Введение

Химия как наука. Химия -- наука о строении, свойствах веществ, их превращениях и сопровождающих явлениях. Перед современной химией сто­ят три главные задачи. Во-первых, основополагающим направлением развития химии является исследование строения вещества, развитие теории строения и свойств молекул и материалов. Важно установление связи между строением и разнообразными свойствами веществ и на этой основе построение теорий реакци­онной способности вещества, кинетики и механизма химических реакций и ката­литических явлений. Осуществление химических превращений в том или ином направлении определяется составом и строением молекул, ионов, радикалов, других короткоживущих образований. Знание этого позволяет находить спосо­бы получения новых продуктов, обладающих качественно или количественно иными свойствами, чем имеющиеся. Поэтому вторая задача — осуществление направленного синтеза новых веществ с заданными свойствами. Здесь также важно найти новые реакции и катализаторы для более эффективного осуществления синтеза уже известных и имеющих промышленное значение соединений. В третьих — анализ. Эта традиционная задача химии приобрела особое значе­ние. Оно связано как с увеличением числа химических объектов и изучаемых свойств, так и с необходимостью определения и уменьшения последствий воз­действия человека на природу.

Современная химия достигла такого уровня развития, что существует це­лый ряд ее специальных разделов, являющихся самостоятельными науками. В зависимости от атомарной природы изучаемого вещества, типов химических свя­зей между атомами различают неорганическую, органическую и элементоорганическую химии. Объектом неорганической химии являются все химические элементы и их соединения, другие вещества на их основе. Органическая химия изучает свойства обширного класса соединений, образованных посредством хи­мических связей углерода с углеродом и другими органогенными элементами: водородом, азотом, кислородом, серой, хлором, бромом и йодом. Элементоорганическая химия находится на стыке неорганической и органической химии. Эта «третья» химия относится к соединениям, включающим химические связи углерода с остальными элементами периодической системы, не являющимися органогенами. Молекулярная структура, степень агрегации (объединения) ато­мов в составе молекул и крупных молекул — макромолекул имеют свои характерные особенности. Поэтому су­ществуют химия высокомолекулярных соединений, кристаллохимия, геохимия, биохимия и другие науки. Они изучают крупные объединения атомов и гигант­ские полимерные образования различной природы. Везде центральным вопросом для химии является вопрос о химических свойствах. Предметом изучения явля­ются также физические, физико-химические и биохимические свойства веществ. Поэтому не только интенсивно разрабатываются собственные методы, но и при­влекаются к изучению веществ другие науки. Так важными составными частями химии являются физическая химия и химическая физика, исследующие хими­ческие объекты, процессы и сопровождающие их явления с помощью расчетного аппарата физики и физических экспериментальных методов. Сегодня эти науки объединяют целый ряд других: квантовая химия, химическая термодинамика (термохимия), химическая кинетика, электрохимия, фотохимия, химия высоких энергий, компьютерная химия и др. Только перечень фундаментальных наук хи­мического направления уже говорит об исключительном разнообразии проявлений химии и влиянии ее на нашу повседневную

Теоретические основы химии

АТОМНО МОЛЕКУЛЯРНОЕ УЧЕНИЕ

Все вещества состоят из атомов. Представление о том, что вещество состо­ит из отдельных, очень малых частиц, — атомная гипотеза — возникло еще в древней Греции. Однако создание научно обоснованного атомно-молекулярного учения стало возможным значительно позже — в XVIII—XIX вв., когда физика стала базироваться на точном эксперименте. В химию количественные методы исследования были введены М.В. Ломоносовым во второй половине XVIII в.

Атомы бывают различные. Атомы каждого вида одинаковы между собой, но они отличаются от атомов любого другого вида. Так, атомы углерода, азота и кислорода имеют различные размеры, отличаются по физическим и химиче­ским свойствам. Атомы состоят из элементарных частиц; для последних приня­ты условные обозначения (табл. 1.1).

Таблица 1. Характеристики отдельных элементарных частиц

Частица	Обозначение	Заряд, Кл	Масса покоя, кг
Электрон	e-, е, β-	-1,60219× 10-19	9,10953× 10-31
Протон	p, 11p, 11Н	+1,60219×10-19	1,67265× 10-27
Нейтрон	n, 10n	0	1,67495 ×10-27

Атом — система взаимодействующих элементарных частиц, состоящая из ядра и электронов. Тип атома определяется составом его ядра. Ядро состоит из протонов и нейтронов^ вместе называемых нуклонами. Элемент — совокуп­ность атомов с одинаковым зарядом ядра, т. е. числом протонов. Атомы эле­мента могут иметь различные числа нейтронов в составе ядра, а следовательно, и массу. Такие атомы, относящиеся к одному элементу, называются изотопами. Каждый известный элемент имеет свое обозначение. Так водород обозначает­ся как Н, углерод — С. кислород — О, кремний — Si, железо — Fе. Атом -наименьшая частица элемента, обладающая его химическими свойствами.

При химическом взаимодействии атомов образуются молекулы. Молекулы бывают одноатомные (например, молекулы гелия Не), двухатомные (азота N₂, оксида углерода СО), многоатомные (воды Н₂О, бензола С₆Н₆) и полимерные (содержащие до сотен тысяч и более атомов — молекулы металлов в компакт­ном состоянии, белков, кварца). При этом атомы могут соединяться друг с дру­гом не только в различных соотношениях, но и различным образом. Поэтому при сравнительно небольшом числе химических элементов число различных ве­ществ очень велико. Состав и строение молекул определяют состояние, веще­ства при выбранных условиях и его свойства. Например, диоксид углерода С0₂ при обычных условиях -— газ, взаимодействующий с водой, а диоксид кремния Si0₂ -- твердое полимерное вещество, в воде не растворяющееся. При хими­ческих явлениях молекулы разрушаются, но атомы сохраняются. Во многих химических процессах атомы и молекулы могут переходить в заряженное состо­яние с образованием ионов — частиц, несущих избыточный положительный или отрицательный заряды.

1. Основные законы и понятия химии

Из уравнения Эйнштейна для соотношения масс и энергий Е = тс² следует, что в любом процессе, сопровождающемся выделением или поглощением энер­гии, будет происходить соответствующее изменение массы. Если тело нагрева­ется, — его энергия возрастает, а масса увеличивается. При выделении тепла в ходе химической реакции масса продуктов химической реакции будет мень­ше массы исходных веществ. Однако из-за громадного значения величины с² (с = 2,997925 • 10⁸ м/с) тем энергиям, которые выделяются или поглощаются при химических реакциях, отвечают очень малые массы, лежащие вне пределов воз­можности измерений. Например, при образовании из водорода и хлора 36,461 г хлороводорода выделяется энергия, соответствующая массе около 10^-9 г. Поэто­му можно не принимать во внимание ту массу, которая приносится иди уносится с энергией.

Поскольку для химических процессов изменением массы можно пренебречь, существуют два важных для химии следствия. Эти следствия исторически полу­чили названия закона сохранения массы и закона сохранения энергии, однако, строго говоря, выполняются они приближенно. Для химических процессов они формулируются следующим образом.

Закон сохранения массы:

Масса веществ, вступающих в реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.

Благодаря этому закону, открытому М. В. Ломоносовым в 1748—1756 гг., хи­мия перешла от науки качественной к количественной. В производстве на этой основе ведутся расчеты материальных балансов.

Закон сохранения энергии:

При любых взаимодействиях, имеющих место в изолированной системе, энергия этой системы остается постоянной и возможны лишь переходы из одного вида энергии в другой.

Практически это означает, что, если в ходе реакции энергия выделяется или поглощается, то запас энергии в продуктах реакции по сравнению с запасом ее в исходных веществах будет меньше или больше, соответственно. Запас энер­гии вещества в химии принято называть теплосодержанием, а выделяющуюся или поглощающуюся энергию — теплом. Благодаря закону сохранения энер­гии существует целая наука, изучающая вместе с другими явлениями тепловые эффекты химических реакций, называемая химической термодинамикой. В про­изводстве на основе данного закона ведутся тепловые балансы.

1.1. Закон постоянства состава.

Любое химически индивидуальное соединение имеет один и тот же количе­ственный состав независимо от способа его получения

(Ж. Пруст, 1801—1808 гг.). Это значит, что соотношения между массами эле­ментов, входящих в состав соединения, постоянны. Закон всегда выполняется для газообразных и жидких веществ. Для вещества, находящегося в твердом состоянии, строго говоря, закон не справедлив. Это связано с тем, что в кри­сталлической структуре любого твердого вещества всегда, в той или иной мере, имеются пустоты, не заполненные атомами, примесные атомы других элементов и другие отклонения от идеальной структуры. На все это, наряду с температу­рой, давлением, концентрациями веществ, влияет очень большое число других факторов, связанных уже с технологией получения, выделения и очистки ве­щества. Так, в соединении висмута с таллием на единицу массы таллия может приходиться от 1,24 до 1,82 единиц массы висмута. В диоксиде титана ТiO₂ на единицу массы титана может приходиться от 0,65 до 0,67 единиц массы кисло­рода, что соответствует формуле ТiО_1,9-2,0. Такая формула отражает границы состава вещества. Пределы, в которых может изменяться их состав, установлены для многих соединений. При изменении изотопного состава элемента меняется и массовый состав соединения. Например, обычная вода содержит 11% (масс.) водорода, а тяжелая -— почти в два раза больше, 20%.