Пусть, например, у нас имеются обыкновенные тарелки одинаковой формы и размеров, но изготовленные из различных материалов: металлов (серебра, алюминия) и неметаллов (стекла, пластмассы, дерева и керамики: глины, фарфора, фаянса). То, из чего изготовлены предметы (из чего состоит физическое тело), т.е. все то, что имеет массу и объем - это вещество.
Материалистическое атомно-молекулярное учение (атомистика):
Все тела в природе состоят из атомов и молекул, находящихся
в непрерывном движении,которые взаимодействуют друг с другом
Атомы одного вида отличаются от атомов другого вида массой и
свойствами
Молекулы состоят из атомов. Как и атомы, молекулы находятся в
непрерывном движении. Между молекулами существуют силы притя-
жения и отталкивания
Начала этого учения зародились более 2000 лет назад.
Левкипп(V век до н.э.)высказал мысль,что каждое вещество состоит
из мельчайших неделимых частиц - 'атомов'.
Дальнейшее развитие атомистическое учение получило в работах:
Демокрита, Эпикура (IV век до н.э., понятие 'масса атомов'),
П. Гассенди (1647, понятие 'молекула'),
Р. Бойля (1662, понятие 'химический элемент'),
М. Ломоносова(1748), А. Лавуазье (1789): 'масса веществ,
вступивших в реакцию,равна массе веществ,образовавшихся
в результате реакции'
Дж.Дальтона (1808, атомы не создаются и не уничтожаются),
Н. Бор (1913, атомы движутся по определенным электронным
уровням, не излучая и не поглощая энергию),
Л. де Бройль (1924, электрон имеет двойственную природу:
проявляет свойства как частицы, так и волны),
Ж. Гей-Люссака, А.Авогадро, М.Фарадея, Дж.Дж.Томсона и др.
Развитие науки и техники подтвердило правильность этого учения
(иногда называемого молекулярно-кинетическим)
Материя - объективная реальность, данная нам в ощущениях и существующая независимо от нас. Материя находится в непрерывном движении в пространстве и времени (здесь не рассматриваются)
Вещество - вид материи, обладающей массой покоя (понятие в химии для обозначения 'то, из чего состоят тела'), состоящей из большого числа химических частиц (т.е. любая совокупность атомов и молекул, находящаяся в определенном агрегатном состоянии). Вещество может быть простым или сложным. Химический состав вещества стабилен (например, золота). Вещество может быть индивидуальным или состоять из смеси (т.е. из нескольких индивидуальных веществ). Смесь, в свою очередь, может быть однородной или неоднородной
Вещества неорганические (или минеральные) - вещества, не содержащие углерода {за исключением оксида (CO) и диоксида (CO2) углерода, угольной кислоты (H2CO3) и ее солей}. Они встречаются в природе (например: самородное золото, графит, сера, песок). Все неорганические вещества могут быть классифицированы по различным критериям, например: степени
сложности, составу, химическим свойствам и другим признакам
Вещество индивидуальное - абстрактное понятие, обозначающее набор атомов,
связанных друг с другом по определенному закону. В связи с наличием веществ
непостоянного состава, нет четкой границы между индивидуальным веществом и
смесью веществ.
Чистота веществ играет ключевую роль в их свойствах {например, прочность
титана проявляется только при очистке его от кислорода, а температура
плавления хрома в чистом виде около (1875 oС), а при наличии примесей - от
(1530 oС) до (1920 oС)}
Индивид химический - наименьшее количество вещества, повторением
которого можно воспроизвести данное вещество
Материал - вещество, обладающее необходимым комплексом свойств для выполнения заданной функции отдельно или в совокупности с другими веществами (или иначе - материальная сущность, обладающая некоторыми общими свойствами, по которым его можно распознать). Другие изменяющиеся свойства позволяют различать сорта одного материала, например, дерева, кожи, резины или латуни). К примеру, различные сорта дерева различаются плотностью, твердостью, окраской, структурой. Свойств, отличающих один сорт данного материала от другого, немного. Химический состав материала также может быть незначительно изменяться, но эти его изменения обычно незначительны
Атом - наименьшая частица вещества, являющаяся носителем его свойств и способная к самостоятельному существованию (иначе - наименьшее количество химического элемента, которое может содержаться в молекулах образуемых им соединений). Атомы отличаются друг от друга размерами (которые очень малы), массой и свойствами. Атом обладает сложным строением: он состоит из ядра (в свою очередь состоящего из нейтронов и протонов) и окружающих его электронов. Химические свойства вещества определяются строением атомов.
При любом многократном механическом дроблении вещества (например, кусочка золота) даже самые мельчайшие из них все равно обладают всеми свойствами этого металла. Атом - одноядерная система, с отличной от нуля массой. Атомы (как кирпичи здания) могут образовывать более крупные частицы - молекулы, состоящие из двух или большего количества атомов
Частицы элементарные - бесструктурные частицы, которые невозможно расщепить на составные части. К ним относят электроны, фотоны, кварки и др. Из элементарных частиц, предположительно, состоит вся 'материя'
Электрон - см. ЭЛЕКТРОНЫ
Ядро атома (и см. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА АТОМА) - состоит из нейтронов и протонов. Пространство между ядром и электронами заполнено электромагнитным полем. Если число протонов в ядре равно числу электронов, атом в целом электрически нейтрален. В противном случае он обладает некоторым избыточным (положительным или отрицательным) зарядом и называется ионом. Количество нейтронов определяет принадлежность изотопу этого элемента
Нейтрон - см. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА АТОМА
Протон (p+) - нуклон, элементарная частица, являющаяся составной частью ядер атомов всех химических элементов. Масса протона в 1836 раз больше массы электрона {она равна (1.6726▪10-27 кГ) или (1.00727 а.е.м.)}. Заряд протона положителен (1.6▪10-19 Кулон); он равен заряду электрона, но противоположен ему по знаку. Количество протонов в ядре (протонное число - Z) определяет принадлежность атома конкретному химическому элементу и, соответственно, определяет положительный заряд ядра. Протон вследствие малого радиуса ядра атома обладает очень сильной способностью поляризовать любую соседнюю молекулу/ион, поэтому свободные протоны встречаются только в вакууме или очень сильно разреженном газе
Молекула - наименьшая частица вещества, обладающая всеми его химическими свойствами, способная к самостоятельному существованию. Молекулы состоят из двух или большего количества атомов одного или различных химических элементов, объединенных межатомными связями (иначе: молекула - это устойчивая группа атомов, связанных химическими связями).
Молекулы всех веществ можно разделить на:
▪ атомные (или неполярные)
▪ полярные (или диполи)
Для одноатомных молекул (например, благородных газов) понятие 'атом' и 'молекула' совпадают
Продолжение - см. СЛОЖНЫЕ ЧАСТИЦЫ
Все химические частицы, образуемые атомами элементов и участвующие в химических процессах, могут быть подразделены на:
■ простые:
♦ электроны
♦ ядра атомов
♦ атомы и их изотопы
■ сложные:
♦ молекулы (в т.ч. изомеры):
▪ простых веществ
▪ сложных веществ:
▫ низкомолекулярных
▫ высокомолекулярных
♦ радикалы
♦ ионы:
▪ атомные:
▫ анионы
▫ катионы
▪ молекулярные
▪ комплексные
♦ комплексные частицы
Элемент химический - совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра (например, химический элемент 'золото') или иначе - вид атомов, характеризующийся определенной совокупностью свойств. 'Химический элемент' понятие, а не материальная частица, и оно относится к атомам конкретного элемента, находящимся как в свободном виде (например, в самородках золота), так и входящим в состав любых химических соединений. Каждый химический элемент содержит определенное количество протонов в ядре атома: любые два атома с одинаковым числом протонов в их ядрах считаются одним химическим элементом. Атомы всех веществ идентифицируют:
▪ символы химического элемента (состоящие из одной или двух букв латинского алфавита)
▪ уникальное международное название
▪ атомный номер.
Символ[ы] химического элемента (например, 'Au') означает:
- качественную характеристику (вид элемента): в данном случае - элемент с названием 'золото'
- количественную характеристику (один атом данного элемента).
При необходимости слева от обозначения элемента могут быть указаны массовое число 'A' (как верхний индекс) и число протонов в нем 'Z' (как нижний индекс), например: 23590U
Названия атомов химических элементов отражают:
- некоторые их свойства
[например, цвет: хлор- зеленый (Cl), йод- фиолетовый (I)]
- названия местностей, где они были впервые открыты
[например: галлий (Ga), германий (Ge)]
- названия известных научных центров
[например: дубний (Db)-от Дубна, Россия; берклий (Bk)- от
Беркли, США]
- название минерала, из которого вперые был получен элемент
[например, бериллий - от минерала берилла]
- общепринятые названия
[например: сера (S), золото (Au), серебро (Ag)]
и другие особенности
Каждый химический элемент может существовать в виде:
▪ одиночных (свободных) атомов (He, Ne, H, Cl и др.)
▪ в виде простых веществ (H2, O3, P4 и др.), одноэлементных по составу
▪ в составе химических соединений: CO2, NH4Cl и др. (см. Формула молекулярная)
Формула вещества химическая - условная запись, несущая определенную информацию о данном веществе. В зависимости от целей используют различные виды формул, в том числе адаптированные под использование компьютеров. На основе химических формул составляют схемы и уравнения химических реакций, а также производится классификация номенклатуры веществ. Такая формула может обозначать:
▪ (1 молекулу) или (1 моль) вещества
▪ качественный состав (из каких химических элементов состоит вещество)
▪ количественный состав (сколько атомов каждого элемента содержит реальная или условная молекула вещества)
Формула молекулярная (или брутто-формула)- условное обозначение веществ с помощью символов химических элементов, буквенных, числовых и вспомогательных знаков (скобок, тире, стрелок и т.п.). Она полностью отражает качественный и количественный состав конкретного вещества, но не показывает его строения. Например, формула 'H2O' обозначает воду (1 молекулу) или (1 моль) ее. Качественный состав ее: молекула воды состоит из водорода (H) и кислорода (O). Количественный состав ее: в состав молекулы воды входят: два атома водорода и один атом кислорода.
По химической формуле можно определить название вещества (например: H2O2 - пероксид водорода, HNO3 - азотная кислота, и др.), которое уникально для каждого вещества. Формулы одних и тех же химических соединений могут иметь разное написание, например:
SCl2O2 и SO2Cl2
H2S2O5 и H2SO3(O2)
HOCN, HNCO и HCNO
но если в первых двух случаях это одни и те же вещества, то в третьем - это 3 разных соединения (циановая, изоциановая и гремучая кислоты соответственно)
При изменении состава молекулы в зависимости от температуры рассматривают самую простую формулу: S, P, NO2 вместо S8, P4, N2O4 соответственно. Например, для соединения C2H6O молекулярными формулами могут быть как C4H12O2, так и C6H18O3, т.е. на практике одной только молекулярной формулы вещества недостаточно: указанное вещество (с молекулярной формулой C2H6O) может быть как диметиловым спиртом (используемым в холодильных установках), так и этиловым спиртом (используемым как основа алкогольных
напитков), т.е. они совершенно разные по свойствам. Другие примеры формул: S2Cl2, C6H6, а не SCl, CH, и т.д.
Часто молекулярная или сокращенная формула вещества совпадает с эмпирической формулой, либо кратна ей.
Простые вещества - вещества, не поддающиеся дальнейшему разложению при обычной химической реакции. Каждое простое вещество состоит из атомов только одного химического элемента (образующих гомоядерные молекулы) и является формой его существования в свободном (т.е. встречающимся в природе) виде (т.е. простое веществоможет быть одно- и многоатомным). Химические элементы как простые вещества могут быть твердыми (Au, Ag, Cu, S и др.), жидкими (Br) или газообразными (H, He, O и др.). Некоторые элементы могут существовать в виде нескольких простых веществ - аллотропных форм (например: кислород в виде двух- и трехатомных молекул, а твердый углерод вообще имеет множество форм: алмаз, графит, графен, карбин, фуллерены и др.). Аллотропическое состояние веществ зависит от их состава. Известно свыше 400 простых веществ. В зависимости от типа химической связи между атомами простые вещества могут быть:
▪ металлами (например, Al, Au, Bi, Mg, Na и др.):
- активными (Li, Na, Ca и др.)
- средней активности (Fe, Ni и др.)
- благородными (Au, Rh и др.)
▪ неметаллами (Br2, H2, N2, O3, P, Si и др.):
- активными (F2, O2 и др.)
- средней активности (N2, S, Si и др.)
- благородными газами или аэрогенами (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn)
▪ амфотерными элементами или амфигенами (Al, Be, Cr, Fe, Ga, Ge, Sn, Pb, Zn и др.)
и могут иметь:
▪ атомное строение {вещество состоит из не связанных между собой никакими связями одиночных атомов (например, как газы Ar, He и др.)}
▪ молекулярное строение {молекулы вещества состоят из нескольких атомов одного элемента [например, кислород может существовать в виде двухатомной (О2) или трехатомной (О3) молекул]; вещества с молекулярной структурой имеют низкие температуры плавления и кипения}. У веществ с молекулярным строением в узлах кристаллической решетки находятся молекулы, а у немолекулярных - атомы или ионы
Примечания:
1. Некоторые простые вещества могут рассматриваться как химические соединения,
если их молекулы состоят из нескольких однотипных атомов(например, озон О3)
2. Понятия ('вещество' и 'химический элемент') или ('атом' и 'химический
элемент') не эквивалентны! Например, вещество 'водород' (Н2) состоит
из двух атомов одного химического элемента- водорода(Н). Один химический
элемент может образовывать несколько простых веществ {например, атомы
кислорода могут образовывать как молекулу кислорода O2, так и молекулу
озона O3, причем их физические и химические свойства различны}
3. Электрические свойства простых веществ являются характерным признаком,
позволяющим разделить их на металлы и неметаллы
4. Свойства металлические - обычно к ним относят тепло- и электропроводность,
металлический блеск(на изломе)- отражательную способность, пластичность
и свариваемость
5. Свойства неметаллические - присущи неметаллам. Эти свойства - более
высокая окислительная способность и большая электроотрицательность, что
позволяет образовывать соединения неметаллов с другими неметаллами и
амфотерными элементами. Простые неметаллические вещества и соединения
неметаллов обычно имеют ковалентную природу строения
6. К веществам немолекулярного строения относят вещества атомного
и ионного строения (основной структурной единицей у них являются атомы и
ионы соответственно). Примером веществ немолекулярного строения являются
кристаллы кварца SiO2, а также хлорид PCl5 {он состоит из ионов [РСl4]+ и
[РСl6]-}
Вещества сложные - многоэлементные вещества (состоящие из двух или большего количества элементов), которые могут иметь постоянный (дальтониды) или изменяющийся в некоторых пределах (бертоллиды) состав (молекулы сложных веществ гетероядерны). В химических реакциях сложные вещества могут превращаться друг в друга или разлагаться на несколько простых и/или сложных веществ. Свойства сложных веществ отличаются от свойств составляющих их исходных веществ (например, вода не обнаруживает свойств составляющих ее водорода и кислорода). При известном химическом составе вещества ему можно приписать химическую формулу.
Все сложные вещества могут быть разделены на неорганические, органические, элементоорганические (последние 2 вида здесь не рассматриваются) и др.
Примечание.
Наименования 'материал', 'вещество' и 'соединения' не тождественны:
- материал (например, металл) - имеет химический состав и свойства, изменяющиеся в некоторых пределах
- вещество (например, поваренная соль) - имеет определенные химический состав и свойства (его строение сложно для словесного описания)
- соединение (например, столовый уксус) - имеет определенный химический состав (ему может быть приписана точная химическая формула) и известное химическое строение
Все взаимодействия, приводящие к объединению химических частиц (атомов, молекул, ионов и т.д.) в вещества делятся на химические связи и межмолекулярные связи
Соединения химические - многоатомные простые вещества и все сложные вещества вместе (т.е. состоящие из химически связанных атомов двух или более химических элементов; этим они отличаются от смесей веществ). Иначе - вещества, в которых атомы одного (например, азота N2 или кислорода О2) или различных элементов (серной кислоты H2SO4 или хлорида калия KCl) соединены между собой химическими связями. Химические соединения образуются в результате химических реакций, сопровождающихся тепловыми явлениями. Большинство веществ в природе являются сложными. Кроме солей, обычно имеющих ионное строение, сложные вещества, как правило, имеют молекулярное строение (например: CO2, H2S, CH4 и др.), которое может быть изображено структурной формулой. Состав химических соединений в большинстве случаев следует законам постоянства состава и кратных отношений. Известно свыше 10 000 000 химических соединений. Некоторые химические соединения (особенно многоэлементные) имеют специальные названия, например:
- кислоты
- основания (щелочи)
- оксиды и гидроксиды
- соли
- комплексы, и др.
Между металлами/неметаллами, оксидами, основаниями и солями существует 'генетическая' связь, заключающаяся в том, что из веществ одного класса можно получить вещества других классов
Примечания:
1. Существуют соединения (например: CuFeS2, ZnGeP2, и др.), которые нельзя отнести к конкретным веществам. Существует также много веществ, в которых атомы не образуют отдельных молекул, а связаны друг с другом в бесконечные 'каркасы', где можно выделить повторяющийся фрагмент. Например, металлическая медь состоит из атомов (а не молекул) меди, т.е атом меди и формула меди имеют один и тот же вид: 'Cu'.
2. Известны многоэлементные соединения - сложные вещества, состоящие из трех и более химических элементов {например, ванадинит Pb5(VO4)3Cl}. Они обычно классифицируются по общему элементу {например, кислородсодержащие: NaNO3, H2SO4, KСlO4 и т.п.}. Их можно рассматривать как продукт взаимодействия между собой бинарных соединений при условии, что при образовании сложных веществ не изменяются степени окисления исходных элементов. По доминирующему типу химической связи выделяют
▪ ионные соединения (гидроксиды, сложные соли),
▪ ковалентные соединения {не обладающие ни основным, ни кислотным, ни солеобразным характером: CuFeS , CdSnP , [Fe(CO)5]}
▪ интерметаллические многокомпонентные фазы (с доминирующим металлическим типом связи)
3. Непосредственно не связанные атомы также оказывают взаимное влияние друг на друга. Например, водород в соединении Н-C≡N по химическому характеру отличается от водорода в метане (Н-СН3), хотя в обоих случаях он связан непосредственно только с углеродом. Это вызвано различным влиянием атомов, связанных с водородом через углерод: атома азота в первом случае и атомов водорода - во втором
Каждому из веществ присущи так называемые
Cвойства - специфические признаки, определяющие индивидуальность конкретного вещества. Свойства веществ являются функцией их внутреннего строения. С изменением условий свойства вещества изменяются (например, при охлаждении вода замерзает). Каждое вещество обладает двумя свойствами: физическими и химическими.
Свойства физические - свойства вещества вне химического взаимодействия (например, температура его плавления или кипения, вязкость, плотность, тепло- и электропроводность, цвет и др.). Различия в физических свойствах позволяют выделять вещества из смесей. Физические свойства для одного и того же агрегатного состояния вещества могут быть различны. Так, кислород в жидком и твердом состояниях имеет бледно-голубой цвет. Озон же в жидком состоянии имеет фиолетовый цвет, а в твердом - черно-фиолетовый. Кислород имеет парамагнитные свойства, а озон - диамагнитен
Свойства химические - способность веществ реагировать с другими веществами или разлагаться (т.е. свойства, проявляемые в процессе химических реакций). Они зависят не только от того, из каких химических элементов состоит вещество, но и от структуры и пространственной конфигурации молекул вещества. Обычно вещества, имеющие одинаковый состав и структуру, имеют одинаковые химические свойства. Химические свойства элемента определяются строением его атома
Примечания:
1.Свойство интенсивное - свойство, зависящее от количества материала или вещества. Такие свойства используются для идентификации различных образцов одного и того же материала или вещества, например, масса или объем
2.Свойство экстенсивное - свойство, не зависящее от количества материала или вещества. Такие свойства используются для идентификации материала или вещества, например: плотность, температура кипения, окраска, запах
Вещество остается химически неизменным пока сохраняются состав и строение его
молекул (или состав и характер связей между атомами для немолекулярных веществ).
Проанализируем, например, свойства медной монеты, куска алюминиевой проволоки,
купороса (используемого для защиты растений от вредителей), воды и столового уксуса:
- медь - красноватый металл, не имеющий вкуса и запаха, не растворяющийся в
воде, удельная масса меди больше удельной массы алюминия
- алюминий - белый металл, не имеющий вкуса и запаха, не растворяющийся в воде
- купорос - соль в виде кристаллов сине-зеленого цвета, растворяющаяся в воде
- вода - бесцветная (без вкуса) жидкость
- уксус- бесцветная(или слегка окрашенная) жидкость с характерным запахом и
вкусом, растворяется в воде
Каждое из этих веществ обладает своим характерным наборов упомянутых свойств.
Следовательно, вещество обладает массой покоя (его можно взвесить) и определен-
ными физическими свойствами (цветом, плотностью, температурой плавления и т.д.),
которые можно измерить
Вещества чистые - вещества, которые с помощью физических методов не разделяются на два или более других веществ и не изменяют своих физических свойств/ Они состоят из одинаковых структурных единиц (атомов, молекул, элементарных ячеек кристаллов) и имеют определенные собственные свойства. Вещества в чистом виде в природе практически не встречаются, за исключением золота, меди, серы и некоторых других
Состояния вещества агрегатные (или фазы веществ)
Существование нескольких агрегатных состояний обусловлено различиями в характере теплового движения молекул (атомов) вещества и в их взаимодействии. В зависимости от температуры и давления все вещества могут находиться в различных агрегатных состояниях:
- твердом (тело имеет форму и объем): аморфном или кристаллическом
- жидком (отличительная особенность жидкости - текучесть)
- газообразном (в газах молекулы почти не взаимодействуют и движутся свободно, заполняя весь объем, в котором газ находится)
- плазменном
(плазма - газообразная смесь положительно и отрицательно заряженных частиц, общий заряд которой равен нулю; электроны и ионы плазмы могут переносить электрический заряд); более подробно здесь не рассматривается
Примечания:
1. У жидкостей и твердых тел молекулы (атомы) расположены близко друг от
друга и взаимодействуют со значительными силами (молекулы могут как
притягиваться, так и отталкиваться). Это приводит к сохранению жидкостями
и твердыми телами определенного объема.
2. Кристаллические вещества плавятся при строго определенной температуре, а
аморфные не имеют этого свойства(при нагревании они постепенно размягчаются,
а при охлаждении - постепенно затвердевают, например: смолы, стекло и др.)
3. Вода, лед и водяной пар - агрегатные состояния одного и того же вещества
-воды. Они отличаются не молекулами,а их движением и расстояниями между ними.
При нагревании расстояния между молекулами увеличиваются и тело увеличивает
свои размеры (например, рельсы в жарую погоду настолько удлиняются, что могут
даже искривиться)
4. Изменение агрегатного состояния вещества сопровождается скачкообразным
изменением его плотности и других физических свойств {например, вода при
охлаждении [в диапазоне температур от (+4 оС до 0 оC]
5. Равновесия в однокомпонентной системе могут быть:
- моновариантные {жидкость-пар, пар-твердая фаза, жидкость-твердая фаза
(равновесие между двумя различными модификациями)}
- нонвариантные {жидкость-пар-твердая фаза, жидкость-две твердых фазы,
пар-две твердых фазы, три твердых фазы}
Явления - все изменения в природе с окружающими нас веществами или предметами. Явления могут быть
физическими и химическими (физиологическое воздействие веществ на организмы живых существ здесь не
рассматривается)
Физические явления - сопровождаются изменением физических свойств вещества (например, формы или размеров тел, агрегатного состояния, магнитных свойств при нагревании, и т.д.) при переходе из одного агрегатного состояния в другое без изменения состава вещества (т.е. при этом не происходит превращение одних веществ в другие путем разрыва и/или образования связей в их молекулах). Например:
- если магнит подвергнуть сильному нагреванию, он теряет способность притягивать железо (происходит изменение магнитных
свойств
вещества от температуры)
- при нагревании вода превращается в пар, при ее охлаждении - в лед, а при охлаждении пара - снова образуется вода (т.е. у нее изменяются только агрегатные состояния при изменении температуры).
К физическим явлениям относят и диффузию
ХИМИЯ - наука, изучающая свойства химических элементов и их соединений, закономерности получения, превращения и применения веществ, а также явлений, сопровождающих эти превращения
Химия неорганическая - изучает химические элементы и образуемые ими простые и сложные вещества (за исключением органических соединений углерода)
Химия органическая - изучает соединения углерода с другими химическими элементами, их структуру, свойства, методы синтеза (здесь не рассматриваются)
Явления химические (иначе - химические реакции) - явления, приводящие к превращению одних веществ в другие (с изменением состава, свойств и внутреннего строения), сопровождающиеся внешними эффектами, но без изменения
состава атомных ядер элементов. Молекулы могут разрушаться при химических явлениях, но сохраняются при физических. Одно простое вещество невозможно превратить в другое, образованное из атомов иного химического элемента. Внешние эффекты (признаки химических явлений), сопровождающие химические превращения, могут быть восприняты органами чувств (например, при выделении газов, появлении запаха, изменении цвета растворов, выделении или поглощении теплоты, образовании осадка, и т.п.). Так, горение свечи сопровождается свечением и выделением тепла
Химические реакции характеризуются стехиометрическим соотношением участвующих в них веществ, степенью превращения, константами скорости и равновесия, энергией активации, тепловым эффектом и другими категориями.
Более подробно химические реакции рассматриваются
здесь
Примеры химических реакций:
- взаимодействие пищевой соды со столовым уксусом (если в столовую ложку положить щепотку соды и сверху капнуть 3-4 капли уксуса, то в результате их взаимодействия будет выделяться газ)
- почернение медной проволоки, внесенной в пламя горящей свечи
Любая химическая реакция может быть описана химическим уравнением
Пример совместного использования физико-химических явлений -
варка цветных стекол: они получаются в результате введения в обычное
расплавленное силикатное стекло примесей (в виде порошков) некоторых
металлов (или их оксидов), придающих стеклу определенную окраску.
Например, красное(рубиновое) стекло содержит(0.01-0.10)% порошкового
золота с размерами частиц (4-30) мкм.
Цветное стекло трудно в изготовлении и, как следствие, дорогое
Уравнение химическое - условная запись хода химической реакции с помощью химических формул, математических знаков ('+', '=', '↑', '↓' и др.), коэффициентов (чисел, стоящих перед формулами веществ: 2H...) и индексов (O2...) в уравнении, например:
2H2(газ) + O2(газ) = 2H2O
В левой части уравнения через знак '+' записывают формулы исходных веществ (реагентов), вступающих в реакцию (если их несколько), а в правой части уравнения - формулу(ы) образовавшихся в результате реакции продуктов
реакции (также соединенных знаком '+', если их несколько). Основное правило - число атомов одинаковых элементов (в данном случае водорода и кислорода) в левой и правой частях уравнения должны быть равны (т.е. по 4 и 2 соответственно). Еще пример уравнения:
CrO3(тв.) + 2HCl(газ) = CrO2Cl2(жидк.) + H2O(газ)
где надписи типа '(газ)', '(жидк.)' и т.п. показывают агрегатное состояние реактантов
ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
Изучая химические элементы, Д. Менделеев обнаружил периодичность изменения их свойств. Расположив элементы с учетом уже известных свойств в клетках специальной таблицы, он создал Периодическую систему химических элементов (1869), которая в настоящее время формулируется так: Свойства химических элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда атомных ядер в результате периодического повторения электронных конфигураций внешнего электронного уровня.. Свойство периодичности означает, что каждый последующий элемент в таблице отличается от предыдущего тем, что у него на один протон (и электрон) больше предыдущего (т.е. выполняется закон перехода количества в качество).
Периодическая система элементов состоит из периодов и групп
Расположение элементов в Периодической системе соответствует
электронному строению их атомов.
Периодически меняющиеся свойства атомов:
- атомные и ионные радиусы
- энергия ионизации
- сродство к электрону
- электроотрицательность
Существует множество вариантов Периодической системы {например,
коротко ( http://www.hemi.nsu.ru/mends.htm) или длиннопериодная
форма
С 1989 года рекомендовано пользоваться только длиннопериодными
вариантами таблиц
Атомный номер (атомное число) - порядковый номер, присвоенный каждому элементу в Периодической таблице (например, магний имеет атомный номер '12'). Он равен количеству протонов в ядре атома конкретного элемента (или его суммарном количестве электронов), например:
- у водорода (Н) - один электрон,
- у гелия (He) - два электрона,
- у лития (Li) - три электрона, и т.д.
С ростом атомного номера элемента (заряда ядра) свойства химических
элементов изменяются периодически, а размеры их электронных оболочек
сокращаются, поэтому элементы становятся неустойчивыми. Например,при
числе протонов (Z) в ядре атома равном 137 радиус первой оболочки
станет настолько малым, что электрон мгновенно поглотится ядром.
Интересно,что элементы с четными атомными номерами больше распростра-
нены на Земле,чем нечетные(наиболее характерно это видно по лантаноидам)
Калий - полностью 'нечетный' металл: его атомный номер 19, атомная
масса- 39, а во внешнем электронном слое имеется всего один электрон,
поэтому он исключительно активен и широко распространен в виде различ-
ных соединений
Существуют пары элементов (Ar-K, Co-Ni и Te-I), у которых наблюдаются
нарушения в порядке возрастания массы в зависимости от атомного номера
(например, у аргона-18 атомная масса больше, чем у атома калия-19)
Группа - совокупность атомов по возрастанию заряда ядра, обладающих однотипным электронным строением с одинаковым числом валентных электронов. Номер группы (обычно указывается римскими цифрами) определяется количеством электронов на внешней оболочке атома (валентных электронов, участвующих в образовании химической связи) и, как правило, соответствует высшей валентности атома. В длиннопериодном варианте элементы распределены на 18 групп (или 8 - при делении на подгруппы) - смотря как считать
Примечания:
1. Подгруппа - совокупность элементов группы. Электронное строение и химические свойства элементов главных и побочных подгрупп могут радикально отличаться
2. Подгруппы главные - состоят из элементов малых и больших периодов (начинаются с элементов первого и второго периодов), у которых заполняются только s- и p-подуровни внешнего электронного уровня (валентные электроны расположены на внешних ns- np-подуровнях). Число электронов во внешнем слое у элементов главных подгрупп равно номеру группы. С увеличением атомного номера (сверху-вниз в подгруппе) увеличиваются металлические свойства элементов (неметаллические свойства - соответственно - уменьшаются)
3. Подгруппы побочные - элементы, имеющие валентные s-, d- или f-электроны. Они состоят только из элементов больших периодов, у которых происходит заполнение внутренних (n-1)d- и (n-2)f-подуровней при наличии на внешнем s-подуровне одного или двух электронов (например, подгруппа меди: Cu, Ag, Au). Элементы побочных подгрупп называются переходными элементами (или переходными металлами)
4. У элементов главных подгрупп валентными являются электроны внешнего уровня, а у элементов побочных подгрупп - электроны внешнего и предвнешнего уровней
Период - совокупность элементов таблицы, в пределах которой их свойства изменяются последовательно (например, 8 элементов от лития до неона). Иначе - совокупность атомов с одинаковым числом электронных слоев. Всего имеется 7 периодов:
- 3 малых (с первого по третий)
- 4 больших (с четвертого по седьмой).
Содержимое периодов:
- первый период содержит 2 элемента (водород и гелий)
- второй и третий - по 8 элементов
- четвертый и пятый - по 18 элементов
- шестой - 32 элемента
- седьмой (не завершенный) - 22 элемента.
Второй и последующие периоды начинаются типичным щелочным металлом и заканчивается инертным газом (ему предшествует типичный неметалл).
Металлические свойства элементов в периодах уменьшаются слева-направо с увеличением атомного номера
Примечания:
1. Периоды соответствуют последовательному заполнению
электронных оболочек. Номер периода совпадает со значением
главного квантового числа(n) внешнего электронного уровня
2. Каждый химический элемент в Периодической системе кроме атомного
номера может также позиционироваться номером периода, группы и/или
подгруппы (т.е. иметь свои координаты или положение)
3. Для описания строения атома используются:
- схемы электронного строения
- электронные формулы
- электронно-графические формулы, и др.
4. В зависимости от того, каким уровнем заканчивается заполнение
электронных оболочек, все химические элементы разделяются на
s-, p-, d- и f-элементы
Семейства элементов - сгруппированные по химическим свойствам элементы Периодической системы:
- металлы щелочные
- металлы щелочноземельные
- металлы переходные
- металлы постпереходные
- полуметаллы (металлоиды)
- неметаллы
- галогены
- инертные газы
- лантаноиды и актиноиды
Аналоги электронные полные - химические элементы (например: As, Sb, Bi), атомы которых имеют одинаковую электронную конфигурацию внешней 'n' и предыдущей (предвнешней) '(n-1)d'-оболочек:
... 4s24p34d0
... 5s25p35d0
... 6s26p36d0
соответственно
Элементы-аналоги - химические элементы,
- входящие в одну подгруппу Периодической системы
- имеющие одинаковое строение внешних электронных оболочек атомов при различных значениях главного квантового числа (n)
- проявляющие сходные химические свойства.
Например, галлий является химическим аналогом элемента алюминия, а германий - аналогом кремния
Естественный ряд химических элементов - ряд элементов, выстроенный по возрастанию зарядов их ядер (числа протонов в ядрах атомов элементов). Для примера ниже приведена информация одной из ячеек Периодической системы:
12Mg (Магний) - 24.305 (2-8-2) 1s22s2 2p63s2
где 12 - атомный номер элемента
Mg - знак химического элемента
Магний - название химического элемента
24.305 - относительная атомная масса элемента
2(M) - 8(L) - 2(K) - распределение электронов по электронным уровням:
общее число электронов в атоме равно 12 (2 + 8 + 2),
т.е. равно атомному номеру (см. Электронное строение)
1s22s2 2p63s2 - электронная конфигурация элемента
ФОРМУЛЫ
Валовой состав (или система Хилла) - обычно используется при записи формул органических соединений, по которой сначала указывается число атомов углерода, затем водорода, потом - все остальные составляющие атомы по латинскому алфавиту, например: C_2H_5Cl = C2H5Cl, C_6H_5IO = C6H5IO. Валовой состав неорганических соединений записывают по образцу:
3MgO▪MgCl2▪11H2O
12CaO▪6SiO2▪7H2O и др.
Диаграмма электронно-графическая - графически показывает электронную структуру атомов с помощью квантовых
ячеек
(орбиталей подуровней). Ячейки показывают условное отображение электронов: с положительным спином ms=
(+1/2) - стрелкой вверх (↑), с отрицательным спином ms= (-1/2) -
стрелкой вниз (↓). Например, электронно-графическая формула атома лития будет выглядеть как 1s2[↑↓]2s1[↑]: он принадлежит второму периоду Периодической системы (3 электрона расположены на двух электронных уровнях: на s-подуровне первого
уровня расположены 2 электрона, а третий - на s-подуровне второго уровня). Электрон, расположенный на внешней оболочке, слабее связан с ядром, поэтому в химических реакциях атом лития может отдавать электрон, превращаясь в положительный ион
Конфигурация атома электронная (формула электронная) - предоставляет дополнительную (по сравнению с графической формулой) информацию, в частности, распределение имеющихся в атоме электронов по орбиталям (электронным уровням и подуровням), наличие неспаренных электронов, неподеленных электронных пар и какие валентные электроны участвуют в образовании связей, например:
![[]](/img/a/anemow_e_m/aa0/nh3.jpg)
В общем случае электронная конфигурация может быть описана с помощью:
- электронных формул
- электронно-графических (орбитальных) диаграмм.
Электронная конфигурация с минимальной энергией электронов соответствует основному состоянию атома (в котором атом имеет максимально возможное число неспаренных электронов в пределах определенного подуровня). Все другие электронные
конфигурации относятся к возбужденным состояниям.
Сумма верхних индексов в электронной формуле элемента равна его атомному номеру (т.е. количеству электронов в атоме). Для составления электронной формулы необходимо знать:
- атомный номер элемента
- номер периода элемента
- квантовые числа (главное и орбитальное) и связь между ними.
Фрагмент электронной конфигурации: ...2р4 означает, что на втором уровне на р-орбиталях имеется 4 электрона. Например, полная электронная формула азота будет иметь вид:
1s22s2 2p3
где зеленым цветом указаны номера уровней (n) - равные 1 и 2; буквы (синим) - подуровни ('s-' и 'p-'), определяющие форму электронного облака; красным - число электронов с данной формой
облаков на каждом подуровне. Сумма электронов по слоям (2 + 2 + 3 = 7) равна атомному номеру (7) элемента. Для сравнения, положительный ион азота имеет отличающуюся электронную формулу:
1s22s22p2
Для примера, электронная конфигурация ксенона выглядит так:
[1s22s22p63s23p64s2
3d104p6]5s24d105p6
В пределах подуровня электроны в атоме распределяются по орбиталям так, чтобы модуль суммы их спиновых квантовых чисел был максимальным
Строение химическое - последовательность межатомных связей в молекуле. Оно отражается структурной формулой соединения (развернутой или сокращенной), в которой символы связанных атомов соединяются валентной чертой
Формула графическая - кроме качественного и количественного состава показывает дополнительную информацию: последовательность связей атомов друг с другом и кратности связей (одинарная, двойная или тройная). Эти формулы не отражают относительного расположения атомов в пространстве (например: H-O-H). Графические формулы отличаются от структурных
Формула истинная - отражает состав, но не структуру или изомерию молекул вещества. Она может быть получена опытным путем, если известна молекулярная масса вещества. Например, истинная формула воды H2O совпадает с
простейшей, а истинная формула бензола C6H6 отличается от простейшей (CH). Истинная формула
этанола -
С2Н6О. Истинные формулы иногда называют также брутто-формулами или эмпирическими формулами
Формула координационная - используется для отображения структуры комплексов при известном количественном соотношении атомов в соединении. Так, например, для соединения кобальта(III) состава 2KNO2▪NH3▪Co(NO2)3 координационной формулой будет K2[Co(NH3)(NO2)5]
Формула простейшая - показывает относительные числа атомов разных видов в молекуле. Для вывода простейшей формулы
сложного вещества достаточно знать массовое содержание (атомные массы) образующих данное вещество элементов и их
процентный состав. Например, с учетом а.е.м. углерода (СIV) и водорода (НI) для получения
молекулы метана (СН4) необходимо соблюдение отношения (1 : 4), т.е. на один атом углерода надо иметь 4 атома
водорода. Следовательно, простейшими формулами будут:
- молекулы водорода - (H); молекулярная же - 'Н2', а структурная - 'Н-Н'
- воды - (H2O)
- бензола - (СН), в отличие от истинной - 'C6H6'
- этанола - (С2Н6О)
Так как сведения о молекулярной массе содержат действительное
число атомов в молекуле,можно перейти от простейшей к истинной
формуле. К примеру, простейшей формуле 'СН' соответствуют как
ацетилен С2Н2, так и бензол С6Н6,
а простейшей формуле спирта (С2Н6О) соответствует истинная
структурная формула спирта (СН3СН2ОН)
Простейшая формула метана (СН4) одновременно является и
истинной.
Формула рациональная (или линейная) - формула, в которой выделены группы атомов, характерные для данного класса химических соединений (например: группы 'ОН', 'NH3' и др.), которые заключаются в круглые скобки по примеру:
К4[Co(CN)6], где цифра '6' показывает количество выделенных повторяющихся групп 'CN'. Например, рациональная формула этанола - С2Н5ОН. Иногда рациональные группы записывают в полуразвернутом виде, когда часть одинаковых атомов
показывается по отдельности для лучшего отражения строения молекулы вещества (например, для этанола - СН3СН2ОН)
Формула структурная - наглядно (в масштабе и в соответствующей проекции) показывает объемное строение молекулы:
▫ взаимное расположение атомов в молекуле (показан порядок связывания атомов между собой)
▫ кратность связей (валентность составных элементов)
▫ длины связей (расстояние между центрами связанных атомов)
▫ валентные углы (между связями)
Химические связи между атомами обозначаются различными линиями. Структурная формула не тождественна графической. Структурные формулы могут быть двумерными (2D - изображение структуры вещества на плоскости) и трехмерными (3D - изображение структуры вещества в пространстве). Трехмерные формулы иногда называют пространственными (oни наиболее близко к теоретическим показывают строение вещества). Часто для удобства применяют сжатую (или сокращенную) структурную формулу, в которой указывается только порядок следования связей {например: диметиловый эфир CH3OCH3 или этиловый спирт C2H5OH}. Примеры структурных формул:
▫ углекислоты (СО2): (O=C=O)
▫ 2D-формула азотной кислоты (HNO3):
![[]](/img/a/anemow_e_m/aa0/hno3.jpg)
Здесь валентность азота (N) равна 4. Оба атома кислорода, связанные только
с азотом, находясь на одинаковом расстоянии от атома азота, равноценны.
Четвертая связь атома азота разделена поровну между двумя атомами кислорода
(каждый из них несет по половине заряда электрона, т.е. образуется
полуторная связь: 1 + 1/2 = 1.5)
В результате все атомы в молекуле имеют устойчивые электронные конфигурации
внешних уровней: кислород и азот- (8-электронные), водород- двухэлектронную
▫ развернутая 2D-формула этанола (С2Н5ОН):
![[]](/img/a/anemow_e_m/aa0/c2h5oh.jpg)
а сокращенная структурная формула - вида СН3-СН2-ОН. Часто одинарные связи вообще не
указывают, например: СН3СН2ОН
▫ 3D-формула хлорида алюминия (AlCl![[]](/img/a/anemow_e_m/aa0/avatara.jpg){kind=avatar}