1. Химическая атомистика

1.1. Основные положения и понятия химической атомистики

Химическая атомистика (атомно-молекулярная теория) является исторически первой фундаментальной теоретической концепцией, положенной в основу современной химической науки. Формирование этой теории потребовало более сотни лет и связано с деятельностью таких выдающихся химиков, как М.В. Ломоносов, Дж. Дальтон, А. Авогадро, С. Канниццаро, Д.И. Менделеев.

В основе современной химической атомистики лежат следующие положения:

1. Химические вещества имеют дискретное (прерывистое) строение. Частицы вещества находятся в постоянном тепловом движении, которое может быть как поступательным (газы, жидкости), так и колебательным (твердые тела).

2. Основной структурной единицей химического вещества являются атомные частицы.

3. В химическом веществе атомные частицы связаны друг с другом, образуя молекулярные частицы и атомные агрегаты (немолекулярные структуры).

4 Все вещества состоят из определенных, присущих только данному веществу совокупностей атомов. Простые вещества состоят из атомов одного элемента, сложные вещества состоят из атомов разных элементов, например, NH₃, CO₂.

Атомной частицей называется система взаимодействующих элементарных частиц, состоящая из ядра, образованного протонами и нейтронами, и электронов. Атомные частицы могут быть подразделены на атомы, ионы и атомные ион-радикалы.

Атом – это наименьшая электронейтральная частица химического элемента, являющаяся носителем его химических свойств. Все атомы одного химического элемента характеризуются одинаковым зарядом ядра. Атомы, имеющие неспаренные электроны, называют также атомными радикалами. Это название используют тогда, когда наличие неспаренного электрона является важным для объяснения тех или иных явлений.

Атомный ион – это атомная частица, обладающая электростатическим зарядом; примерами таких частиц могут служить положительно заряженные ионы натрия (Na⁺) или отрицательно заряженные ионы хлора (Cl^-).

Атомный ион-радикал – это частица, имеющая электростатический заряд и неспаренные электроны. Примером таких частиц может служить атомарный катион кислорода (О⁺), имеющий единичный положительный заряд и один неспаренный электрон.

Одной из важнейших характеристик атомов и других атомных частиц является их масса (атомная масса). Различают абсолютную и относительную атомную массу. Абсолютная атомная масса может быть выражена в любых единицах массы; в СИ такой единицей является килограмм. Так, масса атома кислорода составляет 2,6610^-26 кг. Весьма удобной внесистемной единицей атомной массы является атомная единица массы (а.е.м.), равная 1/12 массы атома изотопа углерода ¹²С (1 а.е.м. равна 1,660610^-27 кг). Относительная атомная масса (A_r) – это отношение массы атома к 1/12 массы атома углерода изотопа ¹²С. В отличие от абсолютной, относительная атомная масса не имеет размерности. Так, для кислорода A_r = 16, а абсолютная атомная масса равна 16 а.е.м.

В периодической системе Д.И. Менделеева приведены среднеизотопические массы элементов, которые в большинстве своем представлены несколькими изотопами. Так, элемент хлор представлен двумя изотопами: ³⁵Cl (75 мол.%) и ³⁷Cl (25 мол.%). Среднеизотопическая масса элемента хлор рассчитывается следующим образом: 350,75 + 370,25 = 35,456.

Вещества с молекулярной структурой состоят из молекулярных частиц. Молекулярная частица – это наименьшая совокупность атомов, обладающая определенным составом, индивидуальной структурой и способная к самостоятельному существованию. Молекулярные частицы содержат строго определенное число атомов и обладают всеми химическими свойствами данного вещества.

Аналогично атомным частицам, молекулярные частицы подразделяют на собственно молекулы, молекулярные ионы, молекулярные радикалы и ион-радикалы.

Молекула – это электронейтральная молекулярная частица, не содержащая неспаренных электронов, например, H₂, CO₂, NH₃.

Молекулярный ион – это молекулярная частица, обладающая электростатическим зарядом (например, NH₄⁺, NO⁺, NO^-).

Молекулярный радикал – это электронейтральная молекулярная частица, содержащая неспаренные электроны. Большинство радикалов являются реакционными частицами с небольшим временем жизни (порядка 10^-3 –10^-5 с), хотя в настоящее время известны и довольно устойчивые радикалы. Так метильный радикал СН₃ является типичной малоустойчивой частицей. Однако, если атомы водорода в ней заменить на фенильные радикалы, то образуется стабильный молекулярный радикал трифенилметил

Молекулы с нечетным числом валентных электронов, например NO или NO₂, также могут рассматриваться как свободные радикалы с высокой утсойчивостью.

Молекулярный ион-радикал – это молекулярная частица, имеющая одновременно электростатический заряд и неспаренные электроны. Примером подобных частиц может служить катион-радикал кислорода -^О₂⁺.

Важнейшей характеристикой молекул и других молекулярных частиц является молекулярная масса, которая как и атомная масса, может быть абсолютной и относительной. Относительная молекулярная масса (M_r) – это отношение массы молекулы к 1/12 массы атома углерода изотопа ¹²С.

Молекулярные структуры наиболее характерны для веществ в газообразном или парообразном состоянии. Уже в жидкостях свойства молекул могут изменяться в связи с образованием совокупности молекул (ассоциатов и агрегатов) за счет сил межмолекулярного взаимодействия и образования водородных связей. В кристаллических телах взаимодействие усиливается вплоть до полной утраты молекулярной структуры. В качестве примера кристаллических веществ, структуры которых весьма близки к молекулярной, можно рассматривать кристаллы льда и диоксида углерода.

Веществами с надмолекулярной структурой называют химические вещества, в которых все атомы, образующие кристалл, соединяются в единый агрегат. Примером подобных веществ может служить кристалл алмаза, в котором каждый атом углерода образует четыре ковалентные связи с соседними углеродными атомами, что приводит к образованию агрегата, объединяющего все атомы в кристалле. При этом молекулы любого вида, например, С₂ или С₄, в кристалле алмаза выделить принципиально невозможно. Аналогично, в кристалле хлорида натрия не существуют молекулы NaCl: в узлах кристаллической решетки расположены ионы Na⁺ и Cl^-, причем каждый катион натрия окружен шестью хлорид-анионами, а каждый хлорид-анион – шестью катионами натрия. В результате весь кристалл представляет собой единый ионный агрегат. Кристаллы металлов также представляют собой надмолекулярные агрегаты, в которых все атомы связаны металлической связью.

Надмолекулярные соединения весьма распространены; из известных неорганических веществ надмолекулярной структурой обладают свыше 90% химических индивидуумов.

Понятие "молекула" для соединений с надмолекулярной структурой неприменимо. Для того, чтобы иметь возможность записывать формулы надмолекулярных соединений и составлять уравнений реакций с их участием, в химическую практику введено представление о формульной единице. Для веществ с молекулярной структурой формульная единица тождественна молекуле, для вещества с надмолекулярной структурой формульная единица отражает простейшее соотношение атомов элементов в его составе. Так, в уравнении реакции

CaO + CO₂ = CaCO₃

лишь формула диоксида углерода соответствует реальной молекуле; оксид и карбонат кальция являются надмолекулярными соединениями.

Поскольку вступающие во взаимодействие вещества дискретны, в химическую практику введено специальное понятие "количество вещества", выражающее число структурных элементов (атомов, молекул, формульных единиц, химических связей и других объектов микромира). Единицей количества вещества является моль. Моль – это количество вещества, содержащее столько структурных или формульных единиц, сколько атомов содержится в 0,012 кг (12 г) изотопа углерода-12. Число структурных элементов в 1 моле вещества называется числом Авогадро и составляет 6,02210²³ моль^-1.

Масса одного моля вещества называется его молярной массой. Молярная масса вещества и его количество связаны следующим простым соотношением:

, (1-1)

где М – молярная масса, m – масса вещества, обычно выраженная в граммах,  - количество вещества в молях. Молярная и молекулярная масса численно совпадают, но имеют разную размерность. Так для воды M_r = 18, а М = 18 г/моль.

Объем одного моля вещества называется его молярным объемом и может быть рассчитан по следующей формуле:

, (1-2)

где V_M – молярный объем, V – объем  молей вещества.