Основные понятия и законы химии

Как известно, химия изучает вещества. Вещество представляет собой совокупность атомов, молекул или ионов, которая обладает определённым набором физических и химических свойств. Таким образом, вещество может состоять из молекул, атомов или ионов.

К физическим свойствам вещества относится агрегатное состояние, цвет, запах, температуры плавления и кипения, вкус, плотность, тепло- и электропроводность, растворимость и другие. А химические свойства вещества – это совокупность данных о том, с какими веществами и при каких условиях вещества реагируют между собой.

Вещества бывают простыми и сложными. Простые вещества состоят из атомов одного вида: Cl₂, O₃, He. Сложные вещества (химические соединения) состоят из атомов разных элементов: NH₃, CH₄, HBr. Среди простых веществ выделяют металлы и неметаллы. Металлы хорошо проводят электрический ток и тепло, пластичны и, как правило, твёрдые. Неметаллы, наоборот, плохо проводят электрический ток и теплоту. Среди сложных веществ выделяют органические вещества, состоящие из атомов C, H, O, N, реже S, P. Например, C₆H₆, CH₃COOH, CH₃NH₂. Неорганические вещества: H₂O, H₂S, CO₂.

У веществ можно описать качественный и количественный состав. Качественный состав показывает, природу атомов, входящих в состав соединения, а количественный состав – число атомов. Например, молекулы Н₂О и Н₂О₂ имеют одинаковый качественный состав, но разный количественный состав.

Вещества имеют молекулярное и немолекулярное строение. Вещества молекулярного строения образуют молекулы, поэтому у этих веществ небольшая прочность связи, они летучи, у них сравнительно невысокие температуры плавления и кипения. Вещества молекулярного строения могут находиться в трёх агрегатных состояниях: твёрдом, жидком и газообразном. А вещества немолекулярного строения состоят из атомов или ионов. У этих веществ большая прочность связи, они нелетучи, у них высокие температуры плавления и кипения. Вещества немолекулярного строения находятся только в твёрдом агрегатном состоянии. К веществам молекулярного строения относятся NH₃, O₂, CO₂, к веществам немолекулярного строения – SiO₂, Na₂SO₄, Ca.

Структурными единицами вещества являются атомы, молекулы или ионы. Атом – это электронейтральная мельчайшая химически неделимая частица вещества, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Молекула – наименьшая обособленная совокупность атомов, способная к самостоятельному существованию, которая является носителем химических свойств вещества. Ионы – это атом или группа атомов, имеющие положительный или отрицательный заряд. Положительные ионы называются катионами, а отрицательно заряженные ионы – анионами. Катионами являются: H⁺, Al³⁺, NH₄⁺. Анионами являются: Cl^-, SO₄^2-, OH^-.

Атомная единица массы (m_u) – это 1/12 часть массы атома нуклида ¹²С.

m_u = 1u = m_a (¹²C)/12 ≈ 1,66 · 10^-24 г ≈ 1,66 · 10^-27 кг.

Соответственно относительная атомная масса элемента (Ar) – физическая величина, которая показывает во сколько раз средняя масса его атома больше 1/12 части массы атома нуклида ¹²С:

Ar (Э) = .

Относительная молекулярная (формульная) масса вещества (Mr) – физическая величина, равная отношению средней массы молекулы (формульной единицы) вещества к 1/12 части массы атома нуклида ¹²C:

Mr (в-ва) = .

Следует помнить, что для веществ немолекулярного строения используют понятие формульная единица (ФЕ), а для веществ молекулярного строения – молекула. Поэтому:

m_a (Э) = Ar (Э) · u

m_{м (ФЕ)} (в-ва) = Mr (в-ва) · u.

В химии различают физические и химические явления. При физических явлениях новые вещества не образуются, а изменяется только форма или агрегатное состояние вещества. Например: плавление стекла, кипение воды. К физическим явлениям относятся также ядерные реакции, когда образование новых веществ связано с изменением природы атома. При химических явлениях, или их называют ещё реакциями, образуются новые вещества, но природа атомов не изменяется. Например, пожелтение листьев, гашение соды уксусом.

Нужно различать понятие «химический элемент» и «простое вещество». К свойствам химического элемента относятся: атомный номер, химический знак, его относительная атомная масса, изотопы, распространённость в природе, его положение в периодической системе, строение атома, валентность, аллотропные модификации, а также такие характеристики, как энергия ионизации, энергия сродства к электрону, элетроотрицательность и радиус атома. К свойствам простого вещества относятся такие характеристики, как молярная или формульная масса, его физические и химические свойства, а также способы получения и применение.

Массовая доля элемента в веществе находится по формуле:

ω (Э) =  · 100%.

К количественной характеристике вещества относится количество вещества (n) – это физическая величина, которая пропорциональна числу структурных единиц (атомов, молекул, ионов), содержащихся в данной порции. Единицей измерения количества вещества является моль. 1 моль вещества содержит столько структурных единиц, сколько их содержится в порции нуклида ¹²С, массой 12 г, то есть равное 6,02 · 10²³ (числу Авогадро).

Для определения количества вещества используют следующие формулы:

n =  , n = , n = ,

где m – масса, (г); M – молярная или формульная масса (г/моль), N – число структурных единиц, N_A – число Авогадро, равное 6,02 · 10²³ моль^-, V – объём (л, мл), V_m – молярный объём, равный 22,4 л/моль.

Нужно различать сложные вещества и смеси. Во-первых, сложное вещество образуется в результате химических реакций, а смеси веществ – при смешивании. Свойства веществ, из которых получено это сложное вещество, не сохраняются, а в смесях веществ, свойства веществ, из которых составлена смесь, сохраняются. Сложные вещества имеют определённый качественный и количественный состав, а в смеси состав произвольный. Физические свойства сложных веществ постоянны, а в смеси они не постоянны. Разлагаются сложные вещества в результате химических процессов, а смеси веществ разделяются с помощью физических методов.

В свою очередь смеси бывают однородные и неоднородные. Однородные смеси разделяют с помощью дистилляции (или перегонки), выпаривания, а неоднородные – такими способами, как фильтрование, отстаивание и действие магнитом.

Вещества имеют определённые химические формулы: например эмпирическая (или простейшая) показывает наименьшее соотношение чисел атомов в составе молекулы или формульной единицы. Она может не совпадать с истинной. Например, эмпирическая формула бензола СН, а его молекулярная – С₆Н₆. Истинная (или молекулярная) показывает действительное целочисленное соотношение чисел атомов в составе вещества. Структурная (или графическая) показывает порядок соединения атомов в молекуле с помощью чёрточек, а электронная формула показывает (с помощью точек) электроны, участвующие и не участвующие в образовании химической связи.

Химическая формула сложного вещества позволяет найти для него: мольное отношение элементов, массовое отношение элементов, мольные доли элементов, а также массовые доли элементов.

Определим формулу гидроксида железа, если массовые доли атомов элементов: железа 62,2 %, кислорода 35,6 %, а водорода 2,2 %. Для этого найдём отношение массовых долей атомов элементов к относительной атомной массе этого химического элемента.

ω (Fe) / Ar (Fe) : ω (O) / Ar (O) : ω (H) / Ar (H).

62,2 / 56 : 35,6 / 16 : 2,2 /1; 1,1 : 2,2 : 2,2, сокращаем и получается 1 : 2 : 2, таким образом, формула гидроксида Fe(OH)₂.

В кабинете химии возможны два способа собирания газов: методом вытеснения воды, который применяется для газов, которые мало или не растворимы в воде, а также методом вытеснения воздуха, который применяется для всех без исключения газов. При собирании газов нужно учитывать его молярную массу. Если собираемый газ легче воздуха, то дно пробирки должно быть направлено вверх, а если молярная масса газа больше молярной массы воздуха, то есть больше 29 г/моль, то дно пробирки должно быть направлено вниз.

Основным законом химии является закон сохранения массы веществ: масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.

Ещё одним важным законом химии является закон постоянства состава: всякое вещество молекулярного строения независимо от способа его получения имеет постоянный количественный и качественный состав.

Для газов важным является закон Авогадро: в равных объёмах различных газов при одинаковых температуре и давлении содержится одинаковое число молекул. Следствиями из этого закона является:

ρ = M / V_m,

D_A/B = M (A) / M (B),

c (B) = n (B) / V (B),

где ρ – плотность, D_A/B – относительная плотность газа А по газу В, V (B) – объём сосуда, c (B) – молярная концентрация газа.

Исходя из этих формул, можно сказать, что СО₂ и N₂O будут иметь одинаковую плотность при н.у., так как их молярные массы равны.