1. Периодический закон и периодическая система химических
advertisement
№1 1. Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева. Закономерности изменения свойств элементов малых периодов и главных подгрупп в зависимости от атомного (порядкового) номера. До открытия Д. И. Менделеева в науке уже были предприняты попытки классифицировать химические элементы по определенным признакам. Предшественники Д. И. Менделеева, отмечая сходство некоторых элементов, объединили их в отдельные группы или классы. Например, разделение элементов на два класса — металлы и неметаллы — оказалось неточным, потому что есть химические элементы с двойственными свойствами — как металлов, так и неметаллов. Важным этапом в работе по созданию классификации химических элементов было объединение сходных элементов в естественные семейства, например щелочные металлы, галогены. Однако все ученые, пытаясь классифицировать химические элементы, искали сходство между элементами одного семейства, но не могли себе представить, что все элементы тесно связаны друг с другом. Гениальное подтверждение того, что все химические элементы взаимосвязаны, сделал выдающийся русский химик Д. И. Менделеев, который сравнил их на основе двух свойств: атомной массы и валентности, т. е. способности образовывать известные формы соединений (оксиды, водородные соединения и др.). В 1869 г. он впервые сформулировал периодический закон: Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов. Это позже стало известно, что у атома есть ядро, которое имеет определенный заряд и массу. Причем чем больше заряд ядра, тем больше в нем содержится протонов и нейтронов. Это в конечном счете определяет взаимосвязь заряда атома и его массы. Чем больше заряд, тем, как правило, больше масса атома. Необходимо было обладать большой научной интуицией, чтобы, не зная состав атомного ядра, взять за основу систематизации элементов массу их атомов. Расположив известные элементы по мере увеличения массы их атомов, ученый обнаружил повторяемость свойств элементов, образующих одну большую последовательность. Данные о строении атома подтвердили и объяснили периодическое изменение свойств химических элементов и теперь периодический закон формулируют так: Свойства простых веществ, а также формы, и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от зарядов ядер атомов. Периодическое изменение свойств химических элементов с точки зрения строения атомов можно объяснить так. Возрастание положительного заряда атомных ядер приводит к возрастанию числа электронов в атоме. Число электронов равно заряду ядра атома. Электроны же располагаются в атоме не как угодно, а по электронным слоям. Каждый электронный слой имеет определенное число электронов. По мере заполнения одного слоя начинает заполняться следующий. А поскольку от числа электронов на внешнем слое в основном зависят свойства элементов, то и свойства периодически повторяются. В качестве примера можно рассмотреть накопление электронов на внешнем электронном слое атомов второго и третьего периодов. Каждый из периодов начинается с элементов, атомы которых на внешнем слое имеют один валентный электрон (Li, Na). Вследствие легкой отдачи этих электронов элементы проявляют сходные свойства и называются щелочными металлами. В конце этих периодов находятся галогены, имеющие семь электронов на внешнем слое атомов, и инертные газы, у которых внешний слой завершен и содержит восемь электронов. Таким образом, в каждом периоде с возрастанием заряда ядра металлические свойства элементов постепенно ослабевают, усиливаются неметаллические. Накопление восьми электронов на внешнем слое (инертные газы) и появление еще одного электрона у следующего атома приводит к резкому скачку в свойствах элементов и началу нового периода. На основе периодического закона были систематизированы элементы, или, говоря иначе, построена периодическая система химических элементов. Графическое изображение этого закона называется периодической таблицей. В таблице каждый химический элемент имеет атомный номер, который определяется числом протонов в ядре атома, т. е. атомный номер численно равен заряду ядра. Таким образом, основной признак, который определяет химический элемент, — это заряд его ядра. Массу атома в основном определяют протоны и нейтроны, составляющие ядро. Периодом называется ряд элементов, расположенных в порядке возрастания атомных масс, начинающийся со щелочного металла (за исключением первого периода; он начинается с водорода) и заканчивающийся инертным газом. В первый период входят только два элемента, во второй и третий — по восемь (эти периоды называются малыми). Четвертый период образован восемнадцатью элементами, а пятый и шестой — еще большим числом элементов. Чтобы определить, какая подгруппа — главная, а какая — побочная, важно помнить, что в состав главных подгрупп входят элементы как малых, так и больших периодов. Побочные подгруппы образованы только элементами больших периодов. Например, в состав главной подгруппы II группы входят элементы второго и третьего периодов — бериллий Be и магний Mg. Побочная подгруппа начинается с элемента четвертого (большого) периода — цинка Zn. И еще одно отличие: главная подгруппа, как правило, состоит из большего числа элементов, чем побочная (в VIII группе наоборот). В малых периодах, как было отмечено выше, по мере увеличения атомного номера элемента наблюдается закономерное увеличение числа электронов, находящихся на внешнем электронном слое атомов элементов. Как следствие этого от щелочного металла к галогену уменьшаются металлические свойства элементов и увеличиваются неметаллические свойства. Эта же закономерность проявляется и в свойствах веществ, образованных этими элементами. Так, например, оксид лития проявляет основные свойства, оксид бериллия — амфотерные. Высшие оксиды остальных элементов являются кислотными (кислородное соединение фтора является не оксидом, а фторидом). В главной подгруппе по мере увеличения атомного номера элемента наблюдается усиление металлических свойств элемента и уменьшение неметаллических. Это можно объяснить следующим образом. У элементов V группы на внешнем электронном слое по пять электронов. Однако внешние электроны у атома висмута находятся дальше от ядра и поэтому слабее удерживаются около него. Поэтому атомы висмута могут отдавать электроны, иначе говоря, проявлять металлические свойства, что не характерно для азота. Такая же закономерность в свойствах элементов и их соединений наблюдается в любой группе. Так, IV группа начинается с двух неметаллов — углерода С и кремния Si, далее следует германий Ge с промежуточными свойствами, и заканчивается группа оловом Sn и свинцом РЬ — металлами. Изменяются в группах и свойства соединений: оксид углерода (IV) — кислотный оксид, а оксид свинца обладает основными свойствами. Периодический закон позволил систематизировать свойства химических элементов и их соединений. При создании периодической системы Д. И. Менделеев предсказал существование многих еще не открытых элементов, оставив для них свободные ячейки, и описал их свойства. №2 Простые и сложные неорганические вещества, их состав и классификация. Ответом на этот вопрос может служить схема, в основе которой лежит классификация веществ по количественному и качественному составу. Используя схему, необходимо кратко охарактеризовать вещества простые и сложные, состав веществ различных классов, привести примеры. Оксиды — это сложные вещества, состоящие из двух элементов, один из которых кислород. Кислоты — это электролиты, при диссоциации которых из положительных ионов образуются только ионы водорода (Н+). Основания — это электролиты, при диссоциации которых из отрицательных ионов образуются только гидроксид-ионы (ОН-). Соли — это электролиты, при диссоциации которых образуются катионы металлов и анионы кислотного остатка. Далее следует привести уравнения реакций, характеризующие основные свойства каждого класса соединений. Для оксидов таким свойством является взаимодействие с водой: Характерным свойством солей является взаимодействие друг с другом: В заключение важно показать, что причинами многообразия веществ являются их: а) качественный состав; б) количественный состав. В настоящий момент известно более 50 тыс. неорганических и несколько миллионов органических соединений, в то время как открыто лишь 114 химических элементов. Это объясняется тем, что атомы могут соединяться в разной последовательности и в разном количественном соотношении. Так, например, азот может образовывать пять оксидов: N2O; NO; N2O3; NO2, N2O5. А сера входит в состав 11 кислот. Другая причина многообразия заключается в том, что некоторые химические элементы могут образовывать несколько простых веществ. Такое явление получило название аллотропия, а простые вещества — аллотропные видоизменения. Например, видоизменения кислорода, углерода и фосфора соответственно: кислород О2 и озон О3; графит, алмаз, карбин, фуллерен; белый, красный, черный. Различие в свойствах объясняется разным порядком связи атомов в молекулах и их расположением в пространстве, т. е. химическим строением. №3 . Строение атома: ядро, электронная оболочка. Химический элемент. Схемы строения атомов на примере химических элементов третьего периода. В результате экспериментов, посвященных изучению строения атома, было установлено, что атом состоит из положительно заряженного ядра и электронной оболочки. Ядро образовано протонами и нейтронами. Протон — это частица, имеющая положительный заряд (+1). Нейтрон — это нейтральная частица, заряд ее равен 0. Из определений следует, что величина заряда ядра атома равна числу протонов и имеет положительное значение. Электронная оболочка образована электронами, заряд у которых отрицательный. Число электронов равно числу протонов, поэтому заряд атома в целом равен 0 (т. е. атом электронейтральная частица). Число протонов, а следовательно, заряд ядра и число электронов численно равны порядковому номеру химического элемента. Далее следует отметить, что практически вся масса атома сосредоточена в ядре. Это связано с тем, что масса электрона настолько меньше массы протона или нейтрона, что ею пренебрегают (не учитывают). Электроны двигаются вокруг ядра атома, не беспорядочно, а в зависимости от энергии, которой они обладают, образуя так называемый электронный слой. На каждом электронном слое может располагаться определенное число электронов: на первом — не больше двух, на втором — не больше восьми, на третьем — не больше восемнадцати. Число электронных слоев определяется по номеру периода, в котором расположен химический элемент. Число электронов на последнем (внешнем) слое определяется по номеру группы рассматриваемого элемента. Так, например, кислород расположен во втором периоде VI группы. Из этого следует, что у него два электронных слоя и на внешнем (втором) расположено шесть электронов. Электронные слои заполняются у атомов постепенно, по мере увеличения общего числа электронов, которое соответствует порядковому номеру химического элемента. В сумме на первых двух электронных слоях может располагаться не более 10 электронов, т. е. элементом, завершающим второй период, является неон (Ne). У атомов третьего периода в атоме находится три электронных слоя. Первый и второй электронные слои заполнены электронами до предела. Для первого представителя элементов третьего периода натрия схема расположения электронов в атоме выглядит так: Из схемы видно, что атом натрия имеет заряд ядра +11. Электронную оболочку атома составляют 11 электронов. На первом электронном слое находится два электрона, на втором — восемь, а на третьем — один электрон. У магния, как элемента II группы этого периода, на внешнем электронном слое находится уже два электрона: Для остальных элементов периода изменение строения атома происходит аналогично. У каждого последующего элемента, в отличие от предыдущего, заряд ядра больше на одну единицу и на внешнем электронном слое расположено на один электрон больше. Число электронов, располагающихся на внешнем электронном слое, равно номеру группы. Завершает период аргон. Заряд его ядра +18. Это элемент VIII группы, поэтому на внешнем электронном слое его атома находится восемь электронов: Далее можно сделать выводы и об изменении свойств элементов в периоде. Любой период (кроме первого) начинается типичным металлом. В третьем периоде это натрий Na. Далее следует магний Mg, также обладающий ярко выраженными металлическими свойствами. Следующий элемент в периоде — алюминий А1. Это амфотерный элемент, проявляющий двойственные свойства (и металлов и неметаллов). Остальные элементы в периоде — неметаллы: кремний Si, фосфор Р, хлор С1. И заканчивается период инертным газом аргоном Аг. Таким образом, в периоде происходит постепенное ослабление металлических свойств и возрастание свойств неметаллов. Такое изменение свойств объясняется увеличением числа электронов на внешнем электронном слое: от 1 — 2, характерных для металлов, и заканчивая 5 — 8 электронами, соответствующими элементамнеметаллам. №4 . Металлы, их положение в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева, строение атомов (на примере натрия, алюминия). Характерные физические и химические свойства металлов. Металлы составляют большую часть химических элементов. Каждый период периодической системы (кроме 1-го) химических элементов начинается с металлов, причем с увеличением номера периода их становится все больше. Если во 2-м периоде металлов всего 2 (литий и бериллий), в 3-м — 3 (натрий, магний, алюминий), то уже в 4-м — 13, а в 7-м — 29. Атомы металлов имеют сходство в строении внешнего электронного слоя, который образован небольшим числом электронов (в основном не больше трех). Это утверждение можно проиллюстрировать на примерах Na, алюминия А1 и цинка Zn. Составляя схемы строения атомов, по желанию можно составлять электронные формулы и приводить примеры строения элементов больших периодов, например цинка. В связи с тем что электроны внешнего слоя атомов металлов слабо связаны с ядром, они могут быть «отданы» другим частицам, что и происходит при химических реакциях: Свойство атомов металлов отдавать электроны является их характерным химическим свойством и свидетельствует о том, что металлы проявляют восстановительные свойства. При характеристике физических свойств металлов следует отметить их общие свойства: электрическую проводимость, теплопроводность, металлический блеск, пластичность, которые обусловлены единым видом химической связи — металлической, и металлической кристаллической решетки. Их особенностью является наличие свободноперемещающихся обобществленных электронов между ион-атомами, находящимися в узлах кристаллической решетки. При характеристике химических свойств важно подтвердить вывод о том, что во всех реакциях металлы проявляют свойства восстановителей, и проиллюстрировать это записью уравнений реакции. Особое внимание следует обратить на взаимодействие металлов с кислотами и растворами солей, при этом необходимо обратиться к ряду напряжений металлов (ряд стандартных электродных потенциалов). Примеры взаимодействия металлов с простыми веществами (неметаллами): с солями (Zn в ряду напряжений стоит левее Сu): Zn + СuС12 = ZnCl2 + Сu! Таким образом, несмотря на большое многообразие металлов, все они обладают общими физическими и химическими свойствами, что объясняется сходством в строении атомов и строении простых веществ. №5 Неметаллы, их положение в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева, строение атомов (на примере углерода, азота, кислорода, фтора). Отличие физических свойств неметаллов от металлов. Взаимодействие неметаллов с простыми веществами (на примере реакций соединения серы с металлами, водородом и кислородом). Ответ следует начать с характеристики положения неметаллов в периодической системе: если провести воображаемую диагональ от бериллия Be к астату At, то неметаллы расположатся в главных подгруппах выше диагонали (т. е. в верхнем правом углу). К неметаллам относятся также водород Н и инертные газы. Далее важно отметить, что для общей характеристики неметаллов необходимо обратить внимание на строение их атомов, на то, как распределяются электроны по электронным слоям и сколько электронов приходится на внешний электронный слой. Можно привести строение атомов углерода С, азота N, кислорода О, фтора F. Это позволит сделать вывод о том, что по мере увеличения порядковых номеров атомов элементов и накопления электронов на внешнем слое у неметаллов одного периода усиливается способность принимать электроны от других атомов на свой внешний слой, т. е. неметаллические свойства элементов в периодах увеличиваются. Рассматривая изменение свойств неметаллов при движении по группе, следует отметить, что они ослабевают. Это связано с увеличением расстояния от ядра до внешнего слоя, а следовательно, уменьшением способности ядра притягивать к себе электроны от других атомов. Для подтверждения этого вывода рассмотрим VI группу. В начале ее расположен кислород О — типичный неметалл, а заканчивается группа полонием Ро, обладающим свойствами металла. Далее следует перейти к рассмотрению физических свойств неметаллов. Следует отметить, что простые вещества — неметаллы могут иметь как атомное (Si, В), так и молекулярное (Н2, N2, Br2) строение. Поэтому среди неметаллов есть газы (О2, С12), жидкости (Вг2), твердые вещества (С, 12). Большинство неметаллов не электропроводны, имеют низкую теплопроводность, а твердые вещества непластичны. Переходя к характеристике химических свойств, необходимо отметить, что более типичным для неметаллов является процесс принятия электронов. В этом отличие химических свойств неметаллов от химических свойств металлов. Это положение можно подтвердить взаимодействием неметаллов с простыми веществами. При этом следует записать уравнения соответствующих химических реакций и объяснить их сущность с точки зрения процессов окисления — восстановления. Следует отметить, что неметаллы могут проявлять свойства как окислителей, так и восстановителей. Приведем примеры. Можно добавить, что некоторые неметаллы могут реагировать и со сложными веществами (оксидами, кислотами, солями). Следующие уравнения учащийся приводит по желанию: №6 Виды химической связи: ковалентная (полярная и неполярная), ионная, их сходство и различие. Химическая связь — это взаимодействие частиц (атомов, ионов), осуществляемое путем обмена электронами. Различают несколько видов связи. При ответе на данный вопрос следует подробно остановиться на характеристике ковалентной и ионной связи. Ковалентная связь образуется в результате обобществления электронов (с образованием общих электронных пар), которое происходит в ходе перекрывания электронных облаков. В образовании ковалентной связи участвуют электронные облака двух атомов. Различают две основные разновидности ковалентной связи: а) неполярную и б) полярную. а) Ковалентная неполярная связь образуется между атомами неметалла одного и того лее химического элемента. Такую связь имеют простые вещества, например О2; N2; C12. Можно привести схему образования молекулы водорода: схеме электроны обозначены точками). (на б) Ковалентная полярная связь образуется между атомами различных неметаллов. Схематично образование ковалентной полярной связи в молекуле НС1 можно изобразить так: Общая электронная плотность оказывается смещенной в сторону хлора, в результате чего на атоме хлора возникает частичный отрицательный заряд , а на атоме водорода — частичный положительный . Таким образом, молекула становится полярной: Ионной называется связь между ионами, т. е. заряженными частицами, образовавшимися из атома или группы атомов в результате присоединения или отдачи электронов Ионная связь характерна для солей и щелочей. Сущность ионной связи лучше рассмотреть на примере образования хлорида натрия. Натрий, как щелочной металл, склонен отдавать электрон, находящийся на внешнем электронном слое. Хлор же, наоборот, стремится присоединить к себе один электрон. В результате натрий отдает свой электрон хлору. В итоге образуются противоположно заряженные частицы — ионы Na+ и Сl-, которые притягиваются друг к другу. При ответе следует обратить внимание, что вещества, состоящие из ионов, образованы типичными металлами и неметаллами. Они представляют собой ионные кристаллические вещества, т. е. вещества, кристаллы которых образованы ионами, а не молекулами. После рассмотрения каждого вида связи следует перейти к их сравнительной характеристике. Для ковалентной неполярной, полярной и ионной связи общим является участие в образовании связи внешних электронов, которые еще называют валентными. Различие же состоит в том, насколько электроны, участвующие в образовании связи, становятся общими. Если эти электроны в одинаковой мере принадлежат обоим атомам, то связь ковалентная неполярная; если эти электроны смещены к одному атому больше, чем другому, то связь ковалентная полярная. В случае, если электроны, участвующие в образовании связи, принадлежат одному атому, то связь ионная. Металлическая связь — связь между ион-атомами в кристаллической решетке металлов и сплавах, осуществляемая за счет притяжения свободно перемещающихся (по кристаллу) электронов (Mg, Fe). Все вышеперечисленные отличия в механизме образования связи объясняют различие в свойствах веществ с разными видами связей. №7 Взаимосвязь между классами неорганических веществ. При ответе важно показать единство мира неорганических веществ. Для этого можно использовать схемы, отражающие связи между классами неорганических веществ, а затем записать уравнения химических реакций, подтверждающих эти связи. Схемы могут быть, например, такими: При составлении уравнений химических реакций необходимо давать названия веществам и указывать, к каким классам неорганических соединений они относятся №8 Классификация химических реакций. а) По числу и составу исходных веществ и продуктов реакции; б) выделение или поглощение теплоты; в) изменение степени окисления химических элементов; г) наличие или отсутствие катализатора; д) обратимость реакций. а) По числу и составу исходных веществ и продуктов реакции химические реакции можно разделить на следующие типы: разложение; соединение; обмен; замещение Разложение — это реакция, в результате которой из одного вещества получается несколько. Разложению могут быть подвергнуты некоторые соли, кислоты, оксиды и основания (прежде всего нерастворимые): Соединение — это реакция, в результате которой из нескольких веществ получается одно. Например, сера соединяется с железом; многие кислотные и основные оксиды соединяются с водой или друг с другом: Обмен — это реакция между сложными веществами, в результате которой они обмениваются своими составными частями. Обмен наиболее характерен для ионных реакций. Например, реакция нейтрализации НСl + NaOH = NaCl + H2O; реакции между солями СаСl2 + Na2CO3 = CaCO3 + 2NaCl и т. д. Замещение — в неорганической химии к такому типу относят реакцию, в которую вступает сложное вещество и простое. В результате этой реакции образуется новое простое и сложное вещества. Например, железо замещает медь из ее хлорида Fe + CuCl2 = = Сu + FeCl2; натрий замещает водород из воды 2Na + 2Н20 = H2 + 2NaOH. б) В зависимости от теплового эффекта реакции подразделяются на экзотермические и эндотермические. Экзотермическими называют реакции, протекающие с выделением энергии: 2Mg + 02 = 2MgO + Q Реакции, сопровождающиеся поглощением энергии, называют эндотермическими: СаСО3 = СаО + СО2 - Q Выделение или поглощение энергии может быть обозначено в уравнении реакции соответственно знаком +Q или -Q. Реакции разложения обычно протекают с поглощением энергии, а присоединения — с выделением энергии. в) Окислительно-восстановительными называют реакции, в результате которых некоторые элементы, входящие в состав исходных веществ и продуктов, меняют свои степени окисления. Например, окисление меди кислородом: Замещение иона брома атомами хлора тоже является окислительновосстановительной реакцией: Есть реакции, идущие и без изменения степени окисления. Например, реакции ионного обмена: г) Каталитические и некаталитические реакции. Реакции, идущие с участием катализаторов, называются каталитическими. Не все реакции нуждаются в катализаторах, но многие без катализаторов практически идти не могут. Пример такой реакции — разложение пероксида водорода (протекает быстрее в присутствии оксида марганца (IV)): д) Необратимые и обратимые реакции. Необратимые реакции протекают до полного превращения исходных веществ в продукты: Признаками необратимости реакций в растворах является образование малодиссоциирующего вещества (осадка, газа или воды). Обратимые реакции протекают как в сторону получения продуктов реакции, так и в сторону получения исходных веществ: Важно отметить, что по разным признакам одна и та же реакция может быть отнесена одновременно к нескольким типам, например Эта реакция относится к реакциям: соединения, экзотермическим, окислительновосстановительным, каталитическим и обратимым. №9 Окислительно-восстановительные реакции. Окислитель и восстановитель. Ответ можно начать с утверждения о том, что по изменению степени окисления химических элементов различают реакции окислительно-восстановительные и реакции, идущие без изменения степеней окисления (например, ионного обмена). Реакции, протекающие с изменением степени окисления, называются окислительно-восстановительными реакциями. Рассмотрим с точки зрения этого признака пример: Частица (атом, ион), которая в ходе окислительно-восстановительного процесса отдает электроны, называется восстановителем. Процесс отдачи электронов — окисление. Восстановитель свою степень окисления повышает. В приведенном примере это натрий Na. Частица, принимающая электроны, — окислитель, он восстанавливается и понижает степень окисления. В нашем случае это сера S. Важно обратить внимание, что число электронов, отданных восстановителем, должно равняться числу электронов, принятых окислителем. В составе сложных веществ элементы могут иметь разные степени окисления. От этого зависит, окислителем или восстановителем является это вещество. Так, например, азотная кислота является окислителем. В состав азотной кислоты HNO3 входит азот, имеющий степень окисления +5, который в процессе окислительновосстановительной реакции может только понижать свою степень окисления, принимая электроны. Сероводород H2S — восстановитель за счет атома серы со степенью окисления -2. . №10 Реакции ионного обмена. Условия их протекания до конца. Отличие реакций ионного обмена от окислительно-восстановительных. Ответ можно начать с положения о том, что поскольку электролиты в растворах образуют ионы, то реакции в них происходят не между молекулами, а между ионами. Если смешать растворы двух диссоциирующих веществ, то положительно заряженные ионы (катионы) взаимодействуют с ионами, заряженными отрицательно (анионы). Это положение следует подтвердить примерами. 1. Одно из образующихся веществ является малодиссоциирующим. Это может быть: а) осадок В результате реакции образуется угольная кислота, которая разлагается на газ оксид углерода (IV) и воду. Все участвующие в реакции вещества находятся в виде ионов. Связывание их с образованием нового вещества не происходит, поэтому реакция в этом случае практически не осуществима. Приведенные примеры свидетельствуют о том, что необходимыми условиями протекания реакций ионного обмена до конца являются: 1) образование осадка; 2) выделение газа; 3) образование малодиссоциирующих молекул воды. Естественно, что в ходе ответа можно приводить другие примеры реакций ионного обмена, но при этом важно помнить об использовании таблицы «Растворимость кислот, оснований и солей в воде», из которой видно, какое вещество растворимо, а какое — нет. Отличительной особенностью реакции ионного обмена от окислительновосстановительных реакций является то, что они протекают без изменения степеней окисления, участвующих в реакции частиц №11 Кислоты. Химические свойства кислот. Взаимодействие с металлами, основными оксидами, основаниями, солями (на примере серной или хлороводородной кислот). №12 Амфотерные гидроксиды (на примере гидроксида цинка или алюминия). Взаимодействие их с кислотами, щелочами, разложение при нагревании. В начале ответа можно разъяснить, что такое амфотерность. Амфотерностъ (от греч. amphoteros — и тот и другой, оба) — способность некоторых химических элементов и их соединений (например, оксидов, гидроксидов) в зависимости от условий проявлять либо основные, либо кислотные свойства. Известно, что свойства химических элементов одного периода периодической системы Д. И. Менделеева в связи с увеличением атомного номера изменяются: в начале периода расположены химические элементы металлы, а в конце — неметаллы. В пределах каждого периода элементы со свойствами металлов сменяются элементами, которые проявляют свойства как металлов, так и неметаллов. Соединения этих элементов называются амфотерными, например Zn — цинк, Be — бериллий, А1 — алюминий и др. Простое вещество цинк — металл. Он образует оксид цинка ZnO и гидроксид цинка Zn(OH)2 — белое нерастворимое в воде вещество. Как известно, характерным свойством кислот и оснований является их взаимодействие друг с другом. Гидроксид цинка, как основание, взаимодействует с кислотой, образуя растворимую в воде соль: Но оказывается, что гидроксид цинка вступает во взаимодействие и со щелочью. При этом происходит следующая реакция: Гидроксид цинка в этой реакции проявляет свойства кислоты. Таким образом, гидроксид цинка имеет двойственные свойства, он амфотерен. Разложение амфотерных гидроксидов при нагревании происходит так же, как и всех нерастворимых оснований: В заключение необходимо отметить, что наличие амфотерных соединений свидетельствует об отсутствии резких границ в классификации веществ (металлы — неметаллы, основания — кислоты). №13 Основания, их классификация. Химические свойства щелочей: взаимодействие с оксидами неметаллов и кислотами. Основаниями называют сложные вещества, состоящие из атомов металла и одной или нескольких гидроксогрупп. По отношению к воде основания можно разделить на растворимые: NaOH; Ba(OH)2 и нерастворимые: Cu(OH)2; Fe(OH)2. Растворимые основания называются щелочами. С точки зрения электролитической диссоциации основанием называется соединение, образующее в водном растворе из отрицательных ионов только гидроксид-ионы ОН . №14 Водород, его положение в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева, строение атома и молекулы, физические и химические свойства, получение, применение. Характеризуя водород по положению в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева, следует обратить внимание на особенности строения атома водорода — самого простейшего из химических элементов (состоит из ядра, представляющего собой один протон, и одного электрона). Такое строение обусловливает разнообразие свойств водорода, его двойственное положение в системе Д. И. Менделеева — в I и VII группах (об этом можно рассказать по желанию)*. Наиболее распространенная степень окисления водорода +1. Водороду свойственна валентность, равная единице. Молекула водорода двухатомная, связь ковалентная неполярная. Схема образования молекулы водорода: Водород — газ без цвета и запаха, плохо растворим в воде, в 14,5 раз легче воздуха. л Так же как и у щелочных металлов (Li, Na, К и др.), у Н на внешнем электронном слое один электрон, с другой стороны, так же как и элементам VII группы, водороду не хватает одного электрона до его завершения. Водород — самый распространенный элемент во Вселенной. На Земле водород содержится в воде, природном газе, нефти. Получение водорода следует выразить уравнениями химических реакций. Например, в лаборатории водород получают при взаимодействии металлов с растворами кислот, например соляной: В промышленности водород получают из водяного пара при взаимодействии его с коксом, который в основном состоит из углерода, из природного газа метана СН4 и др. При характеристике химических свойств водорода необходимо записать уравнения соответствующих реакций. Водород может быть как восстановителем, так и окислителем: В этих реакциях водород проявляет свойства восстановителя, его атомы повышают степень окисления до 4-1. По желанию учащийся может рассказать об окислительных свойствах водорода, которые он проявляет, например, при взаимодействии с металлами: Говоря о применении водорода, стоит рассказать о его использовании в синтезе НСl и NH3, а также резке, сварке и получении металлов, в переработке нефти и жиров. №15 Вода, ее состав, строение молекулы, физические и химические свойства (разложение, отношение к натрию, оксидам кальция, серы (IV)). Основные загрязнители природной воды, очистка природных и сточных вод. Вода — самое распространенное в природе соединение. Молекула ее состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода (Н2О). Молекула воды имеет угловую форму и образована по типу ковалентной полярной химической связи: В ходе рассказа о физических свойствах воды можно подчеркнуть, что это единственное соединение, которое в природных условиях существует в трех агрегатных состояниях (твердом, жидком и газообразном). Рассказ о химических свойствах воды целесообразно сопровождать записями уравнений реакций. Далее следует рассказать о значении воды в природе и жизнедеятельности человека. Вода составляет 2/3 от массы человеческого организма. Рассказ будет выглядеть более полным, если в нем удастся раскрыть важность использования воды как универсального растворителя в природе, быту, промышленности, сельском хозяйстве. Основные источники природной воды — лед, дождь, снег, вода рек и озер. Из 10в18cт т. воды на Земле лишь 3% приходится на пресную воду, из которых 80% недоступно для использования. По теоретическим расчетам максимальное количество пресной воды, доСпособность реагировать и с основными, и с кислотными оксидами говорит об амфотерных свойствах воды (об этом учащийся говорит по желанию). доступной для использования, составляет 40 000 км3 в год. Отсюда следует важность экономного и разумного использования запасов пресной воды, необходимость очистки загрязненных природных и сточных вод. К основным загрязнителям воды относятся: промышленные и бытовые стоки, твердые отходы, отходы сельского хозяйства (удобрения), естественные примеси, радиоактивные и тепловые загрязнители. Очистка воды производится в промышленных масштабах на очистных сооружениях. В общем случае очистка воды включает три стадии: 1) первичная очистка проводится с целью удаления механических примесей; 2) вторичная очистка, при которой происходит разложение содержащихся органических веществ под действием микроорганизмов или хлора; 3) третичная очистка включает биологическую, химическую и физическую обработку вод. Эта стадия позволяет довести сточные и природные воды до такого уровня чистоты, что она отвечает стандартам на питьевую воду. Особое внимание в последнее время уделяется чистоте питьевой воды. №16 №17 Оксиды, их классификация и химические свойства (отношение к воде, кислотам, щелочам). Следует обратить внимание на то, что к кислотным оксидам, помимо оксидов неметаллов, могут относиться также и оксиды металлов с валентностью больше трех (например, оксид хрома (VI)). Примеры несолеобразующих оксидов учащийся приводит по желанию: СО, NO. Разложение солей, кислот и нерастворимых оснований: Аналогично основным оксидам рассматривают химические свойства кислотных оксидов и составляют соответствующие уравнения реакций, обратив внимание на взаимодействие кислотных оксидов с основными: Свойства амфотерных оксидов можно (по желанию) рассмотреть на примере оксида алюминия: 1) реагирует с кислотами (как основные оксиды): 2) реагирует с основаниями (как кислотные оксиды): По желанию учащийся может рассказать о взаимодействии основных и амфотерных оксидов с водородом (Н2) (на примере оксида меди II): №18 Кальций, его положение в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева, строение атома. Физические и химические свойства; взаимодействие с кислородом, водой, кислотами. В периодической таблице химических элементов Д. И. Менделеева кальций Са расположен в 4-м периоде II группы главной подгруппы. Распределение электронов по электронным слоям в атоме кальция выглядит следующим образом: По желанию учащийся может привести состав, графическую схему и электронную формулу кальция: Кальций Са — металл. Основная степень окисления 4-2. Формулы высшего оксида и гидроксида СаО и Са(ОН)2. Оба соединения проявляют основные свойства. По физическим свойствам: кальций — металл серебристо-белого цвета, относительно легкий (плотность р = 1,54), температура плавления 854 °С, окисляется на воздухе. Переходя к характеристикам химических свойств кальция, следует отметить, что его высокая активность объясняется легкостью отдачи двух электронов, расположенных на внешнем электронном слое. Таким образом, в химических реакциях кальций — восстановитель. Это можно подтвердить уравнениями реакций кальция как с простыми, так и со сложными веществами: 1) с неметаллами Получают кальций электролизом расплавленного СаС12. Касаясь вопроса о применении, важно отметить широкое использование соединений кальция в строительстве: карбонат кальция СаС03 (известняк), оксид кальция СаО (негашеная известь), гидроксид кальция Са(ОН)2 (гашеная известь), сульфат кальция CaSO4 • 2Н2О (гипс, алебастр). №19 Железо, его положение в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева, взаимодействие с серой, хлороводородной кислотой, растворами солей. В периодической таблице гимических элементов Д. И. Менделеева железо Fe расположено в 4-м периоде VIII группы побочной подгруппы. Распределение электронов по электронным слоям в атоме железа выглядит так: По желанию учащийся может привести состав, графическую схему и электронную формулу железа: Физические свойства железа известны из повседневной жизни: металл, темносерого цвета, пластичный, электро- и теплопроводный, тяжелый, притягивается магнитом. Далее целесообразно отметить, что железо — после алюминия — самый распространенный в природе металл (общее содержание в земной коре — 4,65% по массе). Известно большое число минералов, в состав которых входит железо: магнетит (магнитный железняк) — Fe3O4, гематит (красный железняк) — Fe2O3, железный шпат (сидерит) — FeCO3, железный колчедан — FeS2 и др. Железо проявляет химические свойства, характерные для всех металлов. Оно взаимодействует: Получают железо восстановлением (водородом, оксидом углерода (II), алюминием) его из оксидов, а также при прохождении электрического тока через растворы солей. Можно привести примеры таких реакций: При ответе следует обратить внимание, что основное применение находят сплавы железа с углеродом — чугун и сталь. Друг от друга они отличаются различным содержанием углерода: в чугуне его более 2%, а в стали 0,5—1,5%. Кроме того, для придания особых свойств могут вводиться и другие элементы (Si, Mn, Cr, Ni). №21 №22
