Основные понятия и законы химии (стр. 1 )

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ХИМИИ

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

для студентов 1 курса факультета биологических наук

(направление «почвоведение»)

Ростов-на-Дону

2012

Учебно-методическое пособие разработано:

кандидатом технических наук, доцентом ,

Печатается в соответствии с решением кафедры общей и неорганической химии химического факультета ЮФУ, протокол от 01.01.01 г.

Учебно-методическое пособие предназначено для студентов 1 курса факультета биологических наук (направление «почвоведение»), изучающих дисциплину «Общая и неорганическая химия». В пособии рассматриваются основные понятия и законы химии, законы стехиометрии и газовые законы, рассматриваются примеры решения соответствующих задач.

Пособие написано в соответствии с программой по дисциплине «Общая и неорганическая химия»; на модульной основе.

МОДУЛЬ 1. ВВЕДЕНИЕ В ПРЕДМЕТ

Комплексная цель: выявить объекты изучения химии и место химии в естествознании; определить основные направления «химизации промышленного производства» и негативные стороны всеобщей химизации.

Место химии в естествознании. Химия как наука

Окружающий нас мир существует независимо от нашего сознания и представляет собой различные виды движущейся материи. Материя находится в состоянии вечного движения (изменения, преобразования, развития); мерой этого движения является энергия.

Известны две формы существования материи: вещество и поле. Поле это материальная среда, в которой происходит взаимодействие частиц. Современная наука рассматривает поле как поток квантов, не обладающих массой покоя.

Разнообразные конкретные формы движущейся материи составляют предмет исследования различных областей естествознания и нужно ясно представлять себе место химии среди них.

«Естествознание» - означает знание о природе. Первоначально, изучением природы занималась натурфилософия (от латинского: nature – «природа», греческих phileo –«люблю» и sophia – «мудрость»). В процессе познания природы постепенно формировались как самостоятельные естественные науки различные направления: математика, физика, химия, биология, геология, астрономия и т. д. В конце концов, каждая научная дисциплина сформировала собственные методы познания реальной действительности – теорию, математический аппарат, методику эксперимента, способы измерения и т. д.

Различие между естественными науками состоит, главным образом, в уровне (масштабе) изучаемых явлений. В окружающем нас мире условно можно выделить 4 уровня:

Уровень	Масштаб (м)	Наука
Астрономический		Астрофизика
Макроскопический	1	Физика, биология
Микроскопический	10-11 – 10-6	Химия
фундаментальный	10-30 – 10-15	Физика элементарных частиц

Так, объектом изучения физики, химии и в значительной степени биологии, является вещество, которое все перечисленные науки изучают в процессе изменения свойств, но эти изменения носят различный характер для каждой из областей естествознания. Трудно провести резкую границу между химией и физикой, также как и между другими смежными дисциплинами. По мере раскрытия новых свойств материи на стыках наук возникли и, вероятно, будут еще возникать новые разделы: химическая физика и физическая химия, молекулярная биохимия, биофизическая химия, физическая биохимия, бионеорганическая химия и т. п.

Х и м и я - наука о веществах, их строении и свойствах, их взаимных превращениях друг в друга. Химия изучает движение атомов, молекул, ионов. Любое химическое превращение связано с взаимодействием атомов, молекул, ионов, приводящим к образованию новых молекул или ассоциатов и агрегатов.

Таким образом, химия изучает особую, химическую форму движения материи, характерной особенностью которой является качественное превращение вещества. Химические реакции протекают не только в окружающем нас мире, но и в наших клетках, сосудах человеческого организма. Поэтому без глубокого понимания химических законов невозможно объяснить явления, которые изучают биологи, физики, ботаники, зоологи, археологи и т. д.

Не может быть прогресса в любой современной области знаний без активного участия химии. И в тесной взаимосвязи с другими науками химия продолжает развиваться сама.

Химизация промышленного производства

Во второй половине 20 века достижения химии и химической технологии привели к так называемой «химизации промышленного производства», которое включает в себя целый ряд важнейших направлений:

- широкое использование химических процессов во всех отраслях техники;

- использование синтетических материалов в промышленности и строительстве вместо цветных металлов, сплавов и природных материалов;

- использование синтетических материалов в производстве товаров широкого потребления;

- замена синтетическими продуктами пищевого сырья;

- развитие производства минеральных удобрений; химических средств защиты растений; кормовых добавок;

- развитие химического производства для нужд здравоохранения.

Структура отраслей экономики в нашей стране и примерный уровень их химизации показаны на рис.1.

Однако всеобъемлющая химизация имеет и «оборотную сторону медали». Химическая промышленность нарушила сложившееся в течение миллионов лет равновесие природных процессов на Земле, что, в конечном итоге, стало отражаться на здоровье самого человека. Химическое производство способствует

загрязнению атмосферы, почвы, воды, что приводит к появлению совершенно новых, ранее неизвестных болезней. Поэтому, необходимо разрабатывать и внедрять cовременные методы безотходного производства, комплексное использование природных ресурсов; выпуск продукции, безопасной для человека и окружающей среды.

Строительство электроника металлургия

1.стекло 1.легирование 1. кокс

2. цемент материалов 2. прямое восстанов -

3. лаки, краски 2. эпитаксия мате - ление материалов

4. эффективные матери - риалов синтез-газом или

алы с заданными свой - 3. материалы для твердым восстано-

ствами кабелей, корпусов вителем

электроприборов

энергетика медицина

1. электролиз воды 1. лекарственные препараты

2. плазмолиз воды 2. антисептики

3. газификация топлива 3. вата, бинты, нитки

4. использование энергии

Солнца

Авиация пищевая промышленность

1.топливо ИСПОЛЬЗОВАНИЕ 1.сиропы, эссенции,

2.конструкцион- ХИМИЧЕСКИХ концентраты

ные материалы ПРЦЕССОВ 2.виноделие и прохлади -

тельные напитки

3. Шоколад, конфеты

атомная энергетика автотранспорт

1. теплоносители 1.топливо

2. переработка ядерного 2.материалы

топлива 3. масла и смазки

3.радиационные необлучен - 4. автомобильные камеры

ные материалы и покрышки

сельское хозяйство легкая промышленность

1.минеральные удобрения 1.синтетический каучук

2.фунгийиды 2. синтетические волокна

3. инсектициды 3.парфюмерия

4.кормовой синтетический белок 4.красители

5.бумага

Проектное задание. Дать определение химии как науки; перечислить объекты изучения химии.

Тест рубежного контроля № 1.

Тест содержит 3 задания, на выполнение которых отводится 2 минуты. Выберите наиболее правильный, по Вашему мнению, вариант ответа и отметьте его в бланке ответов любым значком (правильных ответов может быть несколько!)

1. Предмет изучения химии
а) вещества	б) процессы на атомно-молекулярном уровне
в) атомные ядра	г) звездные скопления, планеты
2. Какие из перечисленных явлений изучает химия
а) солнечное затмение	б) радиоактивный распад
в) фотосинтез	г) извержение вулкана
3. Негативные стороны всеобщей химизации производства и быта
а) создание материалов бытовой химии	б) разработка новых сплавов
в) разработка производства продуктов питания	г) загрязнение атмосферы

Бланк ответов

№	1	2	3	4	5
А)
Б)
В)
Г)

Модуль 2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ХИМИИ

Комплексная цель: познакомиться с формулировками основных понятий и законов химии; научиться составлять уравнения химических реакций; применять стехиометрические законы для решения задач.

Содержание

2.1 Атомно-молекулярное учение

Создание атомно-молекулярного учения относится к концу XVIII – началу XIX веков, когда в химию были введены количественные методы исследования и установлены законы химического взаимодействия (стехиометрические законы *), что позволило английскому ученому Дальтону сформулировать некоторые положения атомного учения (1803 г.). Огромный вклад в создание этого учения внес русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов.

Еще древнегреческие философы пытались ответить на вопросы: из чего состоят вещества; почему вещества бывают разными; почему одни вещества могут превращаться в другие?

В широком смысле веществом называют любой вид материи, обладающей массой покоя. В химии понятие вещества более узкое: вещество это любая устойчивая совокупность элементарных частиц, атомов ионов, молекул, обладающих определенными свойствами.

* - Стехиометрия – раздел химии, который изучает количественные (массовые и объемные) соотношения между реагирующими веществами. Стехиометрические законы мы будем рассматривать с точки зрения атомно-молекулярного учения, а не в историческом плане их появления.

Все окружающие нас тела состоят из различных веществ. Каждому веществу присущи определенные физические и химические свойства. К физическим свойствам относят: плотность, температуры плавления и кипения, растворимость, вкус, цвет, запах, агрегатное состояние и др. Любое вещество может переходить из одного агрегатного состояния в другое при изменении условий (например, температуры). Так, вода при обычных условиях является жидкостью, но при температуре 100ºС (температура кипения воды) превращается в пар (газообразное состояние), а при температуре 0ºС (температура замерзания воды) превращается в лед (твердое состояние).

Процессы изменения формы (структуры) или агрегатного состояния веществ, в результате которых новые вещества не образуются, называются физическими явлениями. При физических явлениях молекулы остаются неизменными.

Химические свойства веществ проявляются в превращениях веществ. Поэтому химическими явлениями называются такие явления, при которых из одних веществ образуются другие вещества. Так, процессы ржавления стали, горения дров в печи, гниение листьев деревьев сопровождаются образованием новых веществ.

К основным положениям атомно-молекулярного учения можно отнести:

- вещества состоят из молекул; молекулы разных веществ отличаются между собой составом, строением, размерами, массой;

- молекулы находятся в непрерывном движении; между ними существует взаимное притяжение и отталкивание; скорость движения молекул зависит от агрегатного состояния веществ и от температуры;

- при физических явлениях состав молекул остается неизменным, при химических явлениях происходят качественные и количественные изменения, в результате чего из одних молекул образуются другие;

- молекулы состоят из атомов; атомы характеризуются определенными размерами и массой; разным элементам соответствуют разные атомы.

Понятие «химический элемент» характеризует элементарность веществ на уровне атомов. Химический элемент – совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Свойства химических элементов определяются строением его атомов. В настоящее время существует в природе и получено синтетическим путем более 110 химических элементов, из них в природе встречается только 92.

Греческое слово «атом» означает «неделимый», что справедливо только при химических превращениях. Сейчас атомом называется электро-нейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Молекулой мы будем называть электронейтральную частицу, состоящую из атомов. Молекулы способны к самостоятельному существованию; они могут состоять из одинаковых или различных атомов, соединенных в одно целое с помощью химических связей.

Однако не каждое вещество состоит из молекул. Скорее даже, большинство веществ имеют немолекулярное строение. Например, хлорид натрия (обыкновенная поваренная соль) состоит из положительно и отрицательно зараженных ионов, алмаз состоит из атомов углерода, металлы также не являются молекулярными веществами.

Если вещество образовано одинаковыми атомами, то его относят к простым веществам (например: водород Н2, кислород О2, озон О3, сера S, железо Fe). Сложные вещества состоят из атомов различных химических элементов: вода – Н2О, азотная кислота – НNO3, глюкоза – С6Н12О6 и т. д.

Очень часто бывает так, что атомы одного химического элемента образуют несколько простых веществ. Такое явление называется аллотропией, оно обусловлено несколькими причинами: 1) в состав молекул входит различное число атомов одного химического элемента (кислород – O2 и озон O3); 2) из атомов одного химического элемента образуются кристаллы различного строения – частный случай полиморфизма (графит и алмаз; сера ромбическая и моноклинная и т. д.). Известно более 400 аллотропных модификаций простых веществ.

Каждый химический элемент обозначают соответствующим символом, например, символ Cu обозначает атомы меди, символ Н – атомы водорода, символ Cl – атомы хлора и т. д.

Состав вещества условно обозначают химическими формулами, где соответствующие символы обозначают атомы химических элементов, входящие в состав вещества, а цифровые индексы справа внизу от символа - число атомов данного химического элемента. Например, молекула серной кислоты состоит из двух атомов водорода, одного атома серы (индекс «1» не пишется) и четырех атомов кислорода: H2SO4 .

Химические формулы, которые указывают истинное число атомов в молекуле, называются молекулярными формулами. Если химическая формула указывает только соотношение атомов в атомных или ионных (в полимерных) структурах, то ее называют эмпирической или простейшей формулой. Например, состав ионного вещества – хлорида натрия – отображается простейшей формулой NaCl.

Часто мы будем использовать графические формулы, в которых отражается последовательность взаимного расположения атомов в молекуле. Каждая химическая связь в таких формулах обозначается черточкой. Однако графические формулы не всегда дают представление о геометрии молекул.

Например, графические формулы воды, пероксида водорода, серной кислоты изображают так:

O H H — O O

/ \ / \ //

H H O — O S

/ / \\

H H — O O