Химия

Атом — центральное понятие в химии. Все вещества состоят из атомов. Атом — предел дробления вещества химическими способами, т.е. атом — наименьшая химически неделимая частица вещества. Деление атома возможно только в физических процессах — ядерные реакции и радиоактивные превращения.

Современное определение атома: атом — мельчайшая химически неделимая электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

В природе атомы существуют как в свободном (индивидуальном, изолированном) виде (например, из отдельных атомов состоят благородные газы), так и в составе различных простых и сложных веществ. Понятно, что в составе сложных веществ атомы не являются электронейтральными, а имеют избыточный положительный или отрицательный заряд (например, Na⁺Cl⁻, Ca²⁺O²⁻), т.е. в сложных веществах атомы могут находиться в виде одноатомных ионов. Атомы и образующиеся из них одноатомные ионы называются атомными частицами.

Общее число атомов в природе не поддается подсчету, однако их можно классифицировать на более узкие виды, так же, как, например, все деревья в лесу по характерным признакам делят на березы, дубы, ели, сосны и т.д. За основу классификации атомов по определенным видам взят заряд ядра, т.е. число протонов в ядре атома, так как именно эта характеристика сохраняется, независимо от того, находится атом в свободном или в химически связанном виде.

Химический элемент — это вид атомных частиц с одинаковым зарядом ядра.

Например, имеется в виду химический элемент натрий независимо от того, рассматриваются ли свободные атомы натрия или ионы Na⁺ в составе солей.

Не следует смешивать понятия атом, химический элемент и простое вещество. Атом — понятие конкретное, атомы существуют реально, а химический элемент — понятие абстрактное, собирательное. Например, в природе существуют конкретные атомы меди с округленными относительными атомными массами 63 и 65. А вот химический элемент медь характеризуется усредненной относительной атомной массой, приведенной в периодической таблице химических элементов Д.И. Менделеева, которая с учетом содержания изотопов равна 63,54 (в природе атомы меди с таким значением A _r отсутствуют). Под атомом в химии традиционно понимается электронейтральная частица, тогда как химический элемент в природе может быть представлен как электронейтральными, так и заряженными частицами — одноатомными ионами: , , , .

Простое вещество — одна из форм существования химического элемента в природе (другая форма — химический элемент в составе сложных веществ). Например, химический элемент кислород в природе существует в виде простого вещества O₂ и в составе ряда сложных веществ (H₂O, Na₂SO₄ ⋅ 10H₂O, Fe₃O₄). Нередко один и тот же химический элемент образует несколько простых веществ. В этом случае говорят об аллотропии — явлении существования элемента в природе в виде нескольких простых веществ. Сами простые вещества называются аллотропными модификациями (видоизменениями). Ряд аллотропных модификаций известен для углерода (алмаз, графит, карбин, фуллерен, графен, тубулены), фосфора (белый, красный и черный фосфор), кислорода (кислород и озон). Из-за явления аллотропии простых веществ известно примерно в 5 раз больше, чем химических элементов.

Причины аллотропии:

• различия в количественном составе молекул (О₂ и О₃);
• различия в строении кристаллической решетки (алмаз и графит).

Аллотропные модификации данного элемента всегда различаются по физическим свойствам и химической активности. Например, озон активнее кислорода, а температура плавления алмаза выше, чем фуллерена. Аллотропные модификации при определенных условиях (изменение давления, температуры) могут переходить друг в друга.

В большинстве случаев названия химического элемента и простого вещества совпадают (медь, кислород, железо, азот и т.д.), поэтому нужно различать свойства (характеристики) простого вещества как совокупности частиц и свойства химического элемента как вида атомов с одинаковым зарядом ядра.

Простое вещество характеризуется строением (молекулярное или немолекулярное), плотностью, определенным агрегатным состоянием в данных условиях, окраской и запахом, электро- и теплопроводностью, растворимостью, твердостью, температурами кипения и плавления (t _кип и t _пл), вязкостью, оптическими и магнитными свойствами, молярной (относительной молекулярной) массой, химической формулой, химическими свойствами, способами получения и применением. Можно сказать, что свойства вещества — это свойства совокупности химически связанных частиц, т.е. физического тела, поскольку один атом или молекула не имеют вкуса, запаха, растворимости, температур плавления и кипения, окраски, электро- и теплопроводности.

Каждый химический элемент имеет свое условное обозначение — химический знак ( символ): K, Na, O, N, Cu и т.д.

Химический знак может также выражать состав простого вещества. Например, символ химического элемента Fe отражает также состав простого вещества железо. Однако химические знаки O, H, N, Cl обозначают только химические элементы; простые вещества имеют формулы O₂, H₂, N₂, Cl₂.

Как уже отмечалось, в большинстве случаев названия химических элементов и простых веществ совпадают. Исключения составляют названия аллотропных модификаций углерода (алмаз, графит, карбин, фуллерен) и одной из модификаций кислорода (кислород и озон). Например, когда мы употребляем слово «графит», то имеем в виду только простое вещество (но не химический элемент) углерод.

Распространенность химических элементов в природе выражается в массовых и мольных долях. Массовая доля w — отношение массы атомов данного элемента к общей массе атомов всех элементов. Мольная доля χ — отношение числа атомов данного элемента к общему числу атомов всех элементов.

В земной коре (слой толщиной около 16 км) наибольшую массовую (49,13 %) и мольную (55 %) доли имеют атомы кислорода, на втором месте — атомы кремния (w(Si) = 26 %, χ(Si) = 16,35 %). В Галактике почти 92 % от общего числа атомов составляют атомы водорода, а 7,9 % — атомы гелия. Массовые доли атомов основных элементов в организме человека: O — 65 %, C — 18 %, H — 10 %, N — 3 %, Ca — 1,5 %, P — 1,2 %.

Относительная атомная масса элемента

Абсолютные значения масс атомов чрезвычайно малы (например, масса атома кислорода порядка 2,7 ⋅ 10⁻²³ г) и неудобны для проведения расчетов. По этой причине была разработана шкала относительных атомных масс элементов. В настоящее время за единицу измерения относительных атомных масс принята 1/12 часть массы атома нуклида С-12. Данная величина называется постоянной атомной массы или атомной единицей массы (а.е.м.) и имеет международное обозначение u:

$m_{\text{u}}=1\text{ а}.\text{е}.\text{м}.=1\text{u}=1\text{/}12\left(m_{\text{a}}{}^{12}\text{C}\right)=$

$=\mathrm{1,66}\cdot {10}^{-24}\text{ г}=\mathrm{1,66}\cdot {10}^{-27}\text{ кг}$.

Нетрудно показать, что численное значение u равно 1/N _A:

$1\text{u}=\frac{1}{12}{m}_{\text{a}}{(}^{12}\text{C})=\frac{1}{12}\frac{M\left(\text{C}\right)}{N_{\text{A}}}=\frac{1}{12}\frac{12}{N_{\text{A}}}=\frac{1}{N_{\text{A}}}=$

$=\frac{1}{\mathrm{6,02}\cdot {10}^{23}}=\mathrm{1,66}\cdot {10}^{-24}$ (г).

Относительная атомная масса элемента A _r(Э) — это физическая безразмерная величина, которая показывает, во сколько раз масса атома или средняя масса атома (соответственно для изотопно-чистых и изотопно-смешанных элементов) больше 1/12 части массы атома нуклида С-12:

$A_{\text{r}}\left(\text{Э}\right)=\frac{m_{\text{a}}\left(\text{Э}\right)}{1\text{ а}.\text{е}.\text{м}.}=\frac{m_{\text{a}}\left(\text{Э}\right)}{1\text{u}}$. (1.1)

Зная относительную атомную массу, можно легко рассчитать массу атома:

m _a(Э) = A _r(Э)u = A _r(Э) ⋅ 1,66 ⋅ 10⁻²⁴ (г) =

= A _r(Э) ⋅ 1,66 ⋅ 10⁻²⁷ (кг).

Молекула. Ион. Вещества молекулярного и немолекулярного строения. Химическое уравнение

При взаимодействии атомов образуются более сложные частицы — молекулы.

Молекула — наименьшая электронейтральная обособленная совокупность атомов, способная к самостоятельному существованию и являющаяся носителем химических свойств вещества.

Молекулы имеют тот же качественный и количественный состав, что и образованное ими вещество. Химическая связь между атомами в молекуле гораздо прочнее, чем силы взаимодействия между молекулами (именно поэтому молекулу и можно рассматривать как обособленную, изолированную частицу). В химических реакциях молекулы, в отличие от атомов, не сохраняются (разрушаются). Подобно атому, отдельная молекула не обладает такими физическими свойствами вещества, как окраска и запах, температуры плавления и кипения, растворимость, тепло- и электропроводность и др.

Подчеркнем, что молекула является именно носителем химических свойств вещества; нельзя говорить, что молекула сохраняет (имеет точно такие же) химические свойства вещества, поскольку на химические свойства вещества существенное влияние оказывает межмолекулярное взаимодействие, которое для отдельной молекулы отсутствует. Например, способностью взрываться обладает вещество тринитроглицерин, но не отдельная молекула тринитроглицерина.

Ион — атом или группа атомов, имеющие положительный или отрицательный заряд.

Положительно заряженные ионы называются катионами, а отрицательно заряженные — анионами. Ионы бывают простые, т.е. одноатомные (K⁺, Cl⁻), и сложные (${\text{NH}}_4^{+}$, ${\text{NO}}_3^{-}$), одно- (Na⁺, Cl⁻) и многозарядные (Fe³⁺, ${\text{PO}}_4^{3-}$).

1. Для данного элемента простой ион и нейтральный атом имеют одинаковое число протонов и нейтронов, но различаются числом электронов: у катиона их меньше, а у аниона больше, чем у электронейтрального атома.

2. Масса простого или сложного иона такая же, как и масса соответствующей электронейтральной частицы.

Следует иметь в виду, что далеко не все вещества состоят из молекул.

Вещества, состоящие из молекул, называют веществами молекулярного строения. Это могут быть как простые (аргон, кислород, фуллерен), так и сложные (вода, метан, аммиак, бензол) вещества.

Молекулярное строение имеют все газы и практически все жидкости (исключение — ртуть); твердые вещества могут иметь как молекулярное (сахароза, фруктоза, иод, белый фосфор, фосфорная кислота), так и немолекулярное строение (алмаз, черный и красный фосфор, карборунд SiC, поваренная соль NaCl). В веществах молекулярного строения связи между молекулами (межмолекулярное взаимодействие) слабые. При нагревании они легко разрушаются. Именно по этой причине вещества молекулярного строения имеют сравнительно низкие температуры плавления и кипения, летучи (вследствие этого часто имеют запах).

Вещества немолекулярного строения состоят из электронейтральных атомов либо простых или сложных ионов. Из электронейтральных атомов состоят, например, алмаз, графит, черный фосфор, кремний, бор, а из простых и сложных ионов — соли, например KF и NH₄NO₃. Из положительно заряженных атомов (катионов) состоят металлы. Немолекулярное строение имеют также карборунд SiC, оксид кремния(IV) SiO₂, щелочи (KOH, NaOH), большинство солей (KCl, CaCO₃), бинарные соединения металлов с неметаллами (основные и амфотерные оксиды, гидриды, карбиды, силициды, нитриды, фосфиды), интерметаллиды (соединения металлов друг с другом). В веществах немолекулярного строения отдельные атомы или ионы связаны между собой прочными химическими связями, поэтому при обычных условиях эти вещества твердые, нелетучи, имеют высокие температуры плавления.

Например, сахароза (молекулярное строение) плавится при 185 °С, а хлорид натрия (немолекулярное строение) — при 801 °С.

В газовой фазе все вещества состоят из молекул, и даже те, которые при обычной температуре имеют немолекулярное строение. Например, при высокой температуре в газовой фазе обнаружены молекулы NaCl, K₂, SiO₂.

Для веществ, разлагающихся при нагревании (CaCO₃, KNO₃, NaHCO₃), получить молекулы нагреванием вещества нельзя

Молекулярные вещества составляют основу органического мира, а немолекулярные — неорганического (минерального) мира.

Химическая формула. Формульная единица. Химическое уравнение

Состав любого вещества выражается с помощью химической формулы. Химическая формула — это изображение качественного и количественного состава вещества с помощью символов химических элементов, а также числовых, буквенных и других знаков.

Для простых веществ немолекулярного строения химическая формула совпадает со знаком химического элемента (например, Cu, Al, B, Р). В формуле простого вещества молекулярного строения указывают (если необходимо) число атомов в молекуле: O₃, P₄, S₈, C₆₀, C₇₀, C₈₀ и т.д. Формулы благородных газов всегда записывают с одним атомом: He, Ne, Ar, Xe, Kr, Rn. При записи уравнений химических реакций химические формулы некоторых многоатомных молекул простых веществ можно (если специально не оговорено) записывать в виде символов элементов (одиночных атомов): P₄ → P, S₈ → S, C₆₀ → C (нельзя это делать для озона О₃, кислорода О₂, азота N₂, галогенов, водорода).

Для сложных веществ молекулярного строения различают эмпирическую (простейшую) и молекулярную (истинную) формулы. Эмпирическая формула показывает наименьшее целочисленное соотношение чисел атомов в молекуле, а молекулярная формула — истинное целочисленное соотношение атомов. Например, истинная формула этана С₂H₆, а простейшая — CН₃. Простейшую формулу получают делением (сокращением) чисел атомов элементов в истинной формуле на какое-либо подходящее число. Например, простейшую формулу этана получили делением чисел атомов С и Н на 2.

Простейшая и истинная формулы могут как совпадать (метан CH₄, аммиак NH₃, вода H₂O), так и не совпадать (оксид фосфора(V) Р₄О₁₀, бензол C₆H₆, пероксид водорода Н₂О₂, глюкоза C₆H₁₂O₆).

Химические формулы позволяют рассчитывать массовые доли атомов элементов в веществе.

Массовая доля w атомов элемента Э в веществе определяется по формуле

$w\left(\text{Э}\right)=\frac{A_{\text{r}}\left(\text{Э}\right)\cdot N\left(\text{Э}\right)}{M_{\text{r}}\left(\text{В}\right)}$, (1.2)

где N(Э) — число атомов элемента в формуле вещества; M _r(В) — относительная молекулярная (формульная) масса вещества.

Например, для серной кислоты M _r(H₂SO₄) = 98, тогда массовая доля атомов кислорода в этой кислоте

$w\left(\text{O}\right)=\frac{A_{\text{r}}\left(\text{O}\right)\cdot N\left(\text{O}\right)}{M_{\text{r}}\left({\text{H}}_2{\text{SO}}_4\right)}=\frac{16\cdot 4}{98}\approx \mathrm{0,653}\left(\mathrm{65,3}\text{ \%}\right)$.

Для всех сложных веществ немолекулярного строения химические формулы являются эмпирическими и отражают состав не молекул, а так называемых формульных единиц.

Формульная единица (ФЕ) — группа атомов, соответствующая простейшей формуле вещества немолекулярного строения.

Таким образом, химические формулы веществ немолекулярного строения — это формульные единицы. Примеры формульных единиц: KOH, NaCl, CaCO₃, Fe₃C, SiO₂, SiC, KNa₂, CuZn_3, Al₂O₃, NaH, Ca₂Si, Mg₃N₂, Na₂SO₄, K₃PO₄ и т.д.

Формульные единицы можно рассматривать как структурные единицы веществ немолекулярного строения. Для веществ молекулярного строения таковыми, очевидно, являются реально существующие молекулы.

С помощью химических формул записываются уравнения химических реакций.

Химическое уравнение — это условная запись химической реакции с помощью химических формул и других знаков (равно, плюс, минус, стрелками др.).

Химическое уравнение является следствием закона сохранения массы, поэтому оно составляется так, чтобы числа атомов каждого элемента в его обеих частях были равными.

Цифры перед формулами называются стехиометрическими коэффициентами, при этом единица не записывается, но подразумевается (!) и учитывается при подсчете общей суммы стехиометрических коэффициентов. Стехиометрические коэффициенты показывают, в каких мольных отношениях реагируют исходные вещества и образуются продукты реакции. Например, для реакции, уравнение которой

3Fe₃O₄ + 8Al = 9Fe + 4Al₂O₃

$\frac{n\left({\text{Fe}}_3{\text{O}}_4\right)}{n\left(\text{Al}\right)}=\frac{3}{8}$; $\frac{n\left(\text{Al}\right)}{n\left(\text{Fe}\right)}=\frac{8}{9}$ и т.д.

В схемах реакций коэффициенты не расставляют и вместо знака равенства используют стрелку:

FeS₂ + O₂ → Fe₂O₃ + SO₂

Стрелка применяется и при записи уравнений химических реакций с участием органических веществ (чтобы не путать знак равно с двойной связью):

CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂Br–CH₂Br,

а также уравнений электрохимической диссоциации сильных электролитов:

NaCl → Na⁺ + Cl⁻.

Закон постоянства состава

Для веществ молекулярного строения справедлив закон постоянства состава (Ж. Пруст, 1808): всякое вещество молекулярного строения независимо от способа и условий получения имеет постоянный качественный и количественный состав.

Из закона постоянства состава следует, что в молекулярных соединениях элементы должны находиться в строго определенных массовых пропорциях, т.е. иметь постоянную массовую долю. Это верно, если изотопный состав элемента не изменяется. Например, массовая доля атомов водорода в воде независимо от способа ее получения из природных веществ (синтез из простых веществ, нагревание медного купороса CuSO₄ · 5H₂O и др.) будет всегда равна 11,1 %. Однако в воде, полученной взаимодействием молекул дейтерия (нуклид водорода с A _r ≈ 2) и природного кислорода (A _r = 16), массовая доля атомов водорода

$w\left(\text{H}\right)=\frac{2\cdot 2}{2\cdot 2+16}=\mathrm{0,2} (20 \%)$.

Вещества, подчиняющиеся закону постоянства состава, т.е. вещества молекулярного строения, называются стехиометрическими.

Вещества немолекулярного строения (особенно карбиды, гидриды, нитриды, оксиды и сульфиды металлов d-семейства) закону постоянства состава не подчиняются, поэтому их называют нестехиометрическими. Например, в зависимости от условий получения (температура, давление) состав оксида титана(II) переменный и колеблется в пределах TiO_0,7–TiO_1,3, т.е. в кристалле этого оксида на 10 атомов титана может приходиться от 7 до 13 атомов кислорода. Однако для многих веществ немолекулярного строения (KCl, NaOH, CuSO₄) отклонения от постоянства состава весьма незначительны, поэтому можно считать, что их состав практически не зависит от способа получения.

Относительная молекулярная и формульная масса

Для характеристики веществ соответственно молекулярного и немолекулярного строения вводятся понятия «относительная молекулярная масса» и «относительная формульная масса», которые обозначаются одинаковым символом — M _r

Относительная молекулярная масса — безразмерная физическая величина, которая показывает, во сколько раз масса молекулы больше 1/12 части массы атома нуклида С-12:

$M_{\text{r}}\left(\text{B}\right)=\frac{m_{\text{мол}}\left(\text{B}\right)}{\text{u}}$. (1.5)

Относительная формульная масса — безразмерная физическая величина, которая показывает, во сколько раз масса формульной единицы больше 1/12 части массы атома нуклида С-12:

$M_{\text{r}}\left(\text{B}\right)=\frac{m_{\text{ФЕ}}\left(\text{B}\right)}{\text{u}}$. (1.6)

Формулы (1.5) и (1.6) позволяют находить массу молекулы или ФЕ:

m _{(мол, ФЕ)} = uM _r. (1.7)

На практике значения M _r находят суммированием относительных атомных масс элементов, образующих молекулу или формульную единицу, с учетом числа отдельных атомов. Например:

M _r(H₃PO₄) = 3A _r(H) + A _r(P) + 4A _r(O) =

= 3 ⋅ 1 + 31 + 4 ⋅ 16 = 98.