Предмет химии. Вещества и их свойства
Химия — одна из наук, изучающая природу. Относится к числу естественных наук как физика, биология и т.д.
Физические тела (предметы) состоят из веществ. Одни и те же предметы могут состоять из разных веществ. Например, для изготовления посуды могут использовать как стекло, так и фарфор, сталь, дерево и т.д.
Известно более 20 млн. веществ и каждое характеризуется своими определенными свойствами.
Свойствами веществ называются признаки, по которым вещества отличаются друг от друга или сходны между собой.
Характеристика вещества алюминия
Алюминий — металл серебристо-белого цвета, сравнительно легкий (ρ = 2,7 г/см3), плавится при температура 600°C. Алюминий очень пластичен. По электрической проводимости уступает лишь золоту, серебру и меди. Из-за легкости алюминий в виде сплавов широко используется в самолёто- и ракетостроении. Его также используют для изготовления электрических проводов и предметов быта.
Задачи химии
Изучение веществ, их свойств и прогнозирование использование веществ в промышленности, сельском хозяйстве, медицине, быту.
Получение различных веществ, например, пластмасс, минеральных удобрений, лекарств. Эти вещества получают путем химических превращений.
Свойства, проявляемые веществом в процессах, при которых оно превращается в другие вещества, называются химическими свойствами.
Химия — наука о веществах, их свойствах, превращениях и явлениях, сопровождающих эти превращения.
Методы познания в химии
Для изучения свойств веществ химики используют различные научные методы.
Метод — способ достижения какой-либо цели, решения конкретной задачи.
Основные методы познания в химии: наблюдение, описание, химический эксперимент и измерение.
Эксперимент — метод исследования какого-либо явления в определённых условиях. Эксперимент отличается от наблюдения тем, что предполагает специальную организацию ситуации, которую надо исследовать, и активное вмешательство исследователя в эту ситуацию.
В современных условиях появилась возможность исследовать сложные химические процессы с помощью компьютерного эксперимента, позволяющего моделировать поведение атомов и молекул, а также находить оптимальные способы получения новых веществ с определенными свойствами.
Чистые вещества и смеси
Каждое вещество имеет свои, характерные именно для него свойства, которые в наибольшей степени проявляются, только если вещество является практически чистым, т.е. содержит мало примесей.
В природе чистых веществ не бывает, они встречаются преимущественно в виде смесей. Во многих случаях смеси нелегко отличить от чистых веществ. Например, сахар, растворяясь в воде, образует однородную по внешнему виду смесь. Даже с помощью микроскопа нельзя обнаружить частицы веществ, входящих в эту смесь. Такие смеси называются гомогенными (однородными).
Молоко на первый взгляд тоже кажется однородным веществом. Однако, если рассмотреть каплю молока под микроскопом, можно увидеть, что в ней плавает множество мельчайших капелек жира. Если дать молоку постоять, то эти капельки соберутся в верхнем слое, образуя сливки. Подобные неоднородные смеси называют гетерогенными смесями.
Для получения чистых веществ используются различные способы разделения смесей.
Способы выделения веществ из неоднородной (гетерогенной) смеси
- Отстаивание
- Фильтрование
- Действие магнитом
Способы выделения веществ из однородной (гомогенной) смеси
- Выпаривание. Кристаллизация.
- Дистилляция (перегонка)
Физические и химические явления. Химические реакции
Явления, при которых обычно изменяется только агрегатное состояние веществ, называется физическими явлениями. Примеры физических явления: плавление стекла, испарение или замерзание воды, конденсация водяных паров.
Явления, в результате которых из данных веществ образуются другие вещества, называются химическими явлениями.
При химических явлениях исходные вещества превращаются в другие вещества, обладающие другими свойствами.
Примеры химических явлений: сгорание топлива, гниение органических веществ, ржавление железа, скисание молока.
Химические явления иначе называют химическими реакциями.
Признаки химических реакций:
- выделение теплоты (иногда света), например, при горении
- изменение окраски
- появление запаха
- образование осадка
- выделение газа, например, при гашении соды уксусной кислотой выделяется углекислый газ
Важнейшие условия возникновения химических реакций
- приведение в тесное соприкосновение реагирующие вещества, для чего их измельчают и перемешивают
- нагревание веществ до определенной температуры
Атомы, молекулы и ионы
Молекулы — мельчайшие частицы многих веществ, состав и химические свойства которых такие же, как у данного вещества.
Молекулы при химических реакциях распадаются, то есть они являются химически делимыми частицами. Молекулы состоят из атомов.
Существуют вещества, состоящие из отдельных, одинаковых атомов. Так, из отдельных атомов состоят благородные газы: гелий, неон, аргон и др. Атомы в отличии от молекул не делятся на более мелкие части.
Атомы — мельчайшие химически неделимые частицы вещества.
Атомы состоят из еще более мелких частиц. В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого находятся отрицательно заряженные частицы — электроны. Заряд электрона принято считать равным -1.
В состав ядер атомов входят положительно заряженные частицы — протоны и частицы, имеющие почти такую же массу, как протоны, но не имеющие заряда, нейроны. Заряд протона численно равен заряду электрона, но имеет противоположный знак (+1).
Электроны, протоны и нейроны называются элементарными частицами.
В нейтральном атоме число протонов равно числу электронов.
Ионы
Взаимодействуя друг с другом атомы могут терять или, наоборот, приобретать один или более электронов. В результате превращается в заряженную частицу — ион.
Вещества молекулярного и немолекулярного строения
Вещества могут существовать в 3-х агрегатных состояниях:
- газообразном (водяной пар)
- жидком (вода)
- твердом (лед).
В газообразном состоянии вещество существует в виде отдельных частиц (молекул, атомов или ионов). Расстояние между частицами в газах намного превышает размеры этих частиц. Силы взаимного притяжения между частицами очень слабы, что ими можно пренебречь. Частицы в газообразных веществах движутся с очень большими скоростями и неупорядоченно (хаотически).
В жидкостях расстояние между отдельными частицами намного меньше, поэтому силы взаимного притяжения между ними существенно больше, чем в газах. Скорость хаотического перемещения частиц в жидкостях намного меньше, чем в газах.
Частицы, составляющие твердое тело (атомы, молекулы или ионы), плотно упакованы и совершают колебательные движения. Различают кристаллические и аморфное твердые тела.
Кристаллические вещества. Для них характерно упорядоченное расположение частиц, из которых они состоят. Примеры, снежинка, кристаллы соли, сахара, серы, горного хрусталя, алмаза. Совокупность точек пространства, в которых располагаются частицы, образующие кристалл, называют кристаллической решеткой.
В зависимости от того, какие частицы находятся в узлах этой решетки, различают атомные, молекулярные и ионные кристаллические решетки.
Атомные кристаллические решетки
В узлах атомных кристаллических решеток находятся отдельные атомы. Они могут располагаться по-разному, поэтому и форма кристаллов бывает различной. Например, в узлах кристаллических решеток алмаза и графита находятся атомы углерода, но из-за различного расположения атомов кристаллы алмаза и графита имеют разную форму.
Молекулярные кристаллические решетки
В узлах молекулярных кристаллических решеток находится молекулы. Например, в узлах кристаллической решетки йода находятся молекулы йода.
Ионные кристаллические решетки
Типичными представителями ионных соединений являются соли. Например, в узлах кристаллической решетки хлорида натрия (поваренная соль) находятся ионы натрия и хлорид-ионы.
Аморфные вещества
Существуют твердые вещества, в которых частицы расположены неупорядоченно (хаотически). Такие вещества называются аморфными. Это, например, стекло.
Вещества молекулярного и немолекулярного строения
Все вещества можно разделить на вещества, имеющие молекулярное строение и вещества с немолекулярным строением.
Вещества, которые состоят из молекул, — это вещества молекулярного строения.
Вещества, которые состоят из атомов или ионов, относят к веществам немолекулярного строения.
Вещества с молекулярным и немолекулярным строением существенно различаются по своим свойствам. Чтобы расплавить вещество, необходимо разрушить его кристаллическую решетку. Оказывается, что в кристаллической решетке связи между молекулами гораздо слабее, чем связи между атомами или ионами. Поэтому, как правило, вещества с молекулярным строением имеют низкие температуры плавления и кипения. Такие вещества часто летучи и имеют запах. Вещества с молекулярным строением при обычных условиях — это газы (кислород, водород, азот и др.), жидкости (вода, спирт, эфир) или легкоплавкие твердые вещества (кристаллическая сера (температура плавления 113°С); фосфор (температура плавления 44°С))
Вещества с немолекулярным строением имеют высокие температуры плавления и кипения. Это вещества твердые, нелетучие и не имеют запаха.
Простые и сложные вещества
Некоторые вещества способны разлагаться с образованием двух или нескольких других веществ. Такие вещества относят к сложным веществам. Например, вода разлагается на водород и кислород. Сульфид железа состоит из атомов железа и серы. Углекислый газ состоит из атомов углерода и кислорода. Хлорид натрия (поваренная соль) также относится к сложным веществам. Т.о. сложными веществами называются вещества, которые образованы атомами разного вида.
Простыми веществами называются вещества, которые образованы атомами одного вида. Например, простое вещество кислород состоит только из атомов кислорода, а простое вещество графит — только из атомов углерода. К простым веществам также относятся сера, железо, водород, медь.
Сложные вещества и простые вещества молекулярного строения часто называют химическими соединениями.
Химические элементы
В состав сложных веществ входят не простые вещества, а атомы определенного вида.
Химический элемент — это определенный вид атомов. Все атомы водорода, железа, серы — это соответственно химические элементы водород, железо, сера и т.д.
В настоящее время известно 118 различных видов атомов, т.е. 118 химических элементов. Из атомов этого сравнительно небольшого числа элементов образуется огромное многообразие веществ.
Т.о. простыми называются вещества, которые состоят из атомов одного химического элемента.
Сложными называются вещества, которые состоят из атомов различных химических элементов.
Химические элементы и образуемые ими простые вещества можно разделить на 2 большие группы: металлы (железо, алюминий, медь, золото, серебро) — они пластичны, имеют металлический блеск и хорошо проводят электрический ток, и неметаллы (сера, фосфор, водород, кислород, азот). Свойства неметаллов разнообразны.
Сложных веществ гораздо больше, чем простых. К ним относится поваренная соль, сахар, подсолнечное масло, крахмал, резина, различные пластмассы, стекло, древесина, минералы и горные породы.
Относительная атомная масса химических элементов
Размеры и массы молекул очень малы. Размеры и массы атомов еще меньше.
Масса самого легкого атома — атома водорода равна 1, 67375 · 10-24 г, масса атома кислорода 2,656812 · 10-23 г, а масса атома углерода 1,99265 · 10-23 г. Производить расчеты с такими числами неудобно. Поэтому для измерения масс атомов и молекул была введена атомная единица массы (а.е.м.).
Атомная единица массы — это 1/12 массы углерода, масса которого равна 12 а.е.м.
1 а.е.м = 1,99265 · 10-23 г : 12 = 1,66054· 10-24 г
На Земле встречаются три разновидности атомов углерода, различающиеся массой. Такие разновидности атомов одного и того же элемента называются изотопами. В данном случае речь идет о разновидности, масса атомов которой в атомных единицах массы равна 12.
Разделив массу атома какого-либо химического элемента на 1/12 массы атома углерода, получают величину, которую называют относительной атомной массой и обозначают Ar.
Например, относительную атомную массу водорода и кислорода вычисляют следующим образом:
Ar(H) = 1, 67375 · 10-24 г : 1,66054· 10-24 г = 1,0078 (~1)
Ar(O) = 2,656812 · 10-23 г : 1,66054· 10-24 г = 15,999 (~16)
Относительная атомная масса элемента Ar показывает, в сколько раз масса его атома больше 1/12 массы атома углерода, масса которого равна 12 а.е.м.
Знаки химических элементов
Каждый химический элемент имеет свое название. Для упрощенного обозначения химических элементов использую химическую символику. Химический элемент обозначают начальной или начальной и одной их последующих букв латинского названия данного элемента. Так, водород обозначают буквой H, ртуть буквами Hg и т.д.
Сокращенные буквенные обозначения химических элементов — это знаки или символы, химических элементов.
Химический символ (химический знак) обозначает один атом данного химического элемента.
Все известные в настоящее время элементы приведены в периодической таблице Д.И.Менделеева.
Закон постоянства состава веществ
Для получения воды нужно смешать водород (H) и кислород (O) в массовом соотношении 1:8ю Если же их смешать в другом соотношении масс, например, 3 г водорода смешать с 8 граммами кислорода то химическая реакция произойдет, но 2 г водорода в реакцию не вступят. В определенных соотношениях масс реагируют и другие вещества.
В молекуле воды на 2 атома водорода приходится один атом кислорода. Учитывая это и значения относительных атомных масс, можно легко вычислить соотношение масс водорода и кислорода в молекуле воды:
2Ar(H) : Ar(O) = (2 · 1) : (1 · 16) = 1 : 8
Нетрудно понять, что таким же должно быть соотношение масс водорода и кислорода в любом количестве воды, т.е. состав воды всегда постоянен. Постоянным составом обладает большое число химических соединений.
Закон постоянства состава вещества был открыт французским ученым Ж. Прустом в 1799-1806 гг. Закон был сформулирован так:
Каждое химическое чистое вещество независимо от места нахождения и способа получения имеет один и тот же постоянный состав.
Закон постоянства состава веществ не является всеобщим. Он справедлив только для веществ, имеющих молекулярное строение. Состав веществ немолекулярного строения часто зависит от способа их получения.
На основе закон постоянства состава можно производить различные расчеты.
Задача 1. Определите массу серы, реагирующей без остатка с 5 г медных опилок, если медь и сера в данном случае соединяются в соотношении масс 2:1.
Решение:
2 грамма меди соединяются с 1 г серы
5 грамм меди соединяются с Х г серы
=> 2 г : 5 г = 1 г : Х г => Х = (5 · 1) : 2 = 2,5 г серы
На основе закона постоянства веществ можно решить задачи, в которых одно из веществ дано в избытке.
Задача 2. Смешали 2 г порошкообразной меди и 2 г порошкообразной серы. Смесь нагрели до начала химической реакции. Найдите массу образующегося сульфида меди, если известно, что медь с серой в данном случае соединяются в массовых отношениях 2 : 1.
Решение:
Рассуждают так: если медь с серой реагируют в массовых отношениях 2 :1, то это означает, что 2 г меди вступят в реакцию с 1 г серы и получится 3 г сульфида меди. 1 г серы в реакцию не вступит.
Химические формулы. Относительная молекулярная масса
В молекуле воды один атом кислорода связан с двумя атомами водорода. С помощью знаков химических элементов состав воды можно выразить химической формулой.