Предмет и задачи химии.
Место химии среди других естественных наук.
Химия – естественная наука о составе, строении, свойствах и применении веществ.
По Менделееву: химия – это учение об элементах и их соединениях.
Химия тесно связана с физикой, геологией, биологией. На стыке с наукой химией возникли такие науки как геохимия, физхимия, биохимия (изучает химические процессы в живых организмах), космохимия (изучает состав космических тел и миграцию элементов во Вселенной). Известно около 18 млн органических веществ и более 100 тыс неорганических.
Задачи химии
1) Создание веществ с заранее заданными свойствами.
2) Интенсификация промышленных производств.
3) Создание безотходных производств.
4) Использование энергии химических реакций.
Значение химии
1) Химия позволяет синтезировать материалы, которых нет в природе (синтетический каучук, пластмассы, красители, лаки, лекарства, искусственные волокна, искусственное топливо…)
2) Охрана окружающей среды: химия создает безотходные производства, осуществляет контроль за чистотой вод, атмосферы, литосферы)
Все изменения, которые происходят с веществами, называют явлениями.
Явления
Физические – явления, в результате которых происходит изменение агрегатного состояния вещества или формы предмета (превращение воды в пар или лед, плавление стекла…) | Химические – явления, в результате которых из од- них веществ образуются новые вещества, происхо- дит изменение состава молекул (горение веществ, ржавление металлов, скисание молока…) |
Признаки химических реакций: выделение или поглощение тепла, выделение газа, выпадение осадка, изменение окраски, появление запаха.
Атомно-молекулярное учение
Было высказано еще 2500 лет назад Демокритом, но как учение открыто в 1741 г Ломоносовым. Основные положения этого учения изложены в работе «Элементы математической химии».
Основные положения АМУ
1) Все вещества состоят из молекул.
2) Молекулы состоят из атомов.
3) Молекулы и атомы находятся в непрерывном движении.
4) Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, т. е. из атомов одного вида, а сложных веществ из атомов разного вида.
Атомно-молекулярное учение получило дальнейшее развитие в свете современных представлений и окончательно было признано на съезде химиков в 1860 г. в городе Карлсруэ.
1. Существуют вещества с молекулярным (H2O, O2, N2) и немолекулярным (S, C, FeS) строением.
2. У веществ с молекулярным строением все молекулы одинаковы, но ини отличаются от молекул других веществ массой, размерами, составом, строением, химическими свойствами (H2 и Сu)
3. Между молекулами имеются промежутки или межмолекулярные расстояния, размер которых зависит от агрегатного состояния и температуры. Расстояния между молекулами газа больше, чем расстояния между молекулами жидкого и твердого веществ. Этим объясняется легкая сжимаемость газов, а твердые вещества почти не сжимаются.
4. Вещества молекулярного строения при обычных условиях – это газы (О2, Н2, N2), жидкости (H2O, С2Н5ОН, эфир) или легкоплавкие твердые вещества ( tплавл.(S)=1130С, tплавл.(Рбел.)=440С.
5. Молекулы находятся в непрерывном движении, скорость которого зависит от t0С. С повышением температуры скорость движения возрастает.
6. Между молекулами существуют силы взаимного притяжения и отталкивания, значения которых зависят от агрегатного состояния веществ и от температуры. У газов преобладают силы отталкивания. У жидкостей – силы отталкивания и притяжения уравновешены, поэтому они текучи. У твердых веществ – силы взаимного притяжения преобладают над силами отталкивания.
7. Молекулы состоят из более мелких частиц – атомов, которые как и молекулы находятся в непрерывном движении.
8. Атомы одного вида отличаются от атомов другого вида максой, размерами, свойствми.
9. При физических явлениях молекулы сохраняются, при химических разрушаются.
10. У веществ с молекулярным строением в узлах кристаллической решетки находятся молекулы, связи между молекулами слабые и при нагревании легко разрываются, поэтому вещества с молекулярным строением имеют низкие температуры плавления и кипения (газы, спирт)
11. У веществ с немолекулярным строением в узлах кристаллических решеток находятся атомы или ионы. Между ими существуют сильные связи, для разрушения которых требуется много энергии.
NaCl – ионная связь (ионная кристаллическая решетка)»
Салмаз, графит – атомная кристаллическая решетка.
На съезде химиков было дано понятие о молекулах, атомах, химических элементах.
Молекула – это мельчайшая частица вещества, состав и химические свойства которой такие же, как у данного вещества. Химические свойства молекул определяются его составом и строением:
С2Н5ОН – этиловый спирт, СН3-О-СН3 – диметиловый эфир; О2 и О3 – кислород и озон.
Молекула – это электронейтральная наименьшая совокупность атомов, образующих определенную структуру посредством химических связей.
Атом – мельчайшая химически неделимая частица вещества или определенный химический элемент.
Атом – это электронейтральная частица, состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.
Химический элемент – это определенный вид атомов с одинаковым зарядом ядра.
Важнейшей характеристикой атома является положительный заряд его ядра, который численно равен порядковому номеру элемента в Периодической системе химических элементов. Известно более 114 химических элементов. Из них 92 встречаются в природе в естественном состоянии, остальные получены искусственным путем. Все химические элементы делят на металлы и неметаллы, но это деление условно. Важнейшей характеристикой является распространение их в земной коре (геохимические данные).
Русский ученый геохимик Виноградов составил таблицу по распространению элементов в земной коре.
w(O)=47,2%; Эти элементы составляют 99,79%, остальные 0,21% приходится на
w(Si)=27,6%; остальные элементы
w(Al)=8,8%;
w(Fe)=5,1%;
w(Са)=3,6%;
w(Na)=2,64%;
w(К)=2,6%;
w(Мg)=2,1%;
w(Н)=0,15%
установил, что наибольшее распространение в природе имеют элементы с малой атомной массой. В организме преобладают легчайшие (N, H,C, O), в космосе – Н и Не. В живом организме преобладают 6 элементов: С, О, Н, N, S, Р. На их долю приходится 97,4% массы организма. Их называют макроэлементы или органогены.
В земной коре преобладают металлы, в живых организмах – неметаллы. Макроэлементы сконцентрированы не в одном типе тканей организма: в соединительной, мышечной, костной тканях, в составе крови. Они составляют пластический материал тканей, обеспечивают кислотно-щелочное равновесие, осмотическое давление, устойчивость коллоидных систем в организме.
Микроэлементы (I, Zn, F, Mg, Fe, Cu) – неравномерно распределены между тканями и часто обладают сродством к определенному типу тканей. Например, I – накапливается в щитовидной железе, Ba - в сетчатке глаза, Zn – в поджелудочной железе…
Содержание макроэлементов в организме достаточно постоянно, и даже сравнительно большие отклонения от нормы не нарушают жизнедеятельность организма. А вот незначительные отклонения в содержании микроэлементов от нормы вызывают тяжелые заболевания.
Простые и сложные вещества. Аллотропия.
Простые вещества – это вещества, молекулы которых состоят из атомов одного химического элемента (Fe, Mg, Na, O2, O3,F2, H2…).
Сложные вещества – это вещества, молекулы которых состоят из атомов двух и более химических элементов (H2O, H2SO4…).
Химических элементов известно около 114, а простых веществ около 400. Почему? Это объясняется способность одного химического элемента существовать в виде различных простых веществ.
Аллотропия – это явление существования одного химического элемента в виде нескольких простых веществ (аллотропных видоизменений или аллотропных модификаций).
Так, элемент кислород образует две аллотропные модификации – кислород и озон, элемент углерод – четыре: алмаз, графит, карбин и фуреллен; несколько модификаций образует элемент фосфор: белый, красный и черный.
Явление аллотропии вызывается двумя причинами: 1) различным числом атомов в молекуле (например, кислород О2 и озон О3) или 2) образованием различных кристаллических форм (например, алмаз, графит и карбин).
Аллотропные видоизменения отличаются и химической активностью:
Салмаз Сграфит Скарбин
Химическая активность увеличивается
Рчерный Ркрасный Рбелый
Химическая активность увеличивается
О2 (кислород) О3 (озон)
Химическая активность увеличивается
Относительная атомная масса
Современные методы исследования позволяют определить массы атомов с большой точностью. Истинные массы атомов очень малы: например, масса атома водорода составляет 1,674·10-24 г, кислорода – 2,667·10-23 г, углерода – 1,993·10-23 г.
Истинная масса атома элемента выраженная в граммах называется абсолютной массой и обозначается ma.
ma(Н)= 1,674·10-24 г
ma(О)= 2,66·10-23 г
ma(С)= 1,993·10-23 г
С такими числами трудно производить расчеты, поэтому в 1861 г была принята углеродная единица 1/12 ma(С) за 1 а. е.м. (атомная единица массы).
Атомная единица массы – это 1/12 часть массы атома углерода. 1/12 ma(С)=1,66·10-24 г. Все остальные массы атомов сравнивают с ней и находят относительную атомную массу элемента (Ar).
_ma(эл-та)__
Ar(эл-та)= 1/12 ma(С)
Например: ___ma(Н)__ 1,674·10-24 г
Ar(Н) = 1/12 ma(С) = 1,66·10-24 г = 1,0084 а. е.м.
___ma(О)__ 2,667·10-23 г
Ar(О) = 1/12 ma(С) = 1,66·10-24 г = 16 а. е.м.
Зная относительные атомные массы элементов (по Периодической системе) можно найти истинные (абсолютные) их массы:
ma(эл-та) = Аr(эл-та)·1 а. е.м. = Аr(эл-та)·1,66·10-24 г
Относительна атомная масса (Аr) – это число, которое показывает во сколько раз масса атома элемента больше 1/12 массы атома углерода.
Относительная молекулярная масса
Относительная молекулярная масса (Мr) – это число, которое показывает во сколько раз масса молекулы вещества больше 1/12 массы атома углерода.
mм(вещ-ва)
Мr(вещ-ва) = 1/12 ma(С)
Относительно молекулярная масса численно равна сумме относительных атомных масс всех атомов, входящих в состав молекулы.
Моль. Молярная масса.
Каждую химическую реакцию можно рассматривать с качественной стороны (какие вещества вступают в реакцию) и с количественной стороны. К количественной характеристике веществ относятся: масса, объем и число частиц (атомов, ионов или молекул) вступивших в реакцию.
Например:
2Н2 + О2 → 2Н2О
4 а. е.м. + 32 а. е.м. → 36 а. е.м.
2 молек. + 1 молек. → 2 молек.
Если какую-либо химическую реакцию рассматривают с точки зрения числа частиц, то применяют физическую величину – моль.
В международной системе СИ моль принят за единицу количества вещества (n или υ – читается «ню»)
Моль – это количество вещества, содержащее столько же частиц (атомов, молекул или ионов), сколько атомов содержится в 12 г углерода.
12 г 12 г
NA = = = 6,02 ·1023 частиц (атомов, молекул, ионов)
ma(С) 1,993·10-23 г
NA –число Авогадро (постоянная величина)
1 моль Н—содержит --6,02 ·1023 атомов Н
1 моль Н2---содержит --6,02 ·1023 молекул Н2
Молярная масса (М) – это масса одного моль вещества, т. е. 6,02 ·1023 частиц (атомов, молекул, ионов), величина равная отношению массы вещества к количеству вещества. ( численно совпадает с Ar или Mr)
М=Ar; M = Mr
m
n | m = M·n | m
M |
n = Единицы измерения молярной массы: г/моль кг/кмоль мг/ммоль
Н2О 2Н2О
n =1 моль n=2моль
М=18г/моль М=18г/моль
m = n·M =1 моль·18г/моль=18г m= n·M =2 моль·18г/моль=36г
Зная массу 1 моль воды тоже можно найти число Авогадро (оно всегда постоянно).
m(H2O) 18 г
NA = mм(Н2О) = 2,99·10-23 г =6,02·1023 молекул
mм(Н2О)=2ma(H) + ma(O) =2·1,674·10-24 г + 2,66·10-23 г= 2,99·10-23 г
Таким образом можно вывести формулы:
N N
NA = n N= NA·n n= NA
где: NA – число Авогадро (6,02 ·1023)
N – число частиц (атомов, молекул, ионов) данного вещества
n – количество вещества (моль, ммоль, кмоль)
Задания к Занятию №
1) Вычислить относительную молекулярную массу серной кислоты, нитрита натрия, фосфата кальция. Какова молярная масса этих веществ?
2) Рассчитать массу в граммах одной молекулы брома, двух атомов кальция, трех молекул фенола (2,656·10-22 г; 1,328·10-22 г; 4,68·10-22 г)
3) Определить количество вещества атомного кислорода в оксиде железа (III) массой 56 г. (1,05).
4) Масса молекулы вещества равна 2·10-22 г. Какова молярная масса вещества? (120)
5) Сколько структурных единиц содержится в молекулярном йоде массой 50,8 г? (1,2·1023 молекул)
6) Сколько атомов каждого химического элемента содержится в 115 г этилового спирта? (30,1·1023, 90,3·1023, 15,05·1023)
7) Определить количество вещества серной кислоты для 196 г. Сколько ионов каждого вида будет содержать это количество? (24,8·1023, 12,4·1023)
8) Относительная атомная масса серебра равна 108. Определите массу одного атома серебра в граммах. (1,79·10 -22 г)
9) Сколько молекул содержится в 6,8 г сероводорода? Вычислите массу одной молекулы сероводорода (1,204·1023; 5,6·10 -23)
10) Чему равна масса порции кислорода, содержащая 1,5·1023 молекул? (8 г)
