&1 Химия как наука. Основные химические понятия и законы.

& 1.1 История развития химии

Нет единого мнения о происхождении слова «химия». Большая часть ученных считают что слово «химия» произошло от арабского ‎‎, произошедшего, предположительно, от египетского слова km.t (чёрный), откуда возникло также название Египта, чернозёма и свинца — «черная земля». Есть другие мнения о происхождении «химии» - др. греч. χυμος — «сок», «эссенция», «влага», «вкус» - в древние века знания химии использовались для приготовления лекарственных веществ , др. греч. χυμα — «сплав (металлов)», «литье», «поток» - в средние века химия ассоциировалась с металлургией, др. греч. χυμευσις — «смешивание». В настоящее время химия - одна из важнейших и обширных областей естествознания, наука о веществах, их свойствах, строении и превращениях, происходящих в результате химических реакций, а также законах, которым эти превращения подчиняются.

Первые представления о химии начали складываться задолго до нашей эры. Такие ремёсла, как металлургия, гончарство, стеклоделие, крашение, парфюмерия, косметика, достигли значительного развития ещё до начала нашей эры. Например, состав современного бутылочного стекла практически не отличается от состава стекла, применявшегося в 4000 году до н. э. в Египте. Египтяне раньше других народов средиземного бассейна развили свою керамику. Одним из древнейших производств в Египте было гончарное: глиняные горшки из грубой, плохо перемешенной глины дошли до нас от эпохи неолита (VI-V тысячелетия до н. э.). Изготовление керамической посуды началось, как и в современном Египте, с размешивания ногами глины, политой водой, к которой иногда добавляли мелкорубленую солому - для уменьшения вязкости глины, скорейшего высыхания и предотвращения при этом чрезмерной усадки сосуда.

В китайской провинции Хэнань при раскопках стоянки Яншао (середина III тысячелетия до н.э.) нашли крашеные керамические изделия

Известно, что в Египте уже в 3000 году до н. э. умели получать медь из её соединений, используя древесный уголь в качестве восстановителя, а также получали серебро и свинец. Постепенно в Египте и Месопотамии было развито производство бронзы, а в северных странах — железа.

Древнекитайские ученные в XI-VI вв. до н.э уже умели отливать бронзу, также они знали секреты изготовления керамики с глазурью, чёрной и белой керамики.

Помимо практических знаний в Древнем Мире началась закладка теоретических основ химии. В V веке до н. э. в Греции Левкипп и Демокрит развили теорию о строении вещества из атомов. По аналогии со строением письма они заключили, что как речь делится на слова, а слова состоят из букв, так и все вещества состоят из определённых соединений (молекул), которые в свою очередь состоят из неделимых элементов (атомов).

В V веке до н. э. Эмпедокл предложил считать основными элементами (стихиями) Воду, Огонь, Воздух и Землю. В IV веке до н. э. Платон развил учение Эмпедокла: каждому из этих элементов соответствовал свой цвет и своя правильная пространственная фигура атома, определяющая его свойства: огню — красный цвет и тетраэдр, воде — синий и икосаэдр, земле — зелёный и гексаэдр, воздуху — жёлтый и октаэдр. По мнению Платона, именно из комбинаций этих «кирпичиков» и построен весь материальный мир. Учение о четырёх превращающихся друг в друга было унаследовано Аристотелем.

& 1.1.1 Алхимия

Хотя химические знания тщательно скрывались жрецами от непосвящённых, они всё равно медленно проникали в другие страны. К европейцам химическая наука попала главным образом от арабов после завоевания ими Испании в 711 году. Они называли эту науку «алхимией», от них это название распространилось и в Европе. С раннего Средневековья получает развитие то, что сейчас принято понимать под алхимией, в которой традиционно соединились, наряду с вышеназванными наукообразными компонентами, философские представления эпохи и новые для того времени ремесленные навыки, а также магические и мистические представления. Известными алхимиками того времени были Джабир ибн Хайян (Гебер), Ибн Сина (Авиценна) и Абу Бакр ар-Рази. Ещё в античности, благодаря интенсивному развитию торговли, золото и серебро становятся всеобщим эквивалентом производимых товаров. Трудности, с которыми связано получение этих сравнительно редких металлов, побудили к попыткам практического использования натурфилософских воззрений Аристотеля о преобразовании одних веществ в другие; возникновение учения о «трансмутации», вместе с уже названным Гермесом Трисмегистом, традиция алхимической школы связывала и с его именем. Представления эти претерпели мало изменений вплоть до XIV века.

Первый этап алхимии (2-6 вв.) связан с деятельностью Александрийской академии (2-4 вв.). Это было время становления. Александрийская алхимия занимает срединное положение между ремесленной практикой, направленной на имитацию благородных металлов (золота-хризопея и серебра-аргиропея), и оккультным теоретизированием. Алхимик оперирует с веществом и одновременно размышляет над его природой. Алхимики уже осуществляют химические превращения, описывают вещества. Открывают основные приемы, используемые в химии.

На втором этапе (12-14 вв.) алхимия вступает во взаимоотношения с культурой европейского средневековья, пребывая между практической химией и "естественной философией", основанной на христианизированном учении Аристотеля о материальном мире. Деятельность алхимиков к концу второго этапа складывается из трех составляющих: 1) ритуально-магический опыт, в котором препаративные процедуры сопровождаются соответствующими заклинательными формулами. 2) система определенных лабораторных приемов. 3) синтетическое искусство, с помощью которого изготавливают конкретную вещь.

Именно в силу обретения алхимией собственного теоретического взгляда на свой предмет главные практические вклады алхимии приходятся на 8-12 вв. в арабском мире и на 12-14 вв. в Европе. Получены серная, соляная и азотная кислоты, винный спирт, эфир, берлинская лазурь. Создано разнообразное оснащение мастерской-лаборатории-стаканы, колбы, фиалы, чаши, стеклянные блюда для кристаллизации, кувшины, щипцы, воронки, ступки, песчаная и водяная бани, волосяные и полотняные фильтры, печи. Разработаны операции с различными веществами - дистилляция, возгонка, растворение, осаждение, измельчение, прокаливание до постоянного веса. Расширен ассортимент веществ, используемых в лабораторной практике: нашатырь, сулема, селитра, бура, оксиды и соли металлов, сульфиды мышьяка, сурьмы. Разработаны классификации веществ. Впервые описано взаимодействие кислоты и щелочи. Открыты сурьма, цинк, фосфор. Изобретены порох, фарфор.

Третий этап алхимии (15-17 вв.) связан с кризисом европейского средневекового мышления. В 16-18 веках возникло также особое медицинское направление алхимии — ятрохимия (иатрохимия), представители которого рассматривали процессы, происходящие в организме, как химические явления, болезни — как результат нарушения химического равновесия и ставили задачу поиска химических средств их лечения.

& 1.1.2 Зарождение химии

Химия как самостоятельная дисциплина определилась в XVI—XVII веках, после ряда научных открытий, обосновавших механистическую картину мира, развития промышленности, создания фабрик, появления буржуазного общества. Однако из-за того, что химия, в отличие от физики, не могла быть выражена количественно, существовали споры, является ли химия количественной воспроизводимой наукой или это некий иной вид познания. Со 2-й половины 17 в. стал быстро развиваться химический анализ, сначала - качественный (начиная с Бойля), а с середины 18 в. – количественный. В 1661 году Роберт Бойль создал труд «Химик-скептик», в котором объяснил разность свойств различных веществ тем, что они построены из разных частиц (корпускул), которые и отвечают за свойства вещества. Ван Гельмонт, изучая горение, ввёл понятие газ для вещества, которое образуется при нём, открыл углекислый газ. В 1672 году Бойль открыл, что при обжиге металлов их масса увеличивается, и объяснил это захватом «весомых частиц пламени» - флогистона. Теория флогистона (невесомый флюид, улетучивавшийся из вещества при сжигании) существовала до опытов М.В. Ломоносова и создания закона сохранения масс.

18 – 19 века характеризуется открытием фундаментальных законов химии. Химия окончательно сформировалась как наука. Начали выделяться подветви химии:

• Органическая химия - в 1769—1785 г. Шееле выделил несколько органических кислот, таких как яблочная, винная, лимонная, галловая, молочная и щавелевая. В 1773 г. Руэль выделил из человеческой мочи мочевину. Термин «Органическая химия» — раздел химии, изучающий вещества, выделенные из организмов (определение Берцелиуса, 1807 г.). Органическая химия как наука появилась в 1828 году, когда Фридрих Вёлер впервые получил органическое вещество — мочевину

• Физическая химия – начало развитие от учений М.В.Ломоносова (он же ввел термин)

• Неорганическая химия – самостоятельно как раздел появился после выделения органической химии

Конец 19 -20 века характеризуются прорывом в развитии представлений о строении атома и вещества, природы химических реакций.

&1.2 Основные понятия и законы химии

&1.2.1 Основные понятия

Химия – наука о веществах, закономерностях их превращений (физических и химических свойствах) и применении. В настоящее время известно более 100 тыс. неорганических и более 4 млн. органических соединений.

Атом - наименьшая частица химического элемента, обладающая всеми его свойствами. Химически неделимая часть вещества.

Молекула - частица, состоящая из двух или более атомов, которая может самостоятельно существовать. Имеет постоянный качественный и количественный состав. Её свойства зависят от атомов, входящих в её состав, и от характера связей между ними, от молекулярной структуры и от пространственного расположения (изомеры).

Вещество - это форма материи, обладающая массой (масса не равна нулю). Химия изучает большей частью вещества, организованные в атомы, молекулы, ионы и радикалы.

Простое вещество— вещество, состоящее из атомов одного химического элемента.

Сложное вещество, или соединение— вещество, состоящее из атомов разных химических элементов.

Моль - единица измерения количества вещества. Обозначается ν. 1 моль — это такое количество вещества, в котором содержится столько же структурных единиц (атомов, молекул, ионов, радикалов), сколько атомов содержится в 0,012 кг изотопа углерода ¹²С.

Число Авогадро – 6,02 * 10²³ частиц, количество частиц содержащихся в одном моле.

Ион (греч. iov- идущий)- электрически заряженные частицы, образовавшиеся из атомов (или атомных групп) в результате присоединения или потери электронов

Химическая реакция - превращение одного или нескольких исходных веществ (реагентов) в отличающиеся от них по химическому составу или строению вещества (продукты реакции).

Химический элемент - это вид атомов, характеризующийся определенными зарядами ядер и строением электронных оболочек.

Химическая формула - это условная запись состава вещества с помощью химических знаков (предложены в 1814 г. Й. Берцелиусом) и индексов (индекс - цифра, стоящая справа внизу от символа. Обозначает число атомов в молекуле). Химическая формула показывает,  атомы каких элементов и в каком отношении соединены между собой в молекуле.

Атомная единица массы - единица измерения масс атомов, молекул и элементарных частиц. Численно равна 1/12 массы атома ¹²С – 1,66*10^-27кг.

&1.2.2 Основные законы химии

Закон сохранения масс – масса веществ вступивших в реакцию равна массе веществ образовашихся в ходе реакции

Закон постоянства состава - любое определенное химически чистое соединение независимо от способа его получения состоит из одних и тех же химических элементов, причем отношения их масс постоянны, а относительные числа их атомов выражаются целыми числами.

Закон Авогадро - в равных объёмах различных газов, взятых при одинаковых температуре и давлении, содержится одно и то же число молекул (1 моль газа содержит 6,02*10²³ частиц )

Уравнение Менделеева – Клапейрона (уравнение состояния идеального газа) — формула, устанавливающая зависимость между давлением, молярным объёмом и абсолютной температурой идеального газа. Уравнение имеет вид:

&2. Классификация неорганических веществ. Номенклатура

2.1 Генетическая связь

Металл: Ca CaO Ca(OH)₂

бинарное

соед.

CaS

CaSO₄

Неметалл: S SO₃ H₂SO₄

Металл - группа элементов, в виде простых веществ обладающих характерными металлическими свойствами, такими как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и металлический блеск.

Неметалл - химические элементы с типично неметаллическими свойствами, которые занимают правый верхний угол Периодической системы

Оксид - бинарное соединение химического элемента с кислородом в степени окисления −2, в котором сам кислород связан только с менее электроотрицательным элементом. К исключениям относятся, например, дифторид кислорода OF₂.

Гидроксиды - соединения металлов с водой. Известны гидроксиды почти всех химических элементов; некоторые из них встречаются в природе в виде минералов. Гидроксиды щелочных металлов называются щелочами. Гидроксиды имеют вид : Me(OH)_x

Кислота - химические соединения, способные отдавать катион водорода (кислоты Брёнстеда) либо соединения, способные принимать электронную пару с образованием ковалентной связи (кислоты Льюиса)

Соль - это сложные вещества, которые в водных растворах диссоциируют на катионы металлов и анионы кислотных остатков. ИЮПАК определяет соли как химические соединения, состоящие из катионов и анионов. Есть ещё одно определение: солями называют вещества, которые могут быть получены при взаимодействии кислот и оснований с выделением воды

2.2 Номенклатура

Названия простых веществ

Простые вещества называют, как правило, так же, как и соответ-ствующие элементы. Свои собственные названия имеют только ал-лотропные модификации углерода (алмаз, графит, карбин, фуллере-ны) и вторая модификация кислорода (озон). При названиях алло-тропных модификаций остальных элементов обычно указывают ее краткую физическую характеристику (белый, красный, черный фосфор, кристаллическая и пластическая сера, серое и белое олово и т. д.).

Бинарные соединения

В формулах двухэлементных соединений, состоящих из металла и неметалла, символ металла записывают на первом месте, то есть слева, а символ неметалла – справа. В соединениях из двух металлов или неметаллов первым записывают символ того элемента, ко-торый стоит в периоде развернутой Периодической системы левее, а в группе – ниже. Исключение составляют благородные газы, помещаемые как бы в нулевую группу и начинающие этот условный ряд и водород, который в этом ряду неметаллов традиционно помещают между элементами V и VI групп. Кислород записывают на первом месте только в соединениях со фтором. Примеры: MnI₂, FeO, CuAl₂, FeNi₃, XeO₄, CH₄, AsH₃, H₂S, BrF₃, ClO₂, OF₂. Названия бинарных соединений составляют из двух слов. В русском языке первым словом обозначают более электроотрицательный элемент (реальный или условный анион), составляя его из латинского корня названия элемента с окончанием -ид, вторым сло-вом является русское название менее электроотрицательного эле-мента (реального или условного катиона) в родительном падеже:

NaCl -хлорид натрия;

B₂O₃-оксид бора;

Al₂S₃-сульфид алюминия;

Mg₃N₂-нитрид магния.

В случае, если менее электроотрицательный элемент имеет несколько положительных степеней окисления, в названии следует указать либо его степень окисления, либо число атомов аниона, используя числовые приставки:

приставка	Кол-во атомов	приставка	Кол-во атомов	приставка	Кол-во атомов
Ди-	2	Тетра-	4	Гекса-	6
Три-	3	Пента	5	Гепта-	7

FeCl₃ –х лорид железа(III);

FeCl₂ - дихлорид железа;

SF₆ - гексафторид серы;

SF₄ - фторид серы(IV);

PbO₂ - диоксид свинца;

PbO- оксид свинца(II);

Pb₃O₄ - оксид свинца (II, IV);

N₂O₄ - тетраоксид азота.

В последнем примере однозначность написания формулы по названию обусловлена отсутствием у азота степени окисления (VIII).

Если соединение содержит катионы нескольких металлов или анионы нескольких неметаллов, то при написании формулы придерживаются того же порядка, как и в случае соответствующих бинарных соединений, а называют вещество справа налево, используя дефис:

SnBrCl₃ -трихлорид-бромид олова;

KNaCl₂ - хлорид натрия-калия;

Cu₂Cl₂O - оксид-хлорид меди(II);

CaTiO₃ - оксид титана(IV)-кальция;

Кислородсодержащие кислоты

Названия этого класса соединений строятся из группового слова «кислота» и прилагательного, которое составляется из русского корня названия элемента, окончания -ая- и суффиксов, указывающих, насколько степень окисления кислотообразующего элемента отличается от максимальной.

Для высшей или единственной степени окисления применяют суффиксы -н-, -ов-, -ев- :

H₃BO₃ - борная кислота; H₂CO₃ - угольная кислота;

H₂SiO₃ - кремниевая кислота; H₂CrO₄ - хромовая кислота;

HNO₃ - азотная кислота; HPO₃ - метафосфорная кислота;

HReO₄ - рениевая кислота; H₃PO₄ - ортофосфорная кислота.

Приставки орто- и мета- применяют, чтобы различать названия кислот, молекулы которых отличаются только «содержанием воды».

Если возможны две степени окисления, то для низшей используют суффиксы -ист-, -овист-:

H₂SeO₃ - селенистая кислота; H₂TeO₃ - теллуристая кислота;

HAsO₂ - метамышьяковистая кислота;

H₃AsO₃ - ортомышьяковистая кислота.

В случае трех возможных степеней окисления кислотообразующего элемента, помимо упомянутых суффиксов, для самой низкой (обычно +1) применяется составной суффикс -новатист-:

H₃PO₂ - фосфорноватистая кислота;

H₂N₂O₂ - азотноватистая кислота.

В названиях кислот с четырьмя различными степенями окисления последовательно используют суффиксы -н-, -новат-, -ист- и -новатист-:

HClO₄ - хлорная кислота; HClO₃ - хлорноватая кислота;

HClO₂ - хлористая кислота; HClO₃ - хлорноватистая кислота.

Для того, чтобы различить кислоты, содержащие разное количе-ство атомов кислотообразующего элемента в одной степени окис-ления, применяют числовые приставки:

H₂Cr₂O₇ - дихромовая кислота; H₂Cr₃O₁₀ - трихромовая кислота;

H₂S₂O₅ - дисернистая кислота;

Оксокислоты, в которых атомы кислорода замещены на атомы серы (частично или полностью) или на пероксогруппы (-О-О-), по-лучают к своему названию приставку соответственно тио- или пероксо- (по необходимости, с числовой приставкой):

H₂S₂O₃ (H₂SO₃S) - тиосерная кислота;

H₂CS₃ - тритиоугольная кислота;

HNO₄ (HNO₂(O₂)) - пероксоазотная кислота;

H₂S₂O₈ (H₂S₂O₆(O₂) - пероксодисерная кислота.

Название солей

Название солей неорганических соединений состоят из традиционных названий катионов и анионов. Если элемент в образуемых им оксоанионах проявляет одну степень окисления, то название аниона оканчивается на -ат:

(NH₄)₂CO₃ - карбонат аммония; K₄SiO₄ - ортосиликат калия;

NaBiO₃ - висмутат натрия; LiBO₂ - метаборат лития.

В случае двух степеней окисления ещё используют окончание -ит:

BaSeO₄ - селенат бария; FeAsO₄ - ортоарсенат железа(III);

BaSeO₃ - селенит бария; Fe(AsO₂)₂ - метаарсенит железа(II).

Если степеней окисления элемента в анионах может быть более двух, то для самой низкой (обычно +1) применяют приставку гипо- с окончанием -ит:

Na₂N₂O₂ - гипонитрит натрия;

Названия анионов, образованных элементом в степени окисления +7, имеют приставку пер- и окончание -ат:

H₃OClO₄ - перхлорат оксония; KMnO₄ - перманганат калия;

Ag₅IO₆ - ортопериодат серебра; SrIO₄ - метапериодат стронция.

Анион	Традиционное название	Техническое название	Анион	Традиционное название	Техническое название
CO32-	Карбонат	Углекислый	PO32-	Фосфит	фосфористокислый
NO3-	Нитрат	Азотнокислый	PO42-	Фосфат	Фосфорнокислый
NO2-	Нитрит	Азотистокислый	ClO-	гипохлорит	хлорноватистокислый
SO42-	Сульфат	Сернокислый	ClO3-	Хлорат	хлорноватокислый
SO32-	сульфит	Сернистокислый	ClO4-	Перхлорат	Хлорнокислый
SiO32	Силикат	Силикат	MnO4-	Перманганат	Маргнцевокислый

&3. Строение ядра. Квантовые числа.

А́том (от др.-греч. ἄτομος — неделимый) — частица вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств

Атом состоит из атомного ядра и электронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом. В некоторых случаях под атомами понимают только электронейтральные системы, в которых заряд ядра равен суммарному заряду электронов, тем самым противопоставляя их электрически заряженным ионам

Ядро, несущее почти всю (более чем 99,9 %) массу атома, состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов, связанных между собой при помощи сильного взаимодействия. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: число протонов Z соответствует порядковому номеру атома в периодической системе Менделеева и определяет его принадлежность к некоторому химическому элементу, а число нейтронов N — определённому изотопу этого элемента. Число Z также определяет суммарный положительный электрический заряд (Ze) атомного ядра и число электронов в нейтральном атоме, задающее его размер.

Атомы различного вида в разных количествах, связанные межатомными связями, образуют молекулы.