Химические частицы

По мотивам проведенных уроков

В период заключительного повторения в выпускном классе важно построить уроки таким образом, чтобы охватить в определенной логике всю систему теоретических и фактических знаний. Эти уроки должны помочь учащимся в самостоятельной работе с учебником, конспектами и дополнительной литературой. Здесь следует обратить внимание на структурные частицы вещества, основные понятия, законы и теории химии, классы неорганических и органических веществ, количественные закономерности химии.
Есть много вариантов уроков, посвященных обобщающему повторению. Для определения понятий и установления связи между ними мы используем структурные схемы.

На рис. 1 представлены структурные частицы атома.

Рис. 1. Дискретные частицы вещества, их связь и единство

Протон p – ядерная частица, относительная масса которой несколько больше единицы, а относительный заряд равен +1. Здесь и далее исходим из количественного определения:

A_r(Х) = m_a(X)/[1/12m_a(¹²C)],

где m_a(X) – масса атома элемента Х, m_a(¹²C) – масса атома изотопа углерода ¹²C.
Нейтрон n – ядерная частица чуть тяжелее протона, не имеющая электрического заряда.
Электрон e – дискретная частица электричества, несущая единичный электрический заряд. Электрон – это атомная частица, которая в 1836 раз легче протона, ее относительный заряд
равен –1.
На рис. 1 позициями (поз.) 1, 2 отражены структурные отношения в атоме. Количественно физическая сущность атома отражается записью: А = Z + N, где Э – знак химического элемента, А – массовое число (элементарная сумма числа нуклонов – протонов и нейтронов),
Z – число протонов, N – число нейтронов. Таким образом, с точки зрения физики атом – это частичка, состоящая из протонов и нейтронов, расположенных в ядре, и электронов, которые закономерно вращаются вокруг ядра. В атоме N(p) = N(e).
С химической точки зрения, дополняющей физическое понимание атома как микросистемы, атом – это сложная, электронейтральная, химически неделимая частица, способная к образованию химической связи.
Свойство атомов, выражающее их способность к образованию химической связи, называется валентностью. Химическая связь образуется за счет электронов, которые атом может потерять, отдавая другим атомам (окисляясь), или электронов, которые атом принимает (восстанавливаясь).
Атомы могут превратиться в молекулу (поз. 3). Молекула – самая маленькая частица некоторых веществ, образованная одинаковыми или различными атомами, способная к самостоятельному существованию. От состава и строения молекул зависят физические, химические и биологические свойства веществ. Вступая в химические реакции, молекулы одних веществ могут превращаться в молекулы других веществ (поз. 4). При определенных условиях молекулы превращаются в краткоживущие частицы – радикалы.
Радикал – это одноядерная или многоядерная электронейтральная частица, имеющая неспаренные электроны. Радикалы обладают высокой реакционной способностью и имеют короткое время жизни в свободном состоянии (поз. 9, 10).
Атом, окисляясь, превращается в положительно заряженный ион – катион, а восстанавливаясь – в отрицательно заряженный ион – анион (поз. 5). Что мы понимаем под словом «ион»? Ион – это одноядерная или многоядерная частица, имеющая положительный или отрицательный заряд, кратный единичному электрическому заряду. Ионы, окисляясь или восстанавливаясь, могут превращаться в атомы (поз. 6, 7) или в другие ионы (поз. 12–14), или в молекулы (поз. 11). Комплексный ион – это ион, имеющий координационную сферу (молекулы или ионы, химически связанные с ионом-комплексообразователем).
Далее необходимо проиллюстрировать позиции схемы (см. рис. 1) конкретными примерами и провести демонстрационные эксперименты.
Реакции к схеме (см. рис. 1):

поз. 3: С + О₂ = СО₂;

поз. 4: 2СО + О₂ = 2СО₂;

поз. 5: Na⁰ – 1e = Na⁺,

           S⁰ + 2e = S^2–;

поз. 6: Fe³⁺ + 3e = Fe⁰;

поз. 7: I^– – 1e = I⁰;

поз. 8: HCl + H₂O H₃O⁺ + Cl^–;

поз. 9: CH₄ = + H^•;

поз. 10: + ^•CH₃ = CH₃:CH₃;

поз. 11: + OH^– = NH₃ + H₂O;

поз. 12: Fe²⁺ – 1e = Fe³⁺,

             Fe³⁺ + 1e = Fe²⁺;

поз. 13: Cu²⁺ + 4NH₃ = [Cu(NH₃)₄]²⁺;

поз. 14: Fe²⁺ + 6CN^– = [Fe(CN^–)₆]^4–;

поз. 15: C₁₂H₂₂O₁₁ + 11/xH₂SO₄ (конц.) = 12С + 11/xH₂SO₄•xH₂O.

Эксперимент 1. Собрать прибор для получения NО (бесцветный газ) в реакции меди Сu (атомы) с разбавленной азотной кислотой НNО₃. При открывании пробирки наблюдается превращение бесцветного газа в газ бурого цвета:

Эксперимент 2. В пробирку с несколькими миллилитрами раствора йодида калия прилить такой же по объему раствор хлорного железа (концентрация растворов может быть минимальной). Наблюдается постепенное, но достаточно быстрое окрашивание раствора, усиливающееся со временем. Протекает реакция:

Fe³⁺ + 3Сl^– + K⁺ + I^– = Fe²⁺ + 2Cl^– + K⁺ + Cl^– + 1/2I₂.

Подтвердить образование свободного йода можно реакцией с некрепким раствором крахмального клейстера:

Эксперимент 3. К раствору сульфата меди(II) прилить несколько капель крепкого раствора аммиака (концентрация раствора такова, что ощутим запах аммиака). Раствор окрасится в интенсивно-синий цвет (см. выше реакцию к поз. 13).

На следующем уроке создаем рис. 2. Видно, что протон и нейтрон – ядерные частицы, а электроны – атомные частицы. Свойства атома повторяем всесторонне (учитывая и физическую компоненту знаний). Ядра атомов могут излучать -частицы, превращаясь в элементы с меньшим зарядом ядра Z' = Z – 2. В результате -излучения исходный элемент с зарядом ядра Z превращается в элемент с зарядом Z ' = Z + 1. При этом ядерный распад сопровождается
-излучением.
Стабильные атомы образуют молекулы, в которых атомы связаны ковалентной связью – полярной или неполярной. Молекулы группируются и образуют физические тела, располагаясь в узлах кристаллических решеток. Если вещество не твердое, а жидкое или газообразное, то при определенных условиях (температура, давление) его можно перевести в твердое состояние. Молекулярные тела могут быть летучими, они легкоплавки.
Атомы неметаллов (яркий пример – углерод) образуют и атомные кристаллические решетки. Алмаз – простое вещество, образованное атомами углерода с тетраэдрическими углами между связями.
Атомы металлов образуют металлические кристаллические решетки, в них химическая связь между атомами металлическая. Физические и химические свойства металлов зависят от прочности металлической связи (учащиеся отсылаются к конспектам, где эти вопросы тщательно отрабатывались, а у учителя есть возможность заглянуть в газету «Химия» № 42/1995, с. 6–7 и
№ 7/1999, с. 6–7), причем химическая активность металлов находится в обратной зависимости от физического свойства металлов – температуры плавления.
Катионы атомов металлов и анионы неметаллов, притягиваясь (кулоновское – электростатическое притяжение), образуют ионные кристаллы. Это может иметь место как в момент образования ионов, так и в реакции обмена. Ионные соединения нелетучи, обычно тугоплавки, многие нерастворимы в воде. Подобные свойства обусловлены прочностью ионной связи.
На рис. 2 показано, что молекулы простых веществ могут превращаться в многоатомные молекулы сложных веществ. Простейший пример – образование воды из кислорода и водорода:

2Н₂ + О₂ = 2Н₂О.

Другой пример (см. далее) – получение полиэтилена из этилена. Примерами надмолекулярных структур могут служить вирус табачной мозаики и гемоглобин крови, состоящий из двух белковых цепей.

Рис. 2. Строение и свойства атома, образование частиц и веществ, взаимопревращения частиц

Задача учителя – демонстрировать учащимся общекультурную значимость и познавательную ценность своего предмета. Поэтому в схеме структурирования вещества и его частиц появляется запись – проявления жизни. Каков ее смысл? Существует особый род физических тел – носителей жизни. К ним относятся люди и многочисленные животные и растительные организмы. Процесс дыхания (поступление О₂) обеспечивает жизнедеятельность мозга, перенос кислорода осуществляется надмолекулярной структурой – гемоглобином. Для получения энергии и строительного материала в организм человека – в желудок и пищевые пути – должны попасть белки, жиры, углеводы, витамины, многие химические элементы, в том числе ионы натрия, калия, железа, кальция. Молекулы сложных веществ, в том числе высокомолекулярных соединений, превращаются в низкомолекулярные соединения. В атмосферу через дыхательные пути выбрасывается углекислый газ. В живом организме осуществляется синтез сложных веществ (анаболизм), происходят многочисленные биохимические процессы. Знание общих принципов функционирования своего собственного организма необходимо каждому человеку.

Вариантом урока может быть классификационно-генетический подход (рис. 3, см. с. 26). Он, собственно, вполне соответствует содержанию прежнего решения (см. рис 1), отличаясь формой. Конкретизация осуществляется на носителе фундаментальных свойств органических веществ – химическом элементе углероде. Видно, что в ядре атома углерода находится по шесть протонов и нейтронов. На ближайшей электронной оболочке вращается два s-электрона, на второй – тоже два s-электрона и два неспаренных р-электрона. И когда мы делаем запись «С⁰», то представлять надо такую модель атома углерода и интерпретировать ее записью .
Учитывая, что в большинстве соединений атом углерода четырехвалентный, потому что s-электрон при возбуждении атома перескакивает в свободное р-состояние второй электронной оболочки, имеем:

В результате перераспределения электронной плотности атомы углерода могут находиться в
sp²-валентном состоянии, тогда образуется графит – природное простое вещество. Атомы углерода в sp³-валентном состоянии образуют алмаз – второе аллотропное видоизменение углерода, встречающееся в природе. В искусственно полученном веществе карбине углерод находится в sp-валентном состоянии.
Таким образом, в случае образования простого вещества имеем:

На «химической» части рис. 3 показано шестичленное кольцо – повторяющаяся группа атомов в графите.

Рис. 3. Классификация частиц

Под формулой молекулы метана мы видим атом углерода с тетраэдрической направленностью будущих связей в алмазе и предельных углеводородах. Образование метана прямым синтезом связано с разрывом ковалентных (очень прочных) углерод-углеродных связей (–С:С–). Поэтому только использование катализатора позволяет проводить процесс, хоть и с низким выходом продукта:

C_n + 2nH₂ = nCH₄.

Вообще, процесс восстановления проходит сложно:

Возможен и процесс частичного восстановления:

Окисление углерода кислородом и другими окислителями можно представить в виде:

Для получения соединения углерода в двухвалентном состоянии, как показано на схеме генетических переходов, окисленную частицу необходимо восстановить:

Естественно, что это состояние энергетически неустойчиво. Поэтому оксид углерода(II) горит голубым пламенем, отдавая ту энергию, которая была затрачена на его образование:

2СО + О₂ = 2СО₂ + Q кДж.

Из карбида кальция можно получить ацетилен:

СaС₂ + 2Н–ОН = Са(ОН)₂ + Н–СС–Н + Q кДж.

Гидрированием ацетилена получают этилен, который разными способами превращают в полиэтилен.
В качестве домашнего задания учащимся можно предложить следующую схему генетических превращений, которая носит частично репродуктивный характер:

Достоинство такого подхода к организации материала в повторительный период состоит в том, что удается соединить в один блок разные вещи. Разговор о частицах связывает вещества неорганические с веществами органическими, что суть важно. Мы выбрали углерод, как видно, не случайно. Одновременно затрагиваются многие теоретические вопросы химии. По ходу повторения задаются вопросы, обозначенные в схеме, – простое вещество или сложное, низкомолекулярное или высокомолекулярное, какой класс оксидов, названия веществ, радикалов, типов химической связи; условия протекания химической реакции, экзотермическая или эндотермическая реакция. И, конечно же, даются определения понятий.

Нельзя на одном уроке, говоря словами Козьмы Пруткова, объять необъятное. От себя могу только добавить: сегодня я вижу данный предмет под одним углом зрения, на следующий год появятся новые идеи и конструкции урока. Даже в процессе самого урока может случиться резкий поворот в общем плане урока, и тогда можно в конспект не заглядывать: а что там дальше?

Существует соблазн выйти за рамки темы урока, расширяя его содержательную базу. В частности, сказать об изотопах, изомерах, мономерах. Попробуем оценить целесообразность рассмотрения этих понятий на данном уроке, ведь время урока не резиновое. Обратимся к самим понятиям.
Изотопы – это атомы одного и того же элемента (заряд ядра Z постоянный), различающиеся массовыми числами А, например, ³⁹К, ⁴⁰К, ⁴¹К, Z = 19.
Изомеры – это молекулы различных веществ, имеющих одинаковый качественный и количественный состав, но различное строение.
Например:

Мономеры – это молекулы низкомолекулярных соединений, способные в реакции полимеризации или поликонденсации превращаться в высокомолекулярные соединения. Например:

Как видно, названные понятия в силу самостоятельного значения не могут быть включены в содержание урока о частицах. Даже краткое изложение, связанное с этими понятиями, уводит нас далеко в сторону. Это не значит, что нельзя мимоходом назвать их, обозначая тем самым перспективу.
Кроме того, большое значение для дифференциации понятий и выявления единства и связи между ними, т.е. диалектики понятий, имеет используемый в логике графический подход. Это так называемые круги Эйлера (рис. 4, см. с. 28).
Большой круг включает в себя все частицы (объем понятия). Пропорциональность здесь не соблюдается – в этом нет необходимости в силу поставленной задачи. Малый круг – «элементарные частицы» (намек на то, что элементарных частиц очень много, а мы оперируем только атомными) – пересекается с кругом «атомы». Атомы одного элемента содержат изотопы с различными массовыми числами. Пересечение таких кругов дает изобары (А = соnst).
В круге «ионы» К – это катионы, А – анионы, БП – биполярные ионы.
В круге «Радикалы» выделены радикалы свободные – С.
Второй большой круг – «Молекулы». Хорда дихотомически делит молекулы на молекулы простых веществ (ПВ) и молекулы сложных веществ (СВ). Меньший круг – это низкомолекулярные соединения (НМС). Из низкомолекулярных соединений мы выделяем круг «мономеры». Этот круг пересекается с кругом «изомеры». Пересечение 1 – это изомеры, которые используются как мономеры.
Круг, дающий пересечения 2, 3, 5, – это молекулы биологически активных веществ, которые могут быть как простыми веществами (5), так и сложными. Из них некоторые (2) являются и мономерами, а какие-то (3) просто НМС.
Круг, дающий пересечение 4, включает надмолекулярные биологически активные вещества, а само пересечение 4 охватывает вещества типа «олиго-», т. е. не совсем низкомолекулярные, но еще и не высокомолекулярные.
Жирными точками обозначается единичное, т. е. конкретное, индивидуальное, например кислород.
За пределы круга «молекулы» вынесены сложные образования – инсулин, ДНК – как особая группа биологически активных веществ, крахмал... вместе с тем они как бы и остаются в большом круге, что отражено на рис. 4.

Рис. 4. Логика и диалектика частиц

Изложенный подход очень удобен, т.к. в наглядно-образной форме удается осуществить классификацию частиц, дифференцировать понятия, установить между ними связь, выявить, какое понятие более узкое, а какое более широкое. Любопытно отметить, что все понятия находятся в отношении соподчинения с родовым понятием «частица». Частица выступает как микротело и микросистема различной природной организации, сущность которой часто остается по ту сторону нашего знания. Электрон – вещественная форма материи, частица, многие свойства которой изучены, но она все еще остается загадкой. То же можно сказать о протоне и нейтроне. Все остальные частицы, начиная с атома, – одноядерные или многоядерные, электронейтральные или имеющие электрический заряд, т. е. являются микросистемами и микротелами одновременно. Это касается и молекул, и надмолекулярных образований с миллионными относительными молекулярными массами и сложной геометрической организацией.
К сожалению, у нас нет времени на серьезное обсуждение поднятых вопросов и к тому же слишком узка фактологическая база (учебник не может быть достаточной опорой). Досада эта проистекает оттого, что все эти вопросы обогащают каждого мыслящего человека, мир его знаний и представлений.
Как видно, среди химических частиц нет названия «коллоидные частицы». Прежде всего потому, что в школе коллоиды не изучаются, даже в понятийном плане. Коллоидные частицы – это микрогетерогенные системы, имеющие положительный или отрицательный заряд, многократно превышающий единичный. Заряженность частиц обусловливает агрегатную устойчивость коллоидных систем. Коллоидные частицы не имеют постоянного состава. Обычно, чтобы понять особенность коллоидных частиц, сопоставляют их размер с размером молекул или ионов и суспензий:

0,05–0,25 нм < 1–100 < (> 100 нм).

В принципе можно моделировать коллоидные частицы – для наглядности и лучшего восприятия:

О коллоидном состоянии вещества можно говорить при изучении гидролиза хлорного железа(III), получении осадка йодида серебра и пояснении опалесценции содержимого в пробирке. К коллоидным растворам можно отнести белки в крови и молоке, крахмальный клейстер, латекс, используемый при получение каучука.
Обращаются к понятию «коллоиды» и при структурировании химической науки (см. схему).

Е.Г.ШМУКЛЕР,
заслуженный учитель Украины
(г. Славута, Украина)