Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович

§ 79. Залежність властивостей речовин від їхнього складу та будови

Закони діалектики в хімічних законах

Хоча сьогодні хімія відокремилася в самостійну потужну науку, що складається з багатьох розділів, але все одно хімія є складовою науки про природу і частиною знань людства про речовини. Отже, і певні загальнонаукові й філософські поняття можна розглянути на прикладі хімічних понять.

Одним із законів діалектики є закон єдності та боротьби протилежностей. Цей закон легко проілюструвати на прикладі сучасних уявлень про будову атомів. Так, у природі існує лише два види електричного заряду. Відповідно, існують і два носії цих зарядів — позитивно й негативно заряджені частинки, що не можуть існувати самостійно, а лише разом, утворюючи певні структури. Позитивно заряджені ядра з негативно зарядженими електронами утворюють безліч атомів, які утворюють усі речовини. Співвідношення зарядів в атомах зумовлює існування багатьох хімічних елементів із різноманітними властивостями, а також можливість утворення катіонів та аніонів, які також є певними «цеглинками» речовини, але на більш високому рівні.

На прикладі хімічних об’єктів наочно пояснюється ще один закон діалектики — закон переходу кількісних змін у якісні. Утіленням цього закону в хімії є Періодичний закон. У атомів відомих сьогодні 118 хімічних елементів склад змінюється поступово: від Гідрогену до Оганессону в атомах поступово збільшується кількість протонів, нейтронів і електронів. У міру того, як послідовно збільшується заряд ядра (на одну одиницю), властивості елементів поступово, іноді дуже повільно, змінюються від металічних до неметалічних. Це є ілюстрацією відображення впливу кількісних змін у складі атомів на якісні — властивості хімічних елементів. І найяскравіше цей вплив видно у тих випадках, коли зміна заряду ядра на одну одиницю спричиняє дуже різку зміну властивостей від інертного до типового металічного елемента.

Залежність властивостей речовин від будови атомів, що їх утворюють

Повторіть:

• за § 3: принцип мінімальної енергії розподілення електронів в атомі по орбіталях, принцип Паулі, правило Хунда;
• за § 5: сучасне формулювання Періодичного закону та його фізичний зміст;
• за § 5: поняття про енергію йонізації та енергію спорідненості до електрона;
• за § 5: закономірності у зміні радіуса атомів, енергії йонізації, енергії спорідненості до електрона, електронегативності, металічних і неметалічних властивостей хімічних елементів залежно від місця в Періодичній системі;
• за § 5: закономірності у зміні окисних та відновних властивостей речовин, кислотно-основних властивостей оксидів та гідратів оксидів залежно від місця хімічних елементів у Періодичній системі;
• за § 19: місце Гідрогену в Періодичній системі.

Як ви вже переконалися, Періодичний закон є одним із фундаментальних законів природи. Він добре ілюструє взаємозв’язок між будовою атомів хімічних елементів та їхніми властивостями, а також властивостями простих і складних речовин, утворених ними.

Сучасна Періодична таблиця, насамперед її довгий варіант, є графічним відображенням Періодичного закону (мал. 5.1, с. 15). За нею можна не лише передбачити властивості елементів та їхніх сполук, у ній також зашифровано будову електронних оболонок атомів. Залежно від орбіталей, що заповнюються в атомів певного елемента останніми (тобто найменш енергетично вигідних із заповнених орбіталей), у довгому варіанті утворилися певні блоки елементів. Їх називають відповідно до заповнених останніми орбіталей: s-, р, d- та f-блоки (утворені, відповідно, s-, р, d- та f-елементами). Слід зазначити, що f-блоки хімічних елементів утворюють дві родини елементів — лантаноїди та актиноїди (або лантаніди та актиніди). Для зручності їх виносять у нижню частину таблиці, оскільки інакше кожна родина має бути розміщена в третій групі в одній клітинці.

Залежність властивостей речовин від їхньої хімічної будови

Повторіть:

• за § 10: спільне та відмінне у властивостях речовин кристалічної й аморфної будови;
• за § 11: залежність властивостей речовин від типу кристалічних ґраток у твердому стані.

Вивчаючи органічну хімію, ви ознайомилися з теорією будови органічних сполук, запропонованою О. М. Бутлеровим. Одним із її положень є твердження, що властивості органічних сполук залежать не лише від їхнього складу, але й від їхньої хімічної будови, тобто порядку сполучення атомів і геометричної форми молекул. Але залежність властивостей речовин від складу й будови є загальнохімічним законом і виконується для всіх речовин.

Ви вже знаєте багато фактів для ілюстрації цих залежностей. Склад речовини зумовлює її будову (типи хімічних зв’язків у ній і типи кристалічних ґраток), що безпосередньо позначається на фізичних і хімічних властивостях речовин.

До того ж атоми в молекулах мають взаємний вплив один на одного, що також позначається на властивостях речовин.

Розгляньмо декілька прикладів:

• значно відрізняються властивості алотропних видозмін речовин, які мають різні типи кристалічних ґраток (білий, чорний і металічний фосфор, ромбічна й моноклінна сірка) або різний склад молекул (кисень і озон, ромбічна і пластична сірка) (див. § 28, 30, 48, 52);

• залежно від складу молекули деяких речовин здатні утворювати водневі зв’язки, що суттєво позначається на властивостях речовин. Наприклад, молекули води та етанолу утворюють водневі зв’язки, тому вони є рідинами за звичайних умов, а схожі на них речовини — гідроген сульфід та етан — газуваті, оскільки їхні молекули не утворюють водневих зв’язків (див. § 8);

• нітритна кислота — нестійка і може існувати лише в дуже розбавлених охолоджених розчинах, а її солі, хоча й нестійкі та виявляють високу хімічну активність, набагато стійкіші: на відміну від кислоти вони можуть існувати в концентрованих розчинах, їх можна виділити з розчинів у чистому вигляді й певний час зберігати (§ 45, 47);

• серед органічних речовин дуже поширене явище ізомерії, а властивості ізомерів можуть значно відрізнятися: наприклад, гексен С₆Н₁₂ знебарвлює бромну воду і виявляє властивості ненасичених вуглеводнів, а його ізомер із таким самим складом — циклогексан — ні.

Отже, склад речовин завжди позначається на їхніх властивостях, і навпаки, за властивостями речовин у багатьох випадках можна визначити або передбачити їхній склад.

Ключова ідея

Залежність властивостей речовин від їхньої хімічної будови — один із головних висновків із атомно-молекулярного вчення, що поширюється як на органічні, так і на неорганічні речовини.

Запитання та завдання

462. Схарактеризуйте вплив складу атомів на: а) властивості атомів; б) властивості нуклідів; в) властивості хімічних елементів; г) хімічну будову сполук; д) фізичні й хімічні властивості сполук.

463. Висловіть власне судження щодо значення Періодичного закону для розуміння світу та розвитку природознавчих дисциплін.