Конспект урока на тему "ПРОСТЫЕ ВЕЩЕСТВА"

В И Д Ы   Х И М И Ч Е С К О Й   С В Я З И

ПРОСТЫЕ   ВЕЩЕСТВА

Простые вещества делятся на два класса: металлы и неметаллы.

Металлы – это простые вещества, атомам которых легче отдать электроны.

Неметаллы – это простые вещества, атомам которых легче принять электроны.

В химических реакциях металлы, как правило, являются восстановителями, а неметаллы – окиcлителями.

Если у атомов на последнем электронном уровне мало электронов (1-3 электрона), то вещество является металлом. Если у атомов на последнем электронном уровне много электронов (5-7 электронов), то вещество является неметаллом.

Рассмотрим вещества, элементы которых находятся в IV группе главной подгруппы Периодической таблицы Д.И.Менделеева. Эти элементы на последнем электронном уровне имеют 4 электрона. К таким веществам относятся: С – углерод, Si – кремний, Ge – германий, Sn – олово, Pb – свинец. При этом С и Si – неметаллы, а Sn и Pb – металлы. 

Оказывается, на способность к приему или отрыву электронов влияет не только количество электронов на последнем электронном уровне, но и количество электронных уровней. У углерода С их два, у кремния Si их три, они не могут отдать свои электроны с последнего электронного уровня, так как эти электроны расположены близко к ядру и их трудно отрывать. У олова Sn и свинца Pb электронных уровней соответственно 5 и 6. Электроны последнего электронного уровня находятся далеко от ядра. Вот почему эти электроны слабо притягиваются к ядру и их легко оторвать.

Если количество электронов на последнем уровне и количество электронных уровней совпадают, то такие вещества относятся к металлам. Например, германий Ge, у которого 4 электронных уровня и на последнем уровне находится 4 электрона, является металлом.

Исключением является водород Н. Он имеет 1 электронный уровень, на котором находится 1 электрон, но водород является неметаллом. Отдать единственный электрон ему очень сложно. Атому водорода гораздо легче принять электрон, при этом только один, так как на 1-м электронном уровне может быть только 2 электрона.

Рассмотрим свойства металлов и неметаллов. Металлы – это простые вещества, атомам которых проще отдать электроны с последнего электронного уровня, чем принять, так как у них на последнем электронном уровне мало электронов и большое (по сравнению с количеством электронов) количество электронных уровней. Неметаллы – простые вещества, атомам которых проще принять электроны на последний электронный уровень, так как у них на этом уровне уже большое количество электронов, а количество электронных уровней маленькое по сравнению с указанным количеством электронов.

Если внимательно рассмотреть Периодическую таблицу Д.Б.Менделеева, то видно, что металлов значительно больше, чем неметаллов. К металлам относится вся побочная подгруппа веществ, у атомов которых на последнем электронном уровне, как правило, 2 электрона. Кроме того, к металлам относятся элементы, находящиеся в левом нижнем углу Таблицы, для которых характерно большое количество электронных уровней (большие номера периодов) и маленькое количество электронов на последнем электронном уровне (маленькие номера групп).

К неметаллам относятся только те элементы, которые находятся в правом верхнем углу Таблицы. Для них характерно маленькое количество электронных уровней (маленькие номера периодов) и большое количество электронов на последнем электронном уровне (большие номера групп).

Особое место занимает VIII группа (главная подгруппа) : He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn. Практически все эти элементы имеют на последнем электронном уровне максимальное количество электронов, равное 8, которое характерно для 2-го электронного уровня. Исключение составляет Не, атом которого имеет только один электронный уровень, на котором находится максимальное для этого уровня количество электронов, равное 2.

Атомам этих простых веществ не нужно ни принимать, ни отдавать электроны; они не вступают ни в какие химические реакции, не могут образовывать химическую связь и не являются ни металлами, ни неметаллами. Такие вещества имеют название инертные вещества.

ВИДЫ ХИМИЧЕСКИХ СВЯЗЕЙ

Существуют различные виды химической связи. Так, металлы образуют МЕТАЛЛИЧЕСКУЮ связь, неметаллы – КОВАЛЕНТНУЮ связь. Между металлами и неметаллами образуется ИОННАЯ химическая связь. Металлы стремятся отдать электроны с последнего электронного уровня, неметаллы стремятся принять электроны на последний электронный уровень – в результате образуются ионы.

Рассмотрим образование  МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ  связи на примере железа. Атомы железа имеют 4 электронных уровня, на последнем электронном уровне находится 2 электрона. Следовательно, железо является металлом.



Атомы стремятся отдать электроны с последнего электронного уровня, но рядом находятся только атомы железа, характеризующиеся такой же способностью. Так как атомам некому отдать свои электроны, они отдают эти электроны в межатомное пространство рядом с собой, превращаясь в положительно заряженные ионы.

В результате образуется структура, состоящая из положительно заряженных ионов металла и отрицательно заряженных электронов, распространенных между ними.

Fe2+ Fe2+ Fe2+ Fe2+  – слой положительных ионов металла

слой отрицательных электронов

Fe2+ Fe2+ Fe2+ Fe2+  – слой положительных ионов металла

Слои ионов металла и электронов прочно притягиваются друг к другу, а образовавшаяся структура напоминает слоёный пирог.

Можно сделать вывод, что металлическая связь – это связь между атомами металлов, возникающая при образовании положительных ионов металлов и свободных электронов, соединяющих эти ионы между собой.

Металлическая связь объясняет некоторые физические свойства металлов.

1) Электропроводность металлов

Известно, что электрический ток – это направленное движение электронов в веществе. Металлы имеют свободные электроны, которые могут двигаться. Следовательно, металлы способны проводить электрический ток.

2) Пластичность и ковкость металлов

Известно, что металлы при нагревании могут принимать ту форму, которую мы хотим им придать. Это объясняется тем, что в металлах слои положительных ионов и электронов могут двигаться относительно друг друга, как в слоеном пироге.

3) Прочность металлов

Это физическое свойство металлов обусловлено крепкой металлической кристаллической решеткой.

Рассмотрим возникновение  КОВАЛЕНТНОЙ  связи на примере кислорода. Напомним, что атом кислорода имеет 2 электронных уровня; на последнем электронном уровне находится 6 электронов. Следовательно, кислород является неметаллом.

Атомы стремятся принять электроны на последний электронный уровень, но вокруг нет атомов, способных дать эти электроны – рядом находятся только аналогичные атомы. К атому кислорода подходит такой же атом кислорода и они объединяют два своих электрона с последнего электронного уровня, образуя общие электронные пары.

Образование этих общих электронных пар приводит к тому, что у каждого атома кислорода на последнем электронном уровне находится по 8 электронов. Иными словами, два атома кислорода соединяются между собой за счет образования общих электронных пар. Вот почему химические формулы неметаллов O2, H2, N2, F2, Cl2, Br2, I2 пишутся с индексом 2.

Ковалентная связь – это связь между атомами неметаллов, возникающая за счет образования общих электронных пар между этими атомами. Важно, что ковалентная связь образуется между всеми атомами неметаллов. Однако формулы остальных неметаллов не записываются с индексом 2, так как они образуют более сложные структуры.

Если ковалентная связь образуется между одинаковыми атомами неметаллов. то такая связь называется НЕПОЛЯРНОЙ. Если ковалентная связь образуется между разными атомами неметаллов, то такая связь называется ПОЛЯРНОЙ.

Рассмотрим процессы образования различных видов ковалентной связи на примере водорода Н2 (Н-Н) и кислорода О2 (О=О).

Ковалентная связь, возникшая в молекуле кислорода, называется неполярной, так как образовавшиеся электронные пары находятся посередине между атомами кислорода и никуда не смещаются. Иными словами, эти электронные пары не образуют полюсов.

И водород, и кислород – неметаллы. Следовательно, и между ними может образоваться ковалентная связь. 

Такая ковалентная связь называется полярной, так как образовавшиеся электронные пары смещены к одному из атомов, в данном случае – к кислороду. В результате в молекуле воды на кислороде образуется полюс (-), а на водороде полюс (+), как на магните. 

Ковалентная связь очень напоминает ионную связь, в которой электроны переходят от одного атома к другому, образуя противоположно заряженные ионы. Рассмотрим процесс образования молекулы воды.

Н2 + 1/2 О2 ---> Н2О 

При химическом взаимодействии водород отдает свои электроны и является восстановителем, кислород  принимает электроны и является окислителем.

На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

КОВАЛЕНТНАЯ  НЕПОЛЯРНАЯ  СВЯЗЬ – это связь между одинаковыми атомами неметаллов за счет образования общих электронных пар, которые не смещаются ни к одному из атомов и не образуют полюсов.

КОВАЛЕНТНАЯ  ПОЛЯРНАЯ  СВЯЗЬ –  это связь между разными атомами неметаллов за счет образования между ними общих электронных пар, которые смещены к одному из атомов, что приводит к образованию полюсов (+) и (-).

Рассмотрим различные виды химических связей на примере натрия, азота, кальция и хлора.

1) Na – натрий имеет 3 электронных уровня, на последнем электронном уровне находится 1 электрон. Следовательно, натрий является металлом, которому легче отдавать электрон, чем принимать. Между атомами натрия образуется металлическая связь (металлическая кристаллическая решетка).

2) N2 – азот имеет 2 электронных уровня, на последнем уровне находится 5 электронов. Следовательно, азот является неметаллом, которому легче принимать электроны, чем отдавать. Между атомами азота образуется ковалентная неполярная связь. Благодаря этому в химической формуле азота появляется индекс 2.

3) Са – кальций имеет 4 электронных уровня, на последнем электронном уровне находится 2 электрона. Следовательно, кальций является металлом, которому легче отдавать электроны, чем принимать. Между атомами кальция образуется металлическая связь (возникает металлическая кристаллическая решетка).

4) Сl2 – хлор имеет 3 электронных уровня и на последнем электронном уровне содержит 7 электронов. Следовательно, хлор является неметаллом, которому легче принимать электроны, чем отдавать. Между атомами хлора образуется ковалентная неполярная связь. Именно поэтому в химической формуле хлора появляется индекс (2). 

Между двумя различными неметаллами образуется КОВАЛЕНТНАЯ ПОЛЯРНАЯ  СВЯЗЬ.

В качестве примера рассмотрим процесс образования хлорида азота.

      0               0          +3 -1

1/2 N2 + 3/2 Cl2 ---> NCl3

Азот отдает свои электроны и является восстановителем, а хлор принимает электроны и является окислителем. 

Реакцию обычно записывают в ином виде:

N2 + 3 Cl2 ---> 2 NCl3

Рассмотрим примеры образования ИОННОЙ  СВЯЗИ, возникающей между металлами и неметаллами.

Образование нитрида натрия

    0           0          +1  -3

3 Na + 1/2 N2 ---> Na3N

Атомы натрия отдают электроны, натрий является восстановителем, атомы азота принимают электроны, азот – окислитель. 

Образование нитрида кальция

    0      0          +2 -3

3 Са + N2 ---> Сa3N2

В данном примере каждый атом кальция отдаёт 2 электрона, кальция – восстановитель; каждый атом азота принимает 3 электрона, азот – окислитель.

Образование хлорида натрия (пищевой соли)

    0        0            +1 -1 

2 Na +  Cl2 ---> 2 NaCl

Каждый атом натрия отдает по одному электрону хлору, а потому натрий – восстановитель, а хлор – окислитель.

Образование хлорида кальция

Ca + Cl2 ---> CaCl2

Каждый атом кальция отдаёт 2 электрона двум атомам хлора. Следовательно, кальций – восстановитель, хлор – окислитель.

Подведём некоторые итоги. 

Между атомами натрия, азота, кальция и хлора в разных сочетаниях может образоваться 4 вида химической связи. Рассмотрим возможные варианты этих связей:

между атомами натрия образуется  МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ  связь

между атомами азота – КОВАЛЕНТНАЯ  НЕПОЛЯРНАЯ  связь

между атомами кальция – МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ связь

между атомами хлора – КОВАЛЕНТНАЯ  НЕПОЛЯРНАЯ  связь

между атомами натрия и азота – ИОННАЯ  связь

между атомами кальция и азота – ИОННАЯ  связь

между атомами натрия и хлора – ИОННАЯ  связь

между атомами кальция и хлора – ИОННАЯ  связь

между атомами азота и хлора – КОВАЛЕНТНАЯ  ПОЛЯРНАЯ  связь

Итак, в данной ситуации могут образоваться связи:

металлическая связь – 2 раза

ковалентная неполярная связь – 2 раза

ковалентная полярная связь – 1 раз

ионная связь – 4 раза.