Химията е наука за веществата, техните свойства, структура и взаимни трансформации.
В исторически план химията възниква за получаване на веществата, необходими за човешкия живот. За да се реши този проблем, беше необходимо да се научим как да произвеждаме други от някои вещества, т.е. извършват своите качествени трансформации. И тъй като качеството е набор от свойства на веществата, беше необходимо да се разбере от какво зависят тези свойства. Това е причината за появата на теоретичната химия.
Предмет на химията са химичните елементи и техните съединения, както и законите, регулиращи различните химични реакции.
Химичните реакции са процеси на образуване на по-сложни вещества от прости по състав, преминаване на едни сложни вещества в други и разлагане на сложни вещества в вещества с по-прост състав.
Съвременна химиясе занимава с получаване на вещества с желани свойства и идентифициране на начини за контрол на свойствата на дадено вещество. Това е основният проблем на химията и нейният гръбнак като наука.
Въз основа на изследваните обекти (вещества) химията обикновено се разделя на неорганична и органична. Обясняване на същността химични явленияи установяването на техните общи закони на базата на физични принципи и експериментални данни се занимава с физическа химия, включително квантова химия, електрохимия, химическа термодинамика, химическа кинетика. Аналитичната и колоидна химия също са независими раздели.
Комбинацията от химия с други забавни природни науки е биохимия, геохимия, фотохимия и т.н.
Подчертахме, че материята съществува в две физически форми – материя и поле.
Веществата са различни видове движеща се материя, чиято маса на покой не е равна на нула. Всички вещества са корпускулярни. Процесите, протичащи в химично вещество или в смеси от различни вещества, са химични реакции.
Когато протичат химични реакции, винаги се образуват нови вещества. Например, когато магнезият (сребристо бял метал) се нагрява в молекулен кислород (безцветен газ), се образува магнезиев оксид (бял прах):
Химическите реакции винаги са придружени от физични ефекти: поглъщане и освобождаване на енергия, например под формата на пренос на топлина, промяна в агрегатното състояние на реагентите, промяна в цвета на реакционната смес и т.н. тези физически ефекти, които химичните реакции често се оценяват.
При химични процеси (химични реакции) се получават нови вещества със свойства, различни от реагентите, но никога не се образуват атоми на нови елементи.
Условията за възникване на химични процеси включват преди всичко термодинамични фактори, които характеризират зависимостта на реакциите от температура, налягане и някои други условия. В още по-голяма степен естеството и особено скоростта на реакциите зависят от кинетичните условия, които се определят от наличието на катализатори и други добавки към реакциите, както и от влиянието на разтворители и други условия.
В химията се прави разлика между прости и сложни вещества. Простите вещества се състоят от атоми на един вид елемент, т.е. те са сингълтон. Сложните вещества са съставени от атоми на издълбани елементи, т.е. те са многоелементни. Сложните вещества се наричат по друг начин химични съединения. Този термин означава, че веществата могат да бъдат получени чрез химични реакции на съединение от прости вещества - химичен синтез или разделени на елементи в свободна форма (прости вещества) с помощта на реакции на химично разлагане - химичен анализ.
2Hg + O 2 = 2HgO
прост химикал
вещество съединение
2HgO = 2Hg + O 2
химически прост
съставно вещество
Най-малките химически частици, които са границата на химичното разлагане на всяко вещество, са атомите. Простото вещество (ако не е едноатомно, като например хелий He) се разлага на атоми от един вид, сложно вещество - на атоми различни видове... Атомите са химически неделими.
Масата на атомите от различни видове е около 10 -24 - 10 -22 g, размерът (диаметърът) на атомите варира в рамките на 1 * 10 -10 - 5 * 10 -10 м. Следователно атомите се считат за най-малките химически частици.
Химическият елемент е вид атоми с определен положителен ядрен заряд. Всички химични елементи са изброени в Периодичната таблица на елементите на Д.И.Менделеев. Всеки елемент има свой собствен пореден (атомен) номер в периодичната таблица. Стойността на поредния номер на елемент и стойността на заряда на ядрото на атом от същия елемент съвпадат. Това означава, че химичният елемент е съвкупност от атоми със същия сериен номер.
Днес в Периодичната таблица на химичните елементи има 109 елемента с поредни номера от 1 до 109. От тях в природата са открити 88. Такива елементи като технеций Tc, прометий Pm, астат At и франций Fr с поредни номера 43, 61, 85, 87 и всички елементи след уран U (пореден номер 92) са получени изкуствено за първи път.
Кислородът и силицийът са най-разпространените химични елементи в земната обвивка. Тези елементи, заедно с елементите алуминий, желязо, калций, натрий, калий, магнезий, водород и титан, съставляват повече от 99% от масата на земната обвивка (литосферата се приема като земна обвивка - твърда земната кора, простираща се на дълбочина от 17 km, хидросферата е водата на моретата и океаните, а атмосферата е въздушна обвивка, простираща се до височина 15 km).
Химическите съединения, състоящи се от атоми на поне два елемента, имат като най-малките съставни части на молекулата - електрически неутрални групи от атоми, или йони - електрически заредени атоми или групи от атоми. Повечето сложни химически вещества не са молекули, а йони. Например, всички соли са йонни.
Пример. Натриевият хлорид NaCl се състои от Na + и Cl - йони.
Химическите съединения се образуват чрез химични връзки. Има три основни типа химични връзки: ковалентни, йонни и метални.
Ковалентната връзка се осъществява поради образуването на електронни двойки, еднакво принадлежащи на двата атома. Йонната връзка е електростатично привличане между йони, образувано от пълното изместване на електронна двойка към един от атомите. Металната връзка е връзка между положителни йони в метални кристали, осъществена поради привличането на електрони, свободно движещи се около кристала.
Химичната връзка е взаимодействие, което свързва отделни атоми в молекули, йони, кристали, т.е. структурни нива на организацията на материята, които се изучават от химическата наука.
Естеството на химичната връзка, според съвременните концепции, се обяснява с взаимодействието на електрически полета, създадени от електрони и атомни ядра, които участват в образуването на химично съединение.
Всеки химичен елемент има свой собствен символ. Символите на химичните елементи са международни обозначения на елементи. Те са поставени в периодичната таблица на елементите на D.I. Менделеев. Съвременните символи на химичните елементи са въведени през 1813 г. от шведския химик Берцелиус.
Всяко вещество е обозначено с химична формула, присъща само на него.
Химическата формула е изображение на качествения и количествения състав на веществото, използвайки символи на химични елементи, както и цифрови, азбучни и други знаци. Например, формулата H 2 O показва, че водата съдържа елементите водород H и кислород O в атомно съотношение 2: 1.
Всяка химическа реакция се записва под формата на уравнение на химична реакция, напр.
2Na + Cl2 = 2NaCl
Изборът на коефициенти в уравнението на химична реакция се основава на факта, че сумата от атомите на всеки елемент не се променя по време на химичната реакция.
Най-важната характеристикахимични реакции поради факта, че протичането им е придружено от промени в енергията. По-голямата част от енергията, произведена в съвременното общество, идва от химични реакции, главно от изгарянето на въглища, нефтопродукти и природен газ.
За да се осъществи оптимално протичането на химичния процес, е необходимо да се познават общите закони, управляващи преобразуването на енергията при химичното взаимодействие на веществата. Термодинамичният метод е широко разпространен в практиката на химията за установяване на взаимни връзки между явленията и обобщаване на експерименталния материал. Преди да пристъпим към представянето на основите на химическата термодинамика, ще се опитаме да дадем определение на изходните понятия и обекта на приложение на термодинамичния метод - термодинамична система.
Системата се разбира като тяло или група тела, психически отделени от заобикаляща среда... Нека си представим, че е необходимо да се определи топлината на изгаряне на течния бензол. Експериментът се провежда в калориметрична бомба, която може да се разглежда като система.
В зависимост от разглежданото явление системата може да бъде сложна и с различни размери, но винаги трябва да се състои от голям брой частици, т.е. бъде макроскопичен. Само за макроскопични системи е възможно да се работи с такива понятия като температура, налягане, топлина и някои други. Въз основа на естеството на взаимодействието на различни системи с околната среда те се разделят на отворени, затворени и изолирани системи.
Отворената система е система, която може да обменя енергия и материя с околната среда. Отворена система, например, е чаша с воден разтвор на захар. В резултат на постепенното изпаряване на водата от разтвора в околната среда и топлообмена, както масата на системата, така и нейната енергия ще се променят.
Затворена система е система, в която няма обмен на материя с околната среда, но е възможен обмен на енергия с нея. Пример за такава система е захарен разтвор, поставен в чаша със запушалка. Когато стъклото се затвори със запушалка, процесът в разтвора ще се извършва при постоянен обем. Ако температурата на разтвора T 1 се различава от температурата T 2 на околната среда, тогава когато T 1 е по-голям от T 2, част от енергията от разтвора ще бъде прехвърлена към околната среда и обратно, когато T 1 е по-малко от T 2, енергията на системата ще се увеличи поради преминаването на част от енергията от околната среда в разтвора. В този случай масата на системата няма да се промени.
Изолирана система се нарича такава, чийто обем остава постоянен и която не обменя енергия и материя с околната среда. Този тип система може да се припише на воден разтвор на захар, поставен в затворен съд, чиито стени са направени от идеален топлоизолационен материал. Концепцията за "изолирана система" е идеална (абстрактна) концепция, тъй като на практика няма материал, който изобщо да не провежда топлина.
Системата може да бъде хомогенна (хомогенна) или хетерогенна (хетерогенна).
Една система се нарича хомогенна, ако се състои от една фаза. Една хетерогенна система задължително съдържа няколко фази.
Съвкупността от всички химични и физични свойства на една система се нарича състояние на системата. Тези свойства обикновено се разглеждат. които могат да бъдат еднозначно изразени чрез температурни функции. налягане и концентрация на вещества в системата. Такива свойства се наричат термодинамични (топлинен капацитет, вътрешна енергия, енталпия и др.), те са част от общите свойства (физични и химични) на системата. За пълно описаниесъстоянието на системата, достатъчно е да се знае най-малкият брой термодинамични свойства, които най-лесно се определят експериментално (налягане P, обем V, температура T и концентрация (C 1) компоненти). Параметрите на състоянието на системата са свързани помежду си чрез връзка, наречена уравнение на състоянието. Ако системата се състои от едно вещество и параметрите са налягане, обем и температура, тогава уравнението на състоянието в общ изгледможе да се напише така:
За n идеални газови модели уравнението на състоянието е уравнението на Менделеев-Клапейрон:
Прилагайки основните понятия, нека разгледаме енергетиката на химичните процеси.
Тема 2. Ролята на химията в развитието на обществото
2.1. Система от съвременни знания в областта на химията
Основни понятия и закони на химията. Нивата на организация на материята, изучавани в химията: атом, химичен елемент, йон, молекула, химично вещество. Периодичното право и неговото значение за съвременната наука
Всички химични елементи са подредени в периодичната таблица. През 1869 г. Д. Менделеев за първи път открива, че някои свойства на елементите се повтарят периодично, а именно елементите в една и съща колона (група) на периодичната таблица имат подобни свойства. Членовете на една и съща група в таблицата имат еднакъв брой електрони по външните обвивки на своите атоми и образуват връзки от същия тип, обикновено с една и съща валентност. Инертните газове с запълнена външна електронна обвивка изобщо не образуват връзки. По този начин периодичната таблица отразява дълбокото разбиране на химичното свързване и химическото поведение. В допълнение, това даде възможност да се предвиди съществуването на нови елементи, много от които по-късно бяха открити или синтезирани.
Химични веществав природата: прости и сложни, органични и неорганични. Нефтът и природният газ като източници на органична материя
Нефтът и природният газ са най-важните първични изкопаеми горива. Първият кладенец за добив на нефт е пробит в средата на 19 век. С изобретяването на автомобила това въглеводородно гориво се използва като източник на бензин. Оттогава петролът и продуктите от него се използват като горива за производство на топлина, за сухопътен, въздушен и морски транспорт, за ТЕЦ и като източник на нефтопродукти и смазочни материали. Нефтът се извлича от пробити кладенци, транспортира се по тръбопроводи или танкери до рафинерии, където се превръща в гориво и нефтохимикали. Нефт и природен газ, произведени основно в Саудитска Арабия, САЩ и Русия, днес представляват около 60% от световното потребление на енергия. При сегашните темпове на потребление на петрол, неговите известни запаси ще бъдат изчерпани до средата на 21-ви век.
Суровият нефт обикновено се среща с природен газ, въглеводород, съставен предимно от метан и етан. Природният газ се извлича от кладенци и след това се транспортира или в природно газообразно състояние по тръбопроводи, или след втечняване с хладилни танкери. Втечненият газ заема около 1/600 от обема на газообразния продукт. Използването на природен газ като източник на енергия непрекъснато нараства.
Класификация и основни химични свойства на органичните и неорганични съединения
Органичните съединения са въглеводороди. Поради способността на въглеродните атоми да образуват химични връзки помежду си и с атомите на повечето елементи, броят на органичните съединения е много голям и надхвърля 4 млн. Те се характеризират със способността за сложни и разнообразни трансформации, които се изследват в органичната химия. Естествените органични съединения, като нуклеинови киселини, протеини, липиди, хормони, витамини, играят основна роля в структурата и живота на растенията и живите организми.
Свойствата на органичните съединения зависят от количеството на СН2-групите във въглеродната верига (например метан СН4, етан С2Н6, пропан С3Н8 и др.).
Неорганичните съединения са метални сплави, минерали, соли, киселини, основи. За синтеза на неорганични съединения се използват методи на физическо въздействие - свръхвисоки температури и налягания, ултразвук, вибрации, силно светлинно излъчване, магнитни полета, ударни вълни и центробежни сили. Често се използват ниски и свръхниски температури, свръхдълбок вакуум и изследване на процеси при нулева гравитация.
Водни и неводни разтвори.
Водата е отличен разтворител за много вещества. Това се дължи на способността на неговите молекули да образуват химически връзки с други молекули. Широко се използват и неводни разтворители като ацетонитрил или оцетна киселина.
Много химични реакции протичат в течни разтвори, вкл. технически и жизненоважни. Разтворителят е компонент, чиято концентрация е по-висока от концентрацията на други компоненти. Разтворителят запазва състоянието си по време на образуването на разтвори. Точката на кипене на разтвора е по-висока от точката на кипене на разтворителя, а точката на замръзване на разтвора е под точката на замръзване на чистия разтворител.
Разтвор, в който се установява равновесие между разтварянето и образуването (утаяване, кристализация) на вещество, се нарича наситен, а концентрацията на такъв разтвор се нарича разтворимост. Разтворимостта се влияе от естеството на разтворителя. За органичните съединения веществото се разтваря по-добре в разтворители, които са химически подобни на него, например въглеводороди във въглеводородни разтворители.
Структура и уникални свойства на водата
Водата е най-простото химично съединение и обикновено вещество на Земята. Тя придружава всеки момент от живота ни. Но знаем ли каква тайна пази удивителният елемент, откъде идва, кой и защо го е дал на нашата планета?
Водата е нещо повече от физическо вещество, самата идея за живота е свързана с водата. Няма нищо по-меко и по-гъвкаво от водата, но тя изхабява камъните и реже най-твърдите скали. Водата има физически свойства, но никой учен не може да обясни защо плътността на водата се увеличава при минусови температури и намалява при плюсови температури. При охлаждане всяко вещество се свива, докато водата, напротив, се разширява. Намирайки се в порите и капилярите, водата може да създаде огромно налягане. В зърното например в момента на поникване може да достигне 400 атмосфери. Ето защо кълновете могат лесно да проникнат в асфалта.
Досега науката не знае защо водата може да бъде в три състояния, защо водата има най-високо повърхностно напрежение, защо водата е най-мощният разтворител на Земята и как водата може да се издигне нагоре по стволовете на огромни дървета, преодолявайки налягането от десетки атмосфери. Многобройни експерименти, проведени в различни страни, доведоха до откритието, че водата има памет; тя възприема и улавя всяко въздействие, което се случва в околното пространство. Улавяйки информация, водата придобива нови свойства, докато тя химичен състав(H 2 O) остава същото. Оказа се, че структурата на водата, т.е. как са организирани молекулите е много по-важно от химичния състав.
Най-мощният момент на въздействие върху водата са човешките емоции (положителни или отрицателни). Многобройни изследвания разкриват, че вълните от любов, нежност, грижа комбинират молекули в строги, красиви комбинации (цветя) и, напротив, страх, агресия, омраза създават разкъсани, безформени връзки. Същите ясно насочени промени настъпват в структурата на водата, когато тя първо действа върху музиката на Бах, Моцарт, Бетовен, а след това хард рок и подобни звуци, генерирани от неясни души.
Любовта увеличава енергията на водата, структурира я, а агресията рязко я понижава. Ето защо структурираната вода е най-голямата благословия за целия живот на Земята. В природата реките и потоците текат по плавно огъващ се канал, докато битовата вода, преодолявайки множество прави ъгли, губи по-голямата част от енергията си. Водната структура на тялото на всеки човек е идентична със структурата на водата, където е роден.
Във всички световни религии (християнство, ислям, юдаизъм) е прието да се чете молитва или да се освещава храна на религиозни празници, преди да се приема храна. Оказа се, че честотата на трептене на всяка молитва на всеки език е 8 херца, което съответства на честотата на трептене на магнитното поле на Земята. Оттук и съветът – не сядайте на масата с лоши мисли и не яжте храна в лошо състояние (в този случай тя става отровна), но за пречистване е по-добре да пиете вода. Този, който изпраща негативни мисли, замърсява собствената си вода, от която се състои 75-90% от тялото, зарежда я негативно. Не е ли поради тази причина най-тежките престъпления се извършват в онези области, където хората най-често използват нецензурни думи.
В Япония бяха проведени експерименти и беше установено, че водата реагира на думите с религиозно съдържание, образувайки красиви, геометрично правилни кристали. Същата реакция последва, когато думите любов, надежда, душа бяха приложени върху лабораторните чаши с вода. Това означава, според твърдението на японски учени, че концепцията за нашата природа е една и съща с всяка религия. Думите „Мразя те“, „Гнусен си ми“ обаче доведоха до грозни, разкъсани връзки.
Многобройни експерименти за намиране на думата, която има най-силно благотворно въздействие върху водата, показват, че тя не е една, а комбинация от две: любови благодарност.
Прясната вода представлява по-малко от 1% от всичките й запаси. Повече от 1 милиард души на Земята нямат достъп до безопасна питейна вода. Ако тази ситуация остане непроменена, тогава водата може да се превърне в източник на международни конфликти. Сега се борят за нефт и газ, но ще се борят за вода. Водата все повече придобива статут на основен ресурс, който започва да фигурира в диалога между страните.
Така правим два извода. Първо, водата трябва да се пази като най-ценното свойство на Природата, и второ, във всеки от нас има капка вода от първичния океан и всяко наше действие, мисъл, дума, емоция се запомня от водата!
Водороден индекс (рН) като мярка за киселинността на средата
Един от основните показатели, от които зависи нашето здраве, е киселинно-алкален баланс или pH. pH е 7,41. Дори и леко намаляване на киселинно-алкалния баланс към подкиселяване причинява рязък спад в активността на вътреклетъчните процеси. Органите и системите на тялото започват да работят с голям стрес, здравословното състояние се влошава, ефективността намалява. В противен случай, колкото повече мръсотия е в тялото, толкова по-слаба е имунната система.
Животинската храна окислява, а растителната алкализира тялото до 80%. Колкото по-подкиселена е средата на тялото, толкова повече патогенна микрофлора, гъбички, вируси се активират в нея. Поставени в кисела среда, те започват да се развиват бързо, а поставени в алкална среда, умират. Заключение - има повече зеленчуци и плодове и по-малко животинска храна (месо, риба, яйца, мляко). По този начин pH служи като критерий за силата на киселина или основа. Отклонението на pH от нормата значително води до срив в дейността на тялото. pH на почвата има значителен ефект върху добива, а pH на водата върху екологията на водоема.
Концепцията за максимално допустима концентрация (МДК)
Отпадъци промишлено производствозамърсяват земята, водата и въздуха. Максималното количество вредно вещество в единица обем или маса, което при ежедневна експозиция за неограничено време не причинява болезнени промени в тялото и неблагоприятни наследствени промени в потомството, се счита за максимално допустима концентрация (MPC) . За всяко вещество е законово установено собственото му ниво на ПДК, а ПДК на едно и също вещество е различно за различните обекти на околната среда. Например, за оловото и неговите органични съединения във водата на резервоари за питейни и културни цели, ПДК е 0,005 mg / l, във въздуха на промишлени помещения - 0,01 mg / m 3, а в атмосферата - 0,007 mg / m 3 ...
Химически аналитичен контрол и диагностика на състоянието на околната среда
Въздухът е смес от газове, които изграждат земната атмосфера. Най-важни са азотът (78%) и кислородът (21%). Въздухът също съдържа малки количества аргон, неон, хелий, метан и други газове. Водна пара, озон и въглероден оксид присъстват в различни концентрации. Във въздуха има и следи от амоняк и сероводород. Всички тези газове са от съществено значение за поддържането на човешкия живот и здраве. Водната пара е важен източник на валежи. Въглеродният окис (CO 2) е необходим за фотосинтезата и инфрачервеното лъчение.
Озонът в стратосферата (слоят на атмосферата, лежащ на височина от 10 до 50 км, наречен озонов слой) е вид щит от слънчевата ултравиолетова радиация. Въпреки това, на нивото на земята, той е основната съставка на смога - аерозоли от дим, мъгла и прах, които възникват в атмосферата на индустриалните градове. Всеки един от жителите, особено големите градове, усеща колко замърсен е въздухът поради автомобилен или индустриален характер.
За да се намали такова негативно въздействие върху човешкото здраве: изискванията за състава на изгорелите газове на автомобилите се затягат (качеството на горивото се повишава и системата за изгаряне на горивото се подобрява); пренесени промишлени предприятияизвън града; централно се събират производствени и битови отпадъци и др.
Физиците, особено химиците, трябва да се въртят в тъмнината, без да познават вътрешните, нечувствителни частици на структурата.
М. В. Ломоносов
Понастоящем химичен елементсе нарича вещество, чиито атоми имат еднакъв ядрен заряд,
въпреки че се различават по масата си, в резултат на което атомните тегла на елементите не се изразяват в цели числа.
Молекулавсе още се нарича най-малката частица на вещество, която определя неговите свойства и може да съществува независимо. Въпреки това, различни други квантово-механични системи (йонни, атомни монокристали, полимери и други макромолекули) сега също се наричат молекули. Последното е особено важно за ясното разбиране на структурата от гледна точка на системния подход, когато под структурапредполагат подредена връзка и взаимодействие между елементите на системата, поради което възникват нейните нови интегрални свойства. В такава химическа система като молекула специфичното естество на взаимодействието на съставните й атоми определя свойствата на молекулата.
Химията изучава процесите на трансформация на молекулите по време на взаимодействия и при излагане на външни фактори (топлина, светлина, електрически ток, магнитно поле), по време на които се образуват нови химични връзки. Под химическа връзкаразбира се резултатът от взаимодействието между атомите, изразяващ се в създаването на определена конфигурация от атоми, която отличава един вид молекула от друг. Химичните връзки водят до взаимодействието на електронните обвивки на атомите. Ако атомните конфигурации се съчетаят, се появява една кръгла структура, малко по-голяма, отколкото преди всеки атом да бъде отделен. По този начин се получава наситена молекула и е почти невъзможно да се прикрепи друг атом към нея, тоест химическите връзки се отличават с тяхното насищане. С въвеждането на концепцията за валентност тя започва да обяснява структурата и химичните свойства на молекулите. Най-често срещаните са четири вида химични връзки: йонни, ковалентни, метални и водородни. Химическата връзка, осъществена поради образуването на общи електронни двойки за взаимодействащи атоми, се нарича ковалентна връзка. Химическата връзка, която се основава на електростатичното взаимодействие на йони, се нарича йонна.Нарича се химична връзка, основана на социализацията на валентните електрони на всички атоми в кристала
метални.Химическата връзка, причинена от взаимодействието на полярни молекули, една от които е водород, се нарича водород.Химическите връзки могат да се разглеждат от гледна точка на преобразуването на енергия: ако при създаването на молекула нейната енергия е по-малка от сумата от енергиите на съставните й изолирани атоми, тогава тя може да съществува, тоест връзката й е стабилна.
Всяко вещество се характеризира с определени физични и химични свойства. Когато някакво просто вещество влезе в химическа реакция и образува ново вещество, тогава то губи повечето от свойствата си. Например желязото, комбинирайки се със сярата, губи своя метален блясък, ковкост, магнитни свойства и т. н. Следователно железният сулфид не съдържа желязо, както го познаваме като просто вещество. Но тъй като металното желязо може да се получи от железен сулфид (FeS) с помощта на химични реакции, те казват, че елементът желязо е включен в състава на железния сулфид, което означава материалът, който изгражда металното желязо. По същия начин водород (Н) и кислород (О), които са част от водата, се съдържат във водата не под формата на газообразен водород и кислород с техните характерни свойства, а под формата на елементи - водород и кислород. Ако елементите са в "свободно състояние", тоест не са химически свързани с друг елемент, тогава те образуват прости вещества.
Дълго време не се прави разлика между елемент и проста субстанция. Концепцията за "елемент" като научен термин е използвана за първи път от Р. Бойл през 1661 г. От времето на Бойл всяко просто вещество, което може да се получи в резултат на разлагане на сложни вещества, но което не може да се разложи по-нататък на дори по-прости вещества, се смяташе за елемент.
Теорията на флогистона за окисляване на метали също беше опровергана от многобройни експерименти на М. В. Ломоносов. Съгласно тази теория процесът на окисление на метала се разглежда като реакция на разлагане: металът се счита за сложно вещество, а мащабът е прост, тоест желязо - "малка + флогистон.
М. В. Ломоносов, провеждайки експерименти в запечатани реторти, установи, че масата на съд с калцинирано желязо не се променя, ако се претегля, без да се отваря. Френският учен А. Лавоазие също показа, че горенето е реакция на свързване на вещество с кислород във въздуха. Лавоазие постави на краката си цялата химия, която във флогистонната си форма стоеше на главата.
Началото на XIX v. бе белязана от откриването на нови количествени закони. Развитието на атомно-молекулярната теория позволи на Далтън да формулира атомна хипотеза и да въведе в химията концепцията за относителното атомно тегло на елементите и да определи атомните тегла на някои елементи. Според Далтън елементът може да се определи като вид атоми, характеризиращи се с определена стойност на атомното тегло, а простите вещества се състоят от определен тип атоми, следователно простите вещества са елементи. Объркването беше изчистено по-късно, когато беше открито, че много прости вещества се образуват от молекули, а не от атоми. За първи път Менделеев в това отношение посочи необходимостта от ясно разграничаване на две понятия: елемент и проста субстанция, или просто тяло. Ако простото вещество (тяло) съответства на понятието за частица, то на елемент - за атом. Въглеродът е елемент, но въглищата, графита и диаманта са прости тела.
Използвайки понятието химични елементи, можем да кажем, че най-важната задача на химията е да изучава свойствата на елементите при намиране на общи закономерности в тяхното поведение и във връзка един с друг. Към средата на XIX век. вече имаше 63 елемента и беше натрупан достатъчно експериментален материал относно техните физични и химични свойства и бяха установени групови общи свойства. Натрупана е и информация за такива характеристики като атомната маса на елементите и тяхната валентност, тоест способността да образуват различни форми на съединения. На първо място, беше необходимо да се реши основният въпрос: химичните елементи са разпръснати, независими или естествено са свързани помежду си в единна система.
Първите опити за решаване на този проблем датират от първата половина на 19 век. Debereiner (1829) групира елементите в триади; Odling (1857) поставя 48 елемента в една таблица от 13 групи от подобни елементи; Newlands и de Charcuntois (1863) разпределят 63 елемента във възходящ ред на тяхната атомна маса, таблица с елементите е публикувана от немския химик Л. Майер, в която отсъстват бор, алуминий и водород. Общо имаше поне петдесет опита за класификация и всички бяха по същество неуспешни. Провалът се основаваше на техния метафизичен начин на мислене. И накрая, през 1869 г. Д. И. Менделеев предлага периодична систематизация на свойствата на елементите.
Диалектико-материалистичният подход към систематизацията на елементите е основната причина за успеха на Д. И. Менделеев. Периодичната таблица на елементите има голямо влияние върху последващото развитие на химията; тя беше мощен инструмент за по-нататъшни изследвания. Въз основа на периодичния закон Д. И. Менделеев предсказва съществуването на 12 нови елемента, като за три от тях (галий - Ga, германий - Ge и скандий - Sc) описва подробно техните свойства. В продължение на половин век почти всички елементи до урана са открити в природата. Водеща нишка за намиране и установяване химическа природаелементи е периодичният закон и методът за прогнозиране, използвани от Д. И. Менделеев. Периодичният закон и периодичната система получиха пълното си потвърждение и по-нататъшно развитие при установяване на структурата на атомите на елементите. Сега фактическите данни в химията са нараснали хиляди пъти. Има информация за 8 милиона отделни химични съединения с постоянен състав и милиарди съединения с променлив състав.
Съвременната формулировка на периодичния закон е следната: всички свойства на елемента и неговото положение в периодичната система зависят от стойността на положителния заряд на атомното ядро. Теорията за структурата на атома обяснява периодичната промяна в свойствата на елементите по време на прехода от един период към друг: с увеличаване на Z структурата на електронните обвивки на атомите се повтаря.
Това е особено вярно за външните енергийни нива, на които са разположени валентните електрони. В рамките на един период, с увеличаване на ядрения заряд, външните слоеве се запълват постепенно, достигайки завършването си в атомите на благородните газове. Тази последователност се повтаря във всеки период, в резултат на което има преход от метали в началото на периода към неметали и благороден газ в края му. В светлината на теорията за структурата на атома периодичният закон получи съвременна формулировка: свойствата на простите вещества, както и формите и свойствата на съединенията на елементите, периодично зависят от големината на заряда на атомно ядро.
Атомното тегло на елемент се дефинира като средноаритметичната стойност на масите на изотопите, които съставляват елемента. Атомите, които имат еднакъв ядрен заряд (и следователно идентични химични свойства), но различен брой неутрони, се наричат изотопи. Например, хлорът се състои от два изотопа с масови числа 75,53% от изотопа 35 Cl и 24,47% от 37 Cl, в резултат на което средната атомна маса на хлора е 35,453. Откриването на изотопи изискваше преразглеждане на концепцията за "химичен елемент". Химическият елемент е вид атом, характеризиращ се с определено количество положителен ядрен заряд. Съществуването на химичен елемент под формата на няколко прости вещества се нарича алотропия. Графит, диамант, въглища са алотропни модификации на елемента въглерод.
С развитието на количествените методи на изследване в химията се натрупват експериментални факти, чието обобщаване води до откриването на така наречените стехиометрични закони - закона за постоянството на състава, закона за еквивалентите и закона за множеството съотношения. Именно тези закони допринесоха за окончателното одобрение на атомно-молекулярната доктрина в химията. Основата на химическата наука е атомно-молекулярното учение, законът за запазване на материята, периодичният закон на Д. И. Менделеев и теорията за химическата структура.
Основните положения на атомно-молекулярната доктрина са както следва:
1. Веществата са изградени от молекули; Молекулите на различни вещества се различават по химичен състав, размер, физични и химични свойства.
2. Молекулите са в непрекъснато движение; между тях има взаимно привличане и отблъскване. Скоростта на движение на молекулите зависи от състоянието на агрегация на веществата.
3. Кога физически явлениясъставът на молекулите остава непроменен, при химичните - те претърпяват качествени и количествени изменения, а други се образуват от едни молекули.
4. Молекулите са изградени от атоми. Атомите се характеризират със специфични размери и маси. Свойствата на атомите на един и същи елемент са еднакви и се различават от свойствата на атомите на други елементи.
Масата на атома, изразена в атомни масови единици (amu), се нарича относителна атомна маса. 1 аму = = 1,667 10 -27 кг.
Елементите, съчетавайки се в различни количествени съотношения помежду си, образуват химични съединения - сложни вещества. Какво е химично съединение? Сложното вещество има ли променлив или постоянен състав?
Известният френски химик Ж. Пруст, за разлика от К. Бертолет, смята, че всяко химически чисто съединение, независимо от метода на получаването му, има добре дефиниран състав. Именно на този закон, който получи името закон за постоянство на състава,Й. Пруст обяснява разликата между химичните съединения и смесите. Например, CO 2 (въглероден диоксид) може да се получи по няколко начина:
но чистият CO 2 винаги съдържа 27,29% C и 72,71% O 2 спрямо теглото.
Много елементи, комбинирайки се помежду си, могат да образуват различни вещества, всеки от които се характеризира с
определено съотношение между масите на тези елементи. И така, въглеродът и кислородът образуват въглероден окис - CO и CO 2 - въглероден диоксид. Изучавайки такива съединения, английският учен Д. Далтън установи законът за множество отношения:ако два елемента образуват няколко съединения един с друг, тогава масите на единия от елементите, съответстващи на същата маса на другия в тези съединения, се отнасят един към друг като малки числа.
Далтън се придържа към атомната теория за структурата на материята; изучавайки свойствата на газовете, той открива закона за парциалните налягания на газовете. Законът директно свидетелства, че елементите се включват в състава на съединенията само в определени части, което показва прекъсната структура на материята. Развивайки атомно-молекулярната теория, Далтън въвежда концепция, близка до съвременната за атомите и за относителните атомни маси на елементите. Но за разлика от закона за запазване на масата, чиято валидност беше напълно потвърдена от откритията, направени след неговото създаване, законите за постоянство на състава и множествените съотношения се оказаха не толкова универсални. Във връзка с откриването на изотопи стана ясно, че съотношението между масите на елементите, изграждащи дадено вещество, е постоянно само ако изотопният състав на тези елементи е постоянен. Например тежката вода съдържа 20% (масови) водород, докато обикновената вода само 11%.
В началото на ХХ век. (повече от 100 години по-късно) руският учен Н. С. Курнаков, изучавайки метални сплави, открива съединения с променлив състав, в които различна маса на друг елемент може да падне върху единица маса на даден елемент. За много съединения с променлив състав са установени граници, в които техният състав може да се променя, а формулата TiO 2 по-точно изразява неговия състав под формата на TiO 1. 9 _ 2.0. Разбира се, формулите от този вид не показват състава на молекулата (веществата имат атомна структура), а отразяват само границите на състава на веществото. Периодичната таблица е пример за подреден краен изброим набор от химически елементи. Възможно ли е да се подредят по подобен начин множество химични съединения, чийто брой, макар и голям, не е неограничен? И така
оказа се, че веществата с еднакви суми от атомни номера, молекулни маси и плътности имат изключително сходни физикохимични свойства. Достатъчно е да се знае химичният състав на веществото и неговата плътност, за да се предскажат всички други негови свойства. Н. С. Курнаков предложи да наречем съединенията бертолоиди в чест на К. Бертолет, който пръв предсказва съществуването на вещества с променлив състав.
По този начин има обширен клас съединения, които не се подчиняват на стехиометрични съединения, закони, тоест нарушаването на законите е свързано с напълно определено агрегатно състояние на материята.
По принцип няма ясна граница между съединенията с постоянен и променлив състав от гледна точка на съвременната физика. Съединение може да се образува и от атоми на един химичен елемент - просто вещество. Сложно вещество се образува от атоми от различно естество, тоест различни елементи са включени в състава на молекула от сложни вещества. Водата се образува от атоми на водород и кислород, а веществото е кислород само от молекулите на един елемент - кислорода. Но един елемент кислород образува две алотропни модификации на прости вещества кислород и озон, които се различават по структура, структура, физични и химични свойства.
