Общая химия

 Справочник  

 Примеры 

 ЕГЭ 

 Химический калькулятор 

 Задать вопрос 

 Отзывы 

 Задачи с решениями 

 Фотоархив 

 Разное 

Химия. Основные понятия и терминология

ВЕЩЕСТВО

Химия имеет дело с веществами. Понятие вещества в химии немного отличается от физического понятия. В физике веществом считается все, что имеет массу покоя (в отличие от поля, которое массы покоя не имеет). В химии вещество обладает не только массой покоя, но и определенными физическими и химическими свойствами. Веществом в химическом смысле является, например, вода – все соприкасаются с ней в быту и знают, что это - жидкость, прозрачная (если чистая), закипающая при нагревании на газовой или электрической плите или костре (физические свойства), способная растворять сахар и соль (физико-химические свойства). Для химии очень важным является чистота вещества. Любой человек, основываясь на своем опыте, скажет, что водопроводная вода чище воды из уличной лужи или болота, но не каждый сможет четко сформулировать, почему он так считает. Интуитивно понятно, что чистое вещество не содержит других веществ, кроме себя самого. Если содержание других веществ в данном веществе незначительно, то говорят о примесях посторонних веществ, а если значительно – то о смеси веществ. Четкой границы между этими понятиями нет, так как в одном случае посторонними веществами можно пренебречь и без особого риска для здоровья пить водопроводную воду, а в другом – нельзя, например ту же водопроводную воду нельзя заливать в автомобильный аккумулятор. Присутствие посторонних веществ всегда меняет свойства данного вещества, поэтому с самого начала развития химии как науки первостепенное внимание уделялось методам получения чистых веществ.

ПРОСТЫЕ И СЛОЖНЫЕ ВЕЩЕСТВА

Простые вещества состоят из атомов одного элемента, сложные – из атомов разных элементов. Сложные вещества также называют химическими соединениями или просто соединениями.

ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Все изменения, происходящие с веществом, можно разделить на два случая: в первом случае индивидуальность вещества сохраняется, а во втором – нет. В результате конденсации паров воды опять получится вода. Такой процесс может быть повторен бесконечное число раз, но вода останется водою. Индивидуальность воды сохранилась, и такие процессы относят к физическим. С другой стороны, полностью проржавевший железный гвоздь никакими физическими воздействиями невозможно вернуть в первоначальное состояние, изменения, происшедшие с гвоздем, необратимы, поэтому данный процесс относят к химическим. Химические процессы также называют химическими взаимодействиями, а если при этом указывается, с каким веществом (или веществами) взаимодействует данное вещество и каковы условия этого взаимодействия, то речь уже идет о химической реакции. Совокупность химических реакций, характерных для данного вещества, принято считать его химическими свойствами. Именно химические свойства и определяют с точки зрения химии химическую индивидуальность вещества.

АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНАЯ ТЕОРИЯ

В настоящее время точно доказано, что все вещества состоят из молекул – мельчайших частиц, сохраняющих химические свойства вещества. Дальнейшее деление молекул невозможно без утраты химической индивидуальности вещества. При этом бессмысленно говорить о физических свойствах отдельных молекул. Физические свойства – такие как цвет, температура плавления, кипения, показатель преломления – являются свойствами совокупности большого числа молекул и не сохраняются для отдельных молекул. Современные методы позволяют не только с большой точностью определять характеристики отдельных молекул, например, массу, но и непосредственно их наблюдать. Молекулы являются структурными единицами вещества. Следует отметить, что не для всех веществ могут быть изолированы отдельные молекулы, такие вещества не существуют в молекулярной форме и обладают в результате совершенно особенными свойствами. В дальнейшем, если не будет специально оговорено, будут рассматриваться только вещества, существующие в молекулярной форме. Для веществ, существующих в молекулярной форме, справедлив закон постоянства состава (закон Дальтона):

Состав и свойства химического соединения не зависит от способа и условий его получения.

Все молекулы состоят из атомов. Совокупность или набор атомов одного вида называют химическим элементом. Особенности строения атомов будут рассмотрены позже. Каждый химический элемент имеет свой символ, например водород – Н, углерод – С, кислород – О, натрий – Na и т.д.

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ В ХИМИИ

Все химические явления подчиняются трем фундаментальным законам природы:

Закон сохранения массы: масса веществ, вступивших в реакцию равна массе веществ, образовавшихся в результате реакции.

Закон сохранения энергии: энергия изолированной системы (не обменивающейся с окружающей средой ни веществом, ни энергией) остается постоянной, возможны лишь переходы ее из одного вида в другой.

Закон сохранения электрического заряда: алгебраическая сумма электрических зарядов в изолированной системе сохраняется.

ХИМИЧЕСКИЕ ФОРМУЛЫ

Любое вещество может быть охарактеризовано качественным и количественным составом. Под качественным составом понимают набор химических элементов, образующих вещество, под количественным, в общем случае, соотношение между числом атомов этих элементов. Атомы, образующие молекулу, соединяются между собой в определенной последовательности, эта последовательность называется химическим строением вещества (молекулы).

Состав и строение молекулы может быть изображено с помощью химических формул. Качественный состав записывается в виде символов химических элементов, количественный – в виде подстрочных индексов у символа каждого элемента. Например: С₆Н₁₂О₆. Химические формулы бывают следующих видов:

а). простейшие - показывают соотношение между числом атомов элементов, образующих молекулу. Часто разные вещества имеют одну и ту же простейшую формулу, например ацетилен и бензол имеют простейшую формулу СН.

а). молекулярные – показывают сколько атомов элементов входят в состав молекулы вещества, например Н₂О – одна молекула воды содержит два атома водорода и один атом кислорода.

б). графические – показывают в каком порядке связаны атомы в молекуле, каждая связь изображается черточкой, для предыдущего примера графическая формула будет выглядеть так: Н—О—Н

в). структурные – показывают взаимное расположения в пространстве ирасстояния между атомами, входящими в состав молекулы.

Необходимо иметь ввиду, что однозначно идентифицировать вещество позволяют только структурные формулы, простейшие, молекулярные или графические формулы могут соответствовать нескольким или даже многим веществам (особенно в органической химии).

ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ

Химический процесс, протекающий с участием конкретных веществ (исходные вещества) в определенных условиях и приводящий к образованию известных веществ (продукты) называется химической реакцией. Реакция может быть записана в виде схемы, в которой слева записывают исходные вещества, а справа – продукты реакции. Чаще для записи химической реакции пользуются химическим уравнением.

Масса и размеры молекул

Отсутствие непосредственных наблюдений молекул до второй половины ХХ века свидетельствует об их малых размерах. Оценочные расчеты и косвенные определения размеров молекул, выполненные еще в XIX веке давали значения 0,1 – 1 нм (1 нм =10^—9 м). Развитие экспериментальных методов позволило провести прямые измерения, которые подтвердили и уточнили полученные ранее значения.

Для измерения масс отдельных молекул используют в основном метод масс-спектрометрии: этот метод обладает очень высокой чувствительностью и точностью. Значения масс молекул могут быть получены в граммах, например масса молекулы водорода составляет 3,33•10^—24 г. Приведенная величина носит название абсолютной молекулярной массы и обозначается :

(Н₂) = 3,33•10^—24 г

Привычная единица массы – грамм – оказывается слишком неудобной для выражения массы молекул, поэтому используют другую единицу массы, сопоставимую с массой отдельных молекул – атомную единицу массы (а.е.м.):

Например, относительная молекулярная масса водорода:

Количество вещества

Количество вещества в химии является одним из важнейших понятий. Количество вещества, обозначаемое или определяется числом структурных единиц вещества.За единицу количества вещества в химии принят моль.

Моль – это количество вещества, содержащее 6,02•10²³ структурных единиц.

Число структурных единиц в моле вещества носит название постоянной Авогадро, обозначается N_A и имеет размерность 1/моль или моль ^-1.

Эту размерность следует понимать как число молекул вещества (в штуках) в одном моле. Выбор такого значения постоянной Авогадро достаточно произволен и обусловлен в основном историческими причинами. Итак, если известно число молекул вещества, обозначим его N, то в соответствии с данным определением количество вещества в молях определится по формуле:

Молярная масса и молярный объем

Молярная масса вещества М равна отношению массы вещества к его количеству:

и имеет принятую в химии размерность г/моль. Молярная масса вещества, выраженная в г/моль численно равна его относительной молекулярной массе. Численное равенство означает совпадение числовых значений величин, но не их размерностей.

Аналогично определяется и молярный объем как отношение объема вещества к его количеству:

Cистемы. Классификация систем

Системой называется любая мысленно или физически выделенная часть окружающего мира.

Например, в качестве системы можно рассматривать индивидуальное вещество, раствор, смесь, атмосферу Земли или всю Вселенную в целом.

Компонент системы – это составная часть системы.

Например, компонентами воздуха (газовой смеси) являются кислород, азот, углекислый газ, аргон, компонентами раствора являются растворитель и растворенное вещество.

Системы, состоящие из одного компонента, называются однокомпонентными, из нескольких – многокомпонентными. Все системы можно разделить на гомогенные и гетерогенные:

Гомогенная (однородная) система не имеет поверхностей раздела между своими частями.

Примером гомогенных систем могут служить воздух, раствор соли в воде, некоторые сплавы металлов.

Гетерогенная (неоднородная) система имеет поверхности раздела между своими частями.

Примеры гетерогенных систем: смесь песка и воды, вода со льдом, молоко, дым.

Часть системы, однородная по химическому составу и отделенная от остальной системы поверхностью раздела, называется фазой.

Изолированными – не обмениваются с окружающей средой ни веществом, ни энергией.

Закрытыми – обмениваются с окружающей средой только энергией.

Открытыми – обмениваются со средой и веществом и энергией.

Система, в которой протекает химическая реакция, называется реакционной системой. Реакционная система может быть любой из перечисленных выше.

Массовая, объемная и мольная доли

Состав химических объектов очень часто характеризуется с помощью массовой, объемной или мольной доли.

Массовая доля компонента системы равна отношению массы компонента к массе системы:

Объемная доля компонента системы равна отношению объема компонента к объему системы:

Мольная доля компонента системы равна отношению количества вещества компонента к количеству вещества системы:

Массовая, объемная и мольная доли обладаю тремя общими свойствами:

1. Все доли являются величинами безразмерными (т.к. это отношения однородных величин).

2. Их значения заключены в пределах от 0 до 1:

3. Сумма массовых, объемных или мольных долей всех компонентов системы равна 1:

Иногда, по традиции, значения долей выражают в процентах. Для перехода от абсолюных долей к процентам достаточно умножить абсолютное значение доли на 100%.