Раздел 5. Избранные вопросы химии

Основы органической химии. Классы соединений. Типы реакций. Полимерные материалы. Применение полимерных материалов в энергетике. Полимеры и олигомеры. Полимеризация. Структура и физико-химические свойства полимеров. Макромолекулы, химия наноструктур .

Химическая идентификация. Качественный и количественный анализ. Аналитический сигнал, химические методы анализа. Физико-химические методы анализа. Физические методы анализа. Потенциометрия, кулонометрия, полярография. Хроматография.

Химия и экология.

Лекция 9. Аналитическая химия. Качественный и количественный анализ.

Лекция 1

Предмет химии. Первые модели строения атома

Основные вопросы:

1. Предмет химии. Понятие о материи и движении. Закон сохранения массы и энергии. Значение химии в изучении природы и развитии техники.

2. Основные количественные законы химии. Закон эквивалентов.

3. Первые модели строения атома. Модель атома Дж. Томсона, планетарная модель атома Э. Резерфорда.

4. Кванты и модель атома Бора.

5

1. Химия изучает химическую форму движения материи. В соответствии с классическими научными воззрениями различаются две физические формы существования материи – вещество и поле. Вещества – это различные виды движущейся материи, обладающей массой покоя. Поле характеризуется непрерывностью и энергией. Известны электромагнитное и гравитационное поля, поле ядерных сил, волновые поля различных элементарных частиц. Посредством поля осуществляется взаимодействие между частицами вещества. Материя находится в непрерывном движении, формы движения очень разнообразны и изучаются разными естественными науками. Химическая форма движения материи – это превращение одних веществ в другие.

Между массой т и энергией Е существует взаимосвязь согласно уравнению Эйнштейна:

,

где с – скорость света вакууме, равная 3,00·10⁸ м/с.

Изменение энергии сопровождается изменением массы. Это относится и к химическим реакциям. Однако энергетические эффекты химических реакций имеют порядок 10¹–10³ кДж/моль, чему соответствует изменение массы порядка 10^-10–10^-8 г, которое в расчетах можно не учитывать. Поэтому для химических процессов справедлив закон сохранения массы веществ: сумма массы веществ, вступивших в реакцию, равна сумме масс продуктов реакции. Этот закон лежит в основе всех количественных расчетов в химии.

Химия – наука о веществах и законах их превращений. Вещества состоят из структурных единиц: атомов, молекул ионов, радикалов.

Предмет химии – химические элементы и их соединения, а также закономерности, которым подчиняются различные химические реакции. Химический элемент – вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Предмет химии неисчерпаем, как неисчерпаема природа в своих проявлениях.

Атом – наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства.

Молекула – наименьшая частица индивидуального вещества, способная к самостоятельному существованию, обладающая его химическими свойствами, составленная из атомов одного вида или различных атомов.

Ионы – заряженные атомы или группы атомов.

6

Радикалы – атомы или группы атомов, имеющие неспаренные электроны.

Химия изучает вещество, организованное из атомов, молекул, ионов, радикалов.

Абсолютные массы атомов и молекул очень малы (10^-24–10^-21 г) и неудобны для расчетов, поэтому используют относительные единицы. За единицу измерения количества вещества принят моль.

Моль – это количество вещества, которое содержит столько частиц (молекул, атомов, ионов, электронов), сколько атомов содержится в 0,012 кг изотопа углерода (12). Число структурных единиц, содержащихся в одном моле вещества, называется числом Авогадро: N_A = 6,02 10²³ моль^-1.

Эквивалентом называется реальная или условная частица вещества, которая эквивалентна одному иону водорода в кислотно-основных и ионно-обменных реакциях или одному электрону в окислительно-восстановительных реакциях.

Моль эквивалентов вещества содержит 6,02 10²³ эквивалентов. Масса одного моль эквивалентов вещества называется молярной массой эквивалентов М_Э.

Для расчета молярной массы эквивалента вещества можно использовать формулы:

а) для простого вещества:

где А – масса моля атомов вещества, численно равная относительной атомной массе элемента; В – валентность элемента в веществе.

б) для сложного вещества:

где М – молярная масса данного вещества; В – валентность функциональной группы сложного вещества; n – число функциональных групп в соединении.

Изучение химии необходимо для формирования научного мировоззрения специалистов любого профиля. Получение электроэнергии, топлива, металлов, различных материалов связано с химическими превращениями. Роль химии в развитии энергетики, машиностроения, электротехники, микроэлектроники, радиотехники, космической техники,

7

автоматики, вычислительной техники несомненна. Для разных областей науки и техники необходимы материалы с особыми свойствами, которых нет

• природе: сверхчистые, сверхтвердые, сверхпроводящие, жаростойкие и т.д.

2. К основным количественным законом химии относится закон эквивалентов (1793 г.): все вещества реагируют друг с другом в эквивалентных количествах, массы участвующих в реакции веществ пропорциональны молярным массам их эквивалентов:

3. Первые модели строения атома. В 1897 г. Дж. Томсон (Англия)

открыл электрон, в 1904 г. он же предложил модель строения атома: атом представлен в виде положительно-заряженной сферы с вкрапленными отрицательно заряженными электронами.

Первым основополагающим достижением в области изучения внутреннего строения вещества было создание модели атома английским физиком Э. Резерфордом (1911 г.). По Резерфорду в центре атома существует положительно заряженное ядро, окруженное электронной оболочкой. Резерфорд предсказал существование протона и его массу, которая в 1800 раз превышает массу электрона. Атом состоит из тяжелого ядра, вокруг которого двигаются по орбитам электроны, подобно планетам солнечной системы. Однако, как показывает теория электромагнитного поля, электроны в этом случае должны двигаться по спирали, непрерывно излучая энергию, и падать на ядро.

В 1900 г. М. Планк (Германия) предположил, что вещества поглощают

и испускают энергию дискретными порциями – квантами. Энергия кванта E пропорциональна чистоте излучения :

E=h.

В 1913 г. Н. Бор (Дания), используя модель атома Резерфорда и теорию Планка, предложил модель атома водорода. Постулаты Бора:

1. Электроны движутся вокруг ядра не по любым, а по разрешенным стационарным орбитам.

2. При переходе электрона с одной орбиты на другую атом поглощает или испускает энергию в виде квантов.

8

Теория Бора позволила рассчитать энергию электронов, значения квантов энергии, испускаемых при переходе электрона с одного уровня на другой.

Теория Бора не смогла объяснить поведение электрона в магнитном поле и все спектральные линии. Теория Бора оказалась не пригодной для многоэлектронных атомов. Возникла необходимость в новой модели атома, основанной на открытиях в микромире.

Вопросы для контроля

1. Что изучает химия? Какие науки называются естественными?

2. Как называются частицы, из которых состоят вещества?

3. Назовите первые модели строения атома.

Лекция 2