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)

Введение количественного метода исследования и установле­ние закона сохранения массы имели огромное значение для дальнейшего развития химии. Но прочный научный фунда­мент химия получила лишь после утверждения в ней атомно-молекулярного учения.

Возникновение атомно-молекулярного учения

Основы атомно-молекулярного учения впервые были изложены М. В. Ло­моносовым в 1741 году в одной из его первых работ - «Эле­менты математической химии», в которой он сформулировал важнейшие положения корпускулярной теории строения .

Согласно представлениям Ломоносова, все состоят из мельчайших «нечувствительных» частичек, физически недели­мых и обладающих способностью взаимного сцепления. Свойства веществ и прежде всего их агрегатное состояние обусловлены свойствами этих частичек; различие в свойствах веществ зависит только от различия самих частичек или способа их взаимной связи.

Различал два вида таких частиц: более мелкие - «элементы», соответствующие атомам в современном понимании этого термина и более крупные «корпускулы», которые мы называем теперь молекулами. По его определению, «Элемент есть часть тела, не состоящая из каких-либо других меньших и отличающихся от него тел. Корпускула есть собрание элементов, об­разующее одну малую массу».

Каждая корпускула имеет тот же состав, что и все вещество. Химически различные вещества имеют и различные по составу корпускулы. «Корпускулы однородны, если состоят из одинако­вого числа одних и тех же элементов, соединенных одинаковым образом», и «корпускулы разнородны, когда элементы их раз­личны и соединены различным образом или в различном числе».

Из приведенных определений видно, что причиной различия веществ считал не только различие в составе корпу­скул, но и различное расположение элементов в корпускуле.

Излагая свои взгляды на из «нечувстви­тельных» частиц, особенно подчеркивал, что каждая корпускула имеет некоторые конечные, хотя и очень малые раз­меры, вследствие чего ее нельзя видеть, и обладает определенной массой. Подобно всем физическим телам, корпускулы могут дви­гаться по законам механики; без движения корпускулы не мо­гут сталкиваться друг с другом, отталкиваться или как-либо иначе действовать друг на друга и изменяться. Движением кор­пускул, в частности, объясняются такие явления, как нагревание и охлаждение тел.

Так как все изменения веществ обусловли­ваются движением корпускул, химические превращения должны изучаться не только методами химии, но и методами фи­зики и математики.

Предположения Ломоносова в те времена не могли быть про­верены опытным путем из-за отсутствия точных данных о количе­ственном составе различных сложных веществ. Поэтому основ­ные положения корпускулярной теории смогли найти подтвержде­ние лишь после того, как химия прошла длительный путь разви­тия, накопила большой опытный материал и овладела новыми методами исследования.

В развитие атомно-молекулярного учения большой вклад внесли М. В. Ломоносов, Дж. Дальтон, А. Лавуазье, Ж. Пруст, А. Авогадро, Й. Берцелиус, Д. И. Менделеев, А. М. Бутлеров. Первый определил химию как науку М. В. Ломоносов. Ломоносов создал учение о строении вещества, заложил основу атомно-молекулярной теории. Оно сводится к следующим положениям:

1. Каждое вещество состоит из мельчайших, далее физически неделимых частиц (Ломоносов называл их корпускулами, впоследствии они были названы молекулами).

2. Молекулы находятся в постоянном, самопроизвольном движении.

3. Молекулы состоят из атомов (Ломоносов назвал их элементами).

4. Атомы характеризуются определенным размером и массой.

5. Молекулы могут состоять как из одинаковых, так и различных атомов.

Молекула - это наименьшая частица вещества, сохраняющая его состав и химические свойства. Молекула не может дробиться дальше без изменения химических свойств вещества. Между молекулами вещества существует взаимное притяжение, различное у разных веществ. Молекулы в газах притягиваются друг к другу очень слабо, тогда как между молекулами жидких и твердых веществ силы притяжения относительно велики. Молекулы любого вещества находятся в непрерывном движении. Этим явлением объясняется, например, изменение объема веществ при нагревании.

Атомами называются мельчайшие, химически неделимые частицы, из которых состоят молекулы. Атом - это наименьшая частица элемента, сохраняющая его химические свойства. Атомы различаются зарядами ядер, массой и размерами. При химических реакциях атомы не возникают и не исчезают, а образуют молекулы новых веществ. Элемент следует рассматривать как вид атомов с одинаковым зарядом ядра.

Химические свойства атомов одного и того же химического элемента одинаковы, такие атомы могут отличаться только массой. Разновидности атомов одного и того же элемента с различной массой, называются изотопами. Поэтому, разновидностей атомов больше, чем химических элементов.

Необходимо различать понятия "химический элемент" и "простое вещество".

Вещество - это определенная совокупность атомных и молекулярных частиц в любом из трех агрегатных состояний.

Агрегатные состояния вещества - состояние вещества, характеризующееся определенными свойствами (способность сохранять форму, объем).

Выделяют три основных агрегатных состояния: твёрдое тело, жидкость и газ. Иногда не совсем корректно к агрегатным состояниям причисляют плазму. Существуют и другие агрегатные состояния, например, жидкие кристаллы или конденсат Бозе - Эйнштейна.

Химический элемент - это общее понятие об атомах с одинаковым зарядом ядра и химическими свойствами.

Физических свойств, характерных для простого вещества, химическому элементу приписать нельзя.

Простые вещества - это вещества, состоящие из атомов одного и того же химического элемента. Один и тот же элемент может образовывать несколько простых веществ.

Современное изложение основных положений атомно-молекулярного учения:

1. Все вещества состоят из атомов.
2. Атомы каждого вида (элемента) одинаковы между собой, но отличаются от атомов любого другого вида (элемента).
3. При взаимодействии атомов образуются молекулы: гомоядерные (при взаимодействии атомов одного элемента) или гетероядерные (при взаимодействии атомов разных элементов).
4. При физических явлениях молекулы сохраняются, при химических - разрушаются; при химических реакциях атомы в отличие от молекул сохраняются.
5. Химические реакции заключаются в образовании новых веществ из тех же самых атомов, из которых состоят первоначальные вещества.

1. Все вещества состоят из молекул. Молекула - наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами.

2. Молекулы состоят из атомов. Атом - наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Различным элементам соответствуют различные атомы.

3. Молекулы и атомы находятся в непрерывном движении; между ними существуют силы притяжения и отталкивания.

Химический элемент - это вид атомов, характеризующийся определенными зарядами ядер и строением электронных оболочек. В настоящее время известно 117 элементов: 89 из них найдены в природе (на Земле), остальные получены искусственным путем. Атомы существуют в свободном состоянии, в соединениях с атомами того же или других элементов, образуя молекулы. Способность атомов вступать во взаимодействие с другими атомами и образовывать химические соединения определяется его строением. Атомы состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, движущихся вокруг него, образуя электронейтральную систему, которая подчиняется законам, характерным для микросистем.

Атомное ядро - центральная часть атома, состоящая из Z протонов и N нейтронов, в которой сосредоточена основная масса атомов.

Заряд ядра - положительный, по величине равен количеству протонов в ядре или электронов в нейтральном атоме и совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе. Сумма протонов и нейтронов атомного ядра называется массовым числом A = Z + N.

Изотопы - химические элементы с одинаковыми зарядами ядер, но различными массовыми числами за счет разного числа нейтронов в ядре.

Массовое

Аллотропия - явление образования химическим элементом нескольких простых веществ, различающихся по строению и свойствам.

Химические формулы

Любое вещество может быть охарактеризовано качественным и количественным составом. Под качественным составом понимают набор химических элементов, образующих вещество, под количественным, в общем случае, соотношение между числом атомов этих элементов. Атомы, образующие молекулу, соединяются между собой в определенной последовательности, эта последовательность называется химическим строением вещества (молекулы).

Состав и строение молекулы может быть изображено с помощью химических формул. Качественный состав записывается в виде символов химических элементов, количественный – в виде подстрочных индексов у символа каждого элемента. Например: С 6 Н 12 О 6 .

Химическая формула - это условная запись состава вещества с помощью химических знаков (предложены в 1814 г. Й. Берцелиусом) и индексов (индекс - цифра, стоящая справа внизу от символа. Обозначает число атомов в молекуле). Химическая формула показывает, атомы каких элементов и в каком отношении соединены между собой в молекуле.

Химические формулы бывают следующих видов:

а) молекулярные – показывают сколько атомов элементов входят в состав молекулы вещества, например Н 2 О – одна молекула воды содержит два атома водорода и один атом кислорода.

б) графические – показывают в каком порядке связаны атомы в молекуле, каждая связь изображается черточкой, для предыдущего примера графическая формула будет выглядеть так: Н-О-Н

в) структурные – показывают взаимное расположения в пространстве и расстояния между атомами, входящими в состав молекулы.

Необходимо иметь в виду, что однозначно идентифицировать вещество позволяют только структурные формулы, молекулярные или графические формулы могут соответствовать нескольким или даже многим веществам (особенно в органической химии).

Международная единица атомных масс равна 1/12 массы изотопа 12C - основного изотопа природного углерода.

1 а.е.м = 1/12 m (12C) = 1,66057 10 -24 г

Относительная атомная масса (Ar) - безразмерная величина, равная отношению средней массы атома элемента (с учетом процентного содержания изотопов в природе) к 1/12 массы атома 12C.

Средняя абсолютная масса атома (m) равна относительной атомной массе, умноженной на а.е.м.

m (Mg) = 24,312·1,66057 · 10 -24 = 4,037 · 10 -23 г

Относительная молекулярная масса (Mr) - безразмерная величина, показывающая, во сколько раз масса молекулы данного вещества больше 1/12 массы атома углерода 12C.

Mr = mг / (1/12 mа(12C))

m r - масса молекулы данного вещества;

m а (12C) - масса атома углерода 12C.

Mr = S Aг(э). Относительная молекулярная масса вещества равна сумме относительных атомных масс всех элементов с учетом индексов.

Mr(B 2 O 3) = 2 · Ar(B) + 3 · Ar(O) = 2 · 11 + 3 · 16 = 70

Mr (KAl(SO 4) 2) = 1 · Ar(K) + 1 · Ar(Al) + 1· 2 · Ar(S) + 2· 4 · Ar(O) == 1 · 39 + 1 · 27 + 1 · 2 · 32 + 2 · 4 ·16 = = 258

Абсолютная масса молекулы равна относительной молекулярной массе, умноженной на а.е.м. Число атомов и молекул в обычных образцах веществ очень велико, поэтому при характеристике количества вещества используют специальную единицу измерения - моль.

Количество вещества, моль . Означает определенное число структурных элементов (молекул, атомов, ионов). Обозначается n, измеряется в моль. Моль - количество вещества, содержащее столько же частиц, сколько содержится атомов в 12 г углерода.

Число Авогадро (N A ). Количество частиц в 1 моль любого вещества одно и то же и равно 6,02 · 10 23 . (Постоянная Авогадро имеет размерность - моль -1).

Сколько молекул содержится в 6,4 г серы?

Молекулярная масса серы равна 32 г /моль. Определяем количество г/моль вещества в 6,4 г серы:

n(s) = m(s) / M(s) = 6,4г / 32 г/моль = 0,2 моль

Определим число структурных единиц (молекул), используя постоянную Авогадро NA

N(s) = n(s) · NA = 0,2· 6,02· 1023 = 1,2· 1023

Молярная масса показывает массу 1 моля вещества (обозначается M).

Молярная масса вещества равна отношению массы вещества к соответствующему количеству вещества.

Молярная масса вещества численно равна его относительной молекулярной массе, однако первая величина имеет размерность г/моль, а вторая - безразмерная.

M = N А · m(1 молекула) = N А · Mг · 1 а.е.м. = (N А · 1 а.е.м.) · Mr = Mr

Это означает, что если масса некоторой молекулы равна, например, 80 а.е.м. (SO 3), то масса одного моля молекул равна 80 г. Постоянная Авогадро является коэффициентом пропорциональности, обеспечивающим переход от молекулярных соотношений к молярным. Все утверждения относительно молекул остаются справедливыми для молей (при замене, в случае необходимости, а.е.м. на г) Например, уравнение реакции: 2Na + Cl 2 2NaCl, означает, что два атома натрия реагируют с одной молекулой хлора или, что одно и то же, два моль натрия реагируют с одним молем хлора.

Основы атомно-молекулярного учения впервые были изложены Ломоносовым. В 1741 г. в одной из своих первых работ - «Элементы математической химии» - Ломоносов сформулировал важнейшие положения созданной им так называемой корпускулярной теории строения вещества.

Согласно представлениям Ломоносова, все вещества состоят из мельчайших «нечувствительных» частичек, физически неделимых и обладающих способностью взаимного сцепления. Свойства веществ обусловлены свойствами этих частичек. Ломоносов различал два вида таких частиц: более мелкие - «элементы», соответствующие атомам в современном понимании этого термина, и более крупные - «корпускулы», которые мы называем теперь молекулами.

Каждая корпускула имеет тот же состав, что и все вещество. Химически различные вещества имеют и различные по составу корпускулы. «Корпускулы однородны, если состоят из одинакового числа одних и тех же элементов, соединенных одинаковым образом», и «корпускулы разнородны, когда элементы их различны и соединены различным образом или в различном числе».

Из приведенных определений видно, что причиной различия веществ Ломоносов считал не только различие в составе корпускул, но и различное расположение элементов в корпускуле.

Ломоносов подчеркивал, что корпускулы движутся согласно законам механики; без движения корпускулы не могут сталкиваться друг с другом или как-либо иначе действовать друг на друга и изменяться. Так как все изменения веществ обусловливаются движением корпускул, то химические превращения должны изучаться не только методами химии, но и методами физики и математики.

За 200 с лишним лет, протекшие с того времени, когда жил и работал Ломоносов, его идеи о строении вещества прошли всестороннюю проверку, и их справедливость была полностью подтверждена. В настоящее время на атомно-молекулярном учении базируются все наши представления о строении материи, о свойствах веществ и о природе физических и химических явлений.

В основе атомно-молекулярного учения лежит принцип дискретности (прерывности строения) вещества: всякое вещество не является чем-то сплошным, а состоит из отдельных очень малых частиц. Различие между веществами обусловлено различием между их частицами; частицы одного вещества одинаковы, частицы различных веществ различны. При всех условиях частицы вещества находятся в движении; чем выше температура тела, тем интенсивнее это движение.

Для большинства веществ частицы представляют собой молекулы. Молекула - наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами. Молекулы в свою очередь состоят из атомов. Атом - наименьшая частица элемента, обладающая его химическими свойствами. В состав молекулы может входить различное число атомов. Так, молекулы благородных газов одноатомны, молекулы таких веществ, как водород, азот, - двухатомны, воды - трехатомны и т.д. Молекулы наиболее сложных веществ - высших белков и нуклеиновых кислот - построены из такого количества атомов, которое измеряется сотнями тысяч. При этом атомы могут соединяться друг с другом не только в различных соотношениях, но и различным образом. Поэтому при сравнительно небольшом числе химических элементов число различных веществ очень велико.

Нередко у учащихся возникает вопрос, почему молекула данного вещества не обладает его физическими свойствами. Для того чтобы лучше понять ответ на этот вопрос, рассмотрим несколько физических свойств веществ, например температуры плавления и кипения, теплоемкость, механическую прочность, твердость, плотность, электрическую проводимость.

Такие свойства, как температуры плавления и кипения, механическая прочность и твердость, определяются прочностью связи между молекулами в данном веществе при данном его агрегатном состоянии; поэтому применение подобных понятий к отдельной молекуле не имеет смысла. Плотность - это свойство, которым отдельная молекула обладает и которое можно вычислить. Однако плотность молекулы всегда больше плотности вещества (даже в твердом состоянии), потому что в любом веществе между молекулами всегда имеется некоторое свободное пространство. А такие свойства, как электрическая проводимость, теплоемкость, определяются не свойствами молекул, а структурой вещества в целом. Для того чтобы убедиться в этом, достаточно вспомнить, что эти свойства сильно изменяются при изменении агрегатного состояния вещества, тогда как молекулы при этом не претерпевают глубоких изменений. Таким образом, понятия о некоторых физических свойствах не применимы к отдельной молекуле, а о других - применимы, но сами эти свойства по своей величине различны для молекулы и для вещества в целом.

Не во всех случаях частицы, образующие вещество, представляют собой молекулы. Многие вещества в твердом и жидком состоянии, например большинство солей, имеют не молекулярную, а ионную структуру. Некоторые вещества имеют атомное строение. Строение твердых тел и жидкостей более подробно будет рассмотрено в главе V, а здесь лишь укажем на то, что в веществах, имеющих ионное или атомное строение, носителем химических свойств являются не молекулы, а те комбинации ионов или атомов, которые образуют данное вещество.