Всего на сайте:
303 тыс. 117 статей

Главная | Химия

Основные понятия химии  Просмотрен 82

Рецензенты: профессор кафедры общей и неорганической химии Санкт-Петербургского государственного политехнического университета Р.Г. Чувиляев; доцент кафедры физической химии Санкт-Петербургского технологического института (университета) М.Ю. Матузенко.

 

 

Утверждено

редакционно-издательским

советом университета

Авторы, 2012

 

 

Предисловие

«Природе все равно, как мы это назовем,

она просто делает свое дело».

Р. Фейнман

При обучении квалифицированного специалиста в высшем техническом учебном заведении общенаучная подготовка играет важную роль. Во-первых, она является базой для общетехнических и специальных дисциплин, во-вторых, формирует мировоззрение будущего специалиста, помогает ему быстро и правильно ориентироваться во все возрастающем потоке научно-технической информации, оценивать научный уровень технических решений. Химия, являясь одной из фундаментальных естественнонаучных дисциплин, занимает особое место в ряду других наук, преподаваемых в техническом вузе нехимического профиля.

В естествознании можно выделить несколько уровней изучения строения материальных тел, в каждом из которых действуют как свои специфические законы (законы астрономии, физики, химии, биологии и др.), так и общие фундаментальные (законы сохранения материи, энергии и др.). Каждая из естественных наук занимается своими объектами. Так, поведение макроскопических тел описывают астрономия, механика, биология и т.д. Строением молекул, атомов, ядер, элементарных частиц занимается физика. Объектом исследования химии являются вещества и материалы. Методы и применения различных наук взаимосвязаны, но каждая имеет свои специфические особенности. При этом представления каждого последующего уровня используются для объяснения, более глубокого понимания закономерностей предыдущего. Но это не значит, что все естественные науки можно свести к одной единственной («нет других естественных наук, кроме физики и аппарата ее – математики»).

К середине ХХ века объем химических знаний стал настолько большим, что это привело к делению химии на отрасли и, соответственно, появились различные химические учебные дисциплины. На основе изучаемых объектов или методов исследования выделяются следующие отрасли химических наук: неорганическая, органическая, физическая, коллоидная, радиохимия, аналитическая химия, экологическая, биохимия, радиационная, квантовая, плазмохимия, механохимия.

Естественно, приведенный перечень далеко не полно охватывает все существующие отрасли химических наук, число которых увеличивается по мере накопления и углубления знаний об окружающем мире.

Студенты вузов химического профиля за время обучения изучают, в зависимости от специализации в том или ином объеме, практически все разделы химических наук. В технических вузах нехимического профиля время, отводимое учебными планами на изучение химии, весьма ограничено. Поэтому основной задачей курса «Химия» является формирование «химического мировоззрения». В первую очередь в нем обращается внимание на изучение строения химического вещества (строение атомов и молекул, химическая связь), объясняющее его химические свойства, и наиболее общих закономерностей протекания химических реакций (термодинамика и кинетика химического процесса). Изучая курс «Химия», студент должен получить представление о том, почему вещество обладает такими свойствами и что может произойти при взаимодействии тех или иных веществ. Изучение же конкретных химических свойств веществ следует проводить в рамках специальных химических дисциплин (неорганическая, органическая, коллоидная химия и др.). Необходимо отметить, что часть конкретных знаний, относящихся к химической подготовке бакалавра, магистра или дипломированного инженера, будущий специалист получает при изучении других различных учебных дисциплин (материаловедение, экология, термодинамика и др.), но представления о наиболее общих химических свойствах веществ и закономерностях протекания химических процессов должны быть сформированы в рамках базового курса. Усвоение курса «Химия» осложнено тем, что он изучается на первых курсах, при недостаточной подготовке студента по физике и математике, да и уровень элементарных знаний по химии, полученный в школе, к сожалению, часто оставляет желать лучшего. Поэтому авторы считают необходимым в первом разделе пособия напомнить, а некоторых студентов и познакомить, с основными понятиями, определениями, законами химии.

В естествознании все теории о структуре вещества и закономерностях протекающих процессов базируются на опыте (на экспериментально наблюдаемых реальных явлениях). Любая теория только относительно верно отражает действительность. Во-первых, она обобщает лишь известные на момент ее создания экспериментальные факты и закономерности. При дальнейшем расширении и углублении знаний о мире теории уточняются или создаются новые. Во-вторых, при создании теории создается модель явления, которая абсолютизирует отдельные стороны проблемы и только в той или иной мере соответствует реальному объекту. Научные законы естествознания, с одной стороны, носят объективный характер, отражая закономерности явлений природы, с другой стороны, они верны только в определенных границах, обусловленных используемой моделью явления и условиями. Например, если размеры тела много меньше размеров пространства, в котором рассматривается это тело, используется понятие «материальная точка».

Или если скорость тела много меньше скорости света, то закономерности его движения описываются законами классической механики (постоянство массы тела), если скорость движения сравнима со скоростью света, необходимо учитывать увеличение массы тела с увеличением скорости (релятивистская механика Эйнштейна).

При рассмотрении строения вещества и закономерностей протекания различных процессов необходимо обращать внимание на границы данных конкретных представлений. Если использовать для описания какого-нибудь явления закон вне границ его достоверности, то получим результаты, противоречащие опыту.

С методологической точки зрения, в учебных дисциплинах, особенно изучаемых на первых курсах, целесообразно рассматривать проверенные временем экспериментальные факты и устоявшиеся теоретические представления. В них избегают включать дискуссионные вопросы и положения имеющие частный характер.

Предлагаемое пособие написано на основе опыта преподавания курса «Химия» студентам 1 – 2-го курсов технических специальностей БГТУ «Военмех».

Авторы выражают благодарность коллегам по кафедре химии за ценные советы при обсуждении рукописи и, в первую очередь, заведующему кафедрой профессору Б.Т. Плаченову за поддержку в работе и полезную критику, а также надеются, что пособие будет полезно студентам при изучении курса химии. Авторы признательны профессорам Л.В. Пучкову, Р.Г. Чувиляеву и доценту М.Ю. Матузенко, взявшим на себя труд по неформальному рецензированию рукописи.

 

Основные понятия химии.

ХИМИЯ − наука, изучающая строение веществ и их превращения, сопровождающиеся изменением состава или строения.

Все вещества состоят из атомов. Атом (от греч. ατομος − неделимый) − наименьшая химически неделимая часть веществ. Атом состоит из ядра и электронов. Ядро атома содержит положительно заряженные протоны и незаряженные нейтроны. Число отрицательно заряженных электронов в атоме совпадает с числом протонов. Химический элемент −совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Каждый химический элемент имеет свое название и символ, которые приведены в Периодической системе элементов Дмитрия Ивановича Менделеева.

Порядковый номер элемента в таблице совпадает с зарядом ядра и соответственно с числом протонов в нем.

Так как число протонов в ядре совпадает с числом электронов, заряды которых равны по величине и противоположны по знаку (±е), то атом в целом оказывается электрически нейтральным. Если из атома удалить или добавить электрон, возникают заряженная частица – положительно илиотрицательно заряженный ион: А − ē → А+ А + ē → А-.

В качестве единицы измерения заряда частиц (ядро, электрон, ион…) используют элементарный заряд е = 1,602·10-19 Кл.

Определенный атом обозначается символом, например, углерод С. Иногда дополнительно цифрами слева у символа указывают заряд ядра (порядковый номер) подстрочным индексом и массу атома (массовое число) надстрочным индексом, например, .

Для иона у символа атома надстрочным индексом справа указывается его заряд. Например, H+; Na+; Cu2+; Cl-; S2-.

Поскольку массы атомов чрезвычайно малы, то в качестве единицы измерения их массы принята атомная единица массы (а.е.м.), равная 1/12 массы атома углерода 12С (1 а.е.м.= 1,6605·10-27кг). В Периодической системе элементов указаны относительные атомные массы (Ar)элементов − безразмерные величины, показывающие во сколько раз масса данного атома больше 1/12 массы атома углерода 12С.

Редко встречаются вещества, у которых минимальной частицей, обладающей его химическими свойствами, является атом, для многих это молекула − частица, состоящая из двух и более одинаковых или разных атомов. Состав и порядок соединения атомов в молекуле при помощи символов передает химическая формула. В химической формуле справа у символа атома подстрочным индексом указывается их число в составе молекулы (отсутствие индекса – атом один).

Различают эмпирические, или брутто-формулы (показывают общее число атомов в молекуле), рациональные (в них выделяют группы атомов, характерные для данного класса соединений) и структурные (характеризуют порядок соединения атомов в молекуле).

Пример. Этиловый спирт:

брутто-формула C2H6O, молекула состоит из двух атомов углерода, шести атомов водорода и одного атома кислорода;

рациональная формула C2H5OH, группа OH-, характерная для спиртов и группа C2H5-;

структурная формула порядок соединения атомов.

 

Относительная молекулярная масса вещества (Mr) − сумма относительных атомных масс (Ar)элементов, входящих в состав молекулы.

Пример. H2O Mr =2∙1+16=18 H2SO4 Mr =2∙1+32+4∙16=98

Pb(OH)2 Mr =207+2∙(1+16)=241

Примечание. Из молекул состоят газообразные вещества (при относительно низких температурах). Твердые кристаллические вещества имеют более сложное строение. Например, в кристаллах хлорида натрия нет молекул, они построены из равномерно чередующихся ионов Na+ и Cl-. В металлических или ковалентных кристаллах все атомы связаны друг с другом и нельзя выделить определенную молекулу, кристалл представляет собой «одну молекулу». В этих случаях говорят о формульной единице вещества − условной молекуле, которая имеет тот же качественный и количественный состав, что и вещество. Так для хлорида натрия формульная единица − NaCl, для металлов Al, Cu, Fe...

Подобно атомарным ионам существуют положительно илиотрицательно заряженные молекулярные ионы. Например, OH-; SO42-; PO43-; HCO3-; (CuOH)+; (CrOH)2+.

Предыдущая статья:Тест Киевская Русь. Следующая статья:Химическая реакция.
page speed (0.1317 sec, direct)