Хімія: асноўныя паняцці, вызначэння, тэрміны і законы

Хімія, асноўныя паняцці якой мы разгледзім, - гэта навука, якая вывучае рэчывы і іх ператварэння, якія адбываюцца са зменай будовы і складу, а значыць, і уласцівасцяў. Перш за ўсё неабходна вызначыць, што ж азначае такі тэрмін, як "рэчыва". Калі казаць пра яго ў шырокім сэнсе, яно ўяўляе сабой форму матэрыі, якая мае масу спакою. Рэчывам з'яўляецца любая элементарная часціца, да прыкладу, нейтрон. У хіміі ж гэта паняцце выкарыстоўваецца ў больш вузкім значэнні.

Для пачатку коратка апішам асноўныя тэрміны і паняцці хіміі, атамна-малекулярнай вучэнні. Пасля гэтага мы растлумачым іх, а таксама выкажам некаторыя важныя законы дадзенай навукі.

Асноўныя паняцці хіміі (рэчыва, атам, малекула) знаёмыя кожнаму з нас яшчэ са школы. Ніжэй дадзена кароткая характарыстыка іх, а таксама іншых, не гэтак відавочных тэрмінаў і з'яў.

атамы

Перш за ўсё ўсе рэчывы, якія вывучаюцца ў хіміі, складзены з маленькiх часціц, званых атамамі. Нейтроны ж не з'яўляюцца аб'ектам вывучэння гэтай навукі. Таксама варта сказаць, што атамы могуць злучацца адзін з адным, у выніку чаго фармуюцца хімічныя сувязі. Для таго каб разарваць гэтую сувязь, неабходная выдатак энергіі. Такім чынам, атамы ў звычайных умовах па адзіночцы не існуюць (за выключэннем "высакародных газаў"). Яны злучаюцца адзін з адным хоць бы парамі.

Бесперапыннае цеплавы рух

Бесперапынным цеплавым рухам характарызуюцца ўсе часціцы, якія вывучае хімія. Асноўныя паняцці гэтай навукі нельга выказаць, не расказаўшы пра яго. Пры бесперапынным руху сярэдняя кінэтычная энергія часціц прапарцыйная тэмпературы (аднак варта заўважыць, што энергіі ў асобных часціц разные). Екин = kT / 2, дзе k - пастаянная Больцмана. Гэтая формула справядлівая для любога віду руху. Бо Екин = mV ^2/2 рух масіўных часціц больш павольны. Да прыкладу, калі тэмпература аднолькавая, малекулы кіслароду ў сярэднім перамяшчаюцца ў 4 разы павольней, чым малекулы вугляроду. Гэта адбываецца таму, што іх маса больш у 16 разоў. Рух бывае вагальным, паступальным і вярчальным. Вагальны назіраецца і ў вадкіх, і ў цвёрдых, і ў газападобных рэчывах. А вось паступальны і вярчальны лягчэй за ўсё ажыццяўляецца ў газах. У вадкасцях яно цяжэй, а ў цвёрдых рэчывах - яшчэ больш цяжка.

малекулы

Працягнем апісваць асноўныя паняцці і азначэнні хіміі. Калі атамы аб'ядноўваюцца паміж сабой, утвараючы невялікія групы (іх называюць малекуламі), такія групы прымаюць удзел у цеплавым руху, выступаючы як адзінае цэлае. Да 100 атамаў прысутнічае ў тыповых малекулах, а іх колькасць у так званых высокамалекулярных злучэнняў можа дасягаць 105.

немалекулярная рэчывы

Аднак атамы часта аб'ядноўваюцца ў велізарныя калектывы колькасцю ад 107 да 1027. У такiм выглядзе яны ўжо практычна не бяруць удзел у цеплавым руху. Дадзеныя аб'яднання ўжо мала нагадваюць малекулы. Яны больш падобныя на кавалкі цвёрдага цела. Рэчывы гэтыя прынята называць немалекулярная. У гэтым выпадку цеплавы рух ажыццяўляецца ўнутры кавалка, а сам ён не лятае, падобна малекуле. Ёсць і пераходная вобласць памераў, у якую ўключаюцца аб'яднання, якія складаюцца з атамаў ў колькасці ад 105 да 107. Дадзеныя часціцы з'яўляюцца або вельмі вялікімі малекуламі, ці ўяўляюць сабой маленькія макулінкі парашка.

іёны

Неабходна адзначыць, што атамы і іх групы могуць валодаць электрычным зарадам. У гэтым выпадку яны называюцца іёнамі ў такой навуцы, як хімія, асноўныя паняцці якой мы вывучаем. Бо аднайменныя зарады заўсёды адштурхваюцца адзін ад аднаго, рэчыва, дзе прысутнічае значны лішак тых ці іншых зарадаў, не можа быць устойліва. Адмоўныя і станоўчыя зарады ў прасторы заўсёды чаргуюцца. А рэчыва ў цэлым застаецца электранейтральна. Заўважым, што зарады, якія лічацца ў электрастатыцы вялікімі, з пункту гледжання хіміі нікчэмныя (на 105-1015 атамаў - 1е).

Аб'екты вывучэння ў хіміі

Трэба ўдакладніць, што аб'ектамі вывучэння ў хіміі выступаюць тыя з'явы, у якіх не ўзнікаюць і не руйнуюцца атамы, а толькі толькі перагрупоўваюцца, гэта значыць па-новаму злучаюцца. Адны сувязі разрываюцца, у выніку чаго фармуюцца іншыя. Іншымі словамі, новыя рэчывы з'яўляюцца з атамаў, што былі ў складзе зыходных рэчываў. Калі ж і атамы, і існуюць паміж імі сувязі захоўваюцца (да прыкладу, пры выпарэнні малекулярных рэчываў), то гэтыя працэсы ставяцца да вобласці вывучэння ўжо не хіміі, а малекулярнай фізікі. У выпадку калі атамы ўтвараюцца або руйнуюцца, гаворка ідзе пра прадметы вывучэння ядзернай або атамнай фізікі. Аднак мяжа паміж хімічнымі і фізічнымі з'явамі размытая. Бо падзел на асобныя навукі ўмоўна, тады як прырода непадзельная. Таму хімікам вельмі карысна веданне фізікі.

Асноўныя паняцці хіміі коратка былі намі выкладзены. Цяпер прапануем вам больш падрабязна іх разгледзець.

Больш падрабязна пра атамы

Атамы і малекулы - гэта тое, з чым у многіх асацыюецца хімія. Асноўныя паняцці гэтыя неабходна дакладна вызначыць. Тое, што атамы існуюць, дзве тысячы гадоў таму было геніяльна адгадана. Затым, ужо ў 19 стагоддзі, у навукоўцаў з'явіліся эксперыментальныя дадзеныя (пакуль яшчэ ускосныя). Гаворка ідзе пра кратных адносінах Авагадра, законах сталасці складу (ніжэй мы разгледзім гэтыя асноўныя паняцці хіміі). Атам працягнулі даследаваць ў 20 стагоддзі, калі паўстала мноства ўжо прамых эксперыментальных пацверджанняў. Яны былі заснаваныя на дадзеных спектраскапіі, на рассеянні рэнтгенаўскіх прамянёў, альфа-часціц, нейтронаў, электронаў і інш. Памер дадзеных часціц складае прыкладна 1 Е = 1о ^-10 м. Маса іх - каля 10 ^-27 - 10 ^-25 кг. У цэнтры гэтых часціц знаходзіцца станоўча зараджанае ядро, вакол якога рухаюцца электроны з адмоўным зарадам. Памер ядра складае каля 10 ^-15 м. Атрымліваецца, што электронная абалонка вызначае памеры атама, аднак пры гэтым яго маса практычна цалкам засяроджаная ў ядры. Яшчэ адно вызначэнне варта ўвесці, разглядаючы асноўныя паняцці хіміі. Хімічны элемент - гэта выгляд атамаў, зарад ядра якіх аднолькавы.

Часта сустракаецца вызначэнне атама як драбнюткай часціцы рэчывы, хімічна непадзельнай. Як зразумець "хімічна"? Як мы ўжо адзначалі, дзяленне з'яў на фізічныя і хімічныя ўмоўна. А вось існаванне атамаў безумоўна. Таму хімію лепш вызначаць праз іх, а не наадварот, атамы праз хімію.

хімічная сувязь

Гэта тое, дзякуючы чаму атамы ўтрымліваюцца разам. Яна не дазваляе ім разляцецца пад уплывам цеплавога руху. Адзначым асноўныя характарыстыкі сувязяў - гэта межъядерное адлегласць і энергія. Гэта таксама асноўныя паняцці хіміі. Даўжыня сувязі вызначаецца эксперыментальна з досыць высокай дакладнасцю. Энергія - таксама, аднак не заўсёды. Да прыкладу, немагчыма аб'ектыўна вызначыць, якая яна ў адносінах да асобнай сувязі ў складанай малекуле. Аднак энергія атамізацыі рэчывы, неабходная для разрыву ўсіх наяўных сувязяў, вызначаецца заўсёды. Ведаючы даўжыню сувязі, можна вызначыць, якія атамы з'яўляюцца звязанымі (у іх кароткі адлегласць), а якія - не (доўгае адлегласць).

Каардынацыйная лік і каардынацыя

Асноўныя паняцці аналітычнай хіміі ўключаюць у сябе два гэтых тэрміна. Што ж яны пазначаюць? Давайце разбярэмся.

Каардынацыйная лік ўяўляе сабой колькасць бліжэйшых суседзяў дадзенага канкрэтнага атама. Іншымі словамі, гэта колькасць тых, з кім ён звязаны хімічна. Каардынацыя ўяўляе сабой ўзаемнае размяшчэнне, выгляд і лік суседзяў. Іншымі словамі, гэта паняцце больш змястоўна. Да прыкладу, каардынацыйная лік азоту, уласцівае малекулам аміяку і азотнай кіслаты, аднолькава - 3. Аднак каардынацыя ў іх розная - неплоская і плоская. Яна вызначаецца незалежна ад уяўленняў аб прыродзе сувязі, тады як ступень акіслення і валентнасць - паняцці ўмоўныя, якія створаны для таго, каб загадзя прадказваць каардынацыю і склад.

вызначэнне малекулы

Мы ўжо тычыліся гэтага паняцця, разглядаючы асноўныя паняцці і законы хіміі коратка. Цяпер спынімся на ім больш падрабязна. У падручніках часта сустракаецца вызначэнне малекулы як найменшай нейтральнай часціцы рэчывы, якая валодае яго хімічнымі ўласцівасцямі, а таксама здольная існаваць самастойна. Неабходна адзначыць, што гэта вызначэнне ў сапраўдны момант ужо састарэла. Па-першае, тое, што ўсе фізікі і хімікі называюць малекулай, уласцівасцяў рэчывы не захоўвае. Вада дысацыюе, аднак для гэтага патрэбныя мінімум 2 малекулы. Ступень дысацыяцыі вады - гэта 10 ^-7. Іншымі словамі, гэтаму працэсу можа падвяргацца толькі адна малекула з 10 млн. Калі ў вас маецца адна малекула, ці ёсць нават сто, вы не зможаце атрымаць уяўленні пра яе дысацыяцыі. Справа ў тым, што цеплавыя эфекты рэакцый у хіміі звычайна ўключаюць энергію ўзаемадзеяння паміж малекуламі. Таму іх нельга знайсці па адной з іх. І хімічныя, і фізічныя ўласцівасці малекулярнага рэчыва можна вызначыць толькі па вялікім калектыву малекул. Акрамя таго, існуюць рэчывы, у якіх здольная існаваць самастойна "найменшая" часціца няпэўна вялікая і вельмі адрозніваецца ад звыклых малекул. Малекула фактычна ўяўляе сабой групу атамаў электрічным ня зараджаную. У прыватным выпадку гэта можа быць адзін атам, да прыкладу, Ne. Гэтая група павінна быць здольная ўдзельнічаць у дыфузіі, а таксама ў іншых тыпах цеплавога руху, выступаючы як адзінае цэлае.

Як вы бачыце, не так простыя асноўныя паняцці хіміі. Малекула - гэта тое, што неабходна старанна вывучыць. Яна валодае сваімі ўласнымі ўласцівасцямі, а таксама малекулярнай масай. Аб апошняй мы цяпер і пагаворым.

малекулярная маса

Як вызначыць малекулярную масу на вопыце? Адзін спосаб - грунтуючыся на законе Авагадра, па адноснай шчыльнасці пара. Самым дакладным метадам з'яўляецца мас-спектраметрычнага. Электрон выбіваюць з малекулы. Атрыманы ў выніку гэтага іён спачатку разганяюць ў электрычным полі, затым адхіляюць яго магнітным шляхам. Стаўленне зарада да масы вызначаецца менавіта велічынёй адхіленні. Існуюць таксама метады, заснаваныя на ўласцівасцях, якімі валодаюць растворы. Аднак малекулы ва ўсіх гэтых выпадках абавязкова павінны быць у руху - у растворы, у вакууме, у газе. Калі яны не рухаюцца, немагчыма аб'ектыўна разлічыць іх масу. Ды і само іх існаванне ў гэтым выпадку цяжка выявіць.

Асаблівасці немалекулярная рэчываў

Кажучы пра іх, адзначаюць, што яны складаюцца з атамаў, а не з малекул. Аднак гэта ж справядліва і ў адносінах да высакародных газам. Дадзеныя атамы рухаюцца свабодна, такім чынам, лепш лічыць іх аднаатамнага малекуламі. Аднак не гэта галоўнае. Важней, што ў немалекулярная рэчывах маецца вельмі шмат атамаў, якія звязаныя разам. Трэба заўважыць, што дзяленне ўсіх рэчываў на немалекулярная і малекулярныя з'яўляецца недастатковым. Дзяленне па звязнасці больш змястоўна. Разгледзім, да прыкладу, адрозненне ва ўласцівасцях графіту і дыямента. Абодва яны з'яўляюцца вугляродам, аднак першае - мяккае, а другое - цвёрдае. Чым жа яны адрозніваюцца адзін ад аднаго? Розніца складаецца як раз у іх складнасці. Калі разгледзець структуру графіту, мы ўбачым, што трывалыя сувязі маюцца толькі ў двух вымярэннях. А вось у трэцім вельмі значныя межатомные адлегласці, такім чынам, няма трывалай сувязі. Графіт лёгка слізгае і расколваецца па гэтых слаям.

звязнасць структуры

Інакш яе называюць прасторавай памерам. Яна ўяўляе сабой колькасць вымярэнняў прасторы, якія характарызуюцца тым, што ў іх бесперапынная (амаль бясконцая) сістэма драбы (трывалых сувязяў). Значэння, якія яна можа прымаць, - 0, 1, 2 і 3. Такім чынам, неабходна адрозніваць трохмерна-сувязныя, слаістай, цепочечных і астраўныя (малекулярныя) структуры.

Закон сталасці складу

Мы ўжо вывучылі асноўныя паняцці хіміі. Рэчыва было сцісла разгледжана намі. Цяпер раскажам пра закон, які адносіцца да яго. Звычайна яго фармулююць наступным чынам: любое індывідуальнае рэчыва (гэта значыць чыстае), незалежна ад таго, якім спосабам яно было атрымана, мае аднолькавы колькасны і якасны склад. Але што ж значыць паняцце "чыстае рэчыва"? Давайце разбярэмся.

Дзве тысячы гадоў таму, калі будынак рэчываў нельга было яшчэ вывучыць прамымі метадамі, калі яшчэ нават не існавалі асноўныя хімічныя паняцці і законы хіміі, звыклыя нам, яго вызначалі апісальна. Да прыкладу, вада - гэта вадкасць, якая складае аснову мораў і рэк. У яе няма паху, колеру, густу. Яна мае такія-то тэмпературы замярзання і плаўлення, ад яе сінее сульфат медзі. Салёнай марская вада з'яўляецца таму, што яна не чыстая. Аднак солі можна аддзяліць з дапамогай перагонкі. Прыкладна так, апісальным метадам, вызначаліся асноўныя хімічныя паняцці і законы хіміі.

Для навукоўцаў таго часу было невідавочна, што вадкасць, якая вылучаная рознымі спосабамі (спальваннем вадароду, абязводжваннем купарваса, перагонкай марской вады), валодае аднолькавым складам. Вялікім адкрыццём у навуцы стала доказ гэтага факту. Стала зразумела, што суадносіны кіслароду і вадароду не можа плаўна змяняцца. Гэта значыць, што элементы складаюцца з атамаў - непадзельных порцый. Так былі атрыманыя формулы рэчываў, а таксама абгрунтавана ўяўленне навукоўцаў пра малекулах.

У наш час любое рэчыва відавочна або няяўна вызначаюць перш за ўсё формулай, а не тэмпературай плаўлення, густам ці колерам. Вада - Н ₂ О. Калі прысутнічаюць іншыя малекулы, яна ўжо не будзе з'яўляцца чыстай. Такім чынам, чыстае малекулярнае рэчыва ўяўляе сабой тое, якое складзена з малекул толькі аднаго выгляду.

Аднак як у гэтым выпадку быць з электралітамі? Бо ў іх складзе прысутнічаюць іёны, а не толькі малекулы. Неабходна больш строгае вызначэнне. Чыстае малекулярнае рэчыва ўяўляе сабой тое, якое складзена з малекул аднаго выгляду, а таксама, магчыма, прадуктаў іх зварачальна хуткага ператварэння (ізамерызацыі, асацыяцыі, дысацыяцыі). Слова "хуткага" у гэтым кантэксце азначае, што ад гэтых прадуктаў мы не можам пазбавіцца, яны адразу ж з'яўляюцца зноў. Слова "зварачальна" паказвае на тое, што ператварэнне не даводзіцца да канца. Калі даводзіцца, тады лепш казаць, што яно няўстойліва. У гэтым выпадку яно не з'яўляецца чыстым рэчывам.

Закон захавання масы рэчыва

Гэты закон яшчэ са старажытных часоў быў вядомы ў метафарычнай форме. Ён абвяшчаў, што рэчыва несотворимо і незнішчальная. Затым з'явілася яго колькасная фармулёўка. Згодна з ёй, вага (а з канца 17 стагоддзя - маса) з'яўляецца мерай колькасці рэчыва.

Дадзены закон у звыклым для нас выглядзе быў адкрыты ў 1748 годзе Ламаносавым. У 1789 годзе яго дапоўніў А. Лавуазье, французскі навуковец. Сучасная яго фармулёўка гучыць так: маса рэчываў, якія ўступаюць у хімічную рэакцыю, раўняецца масе рэчываў, якія атрымліваюцца ў выніку яе.

Закон Авагадра, закон аб'ёмных адносін газаў

Апошні з іх быў сфармуляваны у 1808 году Ж. Л. Гей-Люссаком, французскім навукоўцам. У цяперашні час гэты закон называецца законам Гей-Люссака. Згодна з ім, аб'ёмы якія ўступаюць у рэакцыю газаў ставяцца адзін да аднаго, а таксама да аб'ёмах атрыманых газападобных прадуктаў як цэлыя невялікія колькасці.

Заканамернасць, якую выявіў Гей-Люссак, тлумачыць закон, які быў адкрыты трохі пазней, ў 1811 годзе, Амедео Авагадра, італьянскім навукоўцам. Ён гаворыць, што пры роўных умовах (ціску і тэмпературы) у газах, якія маюць аднолькавыя аб'ёмы, прысутнічае аднолькавая колькасць малекул.

Два важных следства выцякаюць з закона Авагадра. Першае заключаецца ў тым, што пры аднолькавых умовах адзін моль любога газу займае роўны аб'ём. Аб'ём любога з іх пры нармальных умовах (якімі з'яўляюцца тэмпература 0 ° С, а таксама ціск 101,325 кпа) складае 22,4 л. Другое следства дадзенага закона наступнае: пры роўных умовах стаўленне мас газаў, якія маюць аднолькавы аб'ём, роўны адносiнам іх малярных мас.

Існуе і яшчэ адзін закон, пра які абавязкова трэба згадаць. Раскажам пра яго сцісла.

Перыядычны закон і табліца

Д. І. Мендзялееў, грунтуючыся на хімічных уласцівасцях элементаў і атамна-малекулярным вучэнні, адкрыў гэты закон. Гэта падзея адбылося 1 сакавіка 1869 г. Перыядычны закон з'яўляецца адным з найважнейшых у прыродзе. Яго можна сфармуляваць наступным чынам: ўласцівасці элементаў і ўтвараюцца імі складаных і простых рэчываў маюць перыядычную залежнасць ад зарадаў ядраў іх атамаў.

Перыядычная табліца, якую стварыў Мендзялееў, складаецца з сямі перыядаў і васьмі груп. Групамі называюцца яе вертыкальныя слупкі. Элементы ўнутры кожнай з іх маюць падобныя фізічныя і хімічныя ўласцівасці. Група, у сваю чаргу, дзеліцца на падгрупы (галоўныя і пабочныя).

Гарызантальныя шэрагі гэтай табліцы называюць перыядамі. Элементы, якія знаходзяцца ў іх, адрозніваюцца паміж сабой, аднак у іх ёсць і агульнае - тое, што іх апошнія электроны размешчаныя на адным энергетычным узроўні. У першым перыядзе знаходзяцца толькі два элемента. Гэта вадарод Н і гелій Ня. Восем элементаў маюцца ў другім перыядзе. У чацвёртым іх ужо 18. Мендзялееў пазначыў гэты перыяд як першы вялікі. У пятым таксама 18 элементаў, яго структура падобная з чацвёртым. У складзе шостага - 32 элемента. Сёмай не скончаны. Гэты перыяд пачынаецца з францыя (Fr). Мы можам выказаць здагадку, што ён будзе ўтрымліваць 32 элемента, як і шостай. Аднак пакуль знойдзена толькі 24.

правіла откета

Паводле правіла откета, усе элементы імкнуцца да таго, каб набыць электрон або страціць яго для таго, каб мець 8-электронную канфігурацыю высакароднага газу, бліжэйшага да іх. Энергія іянізацыі - гэта тая колькасць энергіі, якое неабходна для аддзялення электрона ад атама. Правіла откета абвяшчае, што пры руху злева направа па перыядычным табліцы неабходна больш энергіі для адрыву электрона. Таму элементы, якія знаходзяцца з левага боку, імкнуцца да таго, каб страціць электрон. Наадварот, тыя, якія размешчаны з правага боку, прагнуць яго набыць.

Законы і асноўныя паняцці хіміі коратка мы выклалі. Безумоўна, гэта толькі агульная інфармацыя. У рамках аднаго артыкула немагчыма падрабязна распавесці пра гэтак сур'ёзнай навуцы. Асноўныя паняцці і законы хіміі, коратка выкладзеныя ў нашым артыкуле, - гэта толькі адпраўная кропка для далейшага вывучэння. Бо ў гэтай навуцы ёсць мноства раздзелаў. Існуе, да прыкладу, арганічная і неарганічная хімія. Асноўныя паняцці кожнага з раздзелаў гэтай навукі можна вывучаць вельмі доўга. Але тыя, якія прадстаўлены вышэй, ставяцца да агульных пытанняў. Таму можна сказаць, што гэта асноўныя паняцці арганічнай хіміі, як і неарганічнай.