Тема 3.4. Химические системы

OОсновные понятия

Атом. Изотопы. Невозможность классического описания поведения электронов в атоме. Дискретность электронных состояний в атоме. Организация электронных состояний атома в электронные оболочки. Переходы электронов между электронными состояниями как основные атомные процессы (возбуждение и ионизация).

Химический элемент. Молекула. Вещества: простые и сложные (соединения). Понятие о качественном и количественном составе вещества.

Катализаторы. Биокатализаторы (ферменты).

Полимеры. Мономеры.

& Краткое содержание

Химия – это экспериментальная наука о превращениях веществ.

Д.И. Менделеев:

ü «Химия – это учение об элементах и их соединениях».

ü «Химия сама создает свой предмет исследования, т.к. одновременно является и наукой, и производством»

Главная задача химии– получение веществ с заданными свойствами и установление способов управления свойствами веществ в процессе их превращения.

Эволюция химических знаний:

1. химическое ремесло (эпоха древних цивилизаций – Египет, Китай, Индия)

2. алхимия

3. техническая химия – металлургия, стеклоделие, производство керамики, бумаги, спиртных напитков – влияние развития промышленности на эволюцию химических знаний о строении веществ и химических процессах

Теоретическая химия (химия как наука):

4. учение о составе (химия как наука о качественных изменениях тел, происходящий в результате изменения их состава (состав → свойства → функции): учение Р. Бойля о составе вещества, идеи атомизма в химии; теория флогистона – вещества, удаляющегося из материалов при их горении; закон сохранения массы вещества – М.В. Ломоносов, А.Лавуазье; атомно-молекулярное учение: закон постоянства состава – Пруст; закон кратных отношений, понятие «молекула», «атомный вес»– Дж.Дальтон; периодическая система элементов – Д.И. Менделеев – химия как количественная наука.

5. развитиеструктурной химии – определение свойств химических веществ в зависимости не только от состава, но и от структуры: химическая атомистика Дж. Дальтона; теория И. Берцелиуса; развитие представлений о структуре молекул М. Жераром и Ф. Кекуле; теория химического строения A.M. Бутлерова и развитие органической химии

6. учение о закономерностях химических процессов – проблемы управления химическим процессом; химическая кинетика; принцип Ле Шателье; катализ.

7. эволюционная химия – наука о самоорганизации и саморазвитии химических систем

Центральное понятие всей химии – это вещество и процессы его превращения, или химическая реакция.

Фундаментальная модель химии – молекула.

Классические модели химических процессов – уравнения реакций.

Вещество – это форма материи, обладающая массой покоя. Состоит из элементарных частиц: электронов, протонов, нейтронов и т. д. Химия изучает большей частью вещества, организованные в атомы, молекулы, ионы и радикалы.

Вещества принято разделять на простые (состоящие из одного химического элемента) и сложные (образованы несколькими химическими элементами).

· фактически большинство веществ в природе или химическом производстве – вещества переменного состава (бертоллиды)

· вещества постоянного состава (дальтониды) – исключение; можно считать классической моделью реального вещества

Вещество в земных условиях встречается в четырех агрегатных состояниях: газообразное, жидкое, твердое, плазма. Высказываются предположения, что вещество может существовать в других особых сверхплотных состояниях (например, в нейтронных звездах)

Вещество, с которым мы сталкиваемся в повседневной жизни, состоит из атомов. В состав атомов входит атомное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, а также электроны, «вращающиеся» вокруг ядра (квантовая механика использует понятие «электронное облако»). Протоны и нейтроны относятся к адронам (которые состоят из кварков). Следует отметить, что в лабораторных условиях удалось получить «атомы», состоящие и из других элементарных частиц.

Атомы каждого химического элемента имеют в своём составе одно и то же количество протонов, называемое атомным номером или зарядом ядра. Однако количество нейтронов может различаться, поэтому один химический элемент может быть представлен несколькими изотопами. В настоящее время известно свыше 110 элементов, наиболее массивные из которых нестабильны.

Атомы могут взаимодействовать друг с другом, образуя химические вещества. Взаимодействие происходит на уровне их электронных оболочек. Химические вещества чрезвычайно многообразны. Наука пока не решила задачу точного предсказания физических свойств химических веществ.

Элементарная частица – это все частицы, не являющиеся атомными ядрами или атомами (исключение — протон). В узком смысле — частицы, которые нельзя считать состоящими из других частиц (при заданной энергии воздействия/наблюдения).

Атом – наименьшая частица химического элемента, обладающая всеми его свойствами. Атом состоит из ядра и "облака" электронов вокруг него. Ядро состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Взаимодействуя, атомы могут образовывать молекулы.

Молекула – частица, состоящая из двух или более атомов, которая может самостоятельно существовать. Имеет постоянный качественный и количественный состав. Её свойства зависят от атомов, входящих в её состав, и от характера связей между ними, и от их пространственного расположения (изомеры). Может иметь несколько разных состояний и переходить от одного состояния к другому под действием внешних факторов. Свойства вещества, состоящего из определённых молекул, зависят от состояния молекул и от свойств молекулы.

Химический элемент – совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Основными характеристиками химического элемента является атомный номер и атомная масса. Взаимосвязь химических элементов отражена в периодической системе элементов Менделеева.

Химическое соединение –сложное вещество, состоящее из химически связанных атомов двух или нескольких различных элементов. Некоторые простые вещества также могут рассматриваться как химические соединения, если их молекулы состоят из атомов, соединённых ковалентной связью (например, азот N₂, кислород O₂ и др.). Состав химических соединений записывается в виде химических формул, а строение часто изображается структурными формулами. В подавляющем большинстве случаев химические соединения подчиняются закону постоянства состава и закону кратных отношений . Однако известны довольно многочисленные соединения переменного состава. Химические соединения получают в результате химических реакций. Образование их сопровождается выделением или поглощением энергии. Физические и химические свойства соединений отличаются от свойств веществ, из которых они получены. Характеризуются определёнными значениями плотности, температуры плавления и кипения и др. константами. Соединения, имеющие один и тот же состав, но различное строение, отличаются по свойствам. Химические соединения разделяются на неорганические и органические. Известно более 100 тыс. неорганических и более 3 млн. органических соединений.

Ион – это заряженная частица, атом или молекула, которая имеет неодинаковое количество протонов и электронов. Если у частицы больше электронов, чем протонов, то она заряжена отрицательно и называется анион. Например — Cl^-. Если в частице электронов меньше, чем протонов, значит, она заряжена положительно и называется катион. Например — Na⁺.

Радикал – это частица (атом или молекула), содержащая нечётное число электронов. В большинстве случаев химическая связь образуется при участии двух электронов. Частица, имеющая неспаренный электрон, очень активна и легко образует связи с другими частицами. Поэтому время жизни радикала в среде, как правило, очень мало.

Химическая связь – удерживает атомы или группы атомов друг около друга. Различают несколько видов химической связи: ионную, ковалентную (полярную и неполярную), металлическую, водородную и другие.

Химическая реакция – это процесс изменения структуры молекулы. В результате реакции количество атомов в молекуле может увеличиваться (синтез), уменьшаться (разложение) или оставаться постоянным (изомеризация, перегруппировка). В ходе реакции изменяются связи между атомами и порядок размещения атомов в молекулах.

Валентность – способность вещества связываться с одним или большим числом веществ

Закон сохранения массы вещества:

исторически сложившееся в химии название закона, по которому общая масса (вес) веществ, вступающих в реакцию, равна общей массе (весу) продуктов реакции. Открыт М. В. Ломоносовым в 1748 и им же экспериментально подтвержден в 1756 на примере обжигания металлов в запаянных сосудах. Широкое распространение в химии закон получил благодаря трудам А. Лавуазье, который сформулировал его в 1789. Закон. лежит в основе количественных расчётов химических реакций. Строго говоря, с точки зрения современных представлений о связи между массой и энергией, закон не точен.