Превращение вещества

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРЕВРАЩЕНИЕ ВЕЩЕСТВА

Содержание

Введение. Превращение вещества

1. Атомно-молекулярная теория

2. Закон сохранения массы и энергии

3. Периодический закон и Периодическая система

4. Теория химического строения

Введение. Превращение вещества

Для получения разнообразных веществ применяются как физические, так и химические методы. К первым относятся: растворение в воде, фильтрование и выпаривание растворов, дистилляция, электролиз; ко вторым: смешивание растворов, нагревание веществ, проведение реакций с использованием пламени, взрывов. Например, воду можно получить при взрыве смеси кислорода и водорода, двуокись углерода - при сжигании угля. Применяя электролиз (пропуская электрический ток через раствор) можно расщепить на элементы поваренную соль. При этом на одном электроде образуются пузырьки зеленоватого ядовитого удушливого газа (хлор), на другом - выделяется серебристо-серый металл (натрий).

Провести четкую границу между физическими и химическими методами невозможно: нагревание минерала, например, похоже на физический процесс, но оно же может привести и к химическим изменениям.

Превращения веществ, которые сопровождаются изменением их состава и строения, изучаются химией. К числу её основных задач относятся задачи синтеза и анализа.

Химический синтез представляет собой целенаправленное получение сложных веществ из более простых. Он основывается на знании их молекулярного строения и реакционной способности последних. Посредством синтеза создаются многие вещества.

Химический анализ представляет собой обратную задачу и связан с разложением сложных веществ на более простые. Как правило, анализ проводится с целью определения химического состава исходного вещества. При анализе происходит разложение исходного вещества на химические элементы.

Смешивание элементов приводит к таким образованиям, как соединения и смеси. Если насыпать кучу из песка, соли, железной пыли, древесных опилок и хорошо их перемешать, то, в какой бы пропорции они ни были взяты, их всегда можно снова разделить (например, с помощью ковша, воды и магнита). В данном случае мы имеем дело со смесью. Если песок состоит из камушков, то это грубая смесь, если же песок и другие частицы очень малы, то смесь называется тонкой.

Можно приготовить еще более тонкие смеси различных веществ, например, растворяя поваренную соль в воде, сливая вместе воду и спирт или сплавляя цинк и медь для получения латуни. Это - молекулярные смеси. В отличие от грубых и даже тонких смесей, их нельзя рассортировать вручную. Воздух тоже представляет собой смесь; это смесь азота, кислорода, углекислого газа, гелия и некоторых благородных газов.

Пропорции, в которых составляются смеси, могут быть разными, но смеси всегда можно разделить. Например, можно выпарить воду из раствора соли, провести дистилляцию спирта, выделить электролизом медь, охладить газы до жидкого состояния и дать им поочередно выкипеть. Но что касается составных частей смесей (поваренной соли, воды, спирта и др.), то все они обнаруживают постоянные физические свойства (плотность, температуру плавления, кристалличность и т.п.). Ни одна из них не проявляет никаких признаков смесей: части, из которых они состоят, входят в них в постоянных пропорциях. Такие вещества называют соединениями.

Соединения в любом количестве, вплоть до последней молекулы, однородны по составу. В них атомы одного или нескольких элементов соединены между собой тем ли иным видом химической связи. В преобладающем большинстве случаев химические соединения подчинены законам постоянства состава и кратных отношений. В настоящее время известно свыше трех миллионов химических соединений.

Определение химического соединения практически совпадает с определением молекулы: мельчайшая частица вещества, которая обладает всеми его характерными свойствами. Молекула представляет собой всегда одинаковую дл одного и того же химического соединения группу атомов, удерживаемых вместе электрическими силами. Примеры химических соединений: вода (Н₂О), серная кислота (H₂SO₄), поваренная соль (NaCl).

Количественный и качественный состав молекулы выражается химическими формулами. Для записи этих формул используются соответствующие химические знаки и индексы, указывающие, сколько одноименных атомов находится в молекуле (СО₂ - один атом углерода и 2 атома кислорода).

Различают формулы:

- эмпирические (или брутто-формулы), показывающие общее число атомов в молекуле: С₂Н₆О (этиловый спирт);

- рациональные, в которых выделяются группы атомов, характерные для данного класса соединений: С₂Н₅ОН;

- структурные, которые характеризуют расположение атомов в молекуле:

Н Н

Н-С-С-О-Н

Н Н

Вещества, расщепить которые на еще более простые вещества (нагревом до очень высоких температур, повторным электролизом, воздействием агрессивными веществами и т.п.) оказывается невозможно, называют химическими элементами. Железо, углерод, медь, ртуть, йод - это все элементы. Латунь и воздух - смеси, вода и поваренная соль - соединения. При синтезе, разложении и превращении веществ сами элементы никогда не меняются. Образование какого-либо вещества из других веществ посредством химических превращений возможно только в том случае, если в этих других веществах присутствуют все необходимые элементы.

Превращения одних веществ в другие, отличные по химическому составу и строению, называются химическими реакциями. Последние характеризуются соотношением участвующих в них веществ, степенью превращения, константами скорости и равновесия, энергией активации, тепловым эффектом.

В процессе химических реакций происходит обмен электронами между атомами, что и приводит в конце концов к превращению одних веществ в другие.

Химические реакции классифицируют:

по числу молекул, участвующих в элементарном акте (моно- или бимолекулярные реакции);

по кинетическому механизму (последовательные, параллельные, сопряженные);

по характеру химического процесса (разложение, окисление, полимеризация);

по типам частиц, участвующих в превращении (ионные, радикальные, молекулярные);

по фазовому состоянию реагирующей системы (газо-, жидко- и твердофазные);

по области протекания реакции (гомогенные - в объеме фазы, гетерогенные - на поверхности раздела фаз).

При проектировании и исследовании химических реакций используют уравнения, показывающие, как атомы элементов соединяются или замещают друг друга.

В качестве примера химических реакций рассмотрим превращения, происходящие с углекислым газом. Это - тяжелый бесцветный газ. Он образуется, в частности, при сжигании угля или при окислении и расщеплении питательных веществ в живом организме. В процессе горения атомы углерода присоединяют к себе по 2 молекулы кислорода, образуя молекулы СО₂:

С + О₂ = СО₂

В обычных условиях углекислый газ не отдает свой кислород для поддержания горения других веществ, т.к. атомы кислорода связаны в нем очень прочно. Именно поэтому углекислотой можно погасить не только легкое пламя, но и большой пожар. Углекислый газ слегка ядовит: для живого организма он вреден тем, что препятствует нормальному газообмену в легких. Он растворяется в воде, придавая ей кисловатый привкус (достаточно вспомнить газированную воду). При растворении его в воде получается непрочное химическое соединение, известное под названием угольной кислоты (гидрокарбоната):

СО₂ + Н₂О = Н₂СО₃

Если добавить в раствор угольной кислоты поваренной соли (хлористого натрия), то образуется сложная смесь. В подобных растворах вещества расщепляются электролизом на электрически заряженные атомы или группы атомов, называемые ионами:

Н₂СО₃ + NaCl = Na⁺ + Cl^- + 2H⁺ + CO₃^-

Нельзя сказать, что здесь есть хлористый натрий и угольная кислота, или соляная кислота и карбонат натрия, или даже смесь всех 4-х веществ, т.к. каждая комбинация то объединяется, то расщепляется снова, так что все молекулы находятся в неустойчивом состоянии. Для того чтобы расстроить установившееся равновесие, необходимо удалить из раствора какое-либо вещество. Однако сделать это нелегко, т.к. все они растворены в воде.

Если взять смесь растворов карбоната натрия (соды) и хлористого кальция, то эта смесь тоже будет содержать совокупность ионов: натрия, кальция, хлора и карбоната. Но в этом случае ни одна из полученных комбинаций в воде не растворима. Поэтому случайные столкновения между ионами приводят к образованию молекул карбоната кальция, которые не растворяются в воде, а выпадают из раствора в виде мельчайших белых крупинок мела. Такой процесс происходит необратимо до тех пор, пока в растворе не останется углекислого кальция. Полученный при этом осадок, будучи отфильтрованным и просушенным, представляет собой чистый мел:

Na₂CO₃ + CaCl₂ > CaCO₃v + 2NaCl

Если мел CaCO₃ прокалить, то он превращается в известь и углекислый газ:

CaCO₃ = CaO + CO₂

Здесь стрелки, направленные в обе стороны, показывают, что реакция может идти в любом направлении в зависимости от температуры. Именно так получают на практике известь, которая широко используется в химической промышленности и в сельском хозяйстве.

Главным объектом химии являются вещества и их превращения. К числу основополагающих обобщений химии относятся: атомно-молекулярная теория, закон сохранения массы и энергии, Периодическая система и теория химического строения.

1. Атомно-молекулярная теория

Создателем атомно-молекулярной теории и первооткрывателем закона сохранения массы вещества является М.В.Ломоносов. Он четко различал 2 ступени в строении вещества: элементы и корпускулы (в нашем понимании - атомы и молекулы). Согласно Ломоносову, молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, а молекулы сложных веществ - из разных атомов. Всеобщее признание атомно-молекулярная теория получила в начале XIX века после утверждения в химии атомистики Дж. Дальтона. С тех пор главным объектом исследования химии стали молекулы.

Химией молекул продолжает оставаться современная органическая химия. Даже в твердом состоянии в узлах кристаллической решетки органических веществ находятся молекулы, т.е. они имеют молекулярную структуру. Однако для неорганических соединений молекулярная форма существования вещества характерна лишь для газо- и парообразного состояния. Подавляющее большинство твердых неорганических веществ не имеет молекулярной структуры, существует в виде макротел (например, кусок меди, кристалл поваренной соли и т.п.). Твердые тела молекулярной структуры среди неорганических веществ (кристаллический йод, твердый диоксид углерода) скорее являются исключениями.

Т.о. современная химия - это не только химия микрочастиц (атомов, молекул, ионов, радикалов и т.п.), но и химия макротел. Органические макротела характеризуются молекулярной структурой, чего не имеет большинство неорганических макротел. Последние состоят из атомов или одного и того же химического элемента (простое вещество), или разных элементов (химическое соединение).

2. Закон сохранения массы и энергии

Несмотря на то, что еще в 1760 году Ломоносов сформулировал, по существу, единый закон сохранения массы энергии, до начала ХХ века закон сохранения массы и закон сохранения энергии обычно рассматривались независимо друг от друга. Химия имело дело в основном с первым законом, а физика - со вторым. В 1905 году основоположник современной физики А.Эйнштейн показал, что между массой и энергией существует взаимосвязь, количественно выражаемая уравнением:

E = mc²,

где E - энергия, m - масса, c - скорость света в вакууме.

Вследствие исключительно большой величины квадрата скорости света очень малые изменения массы ведут к колоссальному изменению энергии. 1 кДж соответствует изменению массы 2^.10^-13 кг. Если считать, что тепловые эффекты составляют несколько сотен килоджоулей, то соответствующие изменения массы имеют порядка 10^-11 - 10^-12 кг. Это изменение массы лежит за пределами чувствительности современных весов, поэтому вследствие энергетических эффектов им обычно пренебрегают. Но ядерная химия и энергетика имеют дело с явлениями, в которых энергия измеряется миллионами и миллиардами килоджоулей. Здесь изменением массы в связи с изменением энергии пренебрегать нельзя.

Из закона взаимосвязи массы и энергии нельзя заключать, что масса превращается в энергию. Масса и энергия неотделимы от материи, но они не эквивалентны друг другу и не превращаются друг в друга: масса является одним из свойств материи, мерой её инерции, энергия же - мера её движения.

3. Периодический закон и Периодическая система

Неорганическая химия изучает свойства элементов, выявляет общие закономерности химического взаимодействия между ними. Самой важной из этих закономерностей является Периодический закон и его табличное выражение - Периодическая система. Понимание физического смысла периодического закона позволило разобраться в строении атома. Оказалось, что периодичность изменения свойств химических элементов и их соединений связана с повторяющейся структурой электронных оболочек их атомов, химические и некоторые физические свойства элементов зависят от структуры электронных оболочек и особенно их наружных слоев.

Периодическая система является научной основой изучения важнейших свойств элементов и их соединений. Она играет огромную роль в учении о естественной и искусственной радиоактивности, освобождении внутриядерной энергии. На Периодической системе полностью построены гео- и космохимия.

Периодический закон и Периодическая система продолжают развиваться и уточняться. В настоящее время Периодический закон формулируется следующим образом:

свойства элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра их атомов.

Т.о. положительный заряд ядра оказался более точным, чем атомная масса, интегральным показателем свойств химических элементов и их соединений. химический синтез реакция молекулярный

Важнейшим за последние годы событием в развитии периодической системы явилось упразднение в ней нулевой группы. Она была введена Д.И.Менделеевым для объединения элементов, которые назывались в то время инертными газами. Открытие валентно-химических соединений ксенона и его аналогов, изучение их химических свойств показало, что благородные газы являются элементами главной подгруппы VIII группы Периодической системы.

Один из основоположников геохимии акад. А.Е.Ферсман писал:

"Будут появляться и умирать новые теории, блестящие обобщения… Величайшие открытия и эксперименты будут сводить на нет прошлое и открывать на сегодня невероятные по новизне и широте горизонты, все это будет приходить и уходить, но Периодический закон Менделеева будет всегда жить и руководить исканиями".

4. Теория химического строения

Фундаментальной задачей химии является изучение зависимости между химическим строением вещества и его свойствами. Последние, как теперь известно, зависят прежде всего от его химического строения.

Сравнительно недавно считалось, что свойства вещества определяются его качественным и количественным составом. Выдающийся русский ученый А.М.Бутлеров установил, что "химическая натура сложной частицы определяется натурой элементарных составных частиц, количеством их и химическим строением". Это положение является фундаментальным законом химии. И современная его формулировка утверждает, что

свойства молекулы определяются природой составляющих её атомов, их количеством и химическим строением молекулы.

Т.о. первоначально теория химического строения относилась только к соединениям, имеющим молекулярную структуру. В настоящее же время она рассматривается как общехимическая теория. Сегодня, согласно ей, химическое строение - это не только порядок элементной связи атомов и их взаимное влияние в веществе, но и направления и прочность связей, межатомные расстояния, распределение плотности электронного облака, эффективные заряды атомов и т.п. Оказывается, что химическое строение вещества определяется в первую очередь характером химической связи между атомами. Поэтому основу современной теории химического строения составляет учение о химических связях.

Размещено на Allbest.ru