1. Основные понятия химии

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ХИМИИ

Конспект лекций по курсу неорганической химии

Рекомендовано методической комиссией химического факультета для студентов ННГУ, обучающихся по направлению подготовки 020100 “Химия” и специальностям 020101 “Химия”, 020801 “Экология”, 240306 “Химическая технология монокристаллов, материалов и изделий электронной техники”

Нижний Новгород

2010

2

УДК 541.15

ББК 24

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ХИМИИ: Составитель: Сибир- кин А.А. Конспект лекций по курсу неорганической химии. – Нижний Нов- город: Нижегородский госуниверситет, 2010. – с.

Рецензент:

В первой части конспекта лекций на современном уровне раскрыва- ется содержание основных понятий химии, химической термодинамики, анализируются основные законы химии.

Конспект лекций предназначено для студентов ННГУ, обучающихся по направлению подготовки 020100 “Химия” и специальностям 020101 “Химия”, 020801 “Экология”, 240306 “Химическая технология монокри- сталлов, материалов и изделий электронной техники”.

Ответственный за выпуск:

заместитель председателя методической комиссии химического факультета ННГУ,

к.х.н., доцент Гуленова М.В.

УДК 541.15

ББК 24

3

Основные понятия химии

Атомно-молекулярное учение (М.В.Ломоносов, 1741, Рос-

сия, J.Dalton, 1803 - 1804, 1808, Великобритания). Основные по-

ложения.

1.Вещества состоят из молекул (корпускул, сложных ато- мов), молекулы состоят из атомов (элементов).

2.Молекулы совершают непрерыеное хаотическое движе- ние. Между молекулами существуют силы притяжения и оттал- кивания.

3.Молекулы простых веществ состоят из одинаковых ато- мов, молекулы сложных - из разных атомов.

Полное признание атомно-молекулярное учение получило на Международном съезде химиков в Карлсруэ (Karlsruhe, 1860, Германия). Существенным дополнением к атомно- молекулярному учению является учение о веществах немолеку- лярного строения.

Атом. В соответствии с классическим представлением атом - мельчайшая химически неделимая частица вещества. При всей

сложности строения атома в химических превращениях он не разделяется на составные части.

Классическое определение атома не отражает современного состояния естествознания по нескольким причинам.

1.Под классическое определение атома попадает любая элементарная частица (протон, электрон, нейтрон и др.), которая также не затрагивается при химическом превращении.

2.Существуют многочисленные примеры химических про-

цессов, в которых целостность атома нарушается. Так, при дей- ствии воды или хлора на натрий образуются ионы натрия Na+. Это означает, что в ходе химического процесса атом расстается с электроном.

На современном этапе атом следует определить как относи-

тельно устойчивую систему из положительного заряженного ядра

иопределенного числа электронов. В случае равенства числа протонов и электронов атом оказывается электронейтральным, в

4

случае преобладания положительных зарядов в ядре имеют дело

сатомарным катионом, в случае избытка электронов в оболочке -

сатомарным анионом. Устойчивость атомной системы означает,

что атомное ядро и электроны в составе атома обладают более низкой энергией, чем находясь изолировано. Относительность устойчивости означает, что для разрушения атома на указанные в

определении его составные части требуется подвести конечного количество энергии. Достоинства такого определения.

1.В учении о строении вещества нейтральные атомы и ато- марные ионы могут быть обсуждены с одинаковых позиций.

2.Принятие такого определения позволяет достичь строго- сти и избежать затруднений при изложении химических знаний. Не требуется уточнять, атомы или ионы натрия находятся в узлах кристаллической решетки хлорида натрия или в растворе гидро- ксида натрия. Не требуется уточнять, атомы или ионы натрия или любого другого химического элемента ответственны за появле- ние эмиссионного спектра вещества.

Ядро является относительно массивной частью атома и за- нимает весьма малый объем в его центре. Электронная оболочка вносит небольшой вклад в массу атома, но фактически определя- ет его размер и объем. Атомное ядро состоит из протонов и ней- тронов. Сумма числа протонов Z и нейтронов N называется мас- совым числом A. Протон, нейтрон и электрон являются элемен- тарными частицами (табл. 1).

Табл. 1. Свойства важнейших элементарных частиц

Заряды протона равны, но противоположны по знаку. Вы- бор знака заряда условный, так как нет физических оснований для из различия, кроме отношения друг к другу. Химические свойства атомов определяются строением их электронных оболо- чек.

5

Изотопы. Изотопами называют атомы, имеющие одинако- вое число протонов Z, но различное число нейтронов N, а значит,

имассовое число A. Одинаковое строение электронных оболо- чек, являющееся следствием постоянства Z для различных изо- топов, обусловливает одинаковые химические свойства изотопов

иблизкие их физические свойства.

Химический элемент. Химический элемент есть совокуп- ность атомов с одинаковым зарядом ядра. Химический элемент образован изотопами с разными массовыми числами. Изотопный состав элемента в химических превращениях не изменяется.

Молекула. В классической химии под молекулой понима- ют наименьшую частицу вещества, сохраняющую его химиче- ские свойства. Состав молекулы отражается молекулярной фор- мулой. Химические свойства вещества определяются составом молекулы и ее строением. Физические свойства вещества (плот- ность, вязкость, температуры плавления и кипения) определяют- ся в первую очередь межмолекулярным взаимодействием, и лишь косвенно природой отдельной молекулы.

В современной химии под молекулой понимают относи- тельно устойчивую систему из нескольких атомных ядер и опре- деленного числа электронов. Такое определение согласуется с современным определением атома (см. выше). Под такое опреде- ление молекулы попадают свободные радикалы (частицы с не- спаренными электронами) и молекулярные ионы (частицы, в ко- торых общий заряд ядер не равен числу электронов).

Формульная единица. Для многих веществ нельзя выде- лить молекулу как мельчайшего представителя вещества. Для та- ких веществ взаимодействие атомов охватывает все вещество це- ликом, различия между внутримолекулярным и межмолекуляр- ным взаимодействием отсутствуют. Для характеристики веществ немолекулярного строения достаточно указать соотношение ато- мов или атомных групп в веществе записью формульной едини- цы.

6

Масса атомов и молекул. Моль. Молярная масса

Моль. Постоянная Авогадро. Моль является основной единицей Международной системы единиц СИ. Моль вещества - это такое его количество, которое содержит столько же структур- ных единиц (атомов, молекул, атомарных и молекулярных ионов, свободных радикалов, формульных единиц), сколько атомов со- держит 12 г (точно) изотопа углерода с массовым числом 12.

Число частиц в 1 моль вещества выражает постоянная Аво- гадро (названа в честь итальянского химика А.Авогадро):

NA = 6.022045 . 1023 1 / моль.

Постоянная Авогадро представляет собой фундаментальную физическую константу. Ее размерность вытекает из физического смысла.

Здесь и далее значения фундаментальных физических кон-

стант приводятся по источнику: Recommended Consistant Values of Fundamental Physics Constants. 1973 // Успехи физ. наук.- 1975.- Т. 115, вып. 4.- С. 623.

Количество вещества. Для удобства выражения очень большого числа частиц в обычно рассматриваемых образцах применяют понятие количества вещества, которое определяется отношением числа частиц N к постоянной Авогадро NA:

Замечание. Количество вещества определяется исключи- тельно числом частиц вещества, но не их природой, массой или каким-либо другим свойством.

Молярная и атомная массы. Пусть m0 - масса отдельной частицы вещества. Тогда масса 1 моль вещества составляет

M = m0 × NA .

7

Определенная таким образом величина называется молярной массой.

Принимая во внимание, что масса вещества, состоящая из произвольного числа N частиц, составляет

m = m0 × N ,

из определения количества вещества (1) получаем важное соот- ношение:

Если отдельная частица состоит из нескольких атомов вида i массой m0i каждый, то

где Ai = m0i NA - молярная масса атома вида i.

Замечания. 1. Молярная масса вещества представляет сумму молярных масс атомов, входящих в его состав.

2.Понятие молярной массы может быть распространено на элементарные частицы, изотопы и их смеси. Понятия моля и мо- лярной массы не применяют по отношению к частицам надмоле- кулярного уровня (капли, песчинки, исчисляемые предметы и прочее).

3.Понятие молярной массы атома распространяют на хи- мический элемент, состоящий из нескольких изотопов. Исходя из средних значений масс атомов в смеси природного (естественно- го) изотопного состава, приходят к значению молярной массы атомов химического элемента, которую называют атомной мас- сой. Значения атомной массы элемента (в граммах на моль) при- водятся в периодической системе химических элементов.

4.Первая таблица атомных масс 5 элементов составлена Д.Дальтоном (D.Dalton, 1803, Англия). В 1807 – 1818 годах И.Я.Берцелиус (J.J.Berzellius, Швеция) определил атомные массы еще 45 химических элементов и создал систему атомных масс.

8

Молярный объем. Молярным объемом вещества называет- ся отношение объема вещества к количеству вещества:

Vm = Vn .

Принимая во внимание определение плотности

ρ= Vm

имолярной массы (2), получаем важное соотношение:

Vm = Vn = mρ Mm = Mρ .

Таким образом, наряду с молярной массой и плотностью молярный объем является характеристикой вещества. Понятие молярного объема применимо для всех агрегатных состояний, и для каждого вещества эта величина имеет определенное значе- ние. Однако для идеальных газов в дальнейшем будет показано,

что молярный объем не зависит от природы газа и определяется только условиями измерения.

Атомная единица массы. Атомной единицей массы (а.е.м.) называется 1/12 часть массы атома углерода с массовым числом 12. Ее эквивалент в традиционно применяемых единицах массы связан со значением постоянной Авогадро:

Относительная атомная и относительная молекулярная массы. Относительной атомной массой Ar называется отношение средней массы атомов естественного (природного) изотопного состава к 1/12 части массы атома углерода с массовым числом

9

12. Относительной молекулярной массой Mr называется отноше- ние средней массы молекулы или формульной единицы к 1/12 части массы атома углерода с массовым числом 12:

Т.о., относительная атомная (молекулярная) масса численно равна атомной (молярной) массе, выраженной в граммах на моль.

10

Учение об индивидуальных веществах

Химический индивид. Это главный объект изучения хи- мии, одна из форм существования атомов, тот способ, которыми атомы являются нам. Химический индивид есть однородное ве- щество определенного состава и характерного строения. Химиче- ские индивиды могут обладать как молекулярным, так и немоле- кулярным строением. Рассмотрим три качества химического ин- дивида применительно к этим представителям химических инди- видов.

Однородность вещества и понятие фазы. Однородность вещества проявляется в постоянстве физических свойств (твер- дости, плотности, вязкости, тепло- и электропроводности, показателя преломления, светопропускания) по всему объему вещества. Такое постоянство достигается за счет равномерного распределения атомов по объему вещества. Такой однородный объект обозначают понятием фазы. На границе раздела фаз указанные свойства изменяются скачкообразно, благодаря чему граница раздела фаз имеет физические признаки. По причине

отличия оптических свойств граница раздела фаз может быть видимой. Если однофазный образец измельчить, то несмотря на наличие нескольких мелких частиц число фаз сохранится,

причем вся совокупность этих мелких частиц и будет являться той самой фазой.

Характерное строение. Под строением понимается геомет- рическое расположение атомов в веществе, характер связи между ними и взаимное влияние друг на друга. Понятие строения для вещества молекулярного строения предполагает указание на чис- ло и порядок соединения атомов, а также их взаимное влияние друг на друга. Для веществ немолекулярного строения отражают кристаллохимическое строение, включающее расположение ато- мов в кристаллической решетке.

Если состав твердых веществ одинаков, но кристаллохими- ческое строение различно, то говорят о различных веществах, яв- ляющихся полиморфными модификациями данного состава. Яв-