Учеб. пособие для ОЗО Общая химия

УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ФИЗИЧЕСКОЙ КУЛЬТУРЫ

ГРИГОРЬЕВА Н.М. ЛЬВОВСКАЯ Е.И.

ОБЩАЯ ХИМИЯ

Учебное пособие

Челябинск, 2011

3

4

ВВЕДЕНИЕ

Химия относится к естественным наукам, которые изучают окружающий нас материальный мир. Материальные объекты, составляющие предмет изучения химии, - это химические элементы и их соединения. В настоящее время известно более ста химических элементов и свыше четырёх миллионов их соединений.

Все объекты материального мира находятся в состоянии непрерывного движения, изменения, развития. Формы движения материи разнообразны. Нагревание и охлаждение тел, излучение света, электрический ток, химические превращения, физиологические процессы – всё это формы движения материи. Отдельные формы движения материи изучаются различными науками: физикой, химией, биологией и другими.

К химической форме движения материи относятся разнообразные превращения одних веществ в другие (химические реакции). В химии веществом называется каждый отдельный вид материи, обладающий при данных условиях определёнными физическими свойствами, например, вода, железо, сера, кислород. Предметом изучения химии является не только состав и строение веществ, но и условия и пути превращения одних веществ в другие, а также явления, сопровождающие эти превращения.

Итак, химия – это наука о составе, строении, свойствах и

превращениях веществ.

Химия тесно связана с другими естественными науками, особенно такими, как физика, биология, геология. Современная химия активно использует математические методы и компьютерное моделирование.

В химии выделяют ряд самостоятельных разделов. Так, общая химия рассматривает основные закономерности, относящиеся ко всем химическим превращениям. Неорганическая химия изучает свойства и превращения неорганических (минеральных) веществ. Органическая химия изучает свойства и превращения органических веществ. На границе между химией и биологией сформировались такие науки, как биохимия, биоорганическая и бионеорганическая химия – изучающие химические процессы в растительных и животных организмах. Таким образом, химия является мощным инструментом исследования и познания процессов, происходящих в живых системах.

5

Глава 1. Основные понятия и законы химии

1.1. Атомно-молекулярное учение

Атомно-молекулярное учение лежит в основе современных представлений о строении материи, о свойствах веществ и о природе физических и химических явлений. Основы атомно-молекулярного учения впервые были изложены М.В. Ломоносовым. Большой вклад в развитие представлений о строении вещества внесли также крупнейшие русские и зарубежные учёные Лавуазье, Пруст, Дальтон, Авогадро, Канниццаро, Берцелиус, Д.И. Менделеев, А.М. Бутлеров. Окончательно атомно-молекулярное учение утвердилось как научная теория в середине XIX века. Рассмотрим его основные положения:

1.Все вещества состоят из атомов, молекул или ионов. Атом – это наименьшая частица химического элемента, обладающая его химическими свойствами. Атом представляет собой электронейтральную частицу, которая состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Химический элемент представляет собой определённый вид атомов

содинаковым зарядом ядра. Элементы принято обозначать химическими знаками (символами). Символ элемента состоит из первой буквы или первой и одной из следующих букв латинского названия элемента. Например, водород (Hydrogenium) обозначается

буквой Н, кальций (Calcium) имеет символ – Са и т.д.

Молекула – это наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами. Молекулы состоят из атомов одного или нескольких химических элементов. В состав молекулы может входить разное число атомов.

Не во всех случаях, частицы, образующие вещество, представляют собой молекулы. Некоторые вещества имеют атомное строение. Многие вещества в твёрдом и жидком состоянии, например, большинство солей, имеют не молекулярную, а ионную структуру. Ион – электрически заряженная частица, которая образуется при отдаче или приобретении электронов атомом или молекулой.

2.Все молекулы, атомы и ионы, входящие в состав вещества, находятся в непрерывном движении, обусловленном запасом тепловой энергии каждого вещества.

3.Все вещества подразделяются на простые и сложные. Простые вещества состоят из атомов одного химического элемента. Например, простое вещество медь образовано атомами элемента меди, простое вещество водород – атомами элемента водорода.

6

Некоторые химические элементы образуют несколько простых веществ, различных по строению и свойствам. Это явление называется аллотропией. Например, элемент кислород образует две аллотропные модификации – кислород (О2) и озон (О3); элемент углерод – четыре: алмаз, графит, карбин и фуллерен (имеют разный порядок соединения атомов).

Сложные вещества, или химические соединения, состоят из атомов различных элементов. Например, оксид меди образован атомами элементов меди и кислорода, вода – атомами элементов водорода и кислорода.

Состав простых и сложных веществ обозначается при помощи химических формул, в которых указываются все входящие в состав данной молекулы элементы и их количество. Например, серная кислота имеет состав H2SO4, хлорид натрия – NaCl, хлор - Cl2. Если вещество имеет атомную или металлическую структуру, то его изображают химическим знаком элемента. Например, He, Al, C.

4. Химическая реакция (превращение, явление) – это процесс, при котором одни вещества превращаются в другие, отличающиеся от исходных составом и свойствам. Окисление на воздухе, горение, получение металлов из руд, ржавление железа – всё это химические явления. Химические реакции можно записать с помощью химических уравнений. В каждом уравнении имеется две части, соединённые знаком равенства. В левой части записывают формулы веществ, вступающих в реакцию, в правой – формулы веществ, образующихся в результате реакций. Число атомов каждого элемента в левой и правой частях уравнения должно быть одинаковым, что соответствует закону сохранения массы веществ.

При химических реакциях не происходит превращений атомов одних химических элементов в другие. Превращения, в результате которых образуются атомы новых элементов (ядерные реакции), относятся к физическим явлениям. К физическим относятся также явления, при которых изменяется форма или физическое состояние веществ. Например, протекание электрического тока по металлическому проводу, ковка и плавление металла, переход из одного агрегатного состояния в другое.

7

1.2. Масса атомов и молекул.

Абсолютная атомная масса (ma) – масса атома, выраженная в килограммах. Пользоваться такими величинами неудобно, поэтому в химии используются не абсолютные значения атомных и молекулярных масс, а относительные, определённые по отношению к массе атома какого-либо одного химического элемента.

Атомные и молекулярные массы выражают в атомных единицах массы (а.е.м.). За атомную единицу массы принимается 1/12 часть массы атома углерода-12 (изотоп 12С), что составляет 1,66 · 10-27кг.

Относительная атомная масса химического элемента (Аr) – это число, показывающее, во сколько раз масса данного атома больше 1/12 части массы атома углерода-12. Относительная атомная масса равна:

Большинство химических элементов имеют атомы с различной массой (изотопы). Относительная атомная масса химического элемента равна среднему арифметическому относительных масс атомов отдельных изотопов с учётом их распространённости в природе. Относительные атомные массы элементов приводятся в периодической системе Д.И. Менделеева (приложение 1).

Относительная молекулярная масса (Мr) – это отношение массы молекулы к атомной единице массы:

Мr = m(молекулы) / 1 а.е.м. (1.2) Относительную молекулярную массу можно рассчитать, сложив относительные массы всех атомов, входящих в состав молекулы. Например, молекулярная масса углекислого газа рассчитывается так:

Мr(СО2) = Аr(С) + 2Аr(О) = 12 + 2 · 16 = 44

1.3. Количество вещества. Молярная масса.

Наряду с единицами массы в химии пользуются также единицей количества вещества (п), показывающей число структурных единиц (атомов, молекул, ионов, электронов и др.), образующих это вещество. Единицей количества вещества является моль. Моль – это количество вещества, которое содержит столько структурных единиц, сколько атомов содержится в 12 г изотопа углерода 12С. Число атомов в 12 г 12С известно, оно равно 6,02 · 1023. Постоянная величина NA = 6,02 · 1023 моль-1 называется постоянной Авогадро. Она показывает число структурных единиц в одном моле любого вещества. Поэтому

8

можно сказать, что моль – это количество вещества, которое содержит 6,02 · 1023 структурных единиц данного вещества.

Масса одного моля данного вещества называется его молярной массой. Молярная масса М(Х) рассчитывается как отношение массы вещества m(Х) к его количеству п(Х):

М(Х) = m(Х) / п(Х) (1.3) Молярная масса имеет размерность кг/моль или г/моль. Молярная масса вещества, выраженная в г/моль, численно равна относительной атомной или молекулярной массе вещества. Например, относительная молекулярная масса воды Мr(Н2О) = 18, значит, молярная масса воды

М(Н2О) = 18 г/ моль.

1.4.Основные законы химии.

В1748 г. М.В. Ломоносов сформулировал положение, которое в дальнейшем сыграло большую роль в развитии химии и получило название закона сохранения массы:

Масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе

веществ, образующихся в результате реакции.

Закон сохранения массы веществ может быть объяснён с позиций атомно-молекулярного учения: при химических реакциях атомы не исчезают и не могут возникнуть из ничего. Общее число атомов остаётся постоянным до и после реакции. Поскольку масса данного атома постоянна, то и общая масса исходных веществ, состоящих из этих атомов, равна массе продуктов реакции, которые состоят из того же набора атомов.

Закон сохранения массы даёт материальную основу для составления уравнений химических реакций и проведения расчётов по химическим уравнениям. Раздел химии, который изучает количественный состав веществ и количественные отношения (массовые, объёмные) между реагирующими веществами, называется стехиометрией. В сответствии с этим, расчёты этих соотношений называются стехиометрическими.

Закон сохранения энергии:

При любых взаимодействиях, имеющих место в изолированной системе, энергия этой системы остаётся постоянной и возможны

лишь переходы из одного вида энергии в другой.

В 1905 г. А. Эйнштейн показал, что между массой тела (m) и его энергией (Е) существует связь, выражаемая соотношением:

Е = m·c2, где с- скорость света в вакууме (300000 км/сек)

9

Учитывая, что при химических реакциях может происходить выделение или поглощение энергии, в принципе необходимо при учёте масс веществ принимать во внимание это соотношение. Однако величина скорости света является исключительно большой, не сопоставимой ни с количеством энергии, ни с массой веществ для обычных химических реакций. Поэтому практически не принимают во внимание ту массу, которая приносится или уносится с энергией.

Закон постоянства состава (Ж.Пруст, 1801-1808 гг.):

Каждое чистое вещество имеет постоянный качественный и

количественный состав независимо от способов получения.

Закон кратных отношений (Дж.Дальтон, 1808 г.):

Если два элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то массы одного из элементов, приходящиеся в этих соединениях на одну и ту же массу другого элемента, относятся

между собой как целые числа.

Например, углерод и кислород образуют два оксида: СО и СО2. В этих оксидах массы кислорода, приходящиеся на одну и ту же массу углерода, относятся как 1:2.

Вотличие от закона сохранения массы, законы постоянства состава

икратных отношений не являются всеобщими. Эти законы всегда выполняются для газообразных и жидких веществ, то есть, веществ с молекулярной структурой. Многие кристаллические вещества немолекулярного строения (с атомной, ионной, металлической решёткой) могут иметь разный количественный состав в зависимости от способа их получения. Например, оксид железа (II), простейшую формулу которого обычно выражают формулой FeO, в

действительности может иметь состав Fe0,89O, Fe0,91O, Fe0,93O и т.д. Вещества, подчиняющиеся закону постоянства состава,

называются соединениями постоянного состава, или дальтонидами, в отличие от соединений переменного состава – бертоллидов.

Закон объёмных отношений (Ж.Гей-Люссак, 1805 г.):

При одинаковых условиях объёмы вступающих в реакцию газов относятся друг к другу и к объёмам образующихся газообразных

продуктов реакции как небольшие целые числа.

Для объяснения этого закона в 1811 г. А. Авогадро выдвинул гипотезу, которая была подтверждена экспериментально и получила название закона Авогадро:

В равных объёмах различных газов при одинаковых условиях (давлении и температуре) содержится одинаковое число молекул.

10