Материал из Юнциклопедии

Ведущей идеей атомно-молекулярного учения, составляющего фундамент современной физики, химии и естествознания, является идея дискретности (прерывности строения) вещества.

Первые представления о том, что вещество состоит из отдельных неделимых частиц, появились в глубокой древности и поначалу разрабатывались в русле общих философских представлений о мире. Например, некоторые философские школы Древней Индии (I тыс. до н. э.) признавали не только существование первичных неделимых частиц вещества (ану), но и их способность соединяться друг с другом, образуя новые частицы. Аналогичные учения существовали и в других странах древнего мира. Наибольшую известность и влияние на последующее развитие науки оказала древнегреческая атомистика, создателями которой были Левкипп (V в. до н. э.) и Демокрит (р. ок. 460 до н. э. - ум. ок. 370 до н. э.). «Причинами всех вещей,- писал древнегреческий философ и ученый Аристотель (384–322 до н. э.), излагая демокритовское учение,- являются определенные различия в атомах. А различий этих три: форма, порядок и положение». В работах самого Аристотеля встречается важное понятие о миксисе - однородном соединении, образованном из различных веществ. Позднее древнегреческий философ-материалист Эпикур (342–341 до н. э. - 271–270 до н. э.) ввел понятие о массе атомов и их способности к самопроизвольному отклонению во время движения.

Важно отметить, что, по мысли многих древнегреческих ученых, сложное тело - это не простая смесь атомов , а качественно новое целостное образование, наделенное новыми свойствами. Однако у греков еще не выработалось понятие об особых «многоатомных» частицах - молекулах , промежуточных между атомами и сложными телами, которые были бы мельчайшими носителями свойств тел.

В средние века наблюдалось резкое ослабление интереса к античному атомизму. Церковь обвиняла древнегреческие философские учения в утверждении того, что мир возник из случайных сочетаний атомов, а не по воле божьей, как того требовала христианская догма.

В XVI–XVII вв. в обстановке общекультурного и научного подъема начинается возрождение атомизма. В этот период передовые ученые разных стран: Г. Галилей (1564–1642) в Италии, П. Гассенди (1592–1655) во Франции, Р. Бойль (1627–1691) в Англии и другие - провозгласили принцип: не искать истину в Священном писании, а «непосредственно» читать книгу природы

П. Гассенди и Р. Бойлю принадлежит главная заслуга в дальнейшей разработке античной атомистики. Гассенди ввел понятие о молекуле , под которой он понимал качественно новое образование, составленное путем соединения нескольких атомов. Широкую программу создания корпускулярной философии природы предложил Р. Бойль. Мир корпускул, их движение и «сплетение», по мысли английского ученого, весьма сложны. Мир в целом и его мельчайшие частицы - это целесообразно устроенные механизмы. Корпускулы Бойля - это уже не первичные недробимые атомы античных философов, а сложное целое, способное менять свое строение путем движения.

«С тех пор, как я прочитал Бойля,- писал М. В. Ломоносов,- мною овладело страстное желание исследовать мельчайшие частицы». Великий русский ученый М. В. Ломоносов (1711–1765) развил и обосновал учение о материальных атомах и корпускулах. Он приписывал атомам не только неделимость, но и активное начало - способность к движению и взаимодействию. «Нечувствительные частицы должны различаться массою, фигурою, движением, силою инерции или расположением». Корпускулы однородных тел, по Ломоносову, «состоят из одинакового числа одних и тех же элементов, соединенных одинаковым образом… Корпускулы разнородны, когда элементы их различны или соединены различным образом или в различном числе». Лишь потому, что изучение массовых отношений в начале XVIII в. только начиналось, Ломоносов не смог создать количественное атомно-молекулярное учение.

Это сделал английский ученый Д. Дальтон (1766–1844) . Он рассматривал атом как мельчайшую частицу химического элемента, отличающуюся от атомов других элементов прежде всего массой. Химическое соединение , по его учению, представляет собой совокупность «сложных» (или «составных») атомов, содержащих определенные, характерные лишь для данного сложного вещества количества атомов каждого элемента. Английский ученый составил первую таблицу атомных масс, но в силу того, что его представления о составе молекул зачастую опирались на произвольные допущения, основанные на принципе «наибольшей простоты» (например, для воды он принял формулу ОН), эта таблица оказалась неточной.

Кроме того, в первой половине XIX в. многие химики не верили в возможность определения истинных атомных масс и предпочитали пользоваться эквивалентами, которые можно было найти экспериментально. Поэтому одному и тому же соединению приписывались разные формулы, а это вело к установлению неправильных атомных и молекулярных масс.

Одними из первых, кто начал борьбу за реформу теоретической химии, были французские ученые Ш. Жерар (1816–1856) и О. Лоран (1807–1853), которые создали правильную систему атомных масс и химических формул. В 1856 г. русский ученый Д. И. Менделеев (1834–1907) , а затем независимо от него итальянский химик С. Канниццаро (1826 - 1910) предложили метод вычисления молекулярной массы соединений по удвоенной плотности их паров относительно водорода. К 1860 г. этот метод определился в химии, что имело решающее значение для утверждения атомно-молекулярной теории. В своем выступлении на Международном конгрессе химиков в Карлсруэ (1860) Канниццаро убедительно доказал правильность идей Авогадро, Жерара и Лорана, необходимость их принятия для верного определения атомных и молекулярных масс и состава химических соединений. Благодаря работам Лорана и Канниццаро химики осознали различие между той формой, в которой элемент существует и вступает в реакции (например, для водорода это H 2), и той формой, в которой он присутствует в соединении (HCl, H 2 O, NH 3 и т. д.). В итоге конгрессом были приняты следующие определения атома и молекулы: молекула - «количество тела, вступающее в реакции и определяющее химические свойства»; атом - «наименьшее количество элемента, входящее в частицы (молекулы) соединений». Было также принято предложение считать понятие об «эквиваленте» эмпирическим, не совпадающим с понятиями «атом» и «молекула».

Установленные С. Канниццаро атомные массы послужили Д. И. Менделееву основой при открытии периодического закона химических элементов . Решения конгресса благотворно повлияли на развитие органической химии , ибо установление формул соединений открыло путь для создания структурной химии.

Таким образом, к началу 1860‑х гг. атомно-молекулярное учение сформировалось в виде следующих положений.

1. Вещества состоят из молекул. Молекулой называется наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами. Многие физические свойства вещества - температуры кипения и плавления, механическая прочность, твердость и т. д. - обусловлены поведением большого числа молекул и действием межмолекулярных сил.

2. Молекулы состоят из атомов, которые соединяются друг с другом в определенных отношениях (см. Молекула ; Химическая связь ; Стехиометрия).

3. Атомы и молекулы находятся в постоянном самопроизвольном движении.

4. Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов (O 2 , O 3 , P 4 , N 2 и т. д.); молекулы сложных веществ - из разных атомов (H 2 O, HCl).

6. Свойства молекул зависят не только от их состава, но и от способа, которым атомы связаны друг с другом (см. Теория химического строения ; Изомерия).

Современная наука развила классическую атомно-молекулярную теорию, а некоторые её положения были пересмотрены.

Было установлено, что атом не является неделимым бесструктурным образованием. Об этом, впрочем, догадывались и многие ученые в прошлом веке.

Выяснилось, что далеко не во всех случаях частицы, образующие вещество, представляют собой молекулы. Многие химические соединения, особенно в твердом и жидком состоянии, имеют ионную структуру, например соли . Некоторые вещества, например инертные газы , состоят из отдельных атомов, слабо взаимодействующих между собой даже в жидком и твердом состояниях. Кроме того, вещество может состоять из частиц, образованных путем объединения (ассоциации) нескольких молекул. Так, химически чистая вода образована не только отдельными молекулами H 2 O, но и полимерными молекулами (H 2 O)n, где n = 2–16; одновременно в ней присутствуют гидратированные ионы H + и OH − . Особую группу соединений составляют коллоидные растворы. И наконец, при нагревании до температур порядка тысяч и миллионов градусов вещество переходит в особое состояние - плазму , которая представляет собой смесь атомов , положительных ионов , электронов и атомных ядер.

Оказалось, что количественный состав молекул при одинаковом качественном составе может меняться иногда в широких пределах (например, оксид азота может иметь формулу N 2 O, NO, N 2 O 3 , NO 2 , N 2 O 4 , N 2 O 5 , NO 3), при этом, если рассматривать не только нейтральные молекулы, но и молекулярные ионы, то границы возможных составов расширяются. Так, молекула NO 4 неизвестна, но недавно был открыт ион NO 3− 4 ; не существует молекулы CH 5 , но известен катион CH + 5 и т. д.

Были открыты так называемые соединения переменного состава, в которых на единицу массы данного элемента приходится различная масса другого элемента, например: Fe 0,89–0,95 O, TiO 0,7–1,3 и т. д.

Было уточнено положение о том, что молекулы состоят из атомов. Согласно современным квантово-механическим представлениям (см. Квантовая химия), у атомов в молекуле более или менее неизменным остается только остов, т. е. ядро и внутренние электронные оболочки, тогда как характер движения внешних (валентных) электронов коренным образом изменяется так, что образуется новая, молекулярная электронная оболочка, охватывающая всю молекулу (см. Химическая связь). В этом смысле никаких неизменных атомов в молекулах нет.

Принимая во внимание эти уточнения и дополнения, следует иметь в виду, что современная наука сохранила рациональное зерно классического атомно-молекулярного учения: идеи о дискретном строении вещества, о способности атомов давать посредством соединения друг с другом в определенном порядке качественно новые и более сложные образования и о непрерывном движении частиц, составляющих вещество.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ХИМИИ

Вещества и их свойства. Предмет химии

Оглянемся вокруг. Мы сами и все, что нас окружает, состоит из веществ. Веществ очень много. В настоящее время ученые знают около 10 млн. органических и около 100 тыс. неорганических веществ. И все они характеризуются определенными свойствами. Свойствами вещества называются признаки, по которым вещества отличаются друг от друга или сходны между собой .

Каждый отдельный вид материи, обладающий при данных условиях определенными физическими свойствами, например, алюминий, сера, вода, кислород, называют веществом .

Химия изучает состав, строение, свойства и превращение веществ. Глубокое знание химии совершенно необходимо специалистам всех отраслей народного хозяйства. Наряду с физикой и математикой она составляет основу подготовки специалистов высокой квалификации.

С веществами происходят различные изменения, например: испарение воды, плавление стекла, сгорание топлива, ржавление металлов и т. д. Эти изменения с веществами можно отнести к физическим или к химическим явлениям .

Физическими называют такие явления, при которых данные вещества не превращаются в другие, а обычно изменяется только их агрегатное состояние или форма

Химическими называют такие явления, в результате которых из данных веществ образуются другие. Химические явления называются химическими превращениями или химическими реакциями

При химических реакциях исходные вещества превращаются в другие вещества, обладающие другими свойствами. Об этом можно судить по внешним признакам химических реакций : 1) выделение теплоты (иногда света); 2) изменение окраски; 3) появление запаха; 4) образование осадка; 5) выделение газа.

Атомно-молекулярное учение

В XVIII – XIX вв. в результате работ М. В. Ломоносова, Дальтона, Авогадро и других была выдвинута гипотеза об атомно-молекулярном строении вещества. Эта гипотеза основана на идее о реальном существовании атомов и молекул. В 1860 г. Международный конгресс химиков четко определил понятия атома и молекула. Атомно-молекулярное учение приняли все ученые. Химические реакции стали рассматриваться с точки зрения атомно-молекулярного учения. В конце XIX и в начале XX вв. атомно-молекулярное учение превратилось в научную теорию. В это время ученые доказали экспериментально, что атомы и молекулы существуют объективно, независимо от человека.

В настоящее время, возможно, не только вычислить размеры отдельных молекул их массы, но и определить порядок соединения атомов в молекуле. Ученые определяют расстояние между молекулами и даже фотографируют некоторые макромолекулы. Также теперь известно, что не все вещества состоят из молекул.

Основные положения атомно-молекулярного учения можно сформулировать так:

1. Существуют вещества с молекулярным и немолекулярным строением.

2. Молекула - это самая маленькая частица вещества, которая сохраняет его химические свойства.

3. Между молекулами существуют промежутки, размеры которых зависят от агрегатного состояния и температуры. Наибольшие расстояния имеются между молекулами газов. Этим объясняется их легкая сжимаемость. Труднее сжимаются жидкости, где промежутки между молекулами значительно меньше. В твердых веществах промежутки между молекулами еще меньше, поэтому они почти не сжимаются.

4. Молекулы находятся в непрерывном движении. Скорость движения молекул зависит от температуры. С повышением температуры скорость движения молекул возрастает.

5. Между молекулами существуют силы взаимного притяжения и отталкивания. В наибольшей степени эти силы выражены в твердых телах, в наименьшей – в газах.

6. Молекулы состоят из атомов, которые, как и молекулы, находятся в непрерывном движении.

7 Атомы – это мельчайшие химически неделимые частицы.

8. Атомы одного вида отличаются от атомов другого вида массой и свойствами. Каждый отдельный вид атомов называется химическим элементом.

9. При физических явлениях молекулы сохраняются, при химических, как правило, разрушаются. При химических реакциях происходит перегруппировка атомов.

Атомно-молекулярная теория - одна из главных теорий естественных наук. Эта теория подтверждает материальное единство мира.

По современным представлениям из молекул состоят вещества в газообразном и парообразном состоянии. В твердом (кристаллическом) состоянии из молекул состоят лишь вещества, имеющие молекулярную структуру, например органические вещества, неметаллы (за небольшим исключением), оксид углерода (IV), вода. Большинство же твердых (кристаллических) неорганических веществ не имеет молекулярной структуры. Они состоят не из молекул, а из других частиц (ионов, атомов) и существуют в виде макротел. Например, многие соли, оксиды и сульфиды металлов, алмаз, кремний, металлы.

У веществ с молекулярной структурой химическая связь между молекулами менее прочна, чем между атомами. Поэтому они имеют сравнительно низкие температуры плавления и кипения. У веществ с немолекулярной структурой химическая связь между частицами весьма прочна. Поэтому они имеют высокие температуры плавления и кипения. Современная химия изучает свойства микрочастиц (атомов, молекул, ионов и др.) и макротел.

Молекулы и кристаллы состоят из атомов. Каждый отдельный вид атомов называется химическим элементом.

Всего в природе (на Земле) установлено существование (92) различных химических элементов. Еще 22 элемента получены искусственным путем с использованием ядерных реакторов и мощных ускорителей.

Все вещества делятся на простые и сложные.

Вещества, которые состоят из атомов одного элемента, называются простыми.

Сера S, водород Н 2 , кислород О 2 , озон О 3 , фосфор Р, железо Fe - это простые вещества.

Вещества, которые состоят из атомов разных элементов, называются сложными .

Например, вода Н 2 О состоит из атомов разных элементов – водорода H и кислорода O; мел CaCO 3 состоит из атомов элементов кальция Ca, углерода C и кислородаO. Вода и мел - сложные вещества.

Понятие «простое вещество» нельзя отождествлять с понятием «химический элемент». Простое вещество характеризуется определенной плотностью, растворимостью, температурами кипения и плавления и др. Химический элемент характеризуется определенным положительным зарядом ядра (порядковым номером), степенью окисления, изотопным составом и др. Свойства элемента относятся к его отдельным атомам. Сложные вещества состоят не из простых веществ, а из элементов. Например, вода состоит не из простых веществ водорода и кислорода, а из элементов водорода и кислорода.

Названия элементов совпадают с названиями соответствующих им простых веществ, за исключением углерода.

Многие химические элементы образуют несколько простых веществ, различных по строению и свойствам. Это явление называется аллотропией , а образовавшиеся вещества аллотропными видоизменениями или модификациями . Так, элемент кислород образует две аллотропные модификации: кислород и озон; элемент углерод - три: алмаз, графит и карбин; несколько модификаций образует элемент фосфор.

Явление аллотропии вызывается двумя причинами: 1) различным числом атомов в молекуле, например кислород О 2 и озон О 3 ; 2) образованием различных кристаллических форм, например алмаз, графит и карбин.

2. Стехиометрические законы

Стехиометрия - раздел химии, в котором рассматриваются массовые и объемные отношения между реагирующими веществами. В переводе с греческого слово «стехиометрия» имеет смысл «составная часть» и «измеряю».

Основу стехиометрии составляют стехиометрические законы : сохранения массы веществ, постоянства состава, закон Авогадро, закон объемных отношений газов, закон эквивалентов. Они подтвердили атомно-молекулярное учение. В свою очередь, атомно-молекулярное учение объясняет стехиометрические законы.

Похожая информация.

Понятие и структура атома

Одним из основных понятий химии и других естественных наук является атом. Этот термин имеет давнее происхождение; он насчитывает уже около 2500 лет. Впервые понятие атома зародилось в Древней Греции, примерно в V в. до н. э. Основоположниками атомистического учения были древнегреческие философы Левкипп и его ученик Демокрит. Именно они выдвинули идею о дискретном строении материи и ввели термин «АТОМ». Демокрит определял атом как наименьшую, далее неделимую, частицу материи.

Учение Демокрита не получило широкого распространения, и в течение большого исторического периода в химии (а во времена средневековья - алхимии) господствовала теория Аристотеля (384 - 322 гг. до н.э.). Согласно учению Аристотеля, основными началами природы являются абстрактные «принципы»: холод, тепло, сухость и влажность, при комбинации которых образуются четыре основных «элемента-стихии»: земля, воздух, огонь и вода.

Только в начале XIX столетия английский ученый Джон Дальтон возвращается к атомам как наименьшим частицам материи и вводит в науку этот термин. Этому предшествовали работы таких замечательных ученых, как Р. Бойль (в книге «Химик-скептик» он нанес сокрушительный удар по представлениям алхимиков), Дж. Пристли и К. В. Шееле (открытие кислорода), Г. Кавендиш (открытие водорода), А. Л. Лавуазье (попытка составить первую таблицу простых веществ), М. В. Ломоносов (основные положения атомно-молекулярного учения, закон сохранения массы), Ж. Л. Пруст (закон постоянства состава) и многие другие.

Атом (греч. ατομος - неделимый) - это наименьшая частица химического элемента, способная к самостоятельному существованию и являющаяся носителем его свойств. Атом представляет собой электронейтральную микросистему, состоящую из положительно заряженного ядра и соответствующего числа электронов.

Тип атома определяется составом его ядра. Атомы каждого вида одинаковы между собой, но они отличаются от атомов любого другого вида. Так, атомы углерода, азота и кислорода имеют различные размеры, отличаются по физическим и химическим свойствам. Ядро состоит из электронов, протонов и нейтронов, вместе называемых нуклонами.

Электрон [др.греч. ηλεκτρον - янтарь (хорошо электризуется при трении)] - стабильная элементарная частица, имеющая массу покоя, равную 9,109·10 -31 кг = 5,486·10 -4 а.е.м. , и несущая элементарный отрицательный заряд, равный 1,6·10 -19 Кл.

В химии и в физике при решении многих задач заряд электрона принимают за - 1 и заряды всех остальных частиц выражают в этих единицах. Электроны входят в состав всех атомов.

Протон (греч. πρωτοσ - первый) - элементарная частица, являющаяся составной частью ядер атомов всех химических элементов, обладает массой покоя m р = 1,672·10 -27 кг = 1,007 а.е.м. и элементарным положительным электрическим зарядом, равным по величине заряду электрона, т.е. 1,6·10 -19 Кл.

Число протонов в ядре определяет порядковый номер химического элемента.

Нейтрон (лат. neutrum - ни то, ни другое) - электрически нейтральная элементарная частица с массой покоя, несколько превышающей массу покоя протона m n = 1,65·10 -27 кг = 1,009 а.е.м.

Наряду с протоном нейтрон входит в состав всех атомных ядер (за исключением ядра изотопа водорода 1 Н, представляющего собой один протон).

Характеристики отдельных элементарных частиц

Элементарная частица	Обозначение	Масса		Электрический заряд
		в ед. СИ (кг)	в а.е.м.	в Кл	в зарядах электрона
Электрон	e -	9,109·10 -31	5,486·10 -4	1,6·10 -19	-1
Протон	p	1,672·10 -27	1,007	1,6·10 -19	1
Нейтрон	n	1,675·10 -27	1,009	0	0

Обобщающее (групповое) название протонов и нейтронов - нуклоны .

Понятие и формы существования химического элемента

Химический элемент - вид атомов с одинаковым зарядом ядра.

Химический элемент - это понятие, а не материальная частица. Это не атом, а совокупность атомов, характеризующихся определенным признаком - одинаковым зарядом ядра.

Атомы элемента могут иметь различные числа нейтронов в составе ядра, а следовательно, и массу.

Массовое число - общее число нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре.

Ядро атома состоит из протонов, число которых равно порядковому номеру элемента (Z) , и нейтронов (N) . А = Z + N , где А - массовое число.

Нуклиды (лат. nucleus - ядро) - общее название атомных ядер, характеризуются определенным числом протонов и нейтронов (величиной положительного заряда и массовым числом).

Для того чтобы указать химический элемент, достаточно назвать только одну величину - заряд ядра, т.е. порядковый номер элемента в Периодической системе. Для определения нуклида этого недостаточно - надо указать также и его массовое число.

Иногда, не совсем точно, понятие «нуклид» относят не к самому ядру, а ко всему атому.

Изотопы (греч. ισος - одинаковый + τοπος - место) - нуклиды, имеющие одинаковое число протонов, но различающиеся массовыми числами.

Изотопы - нуклиды, занимающие одно и то же место в Периодической системе, т. е. атомы одного и того же химического элемента.

Например: 11 22 Na , 11 23 Na , 11 24 Na .

Изобары (греч. ιςο - равный + βαροσ - вес) - нуклиды, имеющие одинаковые массовые числа, но различное число протонов (т.е. относящиеся к разным химическим элементам).

Например: 90 Sr , 90 Y , 90 Zr .

Изотоны - нуклиды с одинаковым числом нейтронов.

При химическом взаимодействии атомов образуются молекулы.

Молекула (уменьшительное от лат. moles - масса) - это наименьшая частица вещества, определяющая его свойства. Состоит из атомов одного или различных химических элементов и существует как единая система атомных ядер и электронов. В случае одноатомных молекул (например, благородных газов) понятия атома и молекулы совпадают.

Молекулы бывают одноатомные (например, молекулы гелия Не ), двухатомные (азота N 2 , оксида углерода СО ), многоатомные (воды Н 2 О , бензола С 6 Н 6 ) и полимерные (содержащие до сотен тысяч и более атомов - молекулы металлов в компактном состоянии, белков, кварца).

Атомы удерживаются в молекуле с помощью химических связей.

В химии, кроме атомов и молекул, приходится рассматривать и другие структурные единицы: ионы и радикалы.

Ионы (греч. ιον - идущий) - электрически заряженные частицы, образовавшиеся из атомов (или атомных групп) в результате присоединения или потери электронов.

Положительно заряженные ионы называются катионами (греч. κατα вниз + ион), отрицательно заряженные - анионами (греч. ανα - вверх + ион).

Например: К + - катион калия, Fe 2+ - катион железа, NH 4 + - катион аммония, Cl - - анион хлора (хлорид-анион) , S 2- - анион серы (сульфид-анион), SO 4 2- - сульфат-анион.

Радикалы (лат. radicalis - коренной) - частицы (атомы или группы атомов) с неспаренными электронами.

Они обладают высокой реакционной способностью.

Например: Н - радикал водорода, С1 - радикал хлора, СН 3 - радикал-метил.

В то же время парамагнитные молекулы, например, О 2 , NO , NO 2 , имеющие неспаренные электроны, не являются радикалами.

Простое вещество - вещество, состоящее из атомов одного химического элемента.

Простое вещество - это форма существования химического элемента. Многие элементы могут существовать в виде нескольких простых веществ, например, углерод (графит, алмаз, карбин, фуллерены), фосфор (белый, красный, черный), кислород (озон, кислород).

Известно около 400 простых веществ.

Аллотропия (греч. αλλοσ - другой + τροπε - поворот) - способность химического элемента существовать в виде двух или нескольких простых веществ, отличающихся количеством атомов в молекуле (например, О 2 и О 3 ) или разной структурой кристаллов (графит и алмаз).

Полиморфизм (греч. πολιμορφοσ - многообразный) - способность твердых веществ существовать в двух или нескольких формах с различной кристаллической структурой и различными же свойствами. Такие формы называются полиморфными модификациями.

Например: FeS 2 может образовывать два вещества с различными кристаллическими структурами (полиморфные модификации): одно называется пирит, а другое - марказит. Являются ли эти вещества аллотропными модификациями? Не являются.

Аллотропия относится только к простым веществам и рассматривает как различие в составе их молекул, так и различие в строении кристаллических решеток. Если речь идет о различии в строении кристаллических решеток простых веществ, то понятия полиморфизм и аллотропия совпадают, например, о графите и алмазе можно сказать, что это аллотропные формы, а можно - полиморфные формы.

Тема лекции: ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ХИМИИ.

План:

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ХИМИИ. АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНОЕ УЧЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ

ОСНОВНЫЕ ГАЗОВЫЕ ЗАКОНЫ

ХИМИЧЕСКИЙ ЭКВИВАЛЕНТ. ЗАКОН ЭКВИВАЛЕНТНЫХ ОТНОШЕНИЙ

ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ. КЛАССИФИКАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

МЕСТО ХИМИИ СРЕДИ ДРУГИХ НАУК

Химия относится к естественным наукам, изучающим окружающий нас материальный мир, его явления и за­коны.

Основным законом природы является закон вечности материи и ее движения. Отдельные формы движения материи изучаются отдельными науками. Место химии, имеющей дело главным образом с молекулярным (и атом­ным) уровнем организации материи, между физикой эле­ментарных частиц (субатомный уровень) и биологией (над­молекулярный уровень).

Химия - наука о веществах, их составе, строении, свойствах и превращениях, связанных с изменением состава, строения и свойств образующих их частиц.

Великий русский ученый М. В. Ломоносов сказал: «Широко простирает химия руки свои в дела человече­ские». Действительно, практически нет ни одной техни­ческой дисциплины, которая могла бы обойтись без зна­ний химии. Даже такие современные и далекие, казалось бы, от химии науки, как электроника, информатика, се­годня получили новый импульс в своем развитии, заклю­чив «союз» с химией (запись информации на молекуляр­ном уровне, разработка биокомпьютеров и др.). Что тогда говорить о фундаментальных дисциплинах: физике, био­логии и др., где давно существуют самостоятельные раз­делы, пограничные с химией (химическая физика, биохи­мия, геохимия и пр.).

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ХИМИИ.

АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНОЕ УЧЕНИЕ

Представление об атомах, как конструкционных эле­ментах вещественного мира, зародилось еще в древней Греции (Левкипп, Демокрит, 1У-Ш вв. до н. э.). Но только в конце XVIII - начале XIX в. было создано атомно-молекулярное учение. Важнейший вклад в обоб­щение накопленного материала был сделан М. В. Ломо­носовым.

Атомно-молекулярное учение включает в себя следую­щие основные положения:

1. Все вещества не являются сплошными, а состоят из частиц (молекул, атомов, ионов).

2. Молекулы состоят из атомов (элементов).

3. Различия между веществами определяются разли­чиями образующих их частиц, которые отличаются друг от друга составом, строением и свойствами.

4. Все частицы находятся в постоянном движении, скорость которого увеличивается при нагревании.

Атом - наименьшая частица химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Это электронейтраль­ная микросистема, поведение которой подчиняется зако­нам квантовой механики.

Химический элемент - вид атомов, имеющих одина­ковый положительный заряд ядра и характеризующих­ся определенной совокупностью свойств.

Изотопы - атомы одного элемента, различающиеся массой (количеством нейтронов в ядре).

Любой химический элемент в природе представлен определенным изотопным составом, поэтому его масса рассчитывается как некоторая средняя величина из масс изотопов с учетом их содержания в природе.

Молекула - наименьшая частица вещества, являю­щаяся носителем его свойств и способная к самостоя­тельному существованию.

Простое вещество - вещество, молекулы которого состоят только из атомов одного элемента.

Аллотропия - способность элемента образовать про­стые вещества, имеющие различный состав, строение и свойства.

Разновидности аллотропных модификаций определя­ются:

Различным числом атомов элемента в составе моле­кулы простого вещества, например, кислород (О 2) и озон (О 3).

Различиями в строении кристаллической решетки про­стого вещества, например, соединения углерода: гра­фит (плоская, или двумерная, решетка) и алмаз (объемная, или трехмерная решетка).

Сложное вещество - вещество, молекулы которого состоят из атомов разных элементов.

Сложные вещества, состоящие только из двух эле­ментов, называются бинарными, например:

Ø оксиды: CO, CO 2 , CaO, Na 2 O, FeO, Fe 2 O 3 ;

Ø сульфиды: ZnS, Na 2 S, CS 2 ;

Ø гидриды: CaH 2 , LiH, NaH;

Ø нитриды: Li 3 N, Ca 3 N 2 , AlN;

Ø фосфиды: Li 3 P, Mg 3 P 2 , AlP;

Ø карбиды: Be 2 C, Al 4 C 3 , Ag 2 C 2 ;

Ø силициды: Ca 2 Si, Na 4 Si.

Сложные соединения, состоящие более чем из двух эле­ментов, относятся к основным классам неорганических со­единений. Это гидроксиды (кислоты и основания) и соли, в том числе комплексные соединения.

Атомы и молекулы имеют абсолютную массу, напри­мер, масса атома С 12 равна 2·10 -26 кг.

Такими величинами пользоваться на практике неудоб­но, поэтому в химии принята относительная шкала масс.

Атомная единица массы (а. е. м.) равна 1/12 массы изотопа С 12 .

Относительная атомная масса (А r - безразмерная ве­личина) равна отношению средней массы атома к а. е. м.

Относительная молекулярная масса (М r - безразмер­ная величина) равна отношению средней массы молеку­лы к а. е. м.

Моль (ν - «ню» или n ) - количество вещества, содержащее столько же структурных единиц (атомов, молекул или ионов), сколько атомов содержится в 12 г изотопа С 12 .

Число Авогадро - число частиц (атомов, молекул, ионов и др.), содержащееся в 1 моле любого вещества.

N A = 6,02·10 23 .

Более точные значения некоторых фундаментальных констант приводятся в таблицах приложения.

Молярная масса вещества (М) - это масса 1 моля вещества. Она рассчитывается как отношение массы ве­щества к его количеству:

Молярная масса численно равна А r (для атомов) или М r (для молекул).

Из уравнения 1 можно определить количество веще­ства, если известны его масса и молярная масса:

(2)

Молярный объем (V m для газов) - объем одного моля вещества. Рассчитывается как отношение объема газа к его количеству:

(3)

Объем 1 моля любого газа при нормальных условиях (Р = 1 атм = 760 мм. рт. ст. = 101,3 кПа; T = 273ТС = 0°С) равен 22,4 л.

(4)

Плотность вещества равна отношению его массы к объему.

(5)

Атомно-молекулярное учение

Понятие о материи и движении

Современная химия является одной из естественных наук, предметом изучения которых является материя и представляет собой систему отдельных химических дисциплин – неорганической, аналитической, физической, органической, коллоидной и др.

Весь окружающий нас многообразный мир, вся совокупность предметов и явлений объединяются общим понятием – материя, для которой известны две формы существования – вещество и поле.

Вещество представляет собой материальное образование состоящее из частиц, имеющих собственную массу или массу покоя. Современной науке известны различные типы материальных систем и соответствующие им структурные уровни материи. К ним относятся как элементарные частицы (электроны, протоны, нейтроны и т.д.), так и макроскопические тела различных размеров (геологические системы, планеты, звезды, звездные скопления, Галактика, системы галактик и др.) современные познания структуры материи простираются от 10 -14 см до 10 28 см (примерно 13 млрд. световых лет).

В отличие от вещества - поле – материальная среда, в которой осуществляется взаимодействие частиц. Например, в электронном поле происходит взаимодействие между заряженными частицами, а в ядерном - между протонами и нейтронами.

Всеобщими формами бытия материи являются пространство и время, которые не существуют вне материи, как не может быть и материальных объектов, которые не обладали бы пространственно – временными свойствами.

Коренным и неотъемлемым свойством материи является движение - способ её существования. Формы движения материи очень разнообразны, они взаимно связаны и могут переходить из одной в другую. Например, механическая форма движения материи может переходить в электрическую форму, электрическая - в тепловую и т.д. Мерой движения материи, количественной его характеристикой является энергия.

Определение химии

Различные формы движения материи изучаются различными науками – физикой, химией, биологией и др. Химия изучает химическую форму движения материи, под которой понимается качественное изменение веществ, превращение одних веществ в другие. При этом разрываются, вновь возникают или перераспределяются химические связи между атомами, входящими в состав вещества. В результате химических процессов возникают новые вещества с новыми физико-химическими свойствами.

Таким образом, химия это наука, изучающая процессы превращения веществ, сопровождающиеся изменением состава, структуры и свойств, а также взаимные переходы между этими процессами и другими формами движения материи.

Объектом изучения в химии являются химические элементы и их соединения. Изучая свойства веществ и их превращения химия раскрывает законы природы, познает материю и её движение. Изучение химии как одной из важнейших фундаментальных естественных наук необходимо для формирования научного мировоззрения.

Атомно-молекулярное учение

Атомно-молекулярное учение развил и впервые применил в химии великий русский ученый М.В. Ломоносов. Основные положения его учения изложены в работе "Элементы математической химии". Сущность учения М.В. Ломоносова сводится к следующему.

1. Все вещества состоят из "корпускул" (так М.В. Ломоносов назвал молекулы). 2. Молекулы состоят из элементов (атомов). 3. Частицы - молекулы и атомы находятся в непрерывном движении. 4. Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, молекулы сложных веществ - из различных атомов.

В дальнейшем это учение получило развитие в работах Д. Дальтона и Я. Берцелиуса. Окончательно атомно-молекулярное учение в химии утвердилось в середине ХIХ века. На Международном съезде химиков в г. Карлсруэ в 1860 г. были приняты определения понятий химического элемента, атома и молекулы.

Атом - наименьшая частица химического элемента, обладающая его химическими свойствами и неделимая при химических реакциях.

Молекула - наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами. Химические свойства молекулы определяются ее составом и химическим строением.

Все вещества делятся на простые и сложные.

Простое вещество – состоит из атомов одного и того же элемента.

Сложное вещество – состоит из атомов разных элементов. Так, например, оксид меди (II) образован атомами элементов меди и кислорода.

Всего 100 лет назад атом рассматривался как неделимый объект. Однако в соответствии с современными представлениями атом имеет сложную структуру и состоит из трех субатомных частиц: протонов, нейтронов и электронов. Протоны имеют положительный заряд; нейтроны не имеют заряда, а электроны имеют отрицательный заряд. Заряды на протоне и электроне одинаковы по величине. Протоны и нейтроны занимают вместе очень небольшой объем атома, называемый ядром. Большую часть остального объема атома составляет пространство, в котором движутся электроны. Поскольку атомы не имеют результирующего электрического заряда, в каждом атоме содержится равное число электронов и протонов. Заряд ядра определяется числом протонов.

Химический элемент - вид атомов, характеризующихся одинаковым зарядом ядра и, соответственно, характеризующихся определенной совокупностью свойств. Атомы одного и того же элемента, отличающиеся числом нейтронов, и, следовательно, массой, называются изотопами. Символ 12 6 С или просто 12 С означает атом углерода с шестью протонами и шестью нейтронами. Число протонов в ядре атома называется атомным номером. Верхний индекс (12) называется массовым числом и указывает суммарное число протонов и нейтронов в ядре атома.

Понятие "химический элемент" нельзя отождествлять с понятием "простое вещество". Простое вещество характеризуется определенной плотностью, растворимостью, температурами плавления и кипения и др. Эти свойства относятся к совокупности атомов и для разных простых веществ они различны.

Химический элемент характеризуется определенным зарядом ядра, изотопным составом и др. Свойства элемента относятся к его отдельным атомам.

Сложные вещества состоят не из простых веществ, а из элементов. Например, вода состоит не из простых веществ водорода и кислорода, а из элементов водорода и кислорода.

Многие химические элементы образуют несколько простых веществ, различных по строению и свойствам. Это явление называется аллотропией, а образовавшиеся вещества - аллотропными видоизменениями или модификациями. Так, элемент кислород образует две аллотропные модификации: кислород О 2 и озон О 3 ; элемент углерод - три: алмаз, графит и карбин.

Химическая форма движения материи исследуется и познается измерением физических свойств и физических величин, присущих каждому веществу. Физической величиной является, например, масса вещества, его плотность, температура плавления. В химии широко используются понятия относительной атомной и молекулярной массы вещества.

Относительная атомная масса. Массы атомов чрезвычайно малы. Так, масса атома водорода составляет 1,674×10 -27 кг , кислорода - 2,667×10 -26 кг . В химии традиционно применяют не абсолютные значения масс, а относительные. За единицу относительных масс принята атомная единица массы (сокращенно а.е.м. ), представляющая собой 1/12 массы атома углерода - 12 , т.е. изотопа углерода 6 С - 1,66×10 -27 кг . Поскольку большинство элементов имеют атомы с различной массой, поэтому относительная атомная масса химического элемента есть безразмерная величина, равная отношению средней массы атома естественного изотопического состава элемента к 1/12 массы атома углерода.

Относительную атомную массу элемента обозначают А r . Например,

где 1,993·10 -26 кг – масса атома углерода.

Относительная молекулярная масса. Относительные молекулярные массы, так же как и атомные, выражаются в атомных единицах массы. Относительная молекулярная масса вещества есть безразмерная величина, равная отношению средней массы молекулы естественного изотопического состава вещества к 1/12 массы атома углерода 12 6 С .

Относительную молекулярную массу обозначают М r . Она численно равна сумме относительных атомных масс всех атомов, входящих в состав молекулы вещества, и подсчитывается по формуле вещества. Например, M r (H 2 О) будет слагаться из 2 А r (Н)» 2 ; А r (O)= 1 × 16 = 16 ; M r (H 2 О) = 2 + 16 = 18 .

Моль. В международной системе единиц (СИ) за единицу количества вещества принят моль. Моль - это количество вещества, содержащее столько структурных или формульных (ФЕ) единиц (молекул, атомов, ионов, электронов или других), сколько содержится атомов в 0,012 кг изотопа углерода 12 6 C .

Зная массу одного атома углерода 12 C (1,993×10 -26 кг) , вычисляют число атомов N A в 0,012 кг углерода.

Число частиц в 1 моль любого вещества одно и то же. Оно равно 6,02×10 23 и называется постоянной Авогадро (обозначается N A , размерность 1/моль или моль -1 ). Очевидно, в 2 моль углерода будет содержаться 2 × 6,02×10 23 атомов, в 3 моль - 3 × 6,02×10 23 атомов.

Молярная масса. Обычно ее обозначают M . Молярная масса - величина, равная отношению массы вещества к количеству вещества. Она имеет размерность кг/моль или г/моль . Например, M = m /n или M = m /n , где m - масса в граммах; n (ню) или n - количество вещества в молях, M - молярная масса в г/моль - постоянная величина для каждого данного вещества. Так, если масса молекулы воды равна 2,99×10 -26 кг , то молярная масса M (H 2 O) = 2,99×10 -26 кг × 6,02×10 23 моль -1 = 0,018 кг/моль или 18 г/моль . В общем случае молярная масса вещества, выраженная в г/моль , численно равна относительной атомной или относительной молекулярной массе этого вещества.

Например, относительные атомные и молекулярные массы C , O 2 , H 2 S соответственно равны 12, 32, 34, а их молярные массы составляют соответственно 12, 32, 34 г/моль.