Основные химические понятия

Первоначальные химические понятия. Основные законы химии. Стехиометрия

Химия - наука о веществах, их свойствах, превращениях и явлениях, сопровождающих эти превращения.

Вещества - это то, из чего состоят предметы (физические тела) окружающего мира.

Вещества, существующие в природе, постоянно претерпевают различные изменения.

Явления - различные изменения, которые происходят с веществами.

Физические явления - явления, не сопровождающиеся превращениями одних веществ, в другие (обычно изменяется агрегатное состояние веществ или их форма).

Химические явления - явления, в результате которых из данных веществ образуются другие.

Иначе химические явления называют химическими реакциями.

Каждое вещество обладает строго определёнными свойствами.

Свойства веществ - признаки, позволяющие отличить одни вещества от других, или установить сходство между ними.



- агрегатное состояние; - характеризуют химические явления,

- цвет; происходящие с веществами. т.е. реакции,

- плотность (с); которые характеризуют данное вещество.

- электропроводность;

- теплопроводность;

- температура кипения;

- температура плавления и т. д.

Основы атомно-молекулярного учения

Идея о том, что вещества состоят из мельчайших частиц возникла в Древней Греции в философских учениях Левкиппа и его ученика Демокрита. Эти частицы они назвали атомами (неделимые).

Существование атомов было доказано эмпирическим путём в конце 16 - начале 17 века Джоном Дальтоном и М. В. Ломоносовым. Ими же были заложены основы атомно-молекулярного учения.

В настоящее время, в связи с открытием делимости атома и появлением теории химической связи, основные положения атомно-молекулярного учения существенно изменились.

Его суть можно свести к ряду важных положений, которые необходимо запомнить.

1. Все вещества, существующие в природе, представляют собой совокупность громадного числа частиц (атомов, молекул, ионов). В зависимости от типа частиц, все вещества условно подразделяют:

Вещества молекулярного строения - вещества, основной структурной единицей которых является молекула.

Вещества немолекулярного строения - вещества, основными структурными единицами которых являются атомы или ионы.

2. Частицы, из которых состоит данное вещество, взаимодействуют между собой посредством электромагнитных (кулоновских) сил и находятся в постоянном движении. Движение частиц ограничено силами взаимодействия между ними.

3. Каждое вещество, в зависимости от условий (температуры, давления) может находиться в определённом агрегатном состоянии.

В настоящее время выделяют ещё два “экзотических” агрегатных состояния вещества:



Исходя из изложенных положений, дадим современное определение понятию “вещество”.

Вещество - совокупность большого числа частиц, находящаяся в определённом агрегатном состоянии.

Вещества атомного строения. Основные сведения о строении атома. Атомное ядро

Основной структурной единицей веществ атомного строения является атом.

Атом - мельчайшая, электронейтральная, химически неделимая частица вещества, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки.

Электронная оболочка - совокупность движущихся вокруг ядра электронов.

Электрон - одна из элементарных частиц материи, обладающая массой покоя и элементарным отрицательным зарядом.

Атомное ядро - центральная, положительно заряженная, сложно организованная часть атома, состоящая из нуклонов, связанных между собой ядерными силами.

Нуклоны - общее название двух типов частиц, протонов и нейтронов.

С точки зрения атомной физики протон и нейтрон являются двумя состояниями одной и той же частицы - нуклона.

Нуклон - структурная единица ядра атома, которая может находиться в двух состояниях, протона и нейтрона.

Основные характеристики некоторых субатомных частиц

	Год открытия	Учёный	Обозн.	Масса покоя (кг)	Заряд (Кл)	Относительная масса
Протон	1919	Эрнест Резерфорд	11p	1,673•10-27	+1,6•10-19	1
Нейтрон	1932	Джеймс Чедвик	10n	1,675•10-27	0	1
Электрон	1897	Джозеф Джон Томсон	e-	9,108•10-31	-1,6•10-19	-

Ряд важных правил:

1. Заряд ядра атома соответствует атомному номеру элемента в периодической системе (Z).

2. Заряд ядра определяется числом протонов, следовательно:

N(¹₁p) = Z

3. Так как атом - электронейтральная частица, то:

N(e^-) = N(¹₁p) = Z

4. Массовое число - сумма числа протонов и нейтронов в ядре данного атома.

А = N(¹₁p) + N(¹₀n)

А = Z + N

N = N(¹₀n)

5. Массовое число атома примерно равно округлённой до целой величины относительной атомной массе.

6. Для расчета числа нейтронов в ядре:

N = A - Z

Атомы отличаются друг от друга размером, зарядом ядра и другими параметрами. Заряд ядра атома - это наиболее важная его характеристика.

Химический элемент - вид атомов, с определённым зарядом ядра.

Известно, что любой химический элемент в природе, представляет собой “смесь” атомов с одним и тем же зарядом ядра, но разным массовым числом.

Изотопы - атомы с одинаковым зарядом ядра, но разным массовым числом, т.е разным числом нейтронов в ядре.

Содержание изотопов элемента Х в природе может быть оценено в массовых или мольных долях.

Доля - отношение части к целому.

Массовая доля - отношение массы части системы к массе системы.

w = m(части) / m(системы)

w% = [m(части) / m(системы)] • 100%

Изотопный состав элементов фактически постоянен для отдельной планеты.

К примеру изотопный состав водорода, как элемента на Земле следующий:



Тритий - радиоактивен, в природе не встречается* (получен искусственным путём).

Важной характеристикой отдельно взятого атома является его масса. Масса атома складывается из масс входящих в его состав протонов, нейтронов и электронов с учётом дефекта массы.

(* если и встречается, то в незначительных количествах).

Дефект массы атома - потеря в массе атомом при его синтезе из отдельных протонов, нейтронов и электронов.

Дm = ДE / c²

Дm - изменение массы (кг);

ДЕ - изменение энергии (Дж);

с - скорость света в вакууме (3•10⁸ м/с).

Абсолютная масса атома - масса атома, выраженная в кг.

m_a(ⁱX) = x (кг), где i - массовое число атома

Примеры:

m_a(¹²C) = 19,9272•10^-27 (кг)

m_a(¹H) = 1.66•10^-27 (кг)

m_a(¹⁶O) = 2.66•10^-26 (кг)

Понятно, что величина абсолютной массы атома незначительна. И, скажем, в 16-17 веке экспериментально её измерить было невозможно. Но для химика важно проводить расчеты.

Первым учёным, решившим эту проблему, был Джон Дальтон, он предложил ввести величину относительной атомной массы (А_r). Относительной она называется потому, что вычисляется по отношению к массе произвольно выбранного эталона. Дальтон выбрал за эталон массу самого лёгкого атома- атома водорода и, принял её равной 1.

A_r(H) = 1

Относительные атомные массы известных на то время элементов рассчитывались Дальтоном на основе открытым им закона кратных отношений.

В настоящее время за эталон выбрана 1/12 часть абсолютной массы нуклида ¹²С.

Атомная единица массы (а.е.м.) - 1/12 m_a(¹²C)

а.е.м. = m_a(¹²C) / 12 = 19,9272•10^-27 кг / 12 = 1,66•10^-27кг = 1,66•10^-24г

Относительная атомная масса - безразмерная величина, равная отношению абсолютной массы данного атома к 1/12 части массы нуклида ¹²C.

A_r(ⁱX) = m_a(ⁱX) / а.е.м.

Понятие относительной атомной массы, не следует путать с понятием относительной атомной массы химического элемента Х. Разберёмся, в чём здесь дело. Мы знаем, что химический элемент в природе представляет собой смесь изотопов с различной массовой долей. Ввиду этого, если говорят о массе атома элемента Х, то подразумевают, что это величина средняя!

Средняя абсолютная масса атома элемента - масса атома элемента Х, выраженная в кг., вычисленная с учётом его изотопного состава.

m_a(X) = ? w•m_a(ⁱX)

Относительная атомная масса элемента - безразмерная величина, равная отношению средней абсолютной массы атома элемента к 1/12 части массы нуклида ¹²С.

A_r(X) = m_a(X) / а.е.м.

A_r(X) = ? w•m_a(ⁱX) / а.е.м.

Относительная атомная масса элемента - величина средняя!

Для решения расчетных задач важна следующая формула:

A_r(X) = ? w•A_r(ⁱX)

Пример:

В природных соединениях хлор находится в виде изотопов ³⁵Cl (75,5% масс.) и ³⁷Cl (24,5% масс.). Вычислите среднюю атомную массу природного хлора.

Дано:

w%(³⁵Cl) = 75,5%

w%(³⁷Cl) = 24,5%

Найти:

A_r(Cl) - ?

Решение:

A_r(Cl) = w(³⁵Cl)•A_r(³⁵Cl) + w(³⁷Cl)•A_r(³⁷Cl)

A_r(Cl) = 0,755•35 + 0,245•37 = 35,5

Ответ:

A_r(Cl) = 35,5

Вещества молекулярного строения. Масса молекул

Напомним, что основной структурной единицей веществ молекулярного строения является молекула.

В настоящее время в литературе можно встретить следующее определение:

Молекула - наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами.

Отметим, что данное определение весьма сомнительно, кроме того, оно было сформулировано ещё в 1860 году Канницаро.

Причины следующие: молекула не может рассматриваться как наименьшая частица, существуют вещества атомного строения; молекулу весьма затруднительно определить носителем химических свойств вещества, свойства обусловлены не единичной частицей, а их совокупностью, характером их взаимодействия; более того, в некоторых случаях, даже существование отдельных атомов в составе вещества вызывает сомнение (пример тому, обычная жидкая вода, которая представляет из себя континуальное распределение электронной плотности, с вкраплёнными в неё ядрами атомов водорода и кислорода).

Ввиду сказанного выше, целесообразнее на наш взгляд, пользоваться следующим определением:

Молекула - электронейтральная частица вещества, представляющая собой замкнутую совокупность конечного числа атомов, связанных между собой силами ковалентной связи и образующих определённую структуру.

Одной из характеристик молекулы, так же как и атома является её масса. Масса молекулы численно равна сумме масс входящих в её состав атомов. Введём рад важных величин.

Абсолютная масса молекулы - масса молекулы, выраженная в кг.

m_a(A_xB_y) = x•m_a(A) + y•m_a(B),

где m_a(A_xB_y) - абсолютная масса молекулы состава A_xB_y

m_a(A) - средняя абсолютная масса атома элемента А

m_a(B) - средняя абсолютная масса атома элемента В

Пример:

Вычислить абсолютную массу молекулы воды H₂O.

Дано:

m_a(H) = 1,66•10^-27 (кг)

m_a(H) = 2,66•10^-26 (кг)

Найти:

m_a(H₂O) - ?

Решение:

m_a(H₂O) = 2• m_a(H) + m_a(О) = 2,992•10^-23 (г)

Ответ: 2,992•10^-23 (г)

Масса отдельной молекулы, так же как и масса атома может быть выражена не только в абсолютной, но и относительной величине. Эталон в этом случае тот же самый - 1/12 часть массы нуклида ¹²С.

Относительная молекулярная масса - безразмерная величина, равная отношению абсолютной массы молекулы к 1/12 части массы нуклида ¹²С.

К примеру, запишем математическое выражение для вычисления относительной молекулярной массы молекулы состава А_хВ_y:

M_r(А_хВ_y) = m_a(А_хВ_y) / 1/12 m_a(¹²C)

Пример:

Рассчитайте относительную молекулярную массу воды, если абсолютная масса её молекулы равна 2,992•10^-23 (г).

Дано:

m_a(H₂O) = 2,992•10^-23 (г)

Найти:

M_r(Н₂О) - ?

Решение:

M_r(Н₂О) = m_a(H₂O) / 1/12 m_a(¹²C) = 2,992•10^-23 г / 1,66•10^-24 г ? 18

Ответ: M_r(Н₂О) = 18

Зная значения относительных атомных масс элементов, входящих в состав молекулы также можно рассчитать величину относительной молекулярной массы.

M_r(А_хВ_y) = x•A_r(A) + y•A_r(B)

Иными словами, относительная молекулярная масса численно равна сумме относительных атомных масс входящих в состав молекулы элементов, с учётом количества их атомов.

M_r = ? x•A_r , где n - число атомов

Пример:

M_r(H₂O) = 2•A_r(H) + A_r(O) = 2•1 + 16 = 18

Вещества ионного строения.

Основными структурными единицами веществ ионного строения являются ионы.

Ион - частица, состоящая из ядра (ядер) и электронов и имеющая заряд.

1. Классификация ионов по заряду:



2. Классификация ионов по составу:

Молекулярный ион - система взаимодействующих посредством ковалентных связей атомов и имеющая заряд.

Особую группу молекулярных ионов составляют комплексные ионы. Их строение мы изучим позже в соответствующей теме.

Химическая символика.

По предложению шведского химика Й. Берцелиуса химические элементы обозначают начальной или начальной и одной из последующих букв латинского названия элемента (1813 г).

Водород Hydrogenium H

Ртуть Hydrargyrum Hg

Эти буквенные обозначения называются химическими знаками или химическими символами.

Символ отдельного атома совпадает с символом соответствующего ему химического элемента. К примеру, символ S обозначает химический элемент серу или же один атом этого элемента. Если требуется обозначить не один, а несколько атомов, то перед символом элемента ставят соответствующую цифру - коэффициент.

5S - пять атомов элемента серы.

Химическая символика веществ, имеющих молекулярное строение.

Напомним, что основной структурной единицей веществ молекулярного строения является молекула, молекула состоит из атомов, связанных между собой ковалентными связями.

Важно:

Если мы говорим о том, какое строение имеет вещество, молекулярное или немолекулярное, следует уточнить, при каких условиях это строение изучается (температуре, давлении). Или, иными словами, в каком агрегатном состоянии оно находится. Например, кристаллический (твёрдый) хлорид натрия (NaCl) имеет ионное т. е немолекулярное строение. При высоких температурах хлорид натрия можно перевести в газообразное состояние, в котором реально существуют индивидуальные молекулы NaCl. Подобные молекулы в настоящее время удаётся получить, изолировав их друг от друга в твёрдом аргоне при температуре -263⁰С.

Принято говорить, что молекулы, или вещества из которых они состоят, имеет определённый состав. Понятно, что состав веществ молекулярного строения строго постоянен. Это правило было открыто Жозефом Луи Прустом (1801-1808 гг.) и в настоящее время носит название “Закона постоянства состава”.



Состав веществ молекулярного строения принято выражать с помощью химических формул.

Химическая формула - условная запись состава вещества молекулярного строения при помощи химических символов и индексов.

Индексы - подстрочные цифры, показывающие числа атомов элементов в составе молекулы.