Слесарев В.И. - Химия. Основы химии живого. 2000 (учебник для вузов)

19.2.3.Производные карбоновых кислот, их свойства и вза477 имные превращения

19.2.4.Окислительно-восстановительные свойства карбоновых 482

8

9

ОТ АВТОРА

Учебник «Химия: Основы химии живого» рекомендован к изданию как победитель Всероссийского конкурса учебников для бакалавров по фундаментальным дисциплинам для студентов высших учебных заведе­ ний естественнонаучных направлений и специальностей. Автор учебника имеет опыт преподавания химии в Санкт-Петербургской государствен­ ной медицинской академии им. И. И. Мечникова более 20 лет.

Химия является фундаментальной наукой и мощным инструментом исследования и познания процессов в живых системах. Поэтому студенты естественнонаучных специальностей, таких как биология, биохимия, физиология, агрономия, животноводство, биотехнология, экология, а также студенты медицинских и фармацевтических вузов должны хорошо усвоить основные идеи, законы и методы этой науки. Учитывая очень ограниченное количество часов (200-240), отводимых на изучение хи­ мии, автор стремился изложить полный курс химии, включающий осно­ вы общей, бионеорганической, биоорганической, биофизической и кол­ лоидной химии, по возможности кратко и доступно, но достаточно стро­ го, на высоком уровне и в рамках единого подхода.

Цель данного учебника - сформировать у читателя целостное вос­ приятие химии, показать ее тесную связь с жизнедеятельностью биоло­ гических систем, сделать изучение химии как можно более эффектив­ ным и увлекательным, раскрыть химические и физико-химические ас­ пекты превращений молекула - клетка - организм. Автор надеется, что учебник поможет стимулировать интерес к химии у любознательных студентов и будет способствовать тесному научному сотрудничеству хи­ миков, биологов, физиологов, фармацевтов и врачей. Такой союз дол­ жен исправить существующую терминологическую несогласованность в языках родственных специальностей, препятствующую взаимопонима­ нию. Последовательность, четкость и оригинальность изложения многих вопросов химии позволяет рекомендовать данный учебник студентам химических вузов, преподавателям химии, а также биологам, врачам и экологам.

Для того чтобы адаптировать химию к медико-биологическим проблемам в соответствии с требованиями государственных общеоб­ разовательных стандартов, в основу учебника положены следующие принципы:

систематическое изложение современной химии с сохранением необходимой строгости на уровне краткого курса для студентов, специализирующихся в науках о жизни;

представление материала с минимальным привлечением мате-

>матического аппарата, но на таком физико-химическом уровне, который необходим для последующего изучения специальных предметов;

тесная взаимосвязь различных разделов химии, биологии, био-

>химии и медицины показана с помощью большого числа приме­ ров из жизни растительного и животного мира, а также медицин­ ской практики.

11

Атомные орбитали в многоэлектронных атомах

Is < 2s < 2p < 3s < 3/? < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 5d~ 4/ < 6p

Увеличение энергии

>

Глава 1

СТРОЕНИЕ АТОМА, ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН

ИПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ

Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА

После изучения этой главы вы должны:

-иметь представление о строении атома и корпускулярно­ волновой природе электрона;

-знать квантовые числа и принципы заполнения электронами атомных орбиталей;

-знать периодический закон Д. И. Менделеева, принципы по­ строения периодической системы элементов, написание электрон­ ных формул атомов элементов;

-уметь прогнозировать химические свойства элементов, исхо­ дя из их положения в периодической системе и электронных фор­ мул соответствующих атомов;

-знать основные характеристики атомов элементов и измене­ ние этих величин по группам и периодам периодической системы.

1.1. СТРОЕНИЕ АТОМА

Понятие атома как мельчайшей неделимой частицы веще­ ства было предложено еще в V веке до н. э. греческими фило­ софами Демокритом и Эпикуром. Экспериментальные факты, свидетельствующие о сложной структуре атома, были получены при исследовании электролиза, природы катодных и каналовых лучей, фотоэффекта, радиоактивности элементов и оптиче­ ских спектров атомов различных элементов. Обобщая извест­ ные экспериментальные данные, Э. Резерфорд в 1911 г. пред­ ложил планетарную модель атома, согласно которой 99,9 %

14

массы атома и его положительный заряд сосредоточены в ядре, а электроны - отрицательно заряженные частицы - движутся вокруг ядра подобно планетам в Солнечной системе. Планетар­ ная модель, благодаря своей наглядности и идеям Н. Бора, сфор­ мулированным им в 1913 г., долгое время использовалась для объяснения атомно-молекулярных явлений. Однако оказалось, что движение электрона в атоме и устойчивость атомной систе­ мы, в отличие от устойчивости Солнечной системы, нельзя опи­ сать законами классической механики. Это вызвано прежде все­ го очень большой разницей в размерах этих двух систем. Для описания строения атома необходимо применять законы кван­ тово-волновой механики, которым подчиняется микромир и которые сформулировали в 1920-е годы Л. де Бройль, В. Гей­ зенберг, Э. Шредингер и П. Дирак.

Согласно современным представлениям атом является слож­ ной электромагнитной системой, включающей элементарные час­ тицы - протоны, нейтроны, находящиеся в ядре атома, и элек­ троны. Протон имеет массу 1,67 •10~27 кг и положительный за­ ряд 1,6 •10~19 Кл, нейтрон имеет примерно такую же массу, но лишен заряда, электронейтрален. Электрон имеет массу покоя в 1836 раз меньше массы протона - 9,1 •10“31 кг и отрицатель­ ный заряд, равный по величине заряду протона 1,6 •10“ 19 Кл. Атом электронейтрален, так как число электронов в атоме равно числу протонов. Пользуясь периодической системой Д. И. Мен­ делеева, легко определить число элементарных частиц в атоме. Так, элемент калий имеет порядковый номер 19 и атомную мас­ су 39. Следовательно, в ядре имеется 19 протонов и 20 нейтро­ нов (39 - 19 = 20), а вокруг ядра атома калия движется 19 элек­ тронов.

В ядрах атомов одного и того же элемента может содержать­ ся при одинаковом числе протонов разное число нейтронов. Та­ кие атомы имеют различную массу, но одинаковый заряд ядра и, следовательно, одинаковое число электронов.

Разновидности атомов одного и того же химического «элемента, отличающиеся массовыми числами, но имею­ щие одинаковый заряд ядра, называются изотопами.

Массовое число элемента является средней величиной мас­ совых чисел его природных изотопов с учетом их распростра­ ненности. Например, элемент хлор имеет два естественных

изотопа: 17CI - 75,43 % и f7CI - 24,57 % , поэтому относи­

тельная масса атома хлора приблизительно равна 35 •0,7543 +

+ 37 •0,2457 = 35,491.

Устойчивость атомного ядра зависит от соотношения чисел содержащихся в нем нейтронов и протонов. Для легких эле­ ментов ядро максимально устойчиво при отношении число ней­ тронов/число протонов, равном приблизительно 1, а для тя­

15

желых элементов - около 1,6. При иных соотношениях прото­ нов и нейтронов ядро атома становится неустойчивым и склон­ ным к самопроизвольным радиоактивным превращениям в дру­ гие ядра за счет испускания а- или Р-частиц и у-лучей.

При химическом взаимодействии ядра атомов элементов ос­ таются без изменения, а строение внешних электронных оболочек их атомов изменяется вследствие перераспределения электро­ нов между ними. Способность атома отдавать или присоединять электроны, зависящая от заряда ядра, от строения электронной оболочки атома и его радиуса, определяет химические свойства соответствующего элемента. Поэтому рассмотрим электронную структуру атома с учетом его квантово-механической модели.

По современным представлениям электрон имеет двойствен­ ную (корпускулярно-волновую) природу, проявляя одновременно свойства как корпускулы (частицы), так и волны (см. табл. 1.1). Наличие у электрона массы и заряда характеризует его как кор­ пускулу, а способность пучка электронов к явлениям дифракции и интерференции свидетельствует о волновых свойствах элек­ трона и используется в электронной микроскопии биологиче­ ских объектов. Особенности поведения электрона в атоме вызва­ ны прежде всего его волновыми свойствами, так как волновое движение принципиально отличается от движения корпускулы. При описании движения волны нельзя пользоваться понятием “траектория” . Поэтому для характеристики движения электрона вместо терминов “траектория” и “орбита” применяют вероятно­ стный подход, т. е. движение электрона описывают через веро­ ятность нахождения электрона в данной точке атомного про­ странства. Таким образом, согласно квантово-волновой механике электрон в атоме оказывается как бы “размазанным” по всему объему атома, образуя электронное облако с неравномерной плот­ ностью, т. е. атомную орбиталь.

Часть атомного пространства, где вероятность пребы­ «вания электрона составляет свыше 90 %, называется

атомной орбиталью.

На схемах атомная орбиталь обычно изображается как ячейка: О или □ .

Другая особенность поведения электрона в атоме также связа­ на с его волновыми свойствами. Вследствие закономерностей дви­ жения электронной волны и с учетом граничных условий, элек­ трон в атоме может принимать не любые состояния, а только оп­ ределенные, т. е. для состояний электрона в атоме и величин, их характеризующих, свойственна квантованность (дискретность).

Электрон, находящийся в атоме, участвует в двух видах движения (орбитальное движение относительно ядра и собст­ венное вращательное движение). Поэтому для полного описа­ ния состояния электрона в атоме необходимо знать следующие четыре параметра:

16

-энергия электрона

-величина орбитального момента

Все эти четыре параметра, описывающие состояние электро­ на в атоме (табл. 1.1), вследствие его волновых свойств должны квантоваться, т. е. все их возможные значения обязательно дол­ жны быть пропорциональны определенным числам, называе­ мым квантовыми.

1.1.1. КВАНТОВЫЕ ЧИСЛА

Для полного описания состояния каждого электрона в ато­ ме в квантово-волновой механике используется система четы­ рех параметров п, Z, тi, mS9 называемых квантовыми числами (табл. 1.1). Квантовые числа - величины безразмерные.

Главное квантовое число it. Главное квантовое число - это положительное целое число, 1, 2, 3, 4, ..., оо, которое характери­ зует в основном энергию электрона, т. е. энергетический уро­ вень. При п = 1 электрон находится на самом низком энерге­ тическом уровне. По мере возрастания п энергия уровня увели­ чивается. Помимо энергии главное квантовое число также характеризует удаленность данного электрона от ядра (г). Чем больше величина п9 тем дальше находится электрон от ядра и

Кроме того, значение главного квантового числа также ука­ зывает на число энергетических подуровней, соответствующих данному уровню, - оно равно значению п. Так, в первом энер­ гетическом уровне (п = 1) имеется один подуровень, во втором (п = 2) - два, в третьем (п = 3) - три, в четвертом (п = 4) - че­ тыре подуровня и т. д.

Таким образом, главное квантовое число п определяет энер­ гетический уровень электрона в атоме. Хотя оно может прини­ мать любые целочисленные значения от 1 до оо, но для электро­ нов в невозбужденных атомах известных в настоящее время элементов оно изменяется от 1 до 7, что соответствует числу пе­ риодов в современной периодической системе Менделеева.

Орбитальное квантовое число L Число I характеризует ве­ личину орбитального момента количества движения электрона, другими словами, уточняет энергетическое состояние электронов в пределах данного уровня, т. е. энергию подуровня. Наряду с этим орбитальное квантовое число характеризует форму атом­ ных орбиталей электрона, соответствующих данному подуровню.

17