Основные понятия и законы химии

Тема 2.1 Основные понятия и законы химии
1. Химическая картина мира как составная часть естественно-научной картины мира. (Роль химии в жизни современного общества. Применение достижений современной химии в гуманитарной сфере деятельности общества. Химическое содержание учебной дисциплины «Естествознание» при освоении специальностей СПО социально-экономического и гуманитарного профилей профессионального образования).2. Предмет химии. Вещество. Атом. Молекула. Химический элемент и формы его существования. Простые и сложные вещества. Измерение вещества.
3. Основные законы химии. (Масса атомов и молекул. Относительные атомная и молекулярная массы. Количество вещества. Постоянная Авогадро. Молярная масса. Закон Авогадро. Молярный объем газов. Количественные изменения в химии как частный случай законов перехода количественных изменений в качественные).1. «Зачем гуманитарию знание химии?» — спросите вы. Чтобы ответить на этот вопрос, нужно представить, насколько широко проникает химия во все сферы жизни современного общества. Нашу жизнь уже невозможно представить без химических волокон и красителей, лекарственных веществ и полупроводниковых материалов для компьютерной техники, средств бытовой и сельскохозяйственной химии, косметики и украшений.
А современные конструкционные и отделочные материалы? Перечисление только их названий может занять целый том. Работа с этими материалами, во многом основанная на знании химии и использовании химических превращений (реакций), позволяет достичь экономического, экологического, эстетического эффекта.
Современное химическое производство активно переживает три этапа: химическая технология → биотехнология → нанотехнология.
Химическая технология — это процессы химической переработки природных материалов или исходного сырья в продукты потребления или промежуточные продукты, используемые в различных отраслях производства. Химическая технология и в настоящее время является основой многотоннажного химического производства. На проведении химических реакций основано производство в гигантских масштабах металлов (металлургия), некоторых строительных материалов (цемент, известь), стекла, химических удобрений, бумаги. Около девяноста процентов энергии, которую производит и потребляет человечество, — это результат химических реакций.
Однако возросшие требования к экологической безопасности, стремление к созданию безотходных химических процессов привели в середине XX в. к появлению биотехнологических производств.
Биотехнология - это процесс получения различных веществ и материалов с применением клеток микроорганизмов или ферментов. В последние годы ученые научились встраивать гены высших организмов, в том числе и человека, в клетки бактерий или дрожжей. Эти клетки можно использовать затем для синтеза соответствующих белков. Подобным образом удалось заставить работать ген инсулина. Человеческий инсулин был впервые получен с помощью бактерий Escherichia coli и стал доступен в 1982 г] Позднее для этой цели были использованы клетки дрожжей, которые больше сходны с клетками человека.Извлечение генов из клеток организмов одного вида и встраивание их в клетки организмов другого вида называют генной инженерией.
Такие белки, как инсулин, человеческий гормон роста соматотропин и фактор VIII (или коагулирующий фактор — вызывает свертывание крови, применяется при гемофилии) — это продукты генной инженерии. Важнейшее преимущество этих препаратов состоит в том, что они дешевле и чище, чем вещества, полученные традиционным путем.
Потенциальные возможности генной инженерии, а значит и ее применение, простираются гораздо дальше получения медицинских препаратов.
Иммунная система защищает человека от вирусных инфекций (гриппа, кори, гепатита), распознавая слой белка в оболочке вируса. Если методом генной инженерии произвести только этот белок (без опасного содержимого вируса) и сделать инъекцию, то препарат будет работать как вакцина. Вакцина против гепатита В получена и действует именно таким образом.
Модифицированные бактерии и грибы, которые преобразуют потенциально вредные соединения в безвредные, могут широко использоваться предприятиями и организациями по защите окружающей среды.
Составив генетический набор из нескольких бактерий, можно получить, например, новые «нефтепожирающие супермикробы».! Бактерии выбраны для этой цели потому, что в их обмене веществ используются разные компоненты сырой нефти. Если приготовить комбинацию из соответствующих генов всех бактерий, то бактерия-носитель этой комбинации сможет разлагать все соединения, содержащиеся в сырой нефти.
Методами генной инженерии получают трансгенные растения, в клетки которых введены инородные, не данные им от природы гены. Благодаря этому у трансгенных растений появляются новые свойства: повышенная урожайность, устойчивость к засухе, морозам, насекомым вредителям или болезням. Однако споры о том, насколько безопасно употреблять в пищу трансгенные продукты, не утихают до сих пор.
Используя методы генной инженерии, ученые могут из одной-единственной клетки создавать клоны — точные генетические копии животных. В марте 1997 г. группе исследователей из Института Рослина (Шотландия) удалось клонировать овцу Долли. Спустя два года было объявлено об удачном клонировании человеческого эмбриона.
На смену химической технологии и биотехнологии приходят такие технологические процессы, которые манипулируют материей на уровне частиц микромира — атомов, молекул, ионов. Они получили название нанотехнологии (от греч. nannos — карлик).
Зарождение идей нанотехнологии в конце 50-х гг. XX в. связывают с именем американского физика Р. Феймана. В 1959 г. он прочитал в Калифорнийском технологическом институте лекцию, в которой предсказал прикладное будущее молекулярных технологий: построение ажурных городов в космосе, доставку на околоземную орбиту грузов с помощью длиннейших и тончайших и в то же время невероятно прочных мономолекулярных нитей, излечение от большинства известных медицине болезней.
С помощью нанотехнологий сегодня получают уникальные материалы (компактные носители цифровой информации, токопроводящие углеродные волокна, алмазные нити и кремниевые волокна), лекарственные препараты направленного действия, не дающие побочных эффектов, составные компоненты средств гигиены, бытовой химии и др. Недаром развитие нанотехнологии в Российской Федерации признано приоритетным.
Ученые прогнозируют невероятное будущее нанотехнологии. На сверхпрочных нанотрубках можно будет подвешивать гигантские конструкции, например мосты между континентами. Растянутые на орбите пленочные зеркала будут направлять солнечный свет в регионы с холодным климатом, что позволит собирать по три урожая в год. Онкологические заболевания можно будет лечить одной таблеткой: «нанороботы» смогут адресно проникать в раковые клетки и убивать их изнутри.
Вам, будущим представителям гуманитарных профессий, особенно важно помнить, что опыт последних двух тысяч лет человеческого развития доказал: все научные достижения и открытия человечества использовались нередко в разрушительных военных целях. Так было и с порохом, и с атомной энергией, и с ядовитыми веществами. Для того чтобы обезопасить человечество от деструктивного применения химических знаний, необходимо знать, понимать, уважать химию. Бережное отношение к окружающему миру, уважение к ближнему и элементарная химическая грамотность - вот залог безопасного и эффективного использования достижений химической науки.2. Еще в 1748 г. основоположник отечественной химии Михаил Васильевич Ломоносов писал: «Химическая наука рассматривает свойства и изменения тел..., состав тел..., объясняет причину того, что с веществами при химических превращениях происходит» .Сравните определение, данное великим М. В. Ломоносовым, с современным определением:
Химия — это наука о веществах, их свойствах и строении.
Исходя из современного определения науки химии, которое удивительно близко к ломоносовскому, рассмотрим некоторые ее основные первоначальные понятия: вещество, атом, молекула, химический элемент и др.
Вещество — один из видов материи, который характеризуется массой покоя; это совокупность атомов, ионов или молекул, состоящих из одного или нескольких химических элементов. Обладает определенными физическими и химическими свойствами.
Какой же вид материи нельзя назвать веществом? Что не имеет массы покоя? Из курса физики вы знаете, что к такому виду материи относятся различные поля, в том числе электромагнитное и гравитационное.
Молекула — это наименьшая частица вещества , обладающая его химическими свойствами. По современному определению, молекула — это отдельная электронейтральная частица, образующаяся при возникновении ковалентных связей между атомами одного или нескольких элементов, которая определяет химические свойства вещества. Молекулы состоят из атомов.
Атом – наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Атом можно охартеризовать как электронейтральную частицу, состоящую из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Атом — это наименьшая частичка химического элемента, предел химической делимости материи.
Химический элемент — это совокупность атомов с одинаковым положительным зарядом ядра. Химический элемент может существовать в разных формах: свободные атомы, простые и сложные вещества.
Все элементы (и простые вещества) обычно делят на металлы и неметаллы.
К неметаллам относят 22 элемента: водород, бор, углерод, кремний, азот, фосфор, мышьяк, кислород, серу, селен, теллур, галогены и благородные газы; к металлам — все остальные элементы.По предложению Й. Я. Берцелиуса химические элементы принято обозначать первой буквой или первой и одной из последующих букв латинских названий элементов, т.е. химическим знаком (или символом).
Вещество, образованное одним химическим элементом, называют простым.
Один и тот же химический элемент может образовать несколько простых веществ. Это явление называют аллотропией, а различные простые вещества, образованные одним элементом, – аллотропными видоизменениями (или модификациями), например, алмаз и графит — это простые вещества, образованные одним и тем же элементом — углеродом.
Очень интересно, а в настоящее время и практически значимо, например, превращение одной аллотропной модификации углерода — графита в другую — алмаз:
С(графит) ↔ С(алмаз)
Этот процесс используют для получения искусственных алмазов. В 1954 г. ученые лаборатории знаменитой американской фирмы «General Electric» получили черные кристаллики искусственных алмазов массой 0,05 г при экстремальных условиях: давление 100 тыс. атм и температура 2 600°С. Такие алмазы стоили в сотни раз дороже природных. Но уже в течение 10 лет были разработаны технологии, позволяющие получить в одной камере за несколько минут 20 (и более) алмазов. Современное производство искусственных алмазов основано на их получении из графита не только при сверхвысоких, но и при низких давлениях. Такие алмазы сравнительно дешевы, используются преимущественно в технических целях в металлургии и машиностроении, радиоэлектронике и приборостроении. В истории химии яркий след оставила аллотропия фосфора Для его наиболее известных модификаций взаимопревратцениз можно описать следующей схемой:
Р(красный) ↔ Р(белый).
Немецкий алхимик Г. Брандт в 1669 г. в поисках так называемого философского камня прокаливал сухой остаток мочи с песком и углем. Неожиданно он получил светящиеся белые кристаллики вещества, названного им фосфором (греч. phospho'os — 1 несущий свет).
Кислород образует две модификации — кислород О2 и озон О3. Процесс образования озона происходит в природе при грозах, которые вдохновляли великих художников, писателей, поэтов на создание бессмертных произведений. Поэтические строки «В воздухе пахло грозой» – химик может трактовать буквально – образующийся в результате грозовых разрядов озон действительно обладает запахом свежести (греч. ozon — пахнущий).
Озон содержится в верхних слоях атмосферы и интенсивно поглощает коротковолновые космические лучи. Таким образом атмосфера защищает жизнь на Земле. Перед человечеством стоит насущная задача — сохранить этот жизнеобеспечивающий экран от разрушения, так как с космических спутников приходит тревожная информация об уменьшении толщины озонового слоя атмосферы — так называемых «озоновых дырах».
Озон в отличие от кислорода бактерициден, что используется для обеззараживания питьевой воды (озонирование воды гораздо безопаснее для здоровья человека, чем хлорирование). Озон – гораздо более сильный окислитель, чем кислород, поэтому он энергично обесцвечивает краски, окисляет серебро, разрушает органические соединения. Последнее свойство позволяет использовать его для устранения неприятных запахов, т.е. дезодорирования.
Явление аллотропии, более характерное для простых веществ неметаллов, встречается и у металлов. Например, при температуре выше 13 °С олово — серебристо-белый блестящий металл, который называется также белым оловом. Расплав олова тонким слоем растекается по поверхности железа и прочно с ним скрепляется. Такой процесс называют лужением, а материал — белой жестью. Олово предохраняет железо от коррозии, оно безвредно для пищевых продуктов. Поэтому из белой жести изготавливают консервные банки.
При охлаждении ниже указанной температуры с оловом происходят удивительные изменения. Его поверхность, как лишаями, покрывается серыми пятнами, они разрастаются, и вскоре весь металл рассыпается в серый невзрачный порошок. Белое олово переходит в иную аллотропную модификацию — серое олово:
Sn (белое) ↔ Sn (серое).
Атомы металла в сером олове упакованы менее плотно, чем в белом (плотности серого и белого олова различаются более чем на 25%!), поэтому при охлаждении вещество как бы разрывается изнутри.
И уж совсем невероятный факт. Оказывается, «заболевание» олова заразно: если охлажденным оловянным солдатиком с появившимися серыми лишаями коснуться «здорового», последний также «заражается», сереет и рассыпается. Это явление получило название «оловянной чумы».
Драматический случай в истории человечества убедительно свидетельствует о том, что знание химии порой жизненно важно даже для тех, кто далек от этой науки. В 1910 г. экспедиция полярного исследователя Р. Скотта отправилась к Южному полюсу, оставляя на своем пути небольшие склады с пищей и горючим для обратной дороги. Долгих два года потребовалось отважным полярникам, чтобы достичь цели. Однако на обратном пути измученные путешественники обнаружили, что бочки с горючим на окладах пусты. Оказалось, что они были запаяны оловом, которое на морозе рассыпалось, и керосин вытек. Люди не могли согреться, приготовить еду, растопить снег. Суровые антарктические морозы унесли жизни Р.Скотта и его товарищей.
Аллотропия является одним из факторов, обусловливающих многообразие веществ. Это явление вызывается двумя основными причинами:
переходом количественных изменений в качественные; например, в молекуле кислорода два атома, а в молекуле озона — три атома кислорода;
различным кристаллическим строением аллотропных модификаций; например, кристаллическая решетка алмаза – объемная тетраэдрическая, а графита –слоистая, потому так непохожи свойства этих простых веществ.
Что представляют собой простые вещества, вы уже знаете. В отличие от них вещества, образованные двумя и более химическими элементами, называют сложными.
Различают качественный и количественный состав химических веществ.
Качественный состав – это совокупность химических и (или) атомных группировок, образующих данное вещество.
Количественный состав – это показатели, количественно характеризующие содержание химических элементов и (или) атомных группировок в данном веществе.
Качественный и количественный состав простых и сложных веществ отражает химическая формула.
Химическая формула – это способ отражения химического состава вещества. По химической формуле можно определить название соединения, принадлежность его определенной группе (классу) веществ, его относительную молекулярную массу и молярную массу.
Молекулярная формула – указывает число атомов каждого элемента в молекуле.
Эмпирическая формула – указывает простейшие соотношения между числом атомов разных элементов в веществе.
Структурная формула – указывает порядок соединения атомов в молекуле и число связей между атомами.
Название соединения Молекулярная формула Эмпирическая формула Структурная формула
Сера S8 S S-S-S-S
| |
S-S-S-S
Оксид серы (IV) SO2 SO2 O=S=O
Пероксид водорода H2O2 HO H-O-O-H
Формулы веществ составляют на основании еще одного важнейшего понятия химии – валентности.
Валентность — это способность атомов одного химического элемента соединяться со строго определенным числом атомов другого химического элемента.
Например, атом водорода одновалентен, поэтому в молекуле Н2 атом водорода соединяется только с одним таким же атомом водорода. Атом кислорода двухвалентен, поэтому в молекуле воды он соединяется с двумя атомами водорода Н2О. В молекуле метана СН4 четырехвалентный атом углерода соединяется с четырьмя одновалентными атомами водорода, а в молекуле углекислого газа СО2 — с двумя двухвалентными атомами кислорода.
3. В различных отраслях знаний встречаются подчас необычные, специфические единицы измерения привычных физических величин. Например, каждый знает, что расстояние измеряют в метрах или производных от метра единицах: миллиметрах, сантиметрах, километрах и т. д. Можно ли расстояние измерять в единицах времени? Оказывается, условно можно. Такой прием используют в астрономии для характеристики очень больших расстояний.
Эта необычная единица измерения называется световым годом. Скорость света равна примерно 300 000 км/с. Рассчитаем продолжительность года в секундах: 365 сут*24 ч*60 мин * 60 с = 31 536 000 с или приблизительно 31,5 млн с в одном году. Следовательно, за год световой луч проходит расстояние, равное 9,45 • 10 км (9,45 трлн км).
Расстояния между небесными телами такие огромные, что выражать их в километрах очень неудобно. Здесь и приходит на помощь «гигантская» единица измерения — световой год. Например, в 2006 г. японские астрономы обнаружили самую крупную структуру во Вселенной. Она названа Lyman alpha. Объект расположен на расстоянии 12 миллиардов (!) световых лет от Земли и простирается на 200 миллионов световых лет. (Попробуйте перевести эти бесконечно большие значения в километры.)
Аналогичный прием используют для измерения очень маленьких значений. Массы атомов и молекул, из которых построены вещества, чрезвычайно малы, однако современные методы исследования позволяют определять их с большой точностью. Так, масса атома углерода равна 1,993 • 10-26 кг, масса атома кислорода 2,667 • 10-26 кг, а масса самого легкого атома — водорода равна 1,67 4• 10-27 кг.
Выражать значения масс атомов с помощью общепринятых единиц массы килограмма, грамма или даже миллиграмма — неудобно ввиду очень малых значений. Поэтому в химии традиционно используют не абсолютные, а относительные значения масс.
В 1961 г. в химии и физике была принята единая углеродная атомная единица массы (а. е. м.), составляющая 1/12 массы атома углерода 12С:
1 а. е. м. = 1/12т(12С)= 1,66057 • 10 -27 кг.
Относительная атомная масса (Аr) химического элемента — это величина, показывающая, во сколько раз масса одного атома данного элемента больше одной атомной единицы массы.
Относительная атомная масса – одна из основных характеристик химического элемента
Относительная атомная масса самого легкого химического элемента водорода равна 1. Поэтому относительные атомные массы других элементов можно сравнивать с относительной атомной массой водорода.
Относительная молекулярная масса (Мг) равна сумме относительных атомных масс всех атомов, составляющих молекулу данного вещества.
Количество вещества характеризуют числом атомов, молекул или других частиц данного вещества. Поскольку вещество состоит из огромного числа частиц, то количество вещества удобно измерять в крупных единицах измерения, содержащих большое число частиц.
В Международной системе единиц (СИ) за единицу количества вещества принят моль.
Моль — это количество вещества, содержащее столько же его формульных единиц, сколько атомов содержится в 12 г углерода 12С, т.е. 6,02 • 1023. Молекула углекислого газа в 44 раза тяжелее атома водорода 1Н.
Для нахождения массы 1 моля вещества можно руководствоваться следующим несложным правилом: масса 1 моля вещества, выраженная в граммах, численно равна относительной молекулярной массе данного вещества.
Массу одного моля называют молярной массой (М) и измеряют в граммах на моль (г/моль); например, М(Н2О) = 18 г/моль, М(СО2) = 44 г/моль.
Количество вещества (ν) измеряют в молях. Количество вещества показывает отношение массы вещества т к его молярной массе:
.
3. Важнейшими законами химии, позволяющими проводить необходимые расчеты при измерении вещества и проведении химических реакций, являются закон сохранения массы, закон постоянства состава веществ и закон Авогадро.
Закон сохранения массы. В химических процессах проявляется частный случай закона сохранения материи — закон сохранения массы, открытый М. В. Ломоносовым: масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.
Закон постоянства состава веществ. Сформулированный Ж.-Л. Прустом в 1799 г., закон постоянства состава справедлив для веществ молекулярного строения. Он формулируется так: всякое чистое вещество независимо от способа его получения всегда имеет постоянный качественный и количественный
состав.
Закон Авогадро. В 1811 г. итальянский физикохимик А.Авогадро в результате проведения многочисленных экспериментов сформулировал закон: в равных объемах различных газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул.
Из закона Авогадро вытекает важнейшее следствие: один моль любого газа при одинаковых условиях занимает один и тот же объем.
Этот объем называют молярным (Vm); при нормальных условиях (н.у.): давлении 1 атм и температуре 0°С — он равен 22,4 л:
Vт = 22,4 л/моль.
Подсчитано, что молярный объем газа, как и один моль любого вещества, при нормальных условиях содержит 6,02 • 1023 молекул вещества. Это число носит название числа Авогадро (NA); оно не зависит от природы газа и является одной из важнейших постоянных (констант) в химии:
NА = 6,02 • 1023 моль -1.
Зная молярный объем газа и число молекул вещества в этом объеме, мы можем записать еще два важных соотношения, связывающих эти величины с количеством вещества:
, ,
где V — объем газа при нормальных условиях, N – число молекул вещества.
Дж. Дальтон открыл в 1803 г. закон простых кратных отношений: если два элемента образуют друг с другом более одного соединения, то массы одного из элементов, приходящиеся на одну и ту же массу другого элемента, относятся как небольшие целые числа.
Домашнее задание: вспомните строки из литературных произведений, в которых упоминаются названия веществ. Какие это вещества – простые или сложные? Приведите их формулы.