2. Значение химии в развитии техники и в изучении природы.

Хотелось бы отметить, что познание химии, как одной из важнейших фундаментальных естественных наук, прежде всего необходимо для вас — для еще продолжающих развитие и формирование организмов — так как химические знания играют очень важную роль в построении и развитии не только научного мировоззрения, но и образного, творческого мышления.

Важную роль играет химия в жизни каждого человека, в его практической деятельности. Особенно велико значение науки о веществе в технике: в настоящее время не существует ни одной отрасли техники и технологии, где не используются химические вещества и не осуществляются химические процессы.

Приведем несколько актуальных направлений применения химии:

1. Получение электроэнергии, путем преобразования химической энергии природного топлива;

2. Получение топлива;

3. Получение металлов;

4. Получение синтетических материалов: пластмасс, каучуков, волокон, пленок, термостойких пластиков, композиционных полимеров;

5. Получение материалов с особыми свойствами для новой техники (телевизионной техники, систем связи и информационных систем): сверхчистых, сверхтвердых, сверхпроводящих, жаростойких и т.п. Такие материалы поставляет современная химическая промышленность, поэтому можно понять важность изучения химии для любой специальности;

6. Получение продуктов питания;

7. Повышение урожайности сельскохозяйственных культур и экономия сельскохозяйственного сырья;

8. Охрана окружающей среды: разработка методов обнаружения и количественного определения вредных примесей, создание безотходных или малоотходных производств, разработка способов обезвреживания и утилизации промышленных и бытовых отходов и т.п.

3. Основные понятия химии.

Молекула — наименьшая частица вещества, обладающая его основными свойствами и способная к самостоятельному существованию. Она состоит из атомов. Атом представляет собой электронейтральную систему, состоящую из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него отрицательно заряженных электронов.

Положительно заряженное ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Протон p представляет собой положительно заряженную частицу с величиной заряда, численно равной заряду электрона, а нейтрон n является электронейтральной частицей с массой, приблизительно равной массе протона. Протоны и нейтроны ядра вместе называются нуклонами; они связаны между собой особыми, ядерными силами.

Количество протонов в ядре всегда постоянно (совпадает с числом электронов), тогда как количество нейтронов может изменяться (зачастую число нейтронов превышает число протонов). По этой причине существуют атомы, имеющие одинаковый заряд ядра, но различающиеся по массе. Они получили название изотопов (от греч. isos — равный, одинаковый + topos — место).

Совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра называют химическим элементом. Каждый известный химический элемент имеет в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева свой символ и порядковый номер, соответствующий заряду ядра.

Для обозначения атомных ядер применяют структурный символ элемента, в котором рядом с его химическим символом ставят два числа: слева внизу — порядковый номер (заряд ядра), а слева вверху — массовое число (например, ⁵⁴₂₆Fe).

Массовое число ядра равно сумме чисел протонов и нейтронов, входящих в состав атомного ядра. Порядковый номер элемента численно равен положительному заряду ядра его атома и показывает количество протонов в этом ядре (совпадающее с числом электронов). Таким образом, количество нейтронов в ядре можно определить как разность между массовым числом и зарядом ядра (— Сколько нейтронов содержится в ядрах изотопов железа:⁵⁴₂₄ Fe, ⁵⁶₂₆Fe, ⁵⁷₂₆Fe, ⁵⁸₂₆Fe?)

Массовые числа некоторых изотопов разных элементов могут совпадать. Например, изотопы с одинаковыми массовыми числами известны для хрома и железа (⁵⁴₂₄Cr и ⁵⁴₂₆Fe), цинка и германия (⁷⁰₃₀Zn и ⁷⁰₃₂Ge), кадмия и олова (¹¹²₄₈Cd и ¹¹²₅₀Sn) и др. Химические элементы, атомы которых имеют одинаковую массу, но различные заряды ядер, называются изобарами (от греч. isos – равный + baros – тяжесть, вес).

В свободном состоянии химические элементы находятся в виде простых веществ.

Простыми называют вещества, состоящие из атомов одного элемента. Их обозначают химической формулой Э_n, где Э — символ химического элемента; n — число атомов в молекуле.

Среди простых веществ выделяют металлы, составляющие большинство известных элементов, и неметаллы.

К неметаллам относятся простые вещества таких элементов, как водород Н, бор В, углерод С, кремний Si, азот N, фосфор Р, мышьяк As, кислород О, сера S, селен Se, теллур Те, фтор F, хлор Cl, бром Br, йод I, астат At, гелий Hе, неон Ne, аргон Ar, криптон Kr, ксенон Xe, радон Rn.

Химические элементы могут существовать в виде нескольких простых веществ, различающихся по количественному составу или кристаллическому строению. Например, кислород существует в виде дикислорода О₂ (обычно называемого кислородом) и трикислорода О₃ (называемого озоном), а углерод встречается в виде графита α-С, алмаза β-С, карбина (С₂)_n, фуллеренов С₆₀, С₇₀. Такое явление называют аллотропией, а различные виды одного и того же элемента — аллотропными модификациями.

Сложные вещества, или химические соединения, состоят из атомов двух и более элементов. Например, …………

Еще несколько примеров основных химических понятий:

Абсолютные массы атомов и молекул очень малы, однако современные методы исследования позволяют их определять с большой точностью. Так масса атома водорода составляет 1,674·10^–27 кг, атома углерода — 1,993·10^–26 кг, молекулы воды — 2,990·10^–26 кг. Пользоваться такими величинами в расчетах неудобно. Поэтому в химии используются не абсолютные значения масс, а относительные.

Относительная атомная масса показывает, во сколько раз масса атома данного элемента больше так называемой атомной единицы массы (а.е.м.).

В качестве атомной единицы массы (а.е.м.) принята 1/12 часть массы атома углерода-12, т.е. изотопа углерода ¹²С.

1 а.е.м. = 1,66·10^–27 кг

Таким образом, относительной атомной массой (или просто атомной массой) элемента называется масса его атома, выраженная в атомных единицах массы (безразмерная величина), обозначается Ar, где индекс r — начальная буква английского слова relative — относительный; иногда этот индекс опускается. Например, относительная атомная масса кислорода:

Ar(O) = m(O) / 1/12 m(C) = 15,999

Это значение относительной атомной массы кислорода приведено в периодической системе элементов.

Поскольку масса молекулы любого вещества слагается из масс образующих ее атомов, то относительной молекулярной массой Mr вещества называется масса его молекулы, выраженная в атомных единицах массы. Например, относительная молекулярная масса воды равна:

Mr(Н₂О) = m(H₂O) / 1/12 m(C) = 2,990·10^–26/1,66·10^–27 = 18,01

или

Mr(Н₂О) = 2Ar(H) + 1Ar(O) = 2·1 + 1·16 = 18 (относительная молекулярная масса равна сумме произведений относительных атомных масс атомов на их число).

Иными словами, относительные атомная Ar и молекулярная Mr массы показывают, во сколько раз массы данного атома и данной молекулы больше 1/12 массы атома изотопа углерода-12.

Наряду с единицами массы и объема в химии применяется также единица количества вещества — моль. Моль — это количество вещества, в котором содержится столько структурных единиц, сколько их находится в 12 г изотопа углерода ¹²С. К структурным единицам относятся атомы, молекулы, ионы и другие частицы, входящие в состав вещества.

Поскольку абсолютную массу атома углерода мы уже знаем, можно рассчитать, сколько атомов углерода содержится в 12 г углерода ¹²С или в 1 моль любого вещества.

N_A = 0,012 / 1,993·10^–26 = 6,02·10²³

Число N_A = 6,02·10²³ называется числом Авогадро. N_A не зависит ни от природы вещества, ни от его агрегатного состояния.

Масса одного моля данного вещества называется его молярной массой. Молярную массу выражают в г/моль или кг/моль. Она равна частному от деления массы вещества (в кг) на его количество (в моль)

М(Х) = m(X) / ν(X)

Важно помнить (легко показать), что молярная масса М вещества численно равна его относительной атомной или молекулярной массе.

Следует различать молярную массу М и молекулярную массу Мr, выраженную в а.е.м. Если молярная масса выражена в г/моль, то численные значения их равны. Если же молярная масса выражается в кг/моль, то числовое значение ее в 1000 раз меньше Мr. Например, молекулярная масса серной кислоты H₂SO₄ составляет 98 а.е.м., а ее молярная масса — 98 г/моль, или 98·10^–3 кг/моль.