6.4 Химия наука о веществе, химических реакциях и химических системах.

Материя существует в виде вещества и физических, энергетических полей.

Химические свойства вещества – состав, строение, свойства, способы получения и применения.

Химические реакции - образование новых веществ, закономерности протекания в различных условиях.

Химические системы – растворы, сплавы, физико-химические и биохимические формы природных химических систем.

Физические свойства вещества – агрегатное состояние ( газ, жидкость, твердое тело, плазма), плотность, твердость или мягкость, упругость, хрупкость, цвет, блеск, запах, вкус, растворимость, теплопроводность, электрические и магнитные свойства.

Все остальные свойства относятся к химии.

Явления при которых изменяются физические свойства вещества называются физическими, а если меняются химические свойства, это химические явления.

Химические методы исследования – наблюдения химических явлений с поиском закономерностей и теоретического обоснования, химический эксперимент с заранее поставленной целью, измерение химических параметров и свойств моделирование натуральное, аналоговое, имитационное, в том числе с применением ЭВМ.

Химический элемент это атом с определенным зарядом ядра.

Атом это мельчайшая частица химического элемента, состоящий из положительно заряженного массивного ядра и легкой, отрицательно заряженной электронной оболочки. Атом химически не делим, он может изменяться только в атомных и ядерных физических реакциях. Химический элемент обозначается первой и одной из последних букв латинского алфавита, входящих латинское название элемента.

Молекула это мельчайшая частица вещества, состоящая из химически связанных атомов. Связь атомов в молекулу осуществляется за счет изменения их электронных орбит.

Химическая формула это изображение состава вещества или химической реакции с помощью знаков химических элементов и числовых индексов.

Изотопы, нуклиды это атомы одного химического элемента, имеющие различный атомный вес, из за различного количества нейтронов в ядре. Масса протона 1,675 *10 ^-24 грамм, примерно такая же масса у нейтрона. Электрон в 1836 раз легче протона. Поэтому масса атома определяется количеством протонов и нейтронов в ядре, пренебрегая массой электронной оболочки.

Атомная масса (вес) это отношение средней массы данного элемента, сучетом его природного изотопного состава, к одной атомной единицы. Атомная масса легчайшего элемента – водорода близка к единице. Аналогичным образом определяется молекулярная масса (вес), по сумме масс атомов входящих в молекулу.

Аллотропия это способность химического элемента существовать в виде нескольких простых веществ, например кислород –О2 и озон – О3, углерод в виде графита и алмаза.

Моль это количество вещества в граммах (в системе СИ в кг), равное молекулярной массе молекулы. В одном моле любого вещества содержится 6,02 * 10^23 молекул, это число Авагадро –NA. Число молекул -n в массе вещества – m определяется формуле (1),

1. n = m/M*NA

Валентность это способность атомов одного элемента присоединять один или более атомов другого элемента.

В 1869 году Д.И. Менделеев написал первый вариант таблицы химических элементов, а в 1971 году сформулировал периодический закон. Свойства элементов, а также свойства образуемых ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от заряда ядра атома. В таблице Менделеева имеется 7 периодов, расположенных по строкам таблицы. Свойства элементов находящихся в одной строке изменяются по определенному периоду. По столбцам таблицы расположены группы элементов с сходными свойствами и одинаковой валентностью.

В 1911 – 1913 гг. Э. Резерфорд и Н. Бор разработали и предложили планетарную модель атома, в которой вокруг тяжелого, положительно заряженного ядра движутся по орбитам электроны. При чем электроны находятся на строго определенных, квантованных орбитах, где они не излучают энергию. При переходе с одной орбиты на другую электроны излучают или поглощают строго определенные порции энергии в виде световых квантов. Орбиты электронов могут быть круговыми, гантелеобразными и лепестковыми. При образовании сложных молекул атомы элементов связываются общими электронными парами, движущими по пересекающим орбитам. Заполнение орбит электронами идет по строго определенным уровням – s, p, d, f, и так далее. Валентные электроны обеспечивающие связь атомов находятся на верхних уровнях. Планетарная модель атома и ее развитие объяснила многие химические свойства веществ и спектральное излучение атомов.

Химическая связь атомов в молекуле может быть ковалентной, ионной, металлической и водородной. В ковалентной связи атомов между ними образуются общие орбиты электронов с помощью валентных электронов. В ионной связи атомы притягиваются друг к другу, имея разный заряд. Атомы становятся положительно и отрицательно заряженными после обмена электронами между ними. Атомы металлов связываются за счет свободных электронов в кристаллической решетки, это металлическая связь. Водородная связь осуществляется атомами водорода. Многие органические молекулы имеют водородную связь.

Химические реакции приводят к образованию сложных веществ или распаду молекул на атомы. Их классификация многообразна. Они могут быть обратимыми и не обратимыми. Если скорости прямой и обратной реакции равны то наступает химическое равновесие. С выделением тепла (экзотермические) или поглощением тепла (эндотермические). По числу и составу исходных веществ реакции могут быть соединения, разложения, замещения и обмена. По изменению степени окисления – окислительно-восстановительные и не окислительно-восстановительные. По наличию катализатора реакции могут быть католическими и не католическими. Вещества католизирующие биохимические реакции в организмах называются ферментами. По агрегатному составу реагирующих веществ – гомогенные и гетерогенные. Скорость реакций определяется природой реагирующих веществ, их концентрацией, температурой и наличием катализатора. Реакции обычно ускоряются при повышении температуры, концентрации, давления и наличием катализаторов или ферментов.

Явление растворения характеризуется составом и концентрацией растворов. Растворение в воде называется гидратацией. В электрохимических растворах вещества самопроизвольно распадаются на положительные ионы – катионы, и отрицательные – анионы. При пропускании электрического тока катионы притягиваются к отрицательно заряженному катоду, а анионы к аноду. Процесс протекания тока в электролитах и количество осажденного чистого металла на катоде описывается формулами Фарадея, исследовавшего этот процесс.

Окислительно-восстановительные реакции при которых изменяется степень окисления элементов, путем перехода электронов от восстановителя к окислителю. Наиболее известный окислитель – кислород. Оксиды – соединения состоящие из двух элементов, один из которых кислород. Кислород самое распространенный элемент в земной коре его там более 49%. Окисление часто происходит в виде горения с выделением тепла. Не соединяются к кислородом инертные газы, галогены и благородные металлы ( золото и платина).

Основания это электролиты образующие при диссоциации в водных растворах анионы ОН-, например NaOH = Na+ + OH-. Для них характерна щелочная среда, сактивным взаимодействием с многими веществами.

Кислоты это электролиты образующие при диссоциации в водных растворах катионы водорода – Н+. По степени диссоциации кислоты могут быть сильные и слабые. Нерастворимы в воде стеариновые кислоты H2(SiO)3. Кислоты могут быть кислородными H2SO4 и без кислородными HCl. По числу атомов водорода они могут быть одноосновные, двухосновные, трехосновные. Кислоты активно реагируют с металлами, щелочами, солями, образуя новые соли.

Галогены – хлор, фтор, бром, иод реагируют со всеми металлами, кроме благородных, с водородом и водой. При этом образуются соли металлов или кислоты при взаимодействии с кислородом.

Активными и распространенными веществами являются сера, фосфор, азот, менее активен кремний. Кремний по количеству в земной коре (26%) стоит на втором месте после кислорода. Он применяется во многих производствах от строительства в виде песка до сверхчистого кремния в полупроводниковых приборах. Углерод основа живых клеток. Он имеется во многих органических молекулах.

Металлы составляют около 80% всех известных элементов. Они имеют небольшое число электронов на внешних орбитах 1-2 и реже 3. В периодах (по строкам таблицы Менделеева) металлические свойства убывают с ростом атомного веса. Все периоды, кроме первого, начинаются с металлов. По группам (столбцам таблицы), наоборот металлические свойства усиливаются с ростом атомного веса. Самый легкий металл – литий, плотность 0,53 г в куб. см. Самый тяжелый осьмий –22,6 г в куб. см. Самый легкоплавкий – ртуть, плавится при -38,9 оС, а огнеупорный – вольфрам +3416 оС. Всем металлам свойственны; кристаллическая решетка, блеск, непрозрачность, ковкость, тепло и электропроводность. Эти свойства закономерно меняются по таблице Менделеева, в зависимости от расположения электронных оболочек, особенно для валентных электронов. Все металлы отдают электроны и становятся положительно заряженными ионами – катионами. Таким образом металлы восстановители в окислительно-восстановительных реакциях. Все металлы, кроме благородных, реагируют с щелочами, кислотам, солями, кислородом, водой и не металлами с различной степенью активности. По этой причине металлам свойственна коррозия. Устойчивы к коррозии благородные металлы и покрывающиеся тонкой пленкой окислов (алюминий, медь и др.)

Особенно активны щелочные металлы – натрий, калий , бром. Множество природных веществ образуют соединения кальция Са, магния Mg, алюминия Al. Оксид алюминия Al2O3 – корунд, отличается высокой прочностью, твердостью, огнупорностью, за счет кристаллической решетки. Самый известный металл – железо Fe 56. Имеются четыре модификации железа, отличающиеся химическими и физическими свойствами. Железо реагирует с щелочами, кислотами, солями, кислородом, водой. Поэтому железо необходимо защищать от коррозии. Получают металлы с помощью термической и химической обработки природных руд, в которых находятся окислы или соли металлов.