Общая характеристика химических элементов. Вопросы химической метрологии. Законы сохранения и стехиометрии

1.§ 2. Общаяхарактеристикахимическихэлементов

Общая характеристика химических элементов определяется их массой и размером.

Атомная масса. Фундаментальным свойством химических эле­ментов является атомная масса (атомный вес), представляющая собой величину массы атома, выраженную в атомных единицах массы. Применение особой единицы для измерения атомной массы связано с тем, что массы атомов чрезвычайно малы. За едини­цу атомной массы принята 1\12 часть массы изо­топа атома углерода ¹²С. Масса углеродной единицы 10~²⁷ кг. После открытия явления изотопии стали различать понятия атомной мас­сы для элементов, состоящих из смеси изотопов, и отдельных изотопов. Для элементов, которые представлены в природе одним изотопом (например, F, A1), атомная масса элемента совпадает с атомной массой этого изотопа. Если элемент представлен в виде смеси изотопов, то его атомную массу вы­числяют как среднее значение из атомных масс отдельных его изотопов с уче­том относительного содержания каждого из них. Колебания природного изотопного состава у большинства элементов незна­чительны (менее 0,003 %), поэтому каждый элемент имеет практически по­стоянную атомную массу. Близость к целым числам атомных масс элементов, представленных в природе одним изотопом, объясняется тем, что вся масса атома заключена в его ядре, а массы составляющих ядро протонов и нейтро­нов близки единице. В то же время значения атомных масс изотопов никогда точно не равны целым числам. Это объясняется рядом причин: небольшим отличием относительных масс протона и нейтрона от единицы , дефектом массы при образовании изотопа из нуклонов и электронов, незначи­тельным вкладом в общую -массу атома массы электронов. Для нахождения атомных масс пользуются различными мето­дами. Часть их основана на экспериментальном определении моле­кулярной массы какого-либо соединения данного элемента. В этом случае атомная масса равна доле молекулярной массы, приходящейся на этот элемент, деленной на число его атомов в молекуле. Достаточно точное значение атомных масс можно найти, опреде­ляя химическим анализом эквивалент элемента. Атомная масса в этом случае равна произведению эквивалента на валентность. С наибольшей точностью атомные массы оп­ределяются различными физико-химическими методами и преж­де всего методом масс-спектрометрии. Современные значения атомных масс приведены в периодической системе Д. И. Менде­леева.

Размеры атомных частиц. Количественной характеристикой размеров атомных частиц служат их радиусы. Они находятся обычно из данных о межъядерных расстояниях в молекулах и кристаллах делением их на вклады, относящиеся к отдельным ато­мам. Причем предполагается, что атомные частицы элементов в соединениях сферические и касаются друг друга своими поверх­ностями. По виду атомных частиц (атомы, ионы) радиусы под­разделяются на атомные и ионные.

Атомные радиусы. Выделяют металлические и ковалентные ра­диусы. Металлические находят, исходя из межъядерных расстояний в металлах, сплавах, интерметаллических соединениях, а кова­лентные — из этих же величин в неметаллах и ковалентных моле­кулах.                                        

Ковалентные радиусы в свою очередь подразделяют на тетра-эдрические, октаэдрические и др., на радиусы при одинарной, двой­ной и тройной связях.

Рассматриваются еще радиусы Ван-дер-Ваальса, характери­зующие расстояния между валентно несвязанными атомами. Их оценивают, усредняя межъядерные расстояния для одинаковых атомов соприкасающихся молекул, а затем делят пополам най­денное среднее значение.

Ионные радиусы. Предложены различные системы ионных ра­диусов. Наиболее употребительны системы по Гольдшмидту и По-лингу. Значения ионных ра­диусов в этих системах сравнимы.

Численные   значения   радиусов   атомов   иионов   в    наиболее широко   используемых   системах. Анализ их показывает, что они закономерно меняются от по­рядкового номера элемента и зарядов ионов.

1.Окислительное число (о. ч.). Оно равно заряду атома элемен­та в молекуле, который приписывается ему, исходя из предполо­жения об ионном строении вещества.

Окислительные числа атомов в молекулах находятся из пред­положения, что молекула в целом электрически нейтральна.

При этом используются правила:

1.  Окислительное число элемента в свободном  виде или про­стом веществе равно нулю.

2.   Окислительное  число   элемента   в   состоянии   одноатомного иона в ионном соединении равно электрическому заряду этого иона.

3.   Окислительное число элемента в других соединениях нахо­дят на основании значений окислительных чисел других элемен­тов, входящих в   состав  данного   соединения.   При   этом   окисли­тельное число кислорода принимается  равным  (—2).

Несмотря на то что окислительные числа не дают представле­ний об истинном заряде элементов в соединениях, использование их представляет большой интерес при решении самых различных вопросов химии, например при определении эквивалентов веществ, энергии кристаллической решетки и др.