Строение вещества

Основные понятия и определения

ГЕРМАНИЙ.

Неметалл. В природе очень рассеян, добывается из зол некоторых углей, отходов коксохимического производства. По своим свойствам похож на кремний, но отличается меньшим значеием ЭО, т.е. более металлическими свойствами. Не образует простых ионов (±4). В своих соединениях имеет степени окисления (+2), (+4) и очень редко (-4).

Германий устойчив к действию кислорода воздуха при обычных температурах, но с хлором и фтором начинает взаимодействовать уже на холоду.

Ge + O₂ = GeO₂, t ~ 600⁰C

Ge + 2Cl₂ = GeCl₄ } легко летучие жидкости. Нагревание ускоряет реакции.

Ge + 2F₂ = GeF₄ }

В отличие от кремния взаимодействует с концентрированными кислотами:

Ge + 2H₂SO₄ = GeO₂ + 2SO₂ + 2H₂O

Ge + 4HNO₃ = GeO₂ + 4NO₂ + 2H₂O

Со щелочами германий взаимодействует в присутствии окислителя – пероксида водорода:

Ge + 2NaOH + 2H₂O₂ = Na₂GeO₃ + 3H₂O

^{германат натрия – растворимая соль}

Оксиды и гидроксиды.

GeO₂ и GeO – нерастворимы в воде, по характеру амфотерные. Но у GeO₂ преобладают кислотные свойства, а у GeO – основные, поэтому их гидраты могут быть записаны как GeO₂×H₂OºH₂GeO₃ и GeO×H₂OºGe(OH)₂, отсюда и реакции:

GeO₂ + 2KOH = K₂GeO₃ + 2H₂O и GeO + 2HCl = GeCl₂ + H₂O

Соединения германия (П) крайне неустойчивы, являются сильными восстановителями.

Примерная схема получения чистого германия.

Золу, содержащую следы оксидов германия, обрабатывают при нагревании концентрированной НС1 и С1₂. При этом отгоняют хлорид германия вместе с летучими хлоридами других элементов.

Зола (GeO, GeO₂) + HCl +Cl₂ ---t---® GeCl₄­

GeCl₄ + 3H₂O = GeO₂×H₂O¯ + 4HCl­

GeO₂×H₂O ---t---® GeO₂ + H₂O

GeO₂ + 2H₂ –t---® Ge (аморфный) + 2H₂O

Полученный германий отправляют на переочистку.

Одним из основных понятий химии и других естественных наук является атом. Этот термин имеет давнее происхождение; он насчитывает уже около 2500 лет. Впервые понятие атома зародилось в Древней Греции, примерно в V в. до н. э. Основоположниками атомистического учения были древнегреческие философы Левкипп[1] и его ученик Демокрит. Именно они выдвинули идею о дискретном строении материи и ввели термин «АТОМ». Демокрит определял атом как наименьшую, далее неделимую, частицу материи.

Учение Демокрита не получило широкого распространения, и в течение большого исторического периода в химии (а во времена средневековья –
алхимии) господствовала теория Аристотеля (384 – 322 гг. до н. э.). Согласно учению Аристотеля, основными началами природы являются абстрактные «принципы»: холод, тепло, сухость и влажность, при комбинации которых образуются четыре основных «элемента-стихии»: земля, воздух, огонь
и вода.

И только в начале XIX столетия английский ученый Джон Дальтон возвращается к атомам как наименьшим частицам материи и вводит в науку этот термин. Этому предшествовали работы таких замечательных ученых, как Р. Бойль (в книге «Химик-скептик» он нанес сокрушительный удар по представлениям алхимиков), Дж. Пристли и К. В. Шееле (открытие кислорода), Г. Кавендиш (открытие водорода), А. Л. Лавуазье (попытка составить первую таблицу простых веществ), М. В. Ломоносов (основные положения атомно-молекулярного учения, закон сохранения массы), Ж. Л. Пруст (закон постоянства состава) и многие другие.

Открытия в области физики, сделанные в конце XIX – первой трети ХХ столетий, заставили ученых совершенно иначе смотреть на атомно-молекулярное учение. Оказалось, что атом обладает сложным строением и не является наименьшей частицей материи.

Здесь мы не будем приводить устаревшее определение этого понятия, а сразу дадим формулировку, базирующуюся на современных представлениях.

Атом (греч. atomoz – неделимый) – это наименьшая частица химического элемента, способная к самостоятельному существованию и являющаяся носителем его свойств. Атом представляет собой электронейтральную микросистему, состоящую из положительно заряженного ядра и соответствующего числа электронов.

Химический элемент – вид атомов с одинаковым зарядом ядра.

Химический элемент – это понятие, а не материальная частица. Это не атом, а совокупность атомов, характеризующихся определенным признаком – одинаковым зарядом ядра.

Электрон [др.греч. hlektron – янтарь (хорошо электризуется при трении)] – стабильная элементарная частица, имеющая массу покоя, равную 9,109 × 10^–31 кг = 5,486 × 10^–4 а. е. м.[2], и несущая элементарный отрицательный заряд, равный 1,6 × 10^–19 Кл.

В химии и в физике при решении многих задач заряд электрона принимают за – 1 и заряды всех остальных частиц выражают в этих единицах. Электроны входят в состав всех атомов.

Протон (греч. prwtos – первый) – элементарная частица, являющаяся составной частью ядер атомов всех химических элементов, обладает массой покоя m_p =1,672 × 10^–27 кг = 1,007 а. е. м. и элементарным положительным электрическим зарядом, равным по величине заряду электрона, т. е. 1,6 × 10^–19 Кл.

Число протонов в ядре определяет порядковый номер химического элемента.

Нейтрон (лат. neutrum – ни то, ни другое) – электрически нейтральная элементарная частица с массой покоя, несколько превышающей массу покоя протона m_n = 1,675 × 10^–27 кг = 1,009 а. е. м.

Наряду с протоном нейтрон входит в состав всех атомных ядер (за исключением ядра изотопа водорода ¹Н, представляющего собой один протон).

Таблица 1
Некоторые характеристики элементарных частиц,
входящих в состав атома

Элементарная частица	Обозначение	Масса	Электрический заряд
в ед. СИ(кг)	в а. е. м.	в Кл	в зарядах электрона
Электрон	e^–	9,109 × 10^–31	5,468 × 10^–4	1,6 × 10^–19	–1
Протон	p	1,672 × 10^–27	1,007	1,6 × 10^–19
Нейтрон	n	1,675 × 10^–27	1,009

Обобщающее (групповое) название протонов и нейтронов – нуклоны.

Массовое число – общее число нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре.

Ядро атома состоит из протонов, число которых равно порядковому номеру элемента (Z), и нейтронов (N). A = Z + N, где A – массовое число.

Нуклиды (лат. nucleus – ядро) – общее название атомных ядер, характеризуются определенным числом протонов и нейтронов (величиной положительного заряда и массовым числом).

Для того чтобы указать химический элемент, достаточно назвать только одну величину – заряд ядра, т. е. порядковый номер элемента в Периодической системе. Для определения нуклида этого недостаточно – надо указать также и его массовое число.

Иногда, не совсем точно, понятие «нуклид» относят не к самому ядру, а ко всему атому.

Изотопы (греч. isoz – одинаковый + topoz – место) – нуклиды, имеющие одинаковое число протонов, но различающиеся массовыми числами.

Изотопы – нуклиды, занимающие одно и то же место в Периодической системе, т. е. атомы одного и того же химического элемента.

Например: , , – изотопы натрия.

Изобары (греч. izo – равный + baros – вес) – нуклиды, имеющие одинаковые массовые числа, но различное число протонов (т. е. относящиеся к различным химическим элементам), например, ⁹⁰Sr, ⁹⁰Y, ⁹⁰Zr.

Изотоны – нуклиды с одинаковым числом нейтронов.

Довольно долго химики не делали четкого различия между атомами и молекулами простых веществ. В 1811 г. А. Авогадро предложил гипотезу, которая позволяла однозначно определить эти понятия, однако современники ее не оценили, и она получила признание только в 1860 г., после состоявшегося в Карлсруэ (Германия) первого международного съезда химиков, когда молекула стала пониматься как мельчайшая частица вещества, участвующая в его химических превращениях. По мере развития естественных наук определение молекулы претерпело некоторые изменения.

Молекула (уменьшительное от лат. moles – масса) – это наименьшая частица вещества, определяющая его свойства. Состоит из атомов одного или различных химических элементов и существует как единая система атомных ядер и электронов. В случае одноатомных молекул (например, благородных газов) понятия атома и молекулы совпадают.

Атомы удерживаются в молекуле с помощью химических связей.

В химии, кроме атомов и молекул, приходится рассматривать и другие структурные единицы: ионы и радикалы.

Ионы (греч. ion – идущий) – электрически заряженные частицы, образовавшиеся из атомов (или атомных групп) в результате присоединения или потери электронов.

Положительно заряженные ионы называются катионами (греч. kata – вниз + ион), отрицательно заряженные – анионами (греч. ana – вверх + ион).

Например, K⁺ – катион калия, Fe²⁺ – катион железа, – катион аммония, Cl^– – анион хлора (хлорид-анион), S^2– – анион серы (сульфид-анион), – сульфат-анион.

Радикалы (лат. radicalis – коренной) – частицы (атомы или группы атомов) с неспаренными электронами.

Они обладают высокой реакционной способностью. Например, H × – радикал водорода, Cl × – радикал хлора, × CH₃ – радикал-метил. В то же время парамагнитные молекулы, например, O₂, NO, NO₂, имеющие неспаренные электроны, не являются радикалами.

Простое вещество – вещество, состоящее из атомов одного химического элемента.

Простое вещество – это форма существования химического элемента. Многие элементы могут существовать в виде нескольких простых веществ, например, углерод (графит, алмаз, карбин, фуллерены), фосфор (белый, красный, черный), кислород (озон, кислород).

Известно около 400 простых веществ.

Аллотрóпия (греч. allos – другой + trope – поворот) – способность химического элемента существовать в виде двух или нескольких простых веществ, отличающихся количеством атомов в молекуле (например, O₂ и O₃) или разной структурой кристаллов (графит и алмаз).

Полиморфизм (греч. polimorjos – многообразный) – способность твердых веществ существовать в двух или нескольких формах с различной кристаллической структурой и различными же свойствами. Такие формы называются полиморфными модификациями.

Например, FeS₂ может образовывать два вещества с различными кристаллическими структурами (полиморфные модификации): одно называется пирит, а другое – марказит. Являются ли эти вещества аллотропными модификациями? Не являются.

Аллотропия относится только к простым веществам и рассматривает как различие в составе их молекул, так и различие в строении кристаллических решеток. Если речь идет о различии в строении кристаллических решеток простых веществ, то понятия полиморфизм и аллотропия совпадают, например, о графите и алмазе можно сказать, что это аллотропные формы, а можно – полиморфные формы.

Дата добавления: 2014-01-07