Представление о том, что все вещества состоят из отдельных частиц, возникло задолго до нашей эры. Древнегреческие философы считали. Что вещества построены из мельчайших неделимых частиц – атомов, находящихся в непрерывном движении. В промежутках между томами находится пустое пространство. Древние мыслители полагали, что все вещества отличаются друг от друга формой, числом и расположением образующих их атомов, а все происходящие в природе изменения объясняли соединением или разъединением атомов.
Атомистические представления древних философов были развиты М.В. Ломоносовым (1748 г) в стройное атомно-молекулярное учение, сущность которого сводится к следующему. Все вещества состоят из мельчайших частиц – корпускул (молекул), находящихся в непрерывном движении. Корпускулы, в свою очередь, состоят из элементов (атомов). Четко различая понятия атом и молекула, Ломоносов М.В. намного опередил зарубежных химиков. Задолго до английского ученого Дальтона он применил атомистические представления для объяснения ряда химических и физических явлений. Он полагал, что от вида и числа атомов, а также от порядка соединения их между собой зависят свойства образующихся веществ. Чуть позднее химики определили понятие химического элемента.
Начало 19 века ознаменовалось открытием трех важнейших законов: закона постоянства состава (Пруст, 1799 г), закона простых кратных отношений (Дальтон, 1804 г.), закон простых объемных отношений для реагирующих газов(Гей- Люссак, 1805). В 1808 г. Дальтон предложил атомную теорию строения вещества, в химию вводятся понятия «атом» и «молекула».
Позднее, основываясь на атомно-молекулярном учении, атомных массах и химических свойствах элементов, Д.И. Менделеев в 1869 г. открыл периодический закон – один из основных законов природы.
В настоящее время атомно-молекулярное учение (так же как и периодический закон) является основой химии. Основные положения АМУ заключаются в следующем:
1. Все вещества состоят из химически неделимых частиц – атомов.
Атомы представляют собой мельчайшие частицы вещества, которые химическим путем невозможно разделить на составные части, превратить их друг в друга или уничтожить. Атом – система взаимодействующих элементарных частиц, состоящая из ядра, образованного протонами и нейтронами, и электронов.
Атомы разных элементов различаются по массе. Совокупность одинаковых атомов образует простое вещество, соответствующее определенному химическому элементу. Атомы различных элементов взаимодействуют друг с другом в целочисленных отношениях. В результате получаются сложные образования, в частности, молекулы.
2. Молекула – нейтральная по заряду наименьшая совокупность атомов, связанных вследствие химического взаимодействия в определенном порядке (т.е. обладающая определенной структурой), не имеющая, как правило, неспаренных электронов и способная к самостоятельному существованию.
Молекулы являются наименьшими частицами индивидуального вещества, сохраняющими его химические свойства, его химическую индивидуальность. Между молекулами действуют силы как притяжения, так и отталкивания. Молекулы находятся в постоянном движении (поступательном и вращательном). Молекулы химически делимы.
3. Химический элемент – это множество атомов с одинаковым зарядом ядра.
4. Вещество – определенная совокупность атомных и молекулярных частиц, их ассоциатов и агрегатов, находящихся в любом из трех агрегатных состояниях.
Простые вещества – это вещества, состоящие из атомов одного и того же химического элемента, а сложные вещества образуются при химическом взаимодействии атомов разных химических элементов.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ХИМИИ
Вещества и их свойства. Предмет химии
Оглянемся вокруг. Мы сами и все, что нас окружает, состоит из веществ. Веществ очень много. В настоящее время ученые знают около 10 млн. органических и около 100 тыс. неорганических веществ. И все они характеризуются определенными свойствами. Свойствами вещества называются признаки, по которым вещества отличаются друг от друга или сходны между собой .
Каждый отдельный вид материи, обладающий при данных условиях определенными физическими свойствами, например, алюминий, сера, вода, кислород, называют веществом .
Химия изучает состав, строение, свойства и превращение веществ. Глубокое знание химии совершенно необходимо специалистам всех отраслей народного хозяйства. Наряду с физикой и математикой она составляет основу подготовки специалистов высокой квалификации.
С веществами происходят различные изменения, например: испарение воды, плавление стекла, сгорание топлива, ржавление металлов и т. д. Эти изменения с веществами можно отнести к физическим или к химическим явлениям .
Физическими называют такие явления, при которых данные вещества не превращаются в другие, а обычно изменяется только их агрегатное состояние или форма
Химическими называют такие явления, в результате которых из данных веществ образуются другие. Химические явления называются химическими превращениями или химическими реакциями
При химических реакциях исходные вещества превращаются в другие вещества, обладающие другими свойствами. Об этом можно судить по внешним признакам химических реакций : 1) выделение теплоты (иногда света); 2) изменение окраски; 3) появление запаха; 4) образование осадка; 5) выделение газа.
В XVIII – XIX вв. в результате работ М. В. Ломоносова, Дальтона, Авогадро и других была выдвинута гипотеза об атомно-молекулярном строении вещества. Эта гипотеза основана на идее о реальном существовании атомов и молекул. В 1860 г. Международный конгресс химиков четко определил понятия атома и молекула. Атомно-молекулярное учение приняли все ученые. Химические реакции стали рассматриваться с точки зрения атомно-молекулярного учения. В конце XIX и в начале XX вв. атомно-молекулярное учение превратилось в научную теорию. В это время ученые доказали экспериментально, что атомы и молекулы существуют объективно, независимо от человека.
В настоящее время, возможно, не только вычислить размеры отдельных молекул их массы, но и определить порядок соединения атомов в молекуле. Ученые определяют расстояние между молекулами и даже фотографируют некоторые макромолекулы. Также теперь известно, что не все вещества состоят из молекул.
Основные положения атомно-молекулярного учения можно сформулировать так:
1. Существуют вещества с молекулярным и немолекулярным строением.
2. Молекула - это самая маленькая частица вещества, которая сохраняет его химические свойства.
3. Между молекулами существуют промежутки, размеры которых зависят от агрегатного состояния и температуры. Наибольшие расстояния имеются между молекулами газов. Этим объясняется их легкая сжимаемость. Труднее сжимаются жидкости, где промежутки между молекулами значительно меньше. В твердых веществах промежутки между молекулами еще меньше, поэтому они почти не сжимаются.
4. Молекулы находятся в непрерывном движении. Скорость движения молекул зависит от температуры. С повышением температуры скорость движения молекул возрастает.
5. Между молекулами существуют силы взаимного притяжения и отталкивания. В наибольшей степени эти силы выражены в твердых телах, в наименьшей – в газах.
6. Молекулы состоят из атомов, которые, как и молекулы, находятся в непрерывном движении.
7 Атомы – это мельчайшие химически неделимые частицы.
8. Атомы одного вида отличаются от атомов другого вида массой и свойствами. Каждый отдельный вид атомов называется химическим элементом.
9. При физических явлениях молекулы сохраняются, при химических, как правило, разрушаются. При химических реакциях происходит перегруппировка атомов.
Атомно-молекулярная теория - одна из главных теорий естественных наук. Эта теория подтверждает материальное единство мира.
По современным представлениям из молекул состоят вещества в газообразном и парообразном состоянии. В твердом (кристаллическом) состоянии из молекул состоят лишь вещества, имеющие молекулярную структуру, например органические вещества, неметаллы (за небольшим исключением), оксид углерода (IV), вода. Большинство же твердых (кристаллических) неорганических веществ не имеет молекулярной структуры. Они состоят не из молекул, а из других частиц (ионов, атомов) и существуют в виде макротел. Например, многие соли, оксиды и сульфиды металлов, алмаз, кремний, металлы.
У веществ с молекулярной структурой химическая связь между молекулами менее прочна, чем между атомами. Поэтому они имеют сравнительно низкие температуры плавления и кипения. У веществ с немолекулярной структурой химическая связь между частицами весьма прочна. Поэтому они имеют высокие температуры плавления и кипения. Современная химия изучает свойства микрочастиц (атомов, молекул, ионов и др.) и макротел.
Молекулы и кристаллы состоят из атомов. Каждый отдельный вид атомов называется химическим элементом.
Всего в природе (на Земле) установлено существование (92) различных химических элементов. Еще 22 элемента получены искусственным путем с использованием ядерных реакторов и мощных ускорителей.
Все вещества делятся на простые и сложные.
Вещества, которые состоят из атомов одного элемента, называются простыми.
Сера S, водород Н 2 , кислород О 2 , озон О 3 , фосфор Р, железо Fe - это простые вещества.
Вещества, которые состоят из атомов разных элементов, называются сложными .
Например, вода Н 2 О состоит из атомов разных элементов – водорода H и кислорода O; мел CaCO 3 состоит из атомов элементов кальция Ca, углерода C и кислородаO. Вода и мел - сложные вещества.
Понятие «простое вещество» нельзя отождествлять с понятием «химический элемент». Простое вещество характеризуется определенной плотностью, растворимостью, температурами кипения и плавления и др. Химический элемент характеризуется определенным положительным зарядом ядра (порядковым номером), степенью окисления, изотопным составом и др. Свойства элемента относятся к его отдельным атомам. Сложные вещества состоят не из простых веществ, а из элементов. Например, вода состоит не из простых веществ водорода и кислорода, а из элементов водорода и кислорода.
Названия элементов совпадают с названиями соответствующих им простых веществ, за исключением углерода.
Многие химические элементы образуют несколько простых веществ, различных по строению и свойствам. Это явление называется аллотропией , а образовавшиеся вещества аллотропными видоизменениями или модификациями . Так, элемент кислород образует две аллотропные модификации: кислород и озон; элемент углерод - три: алмаз, графит и карбин; несколько модификаций образует элемент фосфор.
Явление аллотропии вызывается двумя причинами: 1) различным числом атомов в молекуле, например кислород О 2 и озон О 3 ; 2) образованием различных кристаллических форм, например алмаз, графит и карбин.
2. Стехиометрические законы
Стехиометрия - раздел химии, в котором рассматриваются массовые и объемные отношения между реагирующими веществами. В переводе с греческого слово «стехиометрия» имеет смысл «составная часть» и «измеряю».
Основу стехиометрии составляют стехиометрические законы : сохранения массы веществ, постоянства состава, закон Авогадро, закон объемных отношений газов, закон эквивалентов. Они подтвердили атомно-молекулярное учение. В свою очередь, атомно-молекулярное учение объясняет стехиометрические законы.
Похожая информация.
Атомно-молекулярное учение развил и впервые применил в химии великий русский ученый М.В.Ломоносов. Основные положения этого учения изложены в работе "Элементы математической химии" (1741) и ряде других. Сущность учения Ломоносова можно свести к следующим положениям.
1. Все вещества состоят из "корпускул" (так Ломоносов называл молекулы).
2. Молекулы состоят из "элементов" (так Ломоносов называл атомы).
3. Частицы — молекулы и атомы — находятся в непрерывном движении. Тепловое состояние тел есть результат движения их частиц.
4. Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, молекулы сложных веществ — из различных атомов.
Через 67 лет после Ломоносова атомистическое учение в химии применил английский ученый Джон Дальтон. Он изложил основные положения атомистики в книге "Новая система химической философии" (1808). В своей основе учение Дальтона повторяет учение Ломоносова. Однако Дальтон отрицал существование молекул у простых веществ, что по сравнению с учением Ломоносова является шагом назад. По Дальтону, простые вещества состоят только из атомов, и лишь сложные вещества — из "сложных атомов" (в современном понимании — молекул). Атомно-молекулярное учение в химии окончательно утвердилось лишь в середине XIX в. На международном съезде химиков г. Карлсруэ в 1860 г. были приняты определения понятий молекулы и атома.
Молекула — это наименьшая частица данного вещества, обладающая его химическими свойствами. Химические свойства молекулы определяются ее составом и химическим строением.
Атом — наименьшая частица химического элемента, входящая в состав молекул простых и сложных веществ. Химические свойства элемента определяются строением его атома. Отсюда следует определение атома, соответствующее современным представлениям:
Атом — это электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного атомного ядра и отрицательно заряженных электронов.
Согласно современным представлениям из молекул состоят вещества в газообразном и парообразном состоянии. В твердом состоянии из молекул состоят лишь вещества, кристаллическая решетка которых имеет молекулярную структуру. Большинство же твердых неорганических веществ не имеет молекулярной структуры: их решетка состоит не из молекул, а из других частиц (ионов, атомов); они существуют в виде макротел (кристалл хлорида натрия, кусок меди и др.). Не имеют молекулярной структуры соли, оксиды металлов, алмаз, кремний, металлы.
Химические элементы
Атомно-молекулярное учение позволило объяснить основные понятия и законы химии. С точки зрения атомно-молекулярного учения химическим элементом называется каждый отдельный вид атомов. Важнейшей характеристикой атома является положительный заряд его ядра, численно равный порядковому номеру элемента. Значение заряда ядра служит отличительным признаком для различных видов атомов, что позволяет дать более полное определение понятия элемента:
Химический элемент — это определенный вид атомов с одинаковым положительным зарядом ядра.
Известно 107 элементов. В настоящее время продолжаются работы по искусственному получению химических элементов с более высокими порядковыми номерами.
Все элементы обычно делят на металлы и неметаллы . Однако это деление условно. Важной характеристикой элементов является их распространенность в земной коре, т.е. в верхней твердой оболочке Земли, толщина которой принята условно равной 16 км. Распределение элементов в земной коре изучает геохимия — наука о химии Земли. Геохимик А.П.Виноградов составил таблицу среднего химического состава земной коры. Согласно этим данным самым распространенным элементом является кислород — 47,2% массы земной коры, затем следует кремний — 27,6, алюминий — 8,80, железо -5,10, кальций — 3,6, натрий — 2,64, калий — 2,6, магний — 2,10, водород — 0,15%.
Исключительное значение для развития химии имело атомно-молекулярное учение, колыбелью которого является Древняя Греция. Атомистика древнегреческих материалистов отделена от нас 25-ве-ковым периодом, однако, логика греков поражает настолько, что философское учение о дискретном строении материи, развитое ими, невольно сливается в сознании с нашими сегодняшними представлениями. Как же зародилась атомистика? Основным научным методом древнегреческих философов являлись дискуссия, спор. Для поиска “первопричин” в спорах обсуждались многие логические задачи, одной из которых являлась задача о камне: что произойдет, если начать его дробить?
Большинство философов считало, что этот процесс можно продолжать бесконечно. И только Левкип (500--440 до н.э.) и его школа утверждали, что этот процесс не бесконечен: при дроблении, в конце концов, получится такая частица, дальнейшее деление которой будет просто невозможно. Основываясь на этой концепции, Левкипп утверждал: материальный мир дискретен, он состоит из мельчайших частиц и пустоты. Ученик Левкиппа Демокрит (460--370 до н. э.) назвал мельчайшие частицы “неделимые”, что по-гречески значит “атом”. Это название мы используем и сегодня. Демокрит, развил новое учение -- “атомистику”, приписал атомам такие “современные” свойства, как размер и форму, способность к движению.
Последователь Демокрита Эпикур (342--270 до н. э.) придал древнегреческой атомистике завершенность, предположив, что у атомов существует внутренний источник движения, и они сами способны взаимодействовать друг с другом. Все положения древнегреческой атомистики выглядят удивительно современно, и нам они, естественно, понятны. Ведь любой из нас, ссылаясь на опыт науки, может описать множество интересных экспериментов, подтверждающих справедливость любой из выдвинутых концепций. Но совершенно непонятны они были 20--25 веков назад, поскольку никаких экспериментальных доказательств, подтверждающих справедливость своих идей, древнегреческие атомисты представить не могли. Итак, хотя атомистика древних греков и выглядит удивительно современно, ни одно из ее положений в то время не было доказано. Следовательно ”атомистика, развитая Левкиппом, Демокритом и Эпикуром, была и остается просто догадкой, смелым предположением, философской концепцией, но подкрепленной практикой. Это привело к тому, что одна из гениальных догадок человеческого разума постепенно была предана забвению.
Были и другие причины, из-за которых учение атомистов было надолго забыто. К сожалению, атомисты не оставили после себя систематических трудов, а отдельные записи споров и дискуссий, которые были сделаны, лишь с трудом позволяли составить правильное представление об учении в целом. Главное же заключается е том, что многие концепции атомистики были еретичны и официальная церковь не могла их поддерживать.
Об учении атомистов не вспоминали почти 20 веков. И лишь в XVII в. Идеи древнегреческих атомистов были возрождены благодаря работам французского философа Пьера Гассенди (1592--1655 гг.). Почти 20 лет он потратил; чтобы восстановить и собрать воедино забытые концепции древнегреческих философов, которые он подробно изложил в своих трудах “С) жизни, нравах и учении Эпикура” и “Свод философии Эпикура”. Эти две книги, в которых воззрения древнегреческих материалистов впервые были изложены систематически, стали “учебником” для европейских ученых и философов. До этого единственным источником, дававшим информацию о воззрениях Демокрита - Эпикура, была поэма римского поэта Лукреция “О природе вещей”. История науки знает немало удивительных совпадений. Вот одно из них: возрождение древнегреческой атомистики совпадает по времени с установлением Р. Бойлем (1627--1691 гг.) фундаментальной закономерности, описывающей изменения объема газа от его давления. Качественное объяснение фактом, наблюдаемых Бойлем, может дать только атомистика: если газ имеет дискретное строение, т. е. состоит из атомов и пустоты, то легкость его сжатия обусловлена сближением атомов в результате уменьшения свободного пространства между ними. Первая робкая попытка применения атомистики для объяснения количественно наблюдаемых явлений природы позволяет сделать два очень важных вывода:
- 1. Превратившись из философской гипотезы в научную концепцию, атомистика может стать мощным инструментом, позволяющим давать единственно правильную трактовку самым разнообразным явлениям природы.
- 2. Для скорейшего превращения атомистики из философской гипотезы в научную концепцию доказательство существования атомов необходимо, прежде всего, искать при изучении газов, а не жидких и твердых веществ, которыми до этого занимались химики. Однако пройдет еще около 100 лет, прежде чем химики вплотную займутся исследованием газов. Тогда-то и последует каскад открытий простых веществ: водород, кислород, азот, хлор. А несколько позже газы помогут установить те законы, которые принято называть основными законами химии. Они и позволят сформулировать основные положения атомно-молекулярного учения.
Основные понятия химии, законы стехиометрии
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, А.Л. Лавуазье, Дж. Дальтон, А. Авогадро, С. Канниццаро.
Современную атомно-молекулярную теорию можно изложить в виде ряда положений:
1. Химические вещества имеют дискретное (прерывистое) строение. Частицы вещества находятся в постоянном хаотическом тепловом движении.
2. Основной структурной единицей химического вещества является атом.
3. Атомы в химическом веществе связаны друг с другом, образуя молекулярные частицы или атомные агрегаты (надмолекулярные структуры).
4. Сложные вещества (или химические соединения) состоят из атомов разных элементов. Вещества простые состоят из атомов одного элемента и должны рассматриваться как гомоядерные химические соединения.
При формулировании основных положений атомно-молекулярной теории нам пришлось ввести несколько понятий, на которых необходимо остановиться более подробно, поскольку они являются основными в современной химии. Это понятия "атом" и "молекула", точнее атомные и молекулярные частицы.
Атомные частицы включают в себя собственно атом, атомные ионы, атомные радикалы и атомные ион-радикалы.
Атом - это наименьшая электронейтральная частица химического элемента, являющаяся носителем его химических свойств, и состоящая из положительно заряженного ядра и электронной оболочки.
Атомный ион - это атомная частица, обладающая электростатическим зарядом, но не имеющая неспаренных электронов, например, Cl - - хлорид-анион, Na + - катион натрия.
Атомный радикал - электронейтральная атомная частица, содержащая неспаренные электроны. Например, атом водорода фактически представляет собой атомный радикал - Н× .
Атомная частица, имеющая электростатический заряд и неспаренные электроны, называется атомным ион-радикалом. Примером такой частицы может служить катион Mn 2+ , содержащий пять неспаренных электронов на d-подуровне (3d 5).
Одной из важнейших физических характеристик атома является его масса. Поскольку абсолютное значение массы атома ничтожно мало (масса атома водорода равна 1,67×10 -27 кг), в химии используется относительная шкала масс, в которой за единицу выбрана 1/12 часть массы атома углерода изотопа-12. Относительная атомная масса - это отношение массы атома к 1/12 массы атома углерода изотопа 12 С.
Следует отметить, что в периодической системе Д.И. Менделеева приведены среднеизотопические атомные массы элементов, которые в большинстве своем представлены несколькими изотопами, вносящими свой вклад в атомную массу элемента пропорционально своему содержанию в природе. Так, элемент хлор представлен двумя изотопами - 35 Cl (75 мол.%) и 37 Cl (25 мол.%). Среднеизотопическая масса элемента хлор составляет 35,453 а.е.м. (атомных единиц массы) (35×0,75 + 37×0,25).
Аналогично атомным частицам, молекулярные частицы включают в себя собственно молекулы, молекулярные ионы, молекулярные радикалы и ион-радикалы.
Молекулярная частица - это наименьшая устойчивая совокупность взаимосвязанных атомных частиц, являющаяся носителем химических свойств вещества. Молекула лишена электростатического заряда и не имеет неспаренных электронов.
Молекулярный ион - это молекулярная частица, обладающая электростатическим зарядом, но не имеющая неспаренных электронов, например, NO 3 - - нитрат-анион, NH 4 + - катион аммония.
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 × СН 3 является типичной малоустойчивой частицей. Однако, если атомы водорода в ней заменить на фенильные радикалы, то образуется стабильный молекулярный радикал трифенилметил
Молекулы с нечетным числом электронов, например NO или NO 2 , также могут рассматриваться как свободные радикалы с высокой устойчивостью.
Молекулярная частица, имеющая электростатический заряд и неспаренные электроны, называется молекулярным ион-радикалом . Примером такой частицы может служить катион радикал кислорода – ×О 2 + .
Важной характеристикой молекулы является ее относительная молекулярная масса. Относительная молекулярная масса (М r) - это отношение среднеизотопической массы молекулы, вычисленной с учетом естественного природного содержания изотопов, к 1/12 массы атома углерода изотопа 12 C .
Таким образом, мы выяснили, что мельчайшей структурной единицей любого химического вещества является атом, точнее атомная частица. В свою очередь в любом веществе, исключая инертные газы, атомы связаны друг с другом химическими связями. При этом возможно образование двух типов веществ:
· молекулярные соединения, у которых можно выделить мельчайшие носители химических свойств, обладающие устойчивой структурой;
· соединения надмолекулярной структуры, которые представляют собой атомные агрегаты, в которых атомные частицы связаны ковалентной, ионной или металлической связью.
Соответственно, вещества, имеющие надмолекулярную структуру, представляют собой атомные, ионные или металлические кристаллы. В свою очередь, молекулярные вещества образуют молекулярные или молекулярно-ионные кристаллы. Молекулярное строение имеют также вещества, находящиеся в обычных условиях в газообразном или жидком агрегатном состоянии.
Фактически, работая с конкретным химическим веществом, мы имеем дело не с отдельными атомами или молекулами, а с совокупностью очень большого числа частиц, уровни организации которых можно отобразить следующей схемой:
Для количественного описания больших массивов частиц, которыми являются макротела, было введено специальное понятие "количество вещества", как строго определенное число его структурных элементов. Единицей количества вещества является моль. Моль - это количество вещества (n), содержащее столько структурных или формульных единиц, сколько атомов содержится в 12 г углерода изотопа 12 С. В настоящее время это число довольно точно измерено и составляет 6,022×10 23 (число Авогадро, N A). В качестве структурных единиц могут выступать атомы, молекулы, ионы, химические связи и другие объекты микромира. Понятие "формульная единица" используется для веществ с надмолекулярной структурой и определяется как простейшее соотношение между составляющими его элементами (брутто-формула). В данном случае формульная единица берет на себя роль молекулы. Например, 1 моль хлорида кальция содержит 6,022×10 23 формульных единиц - CaCl 2 .
Одной из важных характеристик вещества является его молярная масса (М, кг/моль, г/моль). Молярная масса - это масса одного моля вещества . Относительная молекулярная масса и молярная масса вещества численно совпадают, но имеют разную размерность, например, для воды М r = 18 (относительная атомная и молекулярная массы величины безразмерные), М = 18 г/моль. Количество вещества и молярная масса связаны простым соотношением:
Большую роль в формировании химической атомистики сыграли основные стехиометрические законы, которые были сформулированы на рубеже XVII и XVIII столетий.
1. Закон сохранения массы (М.В. Ломоносов, 1748 г.).
Сумма масс продуктов реакции равна сумме масс веществ, вступивших во взаимодействие . В математическом виде этот закон выражается следующим уравнением:
Дополнением к данному закону является закон сохранения массы элемента (А. Лавуазье, 1789 г.). Согласно этому закону в процессе химической реакции масса каждого элемента остается постоянной .
Законы М.В. Ломоносова и А. Лавуазье нашли простое объяснение в рамках атомистической теории. Действительно, при любой реакции атомы химических элементов остаются неизменными и в неизменном количестве, что влечет за собой как постоянство массы каждого элемента в отдельности, так и системы веществ в целом.
Рассматриваемые законы имеют определяющее значение для химии, поскольку позволяют моделировать химические реакции уравнениями и выполнять на их основе количественные вычисления. Следует, однако, отметить, что закон сохранения массы не является абсолютно точным. Как следует из теории относительности (А. Эйнштейн, 1905 г.), любой процесс, протекающий с выделением энергии, сопровождается уменьшением массы системы в соответствии с уравнением:
где DЕ – выделившаяся энергия, Dm – изменение массы системы, с - скорость света в вакууме (3,0×10 8 м/с). В результате уравнение закона сохранения массы следует записывать в следующем виде:
Таким образом, экзотермические реакции сопровождаются уменьшением массы, а эндотермические – увеличением массы. В этом случае закон сохранение массы может быть сформулирован следующим образом: в изолированной системе сумма масс и приведенных энергий есть величина постоянная . Однако для химических реакций, тепловые эффекты которых измеряются сотнями кДж/моль, дефект массы составляет 10 -8 -10 -9 г и не может быть зарегистрирован экспериментально.
2. Закон постоянства состава (Ж. Пруст, 1799-1804 гг.).
Индивидуальное химическое вещество молекулярного строения имеет постоянный качественный и количественный состав, не зависящий от способа его получения . Соединения, подчиняющиеся закону постоянства состава, называют дальтонидами . Дальтонидами являются все известные к настоящему времени органические соединения (около 30 миллионов) и часть (около 100 тыс.) неорганических веществ. Вещества, имеющие немолекулярное строение (бертолиды ), не подчиняются данному закону и могут иметь переменный состав, зависящий от способа получения образца. К ним относятся большинство (около 500 тыс.) неорганических веществ. В основном это бинарные соединения d-элементов (оксиды, сульфиды, нитриды, карбиды и т.д.). Примером соединения переменного состава может служить оксид титана(III), состав которого варьирует в пределах от TiO 1,46 до TiO 1,56 . Причиной переменного состава и иррациональности формул бертолидов являются изменения состава части элементарных ячеек кристалла (дефекты кристаллической структуры), не влекущие за собой резкого изменения свойств вещества. Для дальтонидов подобное явление невозможно, поскольку изменение состава молекулы ведет к образованию нового химического соединения.
3. Закон эквивалентов (И. Рихтер, Дж. Дальтон, 1792-1804 гг.).
Массы реагирующих веществ прямо пропорциональны их эквивалентным массам .
где Э А и Э В - эквивалентные массы реагирующих веществ.
Эквивалентной массой вещества называется молярная масса его эквивалента.
Эквивалент - это реальная или условная частица, отдающая или присоединяющая один катион водорода в реакциях кислотно-основного взаимодействия, один электрон в окислительно-восстановительных реакциях или взаимодействующая с одним эквивалентом любого другого вещества в реакциях обмена . Например, при взаимодействии металлического цинка с кислотой один атом цинка вытесняет два атома водорода, отдавая при этом два электрона:
Zn + 2H + = Zn 2+ + H 2
Zn 0 - 2e - = Zn 2+
Следовательно, эквивалентом цинка является 1/2 его атома, т.е. 1/2 Zn (условная частица).
Число, показывающее, какая часть молекулы или формульной единицы вещества является его эквивалентом, называется фактором эквивалентности - f э . Эквивалентная масса, или молярная масса эквивалента, определяется как произведение фактора эквивалентности на молярную массу:
Например, в реакции нейтрализации серная кислота отдает два катиона водорода:
H 2 SO 4 + 2KOH = K 2 SO 4 + 2H 2 O
Соответственно, эквивалентом серной кислоты является 1/2 H 2 SO 4 , фактор эквивалентности равен 1/2, а эквивалентная масса составляет (1/2)×98 = 49 г/моль. Гидроксид калия связывает один катион водорода, поэтому его эквивалентом является формульная единица, фактор эквивалентности равен единице, а эквивалентная масса равна молярной массе, т.е. 56 г/моль.
Из рассмотренных примеров видно, что при расчете эквивалентной массы необходимо определить фактор эквивалентности. Для этого существует ряд правил:
1. Фактор эквивалентности кислоты или основания равен 1/n, где n - число задействованных в реакции катионов водорода или гидроксид-анионов.
2. Фактор эквивалентности соли равен частному от деления единицы на произведение валентности (v) катиона металла или кислотного остатка и их числа (n) в составе соли (стехиометрический индекс в формуле):
Например, для Al 2 (SO 4) 3 - f э = 1/6
3. Фактор эквивалентности окислителя (восстановителя) равен частному от деления единицы на число присоединенных (отданных) им электронов.
Следует обратить внимание на то обстоятельство, что одно и то же соединение может иметь разный фактор эквивалентности в разных реакциях. Например, в реакциях кислотно-основного взаимодействия:
H 3 PO 4 + KOH = KH 2 PO 4 + H 2 O f э (H 3 PO 4) = 1
H 3 PO 4 + 2KOH = K 2 HPO 4 + 2H 2 O f э (H 3 PO 4) = 1/2
H 3 PO 4 + 3KOH = K 3 PO 4 + 3H 2 O f э (H 3 PO 4) = 1/3
или в окислительно-восстановительных реакциях:
KMn 7+ O 4 + NaNO 2 + H 2 SO 4 ® Mn 2+ SO 4 + NaNO 3 + K 2 SO 4 + H 2 O
MnO 4 - + 8H + + 5e - ® Mn 2+ + 4H 2 O f э (KMnO 4) = 1/5
