ТАБЛИЦА 1
ЭЛЕМЕНТЫ — НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДА-12
(Таблица международных атомных масс, 1961)
v ТАБЛИЦА 1
ЭЛЕМЕНТЫ — НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДА-12
(Таблица международных атомных масс, 1961)
v ТАБЛИЦА 1
ЭЛЕМЕНТЫ — НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДА-12
(Таблица международных атомных масс, 1961)
v ТАБЛИЦА 1
ЭЛЕМЕНТЫ — НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДА-12
(Таблица международных атомных масс, 1961)
Урок 2
Введение
Наше изучение кругооборота воды в природе показало, что водяной пар в атмосфере практически не содержит примесей. Но когда из него формируются капли, которые падают на землю в различных формах, вода поглощает примеси, некоторые из которых вызывают физические изменения в воде. Другие примеси вызывают химические изменения в воде.
Примером физических изменений является мутность воды, вызванная за- хватом пыли каплями, падающими на землю. Для иллюстрации химических изменений можно привести воздействие кальциевых и магниевых солей, рас- творяющихся в воде и придающих ей жесткость.
Чтобы понять больше об этих изменениях и о том, как они происходят, необходимо повторить некоторые основы химии. Второй урок представляет собой краткий курс повышения квалификации по данной теме.
Пожалуйста, примите во внимание, что мы не предлагаем детального изучения данной темы. Если вы хотите изучать ее и дальше, обратитесь к техническому персоналу Ассоциации по качеству воды.
1. Введение в химию воды
Основываясь на исследованиях наших спутников, можно сказать, что вода является уникальной субстанцией в открытой человеком части вселенной. Присутствие воды на Земле само по себе уникально, поскольку на планете Земля имеется всего несколько природных жидкостей. Вода является первичным источником продовольственного снабжения человека и наиболее важным средством для ведения домашнего хозяйства и функционирования промышленности. Однако более важно то, что вода — это главное составляющее живой материи. Например, человеческое тело на две трети состоит из воды. Вместе с воздухом, которым мы дышим, вода — это жизненно необходимое для человечества вещество.
Сегодня ученые пришли к согласию, что вся вселенная состоит всего из двух элементов — энергии и материи. При соответствующих условиях и энергия, и материя могут изменяться. Энергия может быть преобразована в материю, а материя может производить энергию. Такое преобразование предполагает из- менения. А изменения, естественно, продолжаются постоянно. Давайте кратко рассмотрим типы происходящих изменений.
Физические и химические изменения
Возьмем, к примеру, кусок угля. Сначала разобьем его на несколько меньших кусочков. Затем подожжем некоторые из них.
При разбивании куска угля мы произвели физические изменения.Первоначальный размер куска изменился. Однако с составом несожженных кусков ничего не произошло.
Физическое изменение. Физическое изменение — это такое измене- ние, при котором не происходит изменений в молекулах, из которых состоит данное вещество. Превращение воды в лед или пар не вызыва- ет химических изменений, поскольку вода в жидком, твердом и газоо- бразном состоянии состоит из одних и тех же молекул. Единственным отличием между льдом, паром и водой состоит в том, что молекулы льда фактически несвободны. Они могут только вибрировать внутри кристалла. Молекулы в жидкости могут двигаться в пределах емкости, в которой находится вода. При этом их движение ограничено силой притяжения. Молекулы пара полностью свободны в своем движении в пределах емкости, если таковая имеется. Сила притяжения на них практически не влияет.
В противоположность этому, кусочки угля, которые вы сожгли, превратились в золу. Они теперь выглядят по-другому, они другие на ощупь. И все потому, что произошло химическое изменение.
Химическое изменение. Мы говорим, что происходит химическое изменение, когда в результате такого изменения формируются новые молекулы.
Когда вода при 212°F (100°С) превращается в пар, происходит физическое изменение. Но если поджечь пропан, он превращается в углекислый газ и во- дяной пар в результате химического изменения.
Элементы
Как уже было сказано выше, существует два первичных элемента — материя и энергия. Далее ученые распределяют материю на группы базовых веществ, называемых элементами. Элемент можно определить как вещество, которое нельзя химически разложить на более простые вещества.
Периодическая система элементов размещена в начале этой книги. В 1871 году русский химик Менделеев определил, что свойства и поведение элемен- тов повторяется периодическим образом. Периодическая таблица Менделеева получила свое название из-за того факта, что свойства элементов повторяются периодически при прохождении слева направо по горизонтальному ряду или периоду элементов. Таблица составлена таким образом, что каждый элемент имеет свойства, аналогичные свойствам других элементов, находящихся в та- блице выше или ниже данного элемента. Элементы с подобными химическими свойствами называются группами элементов и размещены в вертикальных колонках таблицы. Например, натрий (Na) ведет себя аналогично калию (К), магний (Mg) ведет себя аналогично кальцию (Са), а хлор (Сl) ведет себя ана- логично брому (Br).
Конечно, мы знаем, что сегодня человек может расщепить и атом. В свете этого, возможно, более актуальным определением может быть такое: элемент — это вещество, которое не может быть разложено на более простые составляющие без разрушения атома.
Поскольку отличительной характеристикой элемента является то, что его нельзя разложить на более простые составляющие, очевидно, что есть другие вещества, которые могут быть разложены. Такие вещества называются соединениями и смесями.
Соединения и смеси
Как соединение можно отличить от смеси? Соединение имеет определенный и неизменный состав.
Вода — это типичное соединение. Она состоит из двух элементов — водорода и кислорода в определенных пропорциях. Независимо от того, где будет найдена вода, она всегда будет состоять из этих двух элементов и всегда в одинаковой пропорции. Соль — это еще одно типичное соединение. Происходит ли она из соляной шахты, или она произведена в лаборатории — это всегда соединение двух элементов, натрия и хлора в неизменной пропорции.
Тот факт, что вода является типичным соединением, также предполагает, что она обладает своей собственной «индивидуальностью». Хотя она и состоит из водорода и кислорода, она очень отличается от этих двух элементов и в физическом, и в химическом плане. Поэтому мы должны добавить к своему определению следующее: соединение имеет свои собственные четко определенные свойства, обычно совершенно отличные от свойств составляющих его элементов.
Далее, вода замерзает при температуре 32°F (0°С) и закипает при 212°F (100°С). Это указывает на еще один признак соединения: соединение в чистом виде имеет строго определенные точки замерзания и кипения.
И, наконец, вода, как типичное соединение, является однообразной суб- станцией, независимо от того, рассматриваем ли мы каплю, стакан с водой или озеро. Поэтому делаем вывод, что соединение однородно.
Однородный. Говорят, что вещество однородно, если его состав полностью однообразен. Например, гомогенизированное молоко однородно, потому что глобулы жира разбиваются на более мелкие частицы и распределяются по жидкости.
В отличие от этого, смесь будет иметь разное количество ингредиентов. Смесь песка и соли, например, может содержать только щепотку соли и много песка. Или это может быть смесь большого количества соли и малого количества песка. Каких-то определенных пропорций для составления смеси не существует. В то же время, ингредиенты смеси продолжают обладать своими отличительными свойствами. Соль остается соленой на вкус, а песок остается зернистым. Свойства смеси — это просто сумма свойств соли и песка. Если взять эту соляно-песчаную смесь, ее первоначальные составляющие могут быть выделены определенным механическим процессом. И, наконец, смесь может иметь разные пропорции ингредиентов в разных частях этой смеси. На дне может быть больше соли, а на поверхности может быть больше песка. Одним словом, смеси обычно неоднородны.
Неоднородный. Говорят, что смесь неоднородна, если она не являет- ся полностью однообразной. Негомогенизированное молоко может содержать крупные глобулы жира, которые могут плавать на поверх- ности емкости.
Атомы и молекулы
За все время ученые открыли либо в природе, либо в лабораторных условиях более 100 элементов. Каждый из них имеет свою индивидуальную атомную структуру. Молекула элемента может состоять из одного либо двух и более одинаковых атомов. Эти атомы невероятно малы. Вес атома кислорода, например, составляет 0,000 000 000 000 000 000 000 0266 грамма. (В фунте 453,6 грамма.) Очевидно, что обычные единицы измерения не очень подходят для определения веса атома или молекулы.
Молекула. Молекулы состоят из двух или более атомов одного или более элементов. Сl2 — это молекула хлора. NaCl — это молекула соли.
Атом. Это самая маленькая составляющая элемента. Атом может быть лишь разделен на элементарные частицы материи, такие как протон, электрон, нейтрон, антипротон и мезон.
Грамм. Грамм — это базовая единица измерения веса в метрической системе. Один грамм равен 1/28 унции (0,0022046 фунта или 15,4324 тройского грейна). Один грамм — это вес дистиллированной воды при температуре 4°С, содержащейся в кубе со сторонами в одну сотую метра (т.е., в одном кубическом сантиметре). Один кубический сантиметр соответствует миллилитру, поэтому литр воды весит один миллион миллиграмм, а один миллиграмм на литр (мг/л) равен одной миллионной доле (мг/л (ppm)). 453,6 г = 1 фунт.
Более столетия назад химики изобрели чисто относительную шкалу для атомных масс. В то время они присвоили массу 16 атому кислорода. Потом они выразили атомную массу всех прочих элементов в пересчете на вес 16, присвоенный атому кислорода.
ПРИМЕЧАНИЕ. В природе кислород — это часто смесь трех изотопов, кислорода-16, кислорода-17 и кислорода-18. Химики разработали таблицу атомных весов на основании значения 16, установленного для этой природной смеси. Однако из-за различия в потребностях физики разработали отдельную таблицу, которая базируется на единственном изотопе, кислороде-16. Между этими таблицами существует, хотя и незначительная, но совершенно определенная разница. Впоследствии была принята новая таблица, на основе углерода-12, которая сейчас используется и теми, и другими. Атомные массы, используемые в данном курсе, взяты из этой таблицы.
Было определено, что атом водорода весит приблизительно 1/16 веса атома кислорода. Его фактическая атомная масса 1,00797.
Массу молекул определить несложно, если известна формула данной молекулы. Необходимо просто сложить атомные массы атомов, из которых состоит молекула. Вот несколько примеров определения молекулярной массы:
| Вещество/ формула |
Вычисление молекулярной массы |
| Молекула кислорода/ O2 |
2 х атомную массу = 2 х 16 = 32 |
| Молекула водорода/ Н2 |
2x1=2 |
| Молекула воды/ Н2O |
(2 х 1) + 16 = 18 (приблизительно) |
Кратко рассмотрим, как эти атомные массы используются в химии воды.
На протяжении многих лет путем проведения теоретических исследований и опытов ученые собрали массу важной информации о природе атомов. Как результат их гения, теперь мы имеем следующее представление об атомах и их структуре:
Строение атома — протоны, нейтроны и электроны
Проиллюстрировать структуру и процессы, происходящие в атоме, нам помогут планеты, вращающиеся вокруг солнца. Солнце можно сравнить с ядром из нейтронов и протонов, которое расположено в центре атома. Планеты, вращающиеся вокруг солнца, ведут себя подобно электронам, вращающимся вокруг ядра. Отличием является то, что в противоположность планетам, электроны обладают свойствами и частицы, и энергетической волны, т.е., стоячая волна всегда ассоциируется с электроном, движущимся по своей орбите.
Самую простую структуру имеет атом водорода. Этот атом имеет один протон, вокруг которого в пределах своей электронной оболочки беспорядочно вращается единственный электрон.
Еще один элемент с чрезвычайно простой атомной структурой — это гелий. Атом гелия имеет ядро, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. Вокруг ядра вращаются два электрона.
Ниже представлена структура еще нескольких атомов.
Обратите внимание, что здесь имеется шесть электронов, два на внутренней орбите и четыре на внешней. Это атом углерода. Ниже представлены еще несколько атомов, в которых электроны вращаются вокруг ядра по двум орбитам.
Вот несколько атомов, в которых электроны вращаются вокруг ядра по трем орбитам.
Как показывают различные атомные структуры, изображенные выше, существуют следующие элементарные частицы материи — электрон, нейтрон, протон. Хотя на самом деле на сегодня известно более 30 элементарных частиц (вот еще некоторые из них: мезон, позитрон, антипротон). Однако электрон,
нейтрон и протон — это те частицы, которые непосредственно формируют химические характеристики атома. Каждая из этих трех частиц имеет свои четко выраженные характеристики.
| Частица |
Приблизительная масса (атомная масса) |
Электрический заряд |
| Электрон |
1/1837 (или пренебрежимо мала) |
-1 |
| Протон |
1 |
+1 |
| Нейтрон |
1 |
0 |
Протоны и электроны определяют химические свойства атомов. Нейтроны только добавляют атому массу или вес.
Взаимоотношение электрона, протона и нейтрона с основным атомом может быть проиллюстрировано с помощью конкретных примеров.
Таблица 1 в конце этой главы показывает, что атомный номер фтора 9. Это значит, что атом фтора содержит в своем ядре 9 протонов. Эти 9 протонов имеют суммарный заряд +9. Поскольку атом фтора нейтрален, он должен также содержать равное количество электронов, которые имеют такой же единичный отрицательный заряд.
Теперь еще раз обратимся к таблице 1. Мы видим, что атомная масса фтора 19. Мы знаем, что 9 протонов и 9 электронов имеют суммарную массу 9, по- скольку масса электрона пренебрежимо мала (см. выше).
Значит, атом фтора должен иметь другие составляющие, которые покрыли бы эту разницу в массе между 9 и 19 единицами. Недостающий вес обеспечивается 10 нейтронами в атоме фтора. Они дают необходимую атомную массу, не влияя при этом на заряд ядра (атомный номер).
Таким образом, можно сделать следующие обобщения:
1. Количество протонов в ядре атома равно количеству электронов за пределами ядра.
2. Количество нейтронов в ядре равно массовому числу за вычетом атомного номера.
Изучение атомных масс в таблице 1 в конце этой главы показывает, что только несколько элементов имеют атомную массу, выраженную целым числом. Атомная масса магния, например, равна 24,31. Вес хлора, опять-таки, равен 35,453 — почти посредине между двумя целыми числами.
Применив наши знания о структуре атома, мы можем сделать заключение, что ядро атома магния содержит 12 протонов и 12 1/3 нейтронов.
Или в случае атома хлора, его ядро должно содержать 17 протонов и около 18 1/2 нейтронов.
Однако электрон — это элементарная частица. Не бывает половины или третьей части нейтрона. Изучение этой непонятной проблемы привело к открытию изотопов.
По определению, изотопы — это атомы с одинаковым атомным номером, следовательно, одинаковым количеством протонов и электронов и с одинаковыми химическими свойствами, но с разными атомными массами, что является результатом того, что в их ядре содержится разное количество нейтронов. Все известные элементы существуют в форме двух или более изотопов.
Ранее мы сказали, что атомная масса магния 24,31. Интересно отметить, что 78,6% атомов магния имеют атомную массу 24, а 10,11 % — атомную массу 26. То есть, преобладающее большинство атомов магния имеют атомную массу 24.
Похожим образом и хлор имеет атомную массу 35,453. 75,4% атомов хлора имеют атомную массу 35, а 24,6% - атомную массу 37.
Особую важность имеют изотопы водорода. Поэтому они получили собственные названия. Изотоп водорода с атомной массой 3 называют тритием. Изотоп с атомной массой 3 — это дейтерий. Изотоп с атомной массой 1 называется протием.
Обычный водород почти полностью состоит из атомов с 1 протоном и 1 электроном. К нему примешано совсем небольшое количество атомов водорода с 1 нейтроном, 1 протоном и 1 электроном. Эти формы всегда существуют в природном водороде в одинаковых пропорциях. Поскольку дейтерий в сумме имеет больший вес, атомная масса водорода немногим больше 1.
Тяжелая вода — это вода (Н2O), в которой содержатся изотопы водорода в форме дейтерия. Как результат, чистая тяжелая вода имеет молекулярную массу 20, а не 18 (см. таблицу 2 в конце этой главы).
Теперь давайте сделаем небольшое отступление. Ранее мы кратко обсудили, как электроны могут вращаться вокруг ядра в разных атомах. Мы рассмотрели водород, гелий, углерод, азот, кислород, натрий, магний и хлор. В случае водорода и гелия электроны движутся вокруг ядра по одной орбите (в пределах одной оболочки). Электроны углерода, азота и кислорода, напротив, движутся по двум орбитам (в пределах двух оболочек) вокруг своих ядер. В натрии, магнии и хлоре имеется три орбитальных траектории.
Изучение всех элементов показывает, что электронных оболочек вокруг ядра, по которым распределены электроны, может быть от 1 до 7. Максимальное количество электронов в каждой оболочке жестко ограничено законами физики. Разные порядковые номера каждой оболочки обозначаются номером n.
Разные оболочки или энергетические уровни, окружающие ядро (см. таблицу 2 в конце этой главы), различаются своей способностью вмещать электроны. Максимальная «населенность» разных электронных оболочек была определена следующим образом.
Здесь прослеживается определенная математическая прогрессия, описывающая возможный максимум электронов в каждой электронной оболочке обычного атома. Ее можно выразить так:
«Наибольшее количество электронов, которое помещается в конкретной электронной оболочке равно 2n2, где n — порядковый номер оболочки».
Таким образом, для первой оболочки n=l. 1 в квадрате равно 1. 1 умножить на 2 равно 2.
Переходим ко второй оболочке. Здесь n=2.2 в квадрате равно 4.4 умножить на 2 равно 8. И так далее.
При нормальных условиях единственный электрон водорода движется вокруг своего ядра в оболочке n=1. Как и все электроны, он подчиняется законам природы, оставаясь на самом низком из возможных энергетических уровней (в данном случае, в оболочке n=1).
Химическое взаимодействие электронов
Существуют несколько довольно интересных характерных моделей расположения электронов различных элементов. Элементы, имеющие схожесть в поведении, имеют и похожие модели расположения электронов.
Рассмотрим группу элементов под названием галогены. Фтор имеет два электрона в оболочке n=1 и семь — в оболочке n=2. У хлора два электрона в оболочке n=1, восемь в оболочке n=2 и семь — в оболочке n=3. Бром имеет два, восемь и восемнадцать электронов в первых трех оболочках соответственно и семь электрона в оболочке n=4. Иод имеет два, восемь, восемнадцать, восемнадцать и семь электронов соответственно. Обратите внимание, что все эти элементы имеют по семь электронов во внешних оболочках.
Галогены. В группу галогенов входят четыре чрезвычайно химически активных элемента — фтор, хлор, бром и йод. Эти элементы никогда не встречаются в природе в свободном состоянии. Их можно обнаружить
только в соединениях с другими элементами.
Вот еще несколько орбитальных моделей электронов в нескольких группах или «семействах» элементов.
Щелочные металлы
| n=1 |
n=2 |
n=3 |
n=4 |
n=5 |
n=6 |
|
| Литий |
2 |
1 |
||||
| Натрий |
2 |
8 |
1 |
|||
| Калий |
2 |
8 |
8 |
1 |
||
| Рубидий |
2 |
8 |
18 |
8 |
1 |
|
| Цезий |
2 |
8 |
18 |
18 |
8 |
1 |
|
Щелочноземельные металлы
|
Галогены
| n=1 |
n=2 |
n=3 |
n=4 |
n=5 |
n=6 |
|
| Фтор |
2 |
7 |
||||
| Хлор |
2 |
8 |
7 |
|||
| Бром |
2 |
8 |
18 |
7 |
||
| Иод |
2 |
8 |
18 |
18 |
7 |
Инертные газы
| n=1 |
n=2 |
n=3 |
n=4 |
n=5 |
n=6 |
|
| Гелий |
2 |
|||||
| Неон |
2 |
8 |
||||
| Аргон |
2 |
8 |
8 |
|||
| Криптон |
2 |
8 |
18 |
8 |
||
| Ксенон |
2 |
8 |
18 |
18 |
8 |
Обратите внимание на инертные газы. Они все обладают внешними оболочками с восемью электронами, кроме гелия, у которого во внешней оболочке два электрона. Все эти элементы уникальным образом стабильны. Они не показывают предрасположенности к образованию соединений с другими элементами.
Существует теория, согласно которой все элементы химически предрасположены к обретению такого типа структуры, как у инертных газов. Похоже, например, что натрий и калий стремятся избавиться от своего дополнительного электрона, так чтобы иметь по восемь электронов в своих внешних оболочках
и быть похожими на ближайшие к ним инертные газы.
Обратите внимание, что атому фтора как бы недостает восьмого электрона на внешней орбите. У натрия, с другой стороны, по внешней орбите движется один единственный электрон.
Если фтор и натрий привести в соприкосновение при определенных условиях, атом натрия передает свой избыточный электрон атому фтора, у которого для него есть место.
Атом натрия Атом фтора
После того, как перемещение произошло, атомов натрия и фтора больше нет. Вместо этого есть соединение — фторид натрия.
Частица натрия со своим новым зарядом + теперь называется ион натрия. Атом натрия стал ионом натрия. Давайте проанализируем это немного детальнее. Как вы помните, атомы нейтральны. Количество их протонов (положительные заряды) равно количеству их электронов (отрицательные заряды). Что происходит, когда одиночный электрон натрия, находящийся во внешней оболочке, перемещается в атом фтора? Частица, которая до этого объединения была атомом натрия, по-прежнему имеет заряд ядра +11 (11 протонов). Но теперь у него только 10 электронов, находящихся вне ядра (10 отрицательных зарядов). Таким образом, результирующий заряд равен +1 (+11 — 10 = +1).
Похожим образом, частица, которая до объединения была атомом фтора с зарядом ядра +9, теперь имеет внеядерный заряд —10. Поэтому ее результирующий заряд будет равен —1 (+9 — 10 = —1).
Ионы
Практически все неорганические реакции, происходящие в геологических и биологических системах, по своей природе являются ионными. Поэтому ионы и ионные реакции являются неотъемлемой частью растительной и животной жизни. Ионы и ионный обмен в большой мере определяют плодородность почвы. И те же ионы могут создавать серьезные помехи полезному использованию воды человеком.
В 1884 году шведский химик Аррениус изучал тот факт, что определенные вещества, при их растворении в дистиллированной воде, делают ее хорошим проводником электричества, в то время как другие вещества не повышают проводимости воды.
Для объяснения механизма, с помощью которого эти вещества проводят электрический ток, в 1887 он предложил теорию ионизации. Он предположил, что если некоторые вещества (позже названные электролитами) растворить в воде, они образовывают электрически заряженные частицы, называемые «ионами». Кроме того, поскольку раствор в целом электрически нейтрален, он предположил существование двух видов ионов, один из которых заряжен положительно, а другой отрицательно.
Ион можно определить как электрически заряженный атом или группу атомов в растворе. Положительно заряженные ионы называются «катионами», поскольку они перемещаются к катоду (негативному электроду), если через раствор пропустить электрический ток. Отрицательно заряженные ионы называются «анионами», поскольку они перемещаются к аноду (отрицательному электроду). Слово «ион», происходящее из греческого языка, означает «идти» или «блуждать».
Если хлорид натрия (поваренную соль) растворить в воде, каждая ионизированная молекула вырабатывает два иона, ион натрия с единичным положительным зарядом и хлорид-ион с единичным отрицательным зарядом.
Ионы в растворе существуют независимо и обладают специфическими свойствами, которые могут сильно отличаться от свойств их атомов и молекул.
Например, металлический натрий бурно реагирует с водой с выделением водорода и каустической соды (гидроксида натрия), но ионы натрия в растворе ведут себя спокойно. Газообразный хлор является ядовитым, а хлорид-ионы нет. При этом и ионы натрия, и хлорид-ионы очень важны для поддержания жизни.
В природных водах встречается множество примесей в ионной форме. Наиболее распространены из них следующие:
Катионы
| Кальций |
Са++ |
| Магний |
Mg++ |
| Натрий |
Na+ |
| Железо |
Fe++ |
| Марганец |
Mn++ |
Анионы
| Бикарбонат-ион |
НСО3- |
| Хлорид-ион |
Cl- |
| Сульфат-ион |
SO4-- |
| Нитрат-ион |
NO3- |
| Карбонат-ион |
СО3-- |
Эти электрически заряженные растворенные частицы делают обычную природную воду хорошим проводником электричества. И наоборот, чистая вода имеет высокое электрическое сопротивление, поэтому сопротивление часто используется как мера чистоты воды.
Поскольку многие ионы создают помехи полезному использованию воды, разработано несколько методов уменьшения содержания или основательного удаления ионных примесей из воды.
Существует несколько способов уменьшения содержания или удаления ионных примесей из воды: (1) дистилляция, (2) осаждение и отделение, (3) ионный обмен и (4) мембранная сепарация.
Ион. Ион — это электрически заряженный атом или группа атомов. Электрический заряд иона с одним ядром возникает благодаря приобретению или потере одного или более электронов. Несколько таких
одноатомных ионов могут образовывать группы, которые будут иметь заряд, равный сумме зарядов ионов в группе. Понятие валентности или силы, соединяющей атомы, будет пояснено позже. Потеря или
приобретение электронов происходит во время химических реакций, в ходе которых электроны переходят от одного атома к другому.
Обратите внимание на изменение названия: с атома фтора во фторид-ион. Большинство ионов с положительными зарядами имеют такое же название, как и соответствующие атомы. Однако большинство
отрицательных ионов (полученных из единичных атомов) получают окончание -ид, добавленное к корню слова, обозначающего соответствующий элемент. Например, фторид-, бромид-, иодид-, сульфид-
ионы.
Таким образом, свойства ионов значительно отличаются от свойств их родительских атомов. Натрий — это серебристый щелочной металл, имеющий воскообразную консистенцию. Фтор — едкий зеленовато-желтый газ. Когда они соединяются в ходе химической реакции, образуются ионы в виде белого кристаллического вещества, очень похожего на обычную соль, за исключением только того, что они имеют более порошкообразную консистенцию.
Во многих соединениях ионы в равной степени притягиваются друг к другу во всех направлениях. Хотя как такового попарного соединения ионов нет, на каждый отрицательный ион приходится один положительный. В случае фторида натрия это означает один ион натрия на каждый фторид-ион.
На данном рисунке показан один из многих видов взаимного расположения ионов с противоположными зарядами.
Из различных приведенных ранее примеров становится очевидным, что во внешних оболочках атомов имеется различное количество электронов, которые могут перемещаться или быть коллективизированными.
Ранее мы видели, что у атома натрия во внешней оболочке имеется один атом, который может перемещаться. Мы также видели, что у магния два таких электрона. У алюминия есть три электрона, способных к перемещению, хотя такого количества химической энергии, с помощью которого это можно было бы сделать, практически не существует. В случае углерода, четыре электрона из его внешней оболочки не перемещаются в другие атомы, а становятся общими с ними (коллективизируются).
Валентность
Химики используют термин валентность для описания соединяющей способ- ности различных атомов или ионов. Определение валентности таково: «Валентность элемента в ионном соединении равна количеству электронов, которые теряет или приобретает данный элемент в процессе образования соединения».
Эта соединяющая сила выражается небольшими целыми числами и может иметь знак + или —.
Когда атом элемента теряет один или более электронов и становится положительным ионом, говорят, что данный элемент имеет положительную валентность. Когда атом приобретает один или более электронов и образует отрицательный ион, это означает, что такой элемент имеет отрицательную валентность.
Возвратимся к нашим примерам. Валентность натрия +1, магния +2, алюминия +3. Хлор, как и фтор, имеет валентность —1.
ПРИМЕЧАНИЕ. В случае с элементами в ковалентных соединениях (когда атомы имеют общие пары электронов), валентность равна количеству общих пар.
Кроме того, имеется группа металлов — переходные металлы, которые в разных условиях могут отдавать разное количество электронов. Эти элементы демонстрируют то, что называется переменной валентностью.
Железо может отдать либо два, либо три электрона и образовать ионы железа или с двойным, или с тройным зарядом (Fe++ или Fe+++)- Медь в некоторых соединениях имеет заряд +1, а в некоторых +2.
ТАБЛИЦА 1
ЭЛЕМЕНТЫ — НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДА-12
(Таблица международных атомных масс, 1961)
| Элемент |
Символ |
Атомный номер |
Атомная масса |
| Азот |
N |
7 |
14.0067 |
| Алюминий |
AI |
13 |
26.98 |
| Аргон |
А |
18 |
39.948 |
| Барий |
Ва |
56 |
137.34 |
| Бериллий |
Be |
4 |
9.01 |
| Бор |
В |
5 |
10.811 |
| Бром |
Br |
35 |
79.909 |
| Ванадий |
V |
23 |
50.942 |
| Висмут |
Вi |
83 |
208.980 |
| Водород |
Н |
1 |
1.00797 |
| Вольфрам |
W |
74 |
183.85 |
| Гадолиний |
Gd |
64 |
157.25 |
| Галлий |
Ga |
31 |
69.72 |
| Гафний |
Hf |
72 |
178.49 |
| Гелий |
Не |
2 |
4.0026 |
| Германий |
Ge |
32 |
72.59 |
| Гольмий |
Но |
67 |
164.930 |
| Диспрозий |
Dy |
66 |
162.50 |
| Европий |
Eu |
63 |
151.96 |
| Железо |
Fe |
26 |
55.847 |
| Золото |
Au |
79 |
196.967 |
| Индий |
In |
49 |
114.82 |
| Иод |
I |
53 |
126.90 |
| Иридий |
Ir |
77 |
192.2 |
| Иттербий |
Yb |
70 |
173.04 |
| Иттрий |
Y |
39 |
88.905 |
| Кадмий |
Cd |
48 |
112.40 |
| Калий |
К |
19 |
39.102 |
| Кальций |
Ca |
20 |
40.08 |
| Кислород |
О |
8 |
15.9994 |
| Кобальт |
Co |
27 |
58.933 |
| Кремний |
Si |
14 |
28.086 |
| Криптон |
Kr |
36 |
83.80 |
| Ксенон |
Xe |
54 |
131.30 |
| Лантан |
La |
57 |
138.91 |
| Литий |
Li |
3 |
6.939 |
| Лютеций |
Lu |
71 |
174.97 |
ТАБЛИЦА 1
ЭЛЕМЕНТЫ — НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДА-12
(Таблица международных атомных масс, 1961)
| Элемент |
Символ |
Атомный номер |
Атомная масса |
| Магний |
Mg |
12 |
24.312 |
| Марганец |
Mn |
25 |
54.938 |
| Медь |
Cu |
29 |
63.54 |
| Молибден |
Мо |
42 |
95.94 |
| Мышьяк |
As |
38 |
74.92 |
| Натрий |
Na |
11 |
22.9898 |
| Неодим |
Nd |
60 |
144.24 |
| Неон |
Ne |
10 |
20.183 |
| Никель |
Ni |
28 |
58.71 |
| Ниобий |
Nb |
41 |
92.906 |
| Олово |
Sn |
50 |
118.69 |
| Осмий |
Os |
76 |
190.2 |
| Палладий |
Pd |
46 |
106.4 |
| Платина |
Pt |
78 |
195.09 |
| Празеодим |
Pr |
59 |
140.91 |
| Протактаний |
Pa |
91 |
231 |
| Радий |
Ra |
88 |
226 |
| Радон |
Rn |
86 |
222 |
| Рений |
Re |
75 |
186.2 |
| Родий |
Rh |
45 |
102.91 |
| Ртуть |
Hg |
80 |
200.59 |
| Рубидий |
Rb |
37 |
85.47 |
| Рутений |
Ru |
44 |
101.07 |
| Самарий |
Sm |
62 |
150.35 |
| Свинец |
Pb |
82 |
207.19 |
| Селен |
Se |
34 |
78.96 |
| Сера |
S |
16 |
32.064 |
| Серебро |
Ag |
47 |
107.870 |
| Серий |
Ce |
58 |
140.12 |
| Скандий |
Sc |
21 |
44.956 |
| Стронций |
Sr |
38 |
87.62 |
| Сурьма |
Sb |
51 |
121.75 |
| Таллий |
Tl |
81 |
204.37 |
| Тантал |
Та |
73 |
180.948 |
| Теллур |
Те |
52 |
127.60 |
| Тербий |
Tb |
65 |
158.924 |
| Титан |
Ті |
22 |
47.90 |
ТАБЛИЦА 1
ЭЛЕМЕНТЫ — НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДА-12
(Таблица международных атомных масс, 1961)
| Элемент |
Символ |
Атомный номер |
Атомная масса |
| Торий |
Th |
90 |
232.038 |
| Тулий |
Tm |
69 |
168.934 |
| Углерод |
С |
6 |
12.011 |
| Уран |
U |
92 |
238.03 |
| Фосфор |
Р |
15 |
30.97 |
| Фтор |
F |
9 |
18.998 |
| Хлор |
CI |
17 |
35.453 |
| Хром |
Cr |
24 |
51.996 |
| Цезий |
Cs |
55 |
132.905 |
| Цинк |
Zn |
30 |
65.37 |
| Цирконий |
Zr |
40 |
91.22 |
| Эрбий |
Er |
68 |
167.26 |
| ТАБЛИЦА 2 18 НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕННЫХ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ (в таблице показаны атомный номер, |
| Название |
Атомный |
Атомная |
Оболочка |
Оболочка |
Оболочка |
| элемента |
номер |
масса |
n=1 |
n=2 |
n=3 |
| Водород |
1 |
1.00797 |
1 |
||
| Гелий |
2 |
4.0026 |
2 |
||
| Литий |
3 |
6.939 |
2 |
1 |
|
| Бериллий |
4 |
9.012 |
2 |
2 |
|
| Бор |
5 |
10.811 |
2 |
3 |
|
| Углерод |
6 |
12.011 |
2 |
4 |
|
| Азот |
7 |
14.007 |
2 |
5 |
|
| Кислород |
8 |
15.9994 |
2 |
6 |
|
| Фтор |
9 |
18.9984 |
2 |
7 |
|
| Неон |
10 |
20.183 |
2 |
8 |
|
| Натрий |
11 |
22.9898 |
2 |
8 |
1 |
| Магний |
12 |
24.312 |
2 |
8 |
2 |
| Алюминий |
13 |
26.98 |
2 |
8 |
3 |
| Кремний |
14 |
28.086 |
2 |
8 |
4 |
| Фосфор |
15 |
30.97 |
2 |
8 |
5 |
| Сера |
16 |
32.064 |
2 |
8 |
6 |
| Хлор |
17 |
35.453 |
2 |
8 |
7 |
| Аргон |
18 |
39.948 |
2 |
8 |
8 |
ТАБЛИЦА З
ВАЛЕНТНОСТИ НЕКОТОРЫХ РАСПРОСТРАНЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
МЕТАЛЛЫ
| Постоянная валентность Переменная валентность
|
НЕМЕТАЛЛЫ
Следующие неметаллы имеют такие постоянные валентности в электро- валентных соединениях:
Хлор —1
Фтор —1
Бром —1
Сера —2
(В ковалентных соединениях данные элементы могут иметь разную валентность.)
