Лекции по выборочным разделам химии (для тех, кто все забыл) Строение вещества
Мы знаем, что вещества состоят из атомов, связанных друг с другом химическими связями.
Атом состоит из (+) ядра, в котором сосредоточена практически вся масса атома, и (–) электронов, «вращающихся» вокруг него и как бы задающих наружную границу атома.
Размеры: атом 10-10м (атом водорода)...10-9 м, ядро10-14...10-13 м.
Ядро состоит из нуклонов т.е. протонов (+) и незаряженных нейтронов одинаковой массы. Заряд протона численно равен заряду электрона. Атом электронейтрален, поэтому число электронов равно числу протонов. Масса электронов в атоме очень мала и в расчет не принимается.
Атомы с одинаковым зарядом ядра (т.е. с одинаковым z - числом протонов в ядре) относят к одному химическому элементу. Заряд ядра z (целое число) является номером элемента в таблице Менделеева.
Атомы с одинаковым зарядом, но разной массой А (т.е. разным n - числом нейтронов в ядре) являются изотопами одного элемента (A=z+n) Химические свойства изотопов одинаковы, т. к. в химических реакциях главная роль принадлежит конфигурация электронных оболочек (ядерные реакции – это к физике).
Благодаря этому свойству изотопы используются и в науке и в практике. Например, радиоактивные изотопы помогают установить путь лекарства в организме, диагностировать функции органов человека и клеточных органелл, прослеживать пути распространения элементов в глобальных циклах, датировать древние отложения и ископаемые останки вымерших животных. Интересно, что при помощи изотопа 18О, включенного в состав СО2 и Н2О, было установлено, что в процессе фотосинтеза кислород, выделяющийся в атмосферу, берется из молекулы воды:
6СО2 + 6Н218О = С6 Н12 О6 + 618О2.
Масса атома А (атомная масса) измеряется в особых единицах – а. е. м .
1 а.е.м.(атомная единица массы) – это 1/12 массы атома изотопа углерода 12С,
и всего-навсего это 1,66057∙10−24 г. (масса электрона – порядка 10–4 а.е.м.). Протон и нейтрон имеют очень близкие атомные массы, примерно принимаемые за 1 а.е.м. у каждого.
Но нас не должны пугать такие неудобные величины, так как для реальных расчетов в химии используется специальная единица количества вещества ‑ моль. 1 моль включает в себя 6,0229∙10 23 частиц (структурных единиц), причем считать в молях можно что угодно - атомы, ионы, молекулы, части молекул и ионов (например ½ Al2(SO4)3, 1/3Al3+), электроны, фотоны.
Число Авогадро (NA=6,0229∙10 23) таково, что 1 моль атомов изотопа 12С имеет массу как раз 12 граммов. Таким образом, масса 1 моль атомов элемента, выраженная в граммах, численно совпадает с его атомной массой, выраженной в а.е.м.
На практике пользуются также относительной атомной массой - Аr . Ее численное значение такое же, как у А, только она безразмерная (а.е.м. не пишется).
Молекулярная масса М молекул какого-то соединения рассчитывается как сумма атомных масс А с учетом количества атомов в одной молекуле. Она может выражаться в а.е.м, или быть относительной - безразмерной Мr.
Например,
1 моль молекул Н2О содержит 1 моль атомов О и 2 моль атомов Н. Соответственно, М(Н2О) = А(О) + 2∙А(Н) = 15.9994∙1 + 1.0079∙2≈18 а.е.м.
Мr(Н2О) = 18.
Молярная масса (М) – это масса в граммах одного моля частиц, то есть атомов, молекул, формульных единиц (про формульные единицы см. ниже). Молярная масса численно совпадает с атомной или молекулярной, но имеет размерность грамм/моль. М(Н2О) = 18 г/моль
Ввиду того, что в природе каждый элемент представлен набором легких и тяжелых изотопов, масса элемента в таблице Менделеева указывается для природной смеси изотопов, то есть – дробная. Наиболее яркий пример 17Cl Аr = 35,453: в природе 35Сl - 75,53% атомов, 37Cl - 24,47% атомов.
Для учебных расчетов Аr обычно округляют до целых чисел, а для хлора – до 35,5.
Химия изучает те процессы, в которых атомы не возникают и не
разрушаются, а перегруппировываются: Н2 + О2 → Н2О.
Простые вещества состоят из атомов одного элемента (Н2; О2), сложные – из атомов разных элементов (Н2О).
(ядерные реакции, испарение, замерзание и проч. – это процессы физические)
При этом происходит разрушение межатомных химических связей в исходных
веществах и образование новых межатомных химических связей в продуктах реакции.
На уровне атома эти изменения касаются только (еще раз повторим) их внешних электронных оболочек.
Из этого следует, что правильно написанная реакция должна быть уравнена, чтобы в исходных веществах (слева) и в продуктах реакции (справа) было одинаковое количество атомов каждого элемента:
2Н2 + О2 = 2 Н2О
(Две молекулы Н2 взаимодействуют с одной молекулой О2, образуются две молекулы воды.)
Числа перед формулами веществ – это стехиометрические коэффициенты. Если число перед веществом не написано, значит стехиометрический коэффициент равен 1.
Помня о том, что Е=mc2, и что при химических реакциях энергия может теряться и приобретаться (например, выделяется или поглощается теплота), масса исходных веществ и продуктов реакции могут и не совпадать. Но реально изменения массы гораздо меньше погрешности измерений, так что их учесть экспериментально невозможно.
Составу вещества соответствует химическая формула.
Например, получили вещество в результате реакции С + О2 = СО2.
CO2 – это молекулярная формула вещества. Из нее видно, что в диоксиде углерода СО2 – один атом С и два атома О. Для него можно определить молекулярную массу (44 а.е.м.). Можно записать еще структурную формулу вещества: О=С=О (палочка означает химическую связь).
Простейшая формула вещества - химическая формула, составленная из символов химических элементов и таких подстрочных индексов, отношение которых равно отношению чисел атомов соответствующих элементов в этом веществе.
Молекулярная формула – химическая формула, составленная из символов химических элементов и таких подстрочных индексов, каждый из которых равен числу атомов соответствующего элемента в молекуле вещества. Например, для диоксида углерода СО2 простейшая формула совпадает с молекулярной. Для глюкозы, кислорода и серы простейшая формула СН2О, O, S, а молекулярная С6Н12О6, O2, S8.
Но существуют и такие соединения, для которых обычно применяемая химическая формула не отражает их реального строения. Их называют немолекулярными веществами. Например, другой оксид - диоксид кремния описывается формулой SiO2, которая соответствует не молекуле, а формульной единице. Формульная единица - группа атомов, входящих в состав немолеку-лярного вещества, соответствующая простейшей формуле этого вещества.
На первый взгляд, рассматривая химические формулы двух оксидов можно решить, что эти два вещества похожи по свойствам – С находится над Si в той же группе в таблице Менделеева. По аналогии можно было бы предположить структурную формулу O=Si=O (что неверно). Однако СО2 – газ, а SiO2 – твердое вещество, да еще и тугоплавкое (t плавл =1730 С). Очевидно, что эта структурная формула не отражает реального строения оксида кремния.
| O | | −O−Si −O−Si−O− | | O | |
Судя по формуле SiO2, 1 атом Si соединен с 2 атомами О. Реально (см. рис. слева) 1 атом Si соединен с четырьмя О, причем каждый атом О соединении с двумя Si, и получается сеть (тетраэдрическая, на рисунке дана плоская схема). Сеть простирается далеко, и там, где она кончается, на незанятые валентности добавляются какие-то концевые атомы (скорее всего Н), но доля этих атомов ничтожна. Если посчитать по размерам связей, то в еле заметной песчинке будет 1012 , а в оконном стекле 1026 атомов, причем все они химически связаны, отсюда и прочность. |
Очевидно, что для оксида кремния SiO2 термин «молекулярная масса» неприменим, можно говорить лишь о формульной массе. То же самое, кстати, относится и к углероду: атомы С в виде графита или алмаза соединены друг с другом тоже в сеть. Так что эти вещества – немолекулярные. Сюда же относятся металлы, соли (NaCl – каждый Na соединен с 6 атомами Cl, каждый Cl – с 6ю атомами Na).
Только не надо в немолекулярные вещества записывать все кристаллы – вода (лед) тоже кристалл, молекулярный.