Предмет химии.

Химия – наука о составе, строении и превращении веществ.

Химия разделяется на две крупные части: учение о составе вещества и химическую кинетику (учение о химической реакции).

Учение о составе вещества.

Химическое вещество определяют как материальную структуру (образование) состоящую из химических элементов.

Химическое вещество бывает простым и сложным.

Простым веществом является отдельный химический элемент. Точнее говоря, простое химическое вещество, состоящее из атомов одного и того же химического элемента. Оно может иметь молекулярное или атомное строение.

Некоторые элементы образуют несколько простых веществ. Это явление называется аллотропией. Аллотропия может быть обусловлена различным числом атомов в молекуле (например, обычный кислород О₂ и озон О₃) или различием в кристаллической решетке для веществ атомного строения (например, алмаз и графит).

Сложное химическое вещество можно определить как материальную структуру, состоящую из атомов различных химических элементов, соединенных между собой химической связью.

Атом – химически неделимая нейтральная частица, состоящая из более мелких элементарных частиц – протонов, нейтронов и электронов. Их основные свойства – заряд и масса.

Протоны и нейтроны в атоме образуют положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена практически вся масса атома. Положительный заряд ядра определяется числом протонов в нем.

Электроны в атоме движутся вокруг ядра и занимают пространство, которое в несколько тысяч раз превышает размер самого ядра (диаметр ядра 10^-12см, а диаметр атома 10^-8см). Заряд ядра является главной характеристикой атома. Он определяет число его электронов. Химические же свойства атома зависят исключительно от его электронной структуры. В химических реакциях только электроны участвуют в образовании химической связи.

Химический элемент – это совокупность всех атомов, обладающих одинаковым зарядом ядра. Строение атома химического элемента, например, углерода, записывают так: ₆¹² С. Верхний индекс (12) соответствует массовому числу атомов (сумме протонов и нейтронов в ядре, численно равной его атомной массе), нижний индекс (6) – заряду ядра атома, т.е. количеству протонов в ядре и количеству электронов в атоме.

В принятой в химии системе атом обозначается первой буквой или первой и одной из последующих букв его латинского названия. В настоящее время известно 114 (по другим данным 118) химических элементов, многие из которых были искусственно синтезированы, то есть, получены в лаборатории, а не обнаружены непосредственно в природе.

Атомы тяжелых элементов (с порядковым номером выше 101) являются крайне неустойчивыми и, как правило, тут же распадаются после их синтеза. Время существования некоторых из них не превышает сотых, а то и тысячных долей секунды.

Молекулы – мельчайшие частицы вещества, сохраняющие его химические свойства.

Химические элементы принято делить на два больших класса: металлы и неметаллы.

Металлами называются те элементы, которые обладают такими свойствами как высокая электропроводность, высокая теплопроводность, ковкость, текучесть, специфический блеск и т.д. Свыше 80 из известных на сегодняшний день элементов являются металлами. Это железо, алюминий, платина, золото, серебро, ртуть и др.

Неметаллы не обладают указанными свойствами, к ним принадлежат водород, кислород, углерод, азот, хлор, фосфор, сера и др.

По степени распространенности на Земле химические элементы существенно разнятся между собой. Так, в химическом составе нашей планеты содержится 29,5% кислорода – это самый распространенный химический элемент на земной поверхности. Десять наиболее распространенных на Земле элементов: кислород (О), кремний (Si), алюминий (Аl), железо (Fe), медь (Cu), натрий (Na), калий (К), магний (Mg), титан (Ti) и марганец (Mn) образуют 99,92% земной коры, в то время как доля всех остальных элементов (а их около ста), вместе взятых, составляет менее 0,1%.

Химические элементы выступают в различных формах, называемых изотопами. Термин «изотоп» обозначает разновидности (модификации) одного и того же химического элемента, отличающиеся атомной массой. Атомы изотопов какого-либо химического элемента содержат одинаковое число протонов, но количество нейтронов в них оказывается разным. Подавляющее большинство химических элементов имеет свои изотопные модификации. Так, водород имеет два изотопа, кислород – три, железо – четыре и т.д. Принято различать устойчивые (стабильные) изотопы и нестабильные – радиоактивные изотопы, которые являются источником излучения.

Напомним, что очень важную роль играют изотопы химических элементов.

Изотопы урана	Протоны	Нейтроны	В земной коре, %
U92234	92	132	0.0057
U92238	92	146	99.27
U92235	92	143	0.72

Сложное химическое вещество образуется из простых или из менее сложных веществ путем химического синтеза и может быть разложимо на свои составляющие части в результате обратного процесса – химического анализа.

Химические анализ и синтез, следовательно, суть процессы, при которых одни вещества превращаются в другие, отличные от исходных по своим химическим свойствам. Анализ и синтез выступают основными формами химической реакции.

Химическая реакция – это процесс превращения одних веществ в другие, отличные от исходных по составу или строению. В ходе химической реакции подвергаются изменениям не атомы как таковые, а молекулы и кристаллические структуры.

Одним из самых химически активных элементов является углерод (С). Будучи в обычных условиях довольно инертным элементом, углерод при высоких температурах активизируется и вступает в химическую реакцию со многими элементами, образуя с ними всевозможные соединения. Атом углерода обладает уникальной способностью образовывать как углеродно-углеродные связи, так и связи с органогентами – химическими элементами, составляющими основу живой материи. К органогентам помимо углерода (С) относятся еще пять химических элементов: водород (Н), кислород (О), азот (N), фосфор (Р) и сера (S). Уникальность углерода объясняется способностью его атома образовывать почти все известные типы химической связи.

В химии существуют два важных понятия «степень окисления» и «валентность».

Процесс отдачи электронов называется окислением, а процесс присоединения – восстановлением. Количество отданных электронов равно количеству присоединенных. Атомы или ионы, которые в данной реакции присоединяют электроны являются окислителями, а атомы или ионы, которые отдают электроны – восстановителями.

Способность атома химического элемента (или группы атомов) образовывать химические связи с другими атомами (или группами атомов) называется валентностью. Валентность имеет ряд частных проявлений, например, ковалентность, степень окисления и др.

Под химической связью следует понимать взаимодействие атомов, благодаря которому они соединяются в молекулы и кристаллы. Данное взаимодействие имеет электромагнитную природу и сопровождается перестройкой электронных оболочек связывающихся атомов.

Основными типами химической связи являются ковалентная, ионная, водородная и металлическая связи.

Среди этих проявлений особое место принадлежит ковалентной связи, под которой понимается химическая связь, осуществляемая парой электронов, находящейся в общем владении двух атомов, образующих эту связь.

Не менее важной является ионная связь. Она представляет собой химическую связь, в основе которой лежит электростатическое взаимодействие между противоположно заряженными ионами.

Введенный Фарадеем термин «ион» обозначает электрически заряженную частицу, а именно атом или атомную группу, потерявшие или же, наоборот, приобретшие избыточные электроны. Потерявшая электрон, а стало быть, положительно заряженная частица называется катионом (+). Противоположная частица, присоединившая к себе «чужой» электрон и ставшая вследствие этого отрицательно заряженным ионом называется анионом (-). Заряд ионов составляет кратное число от заряда электрона.

Ионная связь «ответственна» за образование и существование гетерополярных молекул (от греч. – ось, полюс). К таким молекулам относится молекула поваренной соли (поваренной соли) NaCl, существование которой обеспечивается за счет силы электрического притяжения между катионом натрия (Na⁺) и анионом хлора (Cl^-). Атом натрия отдает электрон, становясь катионом (Na⁺), а атом хлора принимает этот электрон, превращаясь тем самым в анион (Cl^-).

Совсем другое происхождение имеет водородная связь, обеспечивающая соединение атомов в так называемые гомеополярные молекулы (от греч. – подобный), где потенциальных ионов не существует. Примером таких молекул может служить молекула водорода (Н₂). Два атома водорода образуют молекулу данного химического элемента, благодаря тому, что ψ (пси) волны, т.е. фотоны двух принадлежащих этим атомам электронов как бы перекрывают друг друга и электроны начинают меняться местами.

Металлическая связь образуется в результате взаимодействия относительно свободных электронов с ионами металла.