Тема «Основные понятия химии»

Лекция №2

План лекции:

1. Определения основным понятиям химии.

Основные понятия и определения:

Химия. Вещество. Атом. Молекула. Химическая формула. Простые и сложные вещества. Аллотропия. Физические и химические явления и свойства. Качественный и количественный состав веществ. Валентность. Индекс. Структурные формулы. Степень окисления. Химические уравнения. Коэффициент. Относительные атомная и молекулярная массы. Количество вещества. Моль. Число Авогадро. Молярная масса. Химический эквивалент вещества.

Текст лекции

У истока основных понятий химии стоит атомно-молекулярное учение, которое дает определение молекулы и атома.

Химия — это наука о веществах, их свойствах и превращениях, происходящих в результате химических реакций, а также о фундаментальных законах, которым эти превращения подчиняются. Поскольку все вещества состоят из атомов, которые благодаря химическим связям способны формировать молекулы, то химия занимается в основном изучением взаимодействий между атомами и молекулами, полученными в результате таких взаимодействий. В настоящее время известно более 100 тыс. неорганических и более 4 млн. органических соединений.

Атомно-молекулярное учение.

1. Все вещества состоят из молекул.

Молекула — это наименьшая химически делимая частица определенного вещества, которая обладает его химическими свойствами.

2. Молекулы состоят из атомов.

Атом — это наименьшая химически неделимая частица, входящая в состав молекул простых и сложных веществ.

3. Молекулы и атомы находятся в непрерывном движении; между ними существуют силы притяжения и отталкивания.

 

В 1814 г Й. Берцелиус предложил использовать химическую формулу.

Химическая формула — это условная запись состава вещества с помощью химических знаков (символов элементов) и индексов.

Индекс – это цифра, стоящая справа внизу от символа и обозначающая число атомов данного элемента в молекуле.

Химическая формула показывает, атомы каких элементов (качественный состав) и в каком отношении (качественный состав) соединены между собой в молекуле.

Вещество — вид материи с определёнными химическими и физическими свойствами. Совокупность атомов, атомных частиц или молекул, находящаяся в определённом агрегатном состоянии. Из веществ состоят физические тела (медь — вещество, а медная монета — физическое тело).

Простое вещество — вещество, состоящее из атомов одного химического элемента: (например молекула кислорода содержит два атома кислорода и описывается формулой О₂, молекула озона состоит из трех атомов кислорода — О₃, молекула белого фосфора — из четырех атомов фосфора Р₄, молекула брома — из двух атомов Br₂ и т. д.)

Сложное вещество — вещество, состоящее из атомов разных химических элементов: (например оксид водорода (вода) Н₂О, азотная кислота HNO₃, глюкоза С₆Н₁₂О₆ и т. д.)

Согласно современным представлениям из молекул состоят вещества в газообразном и парообразном состоянии. В твердом состоянии из молекул состоят лишь вещества, кристаллическая решетка которых имеет молекулярную структуру. Например, органические вещества, неметаллы (за небольшим исключением), оксид углерода (IV), вода. Большинство же твердых неорганических веществ не имеет молекулярной структуры: их решетка состоит не из молекул, а из других частиц (ионов, атомов); они существуют в виде макротел (кристалл хлорида натрия, друза кварца, кусок меди и др.). Не имеют молекулярной структуры соли, оксиды металлов, алмаз, кремний, металлы.

Химическая связь между молекулами у вещества с молекулярной структурой менее прочная, чем между атомами, поэтому их температуры плавления и кипения сравнительно низкие. У веществ с немолекулярной структурой химическая связь между частицами весьма прочная, поэтому их температуры плавления и кипения высокие. Современная химия изучает свойства микрочастиц (атомов, молекул, ионов и др.) и макротел.

В настоящее время известно 110 элементов (89 из которых найдены в природе, остальные получены искусственно), а число образуемых ими простых веществ около 400.

Аллотропия — явление образования химическим элементом нескольких простых веществ, различающихся по строению и свойствам. А образующиеся вещества — аллотропными видоизменениями или модификациями.

Явление аллотропии вызывается двумя причинами:

1) различным числом атомов в молекуле (например, кислород O₂ и озон О₃);

2) образованием различных кристаллических форм, т.е. строением кристаллических решеток (например, углерод — алмаз, графит, уголь и карбин). Этот случай называется также полиморфизмом.

Физические явления — это явления изменения формы или агрегатного состояния веществ, в результате которых не образуются новые вещества.

Химические явления (или химические реакции) — это явления, при которых из одних веществ образуются новые вещества. Химические реакции постоянно совершаются в живой и неживой природе. Процессы ржавления, горения, гниения представляют собой химические явления.

Часто явления физические и химические происходят одновременно, маскируя друг друга, например, пропускание электрического тока через проволоку сопровождается явлениями физического порядка: нагреванием проволоки, расширением ее, увеличением сопротивления, испусканием света, но то же нагревание проволоки на открытом воздухе приводит к явлениям химического характера: металл при нагревании реагирует с кислородом воздуха, превращаясь в оксид.

Свойства — это совокупность признаков по которым одни вещества отличаются от других, они бывают химическими и физическими.

Физические свойства — признаки вещества, при характеристике которых вещество не изменяет свой химический состав (плотность, агрегатное состояние, температуры плавления и кипения и т.п.).

Химические свойства — способность веществ взаимодействовать с другими веществами или изменяться под действием определённых условий. Результатом является превращения одного вещества или веществ в другие вещества.

Исходные вещества, которые вступают в химическую реакцию, называются реагентами, а новые вещества, которые образуются в результате химической реакции, называются продуктами реакции.

Валентность — способность атомов химических элементов образовывать определённое число химических связей с атомами других элементов или количество связей, которые может образовывать вещество.

За единицу валентности принята валентность водорода.

Современные представления о природе химической связи основаны на электронной (спиновой) теории валентности, в соответствии с которой атомы, образуя связи, стремятся к достижению наиболее устойчивой (т.е. имеющей наименьшую энергию) электронную конфигурацию. При этом электроны, принимающие участие в образовании химических связей, называются валентными.

Согласно спинной теории, валентность атома определяется числом его неспаренных электронов, способных участвовать в образовании химических связей с другими атомами, поэтому понятно, что валентность всегда выражается небольшими целыми числами.

Структурные формулы — это формулы веществ с изображением валентности элементов (например, в молекуле воды: Н—О—Н).

Структурные формулы – это разновидность химической формулы, графически описывающая не только количественный и качественный состав (как в молекулярных, или эмпирических формулах), но и расположение и порядок связей атомов в (ковалентном) соединении, выраженное на плоскости или в трёхмерном пространстве. Связи в структурных формулах обозначаются валентными черточками (штрихами).

 

Для полярных соединений также часто используют понятие степени окисления, условно считая, что такие соединения состоят только из ионов.

Степень окисления (окислительное число, формальный заряд) – это вспомогательная условная величина для записи процессов окисления, восстановления и окислительно-восстановительных реакций, численная величина электрического заряда, приписываемого атому в молекуле в предположении, что электронные пары, осуществляющие связь, полностью смещены в сторону более электроотрицательных атомов.

Представления о степени окисления положены в основу классификации и номенклатуры неорганических соединений.

Степень окисления соответствует заряду иона или формальному заряду атома в молекуле или в формульной единице, например:

Na⁺Cl^-, Mg²⁺Cl₂^-, N^-3H₃^-, C⁺²O^-2, C⁺⁴O₂^-2, Cl⁺F^-, H⁺N⁺⁵O^-2₃, C^-4H₄⁺, K⁺¹Mn⁺⁷O^-2₄.

 

Степень окисления указывается сверху над символом элемента. В отличие от указания заряда иона, при указании степени окисления первым ставится знак, а потом численное значение, а не наоборот.

H⁺N⁺³O^-2₂ — степень окисления, H⁺N³⁺O^2-₂ — заряды.

Степень окисления атома в простом веществе равна нулю, например:

O⁰₃, Br⁰₂, C⁰.

Алгебраическая сумма степеней окисления атомов в молекуле всегда равна нулю:

H⁺₂S⁺⁶O^-2₄, (+1 • 2) + (+6 • 1) + (-2 • 4) = +2 +6 -8 = 0

Совсем формальное понятие «степень окисления» используется при рассмотрении ковалентного соединения, поскольку в ковалентных соединениях в действительности никаких ионов нет.

Химическая связь — это взаимное притяжение атомов, приводящее к образованию молекул и кристаллов. Принято говорить, что в молекуле или в кристалле между соседними атомами существуют химические связи. Химическая связь определяется взаимодействием между заряженными частицами (ядрами и электронами). Основные характеристики химической связи — прочность, длина, полярность.

Химические уравнения — это условная запись химических реакций посредством химических формул исходных и полученных веществ и математических знаков (коэффициентов).

Коэффициент — это количество молекул (или атомов), участвующих в химической реакции; в уравнении реакции ставится перед формулой химического вещества.

Формулы исходных веществ пишут в левой части уравнения, а полученных — в правой, например: 2Н₂ + O₂ = 2Н₂O. Число атомов каждого элемента в левой и правой частях одинаково.

Химическое вещество характеризуется атомной массой, а молекулы — молекулярной массой.

Относительная атомная масса (Ar) — это отношение абсолютной массы атома к 1/12 части абсолютной массы атома изотопа углерода ¹²С.

Относительная атомная масса (Ar) атома элемента берётся из таблицы ПСХЭ (преобразовывая в целое число).

Относительная молекулярная масса (Mr) — это отношение абсолютной массы молекулы к 1/12 массы атома изотопа углерода ¹²С.

Относительная молекулярная масса вещества равна сумме относительных атомных масс всех элементов, составляющих химическое соединение, с учетом индексов.

Обратите внимание на то, что относительные массы Аr и Mr по определению являются безразмерными величинами, и где r - начальная буква английского слова relative (относительный).

Таким образом, мерой относительных атомных и молекулярных масс избрана атомная единица массы (а.е.м.):

Международная единица атомных масс равна ¹/₁₂ массы изотопа ¹²C — основного изотопа природного углерода.

1 а.е.м = ¹/₁₂ • m_а (¹²C) =1,66057 • 10^-24 г = 1,66057 • 10^-27 кг

Средняя абсолютная масса атома (m_ат) равна относительной атомной массе, умноженной на а.е.м.

m_ат. = Аr ∙ 1 а.е.м

A_r(Mg) = 24,312

m _(Mg) = 24,312 • 1,66057 • 10^-24 = 4,037 • 10^-23 г

Средняя абсолютная масса молекулы равна относительной молекулярной массе, умноженной на а.е.м.

m_мол. = Mr ∙ 1 а.е.м

Относительная молекулярная масса вещества равна сумме произведений относительных атомных масс всех элементов и числа их атом в молекуле (индексов).

M_г = A_г(э)∙n.

 

Примеры.

M_г(B₂O₃) = A_r(B) • 2 + A_r(O) • 3 = 11 • 2 + 16 • 3 = 70

M_г(KAl(SO₄)₂) = A_r(K) • 1 + A_r(Al) • 1 + A_r(S) • 1 • 2 + A_r(O) • 4• 2 =

= 39 • 1 + 27 • 1 + 32 • 1 • 2 + 16 • 4 • 2 = 258

 

Число атомов и молекул в обычных образцах веществ очень велико, поэтому при характеристике количества вещества используют специальную единицу измерения — моль.

Количество вещества обозначается обычно n или ν («ню») и выражается в молях (моль).

Моль — это единица количества вещества, содержащее столько молекул, атомов, ионов, электронов или других структурных единиц, сколько содержится их в 12 г изотопа углерода ¹²C.

Все утверждения относительно молекул остаются справедливыми для молей.

Например, уравнение реакции: 2Na + Cl₂  2NaCl, означает, что два атома натрия реагируют с одной молекулой хлора или, что одно и то же, два моль натрия реагируют с одним молем хлора.

Определение моля базируется на числе структурных единиц, содержащихся в 12 г углерода. Установлено, что данная масса углерода содержит 6,02× 10²³ атомов углерода. Следовательно, любое вещество количеством 1 моль содержит 6,02× 10²³ структурных единиц (атомов, молекул, ионов).

Число частиц 6,02 × 10²³ называется числом Авогадро или постоянной Авогадро и обозначается N_A.

Число Авогадро (N_A) — этоколичество частиц в 1 моль любого вещества.

N_A = 6,02 × 10²³ моль^-1

 

Пример.

Сколько молекул содержится в 0,2 моль серы?

Определим число структурных единиц (молекул), используя постоянную Авогадро N_A

N_(s) = n _(s) • N_A = 0,2 моль • 6,02 • 10²³ = 1,2 • 10²³

 

Для удобства расчетов, проводимых на основании химических реакций и учитывающих количества исходных реагентов и продуктов взаимодействия в молях, вводится понятие молярной массы вещества.

Молярная масса (M) показывает массу 1 моля вещества и равна отношению массы вещества к соответствующему количеству вещества.

M = m / n,

Где т — масса в граммах, n — количество вещества в молях, М — молярная масса в г/моль — постоянная величина для каждого данного вещества.

Значение молярной массы численно совпадает с относительной молекулярной массой вещества (или относительной атомной массой элемента в простом веществе атомарного строения), однако первая величина имеет размерность г/моль, а вторая - безразмерная.

Для более удобного сравнения способности различных элементов к соединению введено понятие химического эквивалента. Это одно из важнейших понятий химии.

Химический эквивалент вещества — это такое его количество, которое соединяется с 1 молем атомов водорода или замещает то же количество атомов водорода в химических реакциях. Масса 1 эквивалента вещества называется эквивалентной массой (m_экв).

Эквивалентную массу соединения можно определить по его химической формуле, например,

M _{экв(оксида)} = m _{(оксида)}/(число атомов кислорода — 2);

m _{экв(основания)} = m _{(основания)}/число гидроксильных групп;

m _{экв(кислоты)} = m _{(кислоты)}/число протонов;

m _{экв(соли)} = m _(соли) /(число атомов металла ∙ валентность металла).

Аналогично можно дать определение понятию эквивалентный объем.

Эквивалентный объем – это тот объем, который при данных условиях занимает 1 эквивалент вещества. Так как эквивалент водорода равен 1 моль, а в 22,4 л Н₂ содержатся 2 эквивалента водорода; тогда эквивалентный объем водорода равен 22,4/2=11,2 л/моль, для О₂ эквивалентный объем равен 5,6 л/моль.

Определить эквивалент вещества можно также по его соединению с другим веществом, эквивалент которого известен.

Определить молярную массу эквивалента (эквивалентную массу) можно исходя из закона эквивалентов, который гласит, что химические элементы соединяются между собой или замещают друг друга в количествах, пропорциональных их молярным массам эквивалентов:

m₁/m₂=m_экв1/ m_экв2, где

где m₁ и m₂ — массы реагирующих или образующихся веществ, m _экв1 и m _экв2 — эквивалентные массы этих веществ.

 

Вопросы: (для контроля знаний)

1. Что такое химия?
2. Что такое атом и что такое молекула в химии?
3. В чём различие между простыми и сложными веществами?
4. В чём отличие химических явлений от физических?
5. В чём сходство и различие между относительной молекулярной и молярной массами?
6. Что показывает валентность, а что – степень окисления?
7. Определите эквивалентную массу: а) CaO; б) Ca(OH)₂; в) H₂SO₄; г) CaCl₂.

Список используемых источников:

1. http://www.xenoid.ru/materials/himiya/uch_chem_osnteorhim01.php
2. http://examchemistry.com/content/lesson/osnovnyepon/ponyatiya.html
3. http://benschoolcountry.grodno.unibel.by/general_and_inorganic_chemistry/page8.html
4. http://uclg.ru/education/himiya/8_klass/vvedenie_v_himiyu/lecture_osnovnyie_ponyatiya_himii2.html
5. http://school-sector.relarn.ru/nsm/chemistry/Rus/Data/Text/Ch1_1.html