В.В. Еремин, А.Я. Борщевский - Основы общей и физической химии (1113479), страница 4
Текст из файла (страница 4)
»15 — Видимый ИК вЂ” инфракрасный УФ вЂ” ультрафиолетовый КР— комбинационное рассеяние ЯМР— ядерный магнитный резонанс Рис. !.!. Основные разделы химии ЭПР— электронный парамагнитный резонанс ФЭС вЂ” фотоэлектронная спектроскопня РФА — рентгенофазовый анализ РСА — рентгеноструктурный анализ 6. Как из одного вещества получить другое, более полезное или интересное? Первая часть вопроса связана с практическими потребностями. Здесь требуется предложить не просто способ синтеза вещества, а экономически целесообразный способ, основанный на использовании доступных реагентов и в мягких условиях. Вторая часть вопроса ориентирована на чисто научные задачи фундаментального характера. Здесь речь идет, в первую очередь, о создании условий, при которых заданные вегцества могут вступать в реакцию и превращаться в новые вещества. Под условиями понимаются температура, давление, растворитель, катализатор.
Химия как область знания обладает очень необычными свойствами. Во-пврвьгх, у нее нвт собстввнньгх законов. В самом деле, к основным законам химии 16 Гл. й Основные понятия и законы химии относят закон сохранения массы, Периодический закон и закон действующих масс. Все они имеют физическую природу и фактически являются «проекцией» законов физики на химические явления. Так, закон сохранения массы — это следствие совершенно общего закона сохранения энергии, Периодический закон вытекает из законов квантовой механики в применении к электронной структуре атомов, а законы действующих масс в химической термодинамике и химической кинетике— это проявление второго закона термодинамики и законов классической механики.
Законы химической стехиометрии, используемые при химических расчетах, выражают всего-навсего соотношения пропорциональности, которые известны из элементарной математики. Таким образом, фундаментальных законов химии нет. А что же есть, почему мы считаем химию отдельной наукой, не сводимой ни к физике, ни к биологии? Есть очень своеобразный, уникальный предмет изучения — колоссальное разнообразие веществ. На сегодняшний день известно более 60 млн веществ, причем каждое из этих веществ может вступать в десятки реакций 1всего разных типов реакций известно более 40 млн), и каждое из них имеет внутреннее строение. И еще одно уникальное свойство химии состоит в том, что она сама создает свой предмет. Большинство из известных веществ в природе не существует, они впервые были получены и исследованы химиками.
Физика изучает законы природы, биология — законы жизни, все это существует и без нас. А химики изучают то, что сделали — придумали, синтезировали и изучили — сами. В этом плане химия близка к математике, хотя, конечно, гораздо ближе к реальной жизни, чем последняя. Рассмотрим структуру химии (рис. 1.1). Современная химия настолько разнообразна как по объектам, так и по методам их исследования, что многие ее разделы представляют собой самостоятельные науки. Сложившееся еще в Х1Х в. деление химии на органическую и неорганическую связано с двумя основными классами изучаемых веществ.
В значительной степени оно сохранилось и сегодня. Вместе с тем, крупнейшие разделы химии возникли на границах с другими науками. Так, взаимодействие химии и физики дало сразу две науки: физическую химию и химическую физику, причем эти науки, несмотря на сходство названий, изучают совершенно разные объекты. Физическая химия исследует вещества, состоящие из большого числа атомов и молекул, с помощью физических методов и на основе законов физики. Химическая физика основной упор делает на физическом исследовании элементарных химических процессов и строения молекул, ее предметом являются отдельные частицы вещества.
Одним из передовых направлений химии является биохимия — наука, изучающая химические основы жизни. Самой молодой областью химии является возникшая буквально в последнее десятилетие математическая химия. Ее задача — применение математических методов для обработки результатов химических экспериментов, поиска связей между строением и свойствами веществ, кодирования веществ по их молекулярной структуре, подсчета числа изомеров органических веществ.
Мы видим что современная химия самым тесным образом взаимодействует со всеми другими областями естествознания. «Чистой» химии, изолированной от других наук, сегодня не существует. Ни одно серьезное химическое исследование не обходится без использования физических методов для установления структуры веществ и математических методов для анализа результатов. В данной Э б2. Основные понятия химии 17 книге мы будем постоянно выявлять и подчеркивать физические и математические аспекты химии. Рис. 1.2. Соотношение между основными теориями химии и важнейшими переменными в химии Основные теории химии: квантовая химия, химическая термодинамика, химическая кинетика, структурная теория органических соединений, включая стереохимию (рис. 1.2).
Квантовая химия основана на применении квантовой механики к атомам, молекулам и твердым веществам и описывает строение вещества. Она позволяет определить энергию и равновесную геометрическую конфигурацию молекул. Химическая термодинамика изучает формы и способы перехода энергии из одной формы в другую, характеризует равновесные химические системы и определяет возможность протекания той или иной реакции. Химическая кинетика описывает скорости и механизмы химических реакций, в ней основная переменная— время, хотя энергия также играет существенную роль: скорость реакции зависит от энергии реагирующих веществ.
Структурная теория органических соединений объясняет связь свойств органических веществ с их строением. 5 1.2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ХИМИИ массовая доля ш; = — ' 2 т, (1.1а) мольная доля )(, = —. и, , 'п, (1.16) Основные понятия химии — вещество и химическая реакция. Вещества описываются химическими формулами, характеризующими качественный и количественный состав вещества, а реакции — химическими уравнениями, отражающими соотношение количеств реагирующих веществ и продуктов реакции. Все вещества подразделяют на индивидуальные (чистые), состоящие из частиц только одного сорта, и смеси. Абсолютно чистых веществ не бывает, поэтому такое деление условно.
Получить абсолютно чистое вещество невозможно — любое реальное вещество, как бы его ни очищали, всегда будет содержать некоторую долю примесей. Вещества, состоящие из нескольких индивидуальных веществ, не связанных между собой постоянными соотношениями, называют смесями. Примеры смесей; морская вода (смесь воды и растворенных в ней солей), воздух (смесь азота, кислорода, аргона, углекислого газа и паров воды), бензин (смесь углеводородов). Количественный состав смесей описывают с помощью безразмерных величин— долей, отражающих вклад данного вещества в экстенсивное свойство — массу или количество вещества: 18 Гл. Д Основные понятия и законы химии Вещества могут состоять из молекул, атомов или ионов. В первом случае говорят, что вещество имеет молекулярное строение, в остальных случаях — немолекулярное.
Атом (от греч. а1отоз — неделимый) — электронейтральная система, состоящая из положительно заряженного атомного ядра и электронов. Одноатомную или многоатомную частицу, несущую электрический заряд, называют ионом (от греч. )оп — идущий). Положительные ионы, например Н+, Е!+, А!з+, )ч(Н«+ называют катионами ()га1!оп — идущий вниз), отрицательные (Р, 80«) — анионами (ап1дп — идущий вверх).
Молекула — это совокупность атомов, образующих определенную структуру с помощью химических связей. Индивидуальные молекулы существуют только в газовой фазе. Например, пары воды состоят из молекул НзО, которые находятся на значительном расстоянии друг от друга и химически не взаимодействуют. В жидкой воде или во льду между молекулами НзО в этих состояниях образуются водородные связи, которые связывают их в агрегаты. В газовой фазе существует огромное число самых разнообразных молекул, поскольку, в принципе, любой атом может при определенном возбуждении реагировать с любым другим атомом или молекулой.
Получены и подробно исследованы такие необычные молекулы и ионы, как )ч)аК, Нез, НеАг, Н~~, !ч(а«, Аг. НзО, НС1 СОш СН,+ и др. Атом является наименьшей частицей химического элемента, носителем его свойств. Химическим элементом называют вид атомов, характеризующийся одним и тем же зарядом ядра, при этом массы атомов одного и того же элемента могут быть различны. Каждый элемент имеет определенный символ. Многие из современных химических символов придумал шведский химик Йенс Якоб Берцелиус (1779-1848), который предложил обозначать элемент первой буквой его латинского названия.
Если эта буква уже занята другим элементом, то добавляется вторая буква. Так, углерод, известный человеку с незапамятных времен, обозначается буквой С (СагЬопеигп), а кальций и хлор, открытые намного позже, — двумя буквами, Са (Са!сшгп) и С! (СЬ)огцгп), соответственно. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов, связанных ядерными силами. В отличие от свободных протонов и нейтронов, в составе ядра эти частицы неразличимы по способности к сильному взаимодействию друг с другом и носят единое название нуклонов. Число протонов в ядре (У) равно заряду ядра и совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе, число нейтронов (АГ) может быть различным.
Сумму числа протонов и нейтронов в ядре называют массовым числом атома (обозначается А); А = Х +М. Массовое число — всегда целое, оно близко к относительной атомной массе, но не совпадает с ней. Атомы с определенным массовым числом называют нуклидами. В обозначении всех нуклидов заряд ядра пишут слева внизу от символа нуклида, а массовое число — слева вверху: например ~1Н, з~О, ~~э~().
Иногда нижний индекс опускают, например Н вЂ” это то же самое, что 1Н. Названия нуклидов состоят из названия элемента и массового числа ядра, например: «кислород-18» или «уран-238», Всего известно более 2000 нуклидов, из которых около 300 существуют в природе, а остальные были получены искусственным путем. Нуклиды с одинаковым Х, но разными А и Аг, называют изотопами химического элемента. ,б! е Ое Неви с ниняяЕия лияеи1 !9 111сиее Вяскт~ОРОВ В ВЕОКЕс ~иееенО я., 1як ВЕС ВтОН В ИСОЕОЫ Внеет~иеисске1 неЙт~1ее- :ЕЕН.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
