Химия как раздел естествознания Основные задачи современной химии (стр. 9 из 68)
Можно применить системный подход и к макровеществу.
Так, система, состоящая из атомов и молекул вещества, которые находятся на больших (по сравнению с их собственными размерами) расстояниях друг от друга, является газом и находится в газообразном состоянии, Вследствие большой удаленности частиц газа друг от друга силы взаимодействия между ними пренебрежимо малы. Идеальный газ – это система, элементы которой не взаимодействуют друг с другом. В реальном газе между молекулами существуют заметные силы межмолекулярного взаимодействия. Паром называют реальный газ, который находится в состоянии, близком к переходу его в жидкость. Молекулы в газах движутся хаотически (газ в переводе с греческого языка означает хаос). Главным видом движения молекул в газах является поступательное движение. При этом молекулы испытывают громадное число соударений (1020 соударений в секунду при комнатной температуре). Физико-химические свойства газовых систем определяются по правилу аддитивности (суммированием характеристик образующих их молекул). Свойства газовых систем определяются уравнением состояния Менделеева-Клайперона:
mRT (1.7)PV
M
где P – давление; V – объем; m – масса газа; M - молекулярная масса газа; R - универсальная газовая постоянная (равная 8,3144103 Дж/кмольК, если измерять давление в Па, а объем в м3); T - температура (в 0 Кельвина).При нагревании разреженных газов до высоких температур (десятков тысяч градусов) происходит ионизация молекул (от нейтральных атомов отщепляются электроны) и газ переходит в плазменное состояние. Ионами называют атомы или молекулы, которые приобретают или теряют один или несколько электронов и становятся заряженными частицами. Ионы в плазме способны к химическим реакциям, поэтому в плазме можно обнаружить такие экзотические с точки зрения химии частицы, как CH5-, H3+, He2-, Ne2+ и т.п. Происходящие в плазме химические реакции
Когда вещество находится в конденсированном состоянии (жидком или твердом), расстояния между частицами малы, а силы взаимодействия между ними велики. Эти силы удерживают частицы вещества друг около друга, поэтому твердые и жидкие вещества, в отличие от газов, имеют постоянный при данной температуре объем. Силы, удерживающие частицы вещества, имеют электромагнитную природу.
Если вещество состоит из атомов и не является металлом, его атомы связаны ковалентной связью. Если вещество - металл, то имеет место металлическая связь: часть электронов атомов металлов становится общей для всех атомов. В веществе, состоящем из ионов, последние удерживаются друг около друга электростатической ионной связью. В веществах с молекулярной структурой имеет место межмолекулярное взаимодействие.
Силы межмолекулярного взаимодействия называют еще вандерваальсовыми (по имени голландского учѐного Ван дер Вальса) силами. Эти силы слабее ковалентных сил, но проявляются на больших расстояниях. В их основе лежит явление поляризации. Если вещество состоит из полярных молекул, например, молекул воды Н2О или хлористого водорода НСl, то в конденсированном состоянии соседние полярные молекулы (диполи) ориентируются друг по отношению к другу противоположно заряженными полюсами, вследствие чего происходит их взаимное притяжение. Такой тип межмолекулярного взаимодействия называется ориентационным. Ориентационное взаимодействие ослабевает с ростом температуры, так как ему препятствует тепловое движение молекул.
Если вещество состоит из неполярных, но способных к поляризации молекул, например СО2, наблюдается возникновение наведенных, или индуцированных диполей. Каждый атом создает вокруг себя электрическое поле, оказывающее воздействие на каждый атом соседней молекулы. Молекула поляризуется и в свою очередь поляризует соседние молекулы, в результате чего происходит притяжение молекул друг к другу. Индукционное взаимодействие имеет место и у полярных молекул, но оно значительно слабее ориентационного.
Движение электронов в атомах, а также колебание ядер и связанное с этим непрерывное изменение положения электронов вызывают появление мгновенных диполей. В твердых телах и жидкостях мгновенные диполи возникают согласованно, причем ближайшие друг к другу участки соседних молекул оказываются заряженными противоположно, что приводит к их притяжению. Такое дисперсионное взаимодействие имеет место во всех веществах, находящихся в конденсированном состоянии.
Относительная величина всех видов межмолекулярного взаимодействия зависит от полярности и поляризуемости молекул вещества. Чем больше полярность, тем больше ориентационные силы. Чем крупнее атомы (чем слабее связаны с ядром внешние электроны), тем значительнее дисперсионные силы. Индукционные силы почти всегда малы.
В твердом состоянии большинство веществ имеет кристаллическое строение. Кристаллы отличаются от аморфных соединений наличием упорядоченной кристаллической решетки (См. Лекцию 15). Поэтому кристаллы, в отличие от аморфных твердых тел, имеют постоянную температуру плавления. Можно сказать, что структура кристаллов характеризуется дальним порядком, а структура аморфных тел - ближним.
Жидкое состояние является промежуточным между твердым и газообразным состояниями. Способность жидкостей легко изменять свою форму, принимая форму сосуда, в который жидкость налита, говорит о том, что силы межмолекулярного взаимодействия в жидкостях не жестки. Однако жидкости практически несжимаемы (в отличие от газов), следовательно, межмолекулярные силы, хотя и не жесткие, тем не менее, значительны. По структуре жидкости подобны аморфным телам: в большинстве из них наблюдается ближний порядок, то есть число ближайших соседей у каждой молекулы и их взаимное расположение приблизительно одинаковы во всем объеме данной жидкости. Первые теории жидкого состояния основывались на использовании аналогии с газовым состоянием. Современные теории жидкого состояния основаны на представлении о жидкости как о разупорядоченном твердом теле, в котором существует ближний порядок, в то время как дальний порядок, характерный для твердого тела, нарушен тепловым движением молекул. Жидкость можно рассматривать как тело, состоящее из очень большого числа беспорядочно ориентированных кристаллов микроскопических размеров.
1.7. Молекулярные системы
Все химические вещества делятся на простые (элементарные) и сложные. Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов (например, Сг, В, Н2, О2, Br2). Простые вещества делятся на металлы и неметаллы (металлоиды).
Сложные химические вещества делят на органические и неорганические. Органическими веществами принято называть соединения углерода с водородом, азотом и некоторыми другими элементами; все остальные вещества называются неорганическими, или минеральными.
Неорганические вещества делятся на классы либо по составу (двухэлементные, или бинарные, и многоэлементные; кислородсодержащие, азотсодержащие и т.п.) или по их функциональным признакам (кислоты, гидроксиды, восстановители, окислители и пр.).
К важнейшим бинарным соединениям относятся оксиды
(соединения элементов с кислородом); галогениды или галиды (соединения элементов с галогенами, элементами подгруппы фтора); нитриды (с азотом); карбиды (с углеродом); а также гидриды (с водородом). Например, AgO - оксид серебра; Na F - фторид натрия; Mg3N2 - нитрид магния; CaC2 - карбид кальция; СaH2 - гидрид кальция. Если менее электроотрицательный элемент может иметь переменную валентность, то после названия соединения валентность указывают в скобках римскими цифрами, например, Cu2O - оксид меди (I), CuO - оксид меди (II), N2O5 - оксид азота (V). Многие оксиды металлов имеют основной характер и реагируют с кислотами c образованием солей:
CuO +2HCl = CuCl2 + H2O.
Оксиды неметаллов имеют кислотный характер и реагируют с кислотами с образованием солей:
SO2 + 2NaOH = Na2SO3 + H2O.
Среди многоэлементных соединений одними из самых важных являются гидроксиды - вещества, состоящие из гидроксильной группы ОН и металла. Основные гидроксиды (например, КОН) проявляют свойства оснований (отщепляя в водном растворе гидроксильные группы), кислотные гидроксиды (например, HONO2) в водном растворе ведут себя как кислоты, отщепляя ион водорода. Амфотерные основания (например, Zn(OH)2) проявляют как те, так и другие свойства. Гидроксиды, образованные металлами первой группы (главной подгруппы) LiOH, NaOH, KOH, RbOH хорошо растворимы в воде, очень активны и носят тривиальное название щелочей. Растворимы и некоторые гидроксиды металлов второй группы - кальция и бария. В зависимости от количества гидроксильных групп, входящих в состав гидроксидов, их делят на однокислотные (NaOH), двукислотные
(Zn(OH)2) и т.д.
Кислотами называются соединения, способные в растворах отщеплять ионы водорода. Кислоты делятся на бескислородные (HCl, HF, H2S, HCN и т.п.) и кислородсодержащие (H2SO4, H3PO4, HNO3 и пр.) В зависимости от числа входящих в молекулу кислоты атомов водорода кислоты подразделяют на одноосновные, двухосновные, трехосновные и т.д.
Соли можно рассматривать как продукты замещения атомов водорода в кислоте атомами металлов (или группами других атомов, например, ионом аммония NH4+) или как продукты замещения гидроксогрупп в основном гидроксиде кислотными остатками.