УДК 373.167.1:54ББК 24.1я72 Г12

© ООО «ДРОФА», 2014

Габриелян, О. С.Химия. Базовый уровень. 11 кл. : учебник / О. С. Габ-

риелян. — 3-е изд., стереотип. — М. : Дрофа, 2016. —223, [1] с. : ил.

ISBN 978-5-358-16101-6

Учебник продолжает курс химии для старшей школы, изложенныйв учебнике О. С. Габриеляна «Химия. Базовый уровень. 10 класс». Он мо-жет быть использован при изучении курса общей химии базового уровня.

Учебник соответствует Федеральному государственному образователь-

ному стандарту среднего (полного) общего образования.

УДК 373.167.1:54ББК 24.1я72

Г12

ISBN 978-5-358-16101-6

Учебное издание

Габриелян Олег Сергеевич

ХИМИЯ

Базовый уровень

11 класс

Учебник

Зав. редакцией Т. Д. Гамбурцева. Ответственный редактор Т. Д. ГамбурцеваХудожественный редактор О. А. Новотоцких. Художественное

оформление Ю. В. Христич. Технический редактор И. В. ГрибковаКомпьютерная верстка Н. В. Полякова. Корректор Г. И. Мосякина

В соответствии с Федеральным законом от 29.12.2010 г. № 436-ФЗзнак информационной продукции на данное издание не ставится

Сертификат соответствия№ РОСС RU.AГ99.H01901.

Подписано к печати 27.01.16. Формат 60 × 90 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура «Школьная». Печать офсетная.

Усл. печ. л. 14,0. Тираж 16 000 экз. Заказ № .

ООО «ДРОФА». 127254, Москва, Огородный проезд, д. 5, стр. 2.

Предложения и замечания по содержанию и оформлению книгипросим направлять в редакцию общего образования издательства «Дрофа»:

127254, Москва, а/я 19. Тел.: (495) 795-05-41. E-mail: chief@drofa.ru

По вопросам приобретения продукции издательства «Дрофа»обращаться по адресу: 127254, Москва, Огородный проезд, д. 5, стр. 2.

Тел.: (495) 795-05-50, 795-05-51. Факс: (495) 795-05-52.

Сайт ООО «ДРОФА»: www.drofa.ruЭлектронная почта: sales@drofa.ru

Тел.: 8-800-200-05-50 (звонок по России бесплатный)

3

Глава первая

Строение вещества

Основные сведенияо строении атома

Понятие «атом» пришло к нам из Античности, но со-вершенно изменило тот первоначальный смысл, кото-рый вкладывали в него древние греки (в переводе с гре-ческого «атом» означает «неделимый»). Этимологияназвания «неделимый» отражает сущность атома с точ-ностью до наоборот.

Атом делим, что доказали явления фотоэффекта,радиоактивности, электролиза (вспомните, что этотакое) и др. Изучение этих явлений определило разра-ботку различных моделей строения атома как сложнойчастицы. Эволюцию представлений о строении атомаможно изобразить в виде схемы 1.

В 1904 г. в работе «О структуре атома» Дж. Томсондал описание своей модели, получившей образное назва-ние «пудинг с изюмом». В этой модели атом уподоб-лен пудингу сферической формы, имеющему положи-тельный заряд (рис. 1, а).Внутрь сферы вкраплены,как изюм в пудинге, отри-цательно заряженные элект-роны. Электроны совершаютколебательные движения,благодаря которым атомизлучает электромагнитнуюэнергию. Атом в целом элек-тронейтрален. Модель ато-ма Дж. Томсона не была под-тверждена эксперименталь-ными фактами и осталасьгипотезой.

§ 1

Рис. 1. Моделистроения атома:а — Дж. Томсона;б — Э. Резерфорда

а) б)

4

Согласно планетарной модели, предложеннойЭ. Резерфордом, атом состоит из положительно заря-женного ядра и электронов, движущихся вокруг ядрапо замкнутым орбитам, подобно движению планет во-круг Солнца (рис. 1, б). Модель Э. Резерфорда не смоглаобъяснить излучение и поглощение энергии атомом.

В 1913 г. Н. Бор предложил квантовую модельстроения атома, основанную на следующих постула-тах.

Первый постулат. Электрон движется вокруг ядрапо строго определённым замкнутым стационарным ор-битам в соответствии с «разрешёнными» значениямиэнергии Е1, Е2, ..., Еn, при этом энергия не поглощает-ся и не излучается.

Второй постулат. Электрон может переходитьиз одного «разрешённого» энергетического состояния

РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ С х е м а 1О СТРОЕНИИ АТОМА

Атом — химически неделимая частица (элемент).

Доказательства сложности строения атома

1. Открытие рентгеновских лучей (1895 г., К. Рентген).2. Открытие катодных лучей (1897 г., Дж. Томсон).3. Открытие радиоактивности (1896 г., А. Беккерель)

и её изучение (1897—1903 гг., М. Склодовская-Кюри,П. Кюри).

Модели строения атома

1. «Пудинг с изюмом» (1902—1904 гг., В. Кельвин,Дж. Томсон).

2. Планетарная (1907 г., Э. Резерфорд).3. Квантовая (1913 г., Н. Бор).

Современные представления о строении атомана основе квантовой механики.

5

в другое, что сопровождаетсяизлучением или поглощени-ем кванта энергии.

Н. Бор внёс квантовые пред-ставления в строение атома,но использовал при этом тра-диционные классические по-нятия механики, рассматри-вая электрон как частицу,движущуюся со строго опреде-лённой скоростью по строгоопределённым траекториям.Его теория была построена напротиворечиях.

В 1932 г. была разработанапротонно-нейтронная теорияядра, согласно которой ядраатомов состоят из протонови нейтронов.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Т а б л и ц а 1НЕКОТОРЫХ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Частица и её обозначение

Масса Заряд Примечание

Протон, p 1 +1 Число протонов соответ-ствует порядковому номе-ру элемента в таблице Д. И. Менделеева

Нейтрон, n0 1 0 Число нейтронов находятпо формуле N = A – Z

Электрон, –1 Число электронов соответствует порядковому номеру элемента в таблице Д. И. Менделеева

Рис. 2. Схема строенияатома

Атом — это электронейтральная система взаи-модействующих элементарных частиц (табл. 1),состоящая из ядра (образованного протонамии нейтронами) и электронов (рис. 2).

e 11837--------------

6

Атомное ядро каждого химического элемента харак-теризуется строго определённым числом протонов Z(т. е. определённым положительным зарядом) в нём,равным порядковому номеру химического элементав Периодической системе Д. И. Менделеева.

Число нейтронов N в атомах одного и того же хими-ческого элемента может быть различным. Следователь-но, различными будут и массовые числа А (A = Z + N)у этих атомов. Такие разновидности атомов называютизотопами.

Например, в природе встречаются изотопы химиче-ского элемента кислорода с массовыми числами 16, 17и 18 (16О, 17О и 18О), хлора — 35Cl и 37Cl, калия — 39Kи 40K, аргона — 39Ar и 40Ar.

Строение атомного ядра и изменения, происходящиес ним, — предмет ядерной физики. Для химии боль-ший интерес представляет строение электронной обо-лочки атома. Под электронной оболочкой понимаютсовокупность всех электронов в атоме. Число электро-нов в атоме равно числу протонов и соответствует по-рядковому номеру элемента, так как атом электронейт-рален.

Важнейшей характеристикой электрона являетсяэнергия его связи с атомом. Электроны, обладающиеблизкими значениями энергии, образуют единый элек-тронный слой.

Наименьшей энергией обладают электроны первогоэлектронного слоя, наиболее близкого к атомному ядру.

Изотопы — это разновидности атомов одногои того же химического элемента, имеющиеодинаковый заряд атомного ядра (одинаковоечисло протонов в нём), но разные массовыечисла (разное число нейтронов).

Следовательно, химический элемент — этовид атомов с одинаковым положительнымзарядом ядра.

7

По сравнению с электронами первогослоя электроны последующих слоёв бу-дут характеризоваться бо́льшим запа-сом энергии. Следовательно, наименеепрочно связаны с ядром атома электро-ны внешнего слоя.

Число электронных слоёв, на кото-рых располагаются электроны в ато-ме конкретного элемента, соответ-ствует номеру периода в таблицеД. И. Менделеева, в котором распо-лагается элемент: у атомов элемен-тов 1-го периода — один уровень, 2-гопериода — два, 7-го периода — семь.

Электрон в атоме не имеет траекто-рии движения, т. е. можно говоритьлишь о вероятности нахождения егов пространстве. Он может находитьсяв любой части пространства, окружаю-щего ядро. Совокупность различных положений элект-рона рассматривают как электронное облако с опреде-лённой плотностью отрицательного заряда. Около ядраможно выделить пространство, где вероятность нахож-дения электрона наибольшая.

s-Облака имеют сферическую форму, р-облака —форму гантели или объёмной восьмёрки, а некоторыеd-облака — форму листа клевера (рис. 3).

Форма и размеры того или иного электронногооблака определяются атомными орбиталями. Атом-ные орбитали являются функцией двойственной при-роды электрона, определённой в каждой точке около-ядерного пространства. Они не имеют формы, так какэто понятие математическое. Однако, как и соответ-ствующие им электронные облака, орбитали обозна-чают символами s, p, d, f.

Рис. 3.Формы s-, р-,d-электронныхоблаков

Пространство вокруг атомного ядра, в кото-ром наиболее вероятно нахождение электро-на, называют электронным облаком.

8

В атомах химических элементов первому слою со-ответствует одна s-орбиталь, на которой могут нахо-диться два s-электрона. Второй слой имеет s-орбиталь,запас энергии электронов на ней выше, чем у электро-нов первого слоя. Кроме того, второй слой имеет трир-орбитали, которым соответствуют гантелеобразныеэлектронные облака одного размера. Они взаимно пер-пендикулярны, подобно осям координат х, у и z. Третийслой, помимо одной s- и трёх р-орбиталей, имеет пятьd-орбиталей.

Каждую орбиталь могут занимать два электрона.Следовательно, максимальное число электронов, кото-рые могут поместиться на первом слое, равно 2, на вто-ром слое — 8 (2 — на одной s-орбитали и 6 — на трёхр-орбиталях), на третьем слое — 18 (2 — на s-орбитали,6 — на р-орбитали и 10 — на d-орбиталях).

Атом каждого элемента в Периодической системеД. И. Менделеева отличается от предыдущего тем, чтозаряд его ядра увеличивается на единицу (в ядре наодин протон становится больше), а следовательно, наэлектронной оболочке на один электрон становитсябольше по сравнению с предыдущим элементом.

В зависимости от того, на какой орбитали находитсяэтот последний электрон, химические элементы можноразделить на семейства: s, р, d и f (рис. 4).

К s-элементам относят элементы главных подгруппI и II групп Периодической системы Д. И. Менделеева,а также гелий.

К р-элементам относят элементы главных подгруппIII—VIII групп Периодической системы Д. И. Менделе-ева.

К d- и f-элементам относят химические элементыпобочных подгрупп Периодической системы Д. И. Мен-делеева.

Принадлежность химического элемента к тому илииному электронному семейству можно определить поэлектронной конфигурации (электронной фор-муле), которая показывает расположение электроновна электронных слоях и орбиталях атомов. Записатьтакую формулу можно с помощью Периодической сис-

9

темы Д. И. Менделеева. Для элементов малых перио-дов (1—3), состоящих только из элементов главныхподгрупп (А групп), это не составит никакого труда.Например, сера, химический элемент № 16, располо-женный в 3-м периоде, главной подгруппе VI группы(VIА группе) Периодической системы Д. И. Менде-леева. Следовательно, ядро её атома имеет заряд +16,на электронной оболочке располагаются 16 электронов:на первом слое — 2 электрона на 1s-орбитали, на вто-ром слое — 8 электронов (2 — на 2s-орбитали и 6 —на 2р-орбиталях) и на третьем — 6 электронов в соот-ветствии с номером группы (2 — на 3s-орбитали и остав-шиеся 4 — на 3р-орбиталях). Отсюда электронная кон-фигурация атома серы:

1s22s22p63s23p4.

Сера — это р-элемент, так как последний электронв её атоме располагается на 3р-орбитали.

Для элементов побочных подгрупп (В групп) следуетучитывать тот факт, что у атомов этих элементовзаполняется не внешний слой (на нём, как правило, бу-дут находиться два s-электрона), а d-орбитали пред-внешнего слоя (на них, как вы знаете, может поместить-ся не более 10 электронов).

Рассмотрим, например, строение электронной обо-лочки элемента № 23 — ванадия, расположенного в 4-мпериоде, побочной подгруппе V группы (VА группе)Периодической системы Д. И. Менделеева. Следова-тельно, ядро его атома имеет заряд +23, на электрон-ной оболочке находятся 23 электрона: на первомслое — 2 электрона (на 1s-орбитали), на втором слое —8 электронов (2 — на 2s-орбитали и 6 — на 2р-орбита-лях), на внешнем, четвёртом — 2 s-электрона, как у эле-мента побочной подгруппы, и остальные 11 электро-нов — на третьем слое (2 — на 3s-орбитали, 6 — на 3р-ор-биталях и оставшиеся 3 — на 3d-орбиталях). Отсюдаэлектронная конфигурация атома ванадия:

1s22s22p63s23p63d34s2.

Ванадий — это d-элемент, так как последний элект-рон в его атоме располагается на 3d-орбитали.

10

Рис. 4. Длиннопериодный вариант

11

Периодической системы Д. И. Менделеева

12

1. Какие явления доказывают сложность строения атома?

2. Какие модели строения атома вы знаете?

3. Из курса физики вспомните, как физические явленияинтерференции и дифракции (что это такое?) доказыва-ют двойственную природу частиц микромира.

4. Из каких частиц состоит атомное ядро? Что такое изо-топы? Запишите символы изотопов хлора, калия и арго-на. Почему свойства различных изотопов одного и того жеэлемента идентичны, хотя их относительная атомная мас-са различна?

5. Как устроена электронная оболочка атома? Что такоеэнергетический уровень (электронный слой) атома? Чтопредставляет собой атомная орбиталь? Какие орбиталивам известны?

6. Чему соответствует в Периодической системе Д. И. Мен-делеева номер: а) периода; б) группы?

7. Как заполняются энергетические уровни и электрон-ные орбитали у атомов химических элементов главных ипобочных подгрупп таблицы Д. И. Менделеева? В чёмсходство и различие в строении атомов элементов главныхи побочных подгрупп одной группы?

8. Запишите электронные конфигурации атомов элемен-тов, имеющих порядковые номера 6, 15, 20, 25 в Периоди-ческой системе Д. И. Менделеева. К каким электроннымсемействам относят эти элементы?

1. Развитие представлений о строении атома. 2. Мо-дели строения атома: «пудинг с изюмом», плане-тарная модель, квантовая модель. 3. Атом. 4. Эле-ментарные частицы: протоны, нейтроны, электроны.5. Изотопы. 6. Корпускулярно-волновой дуализм.7. Электронная оболочка атома. 8. Электронныйслой. 9. Атомная орбиталь, электронные облака.10. Типы электронных облаков: s, p, d. 11. Поря-док заполнения электронами электронных слоёв иорбиталей. 12. Электронные конфигурации (элек-тронные формулы) атомов.

13

9. Подготовьте сообщение на тему «Эволюция представле-ний о строении атома», используя возможности Интернета.

10. Как вы думаете, почему гуманитариям необходимоиметь представление о сложном строении атома?

11. Прокомментируйте следующие строки из стихотворе-ния В. Брюсова «Мир электрона»:

Быть может, эти электроны —

Миры, где пять материков,Искусства, званья, войны, троныИ память сорока веков.

Ещё, быть может, каждый атом —Вселенная, где сто планет;Там всё, что здесь в объёме сжатом,Но также то, чего здесь нет.

Периодический закони строение атома

Периодический закон и Периодическая система хи-мических элементов Д. И. Менделеева — величайшееоткрытие конца XIX в. в области химии, основа совре-менной химии, динамичное и развивающееся учение.Оно отражает явления, реально существующие в при-роде, и поэтому никогда не потеряет своего значения.

Открытие Периодического закона и Периодическойсистемы было подготовлено всем ходом истории развитияхимии, однако потребовалась гениальность Д. И. Менде-леева, его дар научного предвидения, чтобы эти законо-мерности были сформулированы и графически пред-ставлены в виде таблицы.

Открытие Д. И. МенделеевымПериодического закона

Д. И. Менделеев расположил все известные ко вре-мени открытия Периодического закона химическиеэлементы в ряд (рис. 5, а) по возрастанию их атомных

§ 2

14

Рис. 5. Так создавалась Периодическая система Д. И. Менделе-ева: а — элементы, расположенные в порядке увеличения отно-сительных атомных масс; б — периоды

а)

б)

15

масс (во времена Д. И. Менделеева эту величину назы-вали атомным весом) и отметил в нём отрезки — пери-оды (рис. 5, б), в которых свойства элементов и образо-ванных ими веществ изменялись сходным образом,а именно (в современных терминах):

1) металлические свойства ослабевали;2) неметаллические свойства усиливались;3) валентность элемента в высших оксидах увеличи-

валась с I до VII;

Менделеев Дмитрий Иванович (1834—1907)

Великий русский учёный, один изосновоположников современной хи-мии. Создатель естественной класси-фикации химических элементов —Периодической системы элементов,явившейся выражением Периодиче-ского закона химических элементов.Создал фундаментальный труд —учебник «Основы химии», в которомвпервые вся неорганическая химияизложена на основе Периодическогозакона. Автор химической теориирастворов.

В своих трудах Д. И. Менделеев много внимания уделял раз-витию отечественной промышленности и химизации сельскогохозяйства.

Д. И. Менделеев доказал необходимость создания хими-ческих производств соды, серной кислоты, минеральных удоб-рений. Обосновал идеи подземной газификации угля и приме-нения кислорода в металлургической промышленности. Пред-ложил способ непрерывной переработки нефти, а такжеоригинальную теорию её происхождения.

16

4) валентность элементов в гидридах (твёрдых соле-подобных соединениях металлов с водородом) увели-чивалась с I до III, а затем уменьшалась в летучих водо-родных соединениях с IV до I;

5) оксиды от основ́ных через амфотерные сменялиськислотными;

6) гидроксиды от щелочей через амфотерные гидро-ксиды сменялись всё более сильными кислотами.

На основании этих наблюдений Д. И. Менделеевв 1869 г. сделал вывод — сформулировал Периодиче-ский закон:

Ещё раз подчеркнём, что в настоящее время сино-нимом понятия «атомный вес» является понятие«относительная атомная масса».

Периодический законв свете учения о строении атома

Формулировка Периодического закона, даннаяД. И. Менделеевым, отражала состояние науки на тотпериод времени, когда о сложном строении атома учё-ные только догадывались. Можно поражаться гениаль-ности выдающегося русского химика, который на осно-вании величайшей научной интуиции предвидел при-чины открытых им закономерностей, блестяще угадалпорядок расположения элементов. Д. И. Менделеев соз-дал таблицу так, что она, будучи довольно простой, темне менее максимально характеризует строение атомовхимических элементов и не претерпела никаких прин-ципиальных изменений уже на протяжении почти по-лутора столетий. Последующие открытия в области фи-зики и химии только дополняли и углубляли открытиеД. И. Менделеева.

Как вы уже знаете, было доказано сложное строениеатома, предложены модели, отражающие его строение,

свойства химических элементов и образован-ных ими веществ находятся в периодическойзависимости от их атомных весов.