Строение веществ. Систематика химических элементов (стр. 1 из 3)
С.Ю. Елисеев, А.В. Врублевский
Основные химические понятия и законы. Строение атома. Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева.
Химия – наука, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения.
Вещество – это конкретный вид материи, обладающий определенными физическими и химическими свойствами, состав которого может быть выражен химической формулой.
Химической реакцией называется процесс превращения одних веществ в другие.
Способность вещества участвовать в тех или иных химических реакциях характеризует его химические свойства.
Простое вещество состоит из атомов одного и того же химического элемента.
Химические соединения состоят из атомов нескольких элементов.
Атомно – молекулярное учение
Атомы – мельчайшие химические частицы, являющиеся пределом химического разложения любого вещества.
Химический элемент представляет собой вид атомов с одинаковым положительным зарядом ядра.
Другими словами, атом – это наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства.
В настоящее время известно 117 химических элементов, из которых 92 встречаются в природе.
Абсолютное большинство различных веществ состоит из молекул.
Молекула – наименьшая частица вещества, способная существовать самостоятельно и сохраняющая его основные химические свойства.
Массы атомов химических элементов чрезвычайно малы: ~ 10-27 – 10-25 кг. В химии пользуются относительными значениями масс атомов (Ar, где r – «относительный», от англ. relative).
Относительная атомная масса – это масса атома, выраженная в атомных единицах массы. За атомную единицу массы принята 1/12 часть массы атома нуклида
:1 а.е.м. =
.Относительная атомная масса – величина безразмерная.
Соответственно, относительная молекулярная масса Mr вещества – это масса его молекулы, выраженная в а.е.м.
Единицей измерения количества вещества (n) является моль.
Моль – количество вещества, содержащее столько структурных элементарных единиц (атомов, молекул, ионов, электронов и т.д.), сколько содержится атомов в 0,012 кг изотопа углерода 12С.
Число атомов NA в 0,012 кг углерода, или в 1 моль, легко определить следующим образом:
.Величина NA называется постоянной Авогадро.
Основные стехиометрические законы химии
Стехиометрия – раздел химии, рассматривающий количественные соотношения между реагирующими веществами.
Закон сохранения массы: масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.
Закон постоянства состава: всякое чистое вещество, независимо от способа его получения, имеет постоянный качественный и количественный состав.
Закон применим только к соединениям с молекулярной структурой.
Закон эквивалентов: массы реагирующих друг с другом веществ, а также массы продуктов этой реакции пропорциональны молярным массам эквивалентов этих веществ.
Например, в условной реакции А + 2В = 3С + Д
mА : mВ : mС : mД = ЭА : ЭВ : ЭС : ЭД,
где m – масса веществ, а Э – молярная масса эквивалентов.
Другими словами можно сказать, что вещества реагируют и образуются в эквивалентных количествах. Один эквивалент одного вещества всегда взаимодействует с одним эквивалентом другого.
Эквивалент – реальная или условная частица, которая может присоединять, высвобождать или быть каким–либо другим образом эквивалентна одному иону водорода в кислотно–основных реакциях или одному электрону в окислительно–восстановительных реакциях.
При использовании понятия «эквивалент» всегда необходимо указывать, к какой ионной реакции оно относится.
Законы газового состояния
Закон объемных отношений (Гей–Люссака): при неизменных температуре и давлении объемы вступающих в реакцию газов относятся друг к другу, а также к объемам образующихся газообразных продуктов как небольшие целые числа.
Закон Авогадро: в равных объемах любых газов при одинаковых условиях (Т, р) содержится равное количество молекул.
Следствия из закона Авогадро:
При одинаковых условиях 1 моль любого газа занимает одинаковый объем.
При н.у. 1 моль различных газов занимает объем 22,4 л (молярный объем газа, л/моль).
Отношение масс равных объемов различных газов равно отношению их молекулярных масс:
где m1 и m2 – массы, а
и 
– молекулярные массы первого и второго газов. 
- относительная плотность первого газа по второму.Тогда
Объединенный газовый закон:
р0 = 101325 Па, Т0 = 0 ºС (273,15 К),
где р0, V0, Т0 – соответственно давление, объем, температура при н.у.; р, V, Т – те же параметры данного количества газообразного вещества при других условиях.
Для 1 моль любого газа при н.у.:
- универсальная газовая постоянная.R = 8,314 Дж/(моль×К)
Для 1 моля газа тогда имеем:
Это уравнение состояния идеального газа.
Если количество газа другое, то получим уравнение Менделеева – Клапейрона:
(n – число молей данного вещества).Закон парциальных давлений: общее давление смеси газов, химически не взаимодействующих друг с другом, равно сумме парциальных давлений газов, составляющих смесь:
где р – общее давление; р1, р2 … - парциальные давления газов 1, 2 …
Парциальное давление газа в смеси – давление, которое производило бы это же количество данного газа, если бы он один занимал при этой же температуре весь объем, занимаемый смесью.
Строение атома
Атом – электронейтральная система, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.
Ядра атомов состоят из двух типов частиц (нуклонов) – протонов (р) и нейтронов (n). Заряд протона равен по величине и противоположен по знаку заряду электрона; масса его равна приблизительно одной а.е.м. Нейтрон – незаряженная частица с массой, приблизительно равной массе протона.
Линейные размеры атома - ~10-8 см, ядра - ~10-12-10-13 см.
Основная масса атома сосредоточена в ядре и характеризуется массовым числом А, равным сумме чисел протонов (заряда ядра) Z и нейтронов N: А=Z+N.
Главной характеристикой атома является заряд ядра (Z). Он определяет число электронов, находящихся вокруг ядра, т.е. принадлежность атома к данному виду химических элементов, и соответствует атомному номеру (в периодической системе элементов – порядковому номеру) элемента.
В обозначении атома элемента отражаются массовое число и количество протонов -
, например 
.Относительная атомная масса элемента является средней величиной массовых чисел его природных изотопов с учетом степени их распространения. Например, хлор в природе находится в основном в виде двух изотопов -
(75,43%) и 
(24,57%). Относительная атомная масса хлора составляет 
.Основой современной теории строения атома являются законы и положения квантовой (волновой) механики – раздела физики, изучающего движение микрообъектов.
Микрообъекты обладают одновременно корпускулярными и волновыми свойствами. Для описания движения микрочастиц используется вероятностный подход, то есть определяется не их точное положение, а вероятность нахождения в той или иной области околоядерного пространства.
Состояние электрона в атоме описывается с помощью квантовомеханической модели – электронного облака, плотность соответствующих участков которого пропорциональна вероятности нахождения электрона. Обычно под электронным облаком понимают область околоядерного пространства, которая охватывает примерно 90% электронного облака. Эта область пространства называется также орбиталью.
Существует система квантовых чисел, которая определяет состояние электрона в атоме.
Главное квантовое число n определяет энергию электрона и размер электронного облака. Оно может принимать целочисленные значения от 1 до
.