1.1. Основные понятия химии

По определению М.В. Ломоносова, “Химическая наука рассматривает свойства и изменения тел, состав тел, объясняет причину того, что с веществами при химических превращениях происходит”.

Вещество – конкретный вид материи, обладающий массой покоя и определенными физическими свойствами. Из различных веществ состоят все окружающие нас тела.

Свойства веществ проявляются в их изменениях. Изменения эти очень разнообразны. Снег под воздействием солнечных лучей тает, металл на открытом воздухе ржавеет, дрова сгорают в печи, пролитая жидкость испаряется. В одних случаях в результате превращений вещества остаются теми же самыми, а в результате других превращений образуются новые вещества. В этом различие химических и физических явлений (превращений).

Явления (превращения)
физические	химические
Явления, при которых вещества не изменяются.	Явления, при которых из одних веществ образуются другие, новые вещества.
Примеры: изменения агрегатного состояния твердое вещество  жидкость  газ; изменение температуры, плотности.	Примеры: реакция горения, коррозия металлов.

В 1741 году в книге “Элементы математической химии” великий русский ученый М.В. Ломоносов изложил основы атомно-молекулярного учения. Сущность учения Ломоносова сводится к следующему:

1.  Все вещества состоят из корпускул (молекул).

2. Молекулы состоят из элементов (атомов).

3. Молекулы и атомы находятся в непрерывном движении. Теплота состоит во внутреннем движении этих частиц.

4. Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов. Молекулы сложных веществ - из разных атомов.

Через 67 лет после указанной работы Ломоносова вышла книга английского ученого Джона Дальтона «Новая система химической философии» (1808) в которой были изложены основные положения химической атомистики. Дальтон впервые определил атомные массы известных и ввел свои знаки для обозначения атомов. Для обозначения атомов Дальтон использовал кружки, в которых помещались точки, черточки, начальные буквы английских названий металлов и другие условные знаки. Широкое распространение эта символика не получила. В 1814 году шведский химик Якоб Берцелиус предложил буквенные химические знаки.

Атомно-молекулярное учение в химии окончательно утвердилось лишь в середине XIX века, на международном съезде химиков в Карлсруэ в 1860 году впервые были приняты определения понятий молекулы и атома.

Молекула - это наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами. Химические свойства молекулы определяются ее составом и химическим строением.

Атом - наименьшая частица химического элемента, обладающая его химическими свойствами. Химические свойства атома определяются его

строением.

Молекулы могут состоять из разного числа атомов.

Из 1 атома:	благородные газы Не, Ne, Ar, Kr, Xe
Из 2 атомов	Н2, О2, N2, F2, Cl2, Br2, I2, CO
Из 3 атомов	Н2О, СО2, HCN, O3
Из 4 атомов	NH3, H2O2
…
Самая большая молекула (2000 г.) (не полимер) 19913 атомов	С5750Н7227N2215O4131S590
Сотни тысяч атомов	Полимерные молекулы

Химический элемент – вид атомов с одинаковым зарядом ядра.

Химические элементы могут существовать в различных формах: одиночные атомы, простые вещества и сложные вещества.

Простые вещества образованы атомами одного элемента (например, Н₂, Р, О₃).

Сложные вещества образованы атомами различных элементов (например, Н₂О, СаСО₃).

С точки зрения пожарной опасности гореть могут как простые, так и сложные вещества. Приведем несколько примеров простых и сложных веществ с различными пожароопасными свойствами.

Таблица 1.1.

Примеры простых и сложных веществ с различными пожароопасными свойствами

Характеристики веществ	Вещества
	простые	сложные
Горючие вещества	Н2, С, Р, S, Na, Fe	CO, NH3, CH3COOH
Негорючие вещества	N2, Ar, He	H2O, HCl, NaOH, H2SO4
Негорючие вещества, представляющие пожарную опасность	O2, O3, галогены – F2, Cl2, Br2, I2	CaC2, сильные окислители – HNO3, KMnO4, NH4NO3, CrO3
Вещества, представляющие опасность при взаимодействии с водой	Na, K, Ca	CaC2, SiH4, BH3, NaH
Огнетушащие вещества	N2, Ar, He	H2O, CO2, хладоны –галогенпроизводные метана и этана (CF2Br2)

Чуть более 100 химических элементов, известных на сегодняшний день, образуют около 400 простых веществ. Это объясняется тем, что многие химические элементы образуют несколько простых веществ.

Аллотропия – явление существования простых веществ в нескольких формах, различных по строению и свойствам. Сами формы называются аллотропными модификациями.

Явление аллотропии вызывается двумя основными причинами.

1. Различное число атомов в молекуле, например в кислороде О₂ и озоне О_3.

2. Различная структура молекул. Так, например, углерод образует четыре аллотропные модификации: алмаз, графит, карбин и фуллерены (шарообразные структуры, содержащие 60, 70 и более атомов углерода).

Рассмотрим понятия относительной атомной и молекулярной массы.

Масса атома чрезвычайно мала и составляет 10^-27 – 10^-25 кг. Для большинства элементов масса атомов определена достаточно точно. Например,

Н	1,674  10-27 кг
О	2,667  10-26 кг
С	1,993  10-26 кг

При расчетах пользоваться такими числами чрезвычайно неудобно. И еще в 1804 году Дальтон ввел представление об относительной атомной массе как числе, показывающем во сколько раз атом какого-либо элемента тяжелее атома другого элемента, взятого в качестве единицы измерения.

С 1961 года за единицу относительных атомных масс принята атомная единица массы, равная 1/12 части массы изотопа углерода ¹²С.

1 а.е.м. =  1,993  10^-26 = 1,667  10^-27 кг

Относительной атомной массой (А_r) элемента называется отношение массы его атома m_a(Э) к 1/12 массы атома ¹²С.

Индекс r – “relative” - относительный.

А_r = , безразмерная величина

Для примера рассчитаем относительные атомные массы водорода и кислорода.

А_r (Н) = = 1,0079 А_r (О) = = 15,9994

Полученные значения численно равны величинам, указанным в периодической системе элементов Д.И. Менделеева.

Относительной молекулярной массой М_r называется отношение массы молекулы вещества m_м(в-ва) к 1/12 массы атома ¹²С.

М_r = , безразмерная величина

Рассчитаем по этой формуле относительную молекулярную массу воды. Масса молекулы воды m_м(Н₂О) = 3,002  10^-26 кг.

М_r (Н₂О) = = 18,007  18

Чаще относительную молекулярную массу определяют более простым способом. Молекулярная масса численно равна сумме атомных масс всех атомов, входящих в молекулу вещества (а эти данные указаны в периодической системе элементов Д.И. Менделеева). В качестве примера еще раз рассчитаем относительную молекулярную массу воды:

М_r(Н₂О) = 2А_r(Н) + А_r(О) = 2 1,0079 + 15,9994 = 18,01  18

В химии часто необходимо сравнивать абсолютные количества вещества. С этой целью была введена единица измерения количества вещества, которая называется “моль”.

Количеством вещества (n) называется физическая величина, определяемая числом структурных элементов системы (атомов, молекул, ионов).

Моль вещества – это такое его количество, которое содержит одно и то же число частиц. В моле любого вещества содержится число частиц, равное числу Авогадро N_A, т.е. 6,02  10²³.

N_A = 6,02  10²³ 1/моль.

Молярная масса (М) – это масса одного моля вещества. Численно она равна относительной молекулярной массе, но в отличие от безразмерной относительной молекулярной массы молярная масса имеет размерность г/моль или кг/кмоль.

Рассчитаем молярную массу воды:

М(Н₂О) = m_м(Н₂О)  N_А = 3,002  10^-26  6,02  10²³ = 0,018 кг/моль =

= 18 г/моль = 18 кг/кмоль.

Число моль (n) может быть рассчитано несколькими способами:

n = n = n =

m – масса вещества, г (кг);

M – молярная масса г/моль (кг/кмоль);

V – объем газа или пара, л (м³);

V_M – молярный объем газа или пара, л/моль (м³/кмоль);

N – число частиц в образце вещества;

N_A – число Авогадро, 1/моль.

Одна из важнейших характеристик атома – это валентность. Связь между валентностью элемента и его положением в периодической системе была установлена Менделеевым. С развитием теории строения атомов и молекул понятие валентности получило физическое обоснование.

Валентность – способность атомов соединяться с другими атомами в определенных соотношениях, т.е. образовывать химические связи. Число связей равно валентности.

За единицу валентности принята валентность атома водорода: он во всех соединениях одновалентен. Если атом элемента присоединяет 1 атом водорода – элемент в этом соединении одновалентен (НCl), если 2 атома водорода – двухвалентен (Н₂S) и т.д. Валентность элемента можно определять и по другим элементам, валентность которых известна.