Химия для чайников. Урок 2. Неорганическая химия.

Неорганическая химия является базовым разделом химии. Кроме того, это и самый простой раздел химии, органическая химия гораздо сложнее. Именно поэтому мы начнем наше изучение химии с неорганической химии. Как вы уже знаете из урока 1, неорганическая химия - это наука о химических элементах и их неорганических соединениях. Что же такое химический элемент? Химический элемент - это абстрактное понятие, которое обозначает простое вещество, которые состоит из атомов одного вида. Каждый химический элемент имеет порядковый номер в таблице Менделеева, который совпадает с количеством протонов в атомном ядре. Необходимо отличать сам химический элемент от вещества, который он обозначает. Химический элемент - это просто название атомов вещества. А вот само вещество, даже состоящее из одного атома, может быть в различных формах. Яркий тому пример - углерод. Он может быть в форме черных угольков, остающихся после костра, в форме брикетов каменного угля или торфа, которым топят печь, в форме графитного стержня, который имеется внутри карандаша и даже в форме алмазов. Все это разновидности одного и того же химического элемента - углерода. Все разница лишь в том, как располагаются атомы по отношению к друг другу. Например, в алмазе атомы углерода образуют объемную пространственную решетку в форме тетраэдра (пирамиды):

Именно благодаря такой решетке алмаз очень твердый. У графита другая форма кристаллической решетки, поэтому он мягкий и его частицы легко отслаиваются друг от друга:

Для понимания химических процессов а так же почему вещество может иметь разную структуру, необходимо знать строение атомов. Сейчас мы его рассмотрим.

И так, что представляет собой атом? А он представляет собой ядро, расположенное в центре атома, вокруг которого вращаются электроны. При этом не следует представлять, что они прямо такие летают вокруг ядра, аки спутники вокруг Земли или планеты вокруг Солнца. На самом деле, что электроны, что протоны, что другие элементраные частицы - это такая неведомая непонятная штуковина, с очень экзотическими свойствами, которая может одновременно находиться в разных местах. Поэтому электроны как бы "размазаны" по своим орбитам. И, такие электронные орбиты в атомах получили название орбитали.

Ядро состоит из нейтронов и протонов. Нейтроны, являются нейтрально заряженными частицами, протоны - положительно заряженными частицами, а электроны отрицательно заряженными. Поэтому между последними существуют силы электромагнитного притяжения, вследствие чего электроны обычно никуда не улетают из атомов. Да, именно обычно не улетают, потому что иногда случается, что электроны все таки отрываются от своих ядер. По какой причине? Например, если к куску вещества приложить электрическое поле, которое будет вырывать электроны из атомов (пойдет электрический ток). Или какая-нибудь элементарная частица типа фотона (кусочка света) может его выбить. Но обсуждение физики выходит за рамки данных уроков, тут у нас химия. Поэтому идем дальше.

Вот как вы думаете, может ли ядро притянуть электрон из соседнего атома? Почему нет? Между ними действуют такие силы электромагнитного взаимодействия. Правда, у другого атома тоже есть ядро, которое не даст электрону улететь. Но сила притяжения то никуда не девается. Как вы думает, что произойдет с атомами, которые будут находиться достаточно близко друг к друг. Правильно, они буду как то взаимодействовать. С одной стороны, ядра пытаются отобрать у соседа электроны, создавая силу притяжения, с другой стороны, электроны соседних атомов будут отталкиваться друг от друга. Таким образом, атомы будут смещать на такое расстояние, что бы эти силы уравновесить. Если все атомы одинаковые, то получиться кристаллическая решетка (если это твердое вещество), либо, допустим, для газов, образуются двухатомные молекулы. Есть, конечно, еще варианты, но мы их рассмотрим позже в соответствующих разделах.

А если атомы разные? Тогда они могут образовывать между собой разные связки, которые принято называть химическими связями. Различают следующие типа химических связей:

1. Ковалентная неполярная связь. Она обусловлена перекрытием так называемых электронных облаков двух атомов. Я уже говорил, что электрон в атоме не находиться в одном месте, а как бы размазан по своей орбите (орбитали). Этот "размазанный" по пространству электрон и есть электронное облако. Вот таки облака частично перекрывают друг друга при ковалентной неполярной связи. Такая связь свойственна простым молекула, например, H₂ - водород, O₂- кислород.

2. Ковалентная полярная связь. Это, по сути, тоже самое, что и ковалентная неполярная связь, но один из атомов немного перетягивает на себя электрон другого атома.

3. Ионная связь. В случае такой связи один из атомов теряет электрон а другой "хапает" его себе. В результате оба из них становятся ионами с разноименным зарядами, которые, как известно, притягиваются.

4. Металлическая связь. Такой связью связаны все атомы в куске металла. Ее суть состоит в том, что атомы металла не могут удержать один из электронов и легко теряют его. Поэтому свободные электроны легко циркулируют между атомами.

5. Водородная связь. Это связь, образующаяся между атомом водорода одной молекулы и сильно электроотрицательным атомом другой молекулы. Электроотрицательность - это способность атомов оттягивать на себя электроны с других атомов. Наибольшая электроотрицательно у галогенов - фтора, хлора, а так же у сильных окислителей, например, у кислорода. Суть такой связи в том, что одна молекула, содержащая сильный электроотрицательный атом, притягивает к себе атом водорода из другой молекулы.

Может возникнуть вопрос: А почему такие связи образует именно водород?

Это объясняется тем, что атомный радиус водорода очень мал. Кроме того, при смещении или полной отдаче своего единственного электрона водород приобретает сравнительно высокий положительный заряд, за счет которого водород одной молекулы взаимодействует с атомами электроотрицательных элементов, имеющих частичный отрицательный заряд, выходящий в состав других молекул (HF, H₂O, NH₃).

Водородную связь обычно обозначают точками или пунктирной линией, потому что она представляет собой что то средне между химической связью (ковалентной, ионной) и обычной молекулярной связью: гораздо слабее первой но сильнее последней.

Еще в неорганической химии принято классифицировать неорганические вещества. Сначала они группируются на простые и сложные.

Простые вещества это такие вещества, которые состоят только из одного элемента. Они, в свою очередь делятся на группы:

Металлы. Это такие вещества, которые имеют ярко выраженные металлические свойства, а именно: высокая тепло- и электропроводность и характерный металлический блеск, твердость.. К металлам относятся такие вещества как железо (Fe), медь (Cu), натрий (Na), калий (K), литий (Li), серебро (Ag), золото (Au) и другие. К химическим свойствам металлов относится то, что они легко отдают свой электрон с последних орбиталей.
Неметаллы. Это вещества, имеющие типичные неметаллические свойства: плохая электропроводность, среди неметаллов присутствуют много веществ, которые при комнатной температуре находятся в газообразном состоянии, например, кислород (O₂), азот (N₂). Но среди неметаллов есть и твердые вещества, например, сера (S₂), кремний (Si). К химическим свойствам неметаллов относиться то, что они легче забирают себе электроны, чем отдают.
Инертные газы. Есть целая группа химических элементов, атомы которых ни с чем не взаимодействую и не образуют ни каких соединений. При комнатной температуре такие вещества находятся в газообразном состоянии. Это гелий (He), неон (Ne), аргон (Ar) и другие. Такие газы получили название инертных газов.

Сложные вещества так же группируются:

Оксиды. В этих веществам один из компонентов кислород.
Гидроксилы. Один из компонентов таких соединений - гидроксильная группа (OH - кислород + водород). Чисто такие соединения имеют щелочные свойства.
Кислоты. Соединение водорода с кислотной группой, такие вещества очень часто бывают химически активные, вступая в реакцию со многими веществами, в том числе, даже разъедают многие металлы.
Соли. Если в кислоте атом водорода заменить на атом металла - то получиться соль. Например, формула соляной кислоты HCl. А форума полученной на основе нее поваренной соли NaCl.
Бинарные соединения. Это соединения двух элементов, например, сероводород H₂S (ядовитый и очень вонючий газ).
Карбонаты. Соли и эфиры угольной кислоты (H₂CO₃)
Карбиды. Соединения металлов и неметаллов с углеродом.
Цианиды. Соли синильной кислоты (HCN).
Оксиды углерода. Их выделили в отельную группу, потому что непонятно, то ли это оксид углерода, то ли карбид кислорода. но принято все таки считать, что соединение углерода с кислородом - это именно оксид углерода.
Прочие экзотические соединения.

На этом краткий экскурс в неорганическую химию закончен, на следующем уроке начнется сама химия.