Введение. Основные химические законы. Квантовомеханическая модель атома.

Атом - это мельчайшая, химически неделимая электронейтральная частица вещества. В центре атома находится ядро, состоящее из протонов p и нейтронов n. Вокруг ядра вращаются электроны ē. Разновидности атомов одного и того же элемента, отличающиеся своей массой, называются изотопами. Атомы, ядра которых имеют различные заряды, но одинаковую массу, называют изобарами.

Количество элементарных частиц (протонов p, электронов ē и нейтронов n) можно определить по формулам:

p= ē =Z;

n =А-Z,

где Z — порядковый номер элемента; А – атомная масса изотопа элемента.

Любые изотопы, в том числе и стабильные, можно превратить в изотопы

других элементов путем бомбардировки их ядер тяжелыми элементарными

частицами (протонами, нейтронами), либо ядрами легких элементов (гелия, лития, кислорода и др.). При этом одновременно с дочерним ядром образуется одна или несколько элементарных частиц.

Процессы взаимодействия ядер одних элементов с ядрами других элементов или с элементарными частицами, при которых образуются ядра новых элементов, получили название ядерных реакций. При составлении уравнений ядерных реакций необходимо учитывать закон сохранения массы веществ (масса электронов при этом не учитывается). Кроме того, заряды всех частиц в левой и правой частях уравнения должны быть равны. Подобно химическим, ядерные реакции подразделяются на реакции обмена, присоединения, разложения (радиоактивный распад).

Для характеристики энергетического состояния электрона в атоме квантовая механика пользуется системой четырех квантовых чисел:

1. Главное квантовое число n характеризует энергетический уровень, на котором находится электрон, а следовательно, общий запас его энергии. Число n принимает целочисленные значение от 1 до ∞, а для атомов элементов в нормальном, невозбужденном состоянии — от 1 до 7. Уровни, отвечающие этим значениям, обозначаются соответственно буквами К, L. М, N, О, Р и Q.

2. Энергетические состояния электронов одного уровня могут несколько отличаться друг от друга в зависимости от конфигураций их электронных облаков, образуя группы электронов разных подуровней. Для характеристики подуровня служит побочное, или орбитальное, квантовое число ℓ, которое может иметь целочисленные значения в пределах от 0 до n - 1. Так, если главное квантовое число n = 1, то побочное квантовое число имеет только одно значение (ℓ =0), а при этом значении n понятия уровень и подуровень совпадают. При n =4 величина ℓ принимает четыре значения, а именно: 0, 1, 2, 3. Электроны, отвечающие этим значениям называются соответственно s-, p-, d- и f-электронами.

Электроны различных подуровней отличаются формой электронных облаков. Для s-электронов характерна простейшая форма - сфера; для p-электронов — форма вытянутых восьмерок, или гантелей, оси которых располагаются по отношению друг к другу под углом 90° и обозначаются p_x, p_у и p_z. Формы облаков d- и особенно f-электронов гораздо более сложные.

3. Магнитное квантовое число m_ℓ характеризует расположение плоскости электронной оpбитали, т.е. ее наклон относительно магнитной оси атома. Если побочное квантовое число равно ℓ то проекция орбитального момента электрона на магнитную ось атома принимает целочисленные значения от - ℓ до + ℓ, а всегo 2 ℓ + 1 значений. Так, если ℓ =0, то m_ℓ имеет одно значение — m_ℓ =0,

а при ℓ =3 оно принимает 7 значений, а именно: —3, —2, —1, 0, 1, 2, 3.

4. Для электрона характерно также вращение вокруг собственной оси, которое может происходить в двух взаимно противоположных направлениях. Возникающие при этом собственные магнитные моменты электрона имеют два значения в зависимости от того, совпадают они с ориентацией орбитального момента электрона или направлены в противоположную сторону. В связи с этим спиновое квантовое число m_s, может иметь значение +1/2 или —1/2.

Элементы группы углерода.

Углерод и кремний — элементы IVА группы периодической системы Д. И. Менделеева. На внешнем энергетическом уровне атомов этих элементов находится четыре электрона (s²p²), из которых только 2р-электрона непарные. При поглощении незначительного количества энергии атомы этих элементов переходят в возбужденное состояние, причем один из s-электронов перемещается на подуровень p и электронная конфигурация наружного энергетического уровня становится sр³. В этом состоянии все электроны внешнего уровня непарные. Поэтому углерод и кремний образуют соединения, в которых им свойственны степени окисления как +4, так и —4. Размеры атомов углерода и кремния соответственно меньше, чем атомов бора и алюминия. В результате этого энергия ионизации атомов этих элементов высока. Сродство к электрону у них — величина небольшая. Поэтому у этих элементов слабо выражены как способность к потере, так и к присоединению электронов. Многочисленные соединения углерода и кремния образованы при помощи ковалентных связей. Таким образом, углерод и кремний являются неметаллами.

В обычных условиях углерод и кремний весьма инертны, но при высоких температурах они становятся химически активными, по отношению ко многим металлам и неметаллам.

Углерод непосредственно соединяется со многими металлами, образуя карбиды — соединения, в которых углерод электроотрицателен. Степень окисления углерода в карбидах различна. Различны и химические свойства карбидов. С активными металлами — щелочными и щелочноземельными — углерод образует солеподобные карбиды, в которых атомы углерода связаны между собой тройной связью, как, например, в СаС₂. Степень окисления углерода в них —1. При взаимодействии этих карбидов с водой они подвергаются гидролизу с образованием гидроксида металла и ацетилена:

СаС₂ + 2Н₂О = Са(ОН)₂ + Н₂С₂

С металлами средней активности углерод образует также солеподобные карбиды, но в них степень окисления углерода —4, как, например, в Ве₂С и в А1₄С₃. Эти карбиды также подвергаются гидролизу, но с выделением метана:

Ве₂С + 4Н₂О = 2Ве(ОН)₂ + СН₄

A1₄С₃+12Н₂О==4А1(ОН)₃ + ЗСН₄

С малоактивными металлами получаются металлоподобные карбиды, химически инертные, твердые, с высокими температурами плавления и металлической электропроводностью. Состав таких карбидов самый разнообразный и не соответствует обычным степеням окисления, например: VС, W₂С, WС, Fe₃С, Сr₂₃С₆. Металлоподобные карбиды не взаимодействуют с водой и кислотами.

Кремний также дает соединения с металлами — силиды, из которых солеподобны только силиды щелочных и щелочноземельных металлов.

С водородом углерод образует очень большое число соединений —углеводородов, простейшим из которых является метан СН₄. Кремний же с водородом непосредственно не соединяется. Аналогичные углеводородам кремневодороды образуются при действии соляной кислоты на силид магния Мg₂Si Кремневодороды в отличие от углеводородов неустойчивы и самовоспламеняются при соприкосновении с воздухом.

В соединениях с кислородом углерод и кремний образуют соединения, в которых их окислительное число +2 и +4; СО, SiO, СО₂ и SiO₂. Более устойчивы из них СО₂ и SiO₂. Оксиды СО и SiO относятся к несолеобразующим, СО₂ и SiO₂ обладают кислотными свойствами. Им соответствуют кислоты угольная Н₂СО₃ и кремниевая Н₂SiO₃, причем кислотные свойства кремниевой кислоты выражены слабее, чем угольной.

Углерод и кремний в свободном состоянии и их соединения, в которых они проявляют степень окисления +2, — обычно восстановители. Вода и разбавленные кислоты не действуют на углерод и кремний. Кремний взаимодействует со щелочами, вытесняя водород и образуя соли кремниевой кислоты.

Двуокись углерода при высоких температурах обладает окислительными свойствами. Щелочные и щелочноземельные металлы горят в атмосфере СО₂.

Вместе с углеродом и кремнием германий, олово и свинец составляют IVА группу периодической системы элементов. На наружном энергетическом уровне атомов этих элементов находится четыре электрона s²p². Этим элементам свойственны обычно окислительные числа +2 и +4, причем число +4 возникает вследствие перехода во время химических реакций одного из s-электронов на уровень р. Ввиду роста радиусов атомов и уменьшения энергии ионизации в группе IVА наблюдается усиление металлических свойств. Германий по электрическим свойствам является полупроводником. Другие свойства металлов у него выражены очень слабо. В своих соединениях германий характеризуется ковалентным характером связей.

Олово и свинец — металлы менее активные и типичные, чем металлы IА, IIА и IIIА групп. Это видно из преимущественно ковалентного характера связей в соединениях этих элементов, в которых их степень окисления +4. Также и во многих соединениях этих элементов, где их степень окисления +2, связи имеют смешанный характер.

Диоксиды этих элементов и соответствующие им гидроксиды обладают в основном кислотными свойствами, которые ослабляются от германия к свинцу. Диоксиды SnО₂ и РЬО₂ и их гидраты проявляют амфотерные свойства.

Оксиды германия, олова и свинца: GеО, SnO и РЬО и гидроксиды Gе(ОН)₂, Sn(ОН)₂ и РЬ(ОН)₂ представляют собой типичные амфотерные соединения.

В свободном состоянии все элементы этой подгруппы при обычных температурах довольно инертны. Под действием кислорода воздуха германий и олово не изменяются. Свинец же кислородом воздуха окисляется и покрывается слоем оксидов, которые при низких температурах предохраняют свинец от дальнейшего окисления.

При повышении температуры элементы этой подгруппы легко соединяются с кислородом и образуют двуокиси GеО₂, SnО₂, а свинец окисляется до окиси РЬО. Элементы этой подгруппы в свободном состоянии являются восстановителями. Для этих элементов, кроме свинца, наиболее устойчивой является степень окисления +4. Поэтому производные германия (II) и олова (II) являются восстановителями.

У свинца же наиболее устойчивы соединения, в которых его степень окисления +2. Соединения свинца (IV) являются окислителями. Разбавленные серная и соляная кислоты не действуют на германий. Олово же и свинец хотя и медленно, но реагируют с разбавленными кислотами. При этом свинец очень быстро покрывается пленкой РЬSO₄, предохраняющей металл от дальнейшего разрушения. С концентрированной НС1 олово реагирует при нагревании, вытес-

няя водород.

В азотной кислоте олово и свинец растворяются значительно скорее. Разбавленные щелочи медленно действуют на олово и свинец; реакция протекает скорее в концентрированных растворах щелочей, особенно при высокой температуре.

Не устойчив свинец по отношению ко многим органическим кислотам вследствие образования в таких случаях растворимых органических солей свинца. Однако за исключением этих случаев устойчивость олова и свинца высокая, что обусловлено невысокими отрицательными значениями их электродных потенциалов, а также образованием на их поверхности защитных пленок оксидов и солей.

Титан, цирконий и гафний составляют IVВ группу периодической системы. На наружном энергетическом уровне атомов этих элементов находится по 2 s-электрона и 2p- электрона размещены в подуровне d предпоследнего энергетического уровня. Иными словами, атомы этих элементов имеют одинаковую электронную конфигурацию наружных энергетических уровней d²s², из которых непарны только 2d-электрона. Однако s-электроны легко переходят в возбужденное состояние и тогда все четыре электрона становятся непарными. В связи с этим титан, цирконий и гафний образуют соединения, в которых им свойственны окислительные числа +2, +3,+4, но устойчивыми являются только соединения высшей степени окисления. В соединениях Тi(IV), Zr(IV) и Hf(IV) химические связи, как правило, ковалентны. В соединениях низших степеней окисления осуществляются и ионные связи.

Диоксиды ТiO₂, ZrO₂ и HfO₂, и соответствующие им гидроксиды, амфотерны, но с преобладанием основных свойств. Основные свойства диоксидов и их гидроксидов возрастают от Тi к Hf.

В свободном состоянии все элементы этой подгруппы устойчивы по отношению к воздуху и воде. При высоких температурах они становятся химически активными и соединяются с галогенами, кислородом, серой, азотом и углеродом.

Устойчивость титана на воздухе по отношению к воде объясняется тем, что металл покрыт прочной защитной пленкой TiO₂.

При температуре 100° С титан медленно взаимодействует с водой с выделением водорода.

В разбавленных соляной и серной кислотах титан растворяется медленно. Устойчив титан и по отношению к растворам щелочей. Цирконий устойчив по