Химия

Химия наука изучающая химические элементы, соединения химических элементов, превращени происходящих в результате химических реакций. Поскольку все вещества состоят из атомов, которые благодаря химическим связям способны формировать молекулы, то химия занимается в основном изучением взаимодействий между атомами и молекулами, полученными в результате таких взаимодействий.

Химия наука о химических элементах, их соединениях и превращениях, происходящих в результате химических реакций. Она изучает, из каких веществ состоит тот или иной предмет; почему и как ржавеет железо, и почему олово не ржавеет; что происходит с пищей в организме; почему раствор соли проводит электрический ток, а раствор сахара — нет; почему одни химические изменения происходят быстро, а другие — медленно. Главная задача химии — выяснение природы вещества, главный подход к решению этой задачи — разложение вещества на более простые компоненты и синтез новых веществ. Используя этот подход, химики научились воспроизводить множество природных химических субстанций и создавать материалы, не существующие в природе. На химических предприятиях уголь, нефть, руды, вода, кислород воздуха превращаются в моющие средства и красители, пластики и полимеры, лекарства и металлические сплавы, удобрения, гербициды и инсектициды и т.д. Живой организм тоже можно рассматривать как сложнейший химический завод, на котором тысячи веществ вступают в точно отрегулированные химические реакции.

Элементы и соединения.
Элементы. Исследование сложного вещества начинается с попыток разложить его на более простые. Простейшая форма материи, в которой сохраняется определенная совокупность физических и химических свойств, называется химическим элементом. Химические элементы — это частицы вещества, представляющие собой совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Водород, кислород, хлор, натрий, железо — все это элементы. Элемент нельзя разложить на более простые составляющие обычными методами: с помощью тепла, света, электричества или под действием другого вещества. Для этого нужны колоссальное количество энергии, специальное оборудование (например, ускоритель частиц) или высокие температуры, сравнимые с температурами в недрах Солнца. Из 109 известных элементов в природе существует девяносто два элемента, остальные получены искусственно. Все они систематизированы в периодической таблице элементов, где каждому элементу соответствует свой порядковый номер, называемый атомным номером (смотреть элементы химические; периодическая система элементов).

103 элемента в алфавитном порядке, из них состоят миллионы химических веществ.

Соединения. Элементы, соединяясь друг с другом, образуют сложные вещества — химические соединения. Соль, вода, ржавчина, каучук — это примеры соединений. Соединение состоит из элементов, но обычно по своим свойствам и внешнему виду не напоминает ни один из них. Так, ржавчина образуется при взаимодействии газа — кислорода с металлом — железом, а сырьем для получения многих волокон служат уголь, вода и воздух. Именно индивидуальность свойств — одна из черт, отличающих соединение от простой смеси. Другая, и наиболее важная, характеристика соединения заключается в том, что элементы всегда соединяются между собой в определенных массовых соотношениях. Например, вода состоит из 2,016 массовых частей водорода и 16,000 массовых частей кислорода. Массовое соотношение между водородом и кислородом в водах Волги и льдах Антарктики одинаково и равно 1:8. Иными словами, каждое химическое соединение имеет вполне определенный состав, т. е. всегда содержит одни и те же элементы в одних и тех же массовых соотношениях. Это один из основных химических законов — закон постоянства состава.

Многие элементы образуют несколько соединений. Так, помимо воды известно еще одно соединение водорода и кислорода — пероксид водорода, который состоит из 2,016 частей водорода и 32 частей кислорода. Здесь водород и кислород находятся в массовом соотношении 1:16, что ровно вдвое отличается от их соотношения в воде. Этот пример иллюстрирует закон кратных соотношений: если два элемента образуют между собой несколько соединений, то массовые количества одного элемента, соединяющиеся с одним и тем же массовым количеством другого, относятся между собой как небольшие целые числа.

Атомы и молекулы. Понятия атомов и молекул — основные в химии. Атом — это мельчайшая частица элемента, обладающая всеми его свойствами, а молекула — мельчайшая частица соединения, обладающая его свойствами и способная к самостоятельному существованию. Атомистическая идея восходит к 6-5 вв. до н.э. и принадлежит древнегреческим философам Левкиппу и его ученику Демокриту. По их представлениям, вещество состоит из мельчайших неделимых частиц — атомов, созданных из одного и того же первичного материала. Правда, ни один из этих философов не определил, что это за материал. Впоследствии атомную теорию развил другой греческий философ, Эпикур (4-3 вв. до н.э.). Он утверждал, что атомы обладают весом и перемещаются в горизонтальном и вертикальном направлениях, взаимодействуя друг с другом. Аналогичные идеи высказывал римский поэт Лукреций в 1 в. до н.э., наблюдавший за пылинками, которые танцуют в солнечном луче. Наконец, в 1804-1810 английский химик и физик Дж.Дальтон разработал атомную теорию, которая включала законы кратных соотношений и постоянства состава. Однако убедительные доказательства существования атомов были получены только в 20 в. Когда Лукреций утверждал, что пылинки подталкиваются невидимыми потоками движущихся атомов, он был не так уж далек от истины: их танец действительно могут вызывать воздушные течения, но даже в неподвижном воздухе частички пыли или дыма находятся в постоянном движении. Этот эффект называют броуновским движением (см. также БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ). Спустя два тысячелетия после Лукреция французский ученый Ж.Перрен, вооруженный микроскопом и математической теорией, изучил случайные блуждания суспендированных частичек краски и рассчитал число невидимых молекул, чьи удары заставляли их двигаться. После того, как атомы и молекулы удалось сосчитать, само их существование стало гораздо более убедительным.

Строение атома. Согласно современным представлениям, атом содержит центральное ядро, размеры которого очень малы по сравнению с атомом в целом. Ядро несет положительный электрический заряд и окружено диффузной оболочкой (облаком) из отрицательно заряженных электронов, которая и определяет размер атома. Диаметр атома — ок. 10-8 см, диаметр ядра в 10 000 раз меньше и равен примерно 10-12 см. У простейшего из атомов — атома водорода — в ядре всего одна частица — протон. Ядро атомов других элементов содержит более одного протона, а также нейтроны — частицы, близкие к протонам по массе, но не имеющие электрического заряда. Заряд ядра называют его атомным (или порядковым) номером. Атомный номер равен числу протонов в ядре и определяет химическую природу элемента. Так, атом с зарядом ядра +26 содержит 26 протонов в ядре и представляет собой элемент железо. Ядро атома железа окружают 26 электронов, поэтому атом в целом электронейтрален.

Суммарное число протонов и нейтронов в ядре называют массовым числом, поскольку в этих частицах сосредоточена практически вся масса атома. Число нейтронов, содержащихся в ядрах атомов данного элемента, в отличие от числа протонов, может варьировать. Атомы одного элемента, ядра которых содержат разное число нейтронов, называют изотопами. Слово «изотоп» греческого происхождения; оно означает «одно и то же место» — разные изотопы элемента занимают одну и ту же позицию в периодической таблице Менделеева (см. также ИЗОТОПЫ; ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ) и обладают очень близкими химическими свойствами. Так, у водорода (массовое число 1) есть изотоп дейтерий, в ядре которого один протон и один нейтрон (массовое число соответственно равно 2). Оба изотопа вступают в одни и те же химические реакции, но не всегда одинаково легко.

Термин «атомная масса» означает массу атома элемента, выраженную в единицах массы атома изотопа углерода 12С, которую принято считать равной его массовому числу — 12,0000 (атомная масса изотопа близка к его массовому числу, но не равна ему, поскольку при образовании атомного ядра часть массы теряется в виде энергии). До 1961 атомные массы элементов определяли относительно среднего массового числа для смеси изотопов кислорода, равного 16,0000. Атомная масса элемента, существующего в природе в виде смеси изотопов, — это средняя величина атомных масс всех изотопов с учетом их распространенности в природе (см. также АТОМНАЯ МАССА). Молекулярная масса равна сумме масс атомов элементов, составляющих молекулу. Например, мол. масса воды равна сумме 2Ч1,008 (два атома водорода) + 16,0000 (один атом кислорода), т.е. 18,016.

Электронное облако. Физические и химические свойства атомов, а следовательно, и вещества в целом во многом определяются особенностями электронного облака вокруг атомного ядра. Положительно заряженное ядро притягивает отрицательно заряженные электроны. Электроны вращаются вокруг ядра так быстро, что точно определить их местонахождение не представляется возможным. Движущиеся вокруг ядра электроны можно сравнить с облаком или туманом, в одних местах более или менее плотным, в других — совсем разреженным. Форму электронного облака, а также вероятность нахождения электрона в любой его точке можно определить, решив соответствующие уравнения квантовой механики (см. также КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА). Области наиболее вероятного нахождения электронов называют орбиталями. Каждая орбиталь характеризуется определенной энергией, и на ней может находиться не более двух электронов. Обычно вначале заполняются ближайшие к ядру самые низкоэнергетические орбитали, затем орбитали с более высокой энергией и т.д.

Совокупность электронных орбиталей с близкой энергией образует слой (т.е. оболочку, или энергетический уровень). Энергетические уровни нумеруют, начиная от ядра атома: 1, 2, 3, … . Чем дальше от ядра, тем просторнее слои и тем больше орбиталей и электронов они могут вместить. Так, на n-м уровне n2 орбиталей, и на них могут располагаться до 2n2 электронов. У известных элементов электроны находятся только на первых семи уровнях, и лишь первые четыре из них бывают заполненными.

Существует четыре типа орбиталей, их обозначают s, p, d и f. На каждом уровне (слое) имеется одна s-орбиталь, которая содержит наиболее прочно связанные с ядром электроны. За ней следуют три p-орбитали, пять d-орбиталей и, наконец, семь f-орбиталей.

s-Орбитали имеют форму сферы, p — форму гантели или двух соприкасающихся сфер, у d-орбиталей — 4 «лепестка», а у f-орбиталей — 8. В разрезе эти орбитали выглядят примерно так, как показано на рисунке.

оединения. Элементы, соединяясь друг с другом, образуют сложные вещества — химические соединения. Соль, вода, ржавчина, каучук — это примеры соединений. Соединение состоит из элементов, но обычно по своим свойствам и внешнему виду не напоминает ни один из них. Так, ржавчина образуется при взаимодействии газа — кислорода с металлом — железом, а сырьем для получения многих волокон служат уголь, вода и воздух. Именно индивидуальность свойств — одна из черт, отличающих соединение от простой смеси. Другая, и наиболее важная, характеристика соединения заключается в том, что элементы всегда соединяются между собой в определенных массовых соотношениях. Например, вода состоит из 2,016 массовых частей водорода и 16,000 массовых частей кислорода. Массовое соотношение между водородом и кислородом в водах Волги и льдах Антарктики одинаково и равно 1:8. Иными словами, каждое химическое соединение имеет вполне определенный состав, т. е. всегда содержит одни и те же элементы в одних и тех же массовых соотношениях. Это один из основных химических законов — закон постоянства состава.

Многие элементы образуют несколько соединений. Так, помимо воды известно еще одно соединение водорода и кислорода — пероксид водорода, который состоит из 2,016 частей водорода и 32 частей кислорода. Здесь водород и кислород находятся в массовом соотношении 1:16, что ровно вдвое отличается от их соотношения в воде. Этот пример иллюстрирует закон кратных соотношений: если два элемента образуют между собой несколько соединений, то массовые количества одного элемента, соединяющиеся с одним и тем же массовым количеством другого, относятся между собой как небольшие целые числа.

Атомы и молекулы. Понятия атомов и молекул — основные в химии. Атом — это мельчайшая частица элемента, обладающая всеми его свойствами, а молекула — мельчайшая частица соединения, обладающая его свойствами и способная к самостоятельному существованию. Атомистическая идея восходит к 6-5 вв. до н.э. и принадлежит древнегреческим философам Левкиппу и его ученику Демокриту. По их представлениям, вещество состоит из мельчайших неделимых частиц — атомов, созданных из одного и того же первичного материала. Правда, ни один из этих философов не определил, что это за материал. Впоследствии атомную теорию развил другой греческий философ, Эпикур (4-3 вв. до н.э.). Он утверждал, что атомы обладают весом и перемещаются в горизонтальном и вертикальном направлениях, взаимодействуя друг с другом. Аналогичные идеи высказывал римский поэт Лукреций в 1 в. до н.э., наблюдавший за пылинками, которые танцуют в солнечном луче. Наконец, в 1804-1810 английский химик и физик Дж.Дальтон разработал атомную теорию, которая включала законы кратных соотношений и постоянства состава. Однако убедительные доказательства существования атомов были получены только в 20 в. Когда Лукреций утверждал, что пылинки подталкиваются невидимыми потоками движущихся атомов, он был не так уж далек от истины: их танец действительно могут вызывать воздушные течения, но даже в неподвижном воздухе частички пыли или дыма находятся в постоянном движении. Этот эффект называют броуновским движением (см. также БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ). Спустя два тысячелетия после Лукреция французский ученый Ж.Перрен, вооруженный микроскопом и математической теорией, изучил случайные блуждания суспендированных частичек краски и рассчитал число невидимых молекул, чьи удары заставляли их двигаться. После того, как атомы и молекулы удалось сосчитать, само их существование стало гораздо более убедительным.

Строение атома. Согласно современным представлениям, атом содержит центральное ядро, размеры которого очень малы по сравнению с атомом в целом. Ядро несет положительный электрический заряд и окружено диффузной оболочкой (облаком) из отрицательно заряженных электронов, которая и определяет размер атома. Диаметр атома — ок. 10-8 см, диаметр ядра в 10 000 раз меньше и равен примерно 10-12 см. У простейшего из атомов — атома водорода — в ядре всего одна частица — протон. Ядро атомов других элементов содержит более одного протона, а также нейтроны — частицы, близкие к протонам по массе, но не имеющие электрического заряда. Заряд ядра называют его атомным (или порядковым) номером. Атомный номер равен числу протонов в ядре и определяет химическую природу элемента. Так, атом с зарядом ядра +26 содержит 26 протонов в ядре и представляет собой элемент железо. Ядро атома железа окружают 26 электронов, поэтому атом в целом электронейтрален.

Суммарное число протонов и нейтронов в ядре называют массовым числом, поскольку в этих частицах сосредоточена практически вся масса атома. Число нейтронов, содержащихся в ядрах атомов данного элемента, в отличие от числа протонов, может варьировать. Атомы одного элемента, ядра которых содержат разное число нейтронов, называют изотопами. Слово «изотоп» греческого происхождения; оно означает «одно и то же место» — разные изотопы элемента занимают одну и ту же позицию в периодической таблице Менделеева (см. также ИЗОТОПЫ; ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ) и обладают очень близкими химическими свойствами. Так, у водорода (массовое число 1) есть изотоп дейтерий, в ядре которого один протон и один нейтрон (массовое число соответственно равно 2). Оба изотопа вступают в одни и те же химические реакции, но не всегда одинаково легко.

Термин «атомная масса» означает массу атома элемента, выраженную в единицах массы атома изотопа углерода 12С, которую принято считать равной его массовому числу — 12,0000 (атомная масса изотопа близка к его массовому числу, но не равна ему, поскольку при образовании атомного ядра часть массы теряется в виде энергии). До 1961 атомные массы элементов определяли относительно среднего массового числа для смеси изотопов кислорода, равного 16,0000. Атомная масса элемента, существующего в природе в виде смеси изотопов, — это средняя величина атомных масс всех изотопов с учетом их распространенности в природе (см. также АТОМНАЯ МАССА). Молекулярная масса равна сумме масс атомов элементов, составляющих молекулу. Например, мол. масса воды равна сумме 2Ч1,008 (два атома водорода) + 16,0000 (один атом кислорода), т.е. 18,016.

Электронное облако. Физические и химические свойства атомов, а следовательно, и вещества в целом во многом определяются особенностями электронного облака вокруг атомного ядра. Положительно заряженное ядро притягивает отрицательно заряженные электроны. Электроны вращаются вокруг ядра так быстро, что точно определить их местонахождение не представляется возможным. Движущиеся вокруг ядра электроны можно сравнить с облаком или туманом, в одних местах более или менее плотным, в других — совсем разреженным. Форму электронного облака, а также вероятность нахождения электрона в любой его точке можно определить, решив соответствующие уравнения квантовой механики (см. также КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА). Области наиболее вероятного нахождения электронов называют орбиталями. Каждая орбиталь характеризуется определенной энергией, и на ней может находиться не более двух электронов. Обычно вначале заполняются ближайшие к ядру самые низкоэнергетические орбитали, затем орбитали с более высокой энергией и т.д.

совокупность электронных орбиталей с близкой энергией образует слой (т.е. оболочку, или энергетический уровень). энергетические уровни нумеруют, начиная от ядра атома: 1, 2, 3, … . чем дальше от ядра, тем просторнее слои и тем больше орбиталей и электронов они могут вместить. так, на n-м уровне n2 орбиталей, и на них могут располагаться до 2n2 электронов. у известных элементов электроны находятся только на первых семи уровнях, и лишь первые четыре из них бывают заполненными.

существует четыре типа орбиталей, их обозначают s, p, d и f. на каждом уровне (слое) имеется одна s-орбиталь, которая содержит наиболее прочно связанные с ядром электроны. за ней следуют три p-орбитали, пять d-орбиталей и, наконец, семь f-орбиталей.

три р-орбитали ориентированы в пространстве вдоль осей прямоугольной системы координат и обозначаются соответственно px, py  и pz; d- и f-орбитали тоже располагаются под определенными углами друг к другу; сферические s-орбитали пространственной ориентации не имеют.

каждый следующий элемент в периоде имеет атомный номер, на единицу превышающий номер предыдущего элемента, и содержит на один электрон больше. этот дополнительный электрон занимает следующую орбиталь в порядке возрастания. нужно иметь в виду, что электронные слои диффузны и энергия у некоторых орбиталей наружных слоев ниже, чем у внутренних. поэтому, например, сначала заполняется s-орбиталь четвертого уровня (4s-орбиталь), и только после нее завершается заполнение 3d-орбитали. порядок заполнения орбиталей, как правило, следующий: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s. в записи, которую используют для представления электронной конфигурации элемента, верхний индекс при букве, обозначающей орбиталь, указывает число электронов на этой орбитали. например, запись 1s22s22p5 означает, что на 1s-орбитали атома находится два электрона, на 2s-орбиталях — два, на 2р — пять электронов. нейтральные атомы, имеющие на внешней электронной оболочке 8 электронов (т.е. заполнены s- и р-орбитали), настолько стабильны, что практически не вступают ни в какие химические реакции. таковы атомы инертных газов. электронная конфигурация гелия 1s2, неона — [1s2]2s22p6, аргона — [1s22s22p6]3s23p6, криптона — [1s22s22p63s23p6]4s23d 104p6, ксенона — [1s22s22p63s23p64s23d104p6]5s24d 105p6 и, наконец, радона — [1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p6]6s24f145d 106p6.

металлы и неметаллы. почти все металлы — твердые блестящие вещества, они хорошо проводят электрический ток, ковкие и пластичные, с помощью литья из них можно получать изделия практически любой формы. многие неметаллы — газы; твердые же неметаллы, как правило, хрупкие, иногда прозрачные и не проводят электричества. различия в свойствах металлов и неметаллов становятся понятными, если знать строение их атомов, их электронную конфигурацию. внешняя электронная оболочка атомов металлов заполнена меньше чем наполовину, поэтому, вступая в химические реакции, все металлы стремятся избавиться от внешних электронов, приобретая стабильную электронную конфигурацию. таким образом, они склонны образовывать положительные ионы. именно эти внешние (подвижные) электроны отвечают за электропроводность металлов, а также за их механические свойства. напротив, внешняя электронная оболочка атомов неметаллов практически заполнена. к неметаллам, в частности, относятся инертные газы, у которых на внешней электронной оболочке максимальное число электронов: у гелия два, у остальных восемь. в химических реакциях неметаллы либо присоединяют электроны, превращаясь в отрицательные ионы, либо образуют ковалентную связь.

химические связи, формулы и уравнения
элементы, не обладающие стабильной электронной конфигурацией инертных газов, стремятся приобрести ее, вступая в химические реакции. атомы, которым до стабильной конфигурации не хватает незначительного числа электронов или, напротив, у которых имеется небольшой их избыток, обычно образуют электрически заряженные частицы — ионы. положительно заряженные ионы (образующиеся при потере электронов) называют катионами, отрицательно заряженные ионы (образующиеся при приобретении электронов) — анионами. заряд ионов редко превышает 3, т.е. атомы редко теряют или приобретают более трех электронов. атом натрия (см. схему), соединяясь с атомом хлора, теряет один наружный электрон и превращается в катион, а атом хлора приобретает этот электрон и становится анионом. их внешние электронные оболочки становятся заполненными и содержат по восемь электронов. катион и анион притягиваются, образуя хлорид натрия.

химические связи, формулы и уравнения
элементы, не обладающие стабильной электронной конфигурацией инертных газов, стремятся приобрести ее, вступая в химические реакции. атомы, которым до стабильной конфигурации не хватает незначительного числа электронов или, напротив, у которых имеется небольшой их избыток, обычно образуют электрически заряженные частицы — ионы. положительно заряженные ионы (образующиеся при потере электронов) называют катионами, отрицательно заряженные ионы (образующиеся при приобретении электронов) — анионами. заряд ионов редко превышает 3, т.е. атомы редко теряют или приобретают более трех электронов. атом натрия (см. схему), соединяясь с атомом хлора, теряет один наружный электрон и превращается в катион, а атом хлора приобретает этот электрон и становится анионом. их внешние электронные оболочки становятся заполненными и содержат по восемь электронов. катион и анион притягиваются, образуя хлорид натрия.

если валентные электроны обозначить точками, то различие между двумя типами связи станет более наглядным:

соединения типа lif, beo или bef2 ионные. соединения, молекулы которых состоят из элементов — соседей по периодической таблице, как правило, ковалентные (co2, cf4, no2, n2, o2, f2). правда, некоторые металлы образуют как ионные, так и ковалентные соединения.

два атома могут иметь две или даже три общие электронные пары, образуя двойную или тройную связь:

полярная связь. между чисто ковалентной (cl2) и чисто ионной (lif) связями есть еще одна, промежуточная. она образуется, когда разные атомы притягивают общую электронную пару с неодинаковой силой. способность атома оттягивать на себя электроны, участвующие в образовании химической связи, называется электроотрицательностью. между атомами с существенно разной электроотрицательностью образуется чисто ионная связь; по мере уменьшения различий в электроотрицательности связь приобретает ковалентную «компоненту» и, наконец, становится чисто ковалентной. электроотрицательность атомов хлора в молекуле cl2 одинакова, поэтому связь между ними ковалентная. связь н-о в молекуле воды имеет в некоторой степени ионный характер, поскольку кислород более электроотрицателен, чем водород, и оттягивает на себя электронную пару. такие связи называют полярными, причем полярность связи возрастает по мере увеличения ее ионного характера.

степень окисления. полярность связи н-о иллюстрирует концепцию окисления (полной или частичной отдачи электронов), весьма полезную для наглядной иллюстрации картины распределения обобществленных электронов для механизма некоторых химических реакций. атом кислорода сильнее притягивает общую электронную пару, поэтому можно сказать, что он как бы приобретает один лишний электрон за счет атома водорода. обычно атом кислорода образует две связи, как в молекуле н2о, следовательно, притягивает к себе два электрона и обладает степенью окисления -2. поскольку атом водорода как бы теряет один электрон, его степень окисления +1. степень окисления кислорода отличается от -2 в соединениях, называемых пероксидами, например в пероксиде водорода н2о2. здесь каждый атом кислорода делит один электрон с другим атомом и принимает от атома водорода один электрон. поэтому степень окисления кислорода в пероксиде водорода -1. степень окисления отдельного атома или молекулы (mg, cl2, o2) равна нулю. в нейтральном соединении сумма степеней окисления всех атомов равна нулю, в заряженном — суммарному заряду.

эти правила позволяют вычислить степень окисления атома в каждом конкретном соединении. в молекуле so2 два атома кислорода в сумме дают степень окисления -4, а поскольку суммарная степень окисления молекулы должна равняться нулю, то степень окисления s равна +4. в анионе so42- степень окисления серы +6, а в h2s она равна -2. более электроотрицательному элементу приписывают знак минус.

формулы. поскольку количества атомов в молекуле относятся между собой как небольшие целые числа, состав молекулы можно представить, используя символы химических элементов и цифры, показывающие число атомов каждого элемента. так, молекула воды, которая состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, имеет формулу н2о; пероксид водорода, в молекуле которого по два атома каждого элемента, — н2о2. формула оксида углерода — со, диоксида — со2, поскольку в молекулах этих соединений содержатся соответственно один атом углерода и один атом кислорода или один атом углерода и два атома кислорода. формула feso4 отвечает сульфату железа(ii); в молекуле этого соединения по одному атому железа и серы и четыре атома кислорода. совокупность атомов, образующих определенную группу, обычно характеризуют одним словом. например, so42- — это сульфатная группа, она входит в состав таких соединений, как сульфат алюминия al2(so4)3 и сульфат железа(iii) fe2(so4)3. другой пример — нитратная группа no3-, входящая в состав нитрата аммония nh4no3.

ионы изображают, добавляя к символу элемента или группы знак + или например, na+ — это ион натрия, cl- — хлорид-ион, so42- — сульфат-ион, fe2+ — ион железа(ii), fe3+ — ион железа(iii). последние два иона получены из атома железа удалением двух и трех электронов соответственно.

структурные формулы наглядно показывают, из каких атомов состоят молекулы и какими связями они соединены; общие электронные пары или ковалентные связи обозначают черточками. в качестве примера рассмотрим этиловый спирт. его обычная химическая формула с2н5он. такую же формулу имеет другое соединение — диметиловый эфир, и различие между этими соединениями можно увидеть, только записав их структурные формулы:

конечно, такие формулы занимают больше места, чем обычные (ch3 -ch2 -oh и сн3 -о-сн3 или с2н5он и сн3осн3). поэтому в структурных формулах циклических соединений углерода химические символы часто опускают, изображая только кольцо из связей между атомами углерода. ниже представлены полная структурная формула бензола (слева) и бензольное кольцо (справа):

уравнения. химические реакции можно представить в виде уравнений; при этом химические формулы реагентов находятся в левой части, продуктов реакции — в правой, а между ними стоит знак равенства (=), однонаправленная (®) или двунаправленная («) стрелка или двойные стрелки (или ). знак равенства означает, что из данных веществ образуются другие, а двунаправленная стрелка или двойные стрелки указывают, что реакция может протекать в обоих направлениях и между реагентами и продуктами устанавливается динамическое равновесие. одинарная стрелка иногда заменяет знак равенства, но чаще означает, что реакция идет только в одном направлении. таким образом, уравнение 2cl cl2 говорит о том, что два атома хлора, соединяясь, образуют молекулу и реакция может протекать в обратном направлении. на эту реакцию, как и на многие другие, влияют условия, в которых ее проводят, например температура. в реакции 2cl cl2 молекула хлора образуется при комнатной температуре, а атомарный хлор — при более высокой. иногда эти условия указывают над стрелкой. так, вместо приведенной выше реакции можно записать:

если реакционную смесь нагревают, то над стрелкой иногда ставят греческую букву дельта, d. физическое состояние реагентов и продуктов реакции указывают буквами  г., ж., тв., водн., что означает соответственно газ, жидкость, твердое тело, водный раствор. таким образом, уравнение.

показывает, что при нагревании водного раствора бикарбоната кальция образуются твердый осадок карбоната кальция, газообразный диоксид углерода и вода (в виде паров или жидкости в зависимости от температуры).см. также химические уравнения.

сбалансированные уравнения. реакцию между серной кислотой и гидроксидом натрия с образованием сульфата натрия и воды можно записать в виде naoh + h2so4 = h2o + na2so4. в действительности это уравнение не точное, поскольку число атомов одного и того же элемента в обоих частях равенства должно быть одинаковым, здесь же в левой части один атом натрия, а справа — два. чтобы уравнять число атомов na, перед naoh нужно поставить коэффициент 2; аналогичным образом следует уравнять число атомов водорода и кислорода. в результате уравнение примет вид подобные процедуры необходимо проводить до того, как уравнение будет использоваться для каких-либо вычислений.

ионные уравнения. многие вещества в растворе диссоциируют на ионы, которые могут вступать в химические реакции. в качестве примера рассмотрим приведенную выше реакцию между растворенными в воде гидроксидом натрия и серной кислотой. реакция, записанная в ионной форме, будет иметь вид

ионизация воды здесь не показана. отметим, что число ионов натрия и сульфат-ионов не изменяется, взаимодействуют только гидроксильные ионы и ионы водорода, поэтому суммарную реакцию можно записать в виде или еще проще массовые соотношения. зная химическую формулу соединения и атомные массы, можно найти соотношения между массами элементов, входящих в состав соединения. рассмотрим соединение fe2o3 — оксид железа(iii), обычную ржавчину. найдем в периодической таблице атомные массы элементов и сложим их:

доля железа в оксиде железа(iii) составляет 111,6940/159,6922 = 0,6994, или 69,94%. 159,6922 — это мол. масса оксида железа(iii).см. также молекулярная масса.

распространив этот принцип на химические уравнения, можно рассчитать, какое количество каждого из реагентов необходимо взять для того, чтобы по завершении реакции ни один из них не остался неизрасходованным, а также оценить, сколько разных продуктов образуется в ходе реакции. так, в реакции окисления железа

4ч55,8470 = 223,3880 г железа взаимодействуют с 6ч15,9994 = 95,9964 г кислорода, образуя 319,3844 г оксида железа(iii). зная количество железа, всегда можно рассчитать массу образовавшегося из него оксида.

объемы газов и химические реакции. при постоянных давлении и температуре объемы реагирующих друг с другом газов, а также объемы газообразных продуктов реакции относятся как небольшие целые числа (закон гей-люссака). эти отношения равны коэффициентам соответствующего химического уравнения. рассмотрим, например, горение метана сн4, основного компонента природного газа. как следует из уравнения реакции сн4 + 2о2 = со2 + 2н2о, для поддержания горения одного объема метана требуются два объема кислорода, а в результате образуются один объем диоксида углерода и два объема воды. все объемы, конечно, приведены к одинаковым температуре и давлению.

Физические свойства
рассмотрим некоторые физические свойства вещества: агрегатное состояние, температуры плавления и кипения, кристаллическую структуру, электропроводность.

температура плавления (затвердевания) — это температура, при которой твердое вещество превращается в жидкость (или жидкость превращается в твердое вещество). температура плавления воды равна 0° с (по шкале цельсия) или 32° f (по шкале фаренгейта). поскольку при плавлении объем тела меняется незначительно, давление мало влияет на температуру плавления. однако именно под действием высокого давления, оказываемого полозом конька, лед расплавляется, и спортсмен легко скользит по нему.

температура кипения — это температура, при которой жидкость превращается в пар (газ). она зависит от давления, поэтому в горах вода кипит при более низкой температуре, чем на уровне моря. температура кипения воды при давлении 760 мм рт. ст. (»стандартном" давлении, примерно равном давлению на уровне моря) составляет 100° с (или 212° f).

кристаллические и аморфные вещества. твердые вещества бывают аморфными и кристаллическими. у аморфных молекулы расположены случайным образом. в качестве примера аморфного вещества можно привести стекло. как и другие подобные вещества, стекло не имеет определенной температуры плавления: при нагревании оно постепенно размягчается, пока, наконец, не становится жидким. напротив, молекулы (или ионы) кристаллических веществ расположены строго упорядоченно. к кристаллическим веществам относятся песок, поваренная соль, сахар, алмаз, графит и т.п. все они плавятся при определенной температуре (если только при нагревании не претерпевают никаких химических изменений, как это случается с сахаром). многие ионные соединения (например, поваренная соль nacl) образуют кристаллы, в которых каждый ион окружен противоположно заряженными ионами; в результате нельзя сказать, что какая-то конкретная пара ионов образует молекулу.

вследствие взаимного притяжения ионов в кристалле поваренной соли (nacl) это вещество плавится при высокой температуре (801° с). каждый ион nacl окружен шестью ближайшими соседями, имеющими противоположный заряд. элементарная ячейка кристалла поваренной соли — это куб, у которого по углам и в центре каждой грани расположены ионы натрия. ячейка такого типа называется гранецентрированной кубической. кубическую форму имеют и крупные кристаллы поваренной соли.

кристаллическая решетка алмаза, в которой каждый атом углерода ковалентно связан с четырьмя соседними атомами, также характеризуется гранецентрированной кубической элементарной ячейкой. алмаз — очень твердое вещество, имеющее высокую температуру перехода.

совсем по-другому расположены атомы углерода в графите. Далее про химию

 

+7 (812)

Телефоны отделов продаж:

337-18-93 - отдел моющих средств и хозтоваров-многоканальный.
337-18-94 - отдел ветзоотехники и агрохимии
337-18-95 - отдел лабораторной посуды
337-18-96 - отдел химии и спецодежды
337-18-97 - отдел лабораторного оборудования и приборов

Адреса электронной почты:

him_spb@mail.ru
himsnab.53@list.ru

Адрес:

198095, г. Санкт-Петербург, ул. Швецова, дом 23 (Здание ТЭМП)

© 2009 — «ХИМСНАБ»
Все права защищены

Отказ от ответственности



Создание сайта — «Consepto»
Продвижение сайта — «1 Место»