Upload
others
View
26
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
3
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 7
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИИ
1�1� Современные представления о строении атома � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 10
1�1�1� Атом� Состав ядра � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 10
1�1�2� Электронная конфигурация атома� Основное и возбуждённое состояние атомов� Строение электронных оболочек атомов элементов первых четырёх периодов: s-, р- и d-элементы � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 20
1�2� Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д� И� Менделеева � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 32
1�2�1� Закономерности изменения свойств элементов и их соединений по периодам и группам � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 32
1�2�2� Общая характеристика металлов IА–IIIА групп в связи с их положением в Периодической системе химических элементов Д� И� Менделеева и особенностями строения их атомов� Характеристика переходных элементов (меди, цинка, хрома, железа) по их положению в Периодической системе химических элементов Д� И� Менделеева и особенностям строения их атомов � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 39
1�2�3� Общая характеристика неметаллов IVА–VIIА групп в связи с их положением в Периодической системе Д� И� Менделеева и особенностями строения их атомов � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 49
1�3� Химическая связь и строение вещества � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 56
1�3�1� Типы химических связей и их характеристики� Электроотрицательность� Степень окисления и валентность химических элементов � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 56
1�3�2� Вещества молекулярного и немолекулярного строения� Тип кристаллической решётки� Зависимость свойств веществ от их состава и строения � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 70
1�4� Химическая реакция � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 76
1�4�1� Классификация химических реакций в неорганической и органической химии � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 76
1�4�2� Тепловой эффект химической реакции� Термохимические уравнения � � � � � 83
1�4�3� Скорость реакции, её зависимость от различных факторов � � � � � � � � � � � � � � � � 87
1�4�4� Обратимые и необратимые химические реакции� Химическое равновесие� Смещение химического равновесия под действием различных факторов � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 94
1�4�5� Электролитическая диссоциация электролитов в водных растворах� Сильные и слабые электролиты � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 98
1�4�6� Реакции ионного обмена � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 105
1�4�7� Гидролиз солей� Среда водных растворов: кислая, нейтральная, щелочная � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 109
4
СОДеРжАнИе
1�4�8� Реакции окислительно-восстановительные� Коррозия металлов и способы защиты от неё � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 113
1�4�9� Электролиз расплавов и растворов (солей, щелочей, кислот) � � � � � � � � � � � � � 119
1�4�10� Ионный (правило В� В� Марковникова) и радикальный механизмы реакций в органической химии � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 124
2. НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
2�1� Классификация неорганических веществ� номенклатура неорганических веществ (тривиальная и международная) � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 128
2�2� Характерные химические свойства простых веществ-металлов: щелочных, щёлочноземельных, алюминия; переходных металлов (меди, цинка, хрома, железа) � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 135
2�2�1� Характеристика химического элемента � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 135
2�2�2� Щелочные металлы � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 143
2�2�3� Щёлочноземельные металлы � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 143
2�2�4� Алюминий � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 145
2�2�5� Медь� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 148
2�2�6� Цинк � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 149
2�2�7� Хром � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 150
2�2�8� железо � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 150
2�3� Характерные химические свойства простых веществ-неметаллов: водорода, галогенов, кислорода, серы, азота, фосфора, углерода, кремния � � � � � � 154
2�3�1� Химические свойства неметаллов � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 155
2�3�2� Водород � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 159
2�3�3� Галогены � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 162
2�3�4� Кислород � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 164
2�3�5� Сера � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 167
2�3�6� Азот � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 171
2�3�7� Фосфор � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 177
2�3�8� Углерод � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 181
2�3�9� Кремний � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 185
2�4� Характерные химические свойства оксидов: основных, амфотерных, кислотных � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 189
2�5� Характерные химические свойства оснований и амфотерных гидроксидов � � 192
2�6� Характерные химические свойства кислот � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 195
2�7� Характерные химические свойства солей: средних, кислых, основных, комплексных (на примере соединений алюминия и цинка) � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 200
2�8� Взаимосвязь различных классов неорганических веществ � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 204
3. ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
3�1� Теория строения органических соединений: гомология и изомерия (структурная и пространственная)� Взаимное влияние атомов в молекулах � � � � � � 209
5
СОДеРжАнИе
3�2� Типы связей в молекулах органических веществ� Гибридизация атомных
орбиталей углерода� Радикал� Функциональная группа � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 216
3�3� Классификация органических веществ� номенклатура органических
веществ (тривиальная и международная) � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 221
3�4� Характерные химические свойства углеводородов: алканов,
циклоалканов, алкенов, диенов, алкинов, ароматических углеводородов
(бензола и толуола) � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 227
3�4�1� Алканы � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 228
3�4�2� Алкены � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 231
3�4�3� Алкадиены � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 233
3�4�4� Алкины � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 236
3�4�5� Ароматические углеводороды (бензол и толуол) � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 238
3�5� Характерные химические свойства предельных одноатомных
и многоатомных спиртов, фенола � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 241
3�5�1� Предельные одноатомные и многоатомные спирты � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 242
3�5�2� Фенолы � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 244
3�6� Характерные химические свойства альдегидов, предельных
карбоновых кислот, сложных эфиров � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 247
3�6�1� Альдегиды � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 247
3�6�2� Карбоновые кислоты � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 248
3�6�3� Сложные эфиры � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 251
3�7� Характерные химические свойства азотсодержащих органических
соединений: аминов и аминокислот � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 253
3�8� Биологически важные вещества: жиры, белки, углеводы
(моносахариды, дисахариды, полисахариды) � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 258
3�8�1� Биологически важные вещества: жиры � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 259
3�8�2� Биологические важные вещества: белки � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 262
3�8�3� Биологически важные вещества: углеводы (моносахариды, дисахариды, полисахариды) � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 266
3�9� Взаимосвязь органических соединений � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 274
4. МЕТОДЫ ПОЗНАНИЯ В ХИМИИ. ХИМИЯ И ЖИЗНЬ
4�1� Экспериментальные основы химии � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 278
4�1�1� Правила работы в лаборатории� научные методы исследования химических веществ и превращений � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 278
4�1�2� научные методы исследования в химии � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 283
4�1�3� Определение характера среды водных растворов веществ� Индикаторы� Качественные реакции на неорганические вещества и ионы� Качественные реакции органических соединений � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 289
4�1�4� Качественные реакции на неорганические вещества и ионы � � � � � � � � � � � � � 292
4�1�5� Основные способы получения (в лаборатории) конкретных веществ, относящихся к изученным классам неорганических соединений � � � � � � � � � � � � � � � 297
СОДеРжАнИе
4�1�6� Основные способы получения углеводородов (в лаборатории)� Основные способы получения кислородсодержащих соединений (в лаборатории) � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 302
4�2� Общие представления о промышленных способах получения важнейших веществ � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 306
4�2�1� Понятие о металлургии: общие способы получения металлов � � � � � � � � � � � � 306
4�2�2� Общие научные принципы химического производства (на примере промышленного получения аммиака, серной кислоты, метанола)� Химическое загрязнение окружающей среды и его последствие � � � � � � � � � � � � � � � 311
4�2�3� Природные источники углеводородов, их переработка � � � � � � � � � � � � � � � � � � 320
4�2�4� Высокомолекулярные соединения� Реакции полимеризации и поликонденсации� Полимеры� Пластмассы, волокна� Каучуки � � � � � � � � � � � � � � � � 325
4�3� Расчёты по химическим формулам и уравнениям реакций � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 333
4�3�1� Расчёты с использованием понятия «массовая доля вещества в растворе» � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 337
4�3�2� Расчёты объёмных отношений газов при химических реакциях � � � � � � � � � � 338
4�3�3� Расчёты массы вещества или объёма газов по известному количеству вещества, массе или объёму одного из участвующих в реакции веществ � � � � � � � 340
4�3�4� Расчёты теплового эффекта реакции � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 341
4�3�5� Расчёты массы (объёма, количества вещества), продуктов реакции, если одно из веществ дано в избытке (имеются примеси) � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 342
4�3�6� Расчёты массы (объёма, количества вещества) продукта реакции, если одно из веществ дано в виде раствора с определённой массовой долей растворённого вещества � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 343
4�3�7� нахождение молекулярной формулы вещества � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 344
4�3�8� Расчёты массовой или объёмной доли выхода продукта реакции от теоретически возможного � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 345
4�3�9� Расчёты массовой доли (массы) химического соединения в смеси � � � � � � � � 346
ПРИЛОЖЕНИЕ
Таблица 1� Периодическая система химических элементов Д� И� Менделеева � � � 359
Таблица 2� Таблица растворимости � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 360
Таблица 3� Электроотрицательность химических элементов (по шкале Оллреда – Рохова) � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 361
Таблица 4� некоторые важнейшие физические постоянные � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 361
Таблица 5� названия кислот и образуемых ими солей � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 362
Предметный указатель � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 364
7
ПРЕДИСЛОВИЕ
Уважаемый читатель!
В ваших руках — справочник по химии, который станет помощ-
ником при обучении в 5–11 классах, поможет сдать экзамены, даст
возможность без труда поступить в вуз.
В этом справочнике вы найдёте теоретический материал по всем
темам, которые проверяются на ОГЭ и ЕГЭ. Для итогового контроля
при освоении каждой темы в справочнике приведены типовые во-
просы, организованные как задания в учебнике, на ОГЭ и ЕГЭ.
Каждая тема включает в себя три основных блока:
• «Основные понятия» — ключевые термины данной темы;
• «Объяснение и важные примеры» — изложение теоретического
материала и примеры практической реализации теории;
• «Типовые задания» — образцы практических заданий, которые
дают представление о форме контроля в рамках школьных заня-
тий, при проведении ОГЭ и ЕГЭ.
Теоретический материал изложен ёмко и доступно. Разделы, по-
свящённые различным темам, удобно структурированы и позволяют
быстро освежить в памяти содержание школьного курса и успешно
ответить на соответствующие вопросы. Для удобства работы в посо-
бии представлены соответствующие рисунки и таблицы.
В конце справочника приведён тематический указатель, кото-
рый поможет легко найти интересующую вас информацию.
8
ПРеДИСЛОВИе
Как пользоваться справочником
Вспоминаем термины Освежаем в памяти теорию
Знакомимся с интересными фактами
Выполняем задания
9
ПРеДИСЛОВИе
Ищем по названию разделаОриентируемся по номеру
подразделаИзучаем таблицы
Пользуемся схемами
10
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИИ
1.1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРОЕНИИ АТОМА
1.1.1. Атом. Состав ядра
Определения
�� Химия — наука о веществах, их свойствах и превраще ниях.
�� Вещество — то, из чего состоят физические тела.
�� Атом — сложная нейтральная частица, состоящая из прото-
нов, электронов и нейтронов.
Из курса физики вам известно, что многие вещества состо-
ят из молекул, а молекулы — из атомов. Атомы так малы,
что на острие иглы может поместиться множество миллиардов
этих частиц. Тем не менее различают всего 114 видов атомов.
Определённый вид атомов называют химическим элементом.
�� Орбиталь электрона (электронное облако) — пространство во-
круг ядра атома, где наиболее вероятно нахождение данного
электрона. Орбитали могут иметь различную форму и обозна-
чаются буквами s, р, d и f.
�� Протоны (11p или p+) — частицы, имеющие заряд +1 и массу,
равную массе атома водорода. Количество протонов в ядрах
атомов элементов — всегда постоянное число.
�� Нейтроны (01n или n0) — частицы, не имеющие заряда, с мас-
сой, равной массе протона, т. е. 1. Число нейтронов рассчиты-
вают по формуле N = A – Z, где Z — порядковый номер эле-
мента, т. е. число протонов; A — массовое число, равное сумме
чисел протонов и нейтронов.
11
1�1� СОВРеМенные ПРеДСТАВЛенИя О СТРОенИИ АТОМА
�� Изотопы — разновидности атомов с одинаковым зарядом ядра,
но разными массами.
�� Спин — собственный момент количества движений элементар-
ной частицы
Объяснение и важные примеры
Вещества, которые образованы атомами одного химического
элемента, называют простыми.
Вещества, которые образованы атомами разных химических
элементов, называют сложными.
Каждый химический элемент существует в трёх формах: свобод-
ные атомы, простые вещества и сложные вещества (рис. 1).
а) б) в)
Рис. 1. Форма существования химического элемента водорода:
а) атомы водорода; б) молекулы водорода; в) атомы водорода
в молекуле воды
Электроны. Ирландский физик Джордж Стони на основании
опытов пришёл к выводу, что электричество переносится мельчай-
шими частицами, существующими в атомах всех химических эле-
ментов. В 1891 г. Стони предложил назвать эти частицы электрона-
ми (от греч. «янтарь»).
Через несколько лет после того как электрон получил своё назва-
ние, английский физик Джозеф Томсон и французский физик Жан
Перрен доказали, что электроны несут на себе отрицательный заряд.
Это наименьший отрицательный заряд, который в химии принят
за единицу (–1). Томсон даже сумел определить для электрона ско-
рость движения (она равна скорости света — 300 000 км/с) и массу
(в 1837 раз меньше массы атома водорода).
Томсон и Перрен соединяли полюса источника тока с двумя ме-
таллическими пластинами — катодом и анодом, впаянными в сте-
клянную трубку, из которой был откачан воздух (рис. 2).
12
1� ТеОРеТИчеСКИе ОСнОВы ХИМИИ
Поток электронов
Свечениестекла
À
Ê
Рис. 2. Катодная трубка Томсона
При подаче на пластины-электроды напряжения около 10 тысяч
вольт в трубке вспыхивал светящийся разряд, а от катода (отрица-
тельного полюса) к аноду (положительному полюсу) летели частицы,
которые учёные сначала называли катодными лучами, а затем вы-
яснили, что это был поток электронов. Электроны, ударяясь об осо-
бые вещества, нанесённые, например, на экран телевизора, вызыва-
ют свечение.
Был сделан вывод: электроны вырываются из атомов материала,
из которого сделан катод.
Свободные электроны или их поток можно получить и другими
способами, например при накаливании металлической проволоки
или при падении света на металлы, образованные элементами глав-
ной подгруппы I группы таблицы Д. И. Менделеева.
Состояние электронов в атоме. Под состоянием электрона в атоме
понимают совокупность информации об энергии определённого элек-
трона в пространстве, где он находится. Мы уже знаем, что электрон
в атоме не имеет траектории движения, т. е. можно говорить лишь
о вероятности нахождения его в пространстве вокруг ядра. Он мо-
жет находиться в любой части этого пространства, и совокупность
различных его положений рассматривают как электронное облако
с определённой плотностью отрицательного заряда. Образно это мож-
но представить себе так: если бы удалось с интервалом в сотые или
миллионные доли секунды сфотографировать положение электрона
в атоме, то он на таких фотографиях был бы представлен в виде точ-
ки. При наложении бесчисленного множества таких фотографий по-
лучилась бы картина электронного облака с наибольшей плотностью
там, где этих точек больше всего.
13
1�1� СОВРеМенные ПРеДСТАВЛенИя О СТРОенИИ АТОМА
На рис. 3 показан «разрез» такой электронной плотности в ато-
ме водорода, проходящий через ядро, а штриховой линией ограниче-
на сфера, внутри которой вероятность
обна ружения электрона составляет 90 %.
Ближайший к ядру контур охватывает об-
ласть пространства, в которой вероятность
обнаружения электрона — 10 %. Вероят-
ность обнаружения электрона внутри второ-
го от ядра контура составляет 20 %, внутри
третьего — около 30 % и т. д. В со сто янии
электрона есть некая неопределённость.
Чтобы охарактеризовать это особое состоя-
ние, немецкий физик В. Гейзенберг ввёл
понятие о принципе неопределённости,
т. е. показал, что невозможно определить одновременно и точно
энергию и местоположение электрона. Чем точнее определена энер-
гия электрона, тем неопределённее его положение, и наоборот, опре-
делив положение, нельзя определить энергию электрона. Область
вероятности обнаружения электрона не имеет чётких границ. Одна-
ко можно выделить пространство, где вероятность нахождения элек-
трона максимальна.
Пространство вокруг атомного ядра, в котором наиболее вероят-
но нахождение электрона, называется орбиталью.
В орбитали заключено приблизительно 90 % электронного обла-
ка, и это означает, что около 90 % времени электрон находится
в этой части пространства. По фор-
ме различают 4 известных ныне
типа орбиталей, которые обознача-
ются латинскими буквами s, р,
d и f. Графическое изображение не-
которых форм электронных орбита-
лей представлено на рис. 4.
Важнейшей характеристикой
движения электрона на опреде-
лённой орбитали является энергия его связи с ядром. Электроны,
обладающие близкими значениями энергии, образуют единый элек-
тронный слой, или энергетический уровень. Энергетические уровни
нумеруют, начиная от ядра: 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7.
Целое число п, обозначающее номер энергетического уровня,
называют главным квантовым числом. Оно характеризует энергию
Рис. 3. Электронное облако атома водорода
p
d
s
Рис. 4. Форма s-, p- и d‑орбиталей
14
1� ТеОРеТИчеСКИе ОСнОВы ХИМИИ
электронов, занимающих данный энергетический уровень. Наимень-
шей энергией обладают электроны первого энергетического уровня,
наиболее близкого к ядру. По сравнению с электронами первого
уровня электроны последующих уровней характеризуются большим
запасом энергии. Следовательно, наименее прочно связаны с ядром
атома электроны внешнего уровня.
Число энергетических уровней (электронных слоёв в атоме) рав-
но номеру периода в системе Д. И. Менделеева, которому принадле-
жит химический элемент: у атомов элементов первого периода один
энергетический уровень, второго периода — два, седьмого перио-
да — семь.
Наибольшее число электронов на энергетическом уровне опреде-
ляется по формуле:
N = 2n2,
где N — максимальное число электронов; n — номер уровня, или
главное квантовое число. Следовательно, на первом, ближайшем
к ядру энергетическом уровне может находиться не более двух элек-
тронов; на втором — не более 8; на третьем — не более 18; на чет-
вёртом — не более 32 и т. д.
А как, в свою очередь, устроены энергетические уровни (элек-
тронные слои)?
Начиная со второго энергетического уровня (n = 2), каждый
из уровней подразделяется на подуровни (подслои), несколько отли-
чающиеся друг от друга энергией связи с ядром.
Число подуровней равно значению главного квантового числа:
первый энергетический уровень имеет один подуровень; второй —
два; третий — три; четвёртый — четыре подуровня. Подуровни,
в свою очередь, образованы орбиталями.
Каждому значению n соответствует число орбиталей, равное n2.
По данным, представленным в таблице 1, можно проследить
связь главного квантового числа n с числом подуровней, типом и чи-
слом орбиталей и максимальным числом электронов на подуровне
и уровне.
Подуровни принято обозначать латинскими буквами, как и фор-
му орбиталей из которых они состоят: s, р, d, f.
s-подуровень — первый, ближайший к ядру атома подуровень
каждого энергетического уровня, состоит из одной s-орбитали; р-под-
уровень — второй подуровень каждого, кроме первого, энергетиче-
ского уровня, состоит из трёх р-орбиталей; d-подуровень — третий
15
1�1� СОВРеМенные ПРеДСТАВЛенИя О СТРОенИИ АТОМА
подуровень каждого энергетического уровня, начиная с третьего, со-
стоит из пяти d-орбиталей; f-подуровень — четвёртый подуровень
каждого, начиная с четвёртого, энергетического уровня, состоит
из семи f-орбиталей.
Таблица 1. Главное квантовое число, типы и число орбиталей, максимальное число
электронов на подуровнях и уровнях
Энер ге тический
уровень (п)
Число п
од уровней,
равное п
Тип о
рбитали Число
орбиталей
Максимальное
число электронов
в под-
уровне
в уров-
не, рав-
ное п2
на под-
уровне
на уров-
не, рав-
ное 2п2
K
(n = 1)1 1s 1 1 2 2
L (n = 2) 2
2s 1
4
2
8
2p 3 6
M
(n = 3)3
3s 1
9
2
183p 3 6
3d 5 10
N
(n = 4)4
4s 1
16
2
32
4p 3 6
4d 5 10
4f 7 14
Ядро атома. В состав атомов входят не только электроны.
Физик Анри Беккерель обнаружил, что природный минерал, со-
держащий соль урана, также испускает некое излучение, засвечивая
фотоплёнки, закрытые от света. Это явление было названо радиоак-
тивностью.
16
1� ТеОРеТИчеСКИе ОСнОВы ХИМИИ
Различают три вида радиоактивных лучей:
1) a-лучи, которые состоят из a-частиц, имеющих заряд в два раза
больше заряда электрона, но с положительным знаком, и массу
в четыре раза больше массы атома водорода;
2) b-лучи — поток электронов;
3) γ-лучи — электромагнитные волны с ничтожно малой массой,
не несущие электрического заряда.
Следовательно, атом имеет сложное строение — состоит из поло-
жительно заряженного ядра и электронов.
Как же устроен атом? В 1910 году в Кембридже, близ Лондона,
Э. Резерфорд со своими учениками и коллегами изучал рассеяние
a-частиц, проходящих через золотую фольгу и падающих на экран.
Альфа-частицы обычно отклонялись от первоначального направле-
ния всего на один градус, подтверждая, казалось бы, равномерность
и однородность свойств атомов золота. И вдруг исследователи заме-
тили, что некоторые a-частицы резко меняют направление своего
пути, наталкиваясь на какую-то преграду.
Разместив экран перед фольгой, Резерфорд сумел обнаружить
даже те редчайшие случаи, когда a-частицы, отразившись от атомов
золота, летели в противоположном направлении.
Расчёты показали, что наблюдаемые явления могли произойти,
если бы вся масса атома и весь его положительный заряд были сосре-
доточены в крохотном центральном ядре. Радиус ядра, как выясни-
лось, в 100 000 раз меньше радиуса всего атома, т. е. той его области,
в которой находятся электроны, имеющие отрицательный заряд.
Атом любого химического элемента сравним с Солнечной систе-
мой. Поэтому модель атома, предложенную Резерфордом, называют
планетарной.
Протоны и нейтроны. Оказывается, и крошечное атомное ядро,
в котором сосредоточена вся масса атома, состоит из частиц двух
видов — протонов и нейтронов.
Протоны имеют заряд, равный заряду электронов, но противо-
положный по значению (+1), и массу, равную массе атома водорода
(она принята в химии за единицу). Обозначаются протоны знаком 11 p
(или +p). Нейтроны не несут заряда, они нейтральны и имеют массу,
равную массе протона, т. е. 1. Обозначают нейтроны знаком 01 n (или
0n). Электроны обозначают e.
Протоны и нейтроны вместе называют нуклонами (от лат.
nucleus — ядро).
17
1�1� СОВРеМенные ПРеДСТАВЛенИя О СТРОенИИ АТОМА
Сумма числа протонов и нейтронов в атоме называется массо-
вым числом. Например, массовое число атомов алюминия:
13 + 14 = 27
число
протонов Z
число
нейтронов N
массовое
число A
Так как ничтожно малой массой электрона можно пренебречь,
то очевидно, что в ядре сосредоточена вся масса атома.
Поскольку атом электронейтрален, то также очевидно, что чи-
сло протонов и электронов в атоме одинаково. Оно равно порядко-
вому номеру химического элемента, присвоенному ему в Периоди-
ческой системе. Например, в ядре атома железа содержится 26 про-
тонов, а вокруг ядра вращается 26 электронов. А как определить
число нейтронов?
Как известно, масса атома складывается из массы протонов
и нейтронов. Зная порядковый номер элемента (Z), т. е. число прото-
нов, и массовое число (A), равное сумме чисел протонов и нейтронов,
можно найти число нейтронов (N) по формуле:
N = A – Z.
Например, число нейтронов в атоме железа: 56 – 26 = 30.
В таблице 2 представлены основные характеристики элементар-
ных частиц.
Таблица 2. Основные характеристики элементарных частиц
Частица и её обозначение
Масса Заряд Примечание
Протон, p+ 1 +1Число протонов равно по-
рядковому номеру элемента
Нейтрон, n0 1 0Число нейтронов находят
по формуле N = A – Z
Электрон, e1
1837–1
Число электронов равно по-
рядковому номеру элемента
Изотопы. Разновидности атомов одного и того же элемента, име-
ющие одинаковый заряд ядра, но разное массовое число, называются
изотопами.