Основные положения и законы химии

Лекция № 1.

Основные положения и законы химии.

Вводная часть.

Наука «химия» и наука общая химия.

Основные понятия и законы химии.

Во-первых, человек сам представляет собой систему, в которой происходят различные химические превращения.

Во-вторых, человек использует эти процессы с древнейших времён. Первой такой химической реакцией, которую люди использовали ещё в каменном веке, была экзотермическая реакция окисления органических веществ при высокой температуре (горение дров). Затем на заре цивилизации – в Древнем Египте, Китае, использовали химические реакции для получения красок, металлов и т.д.

Сейчас невозможно представить себе нашу жизнь без химических процессов, будь то получение лекарств, продуктов и многое другое.

Окружающий нас мир (мы полагаем) – природа – различные формы движущейся материи. Материя может существовать в виде элементарных частиц, имеющих массу покоя и полей, лишённых массы покоя.

Взаимодействуя друг с другом, элементарные частицы образуют более сложные системы – различные атомы. Наконец, атомы, взаимодействуя друг с другом, образуют различные вещества. Каждое вещество обладает некоторым набором характерных признаков – свойствами: плотностью, электропроводностью, окраской, запахом, твёрдостью и т.д., то, что отличает одно вещество от другого.

В определённой совокупности вещества образуют материалы – бумагу, лекарство, стекло, сталь.

При изменении условий – нагревании, освещении, ударе – могут происходить превращения одних веществ в другие – самопроизвольные или в результате взаимодействия нескольких веществ.

II. Химия – это область естествознания, наука о веществах и их превращениях.

Современная химия представляет собой разветвлённую область знаний:

 геометрическое строение кристаллов (кристаллохимия)

 электронное строение (квантовая химия)

 в живых организмах (биохимия)

 зависимость свойств веществ от их состава и строения

(физическая химия)

 о превращениях в космосе (космохимия)

На базе современных химических знаний создаются новые технологии, позволяющие получать из природного сырья принципиально новые вещества и материалы: различные сплавы, сверхпроводящие материалы, полимеры, красители.

Каждый из вас использует химические реакции в своей жизни – печёт ли блины, запускает ли двигатель автомобиля, использует ли минеральные удобрения.

Достижения химии огромны, но есть и другая сторона медали.

Новые вещества не всегда безобидны для природы (инсектициды, ядохимикаты, дым из труб электростанций загрязняют почву, атмосферу). Полимеры медленно разлагаются в природных условиях. Увеличение  в атмосфере ведёт к нарушению круговорота  и вызывает изменение климата на планете.

Таким образом, неграмотное использование химических достижений ведёт к возникновению экологических.

Поэтому каждому образованному специалисту (инженеру) необходим достаточный минимум химических знаний.

Наука беспредельна, всегда есть вопросы, не имеющие ответов, новые факты, что раньше было неизвестно, сейчас констатируется как известный факт. Возникают новые проблемы, умирают старые гипотезы и возникают новые.

Общая химия знакомит читателя с современным ядром – фундаментом химической науки, так как любой раздел общей химии – это предельно сжатое, сделанное в общих чертах целого направления в химии.

Атомно-молекулярное учение.

Начало этому учению положили взгляды древнегреческих философов, которые пытались представить мир, построенный из основных «начал»: элементов воды, воздуха, огня, земли.

С другой стороны возникает понятие «атом» (неделимый) – неделимая частица.

Представления об «элементах» из которых можно получать любые вещества развивались алхимиками. Они собрали огромный фактический материал (получили множество новых соединений, разработали основные методы синтеза и анализа веществ).

Далее химики занимались изготовлением лекарств, красок.

Следующий этап в развитии химии связан с именами Ломоносова и Лавуазье, которые независимо друг от друга открыли законы сохранения.

В 1748 г. Ломоносов обосновал законы сохранения материи и энергии. Лавуазье сформулировал закон сохранения материи на 50 лет позже.

В XIX в. открыты 3 важных закона:

закон постоянства состава (Пруст, 1799 г)

закон простых кратных отношений (Дальтон, 1804 г)

закон простых объёмных отношений для реагирующих газов (Гей-Люссак, 1805 г)

В химию введены понятия атома как носителя свойств химического элемента и молекулы – сложной частицы, состоящей из нескольких атомов и являющейся наименьшей частицей вещества, обладающей его химическими свойствами.

В 1811 г. Авогадро объяснил закон простых объёмных отношений, поняв, что простые газообразные вещества состоят не из атомов, а из молекул. Закон Авогадро был последним «кирпичиком» в создании атомно-молекулярного учения до конца XIX в. Опираясь на него, Д.И. Менделеев открыл в 1869 г. периодический закон – один из основных законов природы.

Открытие в конце XIX в. электрона, радиоактивности, сложного строения атома и целого мира элементарных частиц привело к тому, что многие положения атомно-молекулярного учения пришлось пересмотреть. Стало ясно, что атом неделим только химически. И всё же это вошло в основу современного атомно-молекулярного учения.

Современное представление.

Все вещества состоят из атомов. Атомы представляют собой мельчайшие частицы вещества, которые химическим путём невозможно разделить на составные части, превратить друг в друга или уничтожить. Атомы различных элементов различаются по массе. Совокупность одинаковых атомов образует простое вещество, соответствующее определённому химическому элементу.

Атомы различных элементов взаимодействуют друг с другом в целочисленных отношениях. В результате получаются сложные образования, в частности молекулы.

Молекула – наименьшая частица вещества, обладающая всеми его химическими свойствами. Одно из наиболее важных свойств молекулы – масса.

Как же определить массу этих мельчайших частиц – атомов и молекул?

Уже во времена Ломоносова и Лавуазье химики определили, что, например, в соединении  с  –  94,2% , а в соединении с  – только 13,8%. Отсюда можно сделать вывод, что атомы  тяжелее, чем атомы , но легче чем атомы . На основании этого можно сказать какие атомы легче, какие тяжелее и далее расположить их в порядке возрастания масс. При этом выяснили, что самый лёгкий – .

Атом  оказался в 16 раз тяжелее атома , атом  – в 2 раза тяжелее атома . На основании эти данных Дальтон предложил шкалу относительных атомных масс. Атом каждого элемента характеризовался безразмерным числом, показывающим во сколько раз данный атом тяжелее самого лёгкого (т.е. за единицу приняли ).

Существовала и кислородная шкала.

В 1961 г. была принята углеродная шкала, в которой за единицу приняли 1/12 массы атома изотопа углерода .

III. Относительной атомной массой называется безразмерное число, показывающее во сколько раз масса данного атома больше чем 1/12 атома изотопа углерода .

Совершенно аналогично определяется и относительная масса молекул.

Основные законы.

Закон постоянства состава: Состав чистого вещества не зависит от способа получения этого вещества.

Т. е. для одной и той же молекулы, например  соотношение  и  всегда постоянно.

Сейчас мы знаем, что большинство твёрдых веществ состоят не из молекул, а из атомов или ионов и в этом случае возможны изменения состава в зависимости от условий его получения.

Закон кратных отношений: Если 2 элемента образуют друг с другом несколько соединений, то на одну и ту же массу одного из них приходятся такие массы другого, которые относятся между собой как небольшие целые числа.

Например,  с  образуют 2 соединения – твёрдое белое вещество и бесцветную тяжёлую жидкость. Оба различаются по своему составу: 1-ое содержит 37,2% , а 2-ое 54% .

Например, какая масса  присоединится на единицу массы .

 

закон утверждает, что  – отношение целых чисел

Для нас очевидно, что в состав молекулы  входят 2 атома  и 1 атом . Раньше этого не знали, считая, что 11,1%  и 88,9% .

Закон простых объёмных отношений: Объёмы реагирующих газов относятся друг к другу и к объёмам газообразных продуктов как небольшие целые числа.

Например, один объём  реагирует с двумя объёмами  и при этом получается точно 2 объёма водяного пара: .

Подобные наблюдения позволили предположить, что в одинаковых объёмах газов содержится одинаковое число атомов, но не объясняли соотношение объёмов продуктов реакции.

Выход нашёл Авогадро в 1811 г., предположив, что газообразные вещества состоят из молекул, а не из атомов.

В настоящее время число Авогадро принято равным .

Количество частиц, равное числу Авогадро, получило название «моль».

Моль – количество вещества, содержащего столько же частиц (молекул, атомов, ионов, электронов, фотонов) сколько содержится атомов в 12 г изотопа .

Масса 1-го моль называется молярной массой и выражается в [г/моль].

Из этого следует:

молекулярная масса, выраженная в г, равна относительной молекулярной массе в углеродной шкале;

при одинаковых условиях 1 моль любого газа занимает один и тот же объём, равный 22,4 л.

Вопросы для самоконтроля

Закон постоянства состава.

Закон сохранения массы.

Закон простых кратных отношений.

Относительная молекулярная и атомные массы.

Моль. Молярная масса.