Основные понятия и законы химии

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ХИМИИ

В 2000/2001нестех. соединения рассматривались после термодинамики. Поэтому определение фазы – дважды, DG появл. преждевременно.

В школьных и даже вузовских учебниках химии часто одно и то же слово используется без объяснения в разных смыслах, есть и другие противоречия. Пока мы не разберемся, что означает каждое слово, мы не будем правильно понимать друг друга и учебники. Химия - наука экспериментальная. Поэтому всегда следует задумываться: в каких опытах можно отличить эти предметы или явления от других или проверить правильность данного теоретического положения. Нужно стараться понять связь между явлениями природы, а не заучивать фразы, состоящие из непонятных терминов.

Химия - наука о веществах и их превращениях, сопровождающихся изменением состава и строения (а значит - и свойств). А что такое вещество? В широком смысле, вещество - это форма материи, обладающая массой покоя (в отличие, например, от квантов электромагнитного излучения). Любая элементарная частица, например, нейтрон - это вещество. В химии - несколько уже.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНОГО УЧЕНИЯ (Угай, гл. 1, 2)

Сначала кратко перечислим, потом подробно поясним.

1. Все вещества, изучаемые химией, состоят из очень маленьких частиц - АТОМОВ (нейтроны не изучаем).

2. Атомы способны соединяться друг с другом, образуя ХИМИЧЕСКИЕ СВЯЗИ. Чтобы отделить атомы, то есть разорвать связь, нужна затрата ЭНЕРГИИ. Поэтому в обычных условиях никакие атомы (кроме атомов “благородных газов”) не существуют по одиночке, а соединяются, хотя бы попарно.

3. Все частицы находятся в непрерывном ТЕПЛОВОМ движении: средняя кинетическая энергия частиц пропорциональна ТЕМПЕРАТУРЕ (хотя у отдельных частиц энергии разные): Е_кин = kT/2 для каждого вида движения (k – постоянная Больцмана). Поскольку Е_кин = mV² /2, массивные частицы движутся медленнее. Например, при одинаковой температуре средняя скорость молекул кислорода в 4 раза меньше, чем у водорода (т.к. масса в 16 раз больше). Различают колебательное движение (схемы), вращательное и поступательное. Колебательное происходит и в твердых, и в жидких, и в газообразных веществах, а вращательное и поступательное - легче всего в газах, труднее в жидкостях и еще труднее в твердых веществах.

4. Если атомы соединяются в небольшие группы - молекулы - эти группы участвуют в тепловом движении как единое целое. В типичных молекулах - до 100 атомов, у “высокомолекулярных соединений” - до 10⁵ .

5. Но часто атомы соединяются в такие огромные коллективы (10⁷ -10²⁷ атомов), которые уже практически не могут участвовать в тепловом движении, и больше похожи не на молекулы, а на куски твердого тела. Такие вещества называются немолекулярными. Тепловое движение происходит внутри куска, а сам кусок не летает, как молекула. Конечно, существует и переходная область размеров - от 10⁵ до 10⁷ атомов. Такие частицы можно считать либо очень большими молекулами, либо очень маленькими крупинками порошка.

6. Атомы и группы атомов могут иметь электрический заряд, и тогда они называются ИОНАМИ. Поскольку одноименные заряды отталкиваются, не может быть устойчиво вещество, где есть заметный избыток каких-то зарядов. Положительные и отрицательные заряды всегда чередуются в пространстве, а вещество в целом - электронейтрально. (Те заряды тел, которые считаются большими в электростатике, ничтожны с точки зрения химии: ± 1 е на 10⁵ - 10¹⁵ атомов).

7. Химия изучает те явления, в которых атомы не разрушаются, не возникают, а только перегруппировываются - соединяются по-новому: разрываются одни связи и образуются другие, то есть образуются новые вещества из тех же атомов, которые входили в состав исходных веществ. Если сохраняются и атомы, и связи между ними (например, при испарении молекулярных веществ) - такие процессы изучает молекулярная физика. Если же атомы разрушаются или образуются - это предмет изучения атомной или ядерной физики. Но граница между физическими и химическими явлениями размыта. Природа едина, а деление на науки условно. Химики, изучайте физику !

Теперь рассмотрим эти пункты подробнее

1. АТОМЫ. 2000 лет назад их существование было гениально угадано, в XIX веке появились косвенные экспериментальные данные: законы постоянства состава, кратных отношений, Авогадро (закон кратных отношений разобрать самостоятельно – Угай, гл. 2), а в XX веке появилось множество прямых экспериментальных доказательств, основанных на рассеянии рентгеновских лучей, электронов, нейтронов, альфа-частиц, на данных спектроскопии и др. (см. Ахметова, раздел 4). Это частицы размером около 1 Å = 10^{-10 м и массой порядка 10-27} - 10^{-25 кг, содержащие в центре положительно заряженное ядро и вокруг него - отрицательно заряженные электроны. Размер ядра порядка 10-15 м, то есть размеры атома определяются электронной оболочкой, но масса атома почти вся сосредоточена в ядре. ЭЛЕМЕНТ – вид атомов с одинаковым зарядом ядра (повторить понятие об изотопах ).}

Часто встречается такое определение: атом – это мельчайшая химически неделимая частица вещества. А что значит «химически», что такое химия и чем она отличается от физики? Деление явлений на химические и физические условно, а атомы существуют безусловно. Поэтому лучше о