1.Основные химические понятия Химия - это наука о веществах, их свойствах, строении и превращениях, происходящих в результате химических реакций, о законах, которым эти превращения подчиняются. Химия занимается изучением взаимодействий между атомами и молекулами, полученными в результате таких взаимодействий. Атом - мельчайшая, химически неделимая, электронейтральная частица вещества, состоит из ядра и электронной оболочки. Если число протонов или электронов различается - он обладает положительным или отрицательным зарядом и называется ионом, частицей реального вещества (одно- или многоатомные), несущие на себе электрический заряд (пример: простые – H+, Na+, Сu2+; сложные – NH4+, SO42-). Молекула - наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Состоит из атомов. Макромоле́кула — молекула с высокой молекулярной массой, структура которой -многократные повторения звеньев, образованных из молекул малой молекулярной массы. Число атомов в них может быть доходить до миллионов. Вещество — вид материи с определёнными химическими и физическими свойствами. Совокупность атомов, атомных частиц или молекул, находящаяся в определённом агрегатном состоянии. Из них состоят физические тела (медь — вещество, а медная монета — физическое тело). Простое вещество — вещество, состоящее из атомов одного химического элемента: водород, кислород и т. д. Сложное вещество — вещество, состоящее из атомов разных химических элементов: кислоты, вода и др. Хими́ческий элеме́нт — атомы с одинаковым зарядом ядра и числом протонов (порядковый номер в периодической таблице). На сегодня известно 118 химических элементов. Каждый элемент обозначен одной или двумя буквами из его латинского названия (водород - H — первая буква названия хайдроджениум). Химическая связь— это взаимодействие атомов, обуславливающее устойчивость молекулы или кристалла как целого. Химическая связь определяется взаимодействием между заряженными частицами (ядрами и электронами). Валентность — количество химических связей, которое образует один атом. Смесь — химическое вещество, в состав входит не менее двух веществ (компонентов смеси). В зависимости от фазового состава различают • гомогенную смесь, представляющую собой однородную систему, химический состав и физические свойства которой во всех частях одинаковы или меняются непрерывно, без скачков (между частями системы нет поверхностей раздела). Составные части её нельзя отделить друг от друга механическими методами; Делятся по агрегатному состоянию на три группы: • газовые смеси (газовые растворы), например, атмосферный воздух; • растворы (жидкие растворы), например, раствор сахара в воде, природная вода, нефть и нефтепродукты; • твёрдые растворы, например, природный минерал электрум и входящий в состав углеродистых сталей аустенит. Гетерогенную смесь, состоящую из однородных частей, разделённых поверхностью раздела. Фазы отличаются друг от друга по составу и свойствам. Составные части её можно отделить друг от друга механическими методами. К гетерогенным смесям относятся, например, композиты. Атомное ядро - центральная часть атома, состоящая из Z протонов и N нейтронов, в которой сосредоточена основная масса атомов. Заряд ядра - положительный, равен количеству протонов в ядре или электронов в нейтральном атоме и совпадает с порядковым номером элемента. Сумма их - массовое число A = Z + N. Атомная единица массы (а.е.м) – это единица измерения масс атомов, молекул и элементарных частиц. За атомную единицу массы принята 1/12 массы нуклида углерода 12С. Масса этого нуклида в единицах СИ равна 1,9927 × 10-26 кг. Относительная молекулярная масса (Mr) (relativí molekulová hmotnost) - безразмерная величина, показывающая, во сколько раз масса молекулы данного вещества больше 1/12 массы атома углерода 12C, равна сумме относительных атомных масс всех элементов с учетом индексов.) Изотопы – разновидности одного и того же химического элемента, близкие по своим физико- химическим свойствам, но имеющие разную атомную массу. Моль – количество вещества, содержащего столько же молекул, сколько содержится атомов в 0,012 кг углерода. Если кол-во вещества равно, например, 2,5 моль, то это означает, что число молекул в теле в 2,5 раза превышает число атомов в 0,012 кг углерода. Количество вещества выражают в молях. Постоянная Авогадро - число молекул или атомов NА в моле вещества называют постоянной Авогадро. Согласно определению моля постоянная Авогадро одинакова для всех веществ. Она равна, в частности, числу атомов в моле углерода, т. е. в 0,012 кг углерода. постоянная Авогадро равна: NA = 6,02·1023. Зная количество вещества ν (ню) и число NА, мы тем самым знаем число N молекул в веществе. (N=v*NA). Молярной массой - называют массу вещества, взятого в количестве одного моля. Согласно этому определению молярная масса равна произведению массы молекулы на постоянную Авогадро: M = m0NА. Молярный объём — объём одного моль вещества, получается от деления молярной массы на плотность, характеризует плотность упаковки молекул. Относительная атомная масса - безразмерная величина, отношение средней массы атома элемента, с учетом изотопов, к 1/12 массы атома -12C. Средняя абсолютная масса атома (m) равна относительной атомной массе, умноженной на а.е.м. Химическая формула - обозначение химического состава и структуры соединений с помощью химических символов, числовых и вспомогательных знаков (скобок, тире), являются составной частью языка химии, на их основе составляются схемы, уравнения химических реакций, химическая классификация и номенклатура веществ. В настоящее время различают следующие виды химических формул: • Эмпирическая формула. Разные авторы могут использовать этот термин для обозначения простейшей, истинной или рациональной формулы • Простейшая – получается опытным путём через определение соотношения химических элементов в веществе с применением значений атомной массы элементов, простейшая формула воды - H2O, а простейшая формула бензола CH (в отличие от C6H6 истинной). Атомы в формулах обозначаются знаками химических элементов, а относительное их количество — числами в формате нижних индексов. • Истинная, молекулярная, брутто- формула— при известной молекулярной массе вещества. Истинная формула воды совпадает с простейшей, а бензола С6Н6, что отличается от простейшей. Они отражают состав, но не структуру молекул вещества. Истинная формула показывает точное количество атомов каждого элемента в одной молекуле. • В рациональных формулах выделяются группы атомов, характерные для классов химических соединений, для спиртов – ОН, часто встречаются в полуразвернутом виде, когда часть одинаковых атомов показывается по отдельности для лучшего отражения строения молекулы вещества. При записи ее группы атомов заключаются в круглые скобки (ОН). Количество повторяющихся групп обозначаются числами в формате нижних индексов, сразу за закрывающей скобкой. Квадратные скобки отражают структуры комплексных соединений, К4[Co(CN)6] — гексацианокобальтат калия. • Структурная формула - графически расположенные атомы в молекуле. Химические связи между атомами обозначаются линиями. Различают 2D и 3D формулы. 2D представляют собой отражение структуры вещества на плоскости (скелетная формула - попытки приблизить 3D на 2D-плоскости). 3D - пространственные модели – позволяют представлять состав близко к теоретическим моделям строения, зачастую (не всегда) - истинное взаимное расположение атомов, угол связи и расстояния между атомами. Примеры, Этанол: • Простейшая формула С2Н6О • Истинная, эмпирическая, или брутто-формула: С2Н6О • Рациональная формула: С2Н5ОН • Рациональная формула в полуразвернутом виде: СН3СН2ОН • Структурная формула (2D): Н Н │ │ Н—С—С—О—Н │ │ Н Н 2. Атом Атом - это электрически нейтральная и химически неделимая частица вещества, состоящая из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него отрицательно заряженных электронов. В 1808 - Джон Дальтон - атомная теория: 1) элементы - вещества, состоящие из атомов 2) атомы подобных элементов постоянны, атомы разных элементов отличаются весом, размером и другими особенностями 3) при химических реакциях атомы соединяются, делятся, но не могут исчезать или появляться новые 4) соединение атомов 2х или более элементов - новое вещество 5) молекулы возникают соединением атомов Электрон - Джозеф Джон Томсон - 1897, протон - Эрнест Резерфорд - 1918, нейрон -Джеймсон Чадвик - 1932. Атом состоит из атомного ядра и электронной оболочки. Число протонов в ядре равно числу электронов в электронном облаке = порядковому номеру, атом в целом – нейтральная частица, не несущая заряда, может потерять один и больше электронов и наоборот – захватить чужие электроны, приобретая положительный или отрицательный заряд – ставится ионом. Масса атома сосредоточена в его ядре, электрон - 1/1836 часть массы протона. Внешние размеры атома – это размеры менее плотного электронного облака, примерно в 100 тысяч раз больше диаметра ядра. Изотопы — разновидности атомов (и ядер) химического элемента, имеют одинаковый порядковый номер, но при этом разные массовые числа (атом водорода может иметь как 0, так и 2 нейтрона). Атомное ядро — центральная часть атома, в которой сосредоточена основная его масса, заряд ядра определяет химический элемент, к которому относят атом, состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, которые связаны между собой при помощи сильного взаимодействия. Их совокупность - нуклон (=относительной атомной массе). Строение атома можно представить в виде, планетарной модели (Эрнест Резерфорд), представляет собой мини-солнечную систему, в центре находится ядро (Солнце), вокруг вращаются электроны (планеты). Электронная оболочка атома —пространство вероятного местонахождения электронов, одинаковое значением главного квантового числа n и располагающихся на близких энергетических уровнях. Порядок заполнения электронных оболочек (орбиталей с одинаковым значением квантового n) - правило Клечковского, порядок заполнения электронами орбиталей в пределах одного подуровня - правило Хунда. Электронные оболочки - цифры от 1 до 7, подуровни оболочек - буквы s, p, d, f, g, h, i. Электроны внешних оболочек обладают большей энергией и находятся дальше от ядра, что важно в анализе поведения атома в химических реакциях и в роли проводника (связь с ядром слабее и легче разрывается) Орбиталь, где с 95% вероятностью находится электрон. s-форма шара, каждый энергетический уровень в атоме начинается с нее (не более 2х электронов, одной орбитали) p-восьмерка, гантеля, на втором и последующих уровнях после одной s-орбитали (не более 6 элетронов, трех орбиталей) d-бабочка (не более 10 электронов, пяти орбиталей) f–сложная трехмерная форма (не более 14 электронов, семи орбиталей) Орбиталь занимает не более двух электронов. Квантовые числа определяют состояние электрона и тип атомной орбитали, на которой он находится. Состояние электрона в атоме обозначают четырьмя квантовыми числами: главным, орбитальным, магнитным (движение в пространстве) и спинового (вокруг собственной оси). Электронная конфигурация формула расположения электронов по различным электронным оболочкам атома. Записать такую формулу можно с помощью периодической систем. Радиоактивность - способность атомного ядра распадаться с испусканием элементарных частиц или ядер.Радиоактивность - А. Беккерель - 1896 - испускание солями урана лучей, обладающих высокой проникающей способностью, далее открыли торий. 1898 - М. Склодовская-Кюри, П. Кюри - радий и полоний, радиоактивные свойства - значительно сильнее. Работы Э. Резерфорда, Ф. Содди, К. Фаянса и др.Радиоактивный распад ядра - при энергетической выгодности, сопровождается выделением энергии. Основные виды: • α-распад – испускание атомным ядром α-частицы; (альфа-распад) • β-распад – испускание атомным ядром электрона и антинейтрино, позитрона и нейтрино, поглощение ядром атомного электрона с испусканием нейтрино; (бэтта-распад) • γ-распад – испускание атомным ядром γ-квантов; (гамма-распад) • спонтанное деление – распад атомного ядра на два осколка сравнимой массы. Изучение ее значительно для исследования структуры и свойств вещества. После открытия ее стали превращать одних хим. элементы в другие, синтез ядер элементов, не существовавших на Земле, расширило перспективы энергетики, привело к созданию ядерной энергетики, ядерного оружия; нашла применение в сельхозе, медицине и т.д, однако возник целый ряд новых проблем, связанных с предотвращением вредного воздействия излучения. 3. Электронная оболочка и периодическая система элементов Элементарная частица - частица, не являющаяся атомным ядром или атомом (протон — исключение), частицы, которые нельзя считать состоящими из других частиц при заданной энергии воздействия/наблюдения, ими являются электроны (-) и позитроны (+) (античастицы электронов) Волны - распространение колебаний в пространстве С понятием волны связаны механическая модель атома. В настоящий момент существуют две модели атома: модель Бора (классическая) и квантово-механическая. 1. Модель Бора Электроны в атоме движутся по электронным орбитам - движение планет Солнечной системы. Как планета движется по орбите, так и электрон вращается вокруг ядра атома. Каждая такая орбита для электрона - "уровень энергии". Энергия электронов в атоме изменяется только скачкообразно, электрон может перескакивать с орбиты на орбиту (но не занимать положение между), энергетические состояния электронов в атоме квантованы. Энергия электрона зависит от радиуса орбиты. Минимальная - электрон на ближайшей к ядру орбите, при поглощении кванта энергии переходит на орбиту с более высокой энергией (возбужденное состояние), а наоборот, с высокого энергетического уровня на низший - электрон отдает (излучает) квант энергии. Разные энергетические уровни содержат разное количество электронов: первый уровень - до 2 электронов; второй уровень - до 8 электронов… Описать атомы со сложной структурой, такой моделью не представляется возможным, поэтому в 20х годах прошлого века распространилась квантово-механическая модель (КММ) атома. 2. Основа КММ - квантовая теория атома (электрон обладает свойствами частицы и волны одновременно), т.е. о положении электрона в точке судят не точно, а с определенной долей вероятности, поэтому в КММ орбиты орбиталями ("электронные облака" - пространство в котором вероятно пребывает электрон). Состояние электрона в атоме описывают с помощью 4 чисел, которые называют квантовыми. Квантовые числа определяют состояние электрона и тип орбитали, на которой находится. Состояние электрона в атоме - четырех квантовых чисел: главного, орбитального, магнитного и спинового. 1-3 - движение электрона в пространстве, а четвертое вокруг собственной оси. 1) Главное квантовое число-n, 1-7 (по номеру периода). Х-зует удаленность от ядра. 2) Орбитальное от 0 до n-1 Характризует тип форма электронного облака. 3) Магнитное, ориентация обитали в пространстве, от -l до +l, включая 0, х-зует пространственное расположение орбитали 4) Спиновое - -0,5 либо +0,5, вероятность вращения электрона вокруг своей оси в двух противоположенных направлениях. ms=+-1/2. “+” – по часовой стрелке, “-“ –. Вращение сообщает электрону собственный магнитный момент, который называется спином электрона. электроны, образовавшие электронную пару должны вращаться в разные стороны. (Закон Пауля) Электронная оболочка атома —пространство вероятного нахождения электронов, имеет одинаковое значение главного квантового числа n и располагается на близких энергетических уровнях. Порядок заполнения электронных оболочек - правило Клечковского, порядок заполнения в пределах одного подуровня - правило Хунда. Электронные оболочки - цифры от 1 до 7, подуровни - буквы s, p, d, f, g, h, i. Электроны внешних оболочек обладают большей энергией и находятся дальше от ядра, что важно в анализе поведения атома в химических реакциях и в роли проводника (связь с ядром слабее и легче разрывается). Орбиталь – место с 95% вероятностью нахождения электрона. S - форма шара, каждый энергетический уровень в атоме начинается с нее (не более 2х электронов, одной орбитали) P - восьмерка, гантеля, на втором и последующих уровнях после одной s-орбитали (не более 6 элетронов, трех орбиталей) D - бабочка (не более 10 электронов, пяти орбиталей) f – сложная трехмерная форма (не более 14 электронов, семи орбиталей) Орбиталь занимает не более двух электронов. 1) Периодический закон — фундаментальный закон природы, Д. И. Менделеевым – 1869 сопоставление свойств химических элементов и величин их атомных масс - имеет формулировку: «свойства химических элементов, формы и свойства образуемых ими простых веществ и соединений находятся в периодической зависимости от величины зарядов ядер их атомов». 2. Периодическая система - разделение хим. элементов на группы и периоды. По вертикали располагаются по группам. Период - совокупность элементов, начинается щелочным металлом и заканчивается инертным газом (особый случай - первый период). Периодическая система элементов состоит из 18 групп и 7 периодов (седьмой пока не завершен). Первый период содержит 2 элемента: водород и гелий. Второй период - 8 элементов. Третий период также содержит 8 элементов, изменения элементов аналогичны второму периоду. Первые три - малые периоды. Четвёртый период содержит 18 элементов. Пятый период аналогичен четвёртому. Шестой период включает 32 элемента. Седьмой период аналогичен шестому. 1) Металлы — группа элементов, простые вещества, обладающие металлическими свойствами, высокие тепло- и электропроводность, высокая пластичность, металлический блеск и ковкость. Внешний электронный уровень - небольшое количество электронов, большинстве реакций выступают как восстановители. Расположены в Периодич. таблице слева от ступенчатой диагональной линии, начинающейся с Бора и заканчивающейся полонием (исключение - германий и сурьма), металлы - большая часть Периодической таблицы. Металлы подразделяют на переходные и непереходные. Непереходных - 22. В переходных заполняются d - или f- электронные уровни. К dэлементам относятся 37 металлов, среди переходных металлов выделяют редкоземельные, платиновые, трансурановые. Отдельно от основной таблицы – 14 лантаноидов и 14 актиноидов внутренние переходные металлы, электроны заполняют f-орбитали: 2) Неметаллы образуют в свободном виде вещества, не обладающие свойствами металлов. При обычных условиях это газы, жидкости и твердые вещества. Свойства противоположны металлам: плохие проводники тепла и электричества, хрупкие, нековкие, непластичные. Особенностью является большее число электронов на внешнем энергетическом уровне, т.е. большая способность присоединения доп. электронов, более высокая окислительная активность. У некоторых неметаллов наблюдается аллотропия. 3) Полуметаллы расположены между металлами и неметаллами. По свойствам являются неметаллами, но относятся к проводникам. Полуметаллы обладают электрической проводимостью при абсолютном нуле температуры, с повышением температуры их проводимость возрастает. В промышленности - производство полупроводников (микросхемы или микропроцессоры). Валентные электроны находятся на внешней оболочке атома. Их количество определяет число возможных химических соединений, которые атом может образовать. Возбужденные состояния, энергетические состояния атомов и молекул и других квантовых систем - избыточная энергия. Атомы и молекулы устойчивы лишь в некоторых стационарных состояниях с определенными значениями энергии (наинизшая - основное, ост. – возбужденными). Изменение энергии при переходе из одного в другое связано с изменением строения его электронной оболочки.В молекулах при таком переходе меняется электронное состояние (движение) электронов относительно атомных ядер), характер колебательных и вращательных движений, в которых участвуют сами ядра. Ионизация —образование ионов из нейтральных атомов или молекул. Положительно заряженный ион образуется, если электрон в молекуле получает достаточную энергию, равную ионизационному потенциалу, для преодоления потенциального барьера, отрицательно - при захвате дополнительного электрона атомом с высвобождением энергии. Электроотрицательность — свойство атома, количественная характеристика способности притягивать к себе электроны от атомов других элементов. Принадлежность элементов к металлам и неметаллам определяется способностью их атомов отдавать/присоединять электроны при химических реакциях. Наиболее сильными металлическими свойствами обладают те элементы, атомы которых легко отдают электроны, при малой электроотрицательности (χ ≤ 1). Неметаллические свойства выражены у элементов, атомы которых присоединяют электроны. В каждом периоде Периодической системы электроотрицательность элементов увеличивается при возрастании порядкового номера (слева направо), в каждой группе Периодической системы электроотрицательность уменьшается при возрастании порядкового номера (сверху вниз). Элемент фтор F обладает наивысшей, а элемент цезий Cs - наименьшей электроотрицательностью среди элементов 1-6 периодов.
