ЧАСТЬ И

ОБЩАЯ ХИМИЯ

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ И ПОНЯТИЯ ХИМИИ

Основные понятия атомно-молекулярного учение. Атом. Молекула. Химический элемент

Основными понятиями атомно-молекулярного учения «молекула», «атом», «химический элемент», «простые и сложные вещества».

Молекула - это наименьшая частица вещества, способная существовать самостоятельно, сохраняя основные химические свойства этого вещества. Существование молекул подтверждается многочисленными экспериментальными фактами: растворением веществ, изменением их агрегатного состояния, распространением запахов, явлениями диффузии и броуновского движения. Молекулы имеют определенные массы и размеры, но очень маленькие. Размеры молекул находятся в пределах 10^-1010^{-7 м, а масса небольших молекул - около 10-26 кг.}

Молекулы могут иметь электрический заряд. Такие частицы называют ионами. В этом случае отдельные молекулы индивидуально могут существовать только в растворенном или расплавленном состоянии, однако в любом состоянии они могут существовать вместе с противоположно заряженными частицами, чтобы тело в целом не имело электрического заряда. Кроме распространенных неорганических ионов, примером заряженных молекул является молекулы нуклеиновых кислот и белков.

Свойства молекул сохраняют и обусловливают такие свойства веществ, как агрегатное состояние, цвет, вкус, запах, плотность, температуры кипения и плавления, электропроводность, диэлектрическая проницаемость, способность вступать в химические взаимодействия с другими веществами. Однако это не означает, что молекулы имеют эти свойства. Большинство физических свойств веществ присущи только совокупности молекул. Например, в отдельной молекулы не может быть температуры кипения или плавления, однако такие свойства молекул, как масса, размер, дипольный момент и способность взаимодействовать друг с другом, обусловливают температуру плавления и кипения, а соответственно, и агрегатное состояние в определенных условиях.

Зависимость свойств веществ от свойств молекул

Молекулы состоят из атомов, которые соединены между собой химическими связями в определенной последовательности и определенным образом ориентированы в пространстве. Количество атомов в молекулах может быть от друга (например, одноатомные молекулы инертных газов или одноатомные ионы), двух (Н₂, О₂ и др.) до нескольких тысяч (молекулы полимеров, белков, нуклеиновых кислот).

Все молекулы одного вещества имеют одинаковый состав, размеры, массу и другие свойства. Молекулы разных веществ отличаются по составу, размерам, порядком соединения атомов (молекул изомерных веществ), свойствами.

Между молекулами в любом состоянии есть определенные расстояния (пустоты). Расстояния между молекулами определяются агрегатным состоянием, в котором находится вещество. Наибольшее расстояние в газообразном состоянии (10^-810^{-7 м - значительно больше размера самих молекул), в жидком и твердом состояниях расстояния между молекулами примерно одинаковы и находятся в пределах 10-10 м. Благодаря этому при переходе из твердого состояния в жидкий объем вещества изменяется совсем немного: чаще всего увеличивается, а иногда (очень редко) уменьшается (например, при плавлении льда). А при переходе с твердого или жидкого состояния в газообразное объем вещества меняется в тысячу и более раз.}

Молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении. В твердых веществах они делают колебательные движения относительно своего равновесного положения, в жидкостях - колебательные движения и возможные прямолинейные движения, что обеспечивает способность жидкости течь, а в газах молекулы движутся хаотично прямолинейно.

При прохождении химических реакций молекулы разрушаются, образуя новые молекулы других веществ.

Атом - это химически неделимая электронейтральная частица вещества, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Атом характеризует определенная масса, размеры, состав, строение электронной оболочки и т.д. Масса атома имеет очень маленькие значения, около 10^-2710^{-25 кг. Радиусы атомов составляют примерно 10-10 м.}

Атом состоит из субатомных частиц - протонов и нейтронов и элементарных частиц - электронов. Протоны и нейтроны находятся в центре атома и его ядром, радиус которого составляет примерно 10^-1410^{-15 м, то есть на пять порядков меньше радиуса атома. Электроны образуют электронную оболочку, размеры которой определяют размеры атома, и хаотично движутся вокруг ядра атома с высокой скоростью.}

При прохождении химических реакций атомы не исчезают и не образуются из ничего, они могут перегруппировываться или переходить от одной молекулы к другой. В химических реакциях может меняться строение и состав электронной оболочки атома.

Количественными характеристиками атома является заряд ядра и масса атома. Атомы, имеющие одинаковый заряд ядра, являются атомами одного химического елемента. им присущи одинаковые химические свойства. Таким образом, атом - это носитель свойств химического элемента. В то же время атомы одного элемента могут иметь разную массу вследствие явления изотопии.

Для количественной характеристики атомов используют следующие величины:

Протонне число - число протонов, входящих в состав ядра атома.

Нейтронное число - число нейтронов, входящих в состав ядра атома.

Нуклонне число - число нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре атома.

Атомы с одинаковым протонным и нейтронным числом называют нуклидами. Нуклиды с одинаковым протонным числом, но разным нейтронным числом называют изотопами.

Атомы могут входить в состав молекул или объединяться в большом количестве, образуя вещества атомного строения, например кристаллы алмазов. Такие скопления еще называют надмолекулами, то есть каждый отдельный кристалл алмаза - это одна надмолекула.

Химический элемент - это вид атомов с определенным (одинаковым) зарядом ядра.

Понятие «химический элемент» нельзя отождествлять с понятием «вещество». Химический элемент - это тип атомов, характеризующихся определенной совокупностью свойств. Он является составной частью веществ. При прохождении химических реакций химические элементы сохраняются и переходят из одного вещества в другое. Новые вещества состоят из тех же элементов, что и исходные. Простые и сложные вещества - это формы существования химических элементов.

Каждый элемент имеет свое название и символ. Носителем свойств химических элементов является атом. Входя в состав различных веществ, атомы каждого элемента придают им свойств этого элемента. Например, оксид, сульфид и хлорид Натрия имеют некоторые общие свойства благодаря наличию ионов Натрия, а также и различие за счет ионов Кислорода, Серы и Хлора.

Основной количественной характеристикой элемента является заряд ядра его атомов, что совпадает с порядковому номеру этого элемента в Периодической системе. Не могут существовать различные химические элементы, атомы которых имели бы одинаковый заряд. На основании заряда ядра можно определить элемент.

Масса атома также является количественной характеристикой химического элемента, однако она не является однозначной. Существуют атомы разных элементов, имеющие одинаковую массу. Такие атомы называют ізобарами, например атом Калия-40 и Кальция-40. Кроме того, могут существовать атомы одного элемента, но с разной массой - изотопы (например, Калий-39 и Калий-40).

По строением электронной оболочки химические элементы делятся на s-, p-, d- и f-элементы. По химическим свойствам элементы разделяют на металлические и неметаллические. Атомы металлических элементов преимущественно отдают электроны в химических реакциях, а атомы неметаллических - преимущественно принимают. По химическим свойствам также выделяют группы и семьи элементов, например щелочные и щелочноземельные металлы, инертные газы, семья лантаноидов и т.д.

Сейчас насчитывают 118 химических элементов, среди которых элементы с порядковым номером к 92 (за небольшим исключением) существуют в природе, а остальные получены искусственно.

Простые вещества - это вещества, которые состоят из атомов одного химического элемента, то есть это форма существования химического элемента в свободном состоянии.

Так, кислород О₂, озон О₃, сера S₈, графит С - это простые вещества, состоящие из атомов химических элементов Кислорода (О), Серы (S) и Карбона (С). Сейчас насчитывают более 500 простых веществ. Тот факт, что простых веществ значительно больше количества химических элементов, объясняется явлением аллотропия, когда атомы одного элемента могут образовывать несколько простых веществ. Простые вещества, состоящие из атомов одного химического элемента, называют алотропними формами или модификациями.

Сложные вещества - это вещества, состоящие из атомов различных элементов, то есть это форма существование химических элементов в связанном состоянии.

Так, вода Н₂О, сернистый газ SO₂, углекислый газ СО₂, сероуглерод CS₂, этиловый спирт С₂Н₅ОН - сложные вещества, состоящие из атомов химических элементов Водорода (Н), Кислорода (О), Серы (S), Углерода (С). Сейчас насчитывают более 17 млн. сложных веществ, из которых более 5 млн. относят к неорганическим, а более 12 млн. - к органическим, и ежегодно синтезируют или открывают еще около 200 тыс. новых веществ.