Лекция 1 Место химии в системе естественных наук

Лекция 1. Место химии в системе естественных наук. Атомно-молекулярное учение. Основные понятия и законы химии.

Естественные науки - разделы науки, отвечающие за изучение внешних по отношению к человеку, природных явлений. Естествознание Способ познания мира Эмпирический материал Идеализированные образы Химия, биология, география… Математическое описание физика математика

Идеализированные образы

Математическое описание

“Пока математические законы описывают действительность, они неопределённы, а когда они перестают быть неопределенными, они теряют связь с действительностью” (А. Эйнштейн)

Эксперимент Э. Резерфорда с рассеянием альфа-частиц толщина золотой фольги - 4· 10 -5 см вероятный угол рассеяния частиц - 0, 870. Для чрезвычайно редких (1 из 20000 измерений) случаев рассеяние на угол более 90 градусов по теории вероятностей составляет - 3 10 -2174

ТРИ признака естественнонаучного знания Истинность - определяется принципом достаточного основания: всякая истинная мысль должна быть обоснована другими мыслями, истинность которых доказана.

Интерсубъективность – каждый исследователь должен получать одинаковые результаты при изучении одного и того же объекта в одних и тех же условиях.

Системность научного знания подразумевает его строгую индуктивно-дедуктивную структуру.

Ø Парадигма – набор убеждений, ценностей и техник, разделяемых членами данного научного сообщества. Ø Запретная зона – та область в данной научной дисциплине, исследования в которой подавляющим большинством ученых принято считать «ненаучными» , «антинаучными» и т. д.

Основные парадигмы современной химии: - атомно-молекулярное строение вещества, - электронная природа химической связи, - периодический закон Запретные зоны: трансмутация (алхимическое превращение элементов)

Ø Химия – наука о превращениях веществ, связанных с изменением электронного окружения ядер.

Объект изучения: Вещество – форма материи, обладающая массой покоя, состоящая из элементарных частиц: электронов, протонов, нейтронов и т. д.

Простые вещества Образованы атомами одного хим. элемента и потому являются формой его существования в свободном состоянии, например, сера, железо, озон, алмаз.

Химический элемент – это вид атомов, характеризующийся определенными зарядами ядер и строением электронных оболочек.

Эксперимент география химия вещество Атомы, молекулы, ионы и т. д. Газы (молекулы, ионы) геосферы атмосфера гидросфера Растворы (ионы, молекулы) литосфера Минералы (соединения) Органические соединения биосфера

Атомно-молекулярное учение Ø Все вещества состоят из молекул. Ø Молекула - наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами.

ØМолекулы состоят из атомов. ØАтом – наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Различным элементам соответствуют различные атомы.

ØМолекулы и атомы находятся в непрерывном движении; между ними существуют силы притяжения и отталкивания.

Ø Атомное ядро – центральная часть атома, состоящая и Z протонов и N нейтронов, в которой сосредоточена основная масса атомов. 63 Сu и 2965 Cu 29

ØЗаряд ядра – положительный, по величине равен количеству протонов в ядре или электронов в нейтральном атоме и совпадает с порядковым номером элемента в ПС.

ØМассовое число А = Z + N.

Изотопы – химические элементы с одинаковыми зарядами ядер, но различными массовыми числами за счет разного числа нейтронов в ядре

Химическая формула – это условная запись состава вещества с помощью химических знаков и индексов. (Й. Берцелиус, 1814).

Химические реакции явления, при которых одни вещества, обладающие определенным составом и свойствами, превращаются в другие вещества - с другим составом и другими свойствами. При этом в составе атомных ядер изменений не происходит.

Химическая реакция

Ø Международная единица атомных масс: 1 а. е. м. = 1/12 m (12 C) = 1, 66057 10 -24 г Ø Относительная атомная масса:

Средняя абсолютная масса атома: m = Ar а. е. м. m(Mg) = 24, 312· 1, 66057· 10 -24 = 4, 037· 10 -23 г.

относительная молекулярная масса:

Ø абсолютная масса молекулы: Ø mм = Мr а. е. м.

ØМоль – количество вещества, содержащее столько же частиц, сколько содержится атомов в 12 г углерода, Молярная масса: г/моль

Валентность (от лат. valentia – сила), способность атома присоединять или замещать определенное число других атомов или атомных групп с образованием химической связи. Количественной мерой валентности атома элемента Э служит число атомов водорода или кислорода (эти элементы принято считать соответственно одно- и двухвалентными), которые Э присоединяет, образуя гидрид ЭНх или оксид Эn. Оm.

Закон сохранения массы веществ (М. В. Ломоносов, 1748 г. , А. Лавуазье, 1789 г. ) Ø Масса всех веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе всех продуктов реакции.

Закон постоянства состава (Ж. Пруст, 1808 г. ) (классическая формулировка) Ø Все индивидуальные химические вещества имеют постоянный качественный и количественный состав и определенное химическое строение, независимо от способа получения.

Сложные вещества образованы разными элементами и могут иметь состав постоянный (стехиометрические соединения или дальтониды)

Ø меняющиеся в некоторых пределах (нестехиометрические соединения или бертоллиды). Соединения переменного состава: Fe. O 1, 02 – Fe. O 1, 19

Новая формулировка Химические соединения с молекулярной структурой имеют один и тот же состав и свойства независимо от способа получения; химические соединения с ионной структурой имеют в кристаллическом (или жидком) состоянии один и тот же состав только при строгом соблюдении постоянства всех условий получения вещества

Закон эквивалентов Ø Массы веществ, вступающих в химическую реакцию, равны или кратны мольным (молярным массам их эквивалентов. Ø Эквивалент – химическая единица, которая может присоединять или выделять в реакции один атом или ион водорода.

Эквивалентная масса – масса элемента, которая присоединяет или замещает в соединении 1, 008 массовых частей водорода или 8, 000 частей кислорода (или 12 массовых частей углерода 12 С)

Закон кратных отношений (Д. Дальтон, 1803 г. ) Ø Если два химических элемента дают несколько соединений, то весовые доли одного и того же элемента в этих соединениях, приходящиеся на одну и ту же весовую долю второго элемента, относятся между собой как небольшие целые числа.

валентность

Закон объемных отношений (Гей-Люссак, 1808 г. ) Ø Объемы газов, вступающих в химические реакции, и объемы газов, образующихся в результате реакции, относятся между собой как небольшие целые числа.

Следствие Стехеометрические коэффициенты в уравнениях химических реакций для молекул газообразных веществ показывают, в каких объемных отношениях реагируют или получают газообразные вещества

Закон Авогадро (1811 г. ) 1 моль – 6, 02 · 1023 частиц - NA Ø В равных объемах различных газов при одинаковых условиях (температура, давление и т. д. ) содержится одинаковое число молекул.

Следствия: Одно и то же число молекул различных газов при одинаковых условиях занимает одинаковые объемы. При нормальных условиях (00 С (273 К), 1 атм (101, 3 к. Па, 760 мм. рт. ст. ) 1 моль любого газа занимает объем 22, 4 л.

Объединенный газовый закон

ØПри р = const (закон Гей-Люссака)

ØПри Т = const (закон Бойля – Мариотта)

ØПри V = const (закон Шарля)

Уравнение состояния идеального газа (Клайперона) Ø при m = const

Уравнение Менделеева – Клайперона

Относительная плотность газа –

Средняя молекулярная масса смеси газов

Роль химии

Химический состав Земли и Космических тел