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.

Исключительное значение для развития химии имело атомно-молекулярное учение, колыбелью которого является Древняя Греция. Атомистика древнегреческих материалистов отделена от нас 25-ве-ковым периодом, однако, логика греков поражает настолько, что философское учение о дискретном строении материи, развитое ими, невольно сливается в сознании с нашими сегодняшними представлениями. Как же зародилась атомистика? Основным научным методом древнегреческих философов являлись дискуссия, спор. Для поиска “первопричин” в спорах обсуждались многие логические задачи, одной из которых являлась задача о камне: что произойдет, если начать его дробить?

Большинство философов считало, что этот процесс можно продолжать бесконечно. И только Левкип (500--440 до н.э.) и его школа утверждали, что этот процесс не бесконечен: при дроблении, в конце концов, получится такая частица, дальнейшее деление которой будет просто невозможно. Основываясь на этой концепции, Левкипп утверждал: материальный мир дискретен, он состоит из мельчайших частиц и пустоты. Ученик Левкиппа Демокрит (460--370 до н. э.) назвал мельчайшие частицы “неделимые”, что по-гречески значит “атом”. Это название мы используем и сегодня. Демокрит, развил новое учение -- “атомистику”, приписал атомам такие “современные” свойства, как размер и форму, способность к движению.

Последователь Демокрита Эпикур (342--270 до н. э.) придал древнегреческой атомистике завершенность, предположив, что у атомов существует внутренний источник движения, и они сами способны взаимодействовать друг с другом. Все положения древнегреческой атомистики выглядят удивительно современно, и нам они, естественно, понятны. Ведь любой из нас, ссылаясь на опыт науки, может описать множество интересных экспериментов, подтверждающих справедливость любой из выдвинутых концепций. Но совершенно непонятны они были 20--25 веков назад, поскольку никаких экспериментальных доказательств, подтверждающих справедливость своих идей, древнегреческие атомисты представить не могли. Итак, хотя атомистика древних греков и выглядит удивительно современно, ни одно из ее положений в то время не было доказано. Следовательно ”атомистика, развитая Левкиппом, Демокритом и Эпикуром, была и остается просто догадкой, смелым предположением, философской концепцией, но подкрепленной практикой. Это привело к тому, что одна из гениальных догадок человеческого разума постепенно была предана забвению.

Были и другие причины, из-за которых учение атомистов было надолго забыто. К сожалению, атомисты не оставили после себя систематических трудов, а отдельные записи споров и дискуссий, которые были сделаны, лишь с трудом позволяли составить правильное представление об учении в целом. Главное же заключается е том, что многие концепции атомистики были еретичны и официальная церковь не могла их поддерживать.

Об учении атомистов не вспоминали почти 20 веков. И лишь в XVII в. Идеи древнегреческих атомистов были возрождены благодаря работам французского философа Пьера Гассенди (1592--1655 гг.). Почти 20 лет он потратил; чтобы восстановить и собрать воедино забытые концепции древнегреческих философов, которые он подробно изложил в своих трудах “С) жизни, нравах и учении Эпикура” и “Свод философии Эпикура”. Эти две книги, в которых воззрения древнегреческих материалистов впервые были изложены систематически, стали “учебником” для европейских ученых и философов. До этого единственным источником, дававшим информацию о воззрениях Демокрита - Эпикура, была поэма римского поэта Лукреция “О природе вещей”. История науки знает немало удивительных совпадений. Вот одно из них: возрождение древнегреческой атомистики совпадает по времени с установлением Р. Бойлем (1627--1691 гг.) фундаментальной закономерности, описывающей изменения объема газа от его давления. Качественное объяснение фактом, наблюдаемых Бойлем, может дать только атомистика: если газ имеет дискретное строение, т. е. состоит из атомов и пустоты, то легкость его сжатия обусловлена сближением атомов в результате уменьшения свободного пространства между ними. Первая робкая попытка применения атомистики для объяснения количественно наблюдаемых явлений природы позволяет сделать два очень важных вывода:

• 1. Превратившись из философской гипотезы в научную концепцию, атомистика может стать мощным инструментом, позволяющим давать единственно правильную трактовку самым разнообразным явлениям природы.
• 2. Для скорейшего превращения атомистики из философской гипотезы в научную концепцию доказательство существования атомов необходимо, прежде всего, искать при изучении газов, а не жидких и твердых веществ, которыми до этого занимались химики. Однако пройдет еще около 100 лет, прежде чем химики вплотную займутся исследованием газов. Тогда-то и последует каскад открытий простых веществ: водород, кислород, азот, хлор. А несколько позже газы помогут установить те законы, которые принято называть основными законами химии. Они и позволят сформулировать основные положения атомно-молекулярного учения.

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.

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.

Вопрос 31. Современное дошкольное образование детей с ограниченными возможностями

Вопрос 8. Неионизирующие электромагнитные поля и излучения. Лазерное излучение. Ионизирующие излучения.

Вредные и опасные факторы производственной среды в помещениях, где используется современное компьютерное оборудование, телекоммуникационные сети и различные электронные приборы.

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