1. Общие понятия химии

«Я надеюсь, что все, кто уже работает в химии или только вступают в нее, будут всю жизнь находить эту науку столь же интересной, какой находил ее я»

Лайнус Полинг,

Лауреат Нобелевской премии

1. Химическая форма движения материи. Формула вещества

С каждым днем становится вероятнее, что химическое сродство сводится к электрическим процессам.

В.И. Ленин

«Армия не могла нигде поправиться, она с Бородинского сражения и грабежа Москвы несла в себе уже как бы химические условия разложения». Это сказал Л.Н. Толстой, используя слово «химические» для описания самопроизвольного изменения вещей под влиянием неожиданно обнаружившихся, скрытых в них самих внутренних причин. Эта удивительная черта химических превращений в древности роднила химию с мистикой, и до сих пор химия во многом остается волшебницей.

Что же такое химия? В учебнике Брауна и Лемея «Химия в центре наук» говорится, что химия – все то, чем занимаются химики. Если точнее – химия относится к естественным наукам, изучающим окружающий нас мир во всем богатстве его форм и явлений.

А если конкретнее: современная химия – это наука, изучающая превращения веществ (т.е. соединений¹), сопровождающиеся изменением их состава и структуры.

Считают, что эти изменения относятся к химической форме движения материи, т.е. к химическим взаимодействиям, если они проявляются на расстоянии 10⁻⁸ −10⁻⁶ см, осуществляются в температурном интервале от 70 до 3000 К и сопровождаются поглощением или выделением энергии порядка 30-3000 кДж/моль ².

Причем связи (между атомами вещества), для разрыва которых требуется энергия от 30 до 1700 кДж/моль, называются химическими связями (ХС).

При всем многообразии химические превращения (т. е. химические реакции) имеют одинаковую природу: одна система ядер, связанных электронами, сменяется другой в результате сил электростатического взаимодействия. При этом образуются новые ХС (в продуктах реакции) за счет разрыва или ослабления старых (в исходных веществах, т.е. в реагентах). Иногда происходит упрочнение одних связей за счет разрыва или ослабления других.

Носителем химических свойств вещества является молекула, а в случае соединений т.н. немолекулярной структуры (см. ниже) – фаза³ (кристалл вещества). Молекула – это совокупность атомов, соединенных химической связью, имеющая строго определенный состав.

В химии рассматриваются связи не только химические, но и межмолекулярные (ММС), т.к. химики имеют дело с веществами, агрегатное состояние которых (и, как следствие, их реакционная способность) часто определяются силами межмолекулярного взаимодействия.

Оба типа связи (ХС и ММС) имеют единую электростатическую природу, но ММС в отличие от ХС образуется без передачи электронов от атома к атому. Кроме того, энергия ММС намного ниже: (менее 20 кДж/моль)², а потому ее длина⁴ значительно больше, чем в случае ХС.

Наличие факта образования или разрыва химических связей – это критерий химической формы движения! Он лежит в основе определения – будет ли данный процесс (например, растворение) химическим или относится к физическому акту, при котором изменения (разрыв, образование и т.п.) претерпевают ММС. Так, растворение безводного сульфата меди в воде можно назвать химическим процессом, а распределение углекислого газа в сухом воздухе является физическим.

Различают вещества с молекулярной и немолекулярной структурой. В случае веществ молекулярной структуры, т.е. обладающих т.н. молекулярной решеткой, в узлах этой решетки находятся молекулы, связанные между собой межмолекулярными силами.

Напротив, если между структурными единицами⁵ осуществляются химические взаимодействия (хотя бы частично), то решетку таких соединений относят к немолекулярной. Причем немолекулярная решетка вещества (в зависимости от соотношения вкладов ХС и ММС в ее образование) может быть:

ο Координационной -- в ней все атомы соединены между собой только химическими связями (как, например, в алмазе, хлориде натрия, золоте);

ο слоистой – когда ХС имеют место между атомами в слое вещества, а между слоями действуют ММС (такую решетку имеет графит – простое вещество С);

ο цепной (волокнистой) – в цепи (волокне) между атомами – химическая связь, а между волокнами – ММС. (подобная структура у карбина – другого простого вещества углерода).

Качественный и количественный состав вещества с молекулярной решеткой передается его молекулярной формулой (например: CO₂ , H₂O ), а в случае соединения немолекулярной структуры – простейшей формулой (NaCl, CaHPO₄ ).

Графическое изображение формулы (графическая формула) показывает, в каком порядке атомы элементов⁶ связаны друг с другом. Например, для воды: H − O − H ; для хлорида натрия: Na − Cl. Отметим, что графическая формула всегда

плоская, поэтому обычно она не совпадает со структурной формулой, моделирующей реальное объемное строение молекулы или фазы.

Формулу вещества рассчитывают, исходя из его химического состава, определенного экспериментально. Например, пусть опытно установлено, что массовая доля водорода в соединении – 1,59%, азота – 22,21%, а кислорода – 76,20%. Очевидно, в 100 а.е.м. этого вещества будет содержаться водорода – 1,59, азота – 22,21, а кислорода 76,20 (а.е.м.).

Поделив эти массы на относительные атомные массы элементов ( A_r ), получим, что число атомов водорода в данной массе соединения (т.е. в 100 а.е.м.) равно 1,59, азота – 1,58, а кислорода – 4,76. Поделив же на минимальное из полученных чисел, найдем соотношение элементов в данном веществе: 1:1:3. Следовательно, его формула – HNO . ₃

Для идентификации достаточно сложных соединений молекулярной структуры, кроме данных по составу вещества, необходимо и знание его относительной молекулярной массы (M_r ). Ее определяют, например, переводя точную навеску вещества (m) в газовую фазу при определенной температуре (T). Затем, измерив давление и объем газа, расчет ведут по формуле Клапейрона-Менделеева:

m

pV = ⋅ RT , M

где R – универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/(моль⋅К), а M – молярная масса вещества (см. главу 1.2), которая численно совпадает с M_r .

Отметим, что для веществ немолекулярной структуры вместо термина «молекулярная масса» правильнее использовать слово «формульная масса» (т.е. рассчитанная по простейшей формуле вещества).

Подчеркнем, что для веществ молекулярной структуры характерно постоянство химического состава - они называются дальтонидами. В то время как для немолекулярных соединений при сохранении одинакового типа решетки⁷ состав может меняться в довольно широких пределах. Например, в случае оксида титана(II) - от TiO_0,58 до TiO_1,33 . Такого рода соединения называются бертоллидами.