Основные понятия по химии

Размещено на http://www.allbest.ru/

13

ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ МЕНДЕЛЕЕВА, естественная система химических элементов, разработанная Д. И. Менделеевым на основе открытого им (1869) периодического закона. Современная формулировка этого закона звучит так: свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда их атомных ядер. Заряд ядра Z равен атомному (порядковому) номеру элемента в системе. Элементы, расположенные по возрастанию Z (H, He, Li, Be...), образуют 7 периодов. В 1-м -- 2 элемента, во 2-м и 3-м -- по 8, в 4-м и 5-м -- по 18, в 6-м -- 32. В 7-м периоде (на 1990) известны 23 элемента. В периодах свойства элементов закономерно изменяются при переходе от щелочных металлов к благородным газам. Вертикальные столбцы -- группы элементов, сходных по свойствам. Внутри групп свойства элементов также изменяются закономерно (напр., у щелочных металлов при переходе от Li к Fr возрастает химическая активность). Элементы с Z = 58-71, а также с Z = 90-103, особенно сходные по свойствам, образуют 2 семейства -- соответственно лантаноиды и актиноиды. Периодичность свойств элементов обусловлена периодическим повторением конфигурации внешних электронных оболочек атомов. С положением элемента в системе связаны его химические и многие физические свойства. Тяжелые ядра неустойчивы, поэтому, напр., америций (Z = 95) и последующие элементы не обнаружены в природе; их получают искусственно при ядерных реакциях. Полное научное объяснение периодическая система элементов Менделеева получила на основе квантовой механики. Закон и система Менделеева лежат в основе современного учения о строении вещества, играют первостепенную роль в изучении всего многообразия химических веществ и в синтезе новых элементов.

АТОМ (от греч. atomos -- неделимый), мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его свойства. В центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома; вокруг движутся электроны, образующие электронные оболочки, размеры которых (~10-8 см) определяют размеры атома. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Число электронов в атоме равно числу протонов в ядре (заряд всех электронов атома равен заряду ядра), число протонов равно порядковому номеру элемента в периодической системе. Атомы могут присоединять или отдавать электроны, становясь отрицательно или положительно заряженными ионами. Химические свойства атомов определяются в основном числом электронов во внешней оболочке; соединяясь химически, атомы образуют молекулы. Важная характеристика атома -- его внутренняя энергия, которая может принимать лишь определенные (дискретные) значения, соответствующие устойчивым состояниям атома, и изменяется только скачкообразно путем квантового перехода. Поглощая определенную порцию энергии, атом переходит в возбужденное состояние (на более высокий уровень энергии). Из возбужденного состояния атом, испуская фотон, может перейти в состояние с меньшей энергией (на более низкий уровень энергии). Уровень, соответствующий минимальной энергии атома, называется основным, остальные -- возбужденными. Квантовые переходы обусловливают атомные спектры поглощения и испускания, индивидуальные для атомов всех химических элементов.

ЭЛЕКТРОЛИЗ (от электро... и ...лиз), совокупность процессов электрохимического окисления -- восстановления, происходящих на погруженных в электролит электродах при прохождении электрического тока. Применяется для получения многих веществ (металлов, водорода, хлора и др.), при нанесении металлических покрытий (гальваностегия), воспроизведении формы предметов (гальванопластика).

ЭНТАЛЬПИЯ (от греч. enthalpo -- нагреваю), однозначная функция Н состояния термодинамической системы при независимых параметрах энтропии S и давлении p, связана с внутренней энергией U соотношением Н = U + pV, где V -- объем системы. При постоянном p изменение энтальпии равно количеству теплоты, подведенной к системе, поэтому энтальпию называют часто тепловой функцией или теплосодержанием. В состоянии термодинамического равновесия (при постоянных p и S) энтальпия системы минимальна.

ЭНТРОПИЯ (от греч. entropia -- поворот, превращение) (обычно обозначается S), функция состояния термодинамической системы, изменение которой dS в равновесном процессе равно отношению количества теплоты dQ, сообщенного системе или отведенного от нее, к термодинамической температуре Т системы. Неравновесные процессы в изолированной системе сопровождаются ростом энтропии, они приближают систему к состоянию равновесия, в котором S максимальна. Понятие «энтропия» введено в 1865 Р. Клаузиусом. Статистическая физика рассматривает энтропию как меру вероятности пребывания системы в данном состоянии (Больцмана принцип). Понятием энтропии широко пользуются в физике, химии, биологии и теории информации.

ЭНЕРГИЯ АКТИВАЦИИ в химии, наименьшая энергия, которой должна обладать частица (атом, ион, радикал) для того, чтобы произошла химическая реакция. Одна из основных величин, определяющих скорость реакции при данной температуре.

ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ тела, складывается из кинетической энергии молекул тела и их структурных единиц (атомов, электронов, ядер), энергии взаимодействия атомов в молекулах и т. д. Во внутреннюю энергию не входит энергия движения тела как целого и потенциальная энергия, которой может обладать тело в каком-либо силовом поле (гравитационном, магнитном и др.).

ВАЛЕНТНОСТЬ (от лат. valentia -- сила), способность атома химического элемента (или атомной группы) образовывать определенное число химических связей с другими атомами (или атомными группами). Вместо валентности часто пользуются более узкими понятиями, напр. степень окисления, координационное число.

ОСМОС (от греч. osmos -- толчок, давление), односторонний перенос растворителя через полупроницаемую перегородку (мембрану), отделяющую раствор от чистого растворителя или раствора меньшей концентрации. Обусловлен стремлением системы к термодинамическому равновесию и выравниванию концентраций раствора по обе стороны мембраны. Характеризуется осмотическим давлением; оно равно избыточному внешнему давлению, которое следует приложить со стороны раствора, чтобы прекратить осмос. Играет важную роль в физиологических процессах; его используют при исследовании полимеров, биологических структур.

ГЕССА ЗАКОН: тепловой эффект химической реакции при отсутствии работы внешних сил зависит только от природы исходных веществ и продуктов реакции и не зависит от промежуточных химических превращений в системе. Основной закон термохимии; установлен Г. И. Гессом в 1840.

ГИББСА ЭНЕРГИЯ (изобарно-изотермический потенциал, свободная энтальпия), один из потенциалов термодинамических системы. Обозначается G, определяется разностью между энтальпией H и произведением энтропии S на термодинамическую температуру Т: G = H -- T·S. Изотермический равновесный процесс без затраты внешних сил может протекать самопроизвольно только в направлении убывания энергии Гиббса до достижения ее минимума, которому отвечает термодинамическое равновесное состояние системы. Названа по имени Дж. У. Гиббса.

РАУЛЯ ЗАКОН, относительное понижение давления насыщенного пара растворителя над разбавленным раствором равно молярной доле растворенного вещества N:(po -- p1)/ po = N, где po и p1 -- соответствующее давление насыщенного пара чистого растворителя и растворителя над раствором.

ФАРАДЕЯ ЗАКОНЫ, основные количественные законы электролиза, согласно которым массы m превращенных веществ пропорциональны количеству прошедшего через электролит электричества q (1-й закон Фарадея) и химическому эквиваленту A вещества (2-й закон Фарадея). Математически могут записаны в виде одного уравнения:

m = ( A/ F) q -- kq,

где F -- постоянная Фарадея, k = A/ F -- электрохимический эквивалент. Эмпирически установлены М. Фарадеем в 1833-34.

ПАУЛИ ПРИНЦИП (Паули запрета принцип), фундаментальный закон природы, согласно которому в квантовой системе две (или более) тождественные частицы с полуцелым спином не могут одновременно находиться в одном и том же состоянии. Сформулирован В. Паули (1925)

БОРА ПОСТУЛАТЫ, основные допущения в квантовой теории атома Н. Бора (1913):

1) Существование ряда стационарных состояний атома, соответствующих определенным значениям его внутренней энергии E.

2) Условие частот излучения при переходе атома из одного стационарного состояния (E1) в др. ( E2): = (E1 -- E2)/ h, где h -- Планка постоянная. Позднее установлено, что Бора постулаты -- следствие квантовой механики.

В 1924 г. де Бройль предположил, что корпускулярно-волновая двойственность присуща не только фотонам, но и электронам. Поэтому электрон должен проявлять волновые свойства, и для него, как и для фотона, должно выполняться уравнение, которое часто называют уравнением де Бройля. Следовательно, для электрона с массой m и скоростью v можно написать:

л=h/mv

АРРЕНИУСА УРАВНЕНИЕ, выражает зависимость константы скорости химической реакции k от температуры Т: k = А·ехр(--Е/RT); Е -- энергия активации; R -- газовая постоянная. Предложено С. Аррениусом в 1889.

ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА (эдс), величина, характеризующая источник энергии неэлектростатической природы в электрической цепи, необходимый для поддержания в ней электрического тока. Эдс численно равна работе по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутой цепи. Полная эдс в цепи постоянного тока равна разности потенциалов на концах разомкнутой цепи. Эдс индукции создается вихревым электрическим полем, порождаемым переменным магнитным полем. В СИ измеряется в вольтах.

ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ, одно из основных положений термодинамики, являющееся по существу законом сохранения энергии в применении к термодинамическим процессам: Q=D U + A, где Q -- сообщаемое термодинамической системе (напр., пару в тепловой машине) количество теплоты, А -- совершаемая ею работа, D U -- изменение ее внутренней энергии. Первое начало термодинамики сформулировано в сер. 19 в. в результате работ Ю. Р. Майера, Дж. Джоуля и Г. Гельмгольца.

ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ, один из основных законов термодинамики, закон возрастания энтропии: в замкнутой, т. е. изолированной в тепловом и механическом отношении, системе энтропия либо остается неизменной (если в системе протекают обратимые, равновесные процессы), либо возрастает (при неравновесных процессах) и в состоянии равновесия достигает максимума. Другие эквивалентные формулировки

1) невозможен переход теплоты от тела более холодного к телу более нагретому без каких-либо других изменений в системе или окружающей среде (Р. Клаузиус);

2) невозможно создать периодически действующую (совершающую какой-либо термодинамический цикл) машину, вся деятельность которой сводилась бы к поднятию некоторого груза (механической работе) и соответственно охлаждению теплового резервуара (У. Томсон, М. Планк);

3) невозможно построить вечный двигатель 2-го рода (В. Оствальд).

КОРРОЗИЯ (от позднелат. corrosio -- разъедание), разрушение твердых тел, вызванное химическими и электрохимическими процессами, развивающимися на поверхности тела при его взаимодействии с внешней средой. Особенный ущерб народному хозяйству приносит коррозия металлов. Распространенный вид -- ржавление железа (см. также Ржавчина). В результате коррозии ежегодно теряется ок. 10% общего количества выплавляемых черных металлов. Может быть уменьшена или практически устранена нанесением защитных покрытий, напр. лакокрасочных; введением в среду ингибиторов, напр. хроматов, нитритов, арсенитов; применением коррозионностойких материалов. Коррозионному разрушению подвержены также бетон, строительный камень, дерево, другие материалы; коррозия полимеров называется деструкцией.

СОХРАНЕНИЯ МАССЫ ЗАКОН, общая масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна общей массе продуктов реакции. Открытый М. В. Ломоносовым (1748), в общем виде сформулирован А. Лавуазье (1789). Современная формулировка закона сохранения массы: сумма массы вещества системы и массы, эквивалентной энергии, полученной или отданной той же системой, постоянна. При ядерных реакциях закон сохранения массы следует применять в современной формулировке

ЛЕ ШАТЕЛЬЕ -- БРАУНА ПРИНЦИП: внешнее воздействие, выводящее систему из термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, стремящиеся ослабить результаты этого воздействия. Предложен А. Ле Шателье (1884), термодинамически обоснован К. Брауном (1887).

МЕТАЛЛЫ (греч.), вещества, обладающие в обычных условиях высокими электропроводностью (106--107 Ом-1 см-1, уменьшается с ростом температуры) и теплопроводностью, ковкостью, «металлическим» блеском и др. свойствами, обусловленными наличием в их кристаллической решетке большого количества (1022--1023 в 1 см3) слабо связанных с атомными ядрами подвижных электронов. Металлы можно представить в виде ионного кристаллического остова, погруженного в электронный газ, который, компенсируя электростатическое отталкивание ионов, связывает их в твердое тело (металлическая связь). Металлическими свойствами обладают более 80 химических элементов и множество сплавов. Химические свойства металлов обусловлены слабой связью валентных электронов с ядрами атомов: они легко образуют положительные ионы, проявляют положительную степень окисления, образуют основные оксиды и гидрооксиды, большинство металлов замещает водород в кислотах и т. д. Металлы принято делить на черные (Fe и сплавы на его основе) и цветные (все остальные). Металлы играют огромную роль главным образом как конструкционные и электротехнические материалы.

КАТАЛИЗ (от греч. katalysis -- разрушение), ускорение химической реакции в присутствии веществ -- катализаторов, которые взаимодействуют с реагентами, но в реакции не расходуются и не входят в состав продуктов. При гомогенном катализе исходные реагенты и катализатор находятся в одной фазе (газовой или жидкой), при гетерогенном -- газообразные или жидкие реагенты взаимодействуют на поверхности твердого катализатора. Катализ обусловливает высокие скорости реакций при небольших температурах; предпочтительно образование определенного продукта из ряда возможных. Каталитические реакции являются основой многих химико-технологических процессов (напр., производства серной кислоты, некоторых полимеров, аммиака). Большинство процессов, происходящих в живых организмах, также являются каталитическими (ферментативными).

КАТАЛИЗАТОРЫ, вещества, ускоряющие химические реакции. Вещества, замедляющие реакции, называются ингибиторами. Биологические катализаторы называются ферментами. Катализаторами служат синтетические алюмосиликаты, металлы платиновой группы, серебро, никель и др.

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ, химический источник тока, в котором электрическая энергия вырабатывается в результате прямого преобразования химической энергии окислительно-восстановительной реакцией. В состав гальванического элемента входят два разнородных электрода (один -- содержащий окислитель, другой -- восстановитель), контактирующие с электролитом. Различают гальванические элементы одноразового использования (т. н. первичные элементы, напр. Лекланше элемент), многоразового действия (электрические аккумуляторы) и с непрерывной подачей реагентов (топливные элементы). Ранее термин «гальванический элемент» относился только к первичным элементам.

ПОЛЯРИЗАЦИЯ, в электрохимии -- отклонение электродного потенциала от равновесного значения при прохождении электрического тока. Причина как нежелательных процессов (повышение расхода энергии при электролизе, уменьшение напряжения, получаемого от гальванических элементов), так и благоприятных явлений (напр., торможение коррозии металлов).

ЭЛЕКТРОДНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ в электрохимии, разность электрических потенциалов на границе фаз электрод -- электролит. На практике пользуются значениями т. н. относительного электродного потенциала, равного разности электродного потенциала, данного электрода и электрода сравнения (напр., нормального водородного).

ДИПОЛЬНЫЙ МОМЕНТ, физическая величина, характеризующая свойства диполя. Электрический дипольный момент равен произведению положительного заряда электрического диполя на расстояние между зарядами и направлен от отрицательного заряда к положительному. Магнитный дипольный момент контура с током пропорционален произведению силы тока на площадь контура и направлен перпендикулярно плоскости контура так, что с его конца ток виден текущим против часовой стрелки. Дипольный момент определяет электрическое (магнитное) поле диполя на большом расстоянии от него, а также воздействие на диполь внешнего электрического (магнитного) поля.

ВОДОРОДНЫЙ ЭЛЕКТРОД в электрохимии, обычно платинированная пластина, погруженная в раствор кислоты с определенной концентрацией ионов Н+ и омываемая газообразным водородом. При давлении водорода 0,1 МПa и термодинамической активности его ионов, равной единице, потенциал водородного электрода условно принят равным нулю. Такой водородный электрод называется стандартным, он служит электродом сравнения, от которого отсчитывают потенциалы других электродов.

ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ, состояние реагирующей системы, при котором в ней протекают только обратимые реакции. Параметры состояния системы при химическом равновесии не зависят от времени; состав такой системы называют равновесным.

ИОННЫЙ ОБМЕН, обратимая химическая реакция, при которой происходит обмен ионами между твердым веществом (ионитом) и раствором электролита либо между различными электролитами, находящимися в растворе. Ионный обмен применяют для обессоливания воды, в гидрометаллургии, в хроматографии.

РАСТВОРЫ, однородные смеси переменного состава двух или большего числа веществ (компонентов). Могут быть газовыми (напр., воздух), жидкими и твердыми (напр., многие сплавы). В жидких растворах компонент, находящийся в избытке, называется растворителем, все остальные компоненты -- растворенные вещества. По концентрации растворенного вещества растворы подразделяют на насыщенные, ненасыщенные и перенасыщенные. В растворах протекают многие природные и промышленные процессы; изучение свойств растворов связано с такими практическими проблемами, как разделение веществ (газов, нефтей), глубокая очистка, подбор растворителей для реализации технологических процессов.

КИСЛОТЫ, химические соединения, обычно характеризующиеся диссоциацией в водном растворе с образованием ионов Н+ (точнее -- ионов гидроксония Н3О+ ). Присутствие этих ионов обусловливает характерный острый вкус кислот и их способность изменять окраску индикаторов химических. При замещении водорода кислотными металлами образуются соли. Число атомов Н, способных замещаться металлом, называется основностью кислот. Известны одноосновные (HCl), двухосновные (H2SO4), трехосновные (Н3РО4) кислоты. Сильные кислоты в разбавленных водных растворах полностью диссоциированы (HNO3), слабые -- лишь в незначительной степени (Н2СО3). По современной теории кислот и оснований, к кислотам относится более широкий круг соединений, в частности и такие, которые не содержат водорода.

ОСНОВАНИЯ, химические соединения, обычно характеризующиеся диссоциацией в водном растворе с образованием иона ОН-. Хорошо растворимые в воде основания называются (напр., NaOH) щелочами. Сильные основания полностью диссоциируют в воде, слабые [напр., Mg(OH)2] -- частично. По современной теории кислот и оснований к основаниям относится более широкий круг соединений, в частности и такие, которые не образуют ионов ОН- (напр., пиридин).

СОЛИ, продукты замещения атомов водорода кислоты на металл или групп ОН основания на кислотный остаток. При полном замещении образуются средние, или нормальные, соли (NaCl, K2SO4 и др.), при неполном замещении атомов Н -- кислые (напр., NaHCO3), неполном замещении групп ОН -- основные [напр., (C17H35COO)Al(OH)2].

Различают также двойные соли (напр., KCl.MgCl2) и комплексные. В обычных условиях соли -- кристаллы с ионной структурой. Многие соли растворимы в полярных растворителях, особенно в воде; в растворах диссоциируют на катионы и анионы.

Многие минералы -- соли, образующие залежи (напр., NaCl, KCl).

ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ, сопровождаются изменением степени окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ, напр.:

HCl+5O3+3H2S+4O3 ® HCl-1+3H2S+6O4

менделеев энтропия коррозия энтальпия

Вещество, в котором понижается степень окисления атома, т. е. он приобретает электроны (здесь Cl в HClO3), называется окислителем; если повышается степень окисления, т. е. атом отдает электроны (S в H2SO3), вещество называется восстановителем. Понижение степени окисления атома в молекуле называется восстановлением, повышение -- окислением.

ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ, взаимодействие атомов, обусловливающее их соединение в молекулы и кристаллы. Химическая связь имеет в основном электромагнитный характер. При образовании химической связи происходит перераспределение электронной плотности связывающихся атомов. По характеру этого распределения химические связи классифицируют на ковалентную, ионную, координационную, металлическую. По числу электронных пар, участвующих в образовании данной химической связи, различают простые (одинарные), двойные, тройные химические связи, по симметрии электронного распределения - и -связи, по числу непосредственно взаимодействующих атомов -- двух-, трех- и многоцентровые.

ВОДОРОДНАЯ СВЯЗЬ, вид химической связи типа А -- Н...А'; образуется в результате взаимодействия атома водорода, связанного ковалентной связью с электроотрицательным атомом А (N, O, S и др.), и неподеленной парой электронов другого атома А' (обычно O, N). Атомы А и А' могут принадлежать как одной, так и разным молекулам. Водородная связь приводит к ассоциации одинаковых или различных молекул в комплексы; во многом определяет свойства воды и льда, молекулярных кристаллов, структуру и свойства многих синтетических полиамидов, белков, нуклеиновых кислот и др.

КОВАЛЕНТНАЯ СВЯЗЬ, вид химической связи; осуществляется парой электронов, общих для двух атомов, образующих связь. Атомы в молекуле могут быть соединены одинарной ковалентной связью (H2, H3C-CH3), двойной (H2C=CH2) или тройной (N2, HCCH). Атомы, различающиеся по электроотрицательности, образуют т. н. полярную ковалентную связь (HCl, H3C-Cl).

Размещено на Allbest.ru