Урок 32. Состав – структура – свойства
Предмет: Естествознание, 10 класс

Конспект урока

Естествознание, 10 класс

Урок 32. Состав – структура - свойства

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

Какова структура вещества? Все ли вещества имеют молекулярную структуру?
В чем причина многообразия веществ? Как структура молекул влияет на свойства веществ?
Можно ли прогнозировать свойства вещества, зная его структуру (строение)?

Глоссарий по теме:

Генезис (греч. - genesis) - происхождение, становление и развитие, результатом которого является определенное состояние изучаемого объекта. Генезис природных и социальных явлений интересовал и интересует философию и науку с античности до наших дней (философский словарь).

Структу́ра (от лат. Structūra — «строение»), или строе́ние — внутреннее устройство чего-либо / Ожегов С.И. и Шведова Н.Ю. Толковый словарь русского языка. / Российская академия наук. Институт русского языка им. В.В.Виноградова. - М.:Азбуковник, 1999/.

Качественный состав – это перечень всех образующих вещество химических элементов.

Количественный состав – это число атомов каждого химического элемента в составе мельчайшей частицы вещества – его молекулы.

Запись, выражающая качественный и количественный состав вещества с помощью хими-ческих знаков, называется химической формулой.

Закон постоянства состава: Многие вещества, независимо от нахождения в природе или способа получения их в лаборатории, всегда имеют один и тот же состав.

Химическая связь – это совокупность сил, связывающих и удерживающих атомы или другие частицы в устойчивых структурах (молекулах и др.).

Гибридизация атомных орбиталей – это их перемешивание в пространстве с целью выравнивания и обеспечения наиболее полного перекрывания.

Аллотропия – это явление, при котором один и тот же химический элемент образует несколько простых веществ. Простые вещества, образованные одним элементом – это аллотропные модификации (видоизменения) этого элемента.

Изомерия – это явление, при котором существуют вещества, имеющие одинаковый состав, но разное химическое строение, а потому и свойства. Вещества, имеющие одинаковый состав, но разное химическое строение, а потому и разные свойства, называются изомерами.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Основные источники:

Еремин В.В. Теоретическая и математическая химия для школьников. – М.: МЦНМО, 2007.
Миттова И.Я., Самойлов А.М. История химии с древнейших времен до конца XX века: учебное пособие в 2-х томах. Т. 1. – Долгопрудный: ИД «Интеллект», 2009.
Папулов Ю.Г, Левин В.П., Виноградова М.Г. Строение вещества в естественнонаучной картине мира: Молекулярные аспекты. Учебное пособие, 2-ое издание. Тверь: ТвГУ, 2005 - 208 с.

Дополнительные источники:

Травень В. Ф. «Органическая химия», в 2-х томах. Москва, ИКЦ «Академкнига», 2004.
Химия. Школьная энциклопедия. Гл. ред. Ю.А.Золотов. М.: Большая российская энциклопедия, 2003.
Энциклопедия для детей. Том 17. Химия. Гл. ред. В.А.Володин. — М.: Аванта+, 2000.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Учение о молекуле лежит в основе всех

других обобщений, так что современную химию

можно по праву назвать молекулярной химией.

А. М. Бутлеров, (1828-1886), русский химик, создатель теории химического строения органических веществ, учёный-пчеловод и лепидоптеролог, общественный деятель

Установление взаимосвязи между свойствами веществ и строением молекул составляет фундаментальную научную проблему химии. В ходе химических реакций происходит перегруппировка атомов в молекулах реагентов и образуются новые соединения. Поэтому одна из фундаментальных химических проблем состоит в выяснении порядка расположения атомов (связей) в исходных соединениях и характера изменений при образовании из них других соединений.

Мы знаем, что молекула представляет собой микрочастицу, образованную из атомов и способную к самостоятельному существованию, обладающую его главными химическими свойствами. Она имеет постоянный состав входящих в нее атомных ядер и фиксированное число электронов и обладает совокупностью свойств, позволяющих отличать молекулы одного вида от молекул другого. Число атомов в молекуле может быть различным: от двух до сотен тысяч. Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, сложных – из разных атомов. Существует большое количество соединений, молекулы которых состоят из многих тысяч атомов - макромолекулы.

Первые представления о структуре молекул основывались на химическом анализе. Со времен М.В. Ломоносова (1741), который высказал мысль, что свойства вещества зависят от рода, числа и расположения "элементов" (атомов), составляющих его "корпускулу" (молекулу), представления усложнялись по мере накопления знаний о химических свойствах веществ. Применение основных законов химии позволило определить число и тип атомов, из которых состоит молекула данного соединения; эта информация содержится в химической формуле, составленной на основе качественного и количественного анализа, а также закона постоянства состава (Ж.Пруст). В дальнейшем А.М. Бутлеров (1861) ввел понятие химического строения (как порядка связи атомов в молекуле) и показал, что свойства вещества определяются его составом и химическим строением. Стереохимическая гипотеза Я. Вант-Гоффа и Ле Беля (1874) расширила понятие строения. Оказалось, что свойства вещества зависят как от химического (в топологическом плане), так и пространственного строения молекул. Со временем химики осознали, что одной химической формулы недостаточно для точной характеристики молекулы, поскольку существуют молекулы-изомеры, имеющие одинаковые химические формулы, но разные свойства. Этот факт навел ученых на мысль, что атомы в молекуле должны иметь определенную топологию, стабилизируемую связями между ними. Впервые эту идею высказал в 1858 немецкий химик Ф.Кекуле. Согласно его представлениям, молекулу можно изобразить с помощью структурной формулы, в которой указаны не только сами атомы, но и связи между ними. Межатомные связи должны также соответствовать пространственному расположению атомов. В таблице 1 отражена зависимость пространственного строения веществ от типа гибридизации.

«Пространственное строение частиц в зависимости от типа гибридизации». Приведите свои примеры веществ.

Тип гибриди-зации центрального атома

Пространственное строение частицы

Условное изображение

Примеры

sp

Линейное

ВеС12, ZnCl2, С2Н2

sp2

Плоскостно-тригональное

BCl3, N03-,CO32-, C2H4, C6H6

sp3

Тетраэдр

CH4, NH4+, SO42-, CC14

sp3

Тригональная пирамида

NH3, H30+

sp3

Угловое

Н20

Чем различаются понятия «свойства молекулы» и «свойства вещества»?

Подсказка. Допустим, вы открыли химический справочник и в статье «Азот» прочитали: «N2 – газ без цвета и запаха, tкип = –196 °С, tпл = –210 °С, энергия химической связи 940 кДж/моль». Какие из этих характеристик относятся к свойствам молекулы азота, а какие к свойствам простого вещества?

В состав молекулы может входить различное число атомов. Так, молекулы благородных газов одноатомны, молекулы таких веществ, как водород, азот, — двухатомны, воды — трехатомны и т.д. Молекулы наиболее сложных веществ — высших белков и нуклеиновых кислот — построены их такого количества атомов, которое измеряется сотнями тысяч. При этом атомы могут соединяться друг с другом не только в различных соотношениях, но и различным образом. Поэтому при сравнительно небольшом числе химических элементов число различных веществ очень велико.

Все ли вещества состоят из молекул?

Подсказка. Для ответа на этот вопрос обратитесь к строению таких веществ как металлы, алмаз, графит, хлорид натрия.

Не во всех случаях частицы, образующие вещество, представляют собой молекулы.

Многие вещества в твердом и жидком состоянии, например, большинство солей, имеют не молекулярную, а ионную структуру. Некоторые вещества имеют атомное строение. В веществах, имеющих ионное или атомное строение, носителем химических свойств являются не молекулы, а те комбинации ионов или атомов, которые образуют данное вещество.

Вспомните, какие типы связей и кристаллических решеток существуют? Чем определяются свойства веществ?

В зависимости от природы частиц, образующих кристалл, различают атомные, молекулярные, ионные и металлические кристаллические решетки

Таблица 2 «Зависимость свойств веществ от типа связи и кристаллических решеток»

Тип кристаллической решетки

Характерный вид химической связи

Частицы, располагающиеся в узлах решетки

Примеры веществ и их характерные свойства

Атомная

Ковалентная неполярная

Атомы

Некоторые неметаллы, оксиды и др. Чаще твердые вещества, обладающие высокой прочностью. Тугоплавки. Полупроводники и диэлектрики.

Молекулярная

Ковалентная неполярная и полярная

Молекулы

Неметаллы, оксиды, кислоты и др. Разнообразны по агрегатному состоянию и другим свойствам. Легко переходят из одного агрегатного состояния в другое. Летучи, легкоплавки.

Ионная

Ионная

Ионы

Соли, щелочи и др. Твердые вещества с высокими температурами плавления. Малолетучи. Хорошо растворяются в полярных растворителях.

Металлическая

Металлическая

Атомы и катионы металла

Металлы. Твердые вещества (кроме ртути) с металлическим блеском. Ковки, пластичны. Обладают тепловой и электрической проводимостью.

В настоящее время известен не один десяток миллионов разнообразных веществ. При этом все они образованы значительно меньшим числом химических элементов (современной науке достоверно известно 112 химических элементов).

Как объяснить такое разнообразие веществ?

Что такое аллотропия?

Приведите примеры аллотропных модификаций известных вам химических элементов. Дайте сравнительную характеристику их свойств.

Явление аллотропии характерно для большинства неметаллов и многих металлов. При этом образуемые ими аллотропные модификации могут различаться по составу, строению и типу кристаллических решеток.

Между аллотропными модификациями одного элементы возможны взаимные переходы. При этом все они имеют разную устойчивость. Как правило, при одних и тех же условиях более стабильна лишь одна из модификаций, обладающая минимальным запасом энергии. Остальные модификации при этих же условиях будут неустойчивы и рано или поздно перейдут в более устойчивую форму.

Что такое изомерия?

Изомерия – это явление, при котором существуют вещества, имеющие одинаковый состав, но разное химическое строение, а потому и свойства. Вещества, имеющие одинаковый состав, но разное химическое строение, а потому и разные свойства, называются изомерами.

Приведите примеры известных вам изомеров. Укажите, в чем заключаются различия их строения и свойств.

Явление изомерии характерно и для неорганических, и для органических веществ. Однако особенно ярко оно проявляется среди органических соединений, являясь важнейшей причиной их многообразия.

Таблица Изомерия органических соединений

Виды изомерии органических соединений

Структурная изомерия

Углеродного скелета

Положения функциональных групп

Положения кратных связей

Межклассовая

Пространственная изомерия

Конформационная

Геометрическая

Оптическая

Проиллюстрируйте указанные в таблице виды изомерии примерами.

Выводы:

Молекулы — это очередной после атомов качественный уровень строения и эволюции вещества.
Вещества имеют разный состав и строение.
Свойства веществ определяются их строением: характером связей, типом кристаллической решетки, пространственным расположением, порядком соединения атомов.
Зная строение вещества можно прогнозировать его свойства.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Задание 1. Вещество, в узлах кристаллической решетки которого находятся ионы, это...

Тип вариантов ответов: (Текстовые, Графические, Комбинированные).

а)	CaС12;

б)	NH3;

в)	I2;

г)	C (графит).

Правильный вариант/варианты (или правильные комбинации вариантов): а

Подсказка: В узлах ионных решеток располагаются, чередуясь, положительно и отрицательно заряженные ионы. К соединениям с ионной связью, образующим ионные решетки, относится большинство солей и небольшое число оксидов.

Задание 2. Соедините попарно прямоугольники с овалами так, чтобы каждому типу гибридизации атомных орбиталей углерода соответствовал пример молекулы.

Правильный вариант:

Подсказка: Тип гибридизации атомных орбиталей углерода определяется числом заместителей при этом атоме углерода:

четырем заместителям соответствует sp3-гибридизация;
трем заместителям — sр2-гибридизация;
двум заместителям — sp-гибридизация.