Основні закони хімії. Основні поняття і закони хімії
Буде не зайвим спочатку дати визначення терміну «хімія»- Це найважливіша наука, яка вивчає будову речовин, їх перетворення. Вона включає наступні основні поняття і закони (хімії):
1. Хімічні властивості будь-якої речовини встановлюються, виходячи зі стану електронних оболонок (зовнішніх) молекул, атомів, що його утворюють. Ядра і внутрішні електрони в ході хімічних процесів практично не змінюються.
2. Об'єкт хімії - хімічні елементи, їх комбінації (атоми, прості, складні: іони, карбени, вільні радикали, молекули, іон-радикали, а також матеріали, хімічні сполуки, їх об'єднання: кластери, клатрати, асоціати, сольвати та ін.). Їх існує величезна кількість, і воно постійно зростає з огляду на те, що дана наука сама формує свій об'єкт (вже відомо приблизно 10 млн. Хімічних сполук).
3. Речовина - це різновид матерії, яка має певної масою спокою і складається з таких елементарних частинок, як електрони, нейтрони, протони, мезони і т. п. Ця наука вивчає такі речовини, які перетворені в атоми, іони, молекули і радикали. Вони бувають: складні, прості (хімічні сполуки).
4. Найменша складова хімічного елемента, яку неможливо розділити хімічним шляхом і яка зберігає всі первинні властивості, певні електричної оболонкою і зарядом ядра, називається атом. Частина речовини (складова), що містить ідентичні атоми, іменується хімічним елементом, кожному з яких відповідає комплекс певних атомів.
5. Молекула - це мікрочастинка, що має 2 або більше атома, і яка здатна до автономного існування. Вона володіє незмінним кількісним, якісним складом ядер атомів, а також постійною кількістю електронов- оснащена унікальними властивостями.
6. Прості речовини утворюються за допомогою атомів тільки 1-го хімічного елемента, через що виступають особливою формою його перебування у вільному стані (O ?, H ?, He, O ?, S?), а складні речовини сформовані різними хімічними елементами і вони можуть мати постійний склад (Дальтоніди або стехиометрические з'єднання) або перемінний (бертоліди або нестехіометріческіе з'єднання).
7. Іони - це одно- або багатоатомні частинки, що володіють електричним зарядом. Позитивно заряджені іони - це катіони, а негативно - аніони. У формі газу вони перебувають у своєму вільному стані.
8. Валентність - це здатність атома заміщати або приєднувати інші атоми (атомні групи) і утворювати хімічні зв'язки. Міра валентності - кількість атомів водню (кисню), які приєднані до хімічного елементу. Водень є одновалентним, а кисень - двовалентних.
9. Хімічні реакції - це трансформація одних речовин (первинних з'єднань) в речовини іншого роду (продукти реакції), яка не змінює ядра атомів.
10. Реагенти - вихідні речовини або одне найбільш активну вихідне з'єднання, яке визначає напрямок реакції.
Походження розглянутого терміна
Існує 2 точки зору щодо його походження:
- Від давньої назви Єгипту - "Хем", що дослівно перекладається як «чорний,« темний ». Імовірно через колір грунту долини р. Ніл.
- Від давньогрецького терміну «chemeia» - вид мистецтва виплавки металу.
Сучасна назва походить від латинського слова «chimia». Воно є інтернаціональним (наприклад, по-німецьки chemie, по-французьки chimie, по-англійськи chemistry). Відомо, що родоначальник терміна «хімія» - грецький алхімік Зосима (V ст.).
Органічна хімія: визначення, органічні сполуки
Це наука, що досліджує вуглецеві сполуки, які вироблені живими організмами. На сьогоднішній день відомо більше 2-х млн. Органічних сполук, що підрозділяються на такі групи, як алкени, спирти, алкани і т. П. Більшість серед них включені до складу нафти і займають чільні позиції у виробництвах: барвників, ліків, пластмас, косметики .
Склад органічних сполук: атоми вуглецю та інших елементів (кисню, водню), які з'єднані міцними ковалентними зв'язками. Ті сполуки, які сформовані з атомів вуглецю з воднем, іменуються вуглеводнями.
Головний компонент природного газу - простий вуглеводень (Метан - CH?). Органічна хімія досліджує саме органічні сполуки, диференційовані за домами, і які називаються гомологічними рядами.
Вищезазначені групи (алкени, алкани) відносяться до різних гомологічних рядах, кожен їх яких включає тисячі з'єднань. Їх місце розташування в даному ряду встановлюється кількістю атомів вуглецю всередині молекул (наприклад, молекули 1-х трьох з'єднань ряду алканів: метан - 1 атом вуглецю, етан - 2, пропан - 3).
Найменування сполук, які містять 1 атом вуглецю, починаються з приставки «мет», 2 атома - «пов», 3 атома - «проп». Такі сполуки, що відносяться до 1-го гомологічного ряду, володіють схожими хімічними властивостями, але різними - фізичними. А ті сполуки, які мають мало атомів вуглецю, є газами, досить велика кількість атомів - рідинами, надмірно перенасичені атомами тверді речовини.
Кількість органічних сполук досить велике через здатність атомів до утворення довгих ланцюжків або кілець. Дані структурні одиниці схоплюються завдяки ковалентних зв'язків (їх електрони зовнішніх оболонок «загальнодоступні»). Вуглець утворює прості (кожна атомна пара ділить між собою 1 пару електронів), друге або навіть 3-ті ковалентні зв'язки (беруть участь дві і, відповідно, три пари електронів).
При реакції досить насиченого з'єднання (органічного) з іншим з'єднанням існуючі зв'язки розриваються, а деякі атоми заміщуються іншими.
Основні стехиометрические закони хімії
Вони входять в такий розділ хімії, як стехіометрії. Відомо, що там містяться такі основні закони хімії:
- Гей-Люссака;
- Авогадро;
- еквівалентів та збереження мас;
- кратних відносин;
- сталості складу.
Сутність закону збереження маси і енергії
Основа формування хімічних рівнянь - метод матеріального балансу, база якого - закон збереження маси (хімія). Згідно з ним, маса реагентів ідентична масі кінцевих продуктів реакції.
Він вперше був відкритий М. В. Ломоносовим в 1748 році. Потім до таких же результатів прийшов і французький хімік А. Лавуазьє (1789).
У процесі хімічної реакції кількість взаємодіючих атомів незмінно (спостерігається лише їх перегрупування, що супроводжується руйнуванням первинних речовин). Протікає взаємодія кисню з воднем, яке призводить до утворення води, можна записати за допомогою рівняння відповідної хімічної реакції (як на малюнку нижче).
Перед формулами даних хімічних сполук стоять коефіцієнти, які носять назву «стехиометрические». Сучасна формула розшифровується таким чином: сума мас і енергій в рамках ізольованої системи постійна.
Вона має вигляд: E = m middot- csup2-, де
с - швидкість світла (3 middot- 10? м / с);
На початку XX століття Альбер Ейнштейн зумів довести справедливість даного рівняння щодо будь-якої форми матерії.
Суть закону сталості складу
Він був сформульований французькими хіміками Ж. Прустом і К. Л. Бертолле в 1808 р У ньому йдеться про те, що будь-яке індивідуальне речовина, отримана будь-яким відомим способом, завжди має незмінний кількісний і якісний склад.
Закон сталості речовини (хімія) дав можливість висловити складу речовин за допомогою хімічних знаків, відповідних індексів (наприклад, H? O, C? H? OH, CH?). На початку XX століття (1912 - 1913 рр.) Видатний російський професор М. С. Курнаков виявив існування сполук змінного складу, які назвав бертолідами.
Якщо згадувати черговий урок хімії, закон сталості складу вважається справедливим для речовин, які мають молекулярною будовою. Як вже було згадано раніше, крім речовин з постійним складом, існують і речовини з перемінним: чергування монолітних структурних одиниць (іонів, атомів) протікає з порушенням встановленої періодичності.
Зважаючи присутності сполук, що мають змінний склад, закон сталості складу (хімія) містить уточнення з приводу того, що існує пряма залежність структури складу з'єднань і способів їх отримання: якщо має місце молекулярну будову, то склад не змінюється залежно від будь-якого способу отримання, але в ситуації, коли структура немолекулярное (іонна, атомна і металева решітка) - склад залежить від конкретних умов отримання.
Формулювання закону еквівалентів
Він відкритий німецьким хіміком Н. Ріхтером і полягає в наступному: маси речовин, що вступають у взаємодію (хімічне), дорівнюють або кратні масам їх хімічних еквівалентів (хімія 11 клас).
Еквівалент - це умовна або реальна частка речовин, здатна заміщати, вивільняти, приєднувати і т. Д., Що дорівнює 1-му йону водню іонно-обмінних або кислотно-основних реакцій- 1-му електрону окислювально-відновних реакцій.
По-іншому, можна сказати, що моль еквівалентів (певна кількість речовини, що містить стільки ж структурних елементів, скільки атомів вуглецю знаходиться в 12 м ізотопу sup1-sup2-C) 1-го речовини вступає в реакцію з точно таким же молем еквівалентів, але вже іншої речовини.
Математично цей закон має вигляд:
m? : M? (A) = m? : M? (B), де
m? - Маса деякої речовини A,
m? - Маса якої-небудь речовини B,
M? (A) - маса (молярна) еквівалента відповідної речовини A,
M? (B) - маса (молярна) еквівалента відповідної речовини B.
Буває, що одне вступає в реакцію речовина спочатку перебуває у твердому стані, а інше - в газоподібному. Тоді розглянутий закон виражається наступною формулою:
m? : M? (A) = Vb: V? (B).
Сутність закону кратних відносин
Він сформульований англійським хіміком Д. Дальтоном в 1803 році. Його суть в тому, що в ситуації, коли два хімічних елементи створюють кілька сполук (молекулярних), масові частки кожного з них співвідносяться як цілі числа (хімія 11 клас).
У процесі взаємодії кисню та азоту виходять 5 оксидів. В виникаючих молекулах на 1 г азоту припадає наступну кількість кисню в грамах: 0,57, 1,14, 1,71, 2,28, 2,85. Вони співвідносяться в пропорціях: 2: 1, 1: 1, 2: 3, 1: 2, 2: 5 (склади: N? O, NO, N? O ?, NO ?, N? O?).
Закони Авогадро і об'ємних відносин
Суть останнього: в ідентичних умовах обсяги газових реагентів співвідносяться касаемо один одного і обсягів виникають газових продуктів як цілі числа (Ж. Гей-Люссак).
У разі взаємодії газових речовин їх обсяги співвідносяться як коефіцієнти (стехиометрические) рівняння реакцій: 2H? + O? = 2H? O (г).
Що стосується закону Авогадро, то його формулювання наступна: ідентичні обсяги газу в рамках однакових умов містять одне і те ж кількість молей.
Математично це можна представити так:
n (x) = m: M (x), де
n (x) - шукана кількість молей речовини,
m - маса відповідного речовини,
M (x) - молярна маса вступає в реакцію речовини.
Слідства цього закону:
- Газоподібна речовина в 1 моль замінює обсяг у 22,4 л (в нормальних умовах).
- Газоподібна речовина в 1 моль містить ідентичне кількість молекул, що дорівнює 6,023 1023 - число Авогадро.
- При відомих масах газоподібних речовин або їх молярних масах можна визначити відносну щільність: m? : M? = P? : P ?, де
p ?, p? - Щільність речовин A і B, г / смsup3-.
Отже, вище були перераховані основні закони хімії (стехиометрические). Далі будуть розглянуті газові та термодинаміки.
Газові закони хімії
Всього чотири закони:
1. Бойля - Маріотта: якщо температура - величина постійна (T = const) в рамках ізотермічного процесу, то вироблене масою газу тиск обернено пропорційно його обсягу: pV = const.
2. Гей-Люссака: якщо тиск газу незмінно (р = const) в рамках изобарического процесу, то його обсяг знаходиться в прямій пропорційній залежності від абсолютної температури: V: T = const.
3. Шарля: якщо обсяг газу - величина постійна в рамках изохорический процесу, то його тиск знаходиться в прямій пропорційній залежності від абсолютної температури: P: T = const.
4. Об'єднаний газовий: pV: T = const.
Це основні газові закони хімії.
Закони хімічної термодинаміки
Їх три:
1. Закон збереження енергії (Хімія): якщо в ході будь-якого процесу енергія 1-го виду зникне, то на заміну їй "приходить" інша форма енергії і в іншому кількості, яка строго еквівалентно 1-го. Тому, можна сказати, що в межах будь ізольованої системи сукупний енергетичний запас залишається незмінним.
2. У межах ізольованої системи процеси, які протікають мимовільно, збільшують ентропію (перетворення) системи.
3. Якщо температура наближається до нуля, то ентропія системи залишається незмінною (не залежить від її параметрів).
Це основні закони термодинаміки (хімія).
Сутність закону діючих мас
Це основний закон фізичної хімії. Закон дії мас (в хімії): швидкість, з якою протікає хімічна реакція, знаходиться в пропорційній залежності від твору концентрацій реагентів.
У разі гомогенної реакції з першою стадією (A + B - продукти реакції) цей закон можна представити у вигляді рівняння:
v = k middot- c? middot- c ?, де
v - швидкість реакції,
c ?, c? - Концентрації реагентів відповідно A і B, моль / л,
k - константа швидкості реакції.
Закон дії мас (в хімії) дозволяє виявити фізичний зміст даної константи: вона дорівнює швидкості протікання реакції при значеннях концентрацій реагентів в 1 моль / л або значенні їхні твори, рівного одиниці. Константа знаходиться в залежності від температури, природи реагентів, але не від їх концентрацій.
Періодичний закон: формулювання, роль
Визнано, що даний закон - це найважливіше досягнення в хімії, можна сказати, основа сучасної хімії. Після його відкриття вона перестала бути виключно описової наукою, стало можливим так зване наукове передбачення.
Періодичний закон (хімія) був відкритий відомим російським ученим Дмитром Івановичем Менделєєвим в 1869 році. Офіційне формулювання: «Властивості простих тіл, також форми і властивості сполук елементів перебувають у періодичній залежності від величини атомних ваг елементів».
Це основні закони хімії (фізичної).
Хімія в якості системи знань касаемо речовин, їх перетворень
Знання черпаються з достовірних обширних відомостей про з'єднаннях і елементах (хімічних), їх реакціях, поведінці в рамках природного і штучно створеної середовища. Існуючі критерії надійності досліджуваних фактів, а також способи їх упорядкування безперервно еволюціонують. Великі узагальнення переходять в наукові закони, формулювання яких дає можливість для відкриття нових етапів хімії (наприклад, основні закони хімії: закон Дальтона, періодичний закон Менделєєва та ін.). Теоретичні аспекти, в яких застосовуються специфічні поняття, дозволяють пояснити і спрогнозувати факти більш вузької предметної області. Отже, можна сказати, що знання, підкріплене досвідом, стає фактом лише після його теоретичного тлумачення.
Таким чином, перша хімічна теорія - це теорія «флогістону» (визнана невірною), вона сприяла становленню сучасної хімії, зважаючи на те що вона з'єднувала розрізнені факти в єдину систему, дозволяла формулювати ряд нових питань. А ось структурна теорія (Ф. Кекуле, А. М. Бутлеров) допомогла впорядкувати і пояснити великий матеріал хімії органічної та зумовити прискорений розвиток хімічного синтезу, а також вивчення структури органічних сполук.
Розглянута наука в якості знання - система досить динамічна. Еволюційний характер процесу накопичення знань періодично переривається революціями - корінний перебудовою системи теорій, методів і фактів з появою нової сукупності понять або навіть принципово нового стилю світогляду і мислення. Отже, революцію викликали праці Антуана Лорана Лавуазьє (впровадження кількісних методів експерименту, матеріалістична теорія окислення, розробка хімічної номенклатури), періодичний закон Менделєєва, розробка нових аналітичних методів (хроматографія, микроанализ), виникнення нових сфер, які формують нове бачення існуючого предмета хімії та впливають на всі її області (наприклад, фізична хімія, заснована на базі хімічної кінетики і термодинаміки).
Також варто зазначити, що хімічна знання оснащено розвиненою структурою, хімічний каркас якої - головні хімічні дисципліни, що сформувалися в XIX столітті (органічна, аналітична, неорганічна та фізична хімія). Згодом у процесі її еволюції з'явилося безліч нових дисциплін (біо- і кристаллохимия, ін.) Та інженерна галузь -хімтехнологія.
Отже, в статті були розглянуті основні поняття і закони хімії.
