Основные понятия о науке химии

Основные понятия о науке химии

СОДЕРЖАНИЕ Введение

1. Основные понятия химии

• 2. Химическая связь
• 3. Химические реакции
• Заключение
• Литература
• Введение
• химия наука реакция вещество
• Что такое химическая связь и химические реакции? На этот вопрос нельзя ответить, не поняв, что такое ХИМИЯ.
• Термин «химия» имеет, видимо, как древнеегипетское, так и древнегреческое происхождение. Одно из старинных названий Египта «Хемии (я)»: черная земля. Древнегреческое слово «химевскис» означает смешивание.
• Химия — наука о веществах, их строении, свойствах и превращениях.
• Теоретической основой классической химии выступает атомно-молекулярное учение. Теоретической основой неклассической, современной химии, является квантовая механика, а также квантовая теория поля. Химическая наука имеет место лишь там, где используемый метод интерпретации подтверждается данными экспериментов. В историческом плане эволюция химического знания сложилась таким образом, что лишь в XIX веке химия приобрела отчетливый научный статус.
• Около 100 лет (сер. XVIII — сер. XIX в.) ушло на становление классической химии. В этот период были открыты такие важнейшие стехиометрические (от греч. stoicheion — элемент) законы, как:

· Закон сохранения массы вещества (М.В. Ломоносов, 1748−1756 гг.; А. Лавуазье, 1777 г.): масса веществ, вступивших реакцию, равна массе веществ, получившихся в результате реакции;

· Закон постоянства состава (Ж.Л. Пруст, 1801 г.): каждое чистое соединение независимо от способа его получения всегда имеет один и тот же состав;

· Закон кратных отношений (Дж. Дальтон, 1803 г.): если два элемента могут образовать между собой несколько соединений, то массовые доли любого из элементов в этих соединениях относятся друг к другу как наибольшие целые числа;

· Закон Авогадро (А. Авогадро, 1811 г.): в равных объемах газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул (число частиц, равное числу Авогадро 6,0229 * 10^23, получило называние «моль»).

Современная химия — это совокупность квантовых представлений о веществе и его преобразованиях.

В данной работе я приведу основные понятия химии, рассмотрю методы образования химических связей, приведу примеры химических реакций.

1. Основные понятия химии Вещество — это любая совокупность атомов и молекул.

Атом — наименьшая частица элемента в химических соединениях (определение XIX века). Современное определение: атомэто электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного яра и отрицательно заряженных электронов, химически не делимых.

Химический элемент — это вид атомов, характеризующихся определенным зарядом ядра.

Молекула — наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами (определение XIX века). Современное определение: молекула — это наименьшая электронейтральная замкнутая совокупность атомов, образующих определенную структуру с помощью химических связей. Мельчайшая частица вещества (молекулярного строения) обладающая всеми химическими свойствами данного вещества.

Вещества делятся на индивидуальные вещества (химические соединения), образованные молекулами или атомами одного сорта, и смеси, состоящие из нескольких индивидуальных веществ, не взаимодействующих друг с другом. Индивидуальные вещества делятся на простые и сложные. Простые вещества образованы атомами одного элемента (O₃, Br₂, алмаз (C)), сложные вещества образованы атомами разных элементов (этанол C₂H₅OH, серная кислота H₂SO₄).

Все химические элементы обозначают символами по их латинским названиям (углерод — С от слова Carboneum). С начала XIX века предпринимались попытки систематизации химических элементов, осуществлялся поиск взаимосвязи между ними, закономерного изменения свойств. В 1869 г. Дмитрий Иванович Менделеев опубликовал периодическую систему химических элементов.

Периодический закон и периодическая таблица Д. И. Менделеева.

Современная формулировка периодического закона: свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра элемента.

Физический смысл периодичности химических свойств состоит в периодическом изменении конфигурации электронов на внешнем энергетическом уровне (валентных электронов) с увеличением заряда ядра.

Графическим изображением периодического закона является периодическая таблица. Она состоит из 7 периодов и 8 групп.

2. Химическая связь Химическая связь — это взаимодействие двух атомов, осуществляемое путем обмена электронами. При образовании химической связи атомы стремятся приобрести устойчивую восьмиэлектронную (октет) или двухэлектронную (дублет) оболочки.

Различают следующие виды химической связи: ковалентная (полярная и неполярная; обменная и донорно-акцепторная), ионная, водородная, металлическая.

Валентность — число химических связей, образованных данным атомом в соединении. Это понятие применимо только к соединениям с ковалентным типом связи или к молекулам в газовой фазе.

Ковалентная связь — химическая связь, возникающая в результате образования общих электронных пар. Различают обменный и донорно-акцепторный механизмы образования связей.

Обменный механизм. Каждый атом дает по одному неспаренному электрону в общую электронную пару:

H^. + ^.H > H: H

В данном уравнении электроны представлены точками.

Донорно-акцепторный механизм. Один атом (донор) предоставляет электронную пару, а другой атом (акцептор) предоставляет для этой пары свободную орбиталь.

Полярная — связь, образованная атомами, электроотрицательности которых отличаются.

Неполярная — связь между атомами, электроотрицательности которых одинаковы.

Электроотрицательность — это способность атома притягивать электронную плотность от других атомов. Самый электроотрицательный элемент F (фтор), самый электроположительный элемент Cs (цезий).

Ионная связь — связь, возникающая в результате электростатического притяжения катионов и анионов.

Степень окисления — условный заряд атома в молекуле, вычисленный в предположении, что все связи имеют ионный характер.

Металлическая связь — связь, которую осуществляют свободные электроны между катионами Ме (металлов), образующих металлическую кристаллическую решетку.

Водородная — это связь между положительно заряженным атомом водорода одной молекулы и отрицательно заряженным атомом другой молекулы. Связь, которая имеет частично электростатический, частично ковалентный характер.

3. Химические реакции Химическая реакция — это превращение одних веществ в другие. Впрочем, такое определение нуждается в одном существенном дополнении. В ядерном реакторе или в ускорителе тоже одни вещества превращаются в другие, но такие превращения химическими не называют. В чем же здесь дело?

В ядерном реакторе происходят ядерные реакции. Они заключаются в том, что ядра элементов при столкновении с частицами высокой энергии (ими могут быть нейтроны, протоны и ядра иных элементов) — разбиваются на осколки, представляющие собой ядра других элементов. Возможно и слияние ядер между собой. Эти новые ядра затем получают электроны из окружающей среды и, таким образом, завершается образование двух или нескольких новых веществ. Все эти вещества являются какими-либо элементами Периодической системы.

В отличие от ядерных реакций, в химических реакциях не затрагиваются ядра атомов. Все изменения происходят только во внешних электронных оболочках. Разрываются одни химические связи и образуются другие.

Химическими реакциями — называются явления, при которых одни вещества, обладающие определенным составом и свойствами, превращаются в другие вещества — с другим составом и другими свойствами. При этом в составе атомных ядер изменений не происходит.

Рассмотрим типичную химическую реакцию: сгорание природного газа (метана) в кислороде воздуха. Подобный процесс можно наблюдать в домашних условиях при наличии газовой плиты на кухне. Запишем реакцию так, как показано на рис. 5−1.

Рис. 5−1.

Метан СН₄ и кислород О₂ реагируют между собой с образованием диоксида углерода СО₂ и воды Н₂О. При этом разрываются связи между атомами С и Н в молекуле метана и между атомами кислорода в молекуле О₂. На их месте возникают новые связи между атомами С и О, Н и О. На рисунке хорошо видно, что для успешного осуществления реакции на одну молекулу метана надо взять две молекулы кислорода.

Записывать химическую реакцию с помощью рисунков молекул не слишком удобно. Поэтому для записи химических реакций используют сокращенные формулы веществ — как это показано в нижней части рис. 5−1. Такая запись называется уравнением химической реакции.

Количество атомов разных элементов в левой и правой частях уравнения одинаково. В левой части один атом углерода в составе молекулы метана (СН₄), и в правой — тот же атом углерода мы находим в составе молекулы СО₂. все четыре водородных атома из левой части уравнения мы обязательно найдем и в правой — в составе молекул воды.

В уравнении химической реакции для выравнивания количества одинаковых атомов в разных частях уравнения используются коэффициенты, которые записываются перед формулами веществ. Коэффициенты не надо путать с индексами в химических формулах.

Рассмотрим другую реакцию — превращение оксида кальция СаО (негашеной извести) в гидроксид кальция Са (ОН)₂ (гашеную известь) под действием воды.

Рис. 5−2. Оксид кальция СаО присоединяет молекулу воды Н₂О с образованием гидроксида кальция Са (ОН)₂.

В отличие от математических уравнений, в уравнениях химических реакций нельзя переставлять левую и правую части. Вещества в левой части уравнения химической реакции называются реагентами, а в правой — продуктами реакции. Если сделать перестановку левой и правой части в уравнении из рис. 5−2, то мы получим уравнение совсем другой химической реакции: Ca (OH)₂ = CaO + H₂O

Если реакция между СаО и Н₂О (рис. 5−2) начинается самопроизвольно и идет с выделением большого количества теплоты, то для проведения последней реакции, где реагентом служит Са (ОН)₂, требуется сильное нагревание. Добавим также, что реагентами и продуктами могут быть не обязательно молекулы, но и атомы — если в реакции участвует какой-нибудь элемент или элементы в чистом виде.

Например: H₂ + CuO = Cu + H₂O

Существует несколько способов классификации химических реакций, из которых мы рассмотрим два способа. По первому из них все химические реакции различают по признаку изменения числа исходных и конечных веществ.

Здесь можно найти 4 типа химических реакций:

— реакции СОЕДИНЕНИЯ, A + B + C = D (в реакцию вступают несколько веществ простого состава, продуктом реакции будет вещество более сложного состава).

— реакции РАЗЛОЖЕНИЯ, A = B + C + D (более сложное вещество, распадается на несколько веществ более простого состава).

— реакции ОБМЕНА, A + BC = AB + C (реакция простого вещества со сложным, продуктом реакции является сложное вещество и простое вещество другого состава).

— реакции ЗАМЕЩЕНИЯ. AB + CD = AC + BD (наиболее распространенная реакция между сложными веществами, протекающие без изменения степени окисления и сопровождающиеся удалением продукта (продуктов) реакции в виде газа, осадка или образованием маллодиссоциирующего соединения).

Приведем конкретные примеры таких реакций. Для этого вернемся к уравнениям получения гашеной извести и уравнению получения негашеной извести:

1. СаО + Н₂О = Са (ОН)₂

2. 2. Са (ОН)₂ = СаО + Н₂О Эти реакции относятся к разным типам химических реакций. Первая реакция является типичной реакцией соединения, поскольку при ее протекании две молекулы реагентов СаО и Н₂О соединяются в одну, более сложную молекулу Са (ОН)₂. Вторая реакция Са (ОН)₂ = СаО + Н₂О является типичной реакцией разложения: здесь реагент Ca (OH)₂ разлагается с образованием двух других, более простых веществ (продуктов реакции).

В реакциях обмена количество реагентов и продуктов обычно одинаково. В таких реакциях исходные вещества обмениваются между собой атомами и даже целыми составными частями своих молекул. Например, при сливании раствора CaBr₂ с раствором HF выпадает осадок. Происходит реакция, в которой ионы кальция и водорода обмениваются между собой ионами брома и фтора:

CaBr₂ + 2HF = CaF₂? + 2HBr

При сливании растворов CaCl₂ и Na₂CO₃ тоже выпадает осадок, потому что ионы кальция и натрия обмениваются между собой частицами CO₃^2- и Cl- .

CaCl₂ + Na₂CO₃ = CaCO₃? + 2NaCl

Стрелка рядом с продуктом реакции показывает, что это соединение нерастворимо и выпадает в осадок. Таким образом, стрелку можно использовать и для обозначения удаления какого-нибудь продукта из химической реакции в виде осадка () или газа (^). Например:

Zn + 2HCl = H₂ + ZnCl₂

Последняя реакция относится к еще одному типу химических реакций — реакциям замещения. Цинк заместил водород в его соединении с хлором — в HCl. Водород при этом выделяется в виде газа.

Реакции замещения внешне могут быть похожи на реакции обмена. Отличие заключается в том, что в реакциях замещения обязательно участвуют атомы какого-нибудь простого вещества, которые замещают атомы одного из элементов в сложном веществе. Например:

2NaBr + Cl₂ = 2NaCl + Br₂ — реакция замещения;

в левой части уравнения есть простое вещество-молекула хлора Cl₂, и в правой части есть простое вещество — молекула брома Br₂.

В реакциях обмена и реагенты и продукты являются сложными веществами. Например:

CaCl₂ + Na₂CO₃ = CaCO₃? + 2NaCl — реакция обмена;

в этом уравнении реагенты и продукты — сложные вещества.

Деление всех химических реакций на реакции соединения, разложения, замещения и обмена — не единственное. Есть другой способ классификации: по признаку изменения (или отсутствия изменения) степеней окисления у реагентов и продуктов. По этому признаку все реакции делятся на окислительно-восстановительные реакции и все прочие (не окислительно-восстановительные).

Реакция между Zn и HCl является не только реакцией замещения, но и окислительно-восстановительной реакцией, потому что в ней изменяются степени окисления реагирующих веществ:

Zn0 + 2H+ Cl = H₂0 + Zn+2Cl₂ — реакция замещения и одновременно окислительно-восстановительная реакция.

Окислительно-восстановительными являются также реакции метана с кислородом (рис. 5−1) реакция оксида меди с водородом, реакция бромида натрия с хлором.

меняют степень окисления углерод и кислород,

меняют степень окисления водород и медь,

меняют степень окисления бром и хлор.

А вот все остальные реакции, рассмотренные ранее, окислительно-восстановительными не являются, потому что в них не изменяются степени окисления атомов ни в реагентах, ни в продуктах.

Заключение

Химический мир человека — это многообразие веществ, их свойств, эволюций и взаимопревращений.

Данные современной науки достаточно убедительно показывают, что химическая форма материи — не одна из разновидностей физических явлений, а новая, самостоятельная качественно более сложная ступень эволюции материального мира, обладающая собственными специфическими способами и законами развития.

Квантовое рассмотрение межатомных и межмолекулярных взаимодействий выявляет механизм химических процессов. Дальнейшее развитие химии, потребует совершенствования методов квантово-механического расчета.

1. Краткий справочник школьника. 5−11 кл. / Авт.-сот. П. И. Алтынов, П. А. Андреев, А. Б. Балжи и др. — М.: Дрофа, 1997. — 624 с.: ил.

2. Общая и неорганическая химия: материалы к экзаменам. — СПб.: «Паритет», 2003. — 240 с.

3. Концепция современного естествознания: Учебник для вузов. Изд. 2-е, испр. — М.: Логос, 2003. — 368 с.: ил.

4. Концепция современного естествознания: учеб. пособие / А. П. Садохин. — 3-е изд., стер. — М.: Издательство «Омега-Л», 2008. — 239с.