Хімія – наука про речовини, їх властивості, будову та взаємні перетворення.
Історично хімія виникла отримання людини речовин, необхідні його життєдіяльності. Аби вирішити це завдання потрібно було навчитися виробляти з одних речовин інші, тобто. здійснювати якісні їх перетворення. Оскільки якість – є сукупність властивостей речовин, слід було дізнатися, чого залежать ці властивості. Це і спричинило появу теоретичної хімії.
Предмет хімії – хімічні елементи та його сполуки, і навіть закономірності, яким підпорядковуються різні хімічні реакції.
Хімічні реакції - це процеси утворення з простих за складом речовин більш складних, перехід одних складних речовин в інші та розкладання складних речовин на простіші за складом речовини.
Сучасна хіміязаймається отриманням речовин із заданими властивостями та виявленням способів управління властивостями речовини. У цьому полягає основна проблема хімії та системотворчий початок її як науки.
За ознакою досліджуваних об'єктів (речовин) хімію прийнято поділяти на неорганічну та органічну. Поясненням сутності хімічних явищта встановленням їх загальних закономірностей на основі фізичних принципів та експериментальних даних займається фізична хімія, що включає квантову хімію, електрохімію, хімічну термодинаміку, хімічну кінетику. Самостійними розділами є також аналітична та колоїдна хімія.
Поєднання хімії з іншими кумедними природничими науками є біохімія, геохімія, фотохімія та ін.
Ми підкреслювали, що матерія існує у двох фізичних формах – речовина та поле.
Речовини – це різні види матерії, що рухається, маса спокою яких не дорівнює нулю. Усі речовини корпускулярні. Процеси, які у хімічному речовині чи сумішах різних речовин, є хімічні реакції.
При перебігу хімічних реакцій завжди утворюються нові речовини. Наприклад, при нагріванні магнію (сріблясто-білий метал) у молекулярному кисні (безбарвний газ) утворюється оксид магнію (білий порошок):
Хімічні реакції завжди супроводжуються фізичними ефектами: поглинанням та виділенням енергії, наприклад, у вигляді теплопередачі, зміною агрегатного стану реагентів, зміною забарвлення реакційної суміші та ін Саме за цими фізичними ефектами часто судять про протікання хімічних реакцій.
У хімічних процесах (хімічних реакціях) утворюються нові речовини з відмінними від реагентів властивостями, але ніколи не утворюються атоми нових елементів.
До умов протікання хімічних процесів відносяться насамперед термодинамічні фактори, що характеризують залежність реакцій від температури, тиску та деяких інших умов. Ще більшою мірою характер і особливо швидкість реакцій залежать від кінетичних умов, які визначаються наявністю каталізаторів та інших добавок до реакцій, а також впливом розчинників та інших умов.
У хімії розрізняють прості та складні речовини. Прості речовини складаються з атомів виду елемента, тобто. вони одноелементні. Складні речовини складаються з атомів різьблених елементів, тобто. вони багатоелементні. Складні речовини інакше називають хімічними сполуками. Цей термін означає, що речовини можуть бути отримані за допомогою хімічних реакцій сполуки із простих речовин – хімічного синтезу або розділені на елементи у вільному вигляді (прості речовини) за допомогою хімічних реакцій – хімічного аналізу.
2Hg + O 2 = 2HgO
прості хімічні
речовини з'єднання
2HgO = 2Hg + O 2
хімічне прості
сполука речовини
Найдрібніші хімічні частинки, що є межею хімічного розкладання будь-якої речовини, є атоми. Проста речовина (якщо вона не є одноатомною, як, наприклад, гелій He), розкладається на атоми одного виду, складна речовина – на атоми. різних видів. Атоми неподільні хімічним шляхом.
Маса атомів різних видів становить близько 10 -24 – 10 -22 г, розміри (діаметр) атомів коливається не більше 1*10 -10 - 5 *10 -10 м. Тому атоми вважають найдрібнішими хімічними частинками.
Хімічний елемент – це вид атомів із певним позитивним зарядом ядра. Усі хімічні елементи вказані у Періодичній системі елементів Д. І. Менделєєва. Кожному елементу відповідає свій порядковий (атомний) номер у Періодичній системі. Значення порядкового номера елемента і заряду ядра атома того ж елемента збігаються. Отже, хімічний елемент – це сукупність атомів з порядковим номером.
У Періодичній системі хімічних елементів на сьогоднішній день є 109 елементів з порядковими номерами від 1 до 109. З них у природі знайдено 88. Такі елементи, як технічний Tc, прометій Pm, астат At і францій Fr з порядковими номерами 43, 61, 85 87 і всі елементи, що йдуть за ураном U (порядковий номер 92), отримані вперше штучно.
З хімічних елементів найбільш поширені у земній оболонці кисень та кремній. Ці елементи разом з елементами алюміній, залізо, кальцій, натрій, калій, магній, водень та титан становлять понад 99% маси земної оболонки (за земну оболонку приймається літосфера – тверда земна кора, що розповсюджується на глибину до 17 км, гідросфера – вода морів та океанів та атмосфера – повітряна оболонка, що поширюється на висоту до 15 км).
Хімічні сполуки, які з атомів щонайменше двох елементів, мають у ролі найменших складових частин молекули – електрично нейтральні групи атомів, чи іони – електрично заряджені атоми чи групи атомів. Більшість складних хімічних речовин складається не з молекул, а з іонів. Наприклад, іонними сполуками є всі солі.
приклад. Хлорид натрію NaCl складається з іонів Na + та Cl - .
Хімічні сполуки утворюються рахунок хімічних зв'язків. Розрізняють три основні типи хімічного зв'язку: ковалентну, іонну та металеву.
Ковалентний зв'язок здійснюється за рахунок утворення електронних пар, що однаково належать обом атомам. Іонний зв'язок є електростатичним тяжінням між іонами, утвореними шляхом повного зміщення електронної пари до одного з атомів. Металевий зв'язок є зв'язок між позитивними іонами в кристалах металів, що здійснюється за рахунок тяжіння електронів, що вільно переміщуються по кристалу.
Хімічний зв'язок є таке взаємодія, яке пов'язує окремі атоми молекули, іони, кристали, тобто. структурні рівні організації матерії, що їх вивчає хімічна наука.
Природа хімічного зв'язку, згідно з сучасними уявленнями, пояснюється взаємодією електричних полів, створюваних електронами та ядрами атомів, що беруть участь в утворенні хімічної сполуки.
Кожен хімічний елемент має власний знак. Символи хімічних елементів є міжнародними позначеннями елементів. Вони вміщені в Періодичну систему елементів Д.І. Менделєєва. Сучасні символи хімічних елементів у 1813 р. ввів шведський хімік Берцеліус.
Кожна речовина позначається властивою лише йому хімічною формулою.
Хімічна формула – це зображення якісного та кількісного складу речовини за допомогою символів хімічних елементів, а також числових, літерних та інших знаків. Наприклад, формула H 2 O показує, що вода включає елементи водень H та кисень O у співвідношенні їх атомів 2:1.
Будь-яка хімічна реакція записується у вигляді рівняння хімічної реакції, наприклад,
2Na + Cl 2 = 2NaCl
Підбір коефіцієнтів у рівнянні хімічної реакції заснований на тому, що сума атомів кожного елемента не змінюється при протіканні хімічної реакції.
Найважливіша особливістьхімічних реакцій пов'язана з тим, що їхнє протікання супроводжується змінами енергії. Більшість енергії, вироблена в сучасному суспільстві, виходить у результаті хімічних реакцій, головним чином при згорянні вугілля, нафтопродуктів та газу.
З метою оптимального здійснення ходу хімічного процесу необхідно знати загальні закони, що визначають перетворення енергії за хімічної взаємодії речовин. Для встановлення взаємних зв'язків між явищами та узагальнення експериментального матеріалу у практиці хімії широке поширення знайшов термодинамічний метод. Перш ніж перейти до викладу основ хімічної термодинаміки, постараємося дати визначення вихідних понять та об'єкта застосування термодинамічного методу – термодинамічної системи.
Під системою розуміють тіло чи групу тіл, подумки виділених з довкілля. Уявімо, що потрібно визначити теплоту згоряння рідкого бензолу. Досвід здійснюють у калориметричній бомбі, яку можна як систему.
Залежно від аналізованого явища система то, можливо складної і різного розміру, але вона повинна складатися з великої кількості частинок, тобто. бути макроскопічною. Тільки макроскопічних систем можна оперувати такими поняттями, як температура, тиск, теплота, і деякими іншими. Виходячи з характеру взаємодії різних систем із навколишнім середовищем, їх поділяють на відкриті, закриті та ізольовані системи.
Відкритою системою називається система, яка може обмінюватися із навколишнім середовищем енергією та речовиною. До відкритої системи, наприклад, можна віднести склянку з водяним розчином цукру. В результаті поступового випаровування води з розчину в навколишнє середовище та теплообміну буде змінюватися як маса системи, так і її енергія.
Закритою системою називають систему, у якій відсутній обмін речовиною з навколишнім середовищем, але можливий обмін енергією із нею. Прикладом такої системи може бути розчин цукру, поміщений у склянку, закритий пробкою. Коли склянка закрита пробкою, процес у розчині здійснюватиметься при постійному обсязі. Якщо температура розчину Т 1 відрізнятиметься від температури T 2 навколишнього середовища, то при T 1 більше T 2 частина енергії від розчину буде передаватися в навколишнє середовище, і навпаки, при Т 1 менше T 2 енергія системи буде збільшуватися за рахунок переходу якоїсь частини енергії з навколишнього середовища у розчин. Маса системи при цьому не змінюватиметься.
Ізольованою системою називають таку, обсяг якої залишається постійним, і яка не обмінюється енергією та речовиною із навколишнім середовищем. До цього типу систем можна буде віднести водний розчин цукру, поміщений у закриту посудину, стінки якої виготовлені з ідеального теплоізоляційного матеріалу. Поняття " ізольована система " є поняттям ідеальним (абстрактним), оскільки практично немає матеріалу, який би проводив теплоту.
Система може бути гомогенною (однорідною) або гетерогенною (неоднорідною).
Система називається гомогенной, якщо вона складається з однієї фази. Гетерогенна система обов'язково містить кілька фаз.
Сукупність усіх хімічних та фізичних властивостей системи називається станом системи. Зазвичай розглядають властивості. які можна однозначно виражені через функції температури. тиску та концентрації речовин системи. Такі властивості називаються термодинамічні (теплоємність, внутрішня енергія, ентальпія тощо), вони є частиною загальних властивостей (фізичних та хімічних) системи. Для повного описустану системи досить знати найменшу кількість термодинамічних властивостей, які найлегше визначаються експериментальним шляхом (тиск Р, обсяг V, температура Т та концентрації (C 1) компонентів). Параметри стану системи пов'язані між собою співвідношенням, яке називається рівнянням стану. Якщо система складається з однієї речовини і як параметри обрані тиск, об'єм і температура, то рівняння стану в загальному виглядіможна записати так:
Для n моделей ідеального газу рівнянням стану є рівняння Менделєєва-Клапейрона:
Застосовуючи основні поняття, розглянемо енергетику хімічних процесів.
Тема 2. Роль хімії у розвитку суспільства
2.1. Система сучасного знання у галузі хімії
Основні поняття та закони хімії. рівні організації матерії, що вивчаються в хімії: атом, хімічний елемент, іон, молекула, хімічна речовина. Періодичний закон та його значення для сучасної науки
Усі хімічні елементи впорядковано розташовані у періодичній таблиці. У 1869 Д. Менделєєв вперше відкрив, що деякі властивості елементів періодично повторюються, а саме елементи в одній і тій же колонці (групі) періодичної таблиці мають схожі властивості. Члени однієї і тієї ж групи в таблиці мають те саме число електронів на зовнішніх оболонках їх атомів і утворюють зв'язки одного і того ж типу, зазвичай з однаковою валентністю. Інертні гази із заповненою зовнішньою електронною оболонкою взагалі не утворюють зв'язків. Таким чином, періодична таблиця відображає глибоке розуміння хімічного зв'язку та хімічної поведінки. Крім того, вона дозволила передбачити існування нових елементів, багато з яких пізніше було відкрито або синтезовано.
Хімічні речовиниу природі: прості та складні, органічні та неорганічні. Нафта та природний газ як джерела органічних речовин
Нафта і природний газ є найважливішими первинними викопними паливами. Перша свердловина для видобутку нафти була пробурена у середині 19 ст. З винаходом автомобіля це вуглеводневе паливо почало застосовуватися як джерело бензину. З тих пір нафту та її продукти використовуються як палив для отримання тепла, для наземного, повітряного та морського транспорту, для теплових електростанцій та як джерело нафтопродуктів та мастил. Нафту вилучають із пробурених свердловин, транспортують трубопроводами або танкерами до нафтопереробних заводів і там перетворюють її на паливо та продукти нафтохімії. Нафта і природний газ, що видобуваються головним чином Саудівської Аравії, США та Росії, сьогодні становлять близько 60% світового енергоспоживання При сучасних швидкостях споживання нафти її відомі запаси будуть вироблені до середини 21 в.
З сирою нафтою зазвичай зустрічається природний газ - вуглеводень, що складається головним чином з метану та етану. Природний газ видобувається із свердловин, потім його транспортують або в природному газоподібному стані трубопроводами, або після зрідження охолодженням танкерами. Зріджений газ займає приблизно 1/600 обсягу газоподібного продукту. Використання природного газу як джерело енергії постійно зростає.
Класифікація та основні хімічні властивості органічних та неорганічних сполук
Органічні сполуки – це вуглеводні. Завдяки здатності атомів вуглецю утворювати хімічні зв'язки один з одним і з атомами більшості елементів число органічних сполук дуже велике і перевищує 4 млн. Для них характерна здатність до складних та різноманітних перетворень, вивченням яких і займається органічна хімія. Природні органічні сполуки, наприклад нуклеїнові кислоти, білки, ліпіди, гормони, вітаміни відіграють основну роль у побудові та життєдіяльності рослинних та живих організмів.
Властивості органічних сполук залежать від кількості СН 2 -груп у вуглецевому ланцюзі (наприклад, метан СН 4 етан С 2 Н 6 пропан С 3 Н 8 і т.д.).
Неорганічні сполуки – це метали, мінерали, солі, кислоти, луги. Для синтезування неорганічних сполук застосовуються методи фізичного впливу – надвисокі температури та тиску, ультразвук, вібрації, сильне світлове випромінювання, магнітні поля, ударні хвилі та відцентрові сили. Нерідко застосовуються низькі та наднизькі температури, надглибокий вакуум, дослідження процесів за умов невагомості.
Розчини водні та неводні.
Вода є чудовим розчинником для багатьох речовин. Це пов'язано з здатністю її молекул утворювати хімічні зв'язки коїться з іншими молекулами. Широке поширення знаходять і неводні розчинники, наприклад, ацетонітрил або оцтова кислота.
У рідких розчинах протікають багато хімічних реакцій, зокрема. технічні та життєво важливі. Розчинником називається компонент, концентрація якого вища за концентрацію іншого компонентів. Розчинник зберігає свій стан при утворенні розчинів. Температура кипіння розчину вище температури кипіння розчинника, а температура замерзання розчину нижче температури замерзання чистого розчинника.
Розчин, у якому встановлюється рівновага між розчиненням та утворенням (осадженням, кристалізацією) речовини, називається насиченим, а концентрація такого розчину – розчинністю. На розчинність впливає природа розчинника. Для органічних сполук речовина краще розчиняється в таких розчинниках, які хімічно подібні до нього, наприклад вуглеводні у вуглеводневих розчинниках.
Структура та унікальні властивості води
Вода – найпростіша хімічна сполука та звична речовина на Землі. Вона супроводжує кожну мить нашого життя. Але чи знаємо ми, яку таємницю зберігає дивовижна стихія, звідки вона прийшла, хто й навіщо обдарував нею нашу планету?
Вода – більше, ніж фізична субстанція, пов'язана з водою сама ідея життя. Немає нічого м'якшого і податливішого, ніж вода, але вона точить каміння і ріже найтвердіші породи. Вода має фізичні властивості, але жоден учений не може пояснити, чому щільність води при мінусовій температурі збільшується, а при плюсовій – зменшується. Будь-яка речовина при охолодженні стискається, а вода навпаки – розширюється. Перебуваючи у порах та капілярах, вода може створювати величезний тиск. У зерні, наприклад, у момент проростання воно може досягати 400 атмосфер. Ось чому паросток легко пробиває асфальт.
Досі науці не відомо, чому вода може перебувати в трьох станах, чому у води найвищий поверхневий натяг, чому вода є найпотужнішим розчинником на Землі і яким чином вода може підніматися по стовбурах величезних дерев, долаючи тиск у десятки атмосфер. Численні експерименти, проведені в різних країнах, призвели до відкриття, що вода має пам'ять; вона сприймає і знімає будь-який вплив, що відбувається в навколишньому просторі. Зображуючи інформацію, вода набуває нових властивостей, при цьому її хімічний склад(Н 2 Про) залишається тим самим. Виявилося, структура води, тобто. як організовані молекули, набагато важливіші, ніж хімічний склад.
Найсильніший момент на воду – людські емоції (позитивні чи негативні). Численні дослідження виявили, що хвилі кохання, ніжності, турботи об'єднували молекули в строгі, красиві поєднання (квітки) і, навпаки, страх, агресія, ненависть створювали рвані, безформні сполуки. Такі ж чітко спрямовані зміни відбуваються в структурі води при впливі на неї спочатку музики Баха, Моцарта, Бетховена, а потім важкого року та подібних звуків, породжених невиразними душами.
Любов підвищує енергетику води, структурує її, а агресія різко її знижує. Ось чому структурована вода для всього живого на Землі – це найбільше благо. У Природі річки і струмки течуть по плавно згинається руслу, побутова вода, долаючи численні прямі кути, втрачає більшу частину своєї енергії. Водна структура організму кожної людини ідентична структурі води там, де вона народилася.
У всіх світових релігіях (християнство, іслам, іудаїзм) прийнято перед їдою читати молитву або освячувати їжу у релігійні свята. Виявилося, частота коливання будь-якої молитви будь-якою мовою дорівнює 8 герц, що відповідає частоті коливання магнітного поля Землі. Звідси порада - не сідати за стіл з поганими думками і не приймати їжу в поганому стані (у цьому випадку вона стає отруйною), а для очищення краще випити води. Той, хто посилає негативні думки, забруднює власну воду, з якої на 75-90 % складається організм, негативно заряджає її. Чи не тому найбільше вчиняється тяжких злочинів у тих областях, де люди найчастіше поганословлять.
У Японії провели досліди та визначили, що вода відреагувала на слова релігійного змісту, утворивши красиві, геометрично правильні кристали. Така ж реакція була, коли на лабораторні чашки з водою були нанесені слова: любов, надія, душа. Це означає, за заявою японських учених, що концепція нашої природи збігається з кожною релігією. Проте за словами «я тебе ненавиджу», «ти мені гидкий» виходили потворні, рвані з'єднання.
Численні експерименти з пошуку слова, що найсильніше благодатно впливає на воду, показали, що воно не одне, а поєднання двох: любов, коханняі подяку.
На прісну воду припадає менше 1% від усіх її запасів. На Землі понад 1 млрд. людей не мають доступу до безпечної питної води. Якщо таке становище залишиться без змін, вода може стати причиною міжнародних конфліктів. Нині воюють за нафту та газ, а воюватимуть за воду. Вода все більше набуває статусу основного ресурсу, який починає фігурувати в діалозі між країнами.
Таким чином, зробимо два висновки. По-перше, воду треба берегти як найдорожче надбання Природи, по-друге, у кожному з нас є крапля води первозданного океану, і кожна наша дія, думка, слово, емоція запам'ятовується водою!
Водневий показник (рН) як міра кислотності середовища
Одним із головних показників, від якого залежить наше здоров'я, є кислотно-лужна рівновага або водневий показник (рН). Норма рН - 7,41. Навіть незначне зниження кислотно-лужної рівноваги у бік закислення викликає різке зниження активності внутрішньоклітинних процесів. Органи та системи організму починають працювати з великою напругою, погіршується самопочуття, падає працездатність. Інакше чим більше в організмі бруду, тим слабше працює імунна система.
Тваринна їжа окислює, а рослинна – лужить організм до 80%. Що більше закислена середовище організму, то більше в ній активізується патогенна мікрофлора, гриби, віруси. Поміщені у кисле середовище, вони починають швидко розвиватися, а поміщені у лужне – гинуть. Висновок – є більше овочів та фруктів та менше тваринної їжі (м'ясо, риба, яйця, молоко). Таким чином, рН є критерієм сили кислоти або основи. Відхилення рН норми значно призводить до розладу діяльності організму. Істотний вплив на врожайність рН грунту, на екологію водоймища – рН води.
Поняття про гранично-допустиму концентрацію (ГДК)
Відходи промислового виробництвазабруднюють землю, воду та повітря. Максимальна кількість шкідливої речовини в одиниці об'єму або маси, яка при щоденному впливі протягом необмеженого часу не викликає будь-яких хворобливих змін в організмі та несприятливих спадкових змін у потомства, вважається гранично допустимою концентрацією (ГДК). Для кожної речовини законодавчо встановлено свій рівень ГДК, причому ГДК однієї й тієї ж речовини різні для різних об'єктів зовнішнього середовища. Наприклад, для свинцю та його органічних сполук у воді водойм господарсько-питного та культурно-побутового призначення ГДК становить 0,005 мг/л, у повітрі виробничих приміщень – 0,01 мг/м 3 , а в атмосфері – 0,007 мг/м 3 .
Хіміко-аналітичний контроль та діагностика стану навколишнього середовища
Повітря – це суміш газів, у тому числі складається атмосфера Землі. Найбільш важливими є азот (78%) та кисень (21%). До складу повітря входять також у малих кількостях аргон, неон, гелій, метан та інші гази. У змінних концентраціях присутні пари води, озон та оксид вуглецю. Повітря також містить сліди аміаку та сульфіду водню. Усі ці гази важливі підтримки життя і здоров'я людини. Пари води – важливе джерело опадів. Оксид вуглецю (СО 2) необхідний для фотосинтезу та інфрачервоного випромінювання.
Озон у стратосфері (шар атмосфери, що лежить на висоті від 10 до 50 км, званий озоновим шаром) є своєрідним екраном від сонячного ультрафіолетового випромінювання. Однак на рівні землі він є головною складовою смогу – аерозолі з диму, туману та пилу, що виникає в атмосфері промислових міст. Кожен із мешканців, особливо великих міст, відчуває, наскільки забруднене повітря через автомобільний або індустріальний характер.
Для зменшення такого негативного впливу на здоров'я людей: посилюються вимоги до складу вихлопних газів автомобілів (підвищується якість пального та вдосконалюється система згоряння палива); переносяться промислове підприємствоза межу міста; централізовано збираються промислові та побутові відходи та ін.
У темряві повинні звертатися фізики, особливо хіміки, не знаючи внутрішніх, нечутливих частинок будівлі.
М. В. Ломоносов
В даний час хімічним елементомназивають речовину, всі атоми якої мають однаковий заряд ядра,
хоч і розрізняються за своєю масою, внаслідок чого атомні ваги елементів не виражаються цілими числами.
Молекулоюяк і раніше називають найменшу частину речовини, яка визначає його властивості та може існувати самостійно. Однак до молекул тепер відносять різноманітні інші квантово-механічні системи (іонні, атомні монокристали, полімери та інші макромолекули). Останнє особливо важливо для ясного розуміння структури з погляду системного підходу, де під структуроюмають на увазі впорядкований зв'язок та взаємодію між елементами системи, завдяки якій і виникають нові цілісні її властивості. У такій хімічній системі, як молекула, саме специфічний характер взаємодії його атомів визначає властивості молекули.
Хімія вивчає процеси перетворення молекул при взаємодіях та при впливі на них зовнішніх факторів (теплоти, світла, електричного струму, магнітного поля), під час яких утворюються нові хімічні зв'язки. Під хімічним зв'язкомрозуміється результат взаємодії між атомами, що виражається у створенні певної конфігурації атомів, що відрізняє один тип молекули від іншого. Хімічні зв'язки породжують взаємодію електронних оболонок атомів. Якщо атомні зміни підходять друг до друга, виникає одна округла структура, дещо більша, ніж раніше був кожен атом окремо. Так виходить насичена молекула, і приєднати до неї якийсь атом майже неможливо, т. е. хімічні зв'язку відрізняються насиченістю. Із запровадженням поняття валентності нею стали пояснювати будову та хімічні властивості молекул. Найбільш поширені чотири види хімічних зв'язків: іонна, ковалентна, металева та воднева. Хімічний зв'язок, що здійснюється за рахунок утворення спільних для взаємодіючих атомів електронних пар, називається ковалентним зв'язком. Хімічний зв'язок, в основі якого лежить електростатична взаємодія іонів, називається іонної.Хімічний зв'язок, заснований на узагальненні валентних електронів усіх атомів у кристалі, називається
металевою.Хімічний зв'язок, зумовлений взаємодією полярних молекул, однією з яких є водень, називається водневий.Хімічні зв'язку можна розглядати з погляду перетворення енергії: якщо за створенні молекули її енергія менше, ніж сума енергій складових її ізольованих атомів, вона може існувати, т. е. її зв'язок стійка.
Кожна речовина характеризується певними фізичними та хімічними властивостями. Коли якась проста речовина вступає в хімічну реакцію і утворює нову речовину, то вона при цьому втрачає більшість своїх властивостей. Наприклад, залізо, з'єднуючись із сіркою, втрачає металевий блиск, ковкість, магнітні властивості та ін. Отже, у сульфіді заліза немає заліза, яким ми знаємо його у вигляді простої речовини. Але так як із сульфіду заліза (FeS) за допомогою хімічних реакцій можна знову отримати металеве залізо, то кажуть що до складу сульфіду заліза входить елемент залізо, розуміючи під цим матеріал, з якого складається металеве залізо. Так само водень (Н) і кисень (О), що входять до складу води, містяться у воді не у вигляді газоподібних водню та кисню з їх характерними властивостями, а у вигляді елементів - водню та кисню. Якщо елементи перебувають у " вільному стані " , т. е. не пов'язані хімічно ні з яким іншим елементом, всі вони утворюють прості речовини.
Довгий час не робилося різницю між елементом і простою речовиною. Поняття "елемент" як науковий термін вперше використано Р. Бойлем в 1661 р. З часів Бойля елементом вважали всяку просту речовину, яку можна отримати в результаті розкладання складних речовин, але яка не здатна до подальшого розкладання ще більш прості речовини.
Також було спростовано флогістонну теорію окислення металу численними експериментами М. В. Ломоносова. Відповідно до цієї теорії процес окислення металу розглядався як реакція розкладання: метал вважався складною речовиною, а окалина простим, тобто залізо - окалина + флогістон.
М. В. Ломоносов, провівши експерименти в запаяних ретортах, встановив, що маса судини з прожареним залізом не змінюється, якщо зважити, не розкриваючи його. Французький учений А. Лавуазьє також показав, що горіння є реакцією сполуки речовини з киснем повітря. Лавуазьє поставив на ноги всю хімію, що у своїй флогістонній формі стояла на голові.
Початок XIXв. ознаменувалося відкриттям нових кількісних закономірностей. Розробка атомно-молекулярної теорії дозволила Дальтону висловити атомну гіпотезу і ввести в хімію поняття відносної атомної ваги елементів і визначити атомні ваги деяких елементів. За Дальтоном, елемент можна визначити як вид атомів, що характеризуються певним значенням атомної ваги, а прості речовини складаються з певного виду атомів, отже, прості речовини є елементами. Плутанина була усунена пізніше, коли було встановлено, що багато простих речовин утворені з молекул, а не з атомів. Вперше Менделєєв у зв'язку з цим вказав на необхідність чітко розрізняти два поняття: елемент і просту речовину, або просте тіло. Якщо простій речовині (тілу) відповідає поняття про частинку, то елементу - про атом. Вуглець є елемент, а вугілля, графіт та алмаз суть тіла прості.
Користуючись поняттям про хімічні елементи, можна сказати, що найважливіше завдання хімії полягає у вивченні властивостей елементів у відшуканні загальних закономірностей у їхній поведінці та між собою. На середину ХІХ ст. налічувалося вже 63 елементи і було накопичено досить багатий експериментальний матеріал, що стосується їх фізичних і хімічних властивостей, і було встановлено групові загальні властивості. Були накопичені відомості про такі характеристики, як атомна маса елементів та його валентність, т. е. здатність утворювати різні форми сполук. Насамперед треба було вирішити основне питання: чи є хімічні елементи розрізненими, незалежними чи вони закономірно пов'язані між собою на єдину систему.
Перші спроби вирішення цього завдання відносяться до першої половини ХІХ ст. Деберейнер (1829) згрупував елементи в тріади; Одлінг (1857 р.) розмістив 48 елементів у єдину таблицю із 13 груп подібних елементів; Ньюлендс і де Шаркунтуа (1863) розподілили 63 елементи в порядку зростання їх атомної маси, була опублікована німецьким хіміком Л. Мейєром таблиця елементів, в якій були відсутні бір, алюміній і водень. Усього спроб класифікації було щонайменше п'ятдесяти, і всі були сутнісно безуспішні. В основі невдач лежав метафізичний спосіб їхнього мислення. Нарешті 1869 р. Д. І. Менделєєв запропонував періодичну систематизацію властивостей елементів.
Діалектико-матеріалістичний підхід до систематизації елементів є основною причиною успіху Д. І. Менделєєва. Періодична система елементів справила великий вплив на подальший розвиток хімії, вона стала могутнім знаряддям для подальших досліджень. На підставі періодичного закону Д. І. Менделєєв передбачив існування 12 нових елементів, причому для трьох з них (галій - Ga, германій - Ge і скандій - Sc) докладно описав їх властивості. Протягом півстоліття було виявлено у природі майже всі елементи, розташовані до урану. Шляховій ниткою для пошуку та встановлення хімічної природиелементів з'явився періодичний закон та метод передбачення, використаний Д. І. Менделєєвим. Періодичний закон та періодична система отримали своє повне підтвердження та подальший розвитокпід час встановлення будови атомів елементів. Наразі фактичні дані в хімії зросли у тисячі разів. Є відомості про 8 мільйонів індивідуальних хімічних сполукпостійного складу та мільярди з'єднань змінного складу.
Сучасне формулювання періодичного закону така: від величини позитивного заряду ядра атома залежать усі властивості елемента та його положення у періодичній системі. Теорія будови атома пояснює періодичне зміна властивостей елементів під час переходу від періоду до іншого: зі зростанням Z будова електронних оболонок атомів повторюється.
Особливо це стосується зовнішніх енергетичних рівнів, на яких розташовані валентні електрони. У межах періоду зі збільшенням заряду ядра зовнішні шари заповнюються поступово, досягаючи своєї завершеності в атомах благородних газів. Ця послідовність повторюється в кожному періоді, внаслідок чого в них спостерігається перехід від металів на початку періоду до неметал і благородного газу в його кінці. У світлі теорії будови атома періодичний закон отримав сучасне формулювання: властивості простих речовин, і навіть форми і властивості сполук елементів перебувають у періодичної залежність від величини заряду ядра атома.
Атомна вага елемента визначається як середня арифметична величина мас ізотопів, з яких складається елемент. Атоми, які мають однаковий заряд ядра (і, отже, тотожні хімічні властивості), але різним числом нейтронів, називають ізотопами. Наприклад, хлор складається з двох ізотопів з масовими числами на 75,53% із ізотопу 35 Сl і на 24,47% - з 37 Сl, в результаті середня атомна маса хлору дорівнює 35,453. Відкриття ізотопів вимагало перегляду поняття "хімічний елемент". Хімічний елемент – це вид атомів, що характеризується певною величиною позитивного заряду ядра. Існування хімічного елемента як кількох простих речовин називається алотропией. Графіт, алмаз, вугілля – алотропні видозміни елемента вуглецю.
З розвитком кількісних методів дослідження в хімії були накопичені експериментальні факти, узагальнення яких призвело до відкриття про стехіометричних законів - закону сталості складу, закону еквівалентів і закону кратних відносин. Саме ці закони сприяли остаточному утвердженню хімії атомно-молекулярного вчення. Основою хімічної науки є атомно-молекулярне вчення, закон збереження матерії, періодичний закон Д. І. Менделєєва та теорія хімічної будови.
Основні положення атомно-молекулярного вчення полягають у наступному:
1. Речовини складаються з молекул; молекули різних речовин відрізняються між собою хімічним складом, розмірами, фізичними та хімічними властивостями.
2. Молекули перебувають у безперервному русі; між ними існує взаємне тяжіння та відштовхування. Швидкість руху молекул залежить від агрегатного стану речовин.
3. При фізичних явищсклад молекул залишається незмінним, при хімічних - вони зазнають якісні та кількісні зміни та з одних молекул утворюються інші.
4. Молекули складаються з атомів. Атоми характеризуються певними розмірами та масою. Властивості атомів однієї й тієї ж елемента однакові і від властивостей атомів інших елементів.
Маса атома, виражена в атомних одиницях маси (а.е.м.), називається відносною атомною масою. 1 а.е.м. = = 1,667 10 -27 кг.
Елементи, з'єднуючись у різних кількісних співвідношеннях друг з одним, утворюють хімічні сполуки – складні речовини. Що являє собою хімічна сполука? Чи має складну речовину змінним чи постійним складом?
Відомий французький хімік Ж. Пруст на відміну від К. Бертолле вважав, що будь-яке хімічно чисте з'єднання незалежно від способу його отримання має певний склад. Саме на цьому законі, який отримав назву закону сталості складу,Ж. Пруст пояснив різницю між хімічними сполуками та сумішами. Наприклад СО 2 (вуглекислий газ) можна отримати декількома способами:
але в чистому З 2 завжди міститься 27,29% і 72,71% O 2 по масі.
Багато елементів, з'єднуючись один з одним, можуть утворювати різні речовини, кожна з яких характеризується
певним співвідношенням між масами цих елементів. Так, вуглець і кисень утворюють оксид вуглецю - СО і СО 2 -діоксид вуглецю. Вивчаючи подібні сполуки, англійський учений Д. Дальтон установив закон кратних відносин:якщо два елементи утворюють один з одним кілька сполук, то маси одного з елементів, що припадають у цих сполуках на ту саму масу іншого, відносяться між собою як невеликі числа.
Дальтон дотримувався атомної теорії будови речовини; вивчаючи властивості газів, відкрив закон парціального тиску газів. Закон безпосередньо свідчив про те, що елементи входять до складу сполук лише певними порціями, що свідчить про перервну будову речовини. Розвиваючи атомно-молекулярну теорію, Дальтон ввів близьке до сучасного уявлення про атоми та про відносні атомні маси елементів. Але на відміну від закону збереження маси, справедливість якого повністю підтверджена відкриттями, зробленими після його встановлення, закони сталості складу та кратних відносин виявилися менш загальними. У зв'язку з відкриттям ізотопів з'ясувалося, що співвідношення між масами елементів, що входять до складу цієї речовини, завжди лише за умови сталості ізотопного складу цих елементів. Наприклад, важка вода містить 20% (мас) водню, а звичайна вода лише 11%.
На початку XX ст. (більше ніж через 100 років) російський вчений Н. С. Курнаков, вивчаючи сплави металів, відкрив з'єднання змінного складу, в яких на одиницю маси даного елемента може припадати різна маса іншого елемента. Для багатьох сполук змінного складу встановлені межі, в яких може змінюватися їхній склад, і формула TiO 2 більш точно виражає свій склад у вигляді TiO 1. 9 _ 2.0. Звичайно, що такого роду формули вказують не склад молекули (речовини мають атомну структуру), а лише відображають межі складу речовини. Періодична система є прикладом упорядкованої кінцевої лічильної множини хімічних елементів. А чи можна так упорядкувати безліч хімічних сполук, число яких хоч і велике, але не безмежне? І ось
виявилося, що речовини з однаковими сумами атомних номерів, молекулярних мас і щільностями мають надзвичайно близькі фізико-хімічні властивості. Достатньо знати хімічний склад речовини та її щільність, щоб передбачити і всі інші властивості. Н. С. Курнаков запропонував назвати з'єднання бертолоїдами на честь К. Бертолле, який уперше передбачив існування речовин змінного складу.
Таким чином, існує великий клас сполук, що не підкоряються стехіометричним сполукам, законам, тобто порушення законів пов'язане із цілком певним агрегатним станом речовини.
В принципі, немає чіткої межі між з'єднаннями постійного та змінного складу з погляду сучасної фізики. З'єднання може бути утворене з атомів одного хімічного елемента - проста речовина. Складна речовина утворена із атомів різної природи, тобто до складу молекули складних речовин входять різні елементи. Вода утворена атомами водню та кисню, а речовина кисень лише з молекул одного елемента – кисню. Але один елемент кисень утворює дві алотропні видозміни простих речовин кисень і озон, які відрізняються будовою, структурою, фізичними та хімічними властивостями.
