Основные понятия химии, законы стехиометрии
Химическая атомистика (атомно-молекулярная теория) является исторически первой фундаментальной теоретической концепцией, положенной в основу современной химической науки. Формирование этой теории потребовало более сотни лет и связано с деятельностью таких выдающихся химиков, как М.В. Ломоносов, А.Л. Лавуазье, Дж. Дальтон, А. Авогадро, С. Канниццаро.
Современную атомно-молекулярную теорию можно изложить в виде ряда положений:
1. Химические вещества имеют дискретное (прерывистое) строение. Частицы вещества находятся в постоянном хаотическом тепловом движении.
2. Основной структурной единицей химического вещества является атом.
3. Атомы в химическом веществе связаны друг с другом, образуя молекулярные частицы или атомные агрегаты (надмолекулярные структуры).
4. Сложные вещества (или химические соединения) состоят из атомов разных элементов. Вещества простые состоят из атомов одного элемента и должны рассматриваться как гомоядерные химические соединения.
При формулировании основных положений атомно-молекулярной теории нам пришлось ввести несколько понятий, на которых необходимо остановиться более подробно, поскольку они являются основными в современной химии. Это понятия "атом" и "молекула", точнее атомные и молекулярные частицы.
Атомные частицы включают в себя собственно атом, атомные ионы, атомные радикалы и атомные ион-радикалы.
Атом - это наименьшая электронейтральная частица химического элемента, являющаяся носителем его химических свойств, и состоящая из положительно заряженного ядра и электронной оболочки.
Атомный ион - это атомная частица, обладающая электростатическим зарядом, но не имеющая неспаренных электронов, например, Cl - - хлорид-анион, Na + - катион натрия.
Атомный радикал - электронейтральная атомная частица, содержащая неспаренные электроны. Например, атом водорода фактически представляет собой атомный радикал - Н× .
Атомная частица, имеющая электростатический заряд и неспаренные электроны, называется атомным ион-радикалом. Примером такой частицы может служить катион Mn 2+ , содержащий пять неспаренных электронов на d-подуровне (3d 5).
Одной из важнейших физических характеристик атома является его масса. Поскольку абсолютное значение массы атома ничтожно мало (масса атома водорода равна 1,67×10 -27 кг), в химии используется относительная шкала масс, в которой за единицу выбрана 1/12 часть массы атома углерода изотопа-12. Относительная атомная масса - это отношение массы атома к 1/12 массы атома углерода изотопа 12 С.
Следует отметить, что в периодической системе Д.И. Менделеева приведены среднеизотопические атомные массы элементов, которые в большинстве своем представлены несколькими изотопами, вносящими свой вклад в атомную массу элемента пропорционально своему содержанию в природе. Так, элемент хлор представлен двумя изотопами - 35 Cl (75 мол.%) и 37 Cl (25 мол.%). Среднеизотопическая масса элемента хлор составляет 35,453 а.е.м. (атомных единиц массы) (35×0,75 + 37×0,25).
Аналогично атомным частицам, молекулярные частицы включают в себя собственно молекулы, молекулярные ионы, молекулярные радикалы и ион-радикалы.
Молекулярная частица - это наименьшая устойчивая совокупность взаимосвязанных атомных частиц, являющаяся носителем химических свойств вещества. Молекула лишена электростатического заряда и не имеет неспаренных электронов.
Молекулярный ион - это молекулярная частица, обладающая электростатическим зарядом, но не имеющая неспаренных электронов, например, NO 3 - - нитрат-анион, NH 4 + - катион аммония.
Молекулярный радикал – это электронейтральная молекулярная частица, содержащая неспаренные электроны. Большинство радикалов являются реакционными частицами с небольшим временем жизни (порядка 10 -3 –10 -5 с), хотя в настоящее время известны и довольно устойчивые радикалы. Так метильный радикал × СН 3 является типичной малоустойчивой частицей. Однако, если атомы водорода в ней заменить на фенильные радикалы, то образуется стабильный молекулярный радикал трифенилметил
Молекулы с нечетным числом электронов, например NO или NO 2 , также могут рассматриваться как свободные радикалы с высокой устойчивостью.
Молекулярная частица, имеющая электростатический заряд и неспаренные электроны, называется молекулярным ион-радикалом . Примером такой частицы может служить катион радикал кислорода – ×О 2 + .
Важной характеристикой молекулы является ее относительная молекулярная масса. Относительная молекулярная масса (М r) - это отношение среднеизотопической массы молекулы, вычисленной с учетом естественного природного содержания изотопов, к 1/12 массы атома углерода изотопа 12 C .
Таким образом, мы выяснили, что мельчайшей структурной единицей любого химического вещества является атом, точнее атомная частица. В свою очередь в любом веществе, исключая инертные газы, атомы связаны друг с другом химическими связями. При этом возможно образование двух типов веществ:
· молекулярные соединения, у которых можно выделить мельчайшие носители химических свойств, обладающие устойчивой структурой;
· соединения надмолекулярной структуры, которые представляют собой атомные агрегаты, в которых атомные частицы связаны ковалентной, ионной или металлической связью.
Соответственно, вещества, имеющие надмолекулярную структуру, представляют собой атомные, ионные или металлические кристаллы. В свою очередь, молекулярные вещества образуют молекулярные или молекулярно-ионные кристаллы. Молекулярное строение имеют также вещества, находящиеся в обычных условиях в газообразном или жидком агрегатном состоянии.
Фактически, работая с конкретным химическим веществом, мы имеем дело не с отдельными атомами или молекулами, а с совокупностью очень большого числа частиц, уровни организации которых можно отобразить следующей схемой:
Для количественного описания больших массивов частиц, которыми являются макротела, было введено специальное понятие "количество вещества", как строго определенное число его структурных элементов. Единицей количества вещества является моль. Моль - это количество вещества (n), содержащее столько структурных или формульных единиц, сколько атомов содержится в 12 г углерода изотопа 12 С. В настоящее время это число довольно точно измерено и составляет 6,022×10 23 (число Авогадро, N A). В качестве структурных единиц могут выступать атомы, молекулы, ионы, химические связи и другие объекты микромира. Понятие "формульная единица" используется для веществ с надмолекулярной структурой и определяется как простейшее соотношение между составляющими его элементами (брутто-формула). В данном случае формульная единица берет на себя роль молекулы. Например, 1 моль хлорида кальция содержит 6,022×10 23 формульных единиц - CaCl 2 .
Одной из важных характеристик вещества является его молярная масса (М, кг/моль, г/моль). Молярная масса - это масса одного моля вещества . Относительная молекулярная масса и молярная масса вещества численно совпадают, но имеют разную размерность, например, для воды М r = 18 (относительная атомная и молекулярная массы величины безразмерные), М = 18 г/моль. Количество вещества и молярная масса связаны простым соотношением:
Большую роль в формировании химической атомистики сыграли основные стехиометрические законы, которые были сформулированы на рубеже XVII и XVIII столетий.
1. Закон сохранения массы (М.В. Ломоносов, 1748 г.).
Сумма масс продуктов реакции равна сумме масс веществ, вступивших во взаимодействие . В математическом виде этот закон выражается следующим уравнением:
Дополнением к данному закону является закон сохранения массы элемента (А. Лавуазье, 1789 г.). Согласно этому закону в процессе химической реакции масса каждого элемента остается постоянной .
Законы М.В. Ломоносова и А. Лавуазье нашли простое объяснение в рамках атомистической теории. Действительно, при любой реакции атомы химических элементов остаются неизменными и в неизменном количестве, что влечет за собой как постоянство массы каждого элемента в отдельности, так и системы веществ в целом.
Рассматриваемые законы имеют определяющее значение для химии, поскольку позволяют моделировать химические реакции уравнениями и выполнять на их основе количественные вычисления. Следует, однако, отметить, что закон сохранения массы не является абсолютно точным. Как следует из теории относительности (А. Эйнштейн, 1905 г.), любой процесс, протекающий с выделением энергии, сопровождается уменьшением массы системы в соответствии с уравнением:
где DЕ – выделившаяся энергия, Dm – изменение массы системы, с - скорость света в вакууме (3,0×10 8 м/с). В результате уравнение закона сохранения массы следует записывать в следующем виде:
Таким образом, экзотермические реакции сопровождаются уменьшением массы, а эндотермические – увеличением массы. В этом случае закон сохранение массы может быть сформулирован следующим образом: в изолированной системе сумма масс и приведенных энергий есть величина постоянная . Однако для химических реакций, тепловые эффекты которых измеряются сотнями кДж/моль, дефект массы составляет 10 -8 -10 -9 г и не может быть зарегистрирован экспериментально.
2. Закон постоянства состава (Ж. Пруст, 1799-1804 гг.).
Индивидуальное химическое вещество молекулярного строения имеет постоянный качественный и количественный состав, не зависящий от способа его получения . Соединения, подчиняющиеся закону постоянства состава, называют дальтонидами . Дальтонидами являются все известные к настоящему времени органические соединения (около 30 миллионов) и часть (около 100 тыс.) неорганических веществ. Вещества, имеющие немолекулярное строение (бертолиды ), не подчиняются данному закону и могут иметь переменный состав, зависящий от способа получения образца. К ним относятся большинство (около 500 тыс.) неорганических веществ. В основном это бинарные соединения d-элементов (оксиды, сульфиды, нитриды, карбиды и т.д.). Примером соединения переменного состава может служить оксид титана(III), состав которого варьирует в пределах от TiO 1,46 до TiO 1,56 . Причиной переменного состава и иррациональности формул бертолидов являются изменения состава части элементарных ячеек кристалла (дефекты кристаллической структуры), не влекущие за собой резкого изменения свойств вещества. Для дальтонидов подобное явление невозможно, поскольку изменение состава молекулы ведет к образованию нового химического соединения.
3. Закон эквивалентов (И. Рихтер, Дж. Дальтон, 1792-1804 гг.).
Массы реагирующих веществ прямо пропорциональны их эквивалентным массам .
где Э А и Э В - эквивалентные массы реагирующих веществ.
Эквивалентной массой вещества называется молярная масса его эквивалента.
Эквивалент - это реальная или условная частица, отдающая или присоединяющая один катион водорода в реакциях кислотно-основного взаимодействия, один электрон в окислительно-восстановительных реакциях или взаимодействующая с одним эквивалентом любого другого вещества в реакциях обмена . Например, при взаимодействии металлического цинка с кислотой один атом цинка вытесняет два атома водорода, отдавая при этом два электрона:
Zn + 2H + = Zn 2+ + H 2
Zn 0 - 2e - = Zn 2+
Следовательно, эквивалентом цинка является 1/2 его атома, т.е. 1/2 Zn (условная частица).
Число, показывающее, какая часть молекулы или формульной единицы вещества является его эквивалентом, называется фактором эквивалентности - f э . Эквивалентная масса, или молярная масса эквивалента, определяется как произведение фактора эквивалентности на молярную массу:
Например, в реакции нейтрализации серная кислота отдает два катиона водорода:
H 2 SO 4 + 2KOH = K 2 SO 4 + 2H 2 O
Соответственно, эквивалентом серной кислоты является 1/2 H 2 SO 4 , фактор эквивалентности равен 1/2, а эквивалентная масса составляет (1/2)×98 = 49 г/моль. Гидроксид калия связывает один катион водорода, поэтому его эквивалентом является формульная единица, фактор эквивалентности равен единице, а эквивалентная масса равна молярной массе, т.е. 56 г/моль.
Из рассмотренных примеров видно, что при расчете эквивалентной массы необходимо определить фактор эквивалентности. Для этого существует ряд правил:
1. Фактор эквивалентности кислоты или основания равен 1/n, где n - число задействованных в реакции катионов водорода или гидроксид-анионов.
2. Фактор эквивалентности соли равен частному от деления единицы на произведение валентности (v) катиона металла или кислотного остатка и их числа (n) в составе соли (стехиометрический индекс в формуле):
Например, для Al 2 (SO 4) 3 - f э = 1/6
3. Фактор эквивалентности окислителя (восстановителя) равен частному от деления единицы на число присоединенных (отданных) им электронов.
Следует обратить внимание на то обстоятельство, что одно и то же соединение может иметь разный фактор эквивалентности в разных реакциях. Например, в реакциях кислотно-основного взаимодействия:
H 3 PO 4 + KOH = KH 2 PO 4 + H 2 O f э (H 3 PO 4) = 1
H 3 PO 4 + 2KOH = K 2 HPO 4 + 2H 2 O f э (H 3 PO 4) = 1/2
H 3 PO 4 + 3KOH = K 3 PO 4 + 3H 2 O f э (H 3 PO 4) = 1/3
или в окислительно-восстановительных реакциях:
KMn 7+ O 4 + NaNO 2 + H 2 SO 4 ® Mn 2+ SO 4 + NaNO 3 + K 2 SO 4 + H 2 O
MnO 4 - + 8H + + 5e - ® Mn 2+ + 4H 2 O f э (KMnO 4) = 1/5
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.
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.
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.
1.Химия как предмет естествознания Химия изучает ту форму движения материи, в которой происходит взаимодействие атомов с образованием новых определенных веществ.Химия -наука о оставе,строении и свойствах веществ, их превращении или явлениях, кот.эти превращения сопровождают.Современная химия включает :общую, органическую,коллоидную,аналитическую,физическую,геологическую,биохимию,химию строительных материалов.Предмет химии - химические элементы и их соединения, а также закономерности, которым подчиняются различные химические реакции. соединяет физико-математические и биолого-социальные науки.
2.Класс неорганических соединений. Основные химические свойства кислот, оснований, солей. По свойствам неорганических соединений разделяеют на след. Классы : оксиды, основания, кислоты, соли.Оксиды -соединение элементов с кислородом, в которых последний является более электроотрицательным элементом, а именно проявляет степень окисления -2. и имеет место связь только элемент О2.Общ.формула СхОу. Бывают :кислотны е-способны к солеобразованию с основными оксидами и основаниями (SO3+Na2O=Na2SO4; So3+2NaOH=Na2SO4=H2O),основные- способны к солеобразовнию с кислотными оксидами и кислотами(СаО+СО2=СаСО3; СаО+2НСl=CaCl2+H2O ),амфотерные (к-ты и основ.)и с тем и с тем(ZnO,BeO,Cr2O3,SnO,PbO,MnO2).и несолеобразующие (CO,NO,N2O)Основания - вещества, при электролтической диссоциации которых анион м.б. только гидроксильная группа ОН. Кислотность основания-число ионов ОН образующихся при диссоциации гидроксида. Гидроксиды-вещества, содержащие группу ОН, получаются соединением оксидов с водой.Бывают 3видов : основные (основания) , кислотные (кислородсодержащие кислоты) и амфотерные (амфолиты-проявляют основные и кислотные свойства Cr(OH)3,Zn(OH)2,Be(OH)2,Al(OH)3) Кислоты -вещества, при электролитической диссоциации кот. Катионом м.б. только + заряженный ион Н. Бывают: бескислородные,кислородсодержащие .Число Н-основность кислоты. мета и орто формы-молекулы воды. Соли -вещества, при электоролитической диссоциации которых катионом может быть ион аммония(NH4) или ион металла, а анионом любой кислотный остаток Бывают:средние (полное замещение.состоят из кисотного остатка и иона метала), кислы е(неполное замещение.наличие в составе незамещенных Н), основные (неполное замещение.наличие незамещенных ОН) По составу неорганические вещества делятся на бинарные – состоящие только из двух элементов, и многоэлементные – состоящие из нескольких элементов.
3.Основные положения атомно-молекулярного учения
1.Все вещества состоят из молекул(корпускулы), при физических явлениях, молекулы сохраняются, при химических разрушаются.
2.Молекулы состоят из атомов(элементы), при химических реакциях атомы сохраняются.
3.Атомы каждого вида (элемента) одинаковы между собой, но отличаются от атомов любого другого вида.
4. При взаимодействии атомов образуются молекулы: гомоядерные (при взаимодействии атомов одного элемента) или гетероядерные (при взаимодействии атомов разных элементов).
5.Химичские реакции заключаются в образовании новых веществ, из тех же самых атомов, из которых состоят первоначальные вещества.+6.молек. и атомы находятся в непрерывном движении, а теплота состоит во внутреннем движении этих частиц
. Атом - наименьшая частица элемента, сохраняющая его химические свойства. Атомы различаются зарядами ядер, массой и размерами
Химический элемент - вид атомов с одинаково полож. Зарядом ядра. Физических свойств, характерных для простого вещества, химическому элементу приписать нельзя. Простые вещества - это вещества, состоящие из атомов одного и того же химического элемента. 4.Основные законы химии(закон сохранения, постоянства состава,кратных отношений, закон Авагадро) Закон сохранения: Масса веществ, вступающих в реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции. Закон постоянства состава : (любое хим. Соединение имеет один и тот же количественный состав независимо от способа его получения)Соотношения между массами элементов, входящих в сотав данного соединения,постоянны и не зависят от способа получения этого соединения.
Закон кратных отношений : Если два элемента образут друг с другом несколько химических соединений, то массы одного из элементов, приходящиеся в этих соединениях на одну и ту же массу другого, относятся между собой как небольшие целые числа.
Закон Авогадро. В равных объемах любых газов, взятых при одной и той же температуре при одинаковом давлении, содержится одно и то же число молекул.
5. Закон Эквивалентов . Эквивалент вещества - это такое количество вещества,какое взаимодействует с 1 молем атома водорода или вытесняет такое же количество атомов Н в хим. Реакций. Vэ(Л/Моль)- эквивалентный объем вещества, тоесть то объем одного эквивалента вещества в газообразном состояние.ЗАКОН.Все вещества реагируют в химических реакциях и образуются в эквивалентных количествах. Отношение эквивалентных масс, объемов, реагирующих или образующих вещества,прямо пропорционально отнощению их масс(объемов)илиилиЭ(простые)=А(атомная масса)/В(валентность элемента) Э(кислоты)=М(молярная масса)/осн(основание кислоты) Э(Гидроксида)=М/Кисл)Кислотность гидроксида) Э(аксиды соли)=M/а(количество атомов элемента образ. Оксид(соли)*в (валентность этого элемента или металла)
6. Строение атомов. Ядро. Ядерные реакции. Виды излучения. Модель по резерфорду:1.практически вся масса сосредоточена в ядре 2.+ компенисруются – 3.заряд равен номеру группы. Простейшим –Н водород Современное понятие хим. Элемента-вид атомов с одинаково полож. Зарядом ядря атом состоит из положительно заряженного ядра и электронной оболочки. Электронная оболочка образована электронами. Число электронов равно числу протонов, поэтому заряд атома в целом равен 0 Число протонов, заряд ядра и число электронов численно равны порядковому номеру химического элемента. практически вся масса атома сосредоточена в ядре. Электроны двигаются вокруг ядра атома, не беспорядочно, а в зависимости от энергии, которой они обладают, образуя так называемый электронный слой. На каждом электронном слое может располагаться определенное число электронов: на первом - не больше 2, на втором - не больше 8, на третьем - не больше 18. Число электронных слоев определяется по номеру периода Число электронов на последнем (внешнем) слое определяется по номеру группы в периоде происходит постепенное ослабление металлических свойств и возрастание свойств неметаллов Я́дерная реа́кция - процесс образования новых ядер или частиц при столкновениях ядер или частиц. Радиоактивностью называют самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопроваждающееся испусканием элементарных частиц или ядер.Виды излучений:альфа,бета(отриц и полож) и гамма. Алфа частица – ядро атома гелия 4/2He. При испускании альфа-частиц ядро теряет два протона и два нейтрона,следовательно заряд уменьшается на 2, а массовое число на 4.отрицательная бэта частица – электрон. при испускании электрона заряд ядра увеличивается на единицу, а массовое число не изменяется. нестабильный изотоп оказывается настолько возбужденным, что испускание частицы не приводит к полному снятию возбуждения, тогда он выбрасывает порцию чистой энергии, называемой гамма-излучением. Атомы обладающие одинаковы зарядом ядра, но разными массовыми числами, называются изотопами(например 35/17 Cl и 37/17Cl) Атомы имеющие одинаковые массовые числа,но разное число протонов в ядре,называются изобарами(например 40/19K и 40/20Ca) Периодом полураспада (Т ½)называется время,за которое распадается половина исходного количества радиоактивного изотопа.
