Основные положения атомно-молекулярного учения

Основные понятия химии

1. Физические явления – это явления, при которых изменяется форма или агрегатное состояние вещества, но не меняется его состав и строение, а, следовательно, и химические свойства. Например, вода при 100 ⁰С переходит в газообразное состояние (пар), а при 0 ⁰С превращается в твёрдое состояние (лёд). Нагревание и охлаждение воды изменяют только её агрегатное состояние, но не нарушают химической связи между атомами водорода и кислорода.

2. Химические явления – это явления, при которых одни вещества превращаются в другие, отличающиеся от исходных своим составом, строением и свойствами. Например, если воду подвергнуть электролизу, то получим два газообразных вещества – водород и кислород, которые отличаются от воды физическими и химическими свойствами.

Химические явления иначе называются химическими превращениями или химическими реакциями. Исходные вещества, которые вступают в химическую реакцию, называются реагентами, а образующиеся новые вещества – продуктами реакции.

Колыбелью атомно-молекулярного учения является Древняя Греция. Атомистика, развитая Левкиппом, Демокритом и Эпикуром, была просто гениальной догадкой, смелым предположением, филисофской концепцией, но не подтвержденной практикой. Это привело к тому, что одна из гениальных догадок человеческого разума постепенно была предана забвению. Об учении атомистов не вспоминали почти 20 веков. И только к концу XVIII, началу XIX века атомно-молекулярное учение было воссоздано, т.е. к тому времени, когда в химию были введены количественные методы исследования. Огромный вклад в развитие этой теории внес великий русский ученый М. В. Ломоносов (1741 г). Основные положения этой теории заключаются в следующем:

а) Вещества состоят из молекул; молекулы различных веществ отличаются между собой размерами, массой, составом, строением, физическими и химическими свойствами.

б) Молекулы состоят из атомов. Атомы характеризуются определёнными размерами, массой, строением и свойствами. Свойства атомов одного и того же элемента одинаковы и отличаются от свойств атомов других элементов. При химических реакциях атомы в отличие от молекул не претерпевают качественных изменений.

в) Молекулы и атомы находятся в непрерывном движении; между ними существует взаимное притяжение и отталкивание. Скорость движения молекул зависит от агрегатного состояния вещества.

г) При физических явлениях состав молекул остаётся неизменным; при химических явлениях молекулы претерпевают качественные и количественные изменения, т. е. молекулы одних веществ превращаются в молекулы других веществ.

Через 67 лет после Ломоносова (1808 г) атомистическое учение в химии применил английский учёный Дальтон и развил его дальше. Атомно-молекулярное учение в химии окончательно утвердилось лишь в середине XIX века. На международном съезде химиков в 1860 г. были приняты определения атома и молекулы.

4. Атом – это наименьшая электронейтральная частица химического элемента, сохраняющая его химические свойства и состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Атом является пределом химической делимости материи. Они могут взаимодействовать между собой, образуя молекулы.

5. Молекула – это наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами и способная к устойчивому самостоятельному существованию.

Способность к устойчивому самостоятельному существованию является свойством большинства молекул, но не обязательным их признаком. Так, например, угольная кислота Н₂СО₃ к устойчивому самостоятельному существованию не способна, однако с химической точки зрения именно эта молекула является основой для образования всех производных угольной кислоты.

Не все вещества состоят из молекул. Известно много веществ немолекулярного строения, к ним относятся ионные или атомные кристаллы.

6. Химический элемент – это отдельный вид атомов с одинаковым положительным зарядом ядра. Химические свойства элемента определяются строением его атомов.

7. Простые и сложные вещества. Вещества, молекулы которых состоят из атомов одного элемента, называются простыми (H₂, O₂, Cu, S и т.д.). Простых веществ известно свыше 400. Сложные вещества (химические соединения) – это вещества, молекулы которых состоят из атомов разных элементов (H₂O, H₂SO₄, NaCl и т. д.).

Между понятиями «простое вещество» и «химический элемент» существует различие. Любое простое вещество характеризуется строго определенной совокупностью признаков – цветом, формой кристаллов, плотностью, температурой кипения, плавления и т. д. Этими и другими признаками простые вещества отличаются между собой.

Свойства же химического элемента определяются признаками отдельных атомов, в первую очередь – зарядом ядра.

8. Аллотропия – это способность химического элемента образовывать несколько простых веществ. Сами же простые вещества, которые образованы одним элементом, называются аллотропными видоизменениями или модификациями. Аллотропия обусловлена двумя причинами:

а) различным числом атомов в молекуле (например, элемент кислород образует две аллотропные модификации – кислород O₂ и озон O₃);

б) образованием различных кристаллических форм (например, алмаз и графит).

9. Химическая формула – это условное обозначение состава молекулы вещества с помощью символов химических элементов. Цифры в формулах называются индексами. Индекс показывает число атомов каждого элемента в молекуле вещества. Различают несколько видов химических формул: эмпирические (простейшие), молекулярные (истинные) и структурные (графические).

Химические формулы, указывающие только на соотношение атомов в молекуле, называют эмпирическими или простейшими.

Химические формулы, указывающие истинное число атомов в молекуле, называют молекулярными.

Химические формулы, указывающие порядок относительного расположения атомов в молекуле, называют структурными.

Каждое вещество имеет свою химическую формулу. По формуле вещества можно рассчитывать массовую долю каждого химического элемента, который входит в состав вещества. Массовая доля элемента Х (в %) – это отношение относительной атомной массы данного элемента, умноженной на число его атомов в молекуле, к относительной молекулярной массе вещества

A_r (X)×n

w (X) = ¾¾¾¾ ×100 %,

M_r

где w (X) – массовая доля элемента X в формуле данного вещества; A_r (X) – относительная атомная масса элемента X; n – число атомов элемента X в молекуле вещества; М_r – относительная молекулярная масса вещества.

10. Химическое уравнение – это выражение химической реакции с помощью химических формул веществ. Химические уравнения составляют таким образом, чтобы число атомов каждого элемента в левой и правой частях уравнения было одинаковым. Для этого перед формулами веществ ставят коэффициенты. Они показывают число молекул или молей каждого вещества, которое участвует в реакции.

11. Валентность – это свойство атомов данного элемента образовывать определённое число химических связей с атомами других элементов в молекуле. Обозначают валентность римскими цифрами над символом элемента. За единицу валентности принимается валентность атома водорода. Поэтому в водородном соединении валентность элемента равна числу атомов водорода, которые присоединяет атом данного элемента. Например, в соединениях HCl, H₂O, PH₃, CH₄ валентность хлора – I, кислорода – II, фосфора – III, углерода – IV.

Многие элементы не образуют соединений с водородом, но образуют их с кислородом. Кислород в соединениях всегда двухвалентен. Так, в оксидах Na₂O, CaO, Fe₂O₃ валентность натрия, кальция и железа соответственно равны I, II и III.

Существуют элементы с постоянной и переменной валентностью. Элемент с постоянной валентностью – это элемент, который во всех соединениях имеет одинаковую валентность. Элемент с переменной валентностью – это элемент, который в разных соединениях имеет разную валентность.

Для бинарных соединений (A _m B _n) существует правило валентности: произведение валентности на число атомов одного элемента (А) равно произведению валентности на число атомов другого элемента (В).

Правило валентности позволяет:

- определить валентность элементов по формулам их соединений;

- составлять формулы бинарных соединений по валентности элементов.

12. Относительная атомная масса ( A_r). Второй важной характеристикой атома после заряда ядра является его относительная атомная масса. Истинная масса атома элемента называется абсолютной атомной массой (m_A). Массы атомов очень малы. Например,

m_A (H) = 1,67×10^-24 г,

m_A (O) = 2,66×10^-23 г,

m_A (C) = 1,99×10^-23 г.

Пользоваться такими числами при различных расчётах крайне неудобно. Поэтому в химии обычно используют не абсолютные, а относительные значения масс атомов. Понятие атомной массы претерпело длительную эволюцию. Вначале химики в течение почти 100 лет пользовались водородной единицей атомных масс. Затем была введена кислородная единица, равная 1/16 массы атома кислорода. Она была общепринятой с 1906 по 1961 г. В 1961 г. Международный союз по чистой и прикладной химии (IUPAC) принял новую единицу измерения атомных масс – атомную единицу массы. Углеродная единица (у.е) или атомная единица массы (а.е.м.) – это 1/12 массы атома изотопа углерода с массовым числом 12 (¹²C):

1 а.е.м. = 1/12 m_A (¹²C) = 1,66×10^-24 г.

Эта единица создает единую основу для химических и физических расчетов.

Относительная атомная масса (A_r) – это масса атома, выраженная в атомных единицах массы. A_r – это число, показывающее, во сколько раз масса атома данного элемента тяжелее 1/12 массы атома изотопа углерода ¹²C. Величина A_r безразмерна.

Между абсолютной и относительной атомными массами элемента X существует соотношение, выражаемое формулой

m_A (X)

m_A (X) = A_r (X)×1 а.е.м. или A_r (X) = ¾¾¾¾¾

1/12 m_A (¹²C)

где m_A (X) – масса атома данного элемента, m_A (¹²C) – масса атома углерода.

Относительная атомная масса – одна из основных характеристик химического элемента. Их значения приведены в периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева. Например, A_r (Fe) = 56 а.е.м. Это значит, что атом элемента железа в 56 раз тяжелее 1/12 массы атома углерода. Абсолютная масса атома железа будет равна: 56×1,66×10^-24 = 92,96×10^-24 г.

Приблизительные величины атомных масс (для тяжелых элементов) можно определить, исходя из правила Дюлонга и Пти: произведение удельной теплоёмкости простого вещества в твердом состоянии на атомную массу элемента при средних температурах равно приблизительно 6,38.

Атомные массы с точностью до 0,1 находят методом определения эквивалентов. Современные физические методы (масс-спектроскопия) позволяют определять относительные массы атомов с точностью до 0,001 и даже до 0,00001.

Современные значения атомных масс в углеродной шкале приведены в периодической системе элементов Д.И. Менделеева. Обычно для расчетов используют округленные значения относительных масс.

13.Относительная молекулярная масса (M_r) – это масса молекулы вещества, выраженная в атомных единицах массы. M_r – это число, показывающее, во сколько раз масса молекулы данного вещества тяжелее 1/12 массы атома изотопа углерода ¹²С. Величина M_r безразмерна.

Относительная молекулярная масса молекул простых и сложных веществ равна сумме относительных атомных масс атомов, входящих в состав молекул.

Между абсолютной и относительной молекулярными массами вещества X существует соотношение, выражаемое формулой

m_M (X)

m_M (X) = M_r (X)×1 а.е.м. или M_r (X) = ¾¾¾¾¾

1/12 m_A (C)

Например, M_r (H₂O) = 2× A_r (H) + A_r (O) = 2×1 + 16 = 18. Это значит, что одна молекула воды в 18 раз тяжелее атомной единицы массы.

Относительная молекулярная масса – одна из основных характеристик вещества.

14. Количество вещества (n) – это число формульных единиц или структурных частиц (молекул, атомов, ионов или других частиц), образующих данное вещество. Для измерения количества вещества в химии принята особая единица – моль.

Моль – это количество вещества определённой химической формулы, содержащее столько же формульных единиц (ФЕ), сколько атомов содержится в 12 г атомов изотопа углерода ¹²С. Указанная масса углерода содержит 6,02×10²³ атомов. Это число называется постоянной Авогадро (N_A). N_A – это число структурных частиц, содержащихся в одном моле любого вещества:

N_A = 6,02×10²³ моль^-1

Это означает, что 1 моль железа, 1 моль меди, 1 моль серы, 1 моль углерода и т.д. содержит одно и тоже число атомов. Это также означает, что 1 моль воды, 1 моль углекислого газа, 1 моль молекулярного водорода и т.д. содержит одно и то же число молекул. И в том и в другом случае число частиц (атомов, молекул), содержащихся в одном моле, равно числу атомов в одном моле углерода.

Число Авогадро огромно. Например, если собрать 6,02×10²³ шаров, радиус которых 14 см, то их суммарный объём составит примерно такой же объём, какой занимает вся наша планета Земля. Другой пример: если взять такое количество самых маленьких песчинок кварцевого песка, то ими можно засыпать все океаны и моря земного шара.

15. Молярная масса (M) – это масса одного моля (6,02×10²³ молекул) данного вещества, т. е. отношение массы вещества к количеству вещества:

m

M = ¾, г/моль,

n

где m - масса вещества в граммах, n - количество вещества в молях. Значение

молярной массы численно совпадает с относительной атомной массой элемента или относительной молекулярной массой вещества. Например, молярная масса воды численно равна её относительной молекулярной массе. М_r (H₂O) = 18; M (H₂O) = 18 г/моль. Это значит, что один моль воды, т. е. 6,02×10²³ её молекул, весит 18 г.

Исходя из молярной массы и числа Авогадро можно рассчитать абсолютные массы атомов и молекул по следующей формуле

M

m_A (m_M) = ¾

N_A

Дата добавления: 2017-01-13