Некоторые аспекты излагаемого упрощены для облегчения восприятия.

Цель опуса ― подготовить человека к восприятию химии в таком виде, в каком её преподают в средней школе. А преподают её несколько странно. Сначала обучаемый должен тупо зубрить свойства веществ, формулы, типы реакций и прочее, а через год ему расскажут в чем, собственно, суть. Характеристика элемента по его положению в периодической таблице и строению атома — на 156 странице — и это в советском учебнике! Здесь же, почти нет формул, но, в общих чертах, объяснено что и почему происходит. Полезно почитать и тем, для кого школьная химия — «пройденный» этап.

Если натереть резиновым надувным шариком волосы, шарик прилипнет к волосам.

Почему? Часть электронов с волос перешла на шарик. Шарик «отобрал» электроны у волос. Получилось, что шарик зарядился отрицательно (электроны носят отрицательный заряд) а в волосах оказался дефицит (недостача) электронов. Потому заряд волос оказался положительным. А предметы, обладающие разноименным зарядом притягиваются друг к другу. Он украл наши электроны! Держи его!

Атомы (мельчайшие, неделимые частицы вещества) в молекулах (соединениях атомов) удерживаются теми же силами, что и шарик волосами — электростатическими. «Сильные» атомы отнимают электроны у «слабых», образуя молекулы — связанные друг с другом посредством отобранных электронов, атомы.

Разве бывают сильные и слабые атомы? А вот бывают, да. Атомы разных веществ с разной силой удерживают свои электроны. Силы некоторых атомов хватает даже для захвата чужих. Эта сила в химии называется «электроотрицательность». Есть даже специальный рейтинг «силы атомов» — таблица электроотрицательности.

От чего зависит эта сила? Да от строения атома, и только. Атомы устроены довольно просто: в центре атома — ядро, состоящее из: — нейтронов. Нейтроны имеют массу, но не имеют заряда и поэтому на химические свойства вещества не влияют никак. Их учитывают только при расчете масс. — протонов. Это частицы с такой же массой, как у нейтрона, но имеющие элементарный (самый минимальный, меньше в природе не бывает) положительный заряд. Нейтроны и протоны называют еще нуклонами. Ядро состоит из нуклонов.

Масса нуклонов примерно равна одной атомной единице массы (а.е.м.). Согласно определению, 1 а.е.м. это одна двенадцатая массы атома углерода. Атом углерода содержит 12 нуклонов: шесть протонов и шесть нейтронов. Так что, а.е.м., по сути, и есть масса нуклона.

В химических реакциях состав ядра атома не меняется.

Количество протонов (а значит — заряд!) ядра атома равен его порядковому номеру в таблице Менделеева. Элемент номер № 1 содержит один протон в ядре, заряд ядра +1. Элемент №n — n протонов в ядре, заряд ядра +n.

Вокруг ядра, как планеты, вокруг Солнца, обращаются электроны. Масса электрона почти в 2000 раз меньше массы протона, а вот заряд — точно такой же, элементарный (минимальный), только со знаком минус. Количество электронов атома равно числу протонов, потому суммарный заряд атома равен нулю. Сколько протонов в ядре, столько электронов вокруг ядра. Атом, хоть и состоит из положительно и отрицательно заряженных частиц, в целом электронейтрален.

Из соотношения масс электронов и нуклонов (протонов и нейтронов) видно, что масса атома сосредоточена в его ядре. Масса электронов в расчетах не учитывается.

В таблице Менделеева указан порядковый номер элемента и его масса. Так как порядковый номер элемента равен количеству протонов в его ядре, а масса как протона, так и нейтрона, примерно равна одной атомной единице массы, получается, что «избыток веса» — на совести нейтронов. К примеру, номер гелия в таблице 2, масса 4. Значит, в дополнение к двум протонам, ядро гелия содержит два нейтрона. Несложно, да? Масса элемента минус его номер = количество нейтронов. Номер водорода — 1, масса — 1. Стало быть, нету в его ядре нейтронов.

Существуют так называемые «изотопы» — элементы с таким же количеством протонов, что и у «основного» элемента, но с другим количеством нейтронов. Как отмечалось выше, нейтроны, независимо от их количества, никак не влияют на химические свойства элементов, только на их массу. У того же «обычного» гелия (с атомной массой 4) существует еще 7 изотопов. У одного из изотопов не хватает одного нейтрона в ядре, понятно, его масса равна трем (гелий-3). У остальных — излишек нейтронов. И, соответственно, больше масса — 5, 6, 7, 8, 9 и 10 (гелий-5…гелий-10). А раз число протонов в ядрах всегда одинаково — два, значит нейтронов в ядрах — 3,4,5,6,7 и 8. Химические свойства всех этих изотопов одинаковы.

Все природное многообразие состоит из соединений сотни с небольшим видов атомов, разница между которыми — в количестве протонов в ядрах и, соответственно, электронов на орбитах.

В отличие от планет, электроны вокруг ядра могут обращаться только по нескольким, строго определенным орбитам. На самой близкой к ядру атома орбите (нижнем уровне), может находиться не более двух электронов, на второй орбите (уровне) — не более восьми, на третьем — не более восемнадцати, четвертом — тридцать два. Все равно, как на орбите Меркурия помещались бы две планеты, на орбите Венеры — восемь, Земли — не более восемнадцати, Марса — тридцать две. Больше не влезает. Здесь тоже все логично — чем дальше орбита, тем больше ее протяженность. Кроме того, электроны находятся не в одной плоскости, а занимают сферы. А площадь сферы пропорциональна квадрату ее диаметра. Вместимость любого электронного слоя описывается формулой n²х2. Номер слоя (n) возводится в квадрат и умножается на два. Получается именно столько, сколько указано выше: 1 слой — 1х1х2=2 электрона 2 слой — 2х2х2=8 электронов 3 слой — 3х3х2=18 электронов 1 слой — 4х4х2=32 электрона и так далее.

Но! На внешней орбите (на верхнем уровне) количество электронов никогда не превышает восьми.

Как так? А как же заполняются слои до 18, 32 и т. д. электронов??? А вот как: третий слой заполнился до восьми электронов:

	Заряд ядра	Электронов в слое
	Заряд ядра	1 сл.	2 сл.	3 сл.
Аргон	+18	2	8	8

Cледующий электрон появляется в четвертом слое:

	Заряд ядра	Электронов в слое
	Заряд ядра	1 сл.	2 сл.	3 сл.	4 сл.
Калий	+19	2	8	8	1

В следующем элементе к нему добавляется еще один — всего получается два электрона во внешнем слое:

Кальций	+20	2	8	8	2

После этого рост числа электронов четвертого слоя прекращается, дополнительные электроны заполняют предпоследний, третий слой до тех самых восемнадцати штук:

Скандий	+21	2	8	9	2
Титан	+22	2	8	10	2
Ванадий	+23	2	8	11	2

При переходе от ванадия к хрому, получается «провал» — в предпоследнем слое становится больше сразу на два электрона, а во внешнем слое остается один. То есть, суммарно электронов в атоме, как и положено, больше на один, чем у предыдущего:

Хром	+24	2	8	13	1

У следующего элемента — марганца, добавляется один электрон на внешний слой, и дальше идет как раньше — два электрона во внешнем слое, дополнительные электроны заполняют предпоследний слой:

Марганец	+25	2	8	13	2
Железо	+26	2	8	14	2
Кобальт	+27	2	8	15	2
Никель	+28	2	8	16	2

И только потом растет (до восьми!) количество электронов в самом четвертом слое:

Медь	+29	2	8	18	1
Цинк	+30	2	8	18	2
Галлий	+31	2	8	18	3
Германий	+32	2	8	18	4
Мышьяк	+33	2	8	18	5
Селен	+34	2	8	18	6
Бром	+35	2	8	18	7
Криптон	+36	2	8	18	8

Но вернемся к более простым элементам, к началу таблицы Менделеева. Атом самого простого, первого химического элемента (водорода), имеет один протон в ядре и один электрон на самом близком к ядру уровне. Изобразим так: +1 −1. У второго элемента (гелия) два протона в ядре и два электрона на нижнем уровне +2 −2. Между тем, водород химически крайне активен, а гелий инертен (в химических связях не замечен). В чем разница между ними? А в том, что ядро гелия содержит два протона, а значит, электроны в два раза сильнее удерживаются ядром.

Представьте, что у нас под ногами вместо одной Земли, образовались две. Понятно, что сила тяжести увеличится вдвое. И две Луны вдвое сильнее удерживались бы двойной Землей. Никакая пролетающая мимо планета не смогла бы отнять наши луны.

Единственный же протон ядра водорода, гораздо слабее удерживает электрон, поэтому его часто захватывают атомы других элементов и даже другие атомы того же водорода.

Атом третьего элемента (лития) содержит три протона в ядре, и три электрона. Из них два электрона — на нижнем уровне, третий электрон — на следующем +3 −2 −1. Раз в ядре лития три протона, его электроны должны удерживаться атомом еще сильнее, чем даже у гелия? А вот хрен. Сила притяжения электронов к ядру зависит не только от заряда ядра, но и от расстояния между ядром электроном (орбитой). Два электрона нижнего уровня, таки да, сверхпрочно удерживаются ядром. Ибо находятся близко к ядру. Третий же электрон находится на удаленной от ядра орбите, и удерживается слабо. А значит, может быть захвачен атомом другого вещества — образовать химическую связь. И даже способен покинуть атом — превратиться в свободный электрон.

Именно наличие свободных электронов позволяет веществу проводить как тепло, так и электрический ток. Ибо ток есть направленное движение заряженных частиц. А двигаться могут только свободные заряженные частицы. Точно так же как поток воды в водопроводе возможен только при наличии в нем жидкой воды. Если воды нет, или она замерзла — нет потока. Как ни странно, электроны тоже можно «заморозить». Если электроны захвачены другими атомами, то «электропроводить» и «теплопроводить» уже нечем. Например, железо хороший проводник тока и тепла, а окись железа (ржавчина) — электро- и теплоизолятор. Ибо электроны железа захвачены атомами кислорода (окись — соединение кислорода с чем-либо).

Получается, что строение атома определяет все свойства вещества: химическую активность, теплопроводность, электропроводность и. т.д. И даже не столько строение атома, сколько состав его верхних электронных оболочек.

Четвертый химический элемент. Бериллий. Раз у него порядковый номер четыре, значит, ядро бериллия содержит четыре протона. И четыре же электрона должны обращаться вокруг ядра. Из них два на нижнем уровне и два — на следующем. Вот так вот: +4 −2 −2. Нетрудно сообразить, что электроны бериллия на втором уровне будут удерживаться ядром сильнее, чем электрон лития на том же уровне — заряд-то ядра уже равен четырем. А расстояние от ядра до второй орбиты — точно такое же.

Сейчас будет правильным дать определение валентности. Согласно учебнику, «валентность — это свойство атома данного элемента присоединять, удерживать или замещать в химических реакциях определённое количество атомов другого элемента. За единицу валентности принята валентность атома водорода. Поэтому иногда определение валентности формулируют так: валентность — это свойство атома данного элемента присоединять или замещать определённое количество атомов водорода».

Человечьим языком: атомы соединяются в молекулы посредством захвата чужих электронов верхней орбиты. Смотрим выше: у водорода сколько электронов на верхнем уровне? Один. Вот он один и может быть захвачен атомом другого вещества. Атом водорода будет связан с другим атомом посредством одного электрона. Это и означает, что водород одновалентен.

У лития сколько электронов не верхнем уровне? Тоже один. Стало быть, литий тоже одновалентен. А вот у бериллия два электрона на верхнем уровне. И если найдется атом «сильнее» бериллия, отберет у него оба электрона. Получится, что атом бериллия будет связан двумя электронами с другим атомом. Иными словами, бериллий двухвалентен.

В микромире султану, чтобы иметь трех одновалентных жен, нужно быть трехвалентным мутантом.

Пойдем дальше по химическим элементам. Слева заряд ядра, правее — количество электронов на разных уровнях:

Водород +1 −1
Гелий +2 −2
Литий +3 −2 −1
Бериллий +4 −2 −2
Бор +5 −2 −3
Углерод +6 −2 −4
Азот +7 −2 −5
Кислород +8 −2 −6
Фтор +9 −2 −7
Неон +10 −2 −8
Натрий +11 −2 −8 −1
Магний +12 −2 −8 −2
Алюминий +13 −2 −8 −3
Кремний + 14 −2 −8 −4
Фосфор +15 −2 −8 −5
Сера +16 −2 −8 −6
Хлор +17 −2 −8 −7
Аргон +18 −2 −8 −8
Калий +19 −2 −8 −8 −1

И так далее. Заполнился уровень (до 8 электронов) — началось заполнение следующего. Сами элементы запоминать не обязательно, важно понять порядок заполнения орбит, и зависимость свойств элементов от количества электронов верхнего уровня.

Нелишне напомнить, что количество электронов всегда равно количеству протонов (сколько плюсов, столько и минусов).

Что можно понять из вышеприведенной портянки? Да, практически, все.

У элементов под номерами 2, 10 и 18 верхние орбиты забиты электронами до предела — восемь электронов — максимум для верхнего уровня. Такие элементы не могут захватить чужие электроны (заряд ядра мал для удержания чужих электронов на более удаленной орбите). В то же время, свои электроны удерживаются ими предельно крепко. Ибо заряд ядра, для такого количества уровней, которые у них есть, максимален. По этой причине, эти элементы не могут вступить в химические связи с другими элементами — не могут ни отдать, ни отнять электроны. То есть, инертны. Точно так же инертны все элементы с достроенными крайними орбитами.

Нетрудно сообразить, что вещества с одинаковым количеством электронов на крайних орбитах будут обладать схожими свойствами. То есть, свойства элементов будут периодически повторяться. Свойства лития похожи на свойства натрия, фтора — на хлора и т. д. Период повторения — восемь, по максимальному количеству электронов на уровне, что, собственно и подметил Менделеев. В его таблице каждый элемент левого столбца содержит один электрон на верхнем уровне (а значит — одновалентен!), второй — два электрона, и так далее, до заполнения уровня. Затем начинается заполнение следующей строки таблицы и, соответственно, следующей электронной орбиты. Первая строка таблицы отражает заполнение первой орбиты (первого, нижнего, уровня), вторая строка — второго уровня и так далее. Еще раз: первый (левый) столбец таблицы — это элементы с одним верхним электроном, второй столбец — с двумя электронами, и так до восьмого. Восьмой столбец — с восемью электронами (заполненным верхним уровнем). Первая строка таблицы отражает заполнение первой орбиты (уровня), вторая — второй орбиты и так далее. Строка таблицы называется периодом, столбец — группой. Оно и понятно — в одной группе находятся элементы с одинаковым числом верхних электронов, а значит, с похожими свойствами. Получается, по таблице можно определить и количество орбит, и количество электронов на верхней орбите.

Ясно, почему в первой строке таблицы два элемента — всего два электрона помещаются на нижней орбите.

Пока на верхнем уровне химического элемента мало электронов (от одного до трех), они слабо удерживаются ядром. Ибо новая орбита далека от ядра, а заряд ядра еще мал для крепкого удержания на таком расстоянии. И такие атомы легко расстаются со своими крайними (валентными) электронами. А раз так, эти элементы хорошо проводят ток и тепло — являются металлами.

Причем тут тепло?

Если построить в одну линию, с зазором, бильярдные шары и ударить по первому, тот долетит до второго шара и передаст ему импульс. Второй шар точно так же передаст энергию третьему, и так до конца цепочки. А тепло (температура), если кто не в курсе, есть мера кинетической энергии молекул. То есть, мера квадрата скорости их движения. Наши же свободные электроны, как бильярдные шары, передают кинетическую энергию. А стало быть — «теплопроводят».

Бильярдный шар, полосатый, тот, которым разбивают пирамиду из остальных шаров, обладает до столкновения с вершиной пирамиды точно такой же кинетической энергией, как все шары суммарно — сразу после столкновения. На этом примере виден механизм как передачи, так и распределения температуры. Один «горячий» шар делает «теплыми» все остальные. Причем некоторые, случайным образом, оказываются «горячее» — быстрее других. В результате дальнейших хаотических столкновений, шары постоянно обмениваются энергией, сохраняя суммарное ее количество. Точно так же ведут себя молекулы и электроны.

Можно заметить, что шары в бильярде довольно быстро останавливаются. Тому виной сукно, покрывающее стол. Сукно поглощает кинетическую энергию шаров, переводя ее в тепловую. Если бы стол был идеально гладким, движение шаров продолжалось бы гораздо дольше. Подобное имеет место и в микромире. Если материал сопротивляется движению электронов, он разогревается. И требуется больше энергии для преодоления сопротивления такого материала электронами.

По мере увеличения количества электронов на верхнем уровне, растет и заряд ядра при сохранении диаметра крайней орбиты. Следовательно, чем больше электронов на верхнем уровне, тем крепче они удерживаются — вспомните пример с Лунами выше. Когда верхний уровень атома близок к заполнению, хрен у такого атома отберешь электроны. Скорее он сам отберет электроны у атома, слабее удерживающего свои электроны, то есть, у атома с меньшим числом электронов верхнего уровня. Такие элементы называются — кто бы подумал? — неметаллами. Например, у кислорода не хватает до заполнения верхнего уровня двух электронов. И шесть имеющихся там, он удерживает крепко. Теперь представим, что рядом с атомом кислорода оказался атом бериллия. Что произойдет? Атом кислорода захватит два верхних (валентных) электрона бериллия. А за электронами последует и атомный остов бериллия (атомным остовом называется атом без электронов верхней орбиты). Образуется окись бериллия — BeO. Между прочим, атом кислорода в этой молекуле показал ту же валентность (количество образованных связей), что и бериллий — два. Только природа этой валентности прямо противоположная. Если бериллию проще отдать два электрона, то кислороду — захватить. При таком раскладе у обоих элементов на верхних уровнях находится максимально возможное число электронов — восемь, и все довольны. Помните, выше шла речь о «силе атомов» — электроотрицательности? Так вот, кислород в данной связке более сильный, более электроотрицательный, нежели бериллий.

Рядом с атомом кислорода может случиться атом водорода. Кислород в этом случае захватит электрон водорода (с атомным остовом, разумеется). Но электрон-то у водорода один, а кислороду нужно два, чтобы достроить верхний уровень. Что делать? Да захватить два атома водорода вместе с их электронами, и дело с концом.

У фтора одна вакансия на верхнем уровне. А это значит, что «сил» у фтора очень много. И он может отнять электрон у того же бедного бериллия. Но место-то на крайней орбите фтора только одно! Одна вакансия. Что ж, придется, двум атомам фтора брать на абордаж один атом бериллия. Формула получаемого соединения BeF2 — один атом бериллия и два атома фтора. Как видите, все довольно предсказуемо и легко просчитывается, спасибо Менделееву.

Тут опять всплывает валентность. Все, наверное, видели электрические разъемы типа «папа» и «мама»? Самый распространенный вариант — электрическая вилка (папа) и розетка (мама). У вилки два штырька, у розетки два гнезда. Вилка и розетка двухвалентны (как бериллий и кислород).

Но в у фтора-то всего одна вакансия-гнездо. Что делать? Втыкаем двухштырьковую вилку-бериллий в две одногнездовые розетки — в два атома фтора. BeF2, иначе говоря.

Может оказаться, что в розетке будет, допустим, три гнезда, а вилки у нас двухштырьковые. Все гнезда и штырьки обязательно должны найти друг друга. Где же выход? Спасет математика. Мы возьмем две трехгнездовые розетки (Ш Ш), и три двухштырьковых вилки (П П П). Тогда все сойдется. Число гнезд совпадет с числом штырьков.

Можно использовать аналогию с игрушками «лего». Допустим, есть красные элементы с шестью выступами, и синие с пятью, какое минимальное количество элементов обоих цветов нужно соединить, чтобы были задействованы все выступы? Самое маленькое число, делящееся на 5 и на 6 это 30. Значит, наша лего-молекула будет содержать 30 связей. Стало быть, нам понадобится 5 красных элементов с шестью выступами, и 6 синих с пятью. Только в этом случае количество выступов обоих цветов будет рано друг другу. Это — необходимое условие. Стало быть, формула полученного вещества будет 5Красных6Синих. Ферштейн?

Вообще, при решении задач удобно прорисовывать атомы веществ в виде, допустим, кружочка, или прямоугольника с отростками. Количество отростков соответствует валентности атома. Так проще понять, сколько атомов того и другого вида потребуется, для того, чтобы собрать молекулу.

Цитато из Вики:

Моль есть количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг. При применении моля структурные элементы должны быть специфицированы и могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами и другими частицами или специфицированными группами частиц.
Из определения моля непосредственно следует, что молярная масса углерода-12 равна 12 г/моль точно. Количество специфицированных структурных элементов в одном моле вещества называется числом Авогадро, обозначаемом обычно как NA. Таким образом, в углероде-12 массой 0,012 кг содержится NA атомов. Значение числа Авогадро, рекомендованное CODATA в 2010 году, равно 6,02214129(27)·1023 моль−1. 1/12 массы атома углерода-12 называют атомной единицей массы (обозначение а. е. м.). Отсюда следует, что 1 а. е. м. = 0,001/NA кг.

Убейся, лучше не скажешь. А накуя, собственно, нужен этот самый моль? Чтобы не вышло, как в песенке «потому, что на десять девчонок, по статистике, девять ребят». Ибо наши ребята и девчата должны быть удовлетворены целиком и полностью. Только в данном случае речь не об отдельных атомах, а о большом количестве каждого из реагирующих веществ. Сколько требуется одного и сколько другого (в граммах), чтобы вещества прореагировали без остатка. Как на одно женское общежитие нужно одно мужское. Моль — это, кагбэ, конвертор, переводчик из микромира в макромир. Мы ведь, не можем посредством пинцета и микроскопа отсчитать нужное количество атомов каждого вида? А моль — это 6,022·10^23 атомов (или молекул), которым предстоит вступить в связь. Ровно столько же атомов содержит эталон — 12 грамм углерода.

Чтобы наши вещества прореагировали без остатка, количество связей одного элемента должно совпадать с количеством связей другого. Как в вышеприведенном примере — количество дырок должно совпадать с количеством штырьков. Чтобы каждое отверстие нашло ответную часть. Понятно, что на двести трехгнездовых розеток потребуется триста двыхштырьковых вилок. На тысячу таких розеток — полторы тысячи вилок. Ибо тысяча таких розеток это три тысячи дырок, полторы тысячи вилок — ровно столько же.

И если мы возьмем 1 моль бериллия и 1 моль кислорода, то все путем. 6,022·10^23 атомов кислорода соединятся с 6,022·10^23 атомами бериллия и никто не будет обделен. Ибо у обоих элементов по две «ответные части».

Если же предстоит соединить трехвалентный элемент с пятивалентным, надо взять пять моль первого элемента и три моль второго. Потому что у 5 моль трехвалентного элемента столько же «концов», сколько у 3 моль пятивалентного.

Как же узнать, сколько весит один моль того или иного вещества? Да легко. 12 грамм углерода — это 1 моль (так придумал Авогадро — должен же быть эталон). Что означает: молярная масса углерода — 12 грамм на моль. Атом углерода имеет атомную массу 12 (по таблице Менделеева). Если вещество, например, вдвое тяжелее углерода, ясно, что один моль такого вещества (такое же количество атомов) будет весить ровно вдвое больше. Несложно догадаться, что любое вещество имеет молярную массу, равную его атомной массе. А атомная масса указана в таблице Менделеева. Литий — 7 грамм на моль, бериллий — 9, серебро — 108 грамм на моль и т. д. Именно такая масса каждого вещества содержит 6,022·10^23 атомов. Взвешиваем сколько нужно моль одного вещества и другого. Производим реакцию. Вот и вся любовь.
Если же в реакции участвуют молекулы, суммируем массы всех атомов, входящих в состав молекулы. Например, вода — H2O. Смотрим в таблицу: водород весит 1 а. е. м. (атомная единица массы), кислород — 16. Но в молекуле воды два атома водорода. Суммируем 1+1+16=18. Сие означает: один моль воды весит 18 грамм. И эти 18 грамм содержат столько же «структурных единиц», сколько эталон — 12 грамм углерода. Просто? Пожалуй.

А если вещество — газ? Его как взвесить? Никак. В этом нет необходимости. Ибо 1 моль любого газа при нормальных условиях занимает объем 22,4 литра. Прикольно, да? Одинаковое количество молекул любого газа в одинаковых условиях занимает одинаковый объем. А что есть «нормальные условия»? Да комнатная температура и обычное давление. 20 градусов по Цельсию и 1 атмосфера. Или один килограмм на квадратный сантиметр, если угодно. Если мы хотим взорвать гремучий газ — смесь кислорода с водородом — нужно 22,4 литра кислорода смешать с 44,8 литра водорода. Надеть каску и поднести спичку. Смесь сгорит (точнее, взорвется) без остатка. Насчет каски шутка была — не спасет.

Из вышеприведенного следует, что если испарить 18 грамм (1 моль) воды, она займет объем 22,4 литра.

Виды химических связей

Выше рассказывалось, как атомы в молекулах заполняют свои крайние оболочки (уровни). Кислород заполняет двумя электронами бериллия свой верхний уровень, бериллий тоже остается с заполненным верхним уровнем. Правда, до вступления в связь, этот уровень был у него предпоследним… Когда сильный жрет слабого это понятно, но есть и другие типы связей.

Например, газообразный водород H2 состоит из молекул, в составе которых два атома водорода. Ясно, что здесь нет хищника и нет жертвы. А есть хитрость: объединив свои электроны в пару, два атома, кагбэ, тоже заполняют свой верхний уровень до предела. Такая связь, посредством электронных пар, называется ковалентной.

Почему она так странно называется? Приставка ко-, это то же, что наша со-: со-чувствие, со-осность. Вместе получается со-валентность, со-владение, со-связь.

Точно так же, посредством совместного владения недостающим верхним электроном, соединяются и некоторые другие атомы. У атома хлора не хватает одного электрона «для счастья»? Он объединяется с собратом. Получается молекула Cl2. В объединении атомов участвуют только по одному электрону с каждой стороны, то есть, всего два — электронная пара. Остальные электроны остаются у прежних владельцев.

Таким же образом могут соединяться и атомы разных видов, например, водород и хлор — HCl. Как это? У хлора на верхнем уровне не хватает всего одного электрона. Заряд ядра хлора аж +17! В 17 раз больше, чем у водорода! Значит, он со страшной силой должен вырвать единственный электрон водорода, разве не так? А вот не так. Дело в том, что электрон водорода находится на самой близкой к ядру орбите. А вакансия (свободное место) хлора — аж на третьей! А сила взаимодействия между зарядами убывает пропорционально квадрату расстояния между ними. Потому примерно равны силы водорода и хлора.

Можно дать еще одно определение электроотрицательности. Она есть свойство атома оттягивать к себе общие электронные пары. Электроотрицательность растет слева направо в строках таблицы (периодах) и снизу вверх в столбцах. То есть, чем правее в строке и выше в столбце элемент, тем он электроотрицательнее. Опять же, из строения атомов, понятно почему. Слева направо по строкам растет заряд ядра, при неизменном диаметре крайней орбиты, а стало быть, растет сила притяжения ядром. Рост снизу вверх по столбцам тоже понятен: чем выше элемент в столбце, тем ближе верхняя орбита к ядру. Эти кренделя наглядно отображены в графике: Видно, что самый электроотрицательный — фтор (F), самый слабенький — франций (Fr). Крутые правые обрывы пилы обусловлены завершением формирования одной орбиты и началом формирования следующей.

В цифрах — здесь: Чем больше цифра под элементом, тем он электроотрицательнее, сильнее оттягивает к себе электроны.

Например, у кислорода (O), и серы (S) по 6 электронов верхнего уровня (оба в шестом столбце — в шестой группе). Но у кислорода верхний уровень это вторая орбита (кислород находится во второй сторке таблицы Менделеева), а у серы — третья орбита (третья строка). Ясно, что ядро кислорода будет сильнее воздействовать на электроны. Электроотрицательность кислорода 3,5, а серы — 2,5. Стало быть, атом кислорода электроотрицательнее, «сильнее» атома серы. И в соединении этих двух веществ, электронная пара будет смещена ближе к атому кислорода. Вот и вся логика.

По сути, водород и кислород в молекуле воды H2O тоже соединены посредством электронных пар. Просто пара сильнее оттянута атомом кислорода. Такое неравноправное владение электронной парой, называется ковалентной полярной (поляризованной) связью.

Опять же вопрос — почему??? В молекуле водорода совместное электронное облако находится точно посередине, между атомов. Айболитовский тяни-толкай. Такой молекуле глубоко наплевать на внешнее электрическое поле, ибо она симметрична. Другое дело, если электронное облако оттянуто к одному из ядер. Молекула же в целом электронейтральна? Сколько протонов в ней, столько и электронов. Но если электронная пара находится ближе к одному из ядер, а значит, ближе к одному концу молекулы, этот конец будет иметь отрицательный заряд. А другой конец молекулы — положительный. Ибо там оказалось больше протонов. Получается, что у молекулы есть полюса — положительный и отрицательный. Отсюда и название связи — ковалентная полярная (со-вместное владение электронной парой, но пара смещена к атому более электроотрицательного вещества). Такая молекула в электрическом поле будет разворачиваться. И понятно как: электронным облаком — к плюсу (разноименные заряды притягиваются), а противоположным концом — к минусу.

Ну и хрен ли? Что нам это дает?

Не так уж и мало. Например, полярные диэлектрики, будучи помещенными между обкладок электрического конденсатора, увеличивают его емкость. Намного ли? Намного, да. Если залить туда дистиллированную воду (она диэлектрик), емкость конденсатора возрастет в 81 раз. Нехило да? Конденсатор сможет запасти в 81 раз больше энергии!

Можно привести аналогию с пружиной. Сжимая (или растягивая) ее, мы запасаем в ней энергию. Если каким-то образом в несколько раз увеличить ее жесткость (способность сопротивляться нагрузкам), то она сможет запасать во столько же раз больше энергии.

Еще один вид химической связи — ионная. Это предельный случай, когда очень «слабый» атом соединяется с «терминатором». Тогда «терминатор» полностью захватывает чужой электрон, превращаясь при этом в ион, понятно, отрицательно заряженный. Ибо у него электронов больше, чем протонов. Атом же, утерявший электрон, тоже становится ионом, только положительно заряженным. Так как протонов осталось больше, чем электронов. И эти два иона оказываются связанными друг с другом силами электростатического притяжения, как наэлектризованный шарик с волосами. Такая связь существует, например, в поваренной соли NaCl. Хлор, входящий в ее состав, переводит электрон натрия на свою орбиту. Так как изначально у атома натрия один электрон на верхнем уровне, он «слаб». Хлору же, недостает одного атома для завершения оболочки, значит, он предельно «силен».

Ион — это атом или молекула с лишними или недостающими электронами. Понятно, что избыток электронов означает, что ион заряжен отрицательно, недостаток — положительно (ибо в этом случае атом (или молекула) содержат больше положительно заряженных протонов).

При растворении поваренной соли в воде, хлор и натрий распадаются на отдельные ионы Na+ и Cl-, по той причине, что вода, ввиду поляризованности ее молекул, ослабляет взаимодействие между зарядами.

Возвращаясь к видам химических связей: резкой границы между видами связей не существует. Соотношение «сил» атомов молекулы может быть самым разным. И, в зависимости от этого, электронное облако будет или посередине, или в той или иной степени смещено к одному из атомов.

Степень окисления — есть такой термин. Это всего лишь количество электронов отданных или оттянутых тем или иным атомом в молекуле. Выше рассматривался пример хлорида натрия. Оба они двухвалентны. Стало быть, у обоих элементов степень окисления равна двум. Только у натрия степень — положительная (ибо отдав электроны он остается положительно заряженным). А у хлора — отрицательная степень окисления. В принципе, имея вышесказанное в голове, можно изучать химию по другим источникам.

Более подробно смотрите https://docs.google.com/document/d/1dC5f-ePc7f2-2ibK_C-Xh86oeCtjqeH8q1VwxToNN10/edit