Основные понятия и законы химии

Определение химии. Современная химия является одной из естественных наук и представляет собой систему отдельных дисциплин: общей и неорганической химии, аналитической химии, органической химии, физической и коллоидной химии, геохимии, космохимии и т.д.

Химия – наука, изучающая процессы превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и структуры, условия и пути превращения одних веществ в другие.

Таким образом, главным объектом химии как науки являются вещества и их превращения.

Известны две формы существования материи как объективной реальности: вещество и поле. Вещество – материальное образование, состоящее из элементарных частиц, имеющих собственную массу, или массу покоя.К элементарным частицам с конечной массой покоя относятся электроны и позитроны (лептоны), протоны, нейтроны (нуклоны), гипероны и другие тяжелые частицы (барионы). Промежуточные по массе частицы между лептонами и нуклонами называют мезонами. Мезоны и барионы вместе именуются адронами. Все вещества в конечном итоге состоят из атомов,

следовательно, из электронов, протонов и нейтронов.

В отличие от вещества поле – материальная среда, в которой осуществляется взаимодействие частиц. Так, в электромагнитном поле происходит взаимодействие между заряженными частицами, а ядерное поле осуществляет взаимодействие между нуклонами и т.п. Полевая форма материи не является непосредственным объектом химии и проявляется прежде всего энергетическими характеристиками, хотя и обладает массой.

В определении химии подчеркивается взаимосвязь химической и других форм движения материи. Движение есть способ существования материи, ее коренное и неотъемлемое свойство. Многообразные явления Вселенной, несмотря на их качественное различие, представляют собой различные формы и виды движущейся материи. Специфика химической формы движения материи – изменение состава вещества. Химические процессы образования и разрушения веществ всегда сопровождаются изменением их состава и структуры. При этом разрываются, вновь возникают или перераспределяются химические связи между атомами, входящими в состав вещества.

Общая химия изучает теоретические представления и концепции, составляющие фундамент всей системы химических знаний.

Химические реакции – превращение одних веществ в другие путем изменения состава и химического строения.

Фундаментальные теории и законы химии. К числу основополагающих обобщений химии и естествознания относятся атомно-молекулярная теория, закон сохранения массы и энергии, Периодическая система и теория химического строения.

Атомно–молекулярная теория. Создатель атомно-молекулярного учения и первооткрыватель закона сохранения массы веществ М.В. Ломоносов по праву считается основателем научной химии. Ломоносов четко различал две ступени в строении вещества: элементы (в нашем понимании – атомы) и корпускулы (молекулы). Согласно Ломоносову, молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, а молекулы сложных веществ – из разных атомов. Всеобщее признание атомно-молекулярная теория получила в начале XIX в. после утверждения в химии атомистики Дальтона. С тех пор главным объектом исследования химии стали молекулы. Химией молекул продолжает оставаться современная органическая химия, а большинство неорганических веществ не имеют молекулярной структуры. В последнем случае макротела состоят либо из атомов одного и того же химического элемента, либо из атомов разных элементов. Признание немолекулярной формы существования твердого вещества приводит к необходимости пересмотра некоторых положений химической атомистики, модернизации основных законов и понятий, справедливых для пневматической (газовой) химии.

Закон сохранения массы и энергии. В 1760 г. Ломоносов, по существу, сформулировал единый закон сохранения массы и энергии: " Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимается, столько же присовокупится к другому. Так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте… Сей всеобщий естественный закон распространяется и в самые правила движения, ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оныя у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает". Однако до начала ХХ в. эти законы обычно рассматривались независимо друг от друга. Химия в основном имела дело с законом сохранения массы вещества, а физика – с законом сохранения энергии. В 1905 г. основоположник современной физики А.Эйнштейн показал, что между массой и энергией существует взаимосвязь, выражаемая уравнением

Е = mc²

где Е – энергия; m – масса; с – скорость света в вакууме.

Периодический закон. Важнейшая задача неорганической химии заключается в изучении свойств элементов, в выявлении общих закономерностей их химического взаимодействия между собой. Самое крупное научное обобщение в решении этой проблемы сделал Д.И. Менделеев, открывший Периодический закон и графическое его выражение – Периодическую систему. Только вследствие этого открытия стало возможным химическое предвидение, предсказание новых фактов. Поэтому Менделеев является основателем современной химии.

Формулировка периодического закона в редакции Д.А. Менделеева: свойства элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от их атомных масс.

Периодический закон Менделеева является основой естественной систематики химических элементов. Химический элемент – совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Закономерности изменения свойств химических элементов определяются Периодическим законом. Учение о строении атомов объяснило физический смысл Периодического закона. Оказалось, что периодичность изменения свойств элементов и их соединений зависит от периодически повторяющейся сходной структуры электронной оболочки их атомов. Химические и некоторые физические свойства зависят от структуры электронной оболочки, особенно ее наружных слоев. Поэтому Периодический закон является научной основой изучения важнейших свойств элементов и их соединений: кислотно-основных, окислительно-восстановительных, каталитических, комплексообразовательных, полупроводниковых, металлохимических, кристаллохимических, радиохимических и т. п. Помимо теории строения атома Периодическая система элементов сыграла колоссальную роль в учении о естественной и искусственной радиоактивности, освобождении внутриядерной энергии. В настоящее время синтез заурановых и заплутониевых элементов немыслим без Периодической системы, не говоря уже о том, что геохимия и космохимия полностью основываются на ней. Периодический закон и Периодическая система беспрерывно развивается и уточняются. Доказательством тому служит современная формулировка Периодического закона: свойства элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра их атомов. Таким образом, положительный заряд ядра (а не атомная масса) оказался более точным аргументом, от которого зависят свойства элементов и их соединений

Газовые законы химии. При определении атомной массы элемента Дальтон исходил из понятия атомной массы и результатов химического анализа. Однако для установления правильных атомных масс элементов оказались недостаточными указанные исходные позиции Дальтона. Необходимо было атомистику Дальтона дополнить ясными представлениями о молекулах. На этом пути важную роль сыграли газовые законы и особенно закон объемных отношений Гей-Люссака и закон Авогадро. Экспериментальные исследования по изучению химических реакций между газообразными веществами привели Гей-Люссака к открытию закона объемных отношений (1808): при неизменных температуре и давлении объемы вступающих в реакцию газов относятся друг к другу, а также к объемам образующихся газообразных продуктов как небольшие целые числа. Так, при образовании хлорида водорода из простых веществ объемы реагирующих и получающихся газов относятся друг к другу как 1:1:2. А при синтезе воды из простых веществ это отношение равно 2:1:2. Эти пропорции небольших и целых чисел нельзя объяснить, исходя из атомистики Дальтона. Закон объемных отношений нашел объяснение в гипотезах Авогадро (1811):

1. В равных объемах разных газов при одинаковых условиях (давлении и температуре) содержится равное количество молекул.

2. Молекулы простых газообразных веществ, таких, как водород, кислород, азот, хлор и др., состоят из двух атомов.

Таким образом, обе гипотезы Авогадро получили опытное подтверждение в газовой химии. Первая гипотеза впоследствии превратилась в один из основных законов идеальных газов, имеющих первостепенное значение для химии. Из закона Авогадро вытекают два очень важных следствия:

1. Молекулярная масса газа или пара равна произведению его плотности по отношению к любому другому газу на молекулярную массу последнего. При этом под плотностью понимают отношение массы определенного объема данного газа к массе такого же объема другого газа (при одинаковых температуре и давлении), молекулярная масса которого известна.

2. Моль любого газа при нормальных условиях (273 К и 1,013×10⁺⁵ Па) занимает объем 22,4 л. В условиях, отличных от нормальных, объем любого количества газа может быть рассчитан из уравнения Клайперона – Менделеева:

PV=(m/M)RT,

где m – масса газа; М – молекулярная масса; R – молярная газовая постоянная; Р – давление; Т – абсолютная температура; V – объем газа, а m/M = n – число молей.

Дата добавления: 2014-01-13