Химия, біз оның негізгі ұғымдарын қарастырамыз, бұл заттар мен олардың құрылымы мен құрамының, демек қасиеттерінің өзгеруімен болатын түрленуін зерттейтін ғылым. Ең алдымен, «субстанция» деген терминнің нені білдіретінін анықтау қажет. Бұл туралы кең мағынада айтатын болсақ, бұл тыныштық массасы бар материяның түрі. Зат дегеніміз кез келген элементар бөлшек, мысалы, нейтрон. Химияда бұл ұғым тар мағынада қолданылады.
Алдымен химия, атом және молекула ғылымының негізгі терминдері мен ұғымдарына қысқаша сипаттама берейік. Осыдан кейін біз оларды түсіндіреміз, сонымен қатар осы ғылымның кейбір маңызды заңдылықтарын айтамыз.
Химияның негізгі ұғымдары (зат, атом, молекула) әрқайсымызға мектеп кезінен таныс. Төменде олардың, сондай-ақ басқа, соншалықты айқын емес терминдер мен құбылыстардың қысқаша сипаттамасы берілген.
Атомдар
Біріншіден, химияда зерттелетін заттардың барлығы атом деп аталатын ұсақ бөлшектерден тұрады. Нейтрондар бұл ғылымның зерттеу объектісі болып табылмайды. Сондай-ақ атомдар бір-бірімен қосыла алады, нәтижесінде химиялық байланыстар пайда болады деп айту керек. Үшінбұл байланысты үзу үшін энергия қажет. Демек, атомдар қалыпты жағдайда («асыл газдарды» қоспағанда) жеке өмір сүрмейді. Олар бір-бірімен кем дегенде жұппен байланысады.
Үздіксіз жылу қозғалысы
Үздіксіз жылулық қозғалыс химия зерттейтін барлық бөлшектерді сипаттайды. Бұл ғылымның негізгі ұғымдарын бұл туралы айтпай айту мүмкін емес. Үздіксіз қозғалыс кезінде бөлшектердің орташа кинетикалық энергиясы температураға пропорционал болады (бірақ жеке бөлшектердің энергиялары әртүрлі екенін ескеру керек). Ekin=kT / 2, мұндағы k - Больцман тұрақтысы. Бұл формула қозғалыстың кез келген түріне жарамды. Ekin=mV2 / 2 болғандықтан, массивтік бөлшектердің қозғалысы баяу. Мысалы, температура бірдей болса, оттегі молекулалары көміртегі молекулаларына қарағанда орта есеппен 4 есе баяу қозғалады. Себебі олардың массасы 16 есе көп. Қозғалыс тербелмелі, трансляциялық және айналмалы. Діріл сұйық, қатты және газ тәрізді заттарда байқалады. Бірақ трансляциялық және айналу газдарда оңай орындалады. Бұл сұйықтықтарда қиынырақ, ал қатты заттарда одан да қиын.
Молекулалар
Химия туралы негізгі ұғымдар мен анықтамаларды сипаттауды жалғастырайық. Егер атомдар бір-бірімен қосылып, шағын топтар түзсе (оларды молекулалар деп атайды), мұндай топтар жылулық қозғалысқа қатысады, біртұтас тұтастай әрекет етеді. Типтік молекулаларда 100-ге дейін атомдар болады, олардың саны да солаймакромолекулалық қосылыстар 105-ке жетуі мүмкін.
Молекулярлық емес заттар
Алайда атомдар жиі 107-ден 1027-ге дейінгі үлкен ұжымдарға біріктіріледі. Бұл пішінде олар жылулық қозғалысқа іс жүзінде қатыспайды. Бұл бірлестіктердің молекулаларға ұқсастығы шамалы. Олар қатты дененің бөліктеріне ұқсайды. Бұл заттар әдетте молекулалық емес деп аталады. Бұл жағдайда жылу қозғалысы бөліктің ішінде жүзеге асырылады және ол молекула сияқты ұшпайды. Сондай-ақ 105-тен 107-ге дейінгі мөлшердегі атомдардан тұратын бірлестіктерді қамтитын өтпелі өлшем диапазоны бар. Бұл бөлшектер өте үлкен молекулалар немесе олар ұнтақтың ұсақ түйірлері.
Иондар
Атомдар мен олардың топтарында электр заряды болуы мүмкін екенін ескеру керек. Бұл жағдайда олар негізгі ұғымдары біз зерттейтін химия сияқты ғылымда иондар деп аталады. Бір аттас зарядтар әрқашан бірін-бірі тебетіндіктен, белгілі бір зарядтардың айтарлықтай артық мөлшері бар зат тұрақты бола алмайды. Кеңістіктегі теріс және оң зарядтар әрқашан кезектесіп отырады. Ал зат тұтастай электрлік бейтарап болып қалады. Электростатикада үлкен деп саналатын зарядтар химия тұрғысынан елеусіз екенін ескеріңіз (105-1015 атомдар үшін - 1e).
Химиядағы зерттеу объектілері
Түсіндіру керек, химияның зерттеу объектілері болып, оларда жоқ құбылыстар табылады.атомдар жойылады, бірақ тек қайта топталады, яғни олар жаңа жолмен біріктіріледі. Кейбір сілтемелер бұзылып, нәтижесінде басқалары пайда болады. Басқаша айтқанда, бастапқы заттардың құрамына кірген атомдардан жаңа заттар пайда болады. Алайда, атомдар да, олардың арасындағы байланыстар да сақталса (мысалы, молекулалық заттардың булануы кезінде), онда бұл процестер енді химияның емес, молекулалық физиканың зерттеу саласы болып табылады. Атомдар пайда болған немесе жойылған жағдайда, біз ядролық немесе атомдық физиканың зерттеу пәндері туралы айтып отырмыз. Дегенмен, химиялық және физикалық құбылыстардың шекарасы бұлыңғыр. Өйткені, жеке ғылымдарға бөлу шартты, ал табиғат бөлінбейтін. Сондықтан химиктерге физиканы білу өте пайдалы.
Химия туралы негізгі түсініктерді біз қысқаша сипаттадық. Енді оларды толығырақ қарастыруға шақырамыз.
Атомдар туралы толығырақ
Атомдар мен молекулалар химияны байланыстыратын нәрсе. Бұл негізгі ұғымдар нақты анықталуы керек. Атомдардың бар екендігі екі мың жыл бұрын керемет түрде болжанған. Содан кейін, 19 ғасырда ғалымдардың эксперименттік деректері болды (әлі де жанама). Әңгіме Авогадроның еселік қатынасы, құрамның тұрақтылық заңдары (төменде химияның осы негізгі ұғымдарын қарастырамыз). Көптеген тікелей эксперименттік растаулар пайда болған 20 ғасырда атомды зерттеу жалғасты. Олар спектроскопиялық мәліметтерге, рентген сәулелерінің шашырауына, альфа бөлшектеріне, нейтрондарға, электрондарға және т.б. негізделген. Бұл бөлшектердің өлшемі шамамен 1 E=1о-10мин. Олардың массасы шамамен 10-27 - 10-25 кг. Бұл бөлшектердің ортасында оң зарядты ядро орналасқан, оның айналасында теріс зарядты электрондар қозғалады. Ядроның көлемі шамамен 10-15 м. Атомның көлемін электронды қабық анықтайды, бірақ оның массасы ядрода толығымен дерлік шоғырланған. Химияның негізгі ұғымдарын ескере отырып, тағы бір анықтаманы енгізу керек. Химиялық элемент - ядро заряды бірдей атом түрі.
Көбінесе атомның химиялық бөлінбейтін заттың ең кішкентай бөлшегі ретінде анықтамасы бар. «Химиялық» дегенді қалай түсінуге болады? Жоғарыда атап өткеніміздей, құбылыстарды физикалық және химиялық деп бөлу шартты болып табылады. Бірақ атомдардың болуы шартсыз. Сондықтан химияны олар арқылы емес, атомдарды химия арқылы анықтаған дұрыс.
Химиялық байланыс
Бұл атомдарды біріктіреді. Бұл олардың жылу қозғалысының әсерінен шашырауына жол бермейді. Біз байланыстардың негізгі сипаттамаларын атап өтеміз - бұл ядроаралық қашықтық пен энергия. Бұл да химияның негізгі ұғымдары. Байланыстың ұзындығы жеткілікті жоғары дәлдікпен эксперименталды түрде анықталады. Энергия - бұл да, бірақ әрқашан емес. Мысалы, күрделі молекуладағы бір байланысқа қатысты оның қандай екенін объективті түрде анықтау мүмкін емес. Дегенмен, барлық бар байланыстарды үзу үшін қажетті заттың атомизациялық энергиясы әрқашан анықталады. Байланыс ұзындығын біле отырып, қандай атомдар байланысқанын (олардың ара қашықтығы қысқа), қайсысы байланыспайтынын (қашықтығы ұзақ) анықтауға болады.қашықтық).
Координация нөмірі және үйлестіру
Аналитикалық химияның негізгі ұғымдарына осы екі термин кіреді. Олар нені білдіреді? Білейік.
Координациялық сан – белгілі бір атомның ең жақын көршілерінің саны. Басқаша айтқанда, бұл оның химиялық байланысы бар адамдар саны. Координация – көршілердің салыстырмалы жағдайы, түрі және саны. Басқаша айтқанда, бұл ұғым неғұрлым мағыналы. Мысалы, аммиак пен азот қышқылының молекулаларына тән азоттың координациялық саны бірдей – 3. Бірақ олардың координациясы әртүрлі – жазық емес және жазық. Ол байланыстың табиғаты туралы идеяларға тәуелсіз анықталады, ал тотығу дәрежесі мен валенттілік координация мен құрамды алдын ала болжау үшін жасалған шартты ұғымдар.
Молекуланың анықтамасы
Біз химияның негізгі ұғымдары мен заңдылықтарын қысқаша қарастыра отырып, бұл ұғымға тоқталып өттік. Енді осыған толығырақ тоқталайық. Оқулықтар көбінесе молекуланы химиялық қасиеттері бар және де өз бетінше өмір сүруге қабілетті заттың ең кішкентай бейтарап бөлшегі ретінде анықтайды. Айта кету керек, бұл анықтама қазір ескірген. Біріншіден, барлық физиктер мен химиктер молекула деп атайтын нәрсе заттың қасиеттерін сақтамайды. Су диссоциацияланады, бірақ бұл үшін кемінде 2 молекула қажет. Судың диссоциациялану дәрежесі 10-7. Басқаша айтқанда, бұл процесті тек бір молекула ғана өткізе алады.10 миллионнан. Егер сізде бір, тіпті жүз молекула болса, оның диссоциациясы туралы түсінік ала алмайсыз. Өйткені, химиядағы реакциялардың жылу эффектілері әдетте молекулалар арасындағы әрекеттесу энергиясын қамтиды. Сондықтан оларды олардың біреуі таба алмайды. Молекулалық заттың химиялық және физикалық қасиеттерін молекулалардың үлкен тобынан ғана анықтауға болады. Сонымен қатар, тәуелсіз өмір сүруге қабілетті «ең кішкентай» бөлшек шексіз үлкен және әдеттегі молекулалардан өте ерекшеленетін заттар бар. Молекула шын мәнінде электр заряды жоқ атомдар тобы болып табылады. Белгілі бір жағдайда бұл бір атом болуы мүмкін, мысалы, Ne. Бұл топ диффузияға, сондай-ақ жалпы жылу қозғалысының басқа түрлеріне қатыса алуы керек.
Көріп отырғаныңыздай, химияның негізгі ұғымдары соншалықты қарапайым емес. Молекула - бұл мұқият зерттеуді қажет ететін нәрсе. Оның молекулалық салмағы сияқты өзіндік қасиеттері бар. Соңғысы туралы қазір айтатын боламыз.
Молекулалық салмақ
Тәжірибе арқылы молекулалық салмақты қалай анықтауға болады? Бір жол салыстырмалы будың тығыздығына сәйкес Авогадро заңына негізделген. Ең дәл әдіс - масс-спектрометрлік. Молекуладан электрон шығып кетеді. Алынған ион алдымен электр өрісінде жеделдетіледі, содан кейін магниттік ауытқиды. Зарядтың массаға қатынасы ауытқу шамасымен дәл анықталады. Сондай-ақ шешімдердің қасиеттеріне негізделген әдістер бар. Дегенмен, бұл барлық жағдайларда молекулалар міндетті түрде боладықозғалыста болуы керек – ерітіндіде, вакуумде, газда. Егер олар қозғалмаса, олардың массасын объективті түрде есептеу мүмкін емес. Бұл жағдайда олардың бар екенін анықтау қиын.
Молекулярлық емес заттардың ерекшеліктері
Олар туралы айтатын болсақ, олар молекулалардан емес, атомдардан тұратынын атап өтеді. Дегенмен, асыл газдар үшін де солай. Бұл атомдар еркін қозғалады, сондықтан оларды бір атомды молекулалар деп қарастырған дұрыс. Дегенмен, бұл басты нәрсе емес. Ең бастысы, молекулалық емес заттарда бір-бірімен байланысқан көптеген атомдар бар. Айта кету керек, барлық заттарды молекулалық емес және молекулалық деп бөлу жеткіліксіз. Жалғау арқылы бөлу мағыналырақ. Мысалы, графит пен алмаздың қасиеттерінің айырмашылығын қарастырайық. Екеуі де көміртек, бірақ біріншісі жұмсақ, екіншісі қатты. Олар бір-бірінен қалай ерекшеленеді? Айырмашылық дәл олардың байланысында. Егер графиттің құрылымын қарастыратын болсақ, күшті байланыстардың тек екі өлшемде болатынын көреміз. Бірақ үшіншіден, атомаралық қашықтық өте маңызды, сондықтан күшті байланыс жоқ. Графит бұл қабаттарда оңай сырғып, бөлінеді.
Құрылымдық қосылым
Әйтпесе ол кеңістіктік өлшем деп аталады. Ол кеңістік өлшемдерінің санын білдіреді, олардың үздіксіз (шексіз дерлік) өзектер жүйесі (мықты байланыстар) болуымен сипатталады. Ол қабылдай алатын мәндер 0, 1, 2 және 3. Сондықтан үш өлшемді байланысқан, қабатты, тізбекті және аралдық (молекулалық) құрылымдарды ажырату қажет.
Заңкомпозицияның консистенциясы
Біз химияның негізгі ұғымдарын үйрендік. Мазмұнды біз қысқаша қарап шықтық. Енді оған қатысты заңға тоқталайық. Әдетте ол былай тұжырымдалады: кез келген жеке зат (яғни таза), қалай алынғанына қарамастан, бірдей сандық және сапалық құрамға ие. Бірақ «таза субстанция» термині нені білдіреді? Білейік.
Осыдан екі мың жыл бұрын заттардың құрылымын әлі тікелей әдістермен зерттеу мүмкін болмаған кезде, бізге таныс химияның негізгі химиялық ұғымдары мен заңдары тіпті болмаған кезде ол сипаттамалық жолмен анықталған. Мысалы, су теңіздер мен өзендердің негізін құрайтын сұйықтық. Оның иісі, түсі, дәмі жоқ. Оның осындай қату және балқу нүктелері бар, мыс сульфаты одан көк түске айналады. Тұзды теңіз суы таза емес болғандықтан. Дегенмен, тұздарды дистилляция арқылы бөлуге болады. Шамамен осылайша сипаттамалық әдіспен химияның негізгі химиялық ұғымдары мен заңдары анықталды.
Ол кездегі ғалымдар үшін әртүрлі тәсілдермен (сутегін жағу, витриолды сусыздандыру, теңіз суын айдау) оқшауланған сұйықтықтың құрамы бірдей болатыны анық емес еді. Ғылымдағы үлкен жаңалық осының дәлелі болды. Оттегі мен сутегінің қатынасы біркелкі өзгермейтіні белгілі болды. Бұл элементтер атомдардан - бөлінбейтін бөліктерден тұрады дегенді білдіреді. Заттардың формулалары осылайша алынды, ал ғалымдардың молекулалар туралы ойы дәлелденді.
БҚазіргі кезде кез келген зат анық немесе жанама түрде балқу температурасымен, дәмімен немесе түсімен емес, ең алдымен формуласымен анықталады. Су - H2O. Егер басқа молекулалар болса, ол енді таза болмайды. Демек, таза молекулалық зат тек бір текті молекулалардан тұратын зат болып табылады.
Алайда бұл жағдайда электролиттер туралы не деуге болады? Өйткені, олардың құрамында тек молекулалар емес, иондар бар. Неғұрлым қатаң анықтама қажет. Таза молекулалық зат деп бір типті молекулалардан, сондай-ақ, мүмкін, олардың қайтымды жылдам айналуының (изомерлену, ассоциация, диссоциация) өнімдерінен тұратын затты айтады. Бұл контексте «жылдам» сөзі бұл өнімдерден құтыла алмайтынымызды білдіреді, олар бірден қайтадан пайда болады. «Қайтарылатын» сөзі түрлендірудің аяқталмағанын көрсетеді. Әкелсе, тұрақсыз деп айту керек. Бұл жағдайда ол таза зат емес.
Зат массасының сақталу заңы
Бұл заң ерте заманнан бері метафоралық түрде белгілі. Ол материяның жаратылмайтын және жойылмайтынын айтты. Содан кейін оның сандық тұжырымы келді. Оған сәйкес салмақ (ал 17 ғасырдың аяғынан бастап масса) зат мөлшерінің өлшемі болып табылады.
Бұл заңды өзінің әдеттегі түрінде 1748 жылы Ломоносов ашқан. 1789 жылы оны француз ғалымы А. Лавуазье толықтырды. Оның заманауи тұжырымы келесідей естіледі: химиялық реакцияға түсетін заттардың массасы нәтижесінде алынған заттардың массасына тең.ол.
Авогадро заңы, газдардың көлемдік қатынасы заңы
Олардың соңғысын 1808 жылы француз ғалымы Ж. Л. Гей-Люссак тұжырымдаған. Бұл заң қазір Гей-Люссак заңы деп аталады. Оның пікірінше, әрекеттесетін газдардың көлемдері бір-бірімен, сондай-ақ пайда болған газ тәрізді өнімдердің көлемдерімен кіші бүтін сандармен байланысты.
Гей-Люссак ашқан заңдылық сәл кейінірек, 1811 жылы итальяндық ғалым Амедео Авогадро ашқан заңды түсіндіреді. Онда бірдей жағдайда (қысым мен температура) көлемі бірдей газдарда молекулалар саны бірдей болатыны айтылады.
Авогадро заңынан екі маңызды нәтиже шығады. Біріншісі, бірдей жағдайларда кез келген газдың бір моль бірдей көлемді алады. Олардың кез келгенінің көлемі қалыпты жағдайда (олар температурасы 0 ° C, сондай-ақ қысымы 101,325 кПа) 22,4 литрді құрайды. Бұл заңның екінші салдары келесідей: тең жағдайларда көлемі бірдей газдардың массаларының қатынасы олардың молярлық массаларының қатынасына тең болады.
Айта кететін тағы бір заң бар. Бұл туралы қысқаша сөйлесейік.
Периодтық заң және кесте
D. И. Менделеев элементтердің химиялық қасиеттеріне және атом-молекулалық теорияға сүйене отырып, бұл заңды ашты. Бұл оқиға 1869 жылы 1 наурызда болды. Периодтық заң табиғаттағы ең маңыздылардың бірі болып табылады. Оны былай тұжырымдауға болады: элементтердің қасиеттері және түзілгенолардың күрделі және жай заттар атомдарының ядроларының зарядтарына периодты тәуелділікте болады.
Менделеев жасаған периодтық жүйе жеті период пен сегіз топтан тұрады. Топтар оның тік бағандары болып табылады. Олардың әрқайсысының құрамындағы элементтер ұқсас физикалық және химиялық қасиеттерге ие. Топ өз кезегінде ішкі топтарға (негізгі және қосымша) бөлінеді.
Бұл кестенің көлденең жолдары нүктелер деп аталады. Олардың құрамындағы элементтер бір-бірінен ерекшеленеді, бірақ оларда ортақ нәрсе бар - олардың соңғы электрондары бір энергетикалық деңгейде орналасқан. Бірінші кезеңде тек екі элемент бар. Бұл сутегі Н және гелий He. Екінші кезеңде сегіз элемент бар. Төртіншіде олардың саны 18. Менделеев бұл кезеңді бірінші үлкен кезең деп белгіледі. Бесіншіде де 18 элемент бар, оның құрылымы төртіншіге ұқсас. Алтыншыда 32 элемент бар. Жетіншісі аяқталмаған. Бұл кезең францийден (Fr) басталады. Ол алтыншы сияқты 32 элементтен тұрады деп болжауға болады. Дегенмен, әзірге тек 24 табылды.
кері қайтару ережесі
Қайтару ережесіне сәйкес, барлық элементтер өздеріне жақын асыл газдың 8-электрондық конфигурациясына ие болу үшін электрон алуға немесе жоғалтуға бейім. Иондану энергиясы – электронды атомнан бөлуге қажет энергия мөлшері. Кері қайтару ережесі периодтық кестеде солдан оңға қарай жылжыған кезде электронды шығару үшін көбірек энергия қажет екенін айтады. Сондықтан сол жағындағы элементтер электрон жоғалтуға бейім. Қарсы,оң жағындағылар оны алуға асық.
Біз химияның заңдары мен негізгі ұғымдарын қысқаша сипаттадық. Әрине, бұл жалпы ақпарат. Бір мақаланың аясында мұндай салмақты ғылым туралы егжей-тегжейлі айту мүмкін емес. Біздің мақалада жинақталған химияның негізгі ұғымдары мен заңдары әрі қарай зерттеу үшін бастапқы нүкте ғана болып табылады. Шынында да, бұл ғылымда көптеген тараулар бар. Мысалы, органикалық және бейорганикалық химия бар. Бұл ғылымның әрбір тарауының негізгі ұғымдарын өте ұзақ уақыт бойы зерттеуге болады. Бірақ жоғарыда келтірілгендер жалпы сұрақтар. Демек, бұл органикалық химияның, сондай-ақ бейорганикалықтардың негізгі ұғымдары деп айта аламыз.
