Одним из фундаментальных понятий химии и других естественных наук является атом. Этот термин имеет долгую историю, насчитывающую около 2500 лет, когда открытия в области физики в конце 19-го и начале 20-го веков заставили ученых взглянуть на теорию атома и молекулы в совершенно ином свете. В результате стало ясно, что атом представляет собой сложную структуру и не является наименьшей единицей материи. Здесь мы не даем устаревших определений, а формулируем их в соответствии с современным мышлением.
Понятие химии и основные химические законы для задач химии
Химический элемент — это понятие, а не материальная частица. Это не атом, а совокупность атомов с одинаковой характеристикой ядерного заряда. Долгое время химики не проводили четкого различия между атомами и молекулами простых веществ: в 1811 году А. Авогадро предложил гипотезу, которая могла бы четко определить эти понятия, но его современники не оценили ее, а в 1860 году на Первом международном конгрессе химиков. В 1860 году на Первом конгрессе химиков, было понято, что молекулы — это мельчайшие частицы вещества, участвующие в химических изменениях. По мере развития естественных наук менялось и определение молекулы в химии. www.lfirmal.com/reshenie-zadach-po-himii/
Количественные соотношения в химии
Масса атома или молекулы настолько мала, что неудобно выражать ее значение в общепринятой единице измерения — килограмме. Поэтому для выражения массы атомов и молекул используется другая единица измерения: атомная единица массы (а.е.м.). Относительная атомная масса (ранее известная как атомный вес) — масса атома, выраженная в атомных единицах массы (а. е. м.). Это обозначается как Ar.
Большинство природных химических элементов представляют собой смеси изотопов. Поэтому относительная атомная масса элемента — это среднее значение относительных атомных масс природных смесей изотопов этого элемента с учетом их содержания на Земле. Именно эти значения задаются периодическим законом. При образовании связи выделяется энергия и расходуется часть массы связывающихся частиц. В случае образования химических связей эта величина настолько мала, что мы игнорируем изменение массы и считаем массу образовавшейся частицы равной сумме масс частиц, участвующих в ее образовании. Однако после образования ядра выделяется очень высокая энергия, и «дефицит массы» становится хорошо заметным.
Масса молекулы приблизительно равна сумме относительных атомных масс составляющих ее атомов. Старое определение: масса одного моля вещества, численно такая же, как молекулярная масса, но выраженная в г/моль. Поначалу это может облегчить решение расчетных задач. Обратите внимание на разницу между понятиями «молярная масса» и «молекулярный вес», которые звучат похоже, но относятся к разным количествам объектов. Первая — это масса одного моля вещества (т.е. масса 6,022/1023 молекул), а вторая — масса одной молекулы, выраженная в различных единицах г/моль и а.е.м. соответственно. В химических расчетах используется понятие «количество вещества» и единица, используемая для его выражения — моль. Это количество однозначно связано с массой вещества, числом структурных единиц и объемом (в случае газов и паров). Учитывая количество вещества, эти количества можно легко рассчитать.
Химические символы и формулы
Химия, как и любая другая наука, имеет свою систему правил, знание которых необходимо для понимания предмета. Химические символы — это как алфавит для написания «слов», которые являются формулами соединений, и «фраз», которые являются формулами химических реакций, отражающих в какой-то мере реальный процесс. В Средние века химические элементы, известные в то время, были представлены теми же символами, которые использовались для обозначения небесных тел. Алхимики считали, что каждый из известных в то время элементов соответствует небесному телу.
Названия элементов, открытых за последние 300 лет, основаны на разных принципах, например, бериллий (от названия минерала берилл) или германий (немецкий), который назван в честь страны происхождения первооткрывателя. Его разработал послегерманский химик К. Винклер, например, по свойствам хлора (греч. χλωροσ — зеленый) и фосфора (греч. φωσ — свет, φερω — медведь). Искусственные элементы названы в честь известных ученых (например, мендельбий, эйнштейний).
При написании химической формулы вещества используется химический символ элемента. Например, если посмотреть на формулу серной кислоты H2SO4, то одна молекула этого соединения состоит из двух атомов водорода, одного атома серы и четырех атомов кислорода.
Химическая формула — это обычное обозначение для передачи информации о веществе, и в зависимости от того, какая информация передается, используются различные формулы.
Химическая связь
Химическая молекула — это сложная система ядер и электронов. Атомы, составляющие молекулу, удерживаются вместе в основном электростатическими силами. В этом случае говорят о химическом соединении. Химическая связь осуществляется s- и p-электронами во внешнем слое и d-электронами во внешнем слое.
Эта связь характеризуется следующими параметрами:
- 1. длина связи — расстояние между ядрами двух химически связанных атомов;
- 2. угол между виртуальными линиями, проходящими через центры химически связанных атомов;
- 3. энергия связи — количество энергии, затраченное на ее разрыв в газообразном состоянии;
- 4. кратность связи — Количество пар электронов, с помощью которых осуществляются химические связи между атомами.
Атомы в молекуле — понятие условное, поскольку их энергии и электронные состояния принципиально отличаются от энергий и электронных состояний изолированных атомов, структуры которых были описаны в предыдущей главе. Рассмотрим силы между частицами в простейшей системе, состоящей из двух протонов и одного электрона (см. рис. 9) Если сблизить два протона, между ними возникнет сила отталкивания, и устойчивой системы не получится. Давайте поместим один электрон в их поле. Здесь возможны два случая.
Таким образом, можно сделать вывод, что физико-химические свойства соединения сильно зависят от природы химических связей в соединении. Пары электронов, образующие химические связи, как уже упоминалось, имеют два общих ядра. В этом случае движение каждого электрона будет описываться новой волновой функцией, которая является решением уравнения Шредингера для системы. Эта волновая функция называется молекулярной функцией, которая, в отличие от атомной функции, соответствует конкретной молекулярной орбитали.
Молекулярная орбиталь характеризуется определенным значением полной энергии системы. В молекуле, как и в атоме, существует континуум энергетических уровней. Однако, поскольку точные решения уравнения Шредингера недоступны, используются приближенные методы, каждый из которых дает свою волновую функцию для молекулы. Два наиболее распространенных метода — это метод валентных связей и метод молекулярных орбиталей.
