М о д у л ь 1. Основні поняття і закони хімії
Т е м а 1 (вступна). Основні поняття і закони хімії.
1.1. Рекомендації до вивчення теоретичного матеріалу
Хімія є однією з природничих наук, яка вивчає речовини та процеси їх перетворення, що супроводжуються зміною їх складу і структури. Тому серед значної кількості понять, які використовуються в хімії, у першу чергу слід звернути увагу на поняття речовини як форми існування матерії, в якій вона виявляє себе у вигляді елементарних частинок (електрони, протони, нейтрони), атомів, молекул, агрегатів молекул, кристалів, рідини тощо. Слід ще раз уважно розглянути такі фундаментальні поняття, як атом, молекула, іон, елемент, атомні і молекулярні маси, кількість речовини, валентність, ступінь окиснення, а також основні закони хімії.
Атом – найменша, хімічно неподільна електронейтральна частинка речовини, що складається з позитивно зарядженого ядра і електронів.
Молекула – мікрочастинка, утворена з двох і більшого числа атомів, здатна до самостійного існування, і яка зберігає хімічні властивості цієї речовини. Має постійний якісний і кількісний склад і сукупність властивостей, що дозволяють відрізняти одну молекулу від інших за допомогою відповідних реакцій.
Іон – атом або молекула, які одержують електричний заряд у результаті віддачі чи приєднання електронів.
Атомна одиниця маси (а.о.м.) – це 1/12 маси ізотопу карбону 12С ; дорівнює 1,6605·10-24 г . Молекулярна (формульна) маса – маса сукупності атомів у хімічній формулі, виражена в а.о.м.
Молярна маса – маса в грамах одного моля речовини. Чисельні значення молярної (г/моль) і молекулярної (а.о.м.) мас збігаються. Моль – кількість речовини системи, яка містить стільки ж структурних елементів (атомів, молекул, іонів, електронів і інших частинок або груп частинок), скільки атомів містить нуклід карбону 12С масою 12 г. Це число атомів дорівнює 6,0221·1023 (число Авогадро).
Ступінь окиснення – формальній заряд на атомі в молекулі в припущенні, що всі зв’язки в ній іонного типу. Валентність – число зв’язків атома елемента в молекулі.
Знання основних понять і законів хімії є обов'язковою умовою успішного вивчення усіх
наступних розділів цієї науки. Серед значної кількості законів у першу чергу слід звернути
увагу на наступні.
Закон збереження маси й енергії: сумарна маса й енергія речовин, що вступили в реакцію, дорівнюють сумарній масі й енергії продуктів реакції. Треба відзначити, що закон збереження маси, сформульований М.В. Ломоносовим (1748 р.), для хімічних реакцій виконується тільки умовно. Це випливає з рівняння Ейнштейна (1905 р.), яке зв'язує масу й енергію: E = c2×m. Отже, маса повинна змінюватися, оскільки будь-які хімічні реакції супроводжуються енергетичними ефектами. Величина останніх не перевищує звичайно 103 кДж, тому розрахована за рівнянням Ейнштейна зміна маси складає 10-11 кг, що не фіксується жодним з відомих на сьогоднішній день приладом. Дефект маси (сумарна маса вихідних речовин ¹ сумарній масі продуктів реакції), застосовується до ядерних реакцій, що супроводжуються колосальними тепловими ефектами.
Закон сталості складу (Ж.Пруст, 1801 р.): якісний і кількісний склад сполуки з молекулярною будовою (СО2, Н2О, органічні речовини) не залежить від методу його одержання. Зверніть увагу, що у випадку сполук з атомною й іонною будовою закон не виконується (переважна більшість неорганічних сполук складається з іонів, відсоток вакантних позицій у структурі яких досить високий, що і приводить до відхилень від стехіометрії). Речовини, для яких закон виконується, називаються дальтонідами, а ті, для яких не виконується, – бертолідами.
Закон кратних відношень (Дж.Дальтон, 1803 р.): якщо два елементи утворюють між собою кілька сполук з молекулярною будовою, то маси одного з елементів, що приходяться на однакову масу другого, відносяться як невеликі цілі числа.
Закон Авогадро (1811 р.): у рівних об¢ємах різних газів за однакових умов (Р,Т) міститься однакове число молекул. З цього закону можна одержати кілька наслідків:
- молярний об¢єм різних газів (Vm) за однакових умов – величина постійна (за нормальних умов (н.у.) [T = 273 K, Р = 101325 Па] Vm = 22,4 л/моль);
- відносна густина одного газу по іншому дорівнює відношенню їхніх молярних мас;
- об¢єми газів, що беруть участь у реакції, відносяться між собою як невеликі цілі числа (закон об'ємних відносин);
- мольні й об'ємні частки для суміші газів однакові.
Необхідно пам'ятати, що закон Авогадро і його наслідки виконуються тільки для ідеальних газів, у яких відсутні межмолекулярні взаємодії і молекули не мають власного об¢єму. Стан ідеального газу описується за допомогою трьох параметрів: тиск, об¢єм, температура.
Закон Бойля-Маріота. Для даної маси газу при ізотермічних процесах (Т= const) : Р1V1 = P2V2.
Закон Гей-Люсака. Для ізобарних процесів (Р = const): Т1V2 = Т2V1.
Закон Шарля. Для ізохорних процесів (V=const): Т1Р2 = Т2Р1.
Об'єднаний газовий закон : Р1V1 / T1 = P2V2/T2.
Якщо в об'єднаному газовому законі використовувати параметри нормальних умов для одного моля газу, то можна одержати універсальну газову постійну R. Рівняння Клапейрона-Менделєєва для будь-якої кількості речовини записується таким чином:
РV = nRT. Оскільки n = m/M, то в розгорнутому виді воно записується так:
РV = mRT/M.
Закон Дальтона: загальний тиск суміші газів дорівнює сумі парціальних тисків компонентів: Р = РА + РВ + РС +…+Рі.
Парціальний тиск – це тиск, що робив би компонент газової суміші, якби він займав об¢єм, який дорівнює об¢єму всієї суміші.
До основних законів хімії відносяться також закон еквівалентів і періодичний закон, що будуть розглянуті далі окремо.