Основные понятия и законы химии

Основные понятия и законы химии
Введение
В комплект заданий Республиканской заочной школы в настоящее время входят пособия,
содержащие теоретические разделы углубленного курса химии. Разумеется, издано много
различных учебников для средней школы и пособий для поступающих в вузы. Однако не все
разделы в них изложены в равной мере полно, научно и доступно.
При составлении пособий для наших учащихся использовано большое число источников,
которые недоступны учащимся средних школ, и особенно тем из них, кто не имеет возможности
регулярно покупать новейшую литературу и посещать крупные библиотеки. Использованы также
наши собственные разработки, не раз успешно примененные в процессе многолетнего
преподавания химии.
Данная система пособий окажет вам действенную помощь, и вы сможете справиться с
наиболее сложными заданиями тестирования и экзаменов. Ниже приведены избранные разделы
пособий для учащихся Республиканской заочной школы. Надеемся, что после ознакомления с
ними вы захотите пройти полный курс обучения в нашей школе.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ХИМИИ
Предмет и задачи химии
Химия — наука о веществах и законах, которым подчиняются превращения одних веществ в
другие вещества.
Современная химия подразделяется на неорганическую, органическую, физическую,
аналитическую и химию высокомолекулярных соединений.
Неорганическая химия изучает химические элементы и их соединения. Основными задачами
неорганической химии являются определение состава и строения неорганических веществ,
разработка методов их синтеза и очистки.
Неорганические вещества используются в чистом виде или как компоненты конструкционных
материалов, удобрений, ядерного и ракетного топлива, фармацевтических препаратов.
Органическая химия изучает соединения углерода.
Основными задачами органической химии являются: установление состава и строения
органических веществ, связи состава и строения со свойствами, разработка методов их получения и
очистки.
Органические вещества в чистом виде или их смеси используются в качестве горючего для
различных типов двигателей, конструкционных материалов, красителей, лекарственных
препаратов.
Физическая химия объясняет химические явления на основе законов физики и с
использованием физических экспериментальных методов.
Физическая химия занимается изучением химических связей, закономерностей протекания
химических реакций, электрохимических, фотохимических и других процессов.
Аналитическая химия изучает методы определения химического состава веществ и их смесей.
Аналитическая химия включает качественный и количественный анализ. Качественный анализ
дает возможность определять, из каких компонентов состоят вещества и их смеси,
количественный анализ позволяет устанавливать количественные соотношения между этими
компонентами.
Химия высокомолекулярных соединений занимается изучением веществ, состоящих из
макромолекул.
Задачами этого раздела химии является определение состава и строения веществ, имеющих
большие молекулярные массы (от нескольких сотен до многих миллионов а. е. м.), разработка
методов их синтеза.
Высокомолекулярные соединения используются в чистом виде или как компоненты пластмасс,
химических волокон, клеев, ионитов.
Явления физические и химические
Явления, т. е. изменения, происходящие с веществами, подразделяются на физические и
химические.
Те явления, которые не приводят к изменению состава и строения веществ, называются
физическими. Здесь происходит только изменение скорости движения частиц, образующих
вещества, и расстояния между ними.
К физическим явлениям относятся переходы веществ из одних агрегатных состояний в другие
(плавление цинка, сублимация йода, сжижение газообразного аммиака), электрические явления
(разогревание и свечение вольфрамового проводника при прохождении через него
электрического тока), фотоэффект (испускание электронов кремнием при облучении светом).
Известен ряд физических явлений, в результате которых происходит изменение состава и
строения ядер атомов, что приводит к образованию новых веществ. К таким явлениям относятся
ядерные реакции. Например:
1
F
99
+ 11p
2
1 Ne
0
0
+ 
Химическими явлениями, или химическими реакциями, называются явления, при которых из одних
веществ непосредственно или при взаимодействии с другими веществами образуются новые
вещества, отличающиеся от исходных по составу, строению и свойствам.
При химических явлениях происходит разрыв химических связей в исходных веществах и
образование химических связей в продуктах реакции. Ядра атомов при этом остаются всегда
неизменными. Например:

Здесь и далее в скобках приводятся примеры.
to
=
Cu + 4 HNO3 (конц.)
Cu ( NO3)2 + 2 NO2 + 2 H2O
to , H2SO4
CH3OH + CH3COOН
CH3COOCH3 + H2O
Химические явления могут сопровождаться физическими явлениями (выделением или
поглощением теплоты, изменением цвета веществ, образованием или растворением осадков,
выделением газов и т. п.).
Физические явления также могут иногда сопровождаться химическими явлениями. Например:
эл.ток
2 CH3COONa + 2 H2O
===
H2 + C2H6 + 2 CO2 + 2 NaOH
Место химии среди естественных наук
Наряду с математикой, физикой и биологией химия играет важную роль в познании природы.
Для современного естествознания характерно все возрастающее взаимодействие этих наук.
Так, знание математических методов позволяет вести теоретические химические
исследования, планировать химические эксперименты и обрабатывать их результаты.
Широко используются в химической науке физические методы исследования (спектроскопия,
рентгенография, калориметрия, резонансные методы).
На основе установленных в биологии путей синтеза веществ в организмах животных и
растений разрабатываются способы их химического синтеза.
В свою очередь химические методы исследования широко применяются в биологии и
медицине. С их помощью осуществляется установление состава и строения организмов растений,
животных и человека, изучение процессов, протекающих в них.
Без веществ, получаемых химическими методами, невозможно развитие ядерной физики и
электронной техники.
На стыке химии с другими науками возникли и успешно развиваются такие пограничные
области знаний, как биохимия, геохимия, космохимия и другие.
Химия и экология
Перед человечеством стоит серьезная проблема: вредное воздействие на окружающую среду
промышленного и сельскохозяйственного производства, бытовых отходов.
Для решения задач в области охраны окружающей среды создаются малоотходные и
полностью безотходные технологии (из шлаков, образующихся в процессе производства чугуна,
получают шлакобетон и ситаллы; из отходов, образующихся при переработке апатитов в процессе
производства фосфорных удобрений, —соду, цемент, алюминий, редкоземельные металлы).
Подвергаются очистке сточные воды промышленных предприятий, сельскохозяйственных
предприятий и населенных пунктов. Наиболее распространенные методы очистки сводятся к
осаждению, фильтрованию и нейтрализации примесей с последующим обеззараживанием с
помощью хлора.
Одним из наиболее надежных способов очистки сточных вод является биохимическое
окисление органических примесей (например: фенола, щелоков целлюлозного производства и
т. п.).
Очистка сточных вод металлургических предприятий осуществляется с помощью
ионообменных смол (например: ионы меди, свинца, никеля, цинка и других металлов
извлекаются с помощью катионитов).
Очищенная вода на промышленных предприятиях снова используется в процессе
производства.
Отходящие газы промышленных предприятий также содержат большое число веществ,
загрязняющих окружающую среду. Для очистки газов используются разнообразные методы. Чаще
всего применяется поглощение вредных газообразных веществ различными реагентами (SO2 и
NO2 поглощаются раствором Ca (OH)2; летучие органические соединения поглощаются такими
адсорбентами, как активированный уголь, цеолиты).
В области охраны окружающей среды развивается международное сотрудничество.
Осуществляется обмен прогрессивными технологиями утилизации твердых отходов, очистки
сточных вод и отходящих газов различных производств. Принят ряд международных законов по
запрету использования некоторых вредных для окружающей среды веществ (запрещено
использование фреонов, вызывающих разрушение озонового слоя Земли).
Все более широкое использование ресурсосберегающих и безотходных технологий позволяет
надеяться на улучшение экологической обстановки в наиболее развитых в промышленном
отношении странах и впоследствии во всем мире.
Применение законов химии в повседневной жизни
Ежедневно люди используют большое число различных веществ и осуществляют многие
химические реакции. При этом необходимо знать свойства веществ для их безопасного и
рационального использования. Необходимо знать и закономерности протекания химических
реакций для того, чтобы ускорить, замедлить или не допустить вообще некоторые из них.
Например: бензин горюч, его пары в смеси с воздухом взрывоопасны, поэтому он должен
храниться в герметичных емкостях в специально отведенных помещениях и в местах, недоступных
для детей;
 фотореактивы, средства борьбы с грызунами и насекомыми токсичны, и они должны
храниться в специально маркированных емкостях в сухом прохладном месте, вдали от пищевых
продуктов и в местах, недоступных для детей;
 нельзя осуществлять химчистку с помощью больших объемов горючих растворителей, так
как искрение тканей от накопившегося статического электричества может вызвать их
воспламенение или взрыв паров;
 после завершения работ для предохранения от коррозии стальные инструменты
необходимо насухо вытереть, а перед длительным хранением обработать поверхность
металлических изделий каким–либо из смазочных масел;
 ферментативные моющие средства должны использоваться при температуре, указанной в
инструкции, так как ферменты термолабильны и при повышенной температуре их действие
замедляется или прекращается вообще;
 приготовление пищи необходимо осуществлять в закрытой эмалированной посуде или
посуде из нержавеющей стали при оптимальном температурном режиме и длительности
процесса, что позволяет осуществить в необходимой мере реакции гидролиза белков и углеводов
и свести к минимуму возможность окисления кислородом воздуха содержащихся в ней
витаминов, а также их термического и каталитического разложения;
 сохранению консервированных в домашних условиях продуктов способствует
использование уксусной кислоты и бензоата натрия, замедляющих работу ферментов
микроорганизмов.
Атомно–молекулярное учение
Атомно–молекулярное учение создавалось на протяжении нескольких веков учеными многих
стран. Его основные положения в настоящее время формулируются следующим образом:
 вещества состоят из атомов, молекул или ионов;
 атомы, молекулы и ионы каждого вида характеризуются определенным набором
физических и химических свойств;
 простые вещества состоят из одинаковых атомов или молекул, образованных одинаковыми
атомами, сложные вещества — из различных атомов, молекул или ионов, образованных
различными атомами;
 при физических явлениях (за исключением ядерных реакций) частицы, из которых состоят
вещества, сохраняются, происходит только изменение скорости самопроизвольного хаотического
движения частиц и расстояния между ними;
 при химических явлениях из частиц, входивших в состав исходных веществ, образуются
частицы, из которых состоят продукты реакции, имеющие другой состав и строение. Ядра атомов
остаются при этом неизменными. Происходит перестройка электронных оболочек реагирующих
частиц.
Развитие физики и химии приводит к уточнению и углублению положений атомно–
молекулярного учения, которые продолжают входить в систему фундаментальных положений
естествознания.
Атом, молекула, ион, вещество
Атом — способная к самостоятельному существованию электронейтральная микрочастица,
состоящая из ядра, включающего протоны и нейтроны, и движущихся вокруг него электронов.
Молекула — способная к самостоятельному существованию
микрочастица, состоящая из атомов, соединенных ковалентными связями.
электронейтральная
Ион — способная к самостоятельному существованию заряженная микрочастица, в которую
превратился атом в результате отдачи или присоединения электронов или молекула в результате
отдачи или присоединения электронов или протонов.
Формульная единица — группа атомов, которые составляют условную микрочастицу,
соответствующую простейшему составу вещества или части реальной микрочастицы: NaCl, 1/2
H2SO4, 1/3Al3+, 1/5 MnO4–.
Вещество — вид материи, обладающий массой покоя.
Свойства веществ зависят от их состава, строения, условий в которых они находятся или
взаимодействуют с другими веществами.
Различают физические и химические свойства веществ.
Физические свойства — характерные качества веществ, которыми они отличаются друг от
друга, за исключением способности превращаться в другие вещества.
К физическим свойствам относятся агрегатное состояние, плотность, температура плавления,
температура кипения, электрическая проводимость, диэлектрическая проницаемость,
растворимость и т. п.
Химические свойства — способность веществ при определенных условиях превращаться в
другие вещества непосредственно или при взаимодействии с какими–либо иными веществами.