Химия в школе. Основы

Химия. Теоретические основы. Часть 1

ЗАКОН КУЛОНА В ПРИЛОЖЕНИИ К АТОМАМ


Здравствуйте! Сразу хотел бы предупредить - пост этот - длинный и не так чтобы уж слишком простой - хотя целью моей как раз и было изложить материал насколько возможно проще...

Что послужило завязкой? - Одна знакомая женщина поделилась как-то в разговоре, что сын ее поступил в медицинский институт - или Университет - не знаю, как этот ВУЗ сейчас называется - раньше всё были институты, теперь - в Университеты переименуют... И добавила, что несколько одноклассников его тоже хотели бы в медицинский - но где-то уже классу к десятому школы переменили свои планы и профилизацию...

И - почему бы, вы думали, они изменили намерения? - Для меня это прозвучало очень печально! Оказывается, они испугались за химию! Засомневались в силах, в способностях своих - а смогут ли они вообще одолеть этот "страшный ужасный предмет" - один из необходимых для медицины?..

Позволю себе сказать, я-то уж знаю прекрасно, что на самом деле школьный курс химии - и его некоторое расширение, происходящее в медицинских и ряде других ВУЗов - не только не является "страшным" - это просто КОНФЕТКА! Да-да - это просто на редкость красивое логичное и - насколько возможно - ПРОСТОЕ учение, так что превратить его в что-то пугающее - это просто грешно!..


В этом смысле мне повезло - я учился еще во времена Советского Союза - когда школьные учебники - все и по химии в частности - были очень логичными выверенными и в силу этого максимально простыми...

По химии я очень старался, наша школьная учительница (в 5-ой школе) - Еремеева Тамара Ивановна - (Царствие Небесное ей и светлая память!) помогла мне войти в суть предмета и задач, а дальше я уже сам самостоятельно постигал... В 8 классе занял 4-ое место на областной олимпиаде по химии, в 9-ом - 2-ое место, в 10-ом классе - уже первое место по области... И далее - Университет - как раз по специальности Химия...


Итак - это всё было вступление... Дерзаю теперь изложить кратко основные ключи к этому курсу по химии - прямо здесь, в соцсети, в этом сообществе - чтобы наглядно на деле помочь тем, кто, возможно, пошел бы учиться по медицинской стезе - и всем, кому это покажется интересным...


Посмотрите на первую картинку - детская пирамидка - диски нанизываются на основу, на стержень... Точно так же все конкретные фактические материалы по химии нанизываются на теоретическую основу - на ЗАКОН, УЧЕНИЕ И ТАБЛИЦУ Дмитрия Ивановича МЕНДЕЛЕЕВА!..

Посмотрите на вторую картинку - модель железной дороги... Очевидно - модель очень похожа на настоящую железную дорогу, но всё же - это просто модель!..

Так вот - вся основа теоретическая химии, всё, что мы представляем своим умственным взором, рассматривая учение Менделеева - это просто та же МОДЕЛЬ! Просто модель атома!.. Не сам атом - модель!.. Модель, которая упрощает его изучение и дает результаты, подтверждающиеся на практике... Модель, очень стройная логичная и - именно в силу стройности и логичности своей - довольно ПРОСТАЯ - стоит лишь подойти к ней правильно, "с той ноги", так сказать...


Посмотрите на рисунок, изображающий модель нашей Солнечной системы. Очень похоже на модель атома! Одно из отличий - в атоме электроны располагаются как бы слоями - уровнями - как бы кочан слоеный капусты... У атомов элементов первого периода - один слой электронов, второго периода - два слоя, третьего - три, и так далее...

Ядро атома - в отличие от Солнца - часто изображается состоящим из отдельных частиц - протонов и нейтронов. Число протонов равно порядковому номеру элемента в периодической таблице Д. И. Менделеева, число нейтронов - это разница между массой ядра (в условных единицах массы) и числом протонов.

Вся суть, вся основа всех рассуждений в рамках учения Менделеева сводится просто к ЗАКОНУ КУЛОНА из физики - простому, известному всем! Разноименные заряды притягиваются, одноименные - отталкиваются. Сила этих взаимодействий РАСТЕТ С СИЛОЙ ЗАРЯДОВ и УБЫВАЕТ С РАССТОЯНИЕМ между ними. Вот и всё, вся премудрость тут!...


Что же является зарядами в химии? - Отрицательные заряды - это ВНЕШНИЕ ЭЛЕКТРОНЫ (электроны внешнего уровня) - как самого атома (свои), так и других, с которыми этот этот атом взаимодействует (чужие электроны, так скажем).

Положительный же заряд - это заряд так называемого АТОМНОГО ОСТОВА (ударение на первое О) - части атома без внешних его электронов. Иными словами, если мы мысленно отнимем от атома его внешние электроны - то и получим как раз атомный остов. Заряд и радиус его и определяет силу взаимодействия. Чем больше заряд остова и чем меньше радиус его (определяемый количеством уровней - как бы слоев электронов) - тем сильнее этот атомный остов притягивает к себе внешние электроны - как свои собственные, так и "чужие"...


В периодах (горизонтальных рядах элементов) таблицы Менделеева слева направо заряд атомных остовов возрастает, следовательно, слева направо растет сила притяжения внешних электронов (как своих, так и чужих). Об этом - ОБ УВЕЛИЧЕНИИ СИЛЫ ПРИТЯЖЕНИЯ - говорят так - РАСТЕТ ЭЛЕКТРООТРИЦАТЕЛЬНОСТЬ элемента - просто вводится такой термин - очень полезный на практике!


В группах (вертикальных столбцах) таблицы Менделеева сверху вниз растет количество слоев, или уровней, электронов - как бы кочан капусты становится все больше и больше, более МНОГОСЛОЙНЫМ - соответственно РАДИУС атомного остова становится БОЛЬШЕ. В силу этого - по закону Кулона - сила притяжения внешних электронов (и своих, и чужих), становится, наоборот, МЕНЬШЕ. В терминах электроотрицательности - электроотрицательность УБЫВАЕТ.


И еще термины вводятся - по сути для обозначения одного и того же - чем сильнее остов атомный притягивает к себе внешние электроны, тем, говорят, сильнее НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА элемента. И наоборот - чем слабее атомный остов притягивает к себе внешние электроны (опять же - и свои и чужие), тем сильнее МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА данного элемента химического. (Короче говоря, металлы слабо притягивают внешние электроны, а неметаллы - сильно.)

В этих терминах (металличность - неметалличность) говорят, что в периодах (горизонтальных рядах элементов) слева направо металлические свойства убывают, а неметаллические, наоборот, возрастают. В группах (вертикальных столбцах) сверху вниз металлические свойства элементов возрастают, а неметаллические - убывают. Объяснение этому уже изложено выше.

 Рассмотрим теперь несколько примеров.

Модель атома лития

Мы видим схему ядра, состоящего из 3 протонов (заряд плюс один у каждого) и трех нейтронов. Вокруг ядра - три электрона (заряд каждого равен минус один), которые вращаются на двух уровнях - два - на первом и один электрон - на втором - внешнем уровне.

Заряд атомного остова - плюс один (в условных единицах заряда). плюс один - это мало, поэтому остов атома слабо притягивает внешние электроны. Иначе говоря, электроотрицательность лития мала, металлические свойства лития сильно выражены...

Модель атома углерода (смотри рисунок)

Углерод - элемент второго периода, соответственно, электроны располагаются на двух уровнях: два на первом и четыре - на втором, внешнем уровне.

Заряд атомного остова - плюс 4. Это - малый радиус атома (два слоя всего) и не так уж малый заряд остова (плюс 4) - по закону Кулона - обеспечивает довольно сильное притяжение внешних электронов, иначе  говоря, неметаллические свойства атома углерода. Углерод относят к неметаллам.

Указана также схем ядра - 6 протонов (совпадает с порядковым номером) и 6 нейтронов (разница между массой ядра - 12 единиц - и числом протонов).

Модель атома алюминия

Электроны расположены на трех уровнях (ибо в третьем периоде алюминий): два на первом, 8 - на втором и 3 - на третьем, внешнем.

Заряд атомного остова равен плюс 3 (ибо 3 электрона внешних). Сравнительно малый заряд остова и, скажем так, не самый маленький радиус атома (три слоя электронов) обусловливают довольно слабое притяжение внешних электронов. Это, в свою очередь, означает преимущественно металлические свойства элемента. Алюминий - металл.


Много я уже написал? - Ну это - как посмотреть... Для поста в соцсети - да, многовато, пожалуй... Однако, если мы учтем, что по сути я дерзнул сжато изложить

ВСЮ ТЕОРЕТИЧЕСКУЮ ОСНОВУ
ВСЕГО КУРСА ХИМИИ
ШКОЛ И МЕДИЦИНСКИХ ВУЗов -

- игра стоит свеч, пожалуй! Пожалуй - не так уж и много слов я затратил на это благородное дело!..


Что осталось нам рассмотреть в этой связи? - Осталось показать наглядно - а ПОЧЕМУ же, собственно говоря, дело обстоит именно так, а не иначе - почему в периодах слева направо растет число электронов на внешнем уровне атома - а это и означает, что растет заряд атомных остовов (ибо атомный остов, как сказано выше, это и есть - по определению - атом БЕЗ внешних электронов своих).

Иными словами - КАК происходит собственно ЗАПОЛНЕНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ОРБИТАЛЕЙ? - Вот это лишь нам и осталось рассмотреть - чтобы завершить изложение теоретической основы химии. А далее - как в детской пирамидке - колечки насаживаются на основу - все конкретные химические и физические даже свойства элементов просто "нанизываются" на эту модель!

Вам будет понятно всё, останется просто включить другую функцию мозга - ПАМЯТЬ... Память - чтобы запомнить фактический, практический материал, а это уже - лишь вопрос вашей личной усидчивости - ничего страшного, просто вопрос терпения, усидчивости, жертвы времени - не без этого! Увы - не без этого - как и везде...


Итак, Первая часть материала - закончена. Просто я хотел показать, что настоящая химия была во времена СССР, и ОСНОВОЙ ее является - и будет являться ВСЕГДА, ВСЕГДА, на веки вечные - независимо ни от каких "инноваций" - Закон, Учение и Таблица Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА, и решился изложить сжато теоретическую основу этого курса - для тех, кому это нужно в дальнейшем своем обучении - и кому это просто интересно - для общего развития своего...



Химия. Теоретические основы. Часть 2

ДОМИК ДЛЯ ЭЛЕКТРОНОВ


Здравствуйте! Добрый день! Продолжаем наше знакомство с теоретическими основами школьного курса химии времен Советского Союза. Как я уже писал ранее - в первой части - этот курс был максимально продуман, выверен, логичен, строен и оптимально служил, служит и будет служить всегда для последующего продолжения образования - в медицинском ли ВУЗе или ином...

Итак, мы познакомились в первой части с рядом понятий, принципов, терминов - пожалуйста, освежите их в памяти!.. Сейчас будем просто продолжать изложение...

В основу этого выпуска я положил рисунок, или схему, над которой начал работать еще будучи студентом Университета Дружбы Народов имени Патриса Лумумбы, в конце 1980-ых годов еще - во время педагогической практики – опыт, который я дополнил, доработал в последующем и успешно применял на уроках.


Обещаю, что каждому изучающему химию это позволит упростить - да, вот ключевое слово - позволит УПРОСТИТЬ знакомство, освоение этого материала, очень важного, необходимого для сколько-нибудь серьезного изучения химии (причем имею ввиду программу не ВУЗовскую - нет, программу именно ШКОЛЬНУЮ - как было то в годы Советского Союза)...


ДОМИК ДЛЯ ЭЛЕКТРОНОВ - так назвал я этот рисунок - модель. Советую вам распечатать его на принтере; если выйдет бледно - подчеркните линии, подведите надписи поярче вручную - или сами перерисуйте поярче!...

Итак, мы видим именно Дом - дом, где живут электроны. Кстати, возьмите коробок спичек обычных, сломайте каждую спичку пополам, и те половинки с головками будут изображать электроны - просто будем выкладывать их на листок - в комнаты Домика!..

Видим - Дом - многоэтажный - номера этажей указаны справа, эти номера являются также ГЛАВНЫМИ КВАНТОВЫМИ ЧИСЛАМИ - 1, 2, 3, 4 и так далее. Чем больше главное квантовое число (n) - тем ВЫШЕ ЭНЕРГИЯ ЭЛЕКТРОНА - и тем слабже связан этот электрон с ядром данного атома.

Далее. Мы видим - в пределах каждого уровня (начиная со второго) - каждого этажа Домика - есть также подуровни (смотрите рисунок) - на втором уровне - два подуровня, на третьем уровне - три подуровня, на четвертом - четыре, и так далее (просто дальше не нужно практически). Теперь посмотрите вниз - вы увидите латинские буквы s, p, d, f.

Мы видим - на s-подуровне - один квадратик - одна "КОМНАТА" для электронов, на p-подуровне - три квадратика - три комнаты, на d-подуровне - пять квадратиков - комнат, на f-подуровне - семь... Это как бы анфилады комнат на каждом из этажей, причем мы видим - в пределах одного уровня как бы "высота пола" постепенно чуть повышается (повышается энергия электронов, заполняющих эти комнаты)...


Итак - наш Домик мы практически рассмотрели... Осталось заселить его электронами - спичками! В каждой комнате - клеточке может быть НЕ БОЛЕЕ ДВУХ электронов!.. Начинаем заселение Дома с самых нижних комнат - орбиталей с наименьшей энергией (орбиталь и комната - синонимы в нашем рисунке).

Положите спичку (обломанную пополам, с головкой) - первого жильца - электрона - в квадратик (комнату) с цифрой 1 посреди квадратика. С новосельем! Дело пошло! Дом наш стал заполняться! Это - модель атома ВОДОРОДА у нас в данный момент - один электрон всего у водорода!

Далее - кладем вторую спичку - второй электрон (головкой в другую сторону - вниз) в ту же самую клеточку. Получили модель атома второго химического элемента - ГЕЛИЯ! Про электроны такие - которых сразу два в одной "комнате"- говорят, что они СПАРЕННЫЕ (иногда у меня возникает аналогия с парой влюбленных в комнате!..).

Обратите внимание - первый уровень - он же ВНЕШНИЙ в данном случае - оказался полностью ЗАПОЛНЕН! Это ведет к химической инертности элемента - то есть гелий очень неохотно вступает в химические реакции - с огромным трудом, очень редко, в особых условиях, поэтому его относят к ИНЕРТНЫМ ГАЗАМ.


Третью спичку - третьего жильца Дома - кладем в клеточку с цифрой 2 посредине клеточки этой. Получаем таким образом модель атома ЛИТИЯ - смотрите таблицу Менделеева! Три электрона, из них два - на первом уровне (спаренные) и один - на втором, внешнем уровне (неспаренный). заряд атомного остова - плюс один - то есть маленький, соответственно, этот электрон слабо притягивается к ядру, что и означает как раз МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ свойства лития...


Четвертую спичку - четвертый электрон - кладем опять же в ту же самую клетку - получаем таким образом опять же еще одну пару спаренных электронов! Это - модель атома БЕРИЛЛИЯ - четвертого элемента таблицы Менделеева!.. Мы видим наглядно устройство электронных орбиталей - на первом уровне два электрона на одной орбитали (s- сферической), и на втором уровне опять же два электрона и опять же на одной сферической s-орбитали!


Пятую спичку положим уже в самую левую клеточку из тех трех клеточек - комнат - орбиталей, на которых написана цифра 3 - головкой вверх! Таким образом, началось заселение второй анфилады комнат - второго подуровня - p-подуровня второго этажа нашего гостеприимного Домика... Элемент номер 5 - БОР. Мы получили модель атома бора!


Шестая спичка пойдет во вторую клеточку этой же p-анфилады - p-подуровня данного уровня - опять же головкой вверх (что означает спин плюс одна вторая в терминах квантовой химии - хотя это не так уж и обязательно знать нам!) - атом УГЛЕРОДА мы получили! Седьмая спичка - электрон поступит в третью - правую клеточку - опять же головкой вверх - модель атома АЗОТА!

Видите? - Мы воочию ВИДИМ и понимаем - КАК, КУДА И ПОЧЕМУ поступают электроны на различных уровнях атома! Да, конечно - просто невозможно сразу пояснить все тонкости, все детали процесса - но по крайней мере что-то в общих чертах мы, НЕСОМНЕННО, начинаем уже ПОНИМАТЬ! На схеме я написал на свободных местах некоторые сведения из школьного курса химии нашего (времен Советского Союза), которые помогут вам лучше и больше понять...


С восьмой спички начнется уже опять же СПАРИВАНИЕ электронов - восьмой электрон идет (спичка - головкой вниз) в клеточку левую, где уже есть один электрон (атом КИСЛОРОДА мы получаем!), девятый - в центральную клеточку (опять спаривание) - атом ФТОРА имеем, и, наконец, десятый электрон - в правую клеточку - модель атома НЕОНА!.

Мы видим - у кислорода и особенно у фтора на внешнем уровне - МНОГО электронов - 6 и 7 соответственно, значит, заряд атомных остовов у них - также большой - плюс шесть и плюс семь, значит, они СИЛЬНО притягивают электроны (и свои, и чужие), что и означает наличие ярко выраженных НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ свойств - то есть ВЫСОКУЮ химическую активность этих элементов как неметаллов!

У атома же неона - как и у гелия - внешний уровень - МЫ ВИДИМ ЭТО на схеме - полностью оказался ЗАПОЛНЕН, что ведет к инертности химической неона. Неон - инертный газ!...


Прошу прощения - на этом данный выпуск заканчивается... Мы увидели с вами начало заполнения Домика... Надеюсь, вы сами сможете продолжить этот процесс, используя указанные принципы и материалы различных учебников... Также на некоторых таблицах Д. И. Менделеева помечено - КАК происходит заполнение орбиталей электронных - с помощью цифр и букв s,p,d,f.

Будут вопросы - постараюсь ответить по мере моих сил и возможностей!.. Очень был бы рад, если бы этот материал помог вам в изучении химии!.. Успехов вам, всего доброго светлого! Спасибо за ваше внимание!



Рисунок: модель атома углерода (к сожалению, ту схему - Домик для электронов - о которой идет речь во второй части этого материала - не удается загрузить на данном сайте ввиду большого объема рисунка; вы можете найти эту Схему, например, на моей странице ВКонтакте - Игорь Катанугин - в закрепленном посте найдите сообщество "Мария Монтессори. Розовые Мечты о Школе" или "Университет Дружбы Народов им. Патриса Лумумбы"...)