Οι συνδέσεις στη νανοηλεκτρονική, που πραγματοποιούνται χρησιμοποιώντας ένα μόνο άτομο, δεν είναι τόσο εύθραυστες όσο μπορεί να φαίνονται με την πρώτη ματιά. Πρόσφατα πειράματα Αμερικανών επιστημόνων με «γέφυρες» νανοκλίμακας μεταξύ δύο μακροσκοπικών μεταλλικών σωμάτων δείχνουν ότι ο δεσμός γίνεται άκαμπτος όταν το πλάτος της «γέφυρας» μειωθεί σε ένα άτομο. Αυτά τα αποτελέσματα είναι συνεπή με την υπόθεση ότι οι επιφανειακές δυνάμεις κυριαρχούν σε αυτές τις κλίμακες.

Η ανάπτυξη της τεχνολογίας έφτασε επιτέλους σε ατομικές διαστάσεις. Οι συσκευές με συστατικά των οποίων οι διαστάσεις είναι της ίδιας τάξης με τα άτομα της ύλης δεν είναι πλέον αίσθηση. Σήμερα, για παράδειγμα, τα «καλώδια σύνδεσης» σε ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα μπορεί να έχουν πλάτος περίπου 100 άτομα και αυτό δεν είναι το όριο. Λόγω του διαρκώς συρρικνούμενου μεγέθους, οι επιστήμονες πρέπει να διεξάγουν νέα έρευνα που να δείχνει πώς το μέγεθος επηρεάζει τις ιδιότητες του υλικού, ιδιαίτερα την αντίσταση και τη μηχανική αντοχή.

Μια άλλη εργασία προς αυτή την κατεύθυνση κυκλοφόρησε μια ομάδα από το Κρατικό Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης (ΗΠΑ). Τα αποτελέσματά τους δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Physical Review B. Η μελέτη επικεντρώθηκε σε μικροσκοπικές επαφές που σχηματίστηκαν μεταξύ των άκρων χρυσού και της επιφάνειας. Πειράματα έδειξαν ότι τέτοιες ενώσεις (που μπορεί να είναι τόσο λεπτές όσο 1 άτομο) έχουν συγκεκριμένες ηλεκτρικές και μηχανικές ιδιότητες.

Συνήθως, για να εκτιμήσουν το πάχος μιας επαφής, οι επιστήμονες εφαρμόζουν μια τάση στην προκύπτουσα «γέφυρα» και μετρούν την ηλεκτρική αγωγιμότητα της επαφής. Προηγούμενα πειράματα έδειξαν ότι σε αυτή τη διαμόρφωση, καθώς η απόσταση μεταξύ της επιφάνειας και της κορυφής αυξάνεται (καθώς η «γέφυρα» επιμηκύνεται και μειώνεται σε πλάτος), η αγωγιμότητα μειώνεται απότομα. Αυτό συμβαίνει επειδή τα άτομα επαφής αναδιατάσσονται, έτσι ώστε ο αριθμός των ατόμων επαφής να μειώνεται από αρκετές εκατοντάδες σε ένα. Μια ομάδα Αμερικανών επιστημόνων έθεσε στον εαυτό της το καθήκον να μελετήσει αυτή την αναδιάταξη από μηχανική άποψη.

Για να αποκτήσουν τα απαραίτητα δεδομένα, οι επιστήμονες εφάρμοσαν μηχανική καταπόνηση στην επαφή και άλλαξαν το μήκος της "γέφυρας" σε βήματα των 4 πικομέτρων (για αυτό, η άκρη ήταν προσαρτημένη σε έναν πρόβολο, ο οποίος επέτρεψε τη μέτρηση όχι μόνο των αλλαγών το μέγεθος της «γέφυρας», αλλά και οι παραλλαγές στην ισχύ). Όπως είναι γνωστό, ο λόγος της εφαρμοσμένης μηχανικής δύναμης προς τη μεταβολή του μήκους δίνει μια παράμετρο όπως η ακαμψία (ή ένα σχετικό χαρακτηριστικό που ονομάζεται συντελεστής Young, το οποίο καθορίζει το μέτρο της απόκρισης του υλικού στην εξωτερική επίδραση, ανεξάρτητα από τις γεωμετρικές διαστάσεις).

Καθώς το πλάτος επαφής μειώνεται, οι ατομικές δυνάμεις αλλάζουν με τέτοιο τρόπο ώστε η ακαμψία πρέπει να αυξάνεται. Προηγούμενα πειράματα έχουν ήδη προσφέρει κάποια στοιχεία για αυτό το γεγονός. αλλά ήταν εφαρμόσιμες σε περιορισμένο εύρος κλίμακων. Αμερικανοί επιστήμονες παρατήρησαν παρόμοια φαινόμενα για πλάτη επαφής μικρότερα από 1 nm. Σύμφωνα με τα στοιχεία τους, όταν η επαφή στενεύει σε 1 άτομο, η ακαμψία της επαφής αποδεικνύεται σχεδόν διπλάσια από αυτή του «συνηθισμένου» χρυσού.

Εκτός από την κύρια έρευνα, οι επιστήμονες εξήγησαν γιατί οι στενές «συστολές» που σχηματίζονται μεταξύ δύο μεταλλικών σωμάτων μπορούν να παραμορφωθούν με απροσδόκητους τρόπους υπό την επίδραση επιφανειακών δυνάμεων.

Περαιτέρω εργασία προς αυτή την κατεύθυνση θα μπορούσε να εξηγήσει πώς διαφορετικές μικροσκοπικές ιδιότητες αντικειμένων συνδυάζονται για να σχηματίσουν μακροσκοπικές ιδιότητες.

Συνδέσεις σε νανοηλεκτρονική, που υλοποιούνται χρησιμοποιώντας ένα μόνο άτομο, δεν είναι τόσο εύθραυστα όσο μπορεί να φαίνονται με την πρώτη ματιά. Πρόσφατα πειράματα Αμερικανών επιστημόνων με «γέφυρες» νανοκλίμακας μεταξύ δύο μακροσκοπικών μεταλλικών σωμάτων δείχνουν ότι ο δεσμός γίνεται άκαμπτος όταν το πλάτος της «γέφυρας» μειωθεί σε ένα άτομο. Αυτά τα αποτελέσματα συνάδουν με την υπόθεση ότι, σε τέτοιες κλίμακες, επιφανειακές δυνάμεις.

Μια άλλη εργασία προς αυτή την κατεύθυνση κυκλοφόρησε μια ομάδα από το Κρατικό Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης (ΗΠΑ). Τα αποτελέσματά τους δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Φυσική Ανασκόπηση Β. Το αντικείμενο της έρευνας ήταν οι μικροσκοπικές επαφές που σχηματίστηκαν μεταξύ των χρυσών άκρων και της επιφάνειας. Πειράματα έχουν δείξει ότι τέτοιες ενώσεις (που μπορεί να είναι τόσο λεπτές όσο 1 άτομο) έχουν συγκεκριμένες ηλεκτρικές και μηχανικές ιδιότητες.

Η ιδέα ότι η φαινομενικά αδιαίρετη ύλη αποτελείται από μικροσκοπικά σωματίδια που δεν είναι ορατά στο μάτι προτάθηκε από τον αρχαίο Έλληνα φιλόσοφο Δημόκριτο πίσω στοV αιώνας ΠΡΟ ΧΡΙΣΤΟΥ. Ο Δημόκριτος πίστευε ότι τα άτομα είναι αιώνια, αμετάβλητα σωματίδια. Ο Δημόκριτος δεν μπόρεσε να αποδείξει τη δήλωσή του. Αυτή η θεωρία παρέμεινε απλώς μια εικασία μέχρι τις αρχές του 19ου αιώνα, όταν η χημεία άρχισε να αναδύεται ως επιστήμη.

Η λέξη άτομο προέρχεται από το ελληνικό atomos, που σημαίνει αδιαίρετο.

Τι είναι ένα άτομο

Τζον Ντάλτον

Οι χημικοί έχουν ανακαλύψει ότι κατά τη διάρκεια χημικών αντιδράσεων, πολλές ουσίες διασπώνται σε απλούστερες ουσίες. Έτσι, το νερό διασπάται σε οξυγόνο και υδρογόνο. Το οξείδιο του υδραργύρου διασπάται σε υδράργυρο και οξυγόνο. Αλλά το οξυγόνο, ο υδράργυρος και το υδρογόνο δεν μπορούν πλέον να αποσυντεθούν σε απλούστερες ουσίες χρησιμοποιώντας χημικές αντιδράσεις. Τέτοιες ουσίες ονομάζονταν χημικά στοιχεία.

Το 1808, ο Άγγλος φυσικός και χημικός John Dalton δημοσίευσε το ντοκιμαντέρ του«Ένα Νέο Σύστημα Χημικής Φιλοσοφίας». Ο Dalton πρότεινε ότι κάθε χημικό στοιχείο έχει ένα άτομο διαφορετικό από τα άτομα άλλων στοιχείων. Και στις χημικές αντιδράσεις αυτά τα άτομα συνδυάζονται ή αναμιγνύονται σε διαφορετικές αναλογίες. Ως αποτέλεσμα, σχηματίζονται χημικές ουσίες. Έτσι, το νερό περιέχει δύο άτομα υδρογόνου και ένα άτομο οξυγόνου. Και με οποιαδήποτε χημική αντίδραση, το υδρογόνο και το οξυγόνο θα εξακολουθούν να βρίσκονται στη σύνθεση του νερού σε αναλογία 2:1. Ο Ντάλτον πίστευε ότι τα άτομα είναι αδιαίρετα. Και ακόμη και τώρα, όταν γνωρίζουμε ότι ένα άτομο αποτελείται από έναν θετικά φορτισμένο πυρήνα και αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια που περιστρέφονται σε τροχιές γύρω από αυτό, συμφωνούμε με τον Dalton ότι Κάθε χημικό στοιχείο έχει τον δικό του ειδικό τύπο ατόμου.

Ατομική δομή

Ατομο

Ατομο– το μικρότερο σωματίδιο μιας ουσίας που είναι φορέας των ιδιοτήτων της. Είναι επίσης η μικρότερη ποσότητα χημικού στοιχείου που βρίσκεται σε μόρια. Ένα άτομο αποτελείται από έναν πυρήνα και ένα κέλυφος ηλεκτρονίων. Ο πυρήνας περιέχει πρωτόνια και νετρόνια. Και το ηλεκτρονικό κέλυφος αποτελείται από ηλεκτρόνια. Τα άτομα διαφορετικών ουσιών διαφέρουν σε μέγεθος, μάζα και ιδιότητες.

Συνδυάζοντας, τα άτομα σχηματίζουν μόρια. Μόριο- το μικρότερο σωματίδιο μιας ουσίας που μπορεί να υπάρχει ανεξάρτητα και έχει όλες τις χημικές του ιδιότητες. Ένα μόριο μπορεί να περιέχει άτομα ενός ή διαφορετικών χημικών στοιχείων. Εάν ένα μόριο μιας ουσίας αποτελείται από ένα άτομο μιας μόνο ουσίας, τότε οι έννοιες του ατόμου και του μορίου για αυτό συμπίπτουν. Τα άτομα ενώνονται διατομικούς ή χημικούς δεσμούς.

Σύμφωνα με την ατομική θεωρία, κάθε άτομο είναι ένα κέντρο χημικής σύνδεσης. Μπορεί να συνδυαστεί με ένα ή περισσότερα άτομα μιας άλλης ουσίας.

Και όλες οι χημικές ουσίες χωρίζονται σε απλές και σύνθετες.

Απλή χημική ουσία αποτελείται από άτομα ενός μόνο στοιχείου και δεν διασπάται σε απλούστερες ουσίες κατά τη διάρκεια μιας κανονικής χημικής αντίδρασης. Μια απλή ουσία μπορεί να έχει ατομική δομή, δηλαδή να αποτελείται από μεμονωμένα άτομα. Παραδείγματα τέτοιων ουσιών είναι τα αέρια αργό Ar και ήλιο He.

Σύνθετη χημική ουσία αποτελείται από άτομα δύο ή περισσότερων χημικών στοιχείων. Αυτά τα στοιχεία μπορούν να μετατραπούν σε άλλες ουσίες κατά τη διάρκεια χημικών αντιδράσεων ή να αποσυντεθούν σε απλά στοιχεία.

Χημικοί ατομικοί δεσμοί

Μόριο

Οι χημικοί δεσμοί μεταξύ των ατόμων είναι μεταλλικοί, ομοιοπολικοί και ιοντικοί.

Υπάρχουν τόσα ηλεκτρόνια στο ηλεκτρονιακό κέλυφος ενός ατόμου όσα πρωτόνια στον πυρήνα, αφού το άτομο ως σύνολο είναι ουδέτερο. Όλα τα ηλεκτρόνια κινούνται σε τροχιές γύρω από τον πυρήνα, όπως οι πλανήτες κινούνται γύρω από τον Ήλιο.

Σε ένα μόριο με ιοντικός χημικός δεσμόςΤα ηλεκτρόνια ενός χημικού στοιχείου εγκαταλείπουν τα ηλεκτρόνια τους και τα άτομα ενός άλλου στοιχείου τα δέχονται. Και τότε το πρώτο άτομο μετατρέπεται σε ιόν με θετικό φορτίο. Και ένα άτομο ενός άλλου χημικού στοιχείου αποκτά επιπλέον ηλεκτρόνια και γίνεται αρνητικά φορτισμένο ιόν. Ένας ιοντικός δεσμός σε ένα μόριο εμφανίζεται όταν τα άτομα των στοιχείων διαφέρουν πολύ σε μέγεθος.

Εάν τα άτομα είναι μικρά σε μέγεθος και έχουν περίπου τις ίδιες ακτίνες, μπορούν να σχηματίσουν κοινά ζεύγη ηλεκτρονίων. Αυτή η σύνδεση ονομάζεται ομοιοπολική. Με τη σειρά του, εμφανίζεται ένας ομοιοπολικός δεσμός μη πολικό και πολικό. Ένας μη πολικός δεσμός εμφανίζεται μεταξύ πανομοιότυπων ατόμων και ένας πολικός δεσμός εμφανίζεται μεταξύ διαφορετικών ατόμων.

Για να καταλάβεις τι είναι μεταλλικός ατομικός δεσμός,Είναι απαραίτητο να εξοικειωθείτε με την έννοια του "σθένους".

Σθένοςείναι η ικανότητα ενός ατόμου ενός στοιχείου να προσαρτά ένα ή περισσότερα άτομα ενός άλλου στοιχείου. Ως μονάδα σθένους θεωρείται η συνδεσιμότητα ενός ατόμου υδρογόνου, αφού ένα άτομο υδρογόνου είναι ικανό να προσκολλήσει στον εαυτό του μόνο ένα άτομο ενός άλλου στοιχείου. Το υδρογόνο θεωρείται μονοσθενές. Όλα τα χημικά στοιχεία που είναι ικανά να συνδέουν μόνο ένα άτομο υδρογόνου θεωρούνται επίσης μονοσθενή. Εάν ένα στοιχείο μπορεί να συνδέσει δύο άτομα υδρογόνου στον εαυτό του, τότε το σθένος του είναι 2. Και ούτω καθεξής. Το οξυγόνο είναι ένα δισθενές χημικό στοιχείο. Τυπικά, το σθένος ενός στοιχείου είναι ίσο με τον αριθμό των ηλεκτρονίων στην εξωτερική τροχιά του ατόμου. Αυτά τα ηλεκτρόνια ονομάζονται ηλεκτρόνια σθένους.

Έτσι, ένας μεταλλικός δεσμός σχηματίζεται όταν τα ηλεκτρόνια σθένους των συνδεδεμένων ατόμων ενός κρυστάλλου μετάλλου σχηματίζουν ένα μόνο ηλεκτρονιακό νέφος. Αυτό το σύννεφο μπορεί εύκολα να μετατοπιστεί από την ηλεκτρική τάση. Αυτό εξηγεί γιατί τα μέταλλα μεταφέρουν τόσο καλά τον ηλεκτρισμό.

Σχεδόν ταυτόχρονα, δύο επιστημονικές ομάδες από διαφορετικά μέρη του κόσμου κατάφεραν να συνειδητοποιήσουν την επίδραση της ηλεκτρομαγνητικής επαγόμενης διαφάνειας σε ένα μόνο άτομο. Αυτό που είναι μοναδικό είναι ότι ορισμένοι επιστήμονες πέτυχαν την επιτυχία χρησιμοποιώντας πραγματικά άτομα και άλλοι χρησιμοποιώντας ανθρωπογενή ανάλογα.

Το φαινόμενο EIT (electromagnetically induced transparency) είναι γνωστό για τη δημιουργία ενός περιβάλλοντος με πολύ στενό χάσμα στο φάσμα απορρόφησης. Αυτό το φαινόμενο καταγράφεται ευκολότερα όταν ένα κβαντικό σύστημα τριών επιπέδων (όπως αυτό που φαίνεται στο παρακάτω σχήμα) εκτίθεται σε δύο συντονιστικά πεδία, των οποίων οι συχνότητες είναι διαφορετικές.

Αυτή η δομή των ενεργειακών επιπέδων, όταν υπάρχουν δύο κοντινές κατώτερες καταστάσεις και μια ανώτερη, που χωρίζονται από αυτές με την ενέργεια ενός κβάντου της οπτικής περιοχής, συνήθως ονομάζεται σχήμα Λ.

Σχηματική αναπαράσταση του πειράματος με το άτομο ρουβιδίου και ένα σύστημα τριών επιπέδων, όπου η ενέργεια της κατάστασης εναποτίθεται στην κατακόρυφη διεύθυνση. Τα δύο χαμηλότερα επίπεδα απέχουν οριζόντια για ευκρίνεια. Τα μπλε βέλη δείχνουν τη δέσμη μέτρησης, τα πορτοκαλί βέλη δείχνουν τη δέσμη ελέγχου (εικόνα από τον Martin Mucke et al.).

Η ουσία του EIT μπορεί να περιγραφεί ως εξής: η δράση του πεδίου ελέγχου σε έναν «βραχίονα» του κυκλώματος Λ (μετάβαση μεταξύ του δεύτερου και του τρίτου επιπέδου) καθιστά το σύστημα διαφανές στο πεδίο δοκιμής (μετάβαση πρώτου - τρίτου επίπεδο) ενεργώντας στο δεύτερο «βραχίονα».

Με άλλα λόγια, το σύστημα γίνεται διαφανές στον συνδυασμό δύο φωτεινών πεδίων όταν η διαφορά στις συχνότητές τους συμπίπτει με τη συχνότητα μετάβασης μεταξύ των δύο χαμηλότερων επιπέδων.

Πρέπει να σημειωθεί ότι το φαινόμενο EIT παρέχει ενδιαφέρουσες ευκαιρίες για τη μελέτη της διάδοσης του φωτός. Έτσι, στη ζώνη βύθισης στο φάσμα απορρόφησης, το μέσο παρουσιάζει μια πολύ απότομη διακύμανση του δείκτη διάθλασης. Κάτω από ορισμένες συνθήκες, αυτό μπορεί να οδηγήσει, για παράδειγμα, σε κολοσσιαία μείωση της ομαδικής ταχύτητας διάδοσης του φωτός στο μέσο.

Είναι το φαινόμενο EIT που βασίζεται στα γνωστά πειράματα για την «επιβράδυνση» του φωτός, τα οποία στη συνέχεια οδήγησαν στη δημιουργία μιας τέτοιας διασκεδαστικής συσκευής όπως η «παγίδα ουράνιου τόξου», η οποία δείχνει παγωμένο φως στο ορατό φάσμα συχνοτήτων.

Το γράφημα δείχνει τη σχετική διαπερατότητα και την αντίθεση (δηλαδή, τη διαφορά στις μετρήσεις όταν το λέιζερ ελέγχου είναι ενεργοποιημένο και απενεργοποιημένο) σε πειράματα που περιλαμβάνουν διαφορετικούς αριθμούς ατόμων (εικονογράφηση από τον Martin Mucke et al.).

Οι συγγραφείς της πρώτης εργασίας υπό εξέταση από το Γερμανικό Ινστιτούτο Max Planck για την Κβαντική Οπτική (MPQ) επέλεξαν άτομα ρουβιδίου 87 Rb για τη διεξαγωγή του πειράματος, λόγω του γεγονότος ότι η οργάνωση των ενεργειακών επιπέδων αυτού του μετάλλου καθιστά δυνατή την κατασκευή ενός Λ-σχήμα.

Σύμφωνα με τους επιστήμονες, το άρθρο των οποίων είναι δημοσιευμένο στο δημόσιο τομέα (έγγραφο PDF), χρησιμοποίησαν ένα μόνο άτομο που βρίσκεται σε οπτικό αντηχείο. Όταν το λέιζερ ελέγχου ενεργοποιήθηκε, η σχετική διαπερατότητα που υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας ένα άλλο (δοκιμαστικό) λέιζερ ήταν 96%. Μετά την απενεργοποίηση της ακτινοβολίας ελέγχου, η τιμή μειώθηκε κατά 20%.

Κάτι που είναι αρκετά λογικό, με την αύξηση του αριθμού των ατόμων, η μέγιστη σχετική διαπερατότητα μειώθηκε αναλογικά: έτσι, η συμπερίληψη επτά ατόμων ρουβιδίου στο πείραμα έδωσε έναν συντελεστή μόνο 78%.

Ωστόσο, την ίδια στιγμή, το φαινόμενο EIT έγινε πιο έντονο και στην περίπτωση επτά ατόμων, όταν το λέιζερ ελέγχου απενεργοποιήθηκε, η σχετική διαπερατότητα μειώθηκε αμέσως κατά 60%.

Η μαύρη γραμμή δείχνει τη σχετική μετάδοση στην περίπτωση ενός «κενού» οπτικού συντονιστή, την κόκκινη γραμμή παρουσία ατόμων και τη μπλε γραμμή στην περίπτωση του φαινομένου EIT. Διαφορετικές γραφικές παραστάσεις αντικατοπτρίζουν πειράματα με διαφορετικούς αριθμούς ατόμων (Ν) (απεικόνιση από τον Martin Mucke et al.).

Μια δεύτερη μελέτη για το ίδιο θέμα διεξήχθη από μια επιστημονική ομάδα που περιελάμβανε ειδικούς από την Ιαπωνία, το Ουζμπεκιστάν, τη Μεγάλη Βρετανία και τη Ρωσία. Μη ικανοποιημένοι με τα υπάρχοντα στοιχεία, οι φυσικοί δημιούργησαν ένα τεχνητό «άτομο» στο οποίο το φαινόμενο EIT δοκιμάστηκε επίσης με επιτυχία.

Κατάσταση οξείδωσης

Σχετικά με την ορατότητα της υπό όρους χρέωσης

Κάθε δάσκαλος ξέρει πόσα σημαίνει το πρώτο έτος της χημείας. Θα είναι κατανοητό, ενδιαφέρον, σημαντικό στη ζωή και κατά την επιλογή ενός επαγγέλματος; Πολλά εξαρτώνται από την ικανότητα του δασκάλου να απαντά σε «απλές» ερωτήσεις των μαθητών με προσιτό και οπτικό τρόπο.

Ένα από αυτά τα ερωτήματα είναι: «Από πού προέρχονται οι τύποι των ουσιών;» – απαιτεί γνώση της έννοιας της «κατάστασης οξείδωσης».

Η διατύπωση της έννοιας της «κατάστασης οξείδωσης» ως «το υπό όρους φορτίο των ατόμων χημικών στοιχείων σε μια ένωση, που υπολογίζεται με βάση την υπόθεση ότι όλες οι ενώσεις (τόσο ιοντικές όσο και ομοιοπολικά πολικές) αποτελούνται μόνο από ιόντα» (βλ. Gabrielyan O.S.Χημεία-8. M.: Bustard, 2002,
Με. 61) είναι προσβάσιμο σε λίγους μαθητές που κατανοούν τη φύση του σχηματισμού χημικών δεσμών μεταξύ των ατόμων. Οι περισσότεροι άνθρωποι δυσκολεύονται να θυμηθούν αυτόν τον ορισμό· πρέπει να τον στριμώξουν. Και για τι;

Ένας ορισμός είναι ένα βήμα στη γνώση και γίνεται εργαλείο για εργασία όταν δεν απομνημονεύεται, αλλά απομνημονεύεται επειδή είναι κατανοητός.

Όταν ξεκινάτε να μελετάτε ένα νέο μάθημα, είναι σημαντικό να απεικονίζονται με σαφήνεια οι αφηρημένες έννοιες, οι οποίες είναι ιδιαίτερα άφθονες στο μάθημα της χημείας της 8ης τάξης. Αυτή ακριβώς είναι η προσέγγιση που θέλω να προτείνω και να διαμορφώσω την έννοια της «κατάστασης οξείδωσης» πριν μελετήσω τους τύπους των χημικών δεσμών και ως βάση για την κατανόηση του μηχανισμού σχηματισμού τους.

Από τα πρώτα μαθήματα, οι μαθητές της όγδοης τάξης μαθαίνουν να χρησιμοποιούν τον περιοδικό πίνακα των χημικών στοιχείων ως πίνακα αναφοράς για τη σύνταξη διαγραμμάτων της δομής των ατόμων και τον προσδιορισμό των ιδιοτήτων τους με βάση τον αριθμό των ηλεκτρονίων σθένους. Όταν αρχίζω να διατυπώνω την έννοια της «κατάστασης οξείδωσης», διδάσκω δύο μαθήματα.

Μάθημα 1.
Γιατί είναι τα μη μεταλλικά άτομα
συνδέονται μεταξύ τους;

Ας γίνουμε δημιουργικοί. Πώς θα έμοιαζε ο κόσμος αν τα άτομα δεν συνδέονταν, αν δεν υπήρχαν μόρια, κρύσταλλοι και μεγαλύτεροι σχηματισμοί; Η απάντηση είναι εκπληκτική: ο κόσμος θα ήταν αόρατος. Ο κόσμος των φυσικών σωμάτων, έμψυχων και άψυχων, απλά δεν θα υπήρχε!

Στη συνέχεια, συζητάμε εάν όλα τα άτομα των χημικών στοιχείων συνδυάζονται. Υπάρχουν μεμονωμένα άτομα στη φύση; Αποδεικνύεται ότι υπάρχουν - αυτά είναι άτομα ευγενών (αδρανών) αερίων. Συγκρίνουμε την ηλεκτρονική δομή των ατόμων ευγενούς αερίου και ανακαλύπτουμε την ιδιαιτερότητα των ολοκληρωμένων και σταθερών εξωτερικών επιπέδων ενέργειας:

Η έκφραση "εξωτερικά επίπεδα ενέργειας είναι πλήρη και σταθερά" σημαίνει ότι αυτά τα επίπεδα περιέχουν τον μέγιστο αριθμό ηλεκτρονίων (το άτομο ηλίου έχει 2 μι, για άτομα άλλων ευγενών αερίων – 8 μι).

Πώς μπορούμε να εξηγήσουμε τη σταθερότητα του εξωτερικού επιπέδου των οκτώ ηλεκτρονίων; Υπάρχουν οκτώ ομάδες στοιχείων στον περιοδικό πίνακα, που σημαίνει ότι ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων σθένους είναι οκτώ. Τα άτομα ευγενών αερίων είναι απλά επειδή έχουν τον μέγιστο αριθμό ηλεκτρονίων στο εξωτερικό επίπεδο ενέργειας. Δεν σχηματίζουν μόρια, όπως Cl 2 και P 4, ή κρυσταλλικά πλέγματα, όπως ο γραφίτης και το διαμάντι. Τότε μπορούμε να υποθέσουμε ότι τα άτομα των υπόλοιπων χημικών στοιχείων τείνουν να πάρουν ένα κέλυφος του ευγενούς αερίου - οκτώ ηλεκτρόνια στο εξωτερικό ενεργειακό επίπεδο - που συνδέονται μεταξύ τους.

Ας ελέγξουμε αυτήν την υπόθεση χρησιμοποιώντας το παράδειγμα του σχηματισμού ενός μορίου νερού (ο τύπος H 2 O είναι γνωστός στους μαθητές, καθώς και το γεγονός ότι το νερό είναι η κύρια ουσία του πλανήτη και της ζωής). Γιατί ο τύπος του νερού είναι H 2 O;

Χρησιμοποιώντας ατομικά διαγράμματα, οι μαθητές μαντεύουν γιατί ο συνδυασμός δύο ατόμων Η και ενός ατόμου Ο σε ένα μόριο είναι ωφέλιμος. Ως αποτέλεσμα της μετατόπισης μεμονωμένων ηλεκτρονίων από δύο άτομα υδρογόνου, το άτομο οξυγόνου έχει οκτώ ηλεκτρόνια στο εξωτερικό ενεργειακό του επίπεδο. Οι μαθητές προτείνουν διαφορετικούς τρόπους αμοιβαίας διάταξης των ατόμων. Επιλέγουμε μια συμμετρική επιλογή, τονίζοντας ότι η φύση ζει σύμφωνα με τους νόμους της ομορφιάς και της αρμονίας:

Η σύνδεση των ατόμων οδηγεί στην απώλεια της ηλεκτρικής τους ουδετερότητας, αν και το μόριο ως σύνολο είναι ηλεκτρικά ουδέτερο:

Η προκύπτουσα χρέωση ορίζεται ως υπό όρους, επειδή είναι «κρυμμένο» μέσα σε ένα ηλεκτρικά ουδέτερο μόριο.

Ας διατυπώσουμε την έννοια της «ηλεκτραρνητικότητας»: το άτομο οξυγόνου έχει αρνητικό φορτίο υπό όρους -2, επειδή εκτόπισε δύο ηλεκτρόνια από τα άτομα υδρογόνου προς τον εαυτό του. Αυτό σημαίνει ότι το οξυγόνο είναι πιο ηλεκτραρνητικό από το υδρογόνο.

Καταγράφουμε: Η ηλεκτραρνητικότητα (EO) είναι η ιδιότητα των ατόμων να μετατοπίζουν τα ηλεκτρόνια σθένους από άλλα άτομα προς τον εαυτό τους.Εργαζόμαστε με τη σειρά ηλεκτραρνητικότητας των μη μετάλλων. Χρησιμοποιώντας τον περιοδικό πίνακα, εξηγούμε την υψηλότερη ηλεκτραρνητικότητα του φθορίου.

Συνδυάζοντας όλα τα παραπάνω, διατυπώνουμε και γράφουμε τον ορισμό της κατάστασης οξείδωσης.

Η κατάσταση οξείδωσης είναι το υπό όρους φορτίο των ατόμων σε μια ένωση, ίσο με τον αριθμό των ηλεκτρονίων που μετατοπίζονται σε άτομα με υψηλότερη ηλεκτραρνητικότητα.

Ο όρος «οξείδωση» μπορεί επίσης να εξηγηθεί ως η δωρεά ηλεκτρονίων στα άτομα ενός πιο ηλεκτραρνητικού στοιχείου, τονίζοντας ότι όταν συνδυάζονται άτομα διαφορετικών μη μετάλλων, συμβαίνει συχνά μόνο μια μετατόπιση ηλεκτρονίων σε ένα πιο ηλεκτραρνητικό αμέταλλο. Έτσι, η ηλεκτραρνητικότητα είναι μια ιδιότητα των ατόμων μη μετάλλων, η οποία αντανακλάται στην ονομασία «Σειρά Ηλεκτραρνητικότητας Μη Μετάλλων».

Σύμφωνα με το νόμο της σταθερότητας της σύνθεσης των ουσιών, που ανακαλύφθηκε από τον Γάλλο επιστήμονα Joseph Louis Proust το 1799–1806, κάθε χημικά καθαρή ουσία, ανεξάρτητα από τη θέση και τη μέθοδο παραγωγής, έχει την ίδια σταθερή σύνθεση. Αυτό σημαίνει ότι αν υπάρχει νερό στον Άρη, τότε θα είναι το ίδιο «σταχ-δύο-ο»!

Για να ενοποιήσουμε το υλικό, ελέγχουμε την «ορθότητα» του τύπου του διοξειδίου του άνθρακα, συντάσσοντας ένα διάγραμμα για το σχηματισμό ενός μορίου CO 2:

Τα άτομα με διαφορετική ηλεκτραρνητικότητα συνδυάζονται: άνθρακας (EO = 2,5) και οξυγόνο (EO = 3,5). Ηλεκτρόνια σθένους (4 μι) τα άτομα άνθρακα μετατοπίζονται σε δύο άτομα οξυγόνου (2 μι– σε ένα άτομο Ο και 2 μι– σε άλλο άτομο Ο). Επομένως, η κατάσταση οξείδωσης του άνθρακα είναι +4 και η κατάσταση οξείδωσης του οξυγόνου είναι –2.

Με τη σύνδεση, τα άτομα ολοκληρώνουν, κάνουν το εξωτερικό ενεργειακό τους επίπεδο σταθερό (συμπληρώστε το στο 8 μι). Αυτός είναι ο λόγος που τα άτομα όλων των στοιχείων, εκτός από τα ευγενή αέρια, συνδυάζονται μεταξύ τους. Τα άτομα των ευγενών αερίων είναι απλά, οι τύποι τους γράφονται με το πρόσημο του χημικού στοιχείου: He, Ne, Ar κ.λπ.

Η κατάσταση οξείδωσης των ατόμων ευγενούς αερίου, όπως όλα τα άτομα σε ελεύθερη κατάσταση, είναι μηδέν:

Αυτό είναι κατανοητό, γιατί τα άτομα είναι ηλεκτρικά ουδέτερα.

Η κατάσταση οξείδωσης των ατόμων σε μόρια απλών ουσιών είναι επίσης μηδενική:

Όταν ενώνονται άτομα του ίδιου στοιχείου, δεν συμβαίνει μετατόπιση ηλεκτρονίων, γιατί η ηλεκτραρνητικότητά τους είναι η ίδια.

Χρησιμοποιώ την τεχνική του παράδοξου: πώς τα άτομα μη μετάλλων σε μόρια διατομικών αερίων, για παράδειγμα, το χλώριο, συμπληρώνουν το εξωτερικό ενεργειακό τους επίπεδο σε οκτώ ηλεκτρόνια; Ας παρουσιάσουμε σχηματικά την ερώτηση ως εξής:

Μετατοπίσεις ηλεκτρονίων σθένους ( μι) δεν συμβαίνει, γιατί Η ηλεκτραρνητικότητα και των δύο ατόμων χλωρίου είναι η ίδια.

Αυτή η ερώτηση μπερδεύει τους μαθητές.

Ως υπόδειξη, προτείνεται να εξεταστεί ένα απλούστερο παράδειγμα - ο σχηματισμός ενός διατομικού μορίου υδρογόνου.

Οι μαθητές γρήγορα καταλαβαίνουν ότι εφόσον η μετατόπιση ηλεκτρονίων είναι αδύνατη, τα άτομα μπορούν να συνδυάσουν τα ηλεκτρόνια τους. Το σχήμα μιας τέτοιας διαδικασίας έχει ως εξής:

Τα ηλεκτρόνια σθένους μοιράζονται, ενώνουν τα άτομα σε ένα μόριο και το εξωτερικό ενεργειακό επίπεδο και των δύο ατόμων υδρογόνου ολοκληρώνεται.

Προτείνω να απεικονίσουμε τα ηλεκτρόνια σθένους ως κουκκίδες. Τότε το κοινό ζεύγος ηλεκτρονίων θα πρέπει να τοποθετηθεί στον άξονα συμμετρίας μεταξύ των ατόμων, γιατί Όταν συνδυάζονται άτομα του ίδιου χημικού στοιχείου, δεν συμβαίνει μετατόπιση ηλεκτρονίων. Κατά συνέπεια, η κατάσταση οξείδωσης των ατόμων υδρογόνου στο μόριο είναι μηδέν:

Αυτό θέτει τα θεμέλια για περαιτέρω μελέτη των ομοιοπολικών δεσμών.

Ας επιστρέψουμε στον σχηματισμό ενός διατομικού μορίου χλωρίου. Ένας από τους μαθητές μαντεύει να προτείνει το ακόλουθο σχήμα για το συνδυασμό ατόμων χλωρίου σε ένα μόριο:

Εφιστώ την προσοχή των μαθητών στο γεγονός ότι το κοινό ζεύγος ηλεκτρονίων που συνδέει άτομα χλωρίου σε ένα μόριο σχηματίζεται μόνο από ασύζευκτα ηλεκτρόνια σθένους.

Με αυτόν τον τρόπο, οι μαθητές μπορούν να κάνουν τις δικές τους ανακαλύψεις, η χαρά των οποίων όχι μόνο θυμάται για πολύ καιρό, αλλά αναπτύσσει και δημιουργικές ικανότητες και προσωπικότητα στο σύνολό της.

Οι μαθητές λαμβάνουν μια εργασία για το σπίτι: να σχεδιάσουν διαγράμματα του σχηματισμού κοινών ζευγών ηλεκτρονίων στα μόρια του φθορίου F 2, υδροχλωρίου HCl, οξυγόνου O 2 και να προσδιορίσουν τις καταστάσεις οξείδωσης των ατόμων σε αυτά.

Στην εργασία για το σπίτι πρέπει να μπορείτε να απομακρυνθείτε από το πρότυπο. Έτσι, όταν συντάσσουν ένα διάγραμμα για το σχηματισμό ενός μορίου οξυγόνου, οι μαθητές πρέπει να απεικονίζουν όχι ένα, αλλά δύο κοινά ζεύγη ηλεκτρονίων στον άξονα συμμετρίας μεταξύ των ατόμων:

Στο διάγραμμα για το σχηματισμό ενός μορίου υδροχλωρίου, θα πρέπει να φαίνεται η μετατόπιση ενός κοινού ζεύγους ηλεκτρονίων σε ένα πιο ηλεκτραρνητικό άτομο χλωρίου:

Στην ένωση HCl οι καταστάσεις οξείδωσης των ατόμων είναι: H – +1 και Cl – –1.

Έτσι, ο ορισμός της κατάστασης οξείδωσης ως το υπό όρους φορτίο των ατόμων σε ένα μόριο, ίσο με τον αριθμό των ηλεκτρονίων που εκτοπίζονται σε άτομα με υψηλότερη ηλεκτραρνητικότητα, καθιστά δυνατή όχι μόνο τη διατύπωση αυτής της έννοιας με σαφήνεια και πρόσβαση, αλλά και την βάση για την κατανόηση της φύσης ενός χημικού δεσμού.

Δουλεύοντας στην αρχή του «πρώτα κατανοήστε και μετά θυμηθείτε», χρησιμοποιώντας την τεχνική του παράδοξου και δημιουργώντας προβληματικές καταστάσεις στην τάξη, μπορείτε να έχετε όχι μόνο καλά μαθησιακά αποτελέσματα, αλλά και να καταλάβετε ακόμη και τις πιο περίπλοκες αφηρημένες έννοιες και ορισμούς.

Μάθημα 2.
Σύνθεση ατόμων μετάλλου
με αμέταλλα

Στο έλεγχος της εργασίας για το σπίτιΚαλώ τους μαθητές να συγκρίνουν δύο επιλογές για μια οπτική αναπαράσταση της σύνδεσης των ατόμων σε ένα μόριο.

Επιλογές για την απεικόνιση του σχηματισμού μορίων

M o l e c u l a f t o r F 2

Επιλογή 1.

Τα άτομα ενός χημικού στοιχείου συνδυάζονται.

Η ηλεκτραρνητικότητα των ατόμων είναι η ίδια.

Δεν υπάρχει μετατόπιση ηλεκτρονίων σθένους.

Το πώς σχηματίζεται το μόριο φθορίου F2 δεν είναι σαφές.

Επιλογή 2.
Ζεύγος ηλεκτρονίων σθένους πανομοιότυπων ατόμων

Απεικονίζουμε τα ηλεκτρόνια σθένους των ατόμων φθορίου ως κουκκίδες:

Μη ζευγαρωμένο Τα ηλεκτρόνια σθένους των ατόμων φθορίου σχημάτισαν ένα κοινό ζεύγος ηλεκτρονίων, που απεικονίζεται στο διάγραμμα του μορίου στον άξονα συμμετρίας. Δεδομένου ότι δεν υπάρχει μετατόπιση των ηλεκτρονίων σθένους, η κατάσταση οξείδωσης των ατόμων φθορίου στο μόριο F 2 είναι μηδέν.

Το αποτέλεσμα του συνδυασμού ατόμων φθορίου σε ένα μόριο χρησιμοποιώντας ένα κοινό ζεύγος ηλεκτρονίων ήταν το ολοκληρωμένο εξωτερικό επίπεδο οκτώ ηλεκτρονίων και των δύο ατόμων φθορίου.

Ο σχηματισμός του μορίου οξυγόνου Ο2 εξετάζεται με παρόμοιο τρόπο.

M o l e c l u c k o f o r O 2

Επιλογή 1.
Χρήση διαγραμμάτων ατομικής δομής

Επιλογή 2.
Ζεύγος ηλεκτρονίων σθένους πανομοιότυπων ατόμων

Μοριακό υδροχλώριο cule HCl

Επιλογή 1.
Χρήση διαγραμμάτων ατομικής δομής

Το πιο ηλεκτραρνητικό άτομο χλωρίου εκτόπισε ένα ηλεκτρόνιο σθένους από το άτομο υδρογόνου. Προέκυψαν φορτία υπό όρους στα άτομα: η κατάσταση οξείδωσης του ατόμου υδρογόνου είναι +1, η κατάσταση οξείδωσης του ατόμου χλωρίου είναι –1.

Ως αποτέλεσμα του συνδυασμού των ατόμων σε ένα μόριο HCl, το άτομο υδρογόνου «έχασε» (σύμφωνα με το διάγραμμα) το ηλεκτρόνιο σθένους του και το άτομο χλωρίου πρόσθεσε το εξωτερικό του επίπεδο ενέργειας σε οκτώ ηλεκτρόνια.

Επιλογή 2.
Ζεύγος ηλεκτρονίων σθένους διαφορετικών ατόμων

Τα ασύζευκτα ηλεκτρόνια σθένους των ατόμων υδρογόνου και χλωρίου σχημάτισαν ένα κοινό ζεύγος ηλεκτρονίων, που μετατοπίστηκαν στο πιο ηλεκτραρνητικό άτομο χλωρίου. Ως αποτέλεσμα, σχηματίστηκαν συμβατικά φορτία στα άτομα: η κατάσταση οξείδωσης του ατόμου υδρογόνου είναι +1, η κατάσταση οξείδωσης του ατόμου χλωρίου είναι -1.

Όταν τα άτομα συνδυάζονται σε ένα μόριο χρησιμοποιώντας ένα κοινό ζεύγος ηλεκτρονίων, τα εξωτερικά τους ενεργειακά επίπεδα γίνονται πλήρη. Το εξωτερικό επίπεδο του ατόμου του υδρογόνου γίνεται δύο ηλεκτρονίων, αλλά μετατοπίζεται στο πιο ηλεκτραρνητικό άτομο χλωρίου και το εξωτερικό επίπεδο του ατόμου του χλωρίου γίνεται σταθερό οκτώ ηλεκτρονίων.

Ας σταθούμε λεπτομερέστερα στο τελευταίο παράδειγμα - τον σχηματισμό του μορίου HCl. Ποιο σχήμα είναι πιο ακριβές και γιατί; Οι μαθητές παρατηρούν μια σημαντική διαφορά. Η χρήση ατομικών διαγραμμάτων στον σχηματισμό του μορίου HCl περιλαμβάνει τη μετατόπιση του ηλεκτρονίου σθένους από το άτομο υδρογόνου στο πιο ηλεκτραρνητικό άτομο χλωρίου.

Επιτρέψτε μου να σας υπενθυμίσω ότι η ηλεκτραρνητικότητα (η ιδιότητα των ατόμων να εκτοπίζουν ηλεκτρόνια σθένους από άλλα άτομα) είναι εγγενής σε όλα τα στοιχεία σε διάφορους βαθμούς.

Οι μαθητές καταλήγουν στο συμπέρασμα ότι η χρήση ατομικών διαγραμμάτων για το σχηματισμό HCl δεν καθιστά δυνατή την εμφάνιση της μετατόπισης των ηλεκτρονίων σε ένα πιο ηλεκτραρνητικό στοιχείο. Η αναπαράσταση των ηλεκτρονίων σθένους με κουκκίδες εξηγεί με μεγαλύτερη ακρίβεια τον σχηματισμό του μορίου του υδροχλωρίου. Όταν συνδέονται τα άτομα Η και Cl, εμφανίζεται μετατόπιση (στο διάγραμμα - απόκλιση από τον άξονα συμμετρίας) του ηλεκτρονίου σθένους του ατόμου υδρογόνου στο πιο ηλεκτραρνητικό άτομο χλωρίου. Ως αποτέλεσμα, και τα δύο άτομα αποκτούν μια ορισμένη κατάσταση οξείδωσης. Τα ασύζευκτα ηλεκτρόνια σθένους όχι μόνο σχημάτισαν ένα κοινό ζεύγος ηλεκτρονίων που συνέδεε τα άτομα σε ένα μόριο, αλλά ολοκλήρωσαν επίσης τα εξωτερικά ενεργειακά επίπεδα και των δύο ατόμων. Τα σχήματα για το σχηματισμό μορίων F 2 και O 2 από άτομα είναι επίσης πιο κατανοητά όταν τα ηλεκτρόνια σθένους απεικονίζονται ως κουκκίδες.

Ακολουθώντας το παράδειγμα του προηγούμενου μαθήματος με την κύρια ερώτηση «Από πού προέρχονται οι τύποι των ουσιών;» Οι μαθητές καλούνται να απαντήσουν στην ερώτηση: «Γιατί το επιτραπέζιο αλάτι έχει τον τύπο NaCl;»

ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ ΧΛΩΡΙΟΥ ΝΑΤΡΙΟΥ NaCl

Οι μαθητές κάνουν το παρακάτω διάγραμμα:

Ας πούμε: το νάτριο είναι στοιχείο της υποομάδας Ia, έχει ένα ηλεκτρόνιο σθένους, επομένως, είναι μέταλλο. Το χλώριο είναι στοιχείο της υποομάδας VIIa, έχει επτά ηλεκτρόνια σθένους, επομένως, είναι ένα μη μέταλλο. στο χλωριούχο νάτριο, το ηλεκτρόνιο σθένους του ατόμου νατρίου θα μετατοπιστεί στο άτομο του χλωρίου.

Ρωτάω τα παιδιά: είναι όλα σωστά σε αυτό το διάγραμμα; Ποιο είναι το αποτέλεσμα του συνδυασμού ατόμων νατρίου και χλωρίου για να σχηματιστεί ένα μόριο NaCl;

Οι μαθητές απαντούν: το αποτέλεσμα του συνδυασμού ατόμων σε ένα μόριο NaCl ήταν ο σχηματισμός ενός σταθερού εξωτερικού επιπέδου οκτώ ηλεκτρονίων του ατόμου χλωρίου και ενός εξωτερικού επιπέδου δύο ηλεκτρονίων του ατόμου νατρίου. Παράδοξο: το άτομο νατρίου δεν χρειάζεται δύο ηλεκτρόνια σθένους στο εξωτερικό τρίτο ενεργειακό επίπεδο! (Δουλεύουμε με το διάγραμμα του ατόμου νατρίου.)

Αυτό σημαίνει ότι είναι «μη ευνοϊκό» για ένα άτομο νατρίου να συνδυάζεται με ένα άτομο χλωρίου και η ένωση NaCl δεν πρέπει να υπάρχει στη φύση. Ωστόσο, οι μαθητές γνωρίζουν από μαθήματα γεωγραφίας και βιολογίας για την επικράτηση του επιτραπέζιου αλατιού στον πλανήτη και τον ρόλο του στη ζωή των ζωντανών οργανισμών.

Πώς να βρεις διέξοδο από αυτή την παράδοξη κατάσταση;

Εργαζόμαστε με διαγράμματα ατόμων νατρίου και χλωρίου και οι μαθητές μαντεύουν ότι είναι ωφέλιμο για το άτομο νατρίου να μην μετατοπίζεται, αλλά να δίνει το ηλεκτρόνιο σθένους του στο άτομο χλωρίου. Τότε το άτομο νατρίου θα έχει ένα ολοκληρωμένο δεύτερο εξωτερικό – προ-εξωτερικό – επίπεδο ενέργειας. Το άτομο χλωρίου θα έχει επίσης ένα εξωτερικό επίπεδο ενέργειας οκτώ ηλεκτρονίων:

Καταλήγουμε στο συμπέρασμα: είναι πλεονεκτικό για τα άτομα μετάλλων που έχουν μικρό αριθμό ηλεκτρονίων σθένους να δωρίζουν αντί να μετατοπίζουν τα ηλεκτρόνια σθένους τους σε άτομα μη μετάλλου. Επομένως, τα άτομα μετάλλου δεν έχουν ηλεκτραρνητικότητα.

Προτείνω να εισαχθεί ένα «σύμβολο σύλληψης» ενός ξένου ηλεκτρονίου σθένους από ένα άτομο μη μετάλλου - μια αγκύλη.

Όταν τα ηλεκτρόνια σθένους αντιπροσωπεύονται με τελείες, το διάγραμμα της σύνδεσης ατόμων μετάλλου και μη μετάλλου θα μοιάζει με αυτό:

Εφιστώ την προσοχή των μαθητών στο γεγονός ότι όταν ένα ηλεκτρόνιο σθένους μεταφέρεται από ένα άτομο μετάλλου (νάτριο) σε ένα άτομο μη μετάλλου (χλώριο), τα άτομα μετατρέπονται σε ιόντα.

Τα ιόντα είναι φορτισμένα σωματίδια στα οποία τα άτομα μετασχηματίζονται ως αποτέλεσμα της μεταφοράς ή της προσθήκης ηλεκτρονίων.

Τα σημεία και τα μεγέθη των φορτίων ιόντων και των καταστάσεων οξείδωσης είναι τα ίδια και η διαφορά στο σχεδιασμό είναι η εξής:

1 –1
Na, Cl - για καταστάσεις οξείδωσης,

Na + , Cl – – για φορτία ιόντων.

ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ ΦΘΟΡΙΟΥ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ CaF 2

Το ασβέστιο είναι στοιχείο της υποομάδας ΙΙα, έχει δύο ηλεκτρόνια σθένους, είναι μέταλλο. Το άτομο ασβεστίου δωρίζει τα ηλεκτρόνια σθένους του στο άτομο φθορίου, ένα μη μέταλλο και το πιο ηλεκτραρνητικό στοιχείο.

Στο διάγραμμα τακτοποιούμε τα ασύζευκτα ηλεκτρόνια σθένους των ατόμων έτσι ώστε να «βλέπουν» το ένα το άλλο και να μπορούν να σχηματίσουν ζεύγη ηλεκτρονίων:

Η δέσμευση των ατόμων ασβεστίου και φθορίου στην ένωση CaF 2 είναι ενεργειακά ευνοϊκή. Ως αποτέλεσμα, το επίπεδο ενέργειας και των δύο ατόμων γίνεται οκτώ ηλεκτρονίων: για το φθόριο είναι το εξωτερικό επίπεδο ενέργειας και για το ασβέστιο είναι το εξωτερικό. Σχηματική αναπαράσταση της μεταφοράς ηλεκτρονίων σε άτομα (χρήσιμη κατά τη μελέτη αντιδράσεων οξειδοαναγωγής):

Επισημαίνω στους μαθητές ότι, όπως τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια έλκονται στον θετικά φορτισμένο πυρήνα ενός ατόμου, έτσι και τα αντίθετα φορτισμένα ιόντα συγκρατούνται μεταξύ τους με τη δύναμη της ηλεκτροστατικής έλξης.

Οι ιοντικές ενώσεις είναι στερεά με υψηλό σημείο τήξης. Οι μαθητές γνωρίζουν από τη ζωή ότι μπορούν να ζεστάνουν το επιτραπέζιο αλάτι για αρκετές ώρες χωρίς αποτέλεσμα. Η θερμοκρασία της φλόγας του καυστήρα αερίου (~500 °C) δεν είναι αρκετή για να λιώσει το αλάτι
(t pl (NaCl) = 800°C). Από εδώ συμπεραίνουμε: ο δεσμός μεταξύ φορτισμένων σωματιδίων (ιόντων) - ο ιοντικός δεσμός - είναι πολύ ισχυρός.

Ας γενικεύσουμε: όταν τα άτομα μετάλλου (M) συνδυάζονται με άτομα μη μετάλλου (Nem), δεν υπάρχει μετατόπιση, αλλά δωρεά ηλεκτρονίων σθένους από τα άτομα μετάλλου στα άτομα μη μετάλλου.

Σε αυτή την περίπτωση, τα ηλεκτρικά ουδέτερα άτομα μετατρέπονται σε φορτισμένα σωματίδια - ιόντα, το φορτίο των οποίων συμπίπτει με τον αριθμό των ηλεκτρονίων που δωρίζονται (για ένα μέταλλο) και συνδέονται (για ένα μη μέταλλο).

Έτσι, στο πρώτο από τα δύο μαθήματα διαμορφώνεται η έννοια της «κατάστασης οξείδωσης» και στο δεύτερο εξηγείται ο σχηματισμός μιας ιοντικής ένωσης. Νέες έννοιες θα χρησιμεύσουν ως καλή βάση για περαιτέρω μελέτη του θεωρητικού υλικού, και συγκεκριμένα: οι μηχανισμοί σχηματισμού χημικών δεσμών, η εξάρτηση των ιδιοτήτων των ουσιών από τη σύνθεση και τη δομή τους και την εξέταση των αντιδράσεων οξειδοαναγωγής.

Εν κατακλείδι, θέλω να συγκρίνω δύο μεθοδολογικές τεχνικές: την τεχνική του παράδοξου και την τεχνική δημιουργίας προβληματικών καταστάσεων στην τάξη.

Μια παράδοξη κατάσταση δημιουργείται λογικά στην πορεία της μελέτης νέου υλικού. Το κύριο πλεονέκτημά του είναι τα έντονα συναισθήματα και η έκπληξη μεταξύ των μαθητών. Η έκπληξη είναι μια ισχυρή ώθηση στη σκέψη γενικά. «Ενεργοποιεί» την ακούσια προσοχή, ενεργοποιεί τη σκέψη, σας αναγκάζει να εξερευνήσετε και να βρείτε τρόπους να λύσετε το ζήτημα που έχει προκύψει.

Οι συνάδελφοι πιθανότατα θα αντιταχθούν: η δημιουργία μιας προβληματικής κατάστασης στην τάξη οδηγεί στο ίδιο πράγμα. Το κάνει, αλλά όχι πάντα! Κατά κανόνα, μια προβληματική ερώτηση διατυπώνεται από τον δάσκαλο πριν μελετήσει νέο υλικό και δεν ωθεί όλους τους μαθητές να εργαστούν. Παραμένει για πολλούς ασαφές από πού προήλθε αυτό το πρόβλημα και γιατί, στην πραγματικότητα, χρειάζεται λύση. Η τεχνική του παράδοξου δημιουργείται κατά τη διάρκεια της μελέτης νέου υλικού και ενθαρρύνει τους μαθητές να διατυπώσουν οι ίδιοι το πρόβλημα και επομένως να κατανοήσουν την προέλευση της εμφάνισής του και την ανάγκη για λύση.

Τολμώ να πω ότι η χρήση του παράδοξου είναι ο πιο επιτυχημένος τρόπος για να ενισχυθεί η δραστηριότητα των μαθητών στην τάξη, να αναπτύξουν τις ερευνητικές τους δεξιότητες και τις δημιουργικές τους ικανότητες.