии выделяется примерно в 24 млн раз меньше).

Чем больше выделяется энергии при образовании ядра, тем прочнее в нем связаны протоны и нейтроны. Очень прочно они связаны в ядрах наиболее распространенного на Земле нуклида – кислорода-16. Из-за сравнительно большого дефекта массы относительная масса атома 16О оказывается меньше 16 (Ar(16О) = 15,994 9). Наличие в смеси природных нуклидов кислорода примеси более тяжелых нуклидов – 17О и 18О – приводит к тому, что относительная атомная масса Ar элемента кислорода оказывается только чуть-чуть меньше 16 (Ar = 15,999 4). Ученые определили точные значения масс и ядер, и атомов различных нуклидов. Существуют таблицы, в которых приведены значения масс атомов практически всех известных нуклидов.

Число протонов в ядре атомов любого элемента равно атомному номеру Z элемента в периодической системе элементов (отметим, что ИЮПАК давно рекомендует использовать термин «атомный номер», а не «порядковый номер»). Число нейтронов можно найти, зная массовое число нуклида. В периодической системе приведены, однако, не массовые числа, а усредненные значения атомных (молярных) масс элементов (усредненные по массам всех природных нуклидов с учетом их распространенности в земной коре). Все эти значения дробные. По значениям атомных масс элементов невозможно определить, сколько нейтронов содержат ядра того или иного атома.

Установлено, что четные природные элементы с атомными номерами 83 и меньше представлены в природе двумя или большим числом стабильных нуклидов, а нечетные (если вообще у них существуют стабильные нуклиды) – одним (фтор-19, алюминий-27, фосфор-31, серебро-108, йод-127 и др.) или максимум двумя нуклидами. Например, природный калий (Z = 19) состоит из двух стабильных нуклидов 39К и 41К и одного радиоактивного 40К.

Природный изотопный состав элементов, имеющих два или большее число природных нуклидов, немного колеблется от образца к образцу. Атомная масса элемента рассчитывается с учетом возможных колебаний в земной коре изотопного состава. Поэтому в периодической системе значения атомных масс элементов, имеющих стабильные изотопы, приведены с меньшей точностью (с меньшим числом значащих цифр), чем мононуклидных элементов. Изотопный состав элементов из образцов, взятых из разных мест Земли, постоянно уточняется, и ИЮПАК регулярно публикует новые данные о точных значениях атомных масс элементов.

Электронные оболочки атомов

Все электроны атома образуют его электронную оболочку. Электронная оболочка электронейтрального атома содержит столько же электронов, сколько протонов имеется в ядре. Следует иметь в виду, что у термина «электронная оболочка» есть два разных смысла. О первом сказано выше. «Электронная оболочка» во втором смысле – это группа электронов, близких между собой по энергии связи с ядром.

Электрон – это микрообъект, у которого, как следует из принципа неопределенности В.Гейзенберга, невозможно одновременно с высокой точностью предсказать координату и энергию (импульс). Чем точнее известна энергия, тем менее точно известна координата, и наоборот, чем точнее известна координата, тем менее точно известна энергия. Физики умеют с высокой точностью определять энергию электронов в атоме. При этом координата электрона оказывается полностью неопределенной. Определить, где именно в атоме находится данный электрон в тот или иной момент, принципиально нельзя. Поэтому некорректно говорить и писать, что одни электроны расположены в атоме ближе к ядру, а другие – дальше.

По результатам физических измерений электроны в атомах можно сгруппировать по значениям энергии их связи с остальным атомом. Условно можно считать, что электроны, относящиеся к группе наиболее прочно связанных с атомом, образуют первый слой (К-слой, К-уровень, К-оболочку); электроны, относящиеся к группе немного слабее связанных, условно относят к электронам второго слоя (L-слой, L-уровень, L-оболочка) и т.д. Электроны, наименее прочно связанные с атомом, образуют так называемый внешний слой (внешнюю оболочку, внешний уровень). Еще раз подчеркнем, что определить, электроны какого именно слоя находятся ближе к ядру, а какие – дальше от него, принципиально невозможно.

Атомы электронейтральные и заряженные (ионы)

Часто встречается ошибочное утверждение о том, что число электронов в атоме равно его атомному номеру Z (заряду ядра). На самом деле число электронов равно Z только в электронейтральном атоме. Но если часть электронов из электронейтрального атома удалить или добавить в его электронную оболочку один или несколько электронов, то атом, конечно же, останется атомом того же самого элемента, только теперь станет заряженным – ионом.

Размеры атомов и ионов

Основную часть объема атома занимает его электронная оболочка. Но у электрона нет фиксированной границы движения, поэтому четкой границы (такой, например, как внешняя поверхность стального шарика) у атома нет. Обычно за диаметр атома принимают диаметр сферы, внутри которой сосредоточено 95% всей электронной плотности атома. Известны расчетные и экспериментальные методы определения размеров электронейтральных атомов. Результаты расчетных методов зависят от того, какой именно метод расчета использован. Экспериментальные методы базируются на определенных допущениях о размерах некоторого числа атомов «основных» элементов. В каждом методе отношение размера атома одного элемента к размеру атомов других элементов примерно одно и то же, но абсолютные значения размеров могут различаться от метода к методу на десятки процентов. Поэтому при обсуждении размеров атомов надо указывать, какой метод расчета или экспериментального определения использован (чьей именно шкале радиусов атомов – Г.Б.Бокия, Н.В.Белова или других – соответствует приведенное значение).

Проблема определения абсолютных значений радиусов атомов и ионов связана со следующим. Пусть, например, речь идет о радиусе иона К+. Из данных рентгеновских исследований можно с высокой точностью определить межъядерное расстояние, например, между ионами K+ и Cl в кристаллической решетке КСl. Но вот на вопрос, как же разделить это расстояние между катионом и анионом, однозначного ответа нет. У разных исследователей эта «дележка» выполнена по-разному. Отсюда и различия в данных об ионных радиусах у разных авторов.

Но о какой бы шкале радиусов атомов и ионов речь ни шла, оказывается, что их абсолютные размеры зависят главным образом не от числа электронов во всей электронной оболочке, а от того, какие именно электроны – s или p – образуют внешний слой данного атома и сколько в данном атоме таких электронов. На рис. 2 показано, как изменяются радиусы нейтральных атомов с ростом заряда ядра Z.

Рис. 2. Изменение радиуса r электронейтральных атомов с ростом атомного номера Z элемента

Рис. 2.
Изменение радиуса r
электронейтральных атомов
с ростом атомного номера Z элемента

Видно, что самые большие радиусы в каждом периоде у атомов щелочных металлов, внешний электронный слой которых содержит один s-электрон. С ростом Z в каждом периоде радиусы атомов заметно уменьшаются. В результате радиус атома самого легкого щелочного металла лития
rLi = 0,155 нм* оказывается больше радиуса атома даже такого тяжелого металла, как золото
(rAu = 0,144 нм). То, что общее число электронов в электронной оболочке атома мало влияет на радиус атома, иллюстрирует следующий пример. Радиус иона менделевия Мd+ (в нем содержится 100 электронов) rMd+ = 0,117 нм заметно меньше радиуса иона К+ (18 электронов), rК+ = 0,133 нм.

Рис. 3. Радиусы катионов (б) и анионов (в) по сравнению с радиусами соответствующих электронейтральных атомов (а)

Рис. 3.
Радиусы катионов (б) и анионов (в)
по сравнению с радиусами
соответствующих электронейтральных
атомов (а)

При образовании из нейтральных атомов (рис. 3а) положительно заряженных ионов радиус атома резко уменьшается (рис. 3, б), а при образовании отрицательно заряженных ионов – увеличивается
(рис. 3, в). Поэтому в ионных соединениях (типа поваренной соли) большую часть объема занимают анионы Cl, катионы Na+ занимают пустоты, образованные анионами при их плотной упаковке в пространстве (рис. 4). При демонстрациях строения ионных соединений нецелесообразно изображать ионы точками или маленькими шариками, соединенными линиями. Лучше показывать ионы в виде шаров, соблюдая соотношение размеров катионов и анионов. В противном случае может сложиться впечатление, что атомы в кристаллической решетке удалены друг от друга. Некоторые учащиеся считают, что в кристаллической решетке, например, поваренной соли между атомами находится... воздух.

Рис. 4. Кристаллическая решетка NaCl: 1 – катионы Na+; 2 – анионы Cl–

Рис. 4.
Кристаллическая решетка NaCl:
1 – катионы Na+; 2 – анионы Cl

1. На столе стоит чашка с блюдцем. Все атомы, составляющие чашку, переместили в буфет. Что осталось на столе?

Ответ. Осталось блюдце.

2. Среди перечисленных понятий укажите те, которые относятся к веществам: древесина, электрон, радиоволны, ядра атомов углерода, лучи Рентгена, солнечный свет, навоз, поваренная соль.

Ответ. Древесина, электрон, ядра атомов углерода
навоз, поваренная соль.

3. Школьник нашел 1 копейку и купил на нее в ювелирном магазине платину (цена платины была 750 руб. за 1 г). Он решил поделить купленную платину между всеми жителями России (нас примерно 150 млн). По скольку атомов платины достанется каждому россиянину?

Решение и ответ

На 1 коп. можно купить 0,01/750•1 = 1,3•10–5 г платины. Молярная масса платины округленно равна 195 г/моль, следовательно, 195 г содержат 6•1023 атомов платины. В 1,3•10–5 г платины содержится:

(1,3•10–5/195)•6•1023 = 4•1016 атомов.

Каждому россиянину достанется по

4•1016/(1,5•108) = 2,7•108

атомов платины (по 270 млн).

4. Нейтральный атом какого элемента имеет самые большие размеры?

Ответ. Атом франция (радиоактивного элемента № 87),
среди стабильных элементов самый большой атом у цезия.

5. Укажите причину, по которой электрический заряд электрона принимают за единичный.

Ответ. В природе не обнаружено электрического заряда,
абсолютная величина которого была бы меньше заряда одного электрона.
Поэтому заряд электрона удобно принять за единичный.

6. Физики установили, что относительная атомная масса нуклида гелия-4 равна 4,002 603 24. Сколько теплоты выделяется при образовании 1 моль ядер этого нуклида из протонов и нейтронов?

Решение и ответ

Атомы гелия-4 содержат по 2 протона, 2 нейтрона и 2 электрона. Дефект массы m при образовании 1 моль гелия-4:

m = (2•1,007 276 + 2•1,008 665 + 2•0,000 549) – 4,002 603 = 0,030 377 г, или 3,04•10–5 кг.

Такому дефекту массы соответствует выделение энергии, равной 3,04•10–5•1017 = 3,04•1012 Дж/моль.

7. Укажите, на каком месте рядом с символом нуклида следует указывать массовое число нуклида:

а) слева вверху; б) слева внизу; в) справа вверху; г) справа внизу.

Ответ. а.

8. За 1 секунду можно посчитать не более пяти предметов. Можно ли за всю жизнь человека пересчитать все молекулы воды в 1 капле дождя, если масса капли примерно 30 мг?

Решение и ответ

Нет, нельзя. В 30 мг (0,03 г) воды содержится (0,03/18)•6•1023 = 1021 молекул. Для их подсчета необходимо 1021/5 = 2•1020 с. В одном году 365•24•3600 = 31 536 000 с = 3,15•107 с. Для подсчета всех молекул в капле воды потребуется:

2•1020/(3,15•107) = 6,35•1012 лет,

что превышает возраст Земли.


* Приведенные значения атомных и ионных радиусов соответствуют шкале Бокия–Белова и взяты из справочника: Ефимов А.И. и др. Свойства неорганических соединений. Л.: Химия, 1983.

ЛИТЕРАТУРА

Алексеев И.С. Вещество. Большая Советская энциклопедия. 3-е изд. Т. 5. М.: Советская энциклопедия, 1971;
Бердоносов С.С., Бердоносов П.С. Справочник по общей химии. М.: АСТ, Астрель, 2002, 285 с.;
Химия. Школьная энциклопедия. М.: Большая российская энциклопедия, 2003, 872 с.;
Бердоносов С.С. Химия-8. М.: Просвещение, 2002, 192 с.;
Бердоносов С.С. Менделеева Е.А., Коробкова М.Н. Химия. Методические рекомендации. М.: Просвещение, 2004, 191 с.