Химията, чиито основни понятия ще разгледаме, е наука, която изучава веществата и техните трансформации, които се случват с промяна в структурата и състава, а оттам и свойствата. На първо място е необходимо да се определи какво означава такъв термин като "вещество". Ако говорим за него в широк смисъл, това е форма на материя, която има маса на покой. Вещество е всяка елементарна частица, например неутрон. В химията това понятие се използва в по-тесен смисъл.
Като начало, нека опишем накратко основните термини и понятия на химията, атомната и молекулярната наука. След това ще ги обясним, както и ще посочим някои важни закони на тази наука.
Основните понятия на химията (вещество, атом, молекула) са познати на всеки от нас още от училище. По-долу е кратко описание на тях, както и на други, не толкова очевидни термини и явления.
Атоми
На първо място, всички вещества, които се изучават в химията, са съставени от малки частици, наречени атоми. Неутроните не са обект на изследване на тази наука. Трябва също да се каже, че атомите могат да се комбинират помежду си, което води до образуването на химични връзки. Заза да се разруши тази връзка, е необходима енергия. Следователно атомите не съществуват поотделно при нормални условия (с изключение на „благородните газове“). Те се свързват един с друг поне по двойки.
Непрекъснато термично движение
Непрекъснатото термично движение характеризира всички частици, които се изучават от химията. Основните понятия на тази наука не могат да бъдат изложени без да се говори за това. При непрекъснато движение средната кинетична енергия на частиците е пропорционална на температурата (трябва обаче да се отбележи, че енергиите на отделните частици са различни). Ekin=kT / 2, където k е константата на Болцман. Тази формула е валидна за всякакъв вид движение. Тъй като Ekin=mV2 / 2, движението на масивните частици е по-бавно. Например, ако температурата е същата, молекулите на кислорода се движат средно 4 пъти по-бавно от въглеродните молекули. Това е така, защото масата им е 16 пъти по-голяма. Движението е осцилаторно, транслационно и ротационно. Вибрация се наблюдава и в течности, и в твърди, и в газообразни вещества. Но транслационното и ротационното най-лесно се извършва в газове. По-трудно е в течности и още по-трудно в твърди вещества.
Молекули
Нека продължим да описваме основните понятия и дефиниции на химията. Ако атомите се комбинират един с друг, образувайки малки групи (те се наричат молекули), такива групи участват в топлинно движение, действайки като едно цяло. В типичните молекули присъстват до 100 атома и броят им е такъвнаречените макромолекулни съединения могат да достигнат 105.
Немолекулни вещества
Атомите обаче често са обединени в огромни колективи от 107 до 1027. В тази форма те практически не участват в топлинно движение. Тези асоциации имат малка прилика с молекулите. Те са по-скоро парчета от твърдо тяло. Тези вещества обикновено се наричат немолекулни. В този случай термичното движение се извършва вътре в парчето и то не лети, като молекула. Съществува и преходен диапазон на размера, който включва асоциации, състоящи се от атоми в количество от 105 до 107. Тези частици са или много големи молекули, или са малки прахови зърна.
йони
Трябва да се отбележи, че атомите и техните групи могат да имат електрически заряд. В този случай те се наричат йони в наука като химията, чиито основни понятия изучаваме. Тъй като зарядите с едно и също име винаги се отблъскват взаимно, вещество, при което има значителен излишък от определени заряди, не може да бъде стабилно. Отрицателните и положителните заряди в пространството винаги се редуват. И веществото като цяло остава електрически неутрално. Имайте предвид, че зарядите, считани за големи в електростатиката, са незначителни от гледна точка на химията (за 105-1015 атома - 1e).
Обекти на обучение по химия
Трябва да се изясни, че обектите на изследване в химията са онези явления, в които нямаатомите се унищожават, но само се прегрупират, тоест се комбинират по нов начин. Някои връзки са прекъснати, което води до образуването на други. С други думи, нови вещества се появяват от атомите, които са били част от първоначалните вещества. Ако обаче се запазят както атомите, така и връзките, съществуващи между тях (например по време на изпаряване на молекулни вещества), тогава тези процеси вече не са поле на изучаване на химията, а на молекулярната физика. В случай, че атомите се образуват или унищожават, говорим за предмети на изучаване на ядрената или атомната физика. Границата между химични и физически явления обаче е размита. В крайна сметка разделянето на отделни науки е условно, докато природата е неделима. Ето защо е много полезно за химиците да познават физиката.
Основните понятия на химията бяха накратко очертани от нас. Сега ви каним да ги разгледате по-подробно.
Още за атомите
Атомите и молекулите са това, с което мнозина свързват химията. Тези основни понятия трябва да бъдат ясно дефинирани. Фактът, че атомите съществуват, беше блестящо отгатнат преди две хиляди години. Тогава, още през 19-ти век, учените разполагаха с експериментални данни (все още косвени). Говорим за множеството съотношения на Авогадро, законите за постоянство на състава (по-долу ще разгледаме тези основни понятия на химията). Атомът продължава да се изследва през 20-ти век, когато се появяват много преки експериментални потвърждения. Те се основават на данни от спектроскопия, на разсейване на рентгенови лъчи, алфа частици, неутрони, електрони и др. Размерът на тези частици е приблизително 1 E=1о-10м. Тяхната маса е около 10-27 - 10-25 кг. В центъра на тези частици е положително заредено ядро, около което се движат електрони с отрицателен заряд. Размерът на ядрото е около 10-15 м. Оказва се, че електронната обвивка определя размера на атома, но масата му е почти напълно концентрирана в ядрото. Трябва да се въведе още едно определение, като се имат предвид основните понятия на химията. Химическият елемент е вид атом, чийто заряд на ядрото е същият.
Често има дефиниция за атом като най-малката частица материя, химически неделима. Как да разберем "химично"? Както вече отбелязахме, разделянето на явленията на физически и химически е условно. Но съществуването на атоми е безусловно. Ето защо е по-добре да дефинирате химията чрез тях, а не обратно, атомите чрез химията.
Химична връзка
Това е, което поддържа атомите заедно. Не им позволява да се разпръснат под въздействието на термично движение. Отбелязваме основните характеристики на връзките - това е междуядреното разстояние и енергия. Това са и основните понятия на химията. Дължината на връзката се определя експериментално с достатъчно висока точност. Енергия - също, но не винаги. Например, невъзможно е обективно да се определи какво е това по отношение на единична връзка в сложна молекула. Въпреки това енергията на атомизация на веществото, необходима за разрушаването на всички съществуващи връзки, винаги се определя. Познавайки дължината на връзката, е възможно да се определи кои атоми са свързани (те имат късо разстояние) и кои не (те имат голямо разстояние).разстояние).
Координационен номер и координация
Основните концепции на аналитичната химия включват тези два термина. Какво означават те? Нека разберем.
Координационното число е броят на най-близките съседи на даден атом. С други думи, това е броят на тези, с които той е химически свързан. Координацията е относителното положение, вида и броя на съседите. С други думи, тази концепция е по-смислена. Например координационният номер на азота, характерен за молекулите на амоняка и азотната киселина, е един и същ – 3. Координацията им обаче е различна – непланарна и планарна. Определя се независимо от идеите за естеството на връзката, докато степента на окисление и валентността са условни понятия, които се създават, за да се предвиди предварително координацията и състава.
Определение на молекула
Вече засегнахме тази концепция, като разгледахме накратко основните понятия и закони на химията. Сега нека се спрем на това по-подробно. Учебниците често определят молекулата като най-малката неутрална частица от вещество, която има своите химични свойства и също така е в състояние да съществува самостоятелно. Трябва да се отбележи, че това определение вече е остаряло. Първо, това, което всички физици и химици наричат молекула, не запазва свойствата на материята. Водата се дисоциира, но това изисква минимум 2 молекули. Степента на дисоциация на водата е 10-7. С други думи, само една молекула може да претърпи този процес.от 10 млн. Ако имате една молекула или дори сто, няма да можете да добиете представа за нейната дисоциация. Факт е, че топлинните ефекти на реакциите в химията обикновено включват енергията на взаимодействието между молекулите. Следователно те не могат да бъдат намерени от един от тях. Както химичните, така и физичните свойства на молекулярното вещество могат да бъдат определени само от голяма група молекули. Освен това има вещества, в които "най-малката" частица, способна да съществува независимо, е неограничено голяма и много различна от обичайните молекули. Молекулата всъщност е група от атоми, които не са електрически заредени. В конкретен случай това може да бъде един атом, например Ne. Тази група трябва да може да участва в дифузията, както и в други видове термично движение като цяло.
Както можете да видите, основните понятия на химията не са толкова прости. Молекулата е нещо, което трябва да бъде внимателно проучено. Той има свои собствени свойства, както и молекулно тегло. Ще говорим за последното сега.
Молекулно тегло
Как да определим молекулното тегло чрез опит? Единият начин се основава на закона на Авогадро, според относителната плътност на парите. Най-точният метод е масспектрометричният. Електронът е избит от молекула. Полученият йон първо се ускорява в електрическо поле, след което се отклонява магнитно. Съотношението на заряда към масата се определя точно от големината на отклонението. Съществуват и методи, базирани на свойствата, които имат разтворите. Въпреки това, молекулите във всички тези случаи със сигурност щетрябва да е в движение - в разтвор, във вакуум, в газ. Ако не се движат, е невъзможно обективно да се изчисли масата им. И самото им съществуване в този случай е трудно за откриване.
Характеристики на немолекулните вещества
Говорейки за тях, те отбелязват, че са съставени от атоми, а не от молекули. Същото обаче важи и за благородните газове. Тези атоми се движат свободно, следователно е по-добре да ги мислим като едноатомни молекули. Това обаче не е основното. По-важното е, че в немолекулните вещества има много атоми, които са свързани помежду си. Трябва да се отбележи, че разделянето на всички вещества на немолекулни и молекулярни е недостатъчно. Разделението по свързаност е по-смислено. Помислете например за разликата в свойствата на графита и диаманта. И двете са въглеродни, но първият е мек, а вторият е твърд. Как се различават един от друг? Разликата е именно в тяхната свързаност. Ако разгледаме структурата на графита, ще видим, че силните връзки съществуват само в две измерения. Но в третия, междуатомните разстояния са много значителни, следователно няма силна връзка. Графитът лесно се плъзга и се разделя върху тези слоеве.
Структурна свързаност
В противен случай се нарича пространствено измерение. Той представлява броя на измеренията на пространството, характеризиращи се с факта, че имат непрекъсната (почти безкрайна) система от ядра (силни връзки). Стойностите, които може да приеме, са 0, 1, 2 и 3. Следователно е необходимо да се прави разлика между триизмерно свързани, слоести, верижни и островни (молекулярни) структури.
Законконсистенция на състава
Вече научихме основните понятия на химията. Веществото беше накратко прегледано от нас. Сега нека поговорим за закона, който се прилага за него. Обикновено се формулира по следния начин: всяко отделно вещество (тоест чисто), независимо от това как е получено, има същия количествен и качествен състав. Но какво означава терминът "чисто вещество"? Нека разберем.
Преди две хиляди години, когато структурата на веществата все още не можеше да бъде изследвана с директни методи, когато познатите ни основни химически понятия и закони на химията дори не съществуваха, тя беше определена описателно. Например водата е течност, която формира основата на моретата и реките. Няма мирис, цвят, вкус. Има такива и такива точки на замръзване и топене, от него медният сулфат посинява. Солената морска вода е, защото не е чиста. Въпреки това, солите могат да бъдат разделени чрез дестилация. Приблизително така, чрез описателен метод, бяха определени основните химически понятия и закони на химията.
За учените от онова време не е очевидно, че течността, която е изолирана по различни начини (изгаряне на водород, дехидратация на витриол, дестилация на морска вода), има същия състав. Голямо откритие в науката беше доказателство за този факт. Стана ясно, че съотношението на кислород и водород не може да се променя плавно. Това означава, че елементите са изградени от атоми – неделими части. Така се получават формулите на веществата и се обосновава идеята на учените за молекулите.
BВ днешно време всяко вещество, изрично или имплицитно, се определя преди всичко от формулата, а не от точката на топене, вкуса или цвета. Вода - H2O. Ако присъстват други молекули, то вече няма да е чисто. Следователно, чисто молекулярно вещество е това, което е съставено от молекули само от един вид.
Какво ще кажете за електролитите в този случай? В крайна сметка те съдържат йони, а не само молекули. Необходима е по-строга дефиниция. Чисто молекулярно вещество е това, което се състои от молекули от един и същи тип, а също и, вероятно, продукти на тяхната обратима бърза трансформация (изомеризация, асоциация, дисоциация). Думата "бързо" в този контекст означава, че не можем да се отървем от тези продукти, те веднага се появяват отново. Думата "обратима" показва, че трансформацията не е завършена. Ако е донесен, тогава е по-добре да се каже, че е нестабилен. В този случай това не е чисто вещество.
Закон за запазване на масата на материята
Този закон е познат в метафорична форма от древни времена. Той каза, че материята е несъздаема и неразрушима. След това дойде нейната количествена формулировка. Според него теглото (а от края на 17-ти век и масата) е мярка за количеството материя.
Този закон в обичайната му форма е открит през 1748 г. от Ломоносов. През 1789 г. той е допълнен от А. Лавоазие, френски учен. Съвременната му формулировка звучи така: масата на веществата, влизащи в химическа реакция, е равна на масата на веществата, които се получават в резултаття.
Законът на Авогадро, законът за обемните съотношения на газовете
Последният от тях е формулиран през 1808 г. от Дж. Л. Гей-Люсак, френски учен. Този закон сега е известен като закон на Гей-Люсак. Според него обемите на реагиращите газове са свързани един с друг, както и с обемите на получените газообразни продукти, като малки цели числа.
Моделът, който Гей-Люсак открива, обяснява закона, който е открит малко по-късно, през 1811 г., от Амедео Авогадро, италиански учен. Той казва, че при равни условия (налягане и температура) в газове с еднакви обеми има същия брой молекули.
Две важни изводи следват от закона на Авогадро. Първият е, че при едни и същи условия един мол от всеки газ заема равен обем. Обемът на всеки от тях при нормални условия (които са температура от 0 ° C, както и налягане от 101,325 kPa) е 22,4 литра. Второто следствие от този закон е следното: при равни условия съотношението на масите на газовете с еднакъв обем е равно на съотношението на техните моларни маси.
Има друг закон, който трябва да се спомене. Нека поговорим за това накратко.
Периодичен закон и таблица
D. И. Менделеев, въз основа на химичните свойства на елементите и атомната и молекулярната теория, открива този закон. Това събитие се състоя на 1 март 1869 г. Периодичният закон е един от най-важните по природа. Може да се формулира по следния начин: свойства на елементите и образуванисложните и прости вещества имат периодична зависимост от зарядите на ядрата на техните атоми.
Периодичната таблица, създадена от Менделеев, се състои от седем периода и осем групи. Групите са неговите вертикални колони. Елементите във всеки от тях имат сходни физични и химични свойства. Групата от своя страна е разделена на подгрупи (основни и второстепенни).
Хоризонталните редове на тази таблица се наричат точки. Елементите, които се намират в тях, се различават един от друг, но имат и общо – че последните им електрони са разположени на едно и също енергийно ниво. В първия период има само два елемента. Това са водород Н и хелий Не. Във втория период има осем елемента. В четвъртия вече са 18. Менделеев определи този период като първи голям. Петият също има 18 елемента, структурата му е подобна на четвъртата. Шестият съдържа 32 елемента. Седмият не е завършен. Този период започва с франций (Fr). Можем да предположим, че ще съдържа 32 елемента, като шестия. Досега обаче са открити само 24.
Правило за откат
Съгласно правилото за връщане назад, всички елементи са склонни да получат или загубят електрон, за да имат 8-електронната конфигурация на най-близкия до тях благороден газ. Йонизационната енергия е количеството енергия, необходимо за отделяне на електрон от атом. Правилото за обратен удар гласи, че докато се движите отляво надясно през периодичната таблица, е необходима повече енергия, за да се пусне електрон. Следователно елементите от лявата страна са склонни да губят електрон. срещу,тези от дясната страна са нетърпеливи да го получат.
Очертахме накратко законите и основните понятия на химията. Разбира се, това е само обща информация. В рамките на една статия е невъзможно да се говори подробно за такава сериозна наука. Основните понятия и закони на химията, обобщени в нашата статия, са само отправна точка за по-нататъшно изследване. Всъщност в тази наука има много раздели. Има например органична и неорганична химия. Основните понятия на всеки от разделите на тази наука могат да се изучават много дълго време. Но представените по-горе са общи въпроси. Следователно можем да кажем, че това са основните понятия на органичната химия, както и на неорганичната.
