Основные понятия и законы химии Введение В комплект заданий Республиканской заочной школы в настоящее время входят пособия, содержащие теоретические разделы углубленного курса химии. Разумеется, издано много различных учебников для средней школы и пособий для поступающих в вузы. Однако не все разделы в них изложены в равной мере полно, научно и доступно. При составлении пособий для наших учащихся использовано большое число источников, которые недоступны учащимся средних школ, и особенно тем из них, кто не имеет возможности регулярно покупать новейшую литературу и посещать крупные библиотеки. Использованы также наши собственные разработки, не раз успешно примененные в процессе многолетнего преподавания химии. Данная система пособий окажет вам действенную помощь, и вы сможете справиться с наиболее сложными заданиями тестирования и экзаменов. Ниже приведены избранные разделы пособий для учащихся Республиканской заочной школы. Надеемся, что после ознакомления с ними вы захотите пройти полный курс обучения в нашей школе. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ХИМИИ Предмет и задачи химии Химия — наука о веществах и законах, которым подчиняются превращения одних веществ в другие вещества. Современная химия подразделяется на неорганическую, органическую, физическую, аналитическую и химию высокомолекулярных соединений. Неорганическая химия изучает химические элементы и их соединения. Основными задачами неорганической химии являются определение состава и строения неорганических веществ, разработка методов их синтеза и очистки. Неорганические вещества используются в чистом виде или как компоненты конструкционных материалов, удобрений, ядерного и ракетного топлива, фармацевтических препаратов. Органическая химия изучает соединения углерода. Основными задачами органической химии являются: установление состава и строения органических веществ, связи состава и строения со свойствами, разработка методов их получения и очистки. Органические вещества в чистом виде или их смеси используются в качестве горючего для различных типов двигателей, конструкционных материалов, красителей, лекарственных препаратов. Физическая химия объясняет химические явления на основе законов физики и с использованием физических экспериментальных методов. Физическая химия занимается изучением химических связей, закономерностей протекания химических реакций, электрохимических, фотохимических и других процессов. Аналитическая химия изучает методы определения химического состава веществ и их смесей. Аналитическая химия включает качественный и количественный анализ. Качественный анализ дает возможность определять, из каких компонентов состоят вещества и их смеси, количественный анализ позволяет устанавливать количественные соотношения между этими компонентами. Химия высокомолекулярных соединений занимается изучением веществ, состоящих из макромолекул. Задачами этого раздела химии является определение состава и строения веществ, имеющих большие молекулярные массы (от нескольких сотен до многих миллионов а. е. м.), разработка методов их синтеза. Высокомолекулярные соединения используются в чистом виде или как компоненты пластмасс, химических волокон, клеев, ионитов. Явления физические и химические Явления, т. е. изменения, происходящие с веществами, подразделяются на физические и химические. Те явления, которые не приводят к изменению состава и строения веществ, называются физическими. Здесь происходит только изменение скорости движения частиц, образующих вещества, и расстояния между ними. К физическим явлениям относятся переходы веществ из одних агрегатных состояний в другие (плавление цинка, сублимация йода, сжижение газообразного аммиака), электрические явления (разогревание и свечение вольфрамового проводника при прохождении через него электрического тока), фотоэффект (испускание электронов кремнием при облучении светом). Известен ряд физических явлений, в результате которых происходит изменение состава и строения ядер атомов, что приводит к образованию новых веществ. К таким явлениям относятся ядерные реакции. Например: 1 F 99 + 11p 2 1 Ne 0 0 + Химическими явлениями, или химическими реакциями, называются явления, при которых из одних веществ непосредственно или при взаимодействии с другими веществами образуются новые вещества, отличающиеся от исходных по составу, строению и свойствам. При химических явлениях происходит разрыв химических связей в исходных веществах и образование химических связей в продуктах реакции. Ядра атомов при этом остаются всегда неизменными. Например: Здесь и далее в скобках приводятся примеры. to = Cu + 4 HNO3 (конц.) Cu ( NO3)2 + 2 NO2 + 2 H2O to , H2SO4 CH3OH + CH3COOН CH3COOCH3 + H2O Химические явления могут сопровождаться физическими явлениями (выделением или поглощением теплоты, изменением цвета веществ, образованием или растворением осадков, выделением газов и т. п.). Физические явления также могут иногда сопровождаться химическими явлениями. Например: эл.ток 2 CH3COONa + 2 H2O === H2 + C2H6 + 2 CO2 + 2 NaOH Место химии среди естественных наук Наряду с математикой, физикой и биологией химия играет важную роль в познании природы. Для современного естествознания характерно все возрастающее взаимодействие этих наук. Так, знание математических методов позволяет вести теоретические химические исследования, планировать химические эксперименты и обрабатывать их результаты. Широко используются в химической науке физические методы исследования (спектроскопия, рентгенография, калориметрия, резонансные методы). На основе установленных в биологии путей синтеза веществ в организмах животных и растений разрабатываются способы их химического синтеза. В свою очередь химические методы исследования широко применяются в биологии и медицине. С их помощью осуществляется установление состава и строения организмов растений, животных и человека, изучение процессов, протекающих в них. Без веществ, получаемых химическими методами, невозможно развитие ядерной физики и электронной техники. На стыке химии с другими науками возникли и успешно развиваются такие пограничные области знаний, как биохимия, геохимия, космохимия и другие. Химия и экология Перед человечеством стоит серьезная проблема: вредное воздействие на окружающую среду промышленного и сельскохозяйственного производства, бытовых отходов. Для решения задач в области охраны окружающей среды создаются малоотходные и полностью безотходные технологии (из шлаков, образующихся в процессе производства чугуна, получают шлакобетон и ситаллы; из отходов, образующихся при переработке апатитов в процессе производства фосфорных удобрений, —соду, цемент, алюминий, редкоземельные металлы). Подвергаются очистке сточные воды промышленных предприятий, сельскохозяйственных предприятий и населенных пунктов. Наиболее распространенные методы очистки сводятся к осаждению, фильтрованию и нейтрализации примесей с последующим обеззараживанием с помощью хлора. Одним из наиболее надежных способов очистки сточных вод является биохимическое окисление органических примесей (например: фенола, щелоков целлюлозного производства и т. п.). Очистка сточных вод металлургических предприятий осуществляется с помощью ионообменных смол (например: ионы меди, свинца, никеля, цинка и других металлов извлекаются с помощью катионитов). Очищенная вода на промышленных предприятиях снова используется в процессе производства. Отходящие газы промышленных предприятий также содержат большое число веществ, загрязняющих окружающую среду. Для очистки газов используются разнообразные методы. Чаще всего применяется поглощение вредных газообразных веществ различными реагентами (SO2 и NO2 поглощаются раствором Ca (OH)2; летучие органические соединения поглощаются такими адсорбентами, как активированный уголь, цеолиты). В области охраны окружающей среды развивается международное сотрудничество. Осуществляется обмен прогрессивными технологиями утилизации твердых отходов, очистки сточных вод и отходящих газов различных производств. Принят ряд международных законов по запрету использования некоторых вредных для окружающей среды веществ (запрещено использование фреонов, вызывающих разрушение озонового слоя Земли). Все более широкое использование ресурсосберегающих и безотходных технологий позволяет надеяться на улучшение экологической обстановки в наиболее развитых в промышленном отношении странах и впоследствии во всем мире. Применение законов химии в повседневной жизни Ежедневно люди используют большое число различных веществ и осуществляют многие химические реакции. При этом необходимо знать свойства веществ для их безопасного и рационального использования. Необходимо знать и закономерности протекания химических реакций для того, чтобы ускорить, замедлить или не допустить вообще некоторые из них. Например: бензин горюч, его пары в смеси с воздухом взрывоопасны, поэтому он должен храниться в герметичных емкостях в специально отведенных помещениях и в местах, недоступных для детей; фотореактивы, средства борьбы с грызунами и насекомыми токсичны, и они должны храниться в специально маркированных емкостях в сухом прохладном месте, вдали от пищевых продуктов и в местах, недоступных для детей; нельзя осуществлять химчистку с помощью больших объемов горючих растворителей, так как искрение тканей от накопившегося статического электричества может вызвать их воспламенение или взрыв паров; после завершения работ для предохранения от коррозии стальные инструменты необходимо насухо вытереть, а перед длительным хранением обработать поверхность металлических изделий каким–либо из смазочных масел; ферментативные моющие средства должны использоваться при температуре, указанной в инструкции, так как ферменты термолабильны и при повышенной температуре их действие замедляется или прекращается вообще; приготовление пищи необходимо осуществлять в закрытой эмалированной посуде или посуде из нержавеющей стали при оптимальном температурном режиме и длительности процесса, что позволяет осуществить в необходимой мере реакции гидролиза белков и углеводов и свести к минимуму возможность окисления кислородом воздуха содержащихся в ней витаминов, а также их термического и каталитического разложения; сохранению консервированных в домашних условиях продуктов способствует использование уксусной кислоты и бензоата натрия, замедляющих работу ферментов микроорганизмов. Атомно–молекулярное учение Атомно–молекулярное учение создавалось на протяжении нескольких веков учеными многих стран. Его основные положения в настоящее время формулируются следующим образом: вещества состоят из атомов, молекул или ионов; атомы, молекулы и ионы каждого вида характеризуются определенным набором физических и химических свойств; простые вещества состоят из одинаковых атомов или молекул, образованных одинаковыми атомами, сложные вещества — из различных атомов, молекул или ионов, образованных различными атомами; при физических явлениях (за исключением ядерных реакций) частицы, из которых состоят вещества, сохраняются, происходит только изменение скорости самопроизвольного хаотического движения частиц и расстояния между ними; при химических явлениях из частиц, входивших в состав исходных веществ, образуются частицы, из которых состоят продукты реакции, имеющие другой состав и строение. Ядра атомов остаются при этом неизменными. Происходит перестройка электронных оболочек реагирующих частиц. Развитие физики и химии приводит к уточнению и углублению положений атомно– молекулярного учения, которые продолжают входить в систему фундаментальных положений естествознания. Атом, молекула, ион, вещество Атом — способная к самостоятельному существованию электронейтральная микрочастица, состоящая из ядра, включающего протоны и нейтроны, и движущихся вокруг него электронов. Молекула — способная к самостоятельному существованию микрочастица, состоящая из атомов, соединенных ковалентными связями. электронейтральная Ион — способная к самостоятельному существованию заряженная микрочастица, в которую превратился атом в результате отдачи или присоединения электронов или молекула в результате отдачи или присоединения электронов или протонов. Формульная единица — группа атомов, которые составляют условную микрочастицу, соответствующую простейшему составу вещества или части реальной микрочастицы: NaCl, 1/2 H2SO4, 1/3Al3+, 1/5 MnO4–. Вещество — вид материи, обладающий массой покоя. Свойства веществ зависят от их состава, строения, условий в которых они находятся или взаимодействуют с другими веществами. Различают физические и химические свойства веществ. Физические свойства — характерные качества веществ, которыми они отличаются друг от друга, за исключением способности превращаться в другие вещества. К физическим свойствам относятся агрегатное состояние, плотность, температура плавления, температура кипения, электрическая проводимость, диэлектрическая проницаемость, растворимость и т. п. Химические свойства — способность веществ при определенных условиях превращаться в другие вещества непосредственно или при взаимодействии с какими–либо иными веществами.