Химия - наука о веществах, закономерностях их превращений (физических и химических свойствах) и применении.

В настоящее время известно более 100 тыс. неорганических и более 4 млн. органических соединений.

Химические явления: одни вещества превращаются в другие, отличающиеся от исходных составом и свойствами, при этом состав ядер атомов не изменяется.

Физические явления: меняется физическое состояние веществ (парообразование, плавление, электропроводность, излучение тепла и света, ковкость и др.) или образуются новые вещества с изменением состава ядер атомов.

Атомно - молекулярное учение.

1. Все вещества состоят из молекул.

Молекула - наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами.

2. Молекулы состоят из атомов.

Атом - наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Различным элементам соответствуют различные атомы.

3. Молекулы и атомы находятся в непрерывном движении; между ними существуют силы притяжения и отталкивания.

Химический элемент - это вид атомов, характеризующийся определенными зарядами ядер и строением электронных оболочек. В настоящее время известно 118 элементов: 89 из них найдены в природе (на Земле), остальные получены искусственным путем. Атомы существуют в свободном состоянии, в соединениях с атомами того же или других элементов, образуя молекулы. Способность атомов вступать во взаимодействие с другими атомами и образовывать химические соединения определяется его строением. Атомы состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, движущихся вокруг него, образуя электронейтральную систему, которая подчиняется законам, характерным для микросистем.

Атомное ядро - центральная часть атома, состоящая из Zпротонов и Nнейтронов, в которой сосредоточена основная масса атомов.

Заряд ядра - положительный, по величине равен количеству протонов в ядре или электронов в нейтральном атоме и совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе.

Сумма протонов и нейтронов атомного ядра называется массовым числом A= Z+ N .

Изотопы - химические элементы с одинаковыми зарядами ядер, но различными массовыми числами за счет разного числа нейтронов в ядре.

Химическая формула - это условная запись состава вещества с помощью химических знаков (предложены в 1814 г. Й. Берцелиусом) и индексов (индекс - цифра, стоящая справа внизу от символа. Обозначает число атомов в молекуле). Химическая формула показывает, атомы каких элементов и в каком отношении соединены между собой в молекуле.

Аллотропия - явление образования химическим элементом нескольких простых веществ, различающихся по строению и свойствам. Простые вещества - молекулы, состоят из атомов одного и того же элемента.

C ложные вещества - молекулы, состоят из атомов различных химических элементов.

Постоянная атомной массы равна 1 / 12 массы изотопа 12 C - основного изотопа природного углерода.

m u = 1 / 12 m (12 C ) =1 а.е.м = 1,66057 10 -24 г

Относительная атомная масса (A r ) - безразмерная величина, равная отношению средней массы атома элемента (с учетом процентного содержания изотопов в природе) к 1 / 12 массы атома 12 C .

Средняя абсолютная масса атома (m ) равна относительной атомной массе, умноженной на а.е.м.

A r (Mg ) = 24,312

m (Mg ) = 24,312 1,66057 10 -24 = 4,037 10 -23 г

Относительная молекулярная масса (M r ) - безразмерная величина, показывающая, во сколько раз масса молекулы данного вещества больше 1 / 12 массы атома углерода 12 C .

M г = m г / (1 / 12 m а (12 C ))

m r - масса молекулы данного вещества;

m а (12 C ) - масса атома углерода 12 C .

M г = S A г (э). Относительная молекулярная масса вещества равна сумме относительных атомных масс всех элементов с учетом индексов.

Примеры.

M г (B 2 O 3 ) = 2 A r (B ) + 3 A r (O ) = 2 11 + 3 16 = 70

M г (KAl(SO 4) 2) = 1 A r (K) + 1 A r (Al) + 1 2 A r (S) + 2 4 A r (O) =
= 1 39 + 1 27 + 1 2 32 + 2 4 16 = 258

Абсолютная масса молекулы равна относительной молекулярной массе, умноженной на а.е.м. Число атомов и молекул в обычных образцах веществ очень велико, поэтому при характеристике количества вещества используют специальную единицу измерения - моль.

Количество вещества, моль . Означает определенное число структурных элементов (молекул, атомов, ионов). Обозначается n , измеряется в моль. Моль - количество вещества, содержащее столько же частиц, сколько содержится атомов в 12 г углерода.

Число Авогадро (N A ). Количество частиц в 1 моль любого вещества одно и то же и равно 6,02 10 23 . (Постоянная Авогадро имеет размерность - моль -1).

Пример.

Сколько молекул содержится в 6,4 г серы?

Молекулярная масса серы равна 32 г /моль. Определяем количество г/моль вещества в 6,4 г серы:

n (s ) = m (s ) / M (s ) = 6,4г / 32 г/моль = 0,2 моль

Определим число структурных единиц (молекул), используя постоянную Авогадро N A

N(s) = n (s) N A = 0,2 6,02 10 23 = 1,2 10 23

Молярная масса показывает массу 1 моля вещества (обозначается M ).

M = m / n

Молярная масса вещества равна отношению массы вещества к соответствующему количеству вещества.

Молярная масса вещества численно равна его относительной молекулярной массе, однако первая величина имеет размерность г/моль, а вторая - безразмерная.

M = N A m (1 молекула) = N A M г 1 а.е.м. = (N A 1 а.е.м.) M г = M г

Это означает, что если масса некоторой молекулы равна, например, 80 а.е.м. (SO 3 ), то масса одного моля молекул равна 80 г. Постоянная Авогадро является коэффициентом пропорциональности, обеспечивающим переход от молекулярных соотношений к молярным. Все утверждения относительно молекул остаются справедливыми для молей (при замене, в случае необходимости, а.е.м. на г) Например, уравнение реакции: 2 Na + Cl 2 2 NaCl , означает, что два атома натрия реагируют с одной молекулой хлора или, что одно и то же, два моль натрия реагируют с одним молем хлора.

У этой науки было и другое название, ныне почти забытое: минеральная химия. Оно достаточно четко определяло содержание науки: изучение веществ, главным образом твердых, которые составляют мир неживой природы. Анализ природных неорганических веществ, прежде всего минералов, позволил в XVIII-XIX вв. открыть большое количество элементов, существующих на Земле. И каждое такое открытие давало неорганической химии новый материал, расширяло количество объектов для ее исследований.

Название «неорганическая» прочно закрепилось в научном языке тогда, когда стала интенсивно развиваться органическая химия, изучавшая природные и синтетические органические вещества. Их число в XIX в. стремительно возрастало с каждым годом, потому что синтезировать новые органические соединения было легче и проще, чем неорганические. И теоретическая база у органической химии долгое время была солиднее: достаточно назвать бутле-ровскую теорию химического строения органических соединений. Наконец, разнообразие органических веществ оказалось проще четко классифицировать.

Все это на первых порах привело к разграничению объектов исследования двух основных разделов химической науки. Органическую химию стали определять как область химии, изучающую углеродсодер-жащие вещества. Уделом же неорганической оказывалось познание свойств всех прочих химических соединений. Это различие сохранилось и в современном определении неорганической химии: науки о химических элементах и образуемых ими простых и сложных химических соединениях. Всех элементов, кроме углерода. Правда, всегда делают оговорку, что некоторые простые соединения углерода - оксиды и их производные, карбиды и некоторые другие - должны быть причислены к неорганическим веществам.

Однако стало очевидным, что резкого разграничения между неорганикой и органикой нет. В самом деле, ведь известны такие обширные классы веществ, как элементоорганические (в особенности металло-органические) и координационные (комплексные) соединения, которые не просто однозначно отнести ни к органической, ни к неорганической химии.

История научной химии началась с неорганики. И потому не удивительно, что именно в русле неорганической химии возникли важнейшие понятия и теоретические представления, способствовавшие развитию химии в целом. На материале неорганической химии была разработана кислородная теория горения, установлены основные стехиометрические законы (см. Стехиометрия), наконец, создано атом-но-молекулярное учение. Сравнительное изучение свойств элементов и их соединений и закономерностей изменения этих свойств по мере увеличения атомных масс привело к открытию периодического закона и построению периодической системы химических элементов, которая стала важнейшей теоретической основой неорганической химии. Способствовало ее прогрессу и развитие производства многих практически важных веществ - кислот, соды, минеральных удобрений. Заметно вырос престиж неорганической химии после осуществления промышленного синтеза аммиака.

Тормозом для развития химии вообще, а неорганической в особенности было отсутствие точных представлений о строении атомов. Создание теории строения атомов имело для нее колоссальное значение. Теория объяснила причину периодического изменения свойств элементов, способствовала появлению теорий валентности и представлений о природе химической связи в неорганических соединениях, понятия об ионной и ковалентной связи. Более глубокое понимание природы химической связи было достигнуто в рамках квантовой химии.

Так неорганическая химия стала строгой теоретической дисциплиной. Но постоянно совершенствовалась и техника эксперимента. Новое лабораторное оборудование позволяло применять для химических синтезов неорганических соединений температуры в несколько тысяч градусов и близкие к абсолютному нулю; использовать давления в сотни тысяч атмосфер и, наоборот, проводить реакции в условиях глубокого вакуума. Действие электрических разрядов, излучений большой интенсивности также было взято на вооружение химиками-неорганиками. Больших успехов достиг каталитический неорганический синтез.

Почти все известные химические элементы, не только существующие на Земле, но и полученные в ядерных реакциях, находят практическое применение. Например, плутоний стал основным ядерным горючим, и его химия изучена, пожалуй, полнее, чем многих других элементов менделеевской системы. Но чтобы практика сочла возможным использовать какой-либо химический элемент, химики-неорганики предварительно должны были всесторонне познать его свойства. Особенно это касается так называемых редких элементов.

Перед современной неорганической химией стоят две основные задачи. Объектами исследования первой из них являются атом и молекула: важно знать, как связаны свойства веществ со строением атомов и молекул. Здесь неоценимую помощь оказывают различные физические методы исследования (см. Физическая химия). Идеи и представления физической химии давно используются химиками-неорганиками.

Вторая задача - разработка научных основ получения неорганических веществ и материалов с заранее заданными свойствами. Такие неорганические соединения необходимы новой технике. Ей нужны вещества жаростойкие, имеющие высокую механическую прочность, устойчивые по отношению к самым агрессивным химическим реагентам, а также вещества очень высокой степени чистоты, полупроводниковые материалы и т. д. Постановке экспериментов здесь предшествуют строгие и сложные теоретические расчеты, и для их проведения часто используются электронные вычислительные машины. Во многих случаях неорганической химии удается правильно предсказать, будет ли предполагаемый продукт синтеза обладать требуемыми свойствами.

Объем исследований в неорганической химии сейчас настолько велик, что в ней сформировались самостоятельные разделы: химии отдельных элементов (например, химия азота, химия фосфора, химия урана, химия плутония) или их определенных совокупностей (химия переходных металлов, химия редкоземельных элементов, химия трансурановых элементов). В качестве самостоятельных объектов исследования могут рассматриваться различные классы неорганических соединений (скажем, химия гидридов, химия карбидов). Этим отдельным «ветвям» и «веточкам» могучего «древа» неорганической химии ныне посвящаются специальные монографии. И конечно же, возникают и будут возникать новые разделы этой древней и всегда молодой науки. Так, в последние десятилетия возникли химия полупроводников и химия инертных газов.

Общая химия. Неорганическая химия.

Предмет и задачи 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.п.

Химия - наука, изучающая процессы превращения веществ, сопровождающиеся изменением состава и структуры, а также взаимные переходы между этими процессами и другими формами движения материи.

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

На современном этапе развития нашего общества забота о здоровье человека является задачей первостепенной важности. Лечение многих заболеваний стало возможным благодаря достижениям химии в области создания новых веществ и материалов: лекарственных средств, заменителей крови, полимеров и полимерных материалов.

Не имея глубоких и разносторонних знаний в области химии, не понимая значения положительного или отрицательного влияния различных химических факторов на здоровье человека и окружающую его среду, нельзя стать грамотным медицинским работником.

Общая химия. Неорганическая химия.

Неорганическая химия - это наука элементов периодической системы и образованных ими простых и сложных веществ.

Неорганическая химия неотделима от общей химии. Исторически при изучении химического взаимодействия элементов друг с другом были сформулированы основные законы химии, общие закономерности протекания химических реакций, теория химической связи, учение о растворах и многое другое, что составляет предмет общей химии.

Таким образом, общая химия изучает теоретические представления и концепции, составляющие фундамент всей системы химических знаний.

Неорганическая химия давно перешагнула стадию описательной науки и в настоящее время переживает свое «второе рождение» в результате широкого привлечения квантово-химических методов, зонной модели энергетического спектра электронов, открытия валентно-химических соединений благородных газов, целенаправленного синтеза материалов с особыми физическими и химическими свойствами. На основе глубокого изучения зависимости между химическим строением и свойствами она успешно решает главную задачу - создание новых неорганических веществ с заданными свойствами.

2. Методы общей и неорганической химии.

Из экспериментальных методов химии важнейшим является метод химических реакций. Химическая реакция - превращение одних веществ в другие путем изменения состава и химического строения. Химические реакции дают возможность исследовать химические свойства веществ. По химическим реакциям исследуемого вещества можно косвенно судить о его химическом строении. Прямые же методы установления химического строения в большинстве своем основаны на использовании физических явлений.

Также на основе химических реакций осуществляется и неорганический синтез, который за последнее время достиг большого успеха, особенно в получении особо чистых соединений в виде монокристаллов. Этому способствовали применение высоких температур и давлений, глубокого вакуума, внедрение бесконтейнерных способов очистки и т.п.

При проведении химических реакций, а также при выделении веществ из смеси в чистом виде важную роль играют препаративные методы: осаждение, кристаллизация, фильтрование, сублимация, перегонка и т.п. В настоящее время многие из этих классических препаративных методов получили дальнейшее развитие и являются ведущими в технологии получения особо чистых веществ и монокристаллов. Это методы направленной кристаллизации, зонной перекристаллизации, вакуумной сублимации, фракционной перегонки. Одна из особенностей современной неорганической химии это синтез и исследование особо чистых веществ на монокристаллах.

Методы физико-химического анализа широко применяются при изучении растворов и сплавов, когда образующиеся в них соединения трудно или практически невозможно выделить в индивидуальном состоянии. Тогда исследуют физические свойства систем в зависимости от изменения состава. В результате строят диаграмму состав - свойства, анализ который позволяет делать заключение о характере химического взаимодействия компонентов, образование соединений и их свойствах.

Для познания сущности явления одних экспериментальных методов недостаточно, поэтому Ломоносов говорил, что истинный химик должен быть теоретиком. Только через мышление, научную абстракцию и обобщение познаются законы природы, создаются гипотезы и теории.

Теоретическое осмысление опытного материала и создание стройной системы химических знаний в современной общей и неорганической химии базируется на: 1) квантово-механической теории строения атомов и периодической системе элементов Д.И. Менделеева; 2) квантово-химической теории химического строения и учении о зависимости свойств вещества от «его химического строения; 3) учении о химическом равновесии, основанной на понятиях химической термодинамики.

3. 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.

а) Атомно-молекулярная теория.

Создатель атомно-молекулярного изучения 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 века после утверждения в химии атомистики Дальтона. С тех пор главным объектом исследования химии стали молекулы.

б) Закон сохранения массы и энергии.

В 1760 г. Ломоносов сформулировал единый закон массы и энергии. Но до начала XX в. эти законы рассматривались независимо друг от друга. Химия в основном имела дело с законом сохранения массы вещества (масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции).

Например: 2КСlO 3 = 2 КСl + 3O 2

Слева: 2 атома калия Справа: 2 атома калия

2 атома хлора 2 атома хлора

6 атомов кислорода 6 атомов кислорода

Физика имела дело с законом сохранения энергии. В 1905 г. основоположник современной физики А. Эйнштейн показал, что между массой и энергией существует взаимосвязь, выражаемая уравнением Е = mс 2 , где Е - энергия, m - масса; с - скорость света в вакууме.

в) 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 его графическое выражение - Периодическую систему. Только вследствие этого открытия стало возможным химическое предвидение, предсказание новых фактов. Поэтому Менделеев является основателем современной химии.

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.

Периодическая система также сыграла колоссальную роль в учении о естественной и искусственной радиоактивности, освобождении внутриядерной энергии.

Периодический закон и Периодическая система беспрерывно развиваются 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.

г) Теория химического строения.

Фундаментальная задача химии - изучение зависимости между химическим строением вещества и его свойствами. Свойства вещества являются функцией его химического строения. До A.M. Бутлерова считали, что свойства вещества определяются его качественным и количественным составом. Он впервые сформулировал основное положение своей теории химического строения. Таким образом: химическая натура сложной частицы определяется натурой элементарных составных частиц, количеством их и химическим строением. В переводе на современный язык это означает, что свойства молекулы определяются природой составляющих ее атомов, их количеством и химическим строением молекулы. Первоначально теория химического строения относилась к химическим соединениям, имеющим молекулярную структуру. В настоящее время теория, созданная Бутлеровым, считается общехимической теорией строения химических соединений и зависимости свойств их от химического строения. Эта теория - продолжение и развитие атомно-молекулярного учения Ломоносова.

4. Роль отечественных и зарубежных ученых в развитии общей и

неорганической химии.