ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ХИМИИ
В 2000/2001нестех. соединения рассматривались после термодинамики. Поэтому определение фазы – дважды, DG появл. преждевременно.
В школьных и даже вузовских учебниках химии часто одно и то же слово используется без объяснения в разных смыслах, есть и другие противоречия. Пока мы не разберемся, что означает каждое слово, мы не будем правильно понимать друг друга и учебники. Химия - наука экспериментальная. Поэтому всегда следует задумываться: в каких опытах можно отличить эти предметы или явления от других или проверить правильность данного теоретического положения. Нужно стараться понять связь между явлениями природы, а не заучивать фразы, состоящие из непонятных терминов.
Химия - наука о веществах и их превращениях, сопровождающихся изменением состава и строения (а значит - и свойств). А что такое вещество? В широком смысле, вещество - это форма материи, обладающая массой покоя (в отличие, например, от квантов электромагнитного излучения). Любая элементарная частица, например, нейтрон - это вещество. В химии - несколько уже.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНОГО УЧЕНИЯ (Угай, гл. 1, 2)
Сначала кратко перечислим, потом подробно поясним.
1. Все вещества, изучаемые химией, состоят из очень маленьких частиц - АТОМОВ (нейтроны не изучаем).
2. Атомы способны соединяться друг с другом, образуя ХИМИЧЕСКИЕ СВЯЗИ. Чтобы отделить атомы, то есть разорвать связь, нужна затрата ЭНЕРГИИ. Поэтому в обычных условиях никакие атомы (кроме атомов “благородных газов”) не существуют по одиночке, а соединяются, хотя бы попарно.
3. Все частицы находятся в непрерывном ТЕПЛОВОМ движении: средняя кинетическая энергия частиц пропорциональна ТЕМПЕРАТУРЕ (хотя у отдельных частиц энергии разные): Екин = kT/2 для каждого вида движения (k – постоянная Больцмана). Поскольку Екин = mV2/2, массивные частицы движутся медленнее. Например, при одинаковой температуре средняя скорость молекул кислорода в 4 раза меньше, чем у водорода (т.к. масса в 16 раз больше). Различают колебательное движение (схемы), вращательное и поступательное. Колебательное происходит и в твердых, и в жидких, и в газообразных веществах, а вращательное и поступательное - легче всего в газах, труднее в жидкостях и еще труднее в твердых веществах.
4. Если атомы соединяются в небольшие группы - молекулы - эти группы участвуют в тепловом движении как единое целое. В типичных молекулах - до 100 атомов, у “высокомолекулярных соединений” - до 105.
5. Но часто атомы соединяются в такие огромные коллективы (107-1027 атомов), которые уже практически не могут участвовать в тепловом движении, и больше похожи не на молекулы, а на куски твердого тела. Такие вещества называются немолекулярными. Тепловое движение происходит внутри куска, а сам кусок не летает, как молекула. Конечно, существует и переходная область размеров - от 105 до 107 атомов. Такие частицы можно считать либо очень большими молекулами, либо очень маленькими крупинками порошка.
6. Атомы и группы атомов могут иметь электрический заряд, и тогда они называются ИОНАМИ. Поскольку одноименные заряды отталкиваются, не может быть устойчиво вещество, где есть заметный избыток каких-то зарядов. Положительные и отрицательные заряды всегда чередуются в пространстве, а вещество в целом - электронейтрально. (Те заряды тел, которые считаются большими в электростатике, ничтожны с точки зрения химии: ± 1 е на 105 - 1015 атомов).
7. Химия изучает те явления, в которых атомы не разрушаются, не возникают, а только перегруппировываются - соединяются по-новому: разрываются одни связи и образуются другие, то есть образуются новые вещества из тех же атомов, которые входили в состав исходных веществ. Если сохраняются и атомы, и связи между ними (например, при испарении молекулярных веществ) - такие процессы изучает молекулярная физика. Если же атомы разрушаются или образуются - это предмет изучения атомной или ядерной физики. Но граница между физическими и химическими явлениями размыта. Природа едина, а деление на науки условно. Химики, изучайте физику !
Теперь рассмотрим эти пункты подробнее
1. АТОМЫ. 2000 лет назад их существование было гениально угадано, в XIX веке появились косвенные экспериментальные данные: законы постоянства состава, кратных отношений, Авогадро (закон кратных отношений разобрать самостоятельно – Угай, гл. 2), а в XX веке появилось множество прямых экспериментальных доказательств, основанных на рассеянии рентгеновских лучей, электронов, нейтронов, альфа-частиц, на данных спектроскопии и др. (см. Ахметова, раздел 4). Это частицы размером около 1 Å = 10-10 м и массой порядка 10-27 - 10-25 кг, содержащие в центре положительно заряженное ядро и вокруг него - отрицательно заряженные электроны. Размер ядра порядка 10-15 м, то есть размеры атома определяются электронной оболочкой, но масса атома почти вся сосредоточена в ядре. ЭЛЕМЕНТ – вид атомов с одинаковым зарядом ядра (повторить понятие об изотопах).
Часто встречается такое определение: атом – это мельчайшая химически неделимая частица вещества. А что значит «химически», что такое химия и чем она отличается от физики? Деление явлений на химические и физические условно, а атомы существуют безусловно. Поэтому лучше определять химию через атомы (см. п. 7), а не атомы через химию.
2. Химическая связь - то, что удерживает атомы вместе, не дает им разлететься в результате теплового движения. Природа связей обсуждается позже, но отметим главные характеристики: энергию и межъядерное расстояние (график U от L). Длина связи Lo измеряется экспериментально с высокой точностью. Uo - тоже, но не всегда (обдумайте, почему обычно нельзя объективно определить энергию одной из связей в сложной молекуле). Но в любом случае можно определить энергию атомизации вещества - энергию, нужную для разрыва всех связей, то есть для разложения на свободные атомы (Угай, гл. 4, §2).
Зная характерные для связи значения Lo, мы обычно можем различить, какие атомы связаны (расстояние короткое), какие - нет (расстояние длинное).
Координационное число (КЧ) - число ближайших соседей атома, то есть тех, с которыми он химически связан. Координация - число, вид и взаимное расположение соседей, то есть более содержательное понятие. Например, КЧ азота в молекулах азотной кислоты и аммиака одинаково - 3, а координация разная - плоская и неплоская. Координация определяется на опыте объективно, независимо от наших представлений о природе связи. А валентность и степень окисления - это условные понятия, придуманные для того, чтобы предсказывать состав и координацию заранее. Если КЧ бывает больше валентности - тем хуже для валентности. Например:
| MpOq | О2 | CO2 | SiO2 | TiO2 | ThO2 | Al2O3 | MgO | Nb6O198- | Na2O | W3O |
| КЧ О | 1 | 1 | 2 | 3 | 4 | 4 | 6 | 6 (у одного из 19), 2 (у 12) и 1 (у 6) | 8 | 12 |
| КЧ М по О | - |
Последнюю строку заполните сами. Найдите в учебниках рисунки этих структур и проверьте.
3. Комментариев не требует (повторить школьную молекулярную физику)
4. МОЛЕКУЛА. Часто встречается такое определение: “Молекула - наименьшая нейтральная частица данного вещества, обладающая его химическими свойствами и способная к самостоятельному существованию”. Оно безнадежно устарело, и им реально никто не пользуется. Во-первых, то, что все химики и физики называют молекулой, не сохраняет свойств вещества. Вода диссоциирует, но для этого нужны как минимум две молекулы (реально - больше): 2Н2О = Н3О+ + ОН-. Степень диссоциации воды - 10-7, то есть диссоциирует одна из 10 млн молекул. Если у Вас одна молекула или даже сто - Вы не получите никакого представления о ее диссоциации. Тепловые эффекты химических реакций обычно включают в себя энергию межмолекулярного взаимодействия, и по одной молекуле их нельзя найти. И физические, и химические свойства молекулярного вещества определяются большим КОЛЛЕКТИВОМ молекул. Во-вторых, бывают вещества, у которых эта “наименьшая” частица, способная к самостоятельному существованию, неопределенно велика и непохожа на привычные молекулы (см. п. 5). Фактически молекула - это электрически незаряженная группа атомов (в частном случае - один атом, например Ne), способная участвовать как единое целое в диффузии и других видах теплового движения.
Как можно определить на опыте молекулярную массу? Один способ Вам известен из школьной химии - по относительной плотности пара, на основе закона Авогадро. Масс-спектрометрический метод (наиболее точный) известен из школьной физики. Из молекулы выбивают электрон, полученный ион разгоняют в электрическом поле и отклоняют магнитным полем. По величине отклонения можно найти отношение заряда к массе. Еще ряд методов основан на свойствах растворов, их мы будем изучать чуть позже. Но во всех этих случаях молекулы должны находиться в движении - в газе, в вакууме, в растворе. Если молекулы не движутся - нельзя объективно определить их массу и трудно вообще обнаружить их существование.
5. Что же такое немолекулярные вещества? Иногда говорят, что они состоят не из молекул, а из атомов. Но и благородные газы состоят из атомов, эти атомы свободно движутся, поэтому их лучше считать одноатомными молекулами. Главное то, что в немолекулярных веществах связано воедино очень много атомов. Сравним типичные примеры молекулярных и немолекулярных веществ: оксиды углерода (4) и кремния (4). Если их формулы записать как O=C=O и O=Si=O, то особой разницы не видно. Это небольшие неполярные молекулы, значит, вещества должны быть летучими. Действительно, СО2 - газ (при обычном давлении переходит в твердое состояние при -78°С. Но диоксид кремния - твердое вещество с т. пл. 1730°С, т. кип. около 3000°С. Очевидно, молекулярная формула оксида кремния неверна. Он устроен иначе: КЧ кремния 4, а не 2, а если мы увеличили число контактов кремния с кислородом, значит во столько же раз нужно увеличить и число контактов кислорода с кремнием, т.е. КЧ кислорода 2. На рисунке получается плоская бесконечная сетка, но на самом деле окружение кремния не плоское, а тетраэдрическое, и сетка трехмерная (см. модель). Кажется, что эта сетка простирается бесконечно. Разумеется, края все же есть, и там на свободные валентности присоединяются какие-то одновалентные атомы, вероятно, водород. Но доля концевых атомов ничтожна.