Учебное пособие Санкт-Петербург




НазваниеУчебное пособие Санкт-Петербург
страница1/18
Дата конвертации03.02.2013
Размер0.99 Mb.
ТипУчебное пособие
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   18



Федеральное агентство по образованию


Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный технологический институт

(Технический университет)


Кафедра неорганической химии

В.И.Башмаков, С.А.Симанова, Т.Б.Пахомова, Е.А.Александрова




ХИМИЯ ЭЛЕМЕНТОВ.

ЧАСТЬ I. S-ЭЛЕМЕНТЫ


Учебное пособие


Санкт-Петербург

2008

УДК 546(07)


Башмаков, В.И. Химия элементов. Часть I. S-элементы [Текст]: учебное пособие / С.А. Симанова, Т.Б. Пахомова, Е.А. Александрова. – СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2008. – 79 с.




Учебное пособие освещает вопросы химии s-элементов I и II групп Периодической системы Д.И.Менделеева – нахождение в природе, получение простых веществ, химические свойства щелочных и щелочноземельных металлов, а также водорода, бериллия и магния, и их важнейших соединений.

Предназначено для студентов I курса, очной и заочной форм обучения химико-технологических специальностей, а также бакалавров, магистров и аспирантов СПбГТИ(ТУ), обучающихся по специальности «неорганическая химия» Учебное пособие соответствует разделу «Простые вещества и соединения I и II групп (главные подгруппы) Периодической системы» рабочей программы дисциплины «Общая и неорганическая химия».


Библиогр. 2 назв.


Рецензенты: 1 Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий. Ю.А.Макашов, зав. кафедрой общей

неорганической и аналитической химии, д-р хим. наук

2 Н.В.Абовская, канд. хим. наук, доцент кафедры аналитической химии СПбГТИ(ТУ)


Утверждено на заседании Ученого совета химического отделения СПбГТИ(ТУ) 19.06.2008


Рекомендовано к изданию РИСо СПбГТИ(ТУ)

ВВЕДЕНИЕ



Согласно электронному строению атомов элементы главных подгрупп I и II групп Периодической системы Д. И. Менделеева относятся к s-элементам. Кроме водорода все они являются металлами. Издавна металлы I группы называются щелочными, поскольку их оксиды, реагируя с водой, образуют сильные основания – щёлочи. Металлы II группы, за исключением бериллия и магния, называются щелочноземельными, что отражает сходство их оксидов с оксидами щелочных металлов, а также с оксидом алюминия – типичным представителем тугоплавких и малорастворимых оксидов, которые со времён алхимиков называли «землями». К s-элементам относится также гелий, который находится в VIII группе, однако по физическим и химическим свойствам гелий является благородным газом и его свойства описаны в соответствующем разделе.

Настоящее пособие предназначено для студентов I курса СПбГТИ(ТУ) очной и заочной форм обучения химико-технологических специальностей, бакалавров и специалистов. Изложенный материал адаптирован к рабочей программе дисциплины «Общая и неорганическая химия» СПбГТИ(ТУ). Пособие будет полезно также магистрам и аспирантам для подготовки к экзамену по неорганической химии.


1 ВОДОРОД




1.1 Краткая характеристика элемента. Нахождение в природе. Изотопы




Согласно современным представлениям, водород является особым элементом. Размещение его в той или иной группе Периодической системы в значительной степени условно. Ещё в первых вариантах таблицы Д.И.Менделеев выделял его в особую графу, так как по химическим и физическим свойствам не находил ему аналогов. Только после открытия строения атома и установления причин периодичности водород разместили в главной подгруппе I-ой группы. Действительно, электронная конфигурация водорода 1s1 подобна конфигурации валентных электронов щелочных металлов  ns1. Подобие атомных спектров поглощения и испускания, выраженные восстановительные свойства, проявление в соединениях степени окисления +1, образование в растворах гидратированных ионов Н+aq указывает на сходство водорода и щелочных металлов. Однако водород при обычных условиях не является металлом. Его нельзя считать электронным аналогом щелочных металлов  валентный электрон атома водорода находится непосредственно в электростатическом поле ядра, а у щелочных металлов валентный электрон экранирован от ядра предыдущими электронными слоями. Поэтому энергия ионизации атома водорода (I1 = 13,6 эВ) намного больше энергии ионизации атомов щелочных металлов (I1(Li) = 5,39 эВ; I1(Na) = 5,13 эВ). В состоянии свободного иона Н+(г) водород представляет собой элементарную частицу  протон, поведение которой в химических процессах существенно отличается от ионов щелочных металлов.

Для завершения внешнего электронного слоя атому водорода не достаёт одного электрона, а это сближает его с галогенами. Образующийся при присоединении атомом водорода электрона гидрид-ион Н проявляет некоторое сходство с галогенид-ионами  F, Cl, Br и I. Как и галогенид-ионы, Н образует ионные соединения, например со щелочными металлами (LiH), в которых водород проявляет степень окисления 1. Гидрид-ион может выполнять и роль лиганда в комплексных соединениях. С галогенами водород связывают неметаллические свойства, двухатомность молекул простого вещества, ковалентность связи в молекуле Н2, наличие в большинстве соединений ковалентных полярных связей. Указанные свойства водорода объясняют тот факт, что его иногда помещают во главе 7-ой группы Периодической таблицы. Однако имеются и существенные отличия водорода от галогенов. Энергия связи в молекуле водорода (435,9 кДж/моль) существенно больше энергий связи в молекулах галогенов (Есв.(F2)=151кДж/моль, Есв.(Cl2)=243кДж/моль), а диссоциация молекул водорода на атомы происходит при температурах выше 2000С. Поэтому водород, в отличие от галогенов, при комнатных температурах химически не активен. Окислительные свойства молекулярного водорода выражены очень слабо и проявляются лишь при взаимодействии с щелочными и щелочноземельными металлами. Гидриды щелочных металлов, в отличие от галогенидов, разлагаются водой с выделением водорода.

Водород обладает наполовину заполненным внешним электронным слоем, что делает его подобным элементам четвёртой группы. Это проявляется в близости первых потенциалов ионизации (у углерода I1 =11,26 эВ), и величин относительной электроотрицательности (ОЭОН=2,1, ОЭОС=2,5, ОЭОSi=1,8), в близости окислительно-восстановительных свойств простых веществ.

Специфика строения атома водорода обуславливает особый и характерный только для соединений водорода вид химической связи  водородную связь (см. раздел «Химическая связь»). Свободный ион водорода Н+ (протон) имеет очень высокое отношение заряд/радиус, поэтому является сильным акцептором электронных пар, т.е. сильной кислотой Льюиса. В газовой фазе он легко присоединяется к другим молекулам или атомам. Например, он способен присоединяться даже к атому гелия с образованием частицы НеН+. В конденсированной фазе Н+ всегда соединяется с основанием Льюиса. В водных растворах протон находится полностью в гидратированном состоянии. При присоединении протона к молекуле воды образуется катион оксония  Н3О+ (с тремя равноценными ковалентными связями НО). При комнатной температуре этот катион окружён ещё тремя молекулами воды за счет водородных связей, т.е. образуется тригидрат катиона оксония  Н3О+3Н2О (Н9О4+). Способность протона легко переходить от одной молекулы или иона на другую частицу определяет его особую роль в химии, в частности, кислотно-основные свойства веществ в протонсодержащих растворителях (см. «Протолитическая теория Брёнстеда-Лоури»).

Водород − самый распространенный элемент Вселенной. Он входит в состав звезд и межгалактического газа. Гигантские планеты солнечной системы Юпитер и Сатурн в основном состоят из водорода. Он присутствует в атмосфере ряда планет, в кометах, газовых туманностях. В состав космической материи входит 63 % Н, 36 % Не и 1 % остальных элементов. Водород − самый легкий из элементов, поэтому его атомы легче других преодолевают гравитационное поле и покидают атмосферу Земли. Именно этим объясняется тот факт, что по массовой доле в земной коре, равной 0,15%, водород занимает лишь девятое место, уступая более тяжелым элементам − кислороду, кремнию, алюминию, железу, кальцию, натрию, калию и магнию. На Солнце и других звездах водород находится в атомарном состоянии, в межзвездной среде − в виде частично ионизованных двухатомных молекул. В виде простого вещества водород в следовых количествах содержится в верхних слоях атмосферы Земли. Он входит в состав вулканических газов, и природного газа. Однако большая часть водорода на Земле связана в воду, нефть, минералы и белковые ткани живых организмов.

Выделение горючего газа при взаимодействии ряда металлов с кислотами наблюдали уже в первой половине XVI. Но лишь в 1766 английский химик Г. Кавендиш провел систематическое изучение свойств этого «горючего воздуха» и определил его как элемент. В 1783 г. по предложению А. Лавуазье новый элемент был назван «водородом» (Hydrogenium), что означает «рождающий воду».

Для водорода известны три изотопа с массовыми числами 1, 2, 3. Все три изотопа имеют собственные названия и обозначения, это отражает значительные различия в их массах и свойствах.

, − протий;

2D () − дейтерий (ядро атома содержит 1 протон и 1 нейтрон);

3T () − тритий (ядро атома содержит 1 протон и 2 нейтрона).

Самым распространённым является наиболее легкий изотоп 1Н, называемый протием. Содержание дейтерия в природе непостоянно и в среднем составляет примерно 0,016 %. Впервые он был выделен в значительных количествах из тяжелой воды D2O, которую получали электролизом природной воды. При электролизе воды разряд Н+ происходит значительно быстрее, чем D+, поэтому в электролизёрах накапливается тяжёлая вода. D2O токсична, так как замедляет скорость метаболических процессов в живых организмах. В настоящее время дейтерий получают ректификацией жидкого водорода или выделяют из природной смеси путем изотопного обмена между тяжёлой водой и сероводородом.

Тритий, в отличие от Н и D, является радиоактивным изотопом и распадается, испуская электрон (-распад) и образуя редкий, но стабильный изотоп гелия:


+ е.


Период полураспада составляет 12,4 года. Содержание трития в поверхностном слое воды (1 атом на 1021 атомов водорода) отражает равновесие между процессом его образования под воздействием космического излучения в верхних слоях атмосферы и его радиоактивным распадом. Сверхтяжелая вода Т2О на основе трития обладает такой сильной радиоактивностью, что мгновенно разлагается из-за сильного радиолиза. Поэтому в научных исследованиях обычно пользуются разбавленными растворами, содержащими 1 % Т2О. Тритий является чистым -излучателем без примеси -компоненты. Он относительно безопасен, т.к. -частицы обладают низкой проникающей способностью и задерживаются листом бумаги или слоем воздуха толщиной 3 мм. Тритий получают облучением изотопов лития нейтронами:


.


По этой реакции при взрыве водородной бомбы из дейтерида лития LiD образуется тритий, который вступает в неуправляемую реакцию термоядерного синтеза с дейтерием:


.


Считается, что химические свойства лёгкого и тяжёлого водорода близки. Однако, так как отношение масс у изотопов водорода больше, чем у изотопов любых других элементов, то физические свойства образуемых ими соединений различны. Например, температуры кипения простых веществ монотонно возрастают при переходе от протия к дейтерию и тритию: H2 (−252,8C), HD (−251,0C), D2 (−249,5C), DT (−248,8C), T2 (−248,1C), что связано с ростом сил межмолекулярного (дисперсионного) взаимодействия. Различие в температуре кипения H2O (100C) и D2O (101,42C) отражает большую силу водородной связи OD−O по сравнению со связью OH−O.


  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   18

Добавить в свой блог или на сайт

Похожие:

Учебное пособие Санкт-Петербург iconУчебное пособие Санкт-Петербург
Учебное пособие предназначено для студентов II курса химических специальностей

Учебное пособие Санкт-Петербург iconНовые поступления в библиотеку балтийского русского института
Федералогия: учебное пособие / Р. Г. Абдулатипов. Санкт-Петербург: Питер, 2004. 320 с.: ил. (Учебное пособие)

Учебное пособие Санкт-Петербург iconУчебное пособие санкт-петербург
Вязкость жидких сред: Учебное пособие / И. В. Степанова, А. В. Тарасов. – Спб.: Петербургский государственный университет путей сообщения,...

Учебное пособие Санкт-Петербург iconУчебное пособие Издательство спбгпу санкт-Петербург
Учебное пособие соответствует дисциплинам опд ф10 «Сети ЭВМ и телекоммуникации» государственного общеобразовательного стандарта направления...

Учебное пособие Санкт-Петербург iconУчебное пособие Санкт Петербург 2002 удк 629. 76
Керножицкий В. А., Бызов Л. Н. Надежность. Лабораторный практикум: Учебное пособие. Балт гос тех ун-т, спб., 2002. – с

Учебное пособие Санкт-Петербург iconУчебное пособие Санкт-Петербург 2001 2 удк 532. 517. 4 Б 43 Моделирование турбулентных течений: Учебное пособие / И. А. Белов, С. А
Дан структурный анализ одного из важнейших направлений в исследовании турбулентных те

Учебное пособие Санкт-Петербург iconУчебное пособие Санкт-Петербург 2008 Авторы : Кокин В. Г., кандидат военных наук, доцент; Абликов В. И. Под общей редакцией
Учебное пособие предназначено для должностных лиц и специалистов го и рсчс организаций, преподавателей умц гочс и пб

Учебное пособие Санкт-Петербург iconУчебное пособие Санкт-Петербург 2007 Научный редактор: Шипицына Л. М. д б. н., проф., заслуж деят науки рф
Профилактика вич-инфекции у несовершеннолетних в образовательной среде: Учебное пособие / Под ред. Л. М. Шипицыной. – Спб, 2007

Учебное пособие Санкт-Петербург iconТехника и технические науки в целом 22. 30. 10я73 Метрология, стандартизация, сертификация и электроизмерительная техника : учеб пособие для вузов / К. К. Ким [и др.]; под ред. К. К. Кима. Санкт-Петербург и др. Питер, 2006. 367 с. (Учебное пособие)
Метрология, стандартизация, сертификация и электроизмерительная техника : учеб пособие для вузов / К. К. Ким [и др.]; под ред. К....

Учебное пособие Санкт-Петербург iconУчебное пособие для студентов гуманитарных факультетов Санкт-Петербург


Разместите кнопку на своём сайте:
lib.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©lib.convdocs.org 2012
обратиться к администрации
lib.convdocs.org
Главная страница