Весь окружающий нас многообразный мир, все существующее - это материал, которая проявляется в двух формах: вещества и поля. Вещество состоит из частиц, имеющих собственную массу (массу покоя), например, атомов, молекул, ионов. Поле - это такая форма существования материи, которая прежде всего характеризуется энергией. Посредством поля осуществляется взаимодействие между частицами вещества. В качестве примера можно привести электромагнитные и гравитационные поля.

Мерой движения материи, количественной его характеристикой служит энергия, в то же время мерой инерции материи является масса, поэтому энергия и масса - важнейшие взаимосвязанные свойства материи.

Уравнение Эйнштейна указывает на взаимосвязь, а не на эквивалентность массы и энергии и не их превращения друг в друга.

Химия изучает химическую форму движения материи, под которой понимают качественное изменение веществ, т.е. превращение одних веществ в другие. При химических процессах происходит обмен атомами между различными веществами, перераспределение электронов между атомами, разрушение одних соединений и возникновение других. В результате химических процессов возникают новые вещества с новыми химическими и физическими свойствами. Таким образом, химия - это наука о веществах и законах их превращений.

Современная химия - это разветвленная система многих наук: общей, неорганической, органической, физической, аналитической химии, электрохимии, биохимии и т.д. Общая химия изучает наиболее общие законы и концепции химии, включая периодический закон, теорию химической связи, основные закономерности химических процессов, учение о растворах, окислительно-восстановительные реакции и др.

Объектом изучения в химии являются химические элементы и их соединения. Химическим элементом называют вид атомов с одинаковым зарядом ядер. В свою очередь, атом - это наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Таким образом, каждому химическому элементу соответствует определенный вид атомов. Атомы данного элемента характеризуются одинаковыми свойствами.

Если молекула вещества состоит из разных атомов, то вещество называют сложным (или химическим соединением). Любое вещество характеризуется определенным составом (природой и числом атомов в его молекуле), строением (пространственным расположением атомов в молекуле) и определенными физическими и химическими свойствами.

Химические свойства вещества характеризуют его способность участвовать в химических реакциях, т.е. в процессах превращения одних веществ в другие. Для понимания этих свойств необходимо знать и состав и строение вещества. Поэтому химия изучает состав, строение, свойства веществ и их превращения.

Как одна из отраслей естествознания, химия связана с другими естественными науками. Химические реакции играют важную роль в физических, биологических, геологических и других процессах.

Количество вещества - это число структурных элементов (атомов, молекул, ионов и др.) в системе. Единицей измерения количества вещества является моль. Моль - количество вещества системы, которое содержит столько определенных структурных элементов (молекул, атомов, электронов и т.д.), сколько атомов содержится в 0,012 кг углерода - 12.

Любое соединение кроме молярной массы характеризуется относительной молекулярной массой. Относительная молекулярная масса М - это молярная масса соединения, отнесенная в 1/12 молярной массы атома углерода - 12.

Согласно этому закону каждое химически чистое соединение всегда имеет один и тот же количественный состав независимо от способа его получения. Закон появился в результате длительного спора французских химиков Пруста (отношения между элементами, образующими соединения, должны быть постоянными) и Бертолле (состав химических соединений являются переменным).

Рихтер открыл закон эквивалентов: все вещества реагируют в эквивалентных отношениях. В настоящее время эквивалентом называют реальную или условную частицу вещества, которая может замещать, присоединять, высвобождать или быть каким-либо другим способом эквивалента одному иону водорода в кислотно-основных или ионнообменных реакциях или одному электрону в окислительно-восстановительных реакциях. Соотвественно закон эквивалентов можно сформулировать в следующем виде: моль эквивалентов одного вещества реагирует с одним молем эквивалентов одного вещества реагирует с одним молем эквивалентов другого вещества.

Закон предложенный Дальтоном гласит: если два элемента образуют между собой несколько различных соединений, то на одну и туже массу одного из них приходятся такие массы другого, которые относятся между собой и как простые целые числа.

В одной и той же группе энергия ионизации несколько уменьшается с увеличением порядкового номера элемента, что обусловлено увеличением размеров атомов и расстояния внешних подоболочек от ядра.

Энергетический эффект присоединения моля электронов к молю нейтральных атомов называется сродством к электрону.

Для характеристики способности атомов в соединениях притягивать к себе электроны введено понятие электроотрицательности (ЭО). Учитывая, что эта способность атомов зависит от типа соединений, валентного состояния элементов, эта характеристика имеет условный характер. Однако ее использование полезно для объяснения типа химических связей и свойств соединений.

Исследованиями М. Склодовской-Кюри и другими учеными было установлено, что при радиоактивном распаде радия образуются гелий и неизвестный в то время элемент радон с порядковыми номерами 222. Таким образом, новые открытия доказали, что атом является сложной системой и состоит из более простых частиц.

Электроны выделяются из самых различных веществ. Отсюда было сделано заключение, что они являются составной частью всех элементов. Но так как электроны заряжены отрицательно, а атом в целом электронейтрален, то, очевидно, внутри атома находится положительно заряженная часть, которая своим зарядом компенсирует отрицательный заряд электронов.

Экспериментальные о наличии положительно заряженного ядра и его расположении в атоме были получены английским ученым Э. Резерфордом совместно с учениками при исследовании движения a - частиц в газах и других веществах.

На основе экспериментальных работ Резерфорд (1911) высказал гипотезу о планетарном строении атома. Согласно этой гипотезе, атом представляет собой систему из очень малого по размерам ядра, по круговым орбитам которого движется такое число электронов, что они своим отрицательным зарядом нейтрализуют положительный заряд ядра. Предложенная Резерфордом ядерная теория строения атома получила широкое распространение , но в дальнейшем исследователи натолкнулись на ряд принципиальных трудностей. Так, согласно классической электродинамике, электрон должен излучать энергию и двигаться не по окружности, а по спиральной кривой и в конце концов упасть на ядро.

На смену теории Резерфорда пришла теория Н. Бора. Датский ученый Н. Бор на основе квантовой теории излучения М.Планка развил квантовую теорию строения атома. Исходя из квантовой теории, Бор теоретически обосновал модель самого простого из всех атомов - атома водорода. В основу своей теории Бор положил следующие постулаты: электрон может двигаться вокруг ядра не по любым орбитам, а только по вполне определенным, дозволенным.

При движении электрона по этим дозволенным орбитам атом не излучает энергии, излучение и поглощение энергии происходят при переходе электрона с одной орбиты на другую. При этом энергия излучается порциями, или квантами, каждому из которых соответствует определенная частота.

Для характеристики орбиты Бор ввел квантовое число, впоследствии получившее название главного. Число орбит элемента определяется номером периода.

Теорию Бора развил немецкий физик Зоммерфельд (1915-1916). Он предположил существование не только круговых, но и эллиптических орбит, поэтому для характеристики движения электрона в атоме одного квантового числа уже было недостаточно.

Зоммерфельд вводит второе квантовое число - орбитальное. В теории атома Бора-Зоммерфельд предполагалось, что, во-первых, можно определить положение и скорость каждого электрона и, во-вторых, проследить его движение по орбите.

Распределение электронов в атомах по энергетическим уровням, подуровням и орбиталям определяется тремя основными положениями:

- принципом Паули, который устанавливает, что в атоме не может быть двух электронов с одинаковыми значениями всех четырех квантовых чисел;

- принципом наименьшей энергии, последовательность заполнения электронами уровней и подуровней должна отвечать наибольшей связи электрона с ядром, т.е. электрон должен обладать наименьшей энергией;

- правилом Хунда, согласно которому определяется порядок заполнения орбиталей. Орбитали в пределах энергетического подуровня сначала заполняются все по одному электрону, затем их занимают вторые электроны.

Ядра всех атомов содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов.

Атомы, имеющие одинаковый заряд ядра, но разные массовые числа, называют изотопами.

Атомы различных изотопов одного и того же химического элемента наряду с разными ядерными свойствами имеют одинаковое строение электронной оболочки, поэтому химические и физические свойства изотопов почти одинаковы.

В 1869 году Д.И.Менделеев открыл периодический закон химических элементов:

За основу периодической системы он берет не только атомную массу, но и химические свойства элементов.

С увеличением атомной массы:

1. ослабевают металлические свойства и усиливаются неметаллические;
2. увеличивается валентность элемента в соединении с кислородом с водородом.

Номер периода совпадает со значением главного квантового числа внешнего электронного слоя.

Группа - вертикальный ряд элементов, в котором сверху вниз усиливаются металлические свойства.

В современной периодической системе всего восемь групп. Каждая из них делится на главную и побочную подгруппы.

К основным видам химической связи относятся ионная, ковалентная и металлическая связи. Кроме того, между молекулами возникает водородная химическая связь и происходят вандерваальсовы взаимодействия.

Количество энергии, выделяющееся при образовании химической связи, называется энергией химической связи Е_св. Она имеет единицу измерения кДж/моль. Для многоатомных соединений с однотипными связями за энергию связи принимается среднее ее значение, рассчитанное делением энергии образования соединения из атомов на число связей. Чем больше энергия химической связи, тем устойчивее молекулы.

Сумма энергии ионизации и сродства к электрону называется электроотрицательностью.

Ионная химическая связь представляет собой электростатическое взаимодействие отрицательно и положительно заряженных ионов в химическом соединении. Такая связь возникает лишь в случае большой разности электроотрицательность (ЭО) атомов.

При образовании катионов и анионов могут возникать устойчивые октетные электронные конфигурации. Атомы и ионы с одинаковыми электронными конфигурациями образуют изоэлектронные ряды.

Так как электрическое поле иона имеет сферический характер, то для ионной химической связи не характерна направленность. Ионной связи также не свойственна насыщенность, так как ион способен взаимодействовать со многими соседними ионами противоположного знака, число которых зависит от зарядов ионов и соотношений геометрических размеров. Ионная химическая связь проявляется в твердых веществах с ионной кристаллической решеткой. Так как энергия ионизации больше энергии сродства к электрону, то полного перехода электрона не происходит даже в случае пары атомов с большой разностью ЭО. Поэтому и чисто ионная связь не существует. Можно лишь говорить о доле ионной связи.

Особенности ковалентной химической связи являются ее направленность и насыщаемость. Так как атомные орбитали пространственно ориентированы, то перекрывание электронных облаков происходит по определенным направлениям, что и обуславливает направленность ковалентной связи. Количественно направленность выражается в виде валентных углов между направлениями химической связи в молекулах и твердых телах.

Насыщаемость ковалентной связи вызывается ограничением числа электронов, находящихся на внешних оболочках, которые могут участвовать в образовании ковалентной связи.

В 1873 г. Голландский ученый И. Ван-дер-Ваальс предположил, что существуют силы, обуславливающие притяжение между молекулами. Эти силы позднее получили название вандерваальсовых сил. Они включают в себя три составляющие: диполь-дипольное, индукционное и дисперсионное взаимодействие.

При сближении полярных молекул они ориентируются таким образом, чтобы положительная сторона одного диполя была ориентирована к отрицательной стороне другого диполя.

Диполи могут воздействовать на неполярные молекулы, превращая их в индицированные (наведенные) диполи.

В любой молекуле или атоме благородного газа возникают флуктуации электрической плотности, в результате чего появляются мгновенные диполи, которые в свою очередь индуцируют мгновенные диполи у соседних молекул Движение мгновенных диполей становится согласованным, их появление и распад происходит синхронно. В результате взаимодействия мгновенных диполей энергия системы понижается.

Согласно теории свободных электронов в узлах решетки металла находятся положительно заряженные ионы, которые погружены в электронный "газ", распределенный по всему металлу. Таким образом, валентные электроны у металлов не локализованы.

назад | оглавление | вперёд