1.1. Основные химические понятия

В предлагаемом конспекте даны определения основных химических понятий, многие из которых будут рассмотрены более подробно при изучении соответствующих тем курса.

Все окружающие нас физические тела состоят из веществ.

Вещество – это вид материи, который имеет массу покоя и характеризуется постоянными физическими и химическими свойствами, позволяющими отличить его от других веществ. Для сравнения: другой вид материи – поле – не имеет массы покоя.

Физические свойства вещества – совокупность сведений о свойствах вещества, которые можно измерить физическими методами. К ним относятся агрегатное состояние, плотность, растворимость, температуры плавления, кипения, цвет, вкус, запах и т.д.

Химические свойства вещества – совокупность сведений о том, с какими другими веществами и при каких именно условиях реагирует данное вещество.

Агрегатное состояние вещества – это физическое состояние, в котором находится вещество при определенных давлении и температуре.

Выделяют 4 основных агрегатных состояния:

• твердое

• жидкое

• газообразное

• плазма

Газ характеризуется хаотическим движением слабо взаимодействующих молекул, не имеет постоянной структуры, собственной формы и объема. Жидкость обычно состоит из молекул, находящихся в постоянном тепловом движении, имеет объем, но не имеет формы. Твердое вещество отличается упругостью, имеет определенные объем и форму, может иметь как упорядоченную, так и неупорядоченную структуру, моно- или поликристаллическую. Плазма – полностью или почти полностью ионизированный газ.

Физические явления – явления, при которых изменяется форма или агрегатное состояние вещества или же образуются новые атомы (например, при ядерных реакциях).

Химические явления – явления, при которых одни вещества превращаются в другие, имеющие новый состав и свойства; состав ядер при этом не меняется.

Характерными признаками, по которым можно судить о том, что имеет место химические явление (реакция), являются изменение цвета и запаха, образование осадка, выделение газа, теплоты или света.

Для выражения состава вещества в химии применяют химические формулы. Различают эмпирические формулы (или брутто-формулы), они показывают качественный и количественный состав вещества, и структурные формулы, они показывают состав и строение структурных единиц вещества.

Для отражения химических явлений (реакций) используют определенную форму записи – химические уравнения. Любое химическое уравнение должно быть правильно составлено в соответствии с законом сохранения массы веществ. В левой части химического уравнения записывают исходные реагенты, в правой – продукты реакции.

Реагент – исходное вещество, участвующее в химической реакции (может быть в виде молекул, атомов или ионов).

Продукт реакции – вещество, образующееся в результате химической реакции.

Атом (от греч. atomos – неделимый) – электронейтральная система взаимодействующих элементарных частиц, состоящая из ядра и электронов. Атом сохраняется во всех химических превращениях и является носителем свойств химического элемента.

К основным элементарным частицам относятся протоны, нейтроны, электроны (так же существуют и достаточно изучены позитрон, нейтрино и др.). Протоны и нейтроны составляют ядро атома и имеют общее название – нуклоны. Электроны движутся вокруг ядра.

Главной характеристикой любого атома является заряд ядра (Z), равный числу протонов. Вид атомов с одинаковым зарядом ядра и идентичными химическими свойствами называется химическим элементом. В настоящее время известно более 110 химических элементов, 89 из которых встречаются в природе, остальные получены искусственным путем.

Молекула – это электронейтральная наименьшая совокупность атомов, образующих определенную структуру посредством химических связей.

Молекула сохраняет все свойства данного вещества. Если молекула состоит из атомов одного элемента, то вещество – простое. В сложном веществе молекулы состоят из атомов разных видов.

Каждый элемент образует как минимум одно простое вещество. Некоторые химические элементы проявляют способность к аллотропии.

Аллотропия – способность химических элементов образовывать несколько простых веществ, различающихся по строению и свойствам. Различают два вида аллотропии: первая возникает вследствие различия в составе молекул (например, кислород и озон), вторая является следствием различного строения молекул (например, алмаз, графит и карбин). Разные простые вещества, образованные одним и тем же химическим элементом, называют аллотропными модификациями. Вследствие аллотропии число известных простых веществ (~400) гораздо больше числа химических элементов.

В природе, как правило, встречаются не чистые вещества, а смеси – системы, возникающие в результате смешивания двух и более компонентов, сохраняющих свои свойства. Состав смеси не является постоянным. С помощью физических методов смесь можно разделить на исходные вещества. Различают гомогенные (однородные) и гетерогенные (неоднородные) смеси.

Гомогенной называется смесь, в которой между компонентами нет поверхности раздела (воздух, истинные растворы).

Гетерогенной называется смесь, в которой между компонентами есть поверхность раздела (песок и соль, вода и масло, вода и мел).

Поскольку использовать при расчетах абсолютные значения масс атомов неудобно (например, масса атома водорода 1,67•10^–27 кг), в химии используют атомную единицу массы (а.е.м.).

Атомная единица массы (а.е.м., углеродная единица) – 1/12 часть массы атома углерода-12, 1 а.е.м. составляет примерно 1,66•10^–27 кг.

Относительная атомная масса (А_r) – отношение массы атома к 1/12 части массы атома углерода-12. Величина А_r – безразмерная.

Относительная молекулярная масса (М_r) – отношение массы молекулы вещества к 1/12 части массы атома углерода-12. Величина М_r – безразмерная, она вычисляется как сумма всех А_rэлементов, входящих в состав данной молекулы.

Единицей количества вещества в химии является моль.

Моль – это количество вещества, содержащее столько структурных единиц (молекул, атомов, ионов, электронов и др.), сколько их содержится в 12 г углерода-12 (примерно 6,02•10²³ – число Авогадро, N_A).

Молярная масса М_r вещества – масса 1 моль вещества, отношение абсолютной массы вещества к количеству вещества, численно равна М_r, но измеряется в г/моль.

Валентность элемента – способность атома данного химического элемента образовывать определенное число химических связей с атомами других элементов. Обычно валентность равна числу неспаренных электронов на внешнем уровне атома, но возможны исключения. Так, если элемент образует ковалентные связи и по обменному, и по донорно-акцепторному механизму, его валентность определяется общим числом орбиталей на внешнем уровне (NH₄⁺, HNO₃, N₂O₅). Одни элементы проявляют постоянную валентность, другие – переменную. Причиной переменной валентности является возможность распаривания электронов в атомах многих элементов при переходе в возбужденное состояние.

Степень окисления – характеристика способности атомов химического элемента отдавать и принимать электроны. Эта величина условная, она рассчитывается из предположения, что в молекуле вещества только ионные связи. Степень окисления может принимать и положительные, и отрицательные значения, быть целочисленной, дробной, равной нулю.

Гибридизация – выравнивание электронных орбиталей по форме и энергии. Отдельные s, p, d и другие электронные орбитали какого-либо атома способны при образовании связей с другими атомами «смешиваться», образуя новые, так называемые «гибридные» орбитали.