Учебник для 11 класса

Естествознание

§ 3. Благородные газы. Ионная химическая связь

1. Сформулируйте, какой процесс в химии называется восстановлением, какой — окислением.
2. Перечислите металлы, которые называют благородными, объясните почему.
3. Приведите примеры русских и иноязычных географических названий, имеющих в этимологической основе термин «соль».

Из истории открытия благородных газов. В Периодической системе особняком стоят благородные газы. Эти газы настолько пассивны, бездеятельны по отношению к другим веществам и элементам, что их первоначально абсолютно обоснованно называли инертными газами. Это уникальные химические элементы, так как даже в форме простого вещества они существуют в виде отдельных атомов, не связанных друг с другом. История открытия инертных газов столь же необычна, как и их характерные особенности.

В 1894 г. знаменитые английские учёные Д. Рэлей (1842—1919) и У. Рамзай (1852—1916) обнаружили в азоте, полученном ими из воздуха, около 1% неизвестного газа. Этот газ оказался химически ещё более инертным, чем азот, и поэтому получил название «аргон» — в переводе с греческого «недеятельный». Через год У. Рамзай получил ещё один инертный газ — гелий. Своим названием (от греч. гелиос — солнце) этот газ обязан тому, что ещё раньше его обнаружили по спектральным линиям на Солнце.

Вылетали частицы гелия,
ядра стронция...
И чего оно не наделало,
это Сопнце!

/С. Кирсанов/

В течение последующих трёх лет У. Рамзаем совместно с М. Траверсом (1872—1961) из воздуха были выделены ещё три инертных газа — криптон, неон и ксенон. Названия их происходят от греческих слов, означающих, соответственно «скрытый», «новый», «чужой». Решающая роль в открытии этих газов также принадлежит У. Рамзаю, который считал себя учеником великого русского химика Д. И. Менделеева. Работы У. Рамзая по получению и изучению этих инертных газов ещё более укрепили позиции периодического закона и Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. Наконец, в 1899 г. Э. Резерфорд и Р. Оуэнс, изучая явление радиоактивности, доказали существование последнего инертного газа — радона. Своё название он получил от элемента радия, продуктом радиоактивного распада которого является.

Применение инертных газов. Инертные газы широко используются в науке и технике. Изучение свойств жидкого гелия позволило физикам открыть удивительные явления — сверхтекучесть и сверхпроводимость. После крушения дирижабля «Гинденбург» в 1937 г. гелий заменил водород в дирижаблях и воздушных шарах благодаря лёгкости и невоспламеняемости (рис. 5).

Рис. 5. Дирижабль и воздушный шарик, заполненные гелием

Мне приснились аэростаты.
Огромное стадо <...>
Складчатокожие, в розовой утренности,
их гигантские внутренности пучатся,
резиново-белые,
им хочется гелия, гелия, гелия!
Вероятно, они животные нужные,
если люди на ужин им
дают такую редкую и лёгкую пищу?

/С. Кирсанов/

С помощью аргона проводят специальную электрическую сварку. Купание в радоновых ваннах излечивает многие тяжёлые заболевания. Инертными газами заполняют светильники, рекламные вывески и табло (рис. 6).

Рис. 6. Неоновая реклама

Ионная химическая связь. Однако инертные газы далеко не инертны. Сегодня получено уже около 200 химических соединений ксенона, криптона и радона. Поэтому само понятие «инертные» утратило свой прежний смысл. Эти газы сейчас называют благородными, поскольку они, как и благородные металлы, например золото, очень неохотно вступают в химические реакции.

Химики до сих пор спорят о том, как рассматривать частицы благородных газов в простом веществе — то ли как свободные атомы, то ли как одноатомные молекулы. Аналогично нет однозначного мнения и по поводу того, какой тип кристаллической решётки характерен для простых веществ этих элементов. По физическим свойствам это вещества с молекулярными кристаллическими решётками, но силы меж-молекулярного взаимодействия, удерживающие частицы в кристаллах, действуют между атомами.

Почему же атомы благородных газов так самодостаточны? На основании анализа их положения в Периодической системе химических элементов вы и сами можете назвать причину этого. Всё дело в том, что атомы благородных газов имеют завершённый внешний электронный слой, на котором у атома гелия находится 2 электрона, а у остальных элементов — по 8.

Атомы всех других элементов стремятся приобрести именно такую устойчивую электронную конфигурацию и достигают этого либо в результате присоединения электронов от других атомов (как вы знаете, такой процесс в химии называется восстановлением), либо в результате отдачи своих внешних электронов другим атомам (процесс окисления). Атомы, присоединившие чужие электроны, превращаются в отрицательные ионы — анионы. Атомы, отдавшие свои электроны, превращаются в положительные ионы — катионы. Между катионами и анионами возникают силы электростатического притяжения, которые и будут удерживать их около друг друга, осуществляя тем самым ионную химическую связь.

Так как катионы образуют преимущественно атомы металлов, а анионы — только атомы неметаллов, то логично сделать вывод, что этот тип связи характерен для соединений, образованных типичными металлами (щелочными и щёлочноземельными) и типичными неметаллами (галогенами, кислородом). Классическим примером веществ с ионной связью являются галогениды и оксиды щелочных и щёлочноземельных металлов (рис. 7).

Рис. 7. Схема образования ионной связи между атомами кальция и кислорода

Схему образования ионной связи между атомами натрия и хлора можно представить так:

Ионные кристаллические решётки. Два разноимённо заряженных иона, связанных силами взаимного притяжения, взаимодействуют и с другими противоположно заряженными ионами. В результате образуются кристаллические соединения, характеризующиеся правильным расположением тех частиц (в рассматриваемом примере — ионов), из которых они состоят, в строго определённых точках пространства. При соединении этих точек прямыми линиями образуется пространственный каркас, который называют кристаллической решёткой. Точки, в которых размещены частицы кристалла, называют узлами решётки.

Вещества с ионным типом связи имеют ионные кристаллические решётки (рис. 8). Такие соединения представляют собой твёрдые, прочные, нелетучие вещества с высокими температурами плавления. При обычных условиях кристаллы таких веществ электрического тока не проводят, а растворы и расплавы большинства ионных соединений представляют собой прекрасные электролиты.

Рис. 8. Ионная кристаллическая решётка хлорида натрия (каждый ион хлора окружён шестью ионами натрия)

Вещества с ионными кристаллическими решётками хрупки. Если попытаться деформировать такую кристаллическую решётку, один из слоёв её будет двигаться относительно другого до тех пор, пока одинаково заряженные ионы не окажутся друг против друга. Эти ионы сразу начнут отталкиваться, и решётка разрушится. Отсюда и хрупкость ионных соединений

Ионные соединения — это не только бинарные соединения щелочных и щёлочноземельных металлов (рис. 9, а), но и соединения, образованные тремя и более элементами (рис. 9, б). Вы без труда сможете перечислить их — это все соли, а также гидроксиды щелочных и щёлочноземельных металлов.

Рис. 9. Ионные сое ди нения в природе: а — кристаллы каменной соли (NaCl); б — кристаллы кальцита (CaCO₃)

Классификация ионов и относительность ионной связи. И в заключение приведём классификацию ионов по разным признакам:

1. по составу различают простые (Na⁺, Cl^-, Ca²⁺) и сложные (OH^-, SO₄^2-, NH₄⁺) ионы;
2. по знаку заряда различают положительные ионы, или катионы (Mⁿ⁺, NH₄⁺, H⁺ или, точнее, H₃O⁺), и отрицательные ионы, или анионы (OH^-, анионы кислотных остатков).

Соединений с ионным типом связи совсем немного, но даже в них чисто ионной связи не наблюдается. Так, например, не существует «чистых» ионов натрия и хлора с зарядами +1 и -1 соответственно. Истинный заряд этих ионов составляет +0,8 и -0,8. Следовательно, даже в соединениях, которые рассматриваются как ионные, в некоторой степени проявляется ковалентный характер связи.

И наконец, относительной истиной является утверждение, что ионная связь — это результат взаимодействия самых типичных металлов с самыми типичными неметаллами. Например, соли аммония, образованные за счёт ионной связи между катионами аммония и анионами кислотного остатка (например, NH₄Cl, NH₄NO₃), состоят исключительно из неметаллов.

В следующем параграфе речь пойдёт о химическом соединении с другим типом связи — ковалентным. Эта связь является преобладающей в мире химических веществ.

Теперь вы знаете

• историю открытия инертных газов
• области применения инертных газов
• как образуются ионные химические связи между атомами
• что такое ионные кристаллические решётки
• признаки классификации ионов

Теперь вы можете

• назвать имена учёных-химиков, открывших в конце XIX в. инертные газы — гелий, аргон, криптон, неон, ксенон, радон
• объяснить, что такое ионная химическая связь и каков механизм её образования
• привести примеры химических соединений, имеющих ионную кристаллическую решётку
• доказать, что ионная связь в химических соединениях достаточно относительна

Выполните задания

1. Объясните, почему благородные газы раньше относили к нулевой группе Периодической системы, а сейчас относят к VIII группе и в чём смысл их названия — благородные.
2. Дайте определения понятий: «катион», «анион». Назовите, на какие группы делятся ионы и по каким признакам.
3. Перечислите физические свойства, характерные для веществ с ионными кристаллическими решётками.
4. Среди веществ, формулы которых: KCl, AlCl₃, BaO, Fe₂O₃, Fe₂(SO₄)₃, H₂SO₄, SiO₂, NH₃, определите соединения с ионными кристаллическими решётками. Дайте названия всех соединений и укажите, к какому классу относится каждое из них.

Темы для рефератов

1. Научная деятельность и открытия нобелевского лауреата Уильяма Рамзая.
2. Роль ионных соединений в неживой природе и в жизни человека.
3. Жидкий гелий и связанные с ним открытия явлений сверхтекучести и сверхпроводимости.