Основные современные концепции химии, химические процессы

ЛЕКЦИЯ IV

Латинский алфавит

Греческий алфавит

Приставки и множители для образования десятичных кратных и дольных единиц

Основные и дополнительные единицы

Международной системы (СИ)

Химия — это естественная наук о составе, строении и свойствах веществ и их взаимных превращениях. Истоки химических знаний уходят в глубокую древность и связаны с потребностью человека иметь необходимые вещества для своей жизнедеятельности.

В истории развития химии обычно выделяют 4 основных периода:

1) Период алхимии (с древности по XV век). Это был период поиска философского камня и способа превращения неблагородных металлов в золото или серебро, поиска эликсира долголетия и алкагеста – универсального растворителя.

2) Период зарождения научной химии (XVI – XVIII вв.). В этот период созданы многие теории, развивалась в этот период и прикладная химия. К концу XVIII века химия становится самостоятельной наукой.

3) Период открытия основных законов химии (первое половина XIX века). Он характеризуется возникновением и развитием атомной теории Дальтона, атомно-молекулярной теории Авогадро, установлением Берцелиусом атомных весов элементов и формированием основных понятий химии: «атом», «молекула» и др.

4) Современный период (с 60-х годов XIX века по настоящее время). За этот период были сделаны наиболее важные открытия: периодический закон химических элементов Д.И.Менделеева, теория валентности, теория ароматических соединений и стереохимия и др. Значительно расширился диапазон химических исследований, стала развивать неорганическая и органическая химия, химия пищевых продуктов. Приобрели статус самостоятельных наук – агрохимия, биохимия, геохимия и другие разделы химии.

Первейшей задачей химии было и остается получение веществ с нужными заранее заданными свойствами. Для этого необходимо знать свойства вещества, законы их превращения и способы управления технологическими процессами. В разные времена эта задача решалась по-разному, в зависимости от уровня научных знаний, материальной и духовной культуры. Смена способов решения главной задачи химии составляет ее истории. Как оказалось, свойства вещества определяются четырьмя факторами:

1) элементным и молекулярным составом;

2) структурой молекул;

3) термодинамическими и кинетическими условиями, при которых протекает химическая реакция;

4) высотой химической организации вещества.

Учение о составе вещества является важной частью химии и называется аналитическая химия.

Свойства веществ обусловлены не только их составом, но и структурой молекул.

Химия процессов - изучает зависимость свойств веществ от температуры, давления и других факторов.

В химическом реакторе используется опыт живой природы. Этими проблемами занимается эволюционная химия.

К важнейшим понятиям химии относятся: химический элемент, химическое соединение, атом, молекула и некоторые другие.

Атом (др.-греч. — неделимый) — наименьшая химически неделимая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атом состоит из атомного ядра и электронов. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом. Атомы классифицируются по количеству протоков и нейтронов в ядре: количество протонов определяет принадлежность атома некоторому химическому элементу, а число нейтронов — изотопу этого элемента. Атомы различного вида в разных количествах, связанные межатомными связями, образуют молекулы.

Химический элемент – это совокупность всех атомов с одинаковым зарядом ядра.

Молекулы

Молекула - химическая единица. Молекулы состоят из атомов, мо­лекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, молекулы сложных веществ - из разных. Существует два типа связей атомов в молекулах: ионная и ковалентная. Ионная связь - электромагнитное взаимодействие между разноименно заряженными ионами. Ионы возникают из атомов после потери или присоединения к ним электронов. Ковалентная связь возникает за счет обобществления пар валентных электронов. Например, она возникает при образовании молекул из одинаковых атомов. Валентные электроны по одному от каждого атома образуют электронную пару, которая принадлежит обоим атомам. Между положительно заряженными ядрами возникает область отрицательно заряженного пространства. Сила притяжения между положительным ядром и отрицательным пространственным зарядом электронной пары больше, чем сила отталкивания между положительно заряженными ядрами. Атом может иметь столько ковалентных связей, сколько у него валентных электронов.

В ионной связи происходит полный обмен зарядами, в ковалентной - частичный. Прочность ионной и ковалентной связей почти одинакова.

Состав и структура определяют свойства молекулы. Известно более 8 млн. химических соединений, из них подавляющее большинство органические соединения. Органическими называются соединения, содержащие атом углерода. Простейшее из углеводородных соединений; метан.

Химические связи рассматриваются и с точки зрения превращения энергии. Если при создании молекулы ее энергия меньше, чем сумма энергий составляющих ее атомов, то такая молекула может существовать, ее связь устойчива.

Химические превращения происходят постоянно и повсюду; при этом изменяется химическая индивидуальность веществ, одни вещества превращаются в другие с иными свойствами. Так, при ржавлении железа образуется новое вещество - ржавчина (оксид железа). Химические превращения могут сопровождаться физическими изменениями. При горении древесины (твердое вещество) образуются диоксид углерода (газ), вода (жидкость) и углерод (твердое вещество). Химические превращения чрезвычайно многообразны, их изучением и классификацией занимается наука химия.

Некоторые типы превращений, принятые в химии:

Реакции присоединения - объединение молекул двух или нескольких веществ с образованием молекулы одного нового вещества. Примером служит горение магния на воздухе: 2Mg + 0₂-> 2MgO. В органической химии этим термином часто пользуются для обозначения таких реакций, как взаимодействие этилена С₂Н₄ с бромом с образованием дибромэтана: С₂Н₄ + Вг₂ -> С₂Н₄Вг₂

Реакции разложения - распад исходного вещества на два или более простых. Так, при разложении оксида ртути образуются элементная ртуть и кислород:

2HgO -> 2Hg + О₂.

Реакции замещения - замена атомов в молекулах сложного вещества атомами простого вещества. Например, железо замещает медь в растворе сульфата меди: Fe + CuSО₄ -> FeSО₄ + Cu

Реакции обмена - образование двух новых веществ при взаимодействии двух исходных. Например, иодид натрия NaI и нитрат свинца Pb(NО₃)₂ обмениваются своими составными частями с образованием иодида свинца и нитрата натрия: 2NaI + Pb(NО₃)₂-> Рb ₂ + 2NaNО₃. Атом хлора обменивается с одним или более атомами водорода в молекуле углеводорода, например метана СН₄, следующим образом: СН₄ + Сl₂ -> СН₂С1 + НС1

Реакция гидролиза. Гидролиз (расщепление с участием воды) - это реакция двойного разложения, когда одним из исходных компонентов является вода. При гидролизе хлорида аммония NH₄C1 образуется гидроксид аммония NH₄ОH и соляная кислота НС1: NH₄C1 + Н₂0 -> NH₄ОH + НС1

Реакция нейтрализации. Особый случай реакции обмена - взаимодействие кислоты с эквивалентным количеством основания с образованием соли и воды. Соляная кислота НС1 и гидроксид натрия NaOH нейтрализуют друг друга с образованием хлорида натрия NaCl и воды: НС1 + NaOH -> NaCl + Н ₂0

Химические реакции

Химической реакцией называется процесс, в результате которого изменяется вид, число или взаиморасположение атомов в молекулах реагирующих веществ. Примерами химической реакции могут служить горение, окисление, фотосинтез и т. д. Химических реакций множество.

Химические реакции происходят потому, что молекулы находятся в постоянном движении и сталкиваются друг с другом. Когда соударение сильное, освобождается количество энергии, которого может быть достаточно для того, чтобы электроны в столкнувшихся молекулах перегруппировались, и сформировался новый набор связей, т.е. новое соединение.

Характер протекания химических реакций был выяснен в XIX в. Опыты показали, что молекулы обладают разным химическим сродством.

Химические реакции могут протекать с разной скоростью, с поглощением или выделением тепла, быть обратимыми или нет и т.д. С ростом температуры атомы и молекулы движутся быстрее, их энергия при столкновении растет и может оказаться достаточной для начала химической реакции. Зная величину энтропии веществ, можно определить условия, при которых возможно протекание химической реакции. Благодаря квантовой химии протекание реакций можно проследить на микроуровне.

Итак, возможность химической реакции определяется:

1. Законом возрастания энтропии, т.е. когда система атомов стремится самопроизвольно перейти из более упорядоченного состояния в менее упорядоченное.

2. Стремлением системы переходить самопроизвольно в состояние с меньшей энергией.

Скорость химических реакций и особенности их протекания изучает химическая кинетика. Влиять на скорость протекания реакций можно при помощи катализаторов. Катализатор - вещество, которое изменяет скорость реакции, но не входит в состав конечного продукта реакции. Природным катализатором является хлорофилл.

Долгое время подбор катализаторов шел эмпирическим путем, не было объяснения сути катализа. В XX в. стало ясно, что у катализатора молекулы успевают за секунду много тысяч раз разложиться на ионы и восстановиться вновь.

Химические реакции, протекающие с выделением энергии (обычно в виде теплоты) называются экзотермическими.

Химические реакции, протекающие в поглощением энергии (тепловой) называются эндотермическими.

Например, реакция горения сопровождается выделением тепла. Внутренняя энергия системы уменьшается, ее избыток и выделяется в виде тепла. Реакция разложения мела при температуре выше 800° на углекислый газ и оксид кальция сопровождается поглощением тепла. Это меняет внутреннюю энергию системы.

Согласно закону Гесса (Г. Гесс - русский ученый XIX в.), при химическом процессе выделяется всегда одно и то же количество тепла вне зависимости от того, протекает ли процесс в одной, двух, или более стадиях. Это количество тепла зависит только от начального и конечного состояния системы.

Закон Гесса является частным случаем первого начала термодинамики. Подобную идею еще в XVIII в. высказывали Лавуазье и Лаплас, но она не была широко распространена в науке.

Реакционное свойство веществ многогранно. Обычно оно рассматривается с точки зрения активности химических элементов. Наиболее активны неметаллы с минимальной атомной массой, имеющие на внешней оболочке 6-7 электронов. Например, очень активен кислород, отсюда его способность к реакции горения. В кислородной среде горит фактически все. Также активен фтор. Из металлов наиболее активными являются те, которые принадлежат первой и второй группам таблицы Менделеева и имеют на внешнем уровне один и два валентных электрона и большую атомную массу. Например, соприкосновения цезия с водой ведет к взрыву.

Неактивны элементы с полностью укомплектованной оболочкой или состоянием, например, инертные газы.

Скорость протекания реакций также характеризует реакционную способность веществ. Чем больше концентрация веществ и температура, тем выше скорость реакции.

Возможно ли управлять химическими реакциями?

Ученые используют метод молекулярных пучков. Молекулы вводятся в вакуум так, чтобы они не сталкивались друг с другом. Когда сталкиваются два пучка молекул, происходит бимолекулярная реакция - появляются молекулы, которые попадают в детектор, анализирующий направление и скорость вылета новых продуктов реакции. Если же подвергнуть этот продукт лазерному облучению, возникшие связи разрываются. Тогда можно вновь выделить и исследовать начальные продукты реакции.

Химическими реакциями можно управлять, используя катализаторы и ингибиторы, лазеры.

Дата добавления: 2014-02-28; просмотров: 676; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!