№1 Основные понятия, законы химии

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Бикяшев Э.А.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ

ОСНОВЫ АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНОГО УЧЕНИЯ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

для студентов I-го курса химического и биолого-почвенного факультетов

г.Ростов-на-Дону

2010

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

Учебно-методическое пособие разработано кандидатом химических наук, доцентом кафедры общей и неорганической химии Бикяшевым Э.А.

Рецензент: канд. техн. наук, ст. преп. Лисневская И.В.

Печатается в соответствии с решением кафедры общей и неорганической химии ЮФУ, протокол № 12 от 18 декабря 2010 г.

2

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

Аннотация

В пособии рассмотрены основные законы химии: закон сохранения масс веществ и стехиометрические законы, определяющие массовые и объемные соотношения веществ и элементов в их составе (в том числе и закон постоянства состава). Такой материал неизбежно требует анализа исторических событий. Но,

наряду с этим, в пособии соответствующие законы обсуждаются и с учетом современных представлений о строении атомов и веществ, в частности,

обосновывается справедливость соответствующих законов, границ их применимости.

3

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

ВВЕДЕНИЕ

Вучебной ВУЗовской литературе этот материал обычно излагается очень кратко и разрозненно (о каждом законе, как правило, разговор ведется отдельно).

Вдействительности же становление атомно-молекулярного учения (АМУ) протекало достаточно длительное время. Причем многие проблемы, входящие в данный круг, реально изучались одновременно и, зачастую, успехи (порой мнимые и ошибочные), достигнутые в одном направлении, сказывались на других параллельно проводившихся исследованиях. Поэтому для лучшего понимания логики возникновения тех или иных химических задач, проблем, связанным с их решением, причин той или иной интерпретации полученных результатов, желательно иметь представление о более широком спектре событий. Последовательное обсуждение всех важных этапов развития химии в XVII–XIXвв выходит за рамки данного пособия (см. список рекомендованной литературы).

Впособии затронуты только те исторические вехи, которые имеют отношение к темам, вынесенным в заголовок (например, в тексте не упоминаются события, связанные со становлением органической химии, а поэтому нет развернутого анализа понятия валентность).

Вто же время, в модуле №1 данного учебного пособия наряду с необходимыми историческими экскурсами (начинаются с маркера "песочные часы"), все обсуждаемые законы химии кратко комментируются, обосновываются с учетом нынешних представлений о строении атомов, о структурах веществ (соответствующие разделы начинаются с маркера "часовой циферблат").

Вмодуле №2 формулируются и поясняются основные положения атомномолекулярного учения в современной трактовке или, иными словами, кратко излагаются важнейшие принципы строения веществ.

4

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

Модуль №1 Основные понятия, основные законы химии

Комплексная цель

В результате изучения данного модуля предстоит познакомиться с историей становления, порой существенной трансформацией основополагающих химических понятий. Важно за переплетениями отдельных исторических фактов увидеть логику развития событий. Необходимо не просто запомнить формулировки законов, а понять взаимосвязанность правильной постановки эксперимента, грамотной интерпретации его результатов, умения делать логические обобщения на основе найденных количественных соотношений. При этом следует обратить внимание на то, что порой разумные идеи, навязанные для всеобщего применения, становились тормозом в развитии тех или иных разделов химии (необходимо усвоить границы применимости научных утверждений). В то же время и ошибочные теории на определенном этапе могут иметь важное,

стимулирующее значение.

1.1Основные понятия химии и законы сохранения

ВXVII веке были достигнуты огромные успехи в области физики,

механики, математики и астрономии. Основой естествознания становится принцип количественного измерения в экспериментальных исследованиях. Это находит свое выражение в изобретении разнообразных измерительных приборов

– хронометров, термометров, ареометров, барометров, весов и т.д..

1.1.1Первые химические термины

Вобщетеоретическом естествознании, конечно, следует отметить некоторое

(пусть и умозрительное, исключительно в форме философских трактатов)

возрождение атомистических представлений1, впервые сформулированных в

1 В переводе с древнегреческого атом означает "неделимый".

5

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

работах древнегреческих философов (Левкипп, Демокрит, Эпикур). Так,

например, Рене Декарт утверждал, что все тела состоят из корпускул. Правда, в

отличие от Демокрита, он полагал, что корпускулы делимы и состоят из единой материи. Корпускулярные идеи развивал и французский философ Пьер Гассенди.

Им впервые было использовано понятие молекула, как группа атомов,

образующая соединение (от лат. moles – «кучка»).

Однако, в целом, в химии в эти годы главенствовали алхимические идеи,

которые позволили достичь важных высот в аптекарском деле, в изучении превращений металлов, но многие другие потребности производства,

ремесленничества оказались в плену бесплодных попыток получения благородных металлов путем трансмутации.

Основоположником научной химии принято считать крупнейшего ученого своего времени Роберта Бойля (1627-1691) – соавтора одного из газовых законов.

В результате своих экспериментальных работ по количественному изучению процессов обжига металлов, горения, сухой перегонки древесины, превращения солей, кислот и щелочей Бойль ввёл в химию понятие анализа состава тел

(в частности, в 1663 г. Бойль впервые применил индикаторы для определения кислот и щелочей). Многочисленные наблюдения Бойля положили начало аналитической химии. Эти работы привели его к принципиальным выводам о неприемлемости алхимических представлений о трех началах, из которых состоят все материальные объекты. Элементами, согласно Р.Бойлю, следует признать практически неразложимые тела (вещества). Такое представление об элементах

(простые вещества) сохранялось вплоть до середины XIX века. К открытию одного из них (фосфора) Бойль был весьма близок. Теоретические и экспериментальные работы Бойля оказали решающее влияние на развитие химии.

Бойль наглядно показал, что химики должны решать принципиальные проблемы своей науки на основании экспериментальных данных, положив своими работами начало становлению химии как науки.

6

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

Первой научной теорией в химии следует считать флогистонную теорию,

изложенную в развернутом виде в работах Г.Э.Шталя (1703г.). Он считал, что флогистон (от греческого – «горючий») является составной частью всех горючих веществ. По его мнению, флогистон выделяется при горении или обжиге веществ и, соединяясь с воздухом, образует пламя или огонь. Из воздуха флогистон выделить могут только растения, а через употребление растений флогистон переходит в животные организмы. Вещества, сгоравшие практически без остатка

(от угля – зола, от растительных масел – «прожарок», от серы – серный газ)

считались богатыми флогистоном и теряли его в процессах горения: уголь,

соответственно, представлялся как смесь флогистона и золы. Металлы, наоборот,

по данной теории флогистона содержат немного, в основном, – известь – остаток после обжига металлов на воздухе. При нагревании с углем извести вновь насыщаются флогистоном и образуют металлы. Теория Шталя дала логичное обоснование на тот момент экспериментально хорошо развитым металлургическим процессам.

Во второй половине XVIII века теория флогистона завоевала среди химиков практически всеобщее признание. На основе флогистонных представлений сформировалась химическая номенклатура, предпринимались попытки связать с содержанием флогистона не только горючесть, но и прозрачность, окраску,

кислотно-основные и другие свойства веществ.

Целая плеяда замечательных химиков ‒ К.В.Шееле, М.В.Ломоносов,

Г.Кавендиш, Пристли ‒ искала способы выделить флогистон из различных веществ2.

Это стало мощным стимулом для развития количественных исследований состава

2 В 1745 г. М.В.Ломоносов писал: "При растворении какого-либо неблагородного металла, особенно железа, в кислотных спиртах из отверстия склянки выделяется горючий пар, который представляет собой флогистон". В 1766 г. английский химик Кавендиш, ничего не зная о работах Ломоносова, получил водород по реакции между железом и раствором серной кислоты и назвал его "горючим воздухом". В отличие от Ломоносова Кавендиш считал, что "горючий воздух" ‒ это соединение флогистона с водой.

7

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

веществ, массовых соотношений3. Еще одним важным результатом флогистонной теории явилось активное изучение газообразных продуктов горения, газов вообще и объемных соотношений в реакциях с участием газов (пневматическая химия).

Именно при исследовании газов4 последует каскад открытий простых веществ:

водород, кислород, азот, хлор. Итогом этих исследований стало установление не только газовых законов (закон Бойля-Мариотта ‒ 1662 г., закон Шарля ‒ 1787г.,

дополненный Гей-Люссаком ‒ 1802г.), но и законов, которые принято называть основными законами химии (сохранения, стехиометрических), что привело к отказу от теории флогистона и постепенному становлению атомной теории, атомно-

молекулярного учения о веществах. Замечу сразу, что ряд химических законов,

сформулированных на основе исследования состава газообразных (иначе говоря,

молекулярных) веществ, как стало ясно позднее, имеют частный, ограниченный характер и выполняются только для молекулярныхсоединений.

1.1.2 Закон сохранения массы.

Исключительное значение для химии имело установление закона сохранения массы, являющегося следствием всеобщего естественного закона сохранения материи и движения, сформулированного М.В.Ломоносовым в виде философской концепции в 1748 г. в письме к Д.Эйлеру: "Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что, сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому, ежели, где убудет несколько материи, то умножится в другом месте... Сей всеобщий закон простирается и в самые правила движения; ибо тело, движущее своей силой другое, столько же он

3Именно стремлением объяснить необычное изменение массы тел при их прокаливании на воздухе обусловлено одно из самых известных и самых критикуемых в большинстве современных учебных пособий положений оботрицательной массе флогистона!

4Как будет показано ниже, все газообразные в обычных условиях вещества имеют молекулярное строение, такие вещества могут быть легче всего отделены от нелетучих, а в дальнейшем и друг от друга. Разделение газов может быть основано или на их избирательном растворении в жидкостях, или на разной склонности к сжижению.

8

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает".

Справедливости ради необходимо отметить, что мысль о том, что вещество не может исчезать или твориться, что количество его во вселенной остается постоянным, высказана давно и принималась философами XVII, XVIII вв. как самоочевидное положение, не требующее каких-либо доказательств. Но по мере развития количественных методов исследования в химии крепло понимание того,

что соотношение масс взаимодействующих друг с другом веществ, соотношение масс продуктов, а также соотношение масс реагентов и продуктов реакций имеет фундаментальный характер.

В 1756 г. на конференции Академии наук и искусств России М.В.Ломоносов сообщил о результатах экспериментов, подтверждавших справедливость сохранения масс веществ в процессе реакции обжига металлов.

Повторив опыты Р.Бойля по прокаливанию металлов в запаянных стеклянных ретортах5, он установил, что если сосуд, содержащий металл, взвесить до и после прокаливания, не вскрывая, то масса остается без изменений. При вскрытии реторт, как и в опытах Бойля, наблюдалось всасывание воздуха6, что, по мнению Ломоносова, свидетельствовало о расходовании части газа в процессе

5В опытах Р.Бойля реторты часто взрывались за счет расширения воздуха, поэтому он обычно выполнял прокаливание в два этапа: вначале сильно прогревал открытую реторту с заранее взвешенной пластиной металла для удаления части воздуха, затем запаивал ее и прокаливал металл. Данные эксперименты были частью работ Бойля по изучению отношения различных веществ к нагреванию и поиску элементов, т.е. "веществ не способных к дальнейшему разложению". Кроме того представлял интерес и вопрос влияния на продукты прокаливания отсутствие непосредственного контакта металлов с пламенем. Наблюдавшееся в опытах появление окалины не противоречило бытовавшей в XVII веке алхимической точке зрения о том, что металлы представляют собой сложные тела (элементами, принципами считались сера, соль, ртуть). Однако сам Бойль такое превращение металлов, а также увеличение массы пластин объяснял присоединением огненной материи, которая, по его мнению, проходила сквозь поры стеклянной посуды в отличие от воздуха. Герметичность установки в отношении воздуха доказывало всасывание воздуха после вскрытия реторты, а сам факт всасывания Бойль объяснял тем, что перед запаиванием атмосфера реторты была разреженной за счет удаления части воздуха на первом этапе эксперимента.

6При этом, соответственно, увеличивалась и общая масса.

9

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

прокаливания. Однако факт взаимодействия металлов с компонентами воздуха Ломоносову строго и убедительно обосновать не удалось. Этому есть несколько объяснений. Во-первых, состав воздуха еще не был известен7, а, во-вторых, в эти годы общепризнанной в химии и естествознании вообще была теория флогистона,

поэтому результаты этих экспериментов М.В.Ломоносова не получили должного резонанса.

Примерно через 20 лет (в период 1772‒1777гг.) в экспериментах Д.Резерфорда, К.В.Шееле, Д.Пристли, А.Л.Лавуазье были получены в чистом виде и идентифицированы (открыты) азот и кислород, был доказан сложный состав воздуха. Это позволило Лавуазье доказать, что горение веществ на воздухе есть результат взаимодействия с кислородом. В ходе этих экспериментов он, в

частности, показывает, что при сгорании серы и фосфора с последующим поглощением продуктов сгорания в воде масса раствора увеличивается на такую же величину, на которую уменьшается масса воздуха. Чуть позднее, контролируя массу ртути и кислорода в опытах горения и последующего разложения оксида,

он доказал, что в химических реакциях остается неизменной не только общая масса веществ, но и отдельных элементов ("начал"): "Можно принять в качестве принципа, что во всякой операции количество материи одинаково до и после опыта, что качество и количество начал остаются теми же самыми".

Принимая во внимание вклад А.Л.Лавуазье в выявление массовых соотношений, а также тот факт, как он блестяще использовал полученные им и рядом других химиков результаты для аргументированной критики теории флогистона, для выработки новой (кислородной) теории горения, именно Лавуазье приписывают приоритет открытия закона сохранения масс веществ. Но в учебниках и руководствах химии данный закон стал упоминаться лишь с 1860-х

7 Многие полагали, что воздух представляет собой некую не имеющую массы субстанцию. Газы, выделявшиеся в разнообразных реакциях, называли разными сортами воздуха (если, конечно, не возникало соблазна считать его, как, например, продукт взаимодействия металлов с растворами серной и соляной кислот, флогистоном).

10

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)