ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
И ЗАКОНЫ ХИМИИ
§1. Предмет химии. Вещества и их свойства
Химия – это наука о веществах и их превращениях. Она изучает состав
и строение веществ, зависимость их свойств от строения, условия и способы
превращения одних веществ в другие.
Вещество – это то, из чего состоят физические тела. Сейчас известно
более 20 млн. веществ. Каждое из них можно охарактеризовать по
определенным свойствам. Свойства веществ – это признаки, по которым
вещества сходны или отличаются друг от друга.
Основные физические свойства веществ:
• агрегатное состояние
• растворимость в воде
• цвет
• запах
• вкус
• плотность
• температура кипения
• температура плавления
• электропроводность
• теплопроводность
Химия имеет большое практическое применение. Много тысячелетий тому
назад человек использовал химические явления при выплавке металлов из руд,
получении сплавов, варке стекла и т. д. Еще в 1751 г. М.В. Ломоносов в своем
знаменитом «Слове о пользе химии» писал: «Широко распространяет химия
руки свои в дела человеческие. Куда ни посмотрим, куда ни оглянемся – везде
обращаются перед очами нашими успехи ее применения». В настоящее время
роль химии в жизни общества бесспорна и неизмерима. Химические знания
сейчас достигли такого уровня развития, что на их основе коренным образом
меняются представления человека о природе и механизме ряда важнейших
технологических процессов. Химия помогла открыть и использовать не только
ранее неизвестные свойства веществ и материалов, но и создать новые,
не существующие в природе вещества и материалы.
§2. Чистые вещества и смеси
Чистыми называются такие вещества, которые состоят из данного его вида
и содержат другие только в небольших (определенных) количествах.
Когда в химии применяют названия азот, кислород, медь, вода, серная
кислота, метан, глюкоза и другие, следует понимать, что имеются в виду чистые
вещества. Если же говорят, например, природная вода, аккумуляторная серная
кислота, техническая сода, природный газ, то речь идет о смесях веществ
(«неоднородных» веществах).
В промышленности, технике и быту часто применяются природные смеси,
например воздух, гранит, древесина, молоко и др. Широко используются также
искусственно полученные смеси или материалы: стекло, цемент, металлические
сплавы, пластмассы, синтетические волокна, резина.
Понятие «чистое» вещество является условным. Абсолютно чистых
веществ нет. Чистоту веществ определяют содержанием примесей в процентах.
Поэтому и различают ультрачистые вещества (содержащие примесей 10-7%
и ниже), вещества химически чистые, технически чистые. Для очистки веществ
используются следующие способы:
• отстаивание
• фильтрование
• действие магнитом
• выпаривание
• дистилляция
• хроматография
• кристаллизация
§3. Атомно-молекулярное учение
Первый определил химию как науку М.В. Ломоносов. Он считал, что химия
должна строиться на точных количественных данных – «на мере и весе».
М.В. Ломоносов создал учение о строении вещества, заложил основу атомномолекулярной теории. Это учение сводится к следующим положениям,
изложенным в работе «Элементы математической химии»
1. Каждое вещество состоит из мельчайших, далее физически
неделимых частиц (М.В. Ломоносов называл их корпускулами,
впоследствии они были названы молекулами).
2. Молекулы находятся в постоянном самопроизвольном движении.
3. Молекулы состоят из атомов (М.В. Ломоносов называл их
элементами).
4. Атомы характеризуются определенным размером и массой.
5. Молекулы могут состоять как из одинаковых, так и из различных
атомов.
Молекула – это наименьшая частица вещества, сохраняющая его состав
и химические свойства.
Молекула не может дробиться дальше без изменения химических свойств
данного вещества.
Между молекулами вещества существует взаимное притяжение, различное
у разных веществ. Молекулы газообразных веществ притягиваются друг к другу
очень слабо, в то время как между молекулами жидких и твердых веществ силы
притяжения велики. Молекулы любого вещества находятся в непрерывном
движении. Этим объясняются, например, изменения объема веществ при
нагревании, а так же явление диффузии.
§4. Атом. Химический элемент
Атомами называются мельчайшие, химически неделимые частицы, из
которых состоят вещества.
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 перегруппировываясь в процессе реакции, они образуют молекулы новых
веществ. Так как единственной характеристикой атома, определяющей его
принадлежность к тому или иному элементы, является заряд ядра, то элемент
следует рассматривать как вид атомов, обладающих одинаковым зарядом ядра.
Химические свойства атомов одного и того же элемента одинаковы, такие
атомы могут отличаться только массой.
Разновидности атомов одного и того же элемента, имеющие различную
массу, называют изотопами.
Разновидностей атомов больше чем химических элементов.
В настоящее время известно 117 элементов. В природе они встречаются
далеко не в одинаковых количествах. Необходимо различать понятия
«химический элемент» и «простое вещество». Химический элемент – общее
понятие об атомах с одинаковыми химическими свойствами и зарядом ядра.
Физических свойств, характерных для простого вещества, химическому
элементу приписать нельзя. Простое вещество – это форма существования
элемента в свободном состоянии. Один и тот же элемент может образовать
несколько различных простых веществ.
§5. Химическая символика
Для обозначения химических элементов введены химические символы.
Каждый элемент имеет свой символ. Символы, как правило, состоят из
начальных букв латинских названий элементов. Например, кислород –
Oxygenium – обозначается буквой O, углерод – Carboneum – буквой C и т. д.
Если начальные буквы латинских названий различных элементов одинаковы, то
к первой букве добавляется вторая. Так, начальная буква латинского названия
натрия (Natrium) и никеля (Niccolum) одна и та же, поэтому символы их
соответственно Na и Ni. Если под символом химического элемента
подразумевать его атом, то, пользуясь символами, можно составлять, можно
составлять химические формулы веществ.
Химическая формула – это изображение состава вещества посредством
химических символов.
Например, формула H3PO4 показывает, что в состав молекулы
ортофосфорной кислоты входят водород, фосфор и кислород и что эта молекула
содержит 3 атома водорода, 1 атом фосфора и 4 атома кислорода. Цифры справа
внизу после символа элемента указывают на количество атомов данного
элемента в молекуле вещества.
Химическая формула соединения дает очень важные сведения не только
качественного, но и количественного характера. Так, она показывает:
а) из атомов каких элементов состоит молекула;
б) в каких количественных соотношениях входят атомы элементов
в молекулу;
в) химическая формула дает возможность производить количественные
(стехиометрические) расчеты. Для этого нужно знать, как принято
в химии выражать массы атомов и молекул.
§6. Простые и сложные вещества
Аллотропия
Молекулы образуются из атомов. В зависимости от того, состоит ли
молекула из атомов одного и того же элемента или из атомов различных
элементов, все вещества делятся на простые и сложные.
Простыми называются вещества, образованные атомами одного элемента.
Например, простые вещества могут состоять из одного (He, Ne, Kr, и т. д.),
двух (O2, N2, Cl2, H2 и т. д.) и большего числа атомов (S8) одного элемента.
Как уже отмечалось, один и тот же элемент может образовать несколько
простых веществ. Способность химического элемента существовать в виде
нескольких простых веществ называется аллотропией. Простые вещества,
образованные одним и тем же элементом, называются аллотропическими
видоизменениями данного элемента. Эти взаимодействия одного и того же
элемента могут отличаться как числом (O2 и O3), так и расположением (алмаз,
графит) одних и тех же атомов в молекуле. Явление аллотропии – наглядное
подтверждение зависимости свойств веществ от пространственной структуры.
Сложными веществами, или химическими соединениями, называются
такие вещества, молекулы которых состоят из атомов двух и более элементов.
Например: H2O, CO2, CaCO3 т. д.
Атомы, вступившие в химическое соединение друг с другом, не остаются
неизменными. Они оказывают друг на друга взаимное влияние. Вот почему
молекулы сложного вещества обладают присущими только им свойствами и их
нельзя рассматривать как простую сумму атомов.
В молекулах сложных веществ нельзя обнаружить свойств, характерных
для исходных простых веществ, так как молекулы сложных веществ состоят из
атомов химических элементов:
2H2 + O2 = 2H2O.
Молекула сложного вещества воды состоит из атомов химических
элементов – водорода и кислорода, а не из веществ – водорода и кислорода.
Элементы при химических реакциях не возникают и не исчезают. Вступая
в химическое взаимодействие, молекулы простых веществ одновременно
с дроблением на отдельные атомы теряют свои свойства.