Семинар 11. Химическая наука об особенностях взаимодействия атомно-молекулярного уровня организации материи.
-
Химия как наука. Основные понятия химии.
Химия - наука о веществах, их строении, свойствах и превращениях. В широком понимании, вещество - это любой вид материи, обладающий собственной массой, например элементарные частицы. В химии понятие вещества более узкое, а именно: вещество - это любая совокупность атомов и молекул.
Превращения веществ, сопровождающиеся изменением состава молекул, называются химическими реакциями. Традиционная химия изучает реакции, которые происходят на макроскопическом уровне (в лаборатории или в окружающем мире), и интерпретирует их на атомно-молекулярном уровне. Известно, например, что сера горит на воздухе голубым пламенем, давая резкий запах. Это - макроскопическое явление.
Современная химия способна изучать химические реакции с участием отдельных молекул, обладающих строго определенной энергией. Пользуясь этим, можно управлять течением химических реакций, подавая энергию в определенные участки молекулы. Управление химическими процессами на молекулярном уровне - одна из основных особенностей современной химии.
Химия как метод изучения химических свойств и строения веществ является чрезвычайно многогранной и плодотворной наукой. На сегодняшний день известно около 15 млн. органических и около полумиллиона неорганических веществ, причем каждое из этих веществ может вступать в десятки реакций, и каждое из них имеет внутреннее строение. Внутреннее строение определяет химические свойства; в свою очередь, по химическим свойствам мы часто можем судить о строении вещества.
Современная химия настолько разнообразна как по объектам, так и по методам их исследования, что многие ее разделы представляют собой самостоятельные науки. Взаимодействие химии и физики дало сразу две науки: физическую химию и химическую физику, причем эти науки, несмотря на сходство названий, изучают совершенно разные объекты. Физическая химия исследует вещества, состоящие из большого числа атомов и молекул, с помощью физических методов и на основе законов физики. Химическая физика основной упор делает на физическом исследовании элементарных химических процессов и строения молекул, ее предметом являются отдельные частицы вещества.
Одним из передовых направлений химии является биохимия - наука, изучающая химические основы жизни.
Чрезвычайно интересные результаты получены в области космической химии, которая занимается химическими процессами, протекающими на планетах и звездах, а также в межзвездном пространстве.
Самой молодой областью химии является возникшая буквально в последнее десятилетие математическая химия. Ее задача - применение математических методов для обработки химических закономерностей, поиска связей между строением и свойствами веществ, кодирования веществ по их молекулярной структуре, подсчета числа изомеров органических веществ. Современная химия самым тесным образом взаимодействует со всеми другими областями естествознания. Ни одно серьезное химическое исследование не обходится без использования физических методов для установления структуры веществ и математических методов для анализа результатов.
Основу химии составляют атомно-молекулярная теория, теория строения атомов и молекул, закон сохранения массы и энергии и периодический закон.
Одним из основных понятий химии и других естественных наук является атом. Этот термин имеет давнее происхождение; он насчитывает уже около 2500 лет. Впервые понятие атома зародилось в Древней Греции, примерно в V в. до н.э. Основоположниками атомистического учения были древнегреческие философы Левкипп и его ученик Демокрит. Именно они выдвинули идею о дискретном строении материи и ввели термин «атом». Демокрит определял атом как наименьшую, далее неделимую, частицу материи.
Учение Демокрита не получило широкого распространения, и в течение большого исторического периода в химии (а во времена средневековья - алхимии) господствовала теория Аристотеля (384 – 322 гг. до н.э.). Согласно учению Аристотеля, основными началами природы являются абстрактные «принципы»: холод, тепло, сухость и влажность, при комбинации которых, образуются четыре основных «элемента-стихии» земля, воздух, огонь и вода.
И только в начале XIX столетия английский ученый Джон Дальтон возвращается к атомам как наименьшим частицам материи и вводит в науку этот термин. Этому предшествовали работы таких замечательных ученых, как Р. Бойль (в книге «Химик-скептик» он нанес сокрушительный удар по представлениям алхимиков), Дж. Пристли и К.В. Шееле (открытие кислорода), Г. Кавендиш (открытие водорода), А.Л. Лавуазье (попытка составить первую таблицу простых веществ), М.В. Ломоносов (основные положения атомно-молекулярного учения, закон сохранения массы), Ж.Л. Пруст (закон постоянства состава) и многие другие.
Открытия в области физики, сделанные в конце XIX – первой трети XX столетий, заставили ученых совершенно иначе смотреть на атомно-молекулярное учение. Оказалось, что атом обладает сложным строением и не является не является наименьшей частицей материи.
Атом (греч. - неделимый) – это наименьшая частица химического элемента, способная к самостоятельному существованию и являющаяся носителем его свойств. Атом представляет собой электронейтральную микросистему, состоящую из положительно заряженного ядра и соответствующего числа электронов.
Химический элемент – вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Химический элемент – это понятие, а не материальная частица. Это не атом, а совокупность атомов, характеризующихся определенным признаком – одинаковым зарядом ядра.
Электрон [др. греч. – янтарь (хорошо электризуется при трении)] – стабильная элементарная частица, имеющая массу покоя, равную 9,109 ∙ 10-31 кг = 5,486 ∙ 10-4 а.е.м., и несущая элементарный отрицательный заряд, равный 1,6 ∙ 10-19 Кл.
В химии и в физике при решении многих задач заряд электрона принимают за -1 и заряды всех остальных частиц выражают в этих единицах. Электроны входят в состав всех атомов.
Протон (греч. - первый) – элементарная частица, являющаяся составной частью ядер атомов всех элементов, обладает массой покоя mp = 1,672 ∙ 10-27 кг = 1,007 а.е.м. и элементарным положительным электрическим зарядом, равным по величине заряду электрона, т.е. 1,6 ∙ 10-19 Кл.
Число протонов в ядре определяет порядковый номер химического элемента.
Нейтрон (лат. – ни то, ни другое) – электрически нейтральная элементарная частица с массой покоя, несколько превышающей массу покоя протона mn = 1,675 ∙ 10-27 кг = 1,009 а.е.м.
Наряду с протоном нейтрон входит в состав всех атомных ядер (за исключением ядра изотопа водорода 1Н, представляющего собой один протон).
Обобщающее название протонов и нейтронов – нуклоны.
Массовое число – общее число нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре.
Ядро атома состоит из протонов, число которых равно порядковому номеру элемента (Z), и нейтронов (N). A = Z + N, где А – массовое число.
Нуклиды (лат. - ядро) – общее название атомных ядер, характеризуются определенным числом протонов и нейтронов (величиной положительного заряда и массовым числом).
Для того, чтобы указать химический элемент, достаточно назвать только одну величину – заряд ядра, т.е. порядковый номер элемента в Периодической системе. Для определения нуклида этого недостаточно – надо указать также и его массовое число.
Иногда, не совсем точно, понятие «нуклид» относят не к самому ядру, а ко всему атому.
Изотопы – нуклиды, имеющие одинаковое число протонов, но различающиеся массовыми числами.
Изотопы – нуклиды, занимающие одно и то же место в Периодической системе, т.е. атомы одного и того же химического элемента.
Изобары (греч. – равный вес) – нуклиды, имеющие одинаковые массовые числа, но различное число протонов (т.е. относящиеся к различным химическим элементам), например, 90Sr, 90Y, 90Zr.
Изотоны – нуклиды с одинаковым числом нейтронов.
Довольно долго химики не делали четкого различия между атомами и молекулами простых веществ. В 1811 г. А.Авогадро предложил гипотезу, которая позволяло однозначно определить эти понятия, однако современники ее не оценили, и она получила признание только в 1860 г., после состоявшегося в Карлсруэ (Германия) первого международного съезда химиков, когда молекула стала пониматься как мельчайшая частица вещества, участвующая в его химических превращениях. По мере развития естественных наук определение молекулы претерпело некоторые изменения.
Молекула (уменьшительное от лат. moles - масса) – это наименьшая частица вещества, определяющая его свойства. Состоит из атомов одного или различных химических элементов и существует как единая система атомных ядер и электронов. В случае одноатомных молекул (например, благородных газов) понятия атома и молекулы совпадают.
Атомы удерживаются в молекуле с помощью химических связей.
В химии, кроме атомов и молекул, приходится рассматривать и другие структурные единицы: ионы и радикалы.
Ионы (греч. - идущий) – электрически заряженные частицы, образовавшиеся из атомов (или атомных групп) в результате присоединения или потери электронов.
Положительно заряженные ионы называются катионами, отрицательно заряженные – анионами.
Радикалы – частицы (атомы или группы атомов) с неспаренными электронами.
Они обладают высокой реакционный способностью. Например, Н∙ - радикал водорода, Cl∙ - радикал хлора, ∙СН3 – радикал – метил. В тоже время, парамагнитные молекулы, например О2, NO, NO2, имеющие неспаренные электроны, не являются радикалами.
Простое вещество – вещество, состоящее из атомов одного химического элемента.
Простое вещество – это форма существования химического элемента. Многие элементы могут существовать в виде нескольких простых веществ, например, углерод (графит, алмаз, карбин, фуллерены), фосфор (белый, красный, черный), кислород (озон, кислород).
Известно около 400 простых веществ.
Аллотропия – способность химического элемента существовать в виде двух или нескольких простых веществ, отличающихся количеством атомов в молекуле (например, О2 и О3) или разной структурой кристаллов (графит и алмаз).
Полиморфизм – способность твердых веществ существовать в двух или нескольких формах с различной кристаллической структурой и различными же свойствами. Такие формы называются полиморфными модификациями.
Аллотропия относится только к простым веществам и рассматривает как различие в составе их молекул, так и различие в строении кристаллических решеток. Если речь идет о различии в строении кристаллических решеток простых веществ, то понятия полиморфизм и аллотропия совпадают, например, о графите и алмазе можно сказать, что это аллотропные формы, а можно – полиморфные формы.
Сложное вещество, или соединение – вещество, состоящее из атомов разных химических элементов.
Изоморфизм – способность сходных по составу веществ образовывать смешанные кристаллы, в которых близкие по размеру атомы, ионы или атомные группировки случайным образом замещают друг друга.