Строение вещества

Мы знаем, что вещества состоят из атомов, связанных друг с другом химическими связями.

Атом состоит из (+) ядра, в котором сосредоточена практически вся масса атома, и (–) электронов, «вращающихся» вокруг него и как бы задающих наружную границу атома.

Размеры: атом 10^-10м (атом водорода)...10^{-9 м, ядро10-14}...10^{-13 м.}

Ядро состоит из нуклонов т.е. протонов (+) и незаряженных нейтронов одинаковой массы. Заряд протона численно равен заряду электрона. Атом электронейтрален, поэтому число электронов равно числу протонов. Масса электронов в атоме очень мала и в расчет не принимается.

Атомы с одинаковым зарядом ядра (т.е. с одинаковым z - числом протонов в ядре) относят к одному химическому элементу. Заряд ядра z (целое число) является номером элемента в таблице Менделеева.

Атомы с одинаковым зарядом, но разной массой А (т.е. разным n - числом нейтронов в ядре) являются изотопами одного элемента (A=z+n) Химические свойства изотопов одинаковы, т. к. в химических реакциях главная роль принадлежит конфигурация электронных оболочек (ядерные реакции – это к физике).

Благодаря этому свойству изотопы используются и в науке и в практике. Например, радиоактивные изотопы помогают установить путь лекарства в организме, диагностировать функции органов человека и клеточных органелл, прослеживать пути распространения элементов в глобальных циклах, датировать древние отложения и ископаемые останки вымерших животных. Интересно, что при помощи изотопа ¹⁸О, включенного в состав СО₂ и Н₂О, было установлено, что в процессе фотосинтеза кислород, выделяющийся в атмосферу, берется из молекулы воды:

6СО₂ + 6Н₂¹⁸О = С₆ Н₁₂ О₆ + 6¹⁸О₂.

Масса атома А (атомная масса) измеряется в особых единицах – а. е. м.

1 а.е.м.(атомная единица массы) – это 1/12 массы атома изотопа углерода ¹²С,

и всего-навсего это 1,66057∙10⁻²⁴ г. (масса электрона – порядка 10^–4 а.е.м.). Протон и нейтрон имеют очень близкие атомные массы, примерно принимаемые за 1 а.е.м. у каждого.

Но нас не должны пугать такие неудобные величины, так как для реальных расчетов в химии используется специальная единица количества вещества ‑ моль. 1 моль включает в себя 6,0229∙10 ²³ частиц (структурных единиц), причем считать в молях можно что угодно - атомы, ионы, молекулы, части молекул и ионов (например ½ Al₂(SO₄)₃, 1/3Al³⁺), электроны, фотоны.

Число Авогадро (N_A=6,0229∙10 ²³) таково, что 1 моль атомов изотопа ¹²С имеет массу как раз 12 граммов. Таким образом, масса 1 моль атомов элемента, выраженная в граммах, численно совпадает с его атомной массой, выраженной в а.е.м.

На практике пользуются также относительной атомной массой - А _r. Ее численное значение такое же, как у А, только она безразмерная (а.е.м. не пишется).

Молекулярная масса М молекул какого-то соединения рассчитывается как сумма атомных масс А с учетом количества атомов в одной молекуле. Она может выражаться в а.е.м, или быть относительной - безразмерной М _r.

Например,

1 моль молекул Н₂О содержит 1 моль атомов О и 2 моль атомов Н. Соответственно, М(Н₂О) = А(О) + 2∙А(Н) = 15.9994∙1 + 1.0079∙2≈18 а.е.м.

М _r (Н₂О) = 18.

Молярная масса (М) – это масса в граммах одного моля частиц, то есть атомов, молекул, формульных единиц (про формульные единицы см. ниже). Молярная масса численно совпадает с атомной или молекулярной, но имеет размерность грамм/моль. М(Н₂О) = 18 г/моль

Ввиду того, что в природе каждый элемент представлен набором легких и тяжелых изотопов, масса элемента в таблице Менделеева указывается для природной смеси изотопов, то есть – дробная. Наиболее яркий пример ₁₇Cl А _r = 35,453: в природе ³⁵Сl - 75,53% атомов, ³⁷Cl - 24,47% атомов.

Для учебных расчетов А _r обычно округляют до целых чисел, а для хлора – до 35,5.

Химия изучает те процессы, в которых атомы не возникают и не

разрушаются, а перегруппировываются: Н₂ + О₂ → Н₂О.

Простые вещества состоят из атомов одного элемента (Н₂; О₂), сложные – из атомов разных элементов (Н₂О).

(ядерные реакции, испарение, замерзание и проч. – это процессы физические)

При этом происходит разрушение межатомных химических связей в исходных

веществах и образование новых межатомных химических связей в продуктах реакции.

На уровне атома эти изменения касаются только (еще раз повторим) их внешних электронных оболочек.

Из этого следует, что правильно написанная реакция должна быть уравнена, чтобы в исходных веществах (слева) и в продуктах реакции (справа) было одинаковое количество атомов каждого элемента:

2Н₂ + О₂ = 2 Н₂О

(Две молекулы Н₂ взаимодействуют с одной молекулой О₂, образуются две молекулы воды.)

Числа перед формулами веществ – это стехиометрические коэффициенты. Если число перед веществом не написано, значит стехиометрический коэффициент равен 1.

Помня о том, что Е=mc², и что при химических реакциях энергия может теряться и приобретаться (например, выделяется или поглощается теплота), масса исходных веществ и продуктов реакции могут и не совпадать. Но реально изменения массы гораздо меньше погрешности измерений, так что их учесть экспериментально невозможно.

Составу вещества соответствует химическая формула.

Например, получили вещество в результате реакции С + О₂ = СО₂.

CO₂ – это молекулярная формула вещества. Из нее видно, что в диоксиде углерода СО₂ – один атом С и два атома О. Для него можно определить молекулярную массу (44 а.е.м.). Можно записать еще структурную формулу вещества: О=С=О (палочка означает химическую связь).

Простейшая формула вещества -химическая формула, составленная из символов химических элементов и таких подстрочных индексов, отношение которых равно отношению чисел атомов соответствующих элементов в этом веществе.

Молекулярная формула – химическая формула, составленная из символов химических элементов и таких подстрочных индексов, каждый из которых равен числу атомов соответствующего элемента в молекуле вещества. Например, для диоксида углерода СО₂ простейшая формула совпадает с молекулярной. Для глюкозы, кислорода и серы простейшая формула СН₂О, O, S, а молекулярная С₆Н₁₂О₆, O₂, S₈.

Но существуют и такие соединения, для которых обычно применяемая химическая формула не отражает их реального строения. Их называют немолекулярными веществами. Например, другой оксид - диоксид кремния описывается формулой SiO₂, которая соответствует не молекуле, а формульной единице. Формульная единица - группа атомов, входящих в состав немолеку-лярного вещества, соответствующая простейшей формуле этого вещества.

На первый взгляд, рассматривая химические формулы двух оксидов можно решить, что эти два вещества похожи по свойствам – С находится над Si в той же группе в таблице Менделеева. По аналогии можно было бы предположить структурную формулу O=Si=O (что неверно). Однако СО₂ – газ, а SiO₂ – твердое вещество, да еще и тугоплавкое (t _плавл =1730 ° С). Очевидно, что эта структурная формула не отражает реального строения оксида кремния.

| O | | −O−Si −O−Si−O− | | O |

Судя по формуле SiO2, 1 атом Si соединен с 2 атомами О. Реально (см. рис. слева) 1 атом Si соединен с четырьмя О, причем каждый атом О соединении с двумя Si, и получается сеть (тетраэдрическая, на рисунке дана плоская схема). Сеть простирается далеко, и там, где она кончается, на незанятые валентности добавляются какие-то концевые атомы (скорее всего Н), но доля этих атомов ничтожна. Если посчитать по размерам связей, то в еле заметной песчинке будет 10^12, а в оконном стекле 10^26 атомов, причем все они химически связаны, отсюда и прочность.

Очевидно, что для оксида кремния SiO₂ термин «молекулярная масса» неприменим, можно говорить лишь о формульной массе. То же самое, кстати, относится и к углероду: атомы С в виде графита или алмаза соединены друг с другом тоже в сеть. Так что эти вещества – немолекулярные. Сюда же относятся металлы, соли (NaCl – каждый Na соединен с 6 атомами Cl, каждый Cl – с 6ю атомами Na).

Только не надо в немолекулярные вещества записывать все кристаллы – вода (лед) тоже кристалл, молекулярный.

Дата добавления: 2014-01-05