Химия

Это одна из важнейших и обширных областей естествознания, наука о веществах, их составе и строении, их свойствах, зависящих от состава и строения, их превращениях, ведущих к изменению состава — химических реакциях, а также о законах и закономерностях, которым эти превращения подчиняются. Поскольку все вещества состоят из атомов, которые благодаря химическим связям способны формировать молекулы, то химия занимается, прежде всего, рассмотрением перечисленных выше задач на атомно-молекулярном уровне, то есть на уровне химических элементов и их соединений. Химия имеет связи с физикой и биологией, по сути граница между ними условна, а пограничные области изучаются квантовой химией, химической физикой,физической химией, геохимией, биохимией и другими науками.

Основные понятия

Элементарная частица

Это все частицы, не являющиеся атомными ядрами или атомами (протон — исключение). В узком смысле — частицы, которые нельзя считать состоящими из других частиц (при заданной энергии воздействия/наблюдения). Элементарными частицами также являются электроны (-) и протоны (+).

Атом

Наименьшая частица химического элемента, обладающая всеми его свойствами. Атом состоит из ядра и «облака» электронов вокруг него. Ядро состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Взаимодействуя, атомы могут образовывать молекулы.

Атом — предел химического разложения любого вещества. Простое вещество (если оно не является одноатомным, как, например, гелий He) разлагается на атомы одного вида, сложное вещество — на атомы разных видов.

Атомы (точнее, атомные ядра) неделимы химическим путём.

Молекула

Частица, состоящая из двух или более атомов, которая может самостоятельно существовать. Имеет постоянный качественный и количественный состав. Свойства молекулы зависят от атомов, входящих в её состав, и от характера связей между ними, от молекулярной структуры и от пространственного расположения (изомеры). Может иметь несколько разных состояний и переходить от одного состояния к другому под действием внешних факторов. Свойства вещества, состоящего из определённых молекул, зависят от состояния молекул и от свойств молекулы.

Вещество

В соответствии с классическими научными воззрениями различаются две физические формы существования материи — вещество и поле. Вещество — это форма материи, обладающая массой (масса не равна нулю). Химия изучает большей частью вещества, организованные в атомы, молекулы, ионы и радикалы. Те, в свою очередь, состоят из элементарных частиц: электронов, протонов, нейтронов и т. д.

Простые и сложные вещества. Химические элементы

Среди чистых веществ принято различать простые (состоящие из атомов одного химического элемента) и сложные (образованы из атомов нескольких химических элементов) вещества.

Простые вещества следует отличать от понятий «атом» и «химический элемент».

Химический элемент — это вид атомов с определённым положительным зарядом ядра. Все химические элементы указаны в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева; каждому элементу отвечает свой порядковый (атомный) номер в Периодической системе. Значение порядкового номера элемента и значение заряда ядра атома того же элемента совпадают, то есть химический элемент — это совокупность атомов с одинаковым порядковым номером.

Простые вещества представляют собой формы существования химических элементов в свободном виде; каждому элементу соответствует, как правило, несколько простых веществ (аллотропных форм), которые могут различаться по составу, например атомный кислород O, кислород O2 и озон O3, или по кристаллической решётке, например алмаз и графит для элемента углерод C. Очевидно, что простые вещества могут быть одно- и многоатомными.

Сложные вещества иначе называются химическими соединениями. Этот термин означает, что вещества могут быть получены с помощью химических реакций соединения из простых веществ (химического синтеза) или разделены на элементы в свободном виде (простые вещества) с помощью химических реакций разложения (химического анализа).

Простые вещества представляют собой конечные формы химического разложения сложных веществ. Сложные вещества, образующиеся из простых веществ, не сохраняют химические свойства составляющих веществ.

Суммируя всё сказанное выше, можно записать:

{\displaystyle E{\overset {S}{\underset {A}{\rightleftarrows }}}C}, где
E — простые вещества (элементы в свободном виде),
C — сложные вещества (химические соединения),
S — синтез,
A — анализ.

В настоящее время понятия «синтез» и «анализ» химических веществ используются в более широком смысле. К синтезу относят любой химический процесс, который приводит к получению необходимого вещества и при этом существует возможность его выделения из реакционной смеси. Анализом считается любой химический процесс, позволяющий определить качественный и количественный состав вещества или смеси веществ, то есть установить, из каких элементов составлено данное вещество и каково содержание каждого элемента в этом веществе. Соответственно различают качественный и количественный анализ — две составные части одной из химических наук — аналитической химии.

Металлы и неметаллы

Все химические элементы по их свойствам, то есть свойствам свободных атомов и свойствам образуемых элементами простых и сложных веществ, делят на металлические и неметаллические элементы. Условно к неметаллам относят элементы He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn, F, Cl, Br, I, At, O, S, Se, N, P, C и H. К полуметаллам относятB, Si, Ge, As, Sb, Te, иногда — Po. Остальные элементы считаются металлами.

Чистые вещества и смеси веществ

Индивидуальное чистое вещество обладает определённым набором характеристических свойств. От чистых веществ следует отличать смеси веществ, которые могут состоять из двух или большего числа чистых веществ, сохраняющих присущие им свойства.

Смеси веществ делятся на гомогенные (однородные) и гетерогенные (неоднородные).

Различные примеры возможных смесей веществ в разных агрегатных состояниях
Агрегатное состояние составных частей
(до образования смеси)
Гомогенная смесь
(гомогенная система)
Гетерогенная смесь
(гетерогенная система)
Твёрдое — твёрдое
Твёрдые растворы, сплавы (например латунь, бронза)
Горные породы (например гранит, минералосодержащие руды и др.)
Твёрдое — жидкое
Жидкие растворы (например, водные растворы солей)
Твёрдое в жидком — суспензии или взвеси (например, частицы глины в воде, коллоидные растворы)
Жидкое в твёрдом — жидкость в пористых телах (например, почвы, грунты)
Твёрдое — газообразное
Хемосорбированный водород в платине, палладии, сталях
Твёрдое в газообразном — порошки, аэрозоли, в том числе дым, пыль, смог
Газообразное в твёрдом — пористые материалы (например, кирпич, пемза)
Жидкое — твёрдое
Твёрдые жидкости (например, стекло — твёрдое, но всё же жидкость)
Может принимать разную форму и фиксировать её (например, посуда — разной формы и цвета)
Жидкое — жидкое
Жидкие растворы (например, уксус — раствор уксусной кислоты в воде)
Двух- и многослойные жидкие системы, эмульсии (например, молоко — капли жидкого жира в воде)
Жидкое — газообразное
Жидкие растворы (например, раствор диоксида углерода в воде)
Жидкое в газообразном — аэрозоли жидкости в газе, в том числе туманы
Газообразное в жидком — пены (например, мыльная пена)
Газообразное — газообразное
Газовые растворы (смеси любых количеств и любого числа газов), напр.воздух.
Гетерогенная система невозможна
 

В гомогенных смесях составные части нельзя обнаружить ни визуально, ни с помощью оптических приборов, поскольку вещества находятся в раздробленном состоянии на микроуровне. Гомогенными смесями являются смеси любых газов и истинные растворы, а также смеси некоторых жидкостей и твёрдых веществ, например сплавы.

В гетерогенных смесях либо визуально, либо с помощью оптических приборов можно различить области (агрегаты) разных веществ, разграниченные поверхностью раздела; каждая из этих областей внутри себя гомогенна. Такие области называются фазой.

Гомогенная смесь состоит из одной фазы, гетерогенная смесь состоит из двух или большего числа фаз.

Гетерогенные смеси, в которых одна фаза в виде отдельных частиц распределена в другой, называются дисперсными системами. В таких системах различают дисперсионную среду (распределяющую среду) и дисперсную фазу (раздробленное в дисперсионной среде вещество).

С помощью физических методов разделения можно провести разделение смесей на их составные части, то есть на чистые вещества.

Обзор известных физических методов разделения смесей веществ, используемых в химии и химической технологии

Агрегатное состояние составных частей смеси
Физическое свойство, используемое для разделения
Метод разделения
Твёрдое — твёрдое
Плотность
Отстаивание, седиментация
Смачиваемость
Флотация, пенная флотация
Размер частиц
Просеивание
Растворимость
Экстракция, выщелачивание
Магнетизм
Магнитная сепарация
Твёрдое — жидкое
Плотность
Седиментация, декантация (сливание жидкости с осадка), центрифугирование
Температура кипения жидкости
Выпаривание, дистилляция, осушка
Размер частиц
Фильтрование
Растворимость твёрдого вещества
Кристаллизация
Твёрдое — газообразное
Плотность
Седиментация, центробежная сепарация
Размер частиц
Фильтрование
Электрический заряд
Электрофильтрование
Жидкое — жидкое
Плотность
Отстаивание (в делительной воронке, в маслоотделителе), центрифугирование
Температура кипения
Дистилляция
Растворимость
Экстракция
Жидкое — газообразное
Плотность
Седиментация, центробежная сепарация
Растворимость газа
Отгонка газа (путём повышения температуры), промывание с помощью другой жидкости
Газообразное — газообразное
Температура конденсации
Конденсация
Абсорбируемость
Абсорбция (поглощение объёмом сорбента)
Адсорбируемость
Адсорбция (поглощение поверхностью сорбента)
Размер частиц
Диффузия
Масса
Центрифугирование
 

Чистыми веществами называются вещества, которые при проведении физических методов не разделяются на два или более других веществ и не изменяют своих физических свойств.

В природе не существует абсолютно чистых веществ. Например, так называемый особо чистый алюминий ещё содержит 0,001 % примесей других веществ. Таким образом, абсолютно чистое вещество — это абстракция. Правда, когда речь идёт о каком-либо веществе, то химия пользуется этой абстракцией, то есть считает, что вещество истинно чистое, хотя практически берётся вещество с некоторым содержанием примесей. Конечно, химик должен стремиться использовать в своей практике по возможности чистые вещества, содержащие минимальное количество примесей. Следует учитывать, что даже незначительное содержание примесей может существенно изменить химические свойства вещества.

Различия между смесями веществ и сложными веществами

Смесь
Сложное вещество
Образуется с помощью физического процесса (смешивание чистых веществ)
Образуется с помощью химической реакции (синтез из простых веществ)
Свойства чистых веществ, из которых составлена смесь, остаются неизменными
Свойства простых веществ, из которых получено сложное вещество, в последнем не сохраняются
Чистые вещества (простые и сложные) могут находиться в смеси в любом массовом соотношении
Элементы, входящие в состав сложного вещества, всегда находятся в определённом массовом отношении
Может быть разделена на составные части (чистые вещества) с помощью физических методов
Может быть разложено на составные части (элементы в виде простых веществ) только с помощью химической реакции (анализ)
 

Ион

Это заряженная частица, атом или молекула, которая имеет неодинаковое количество протонов и электронов. Если у частицы больше электронов, чем протонов, то она заряжена отрицательно и называется анион. Например — Cl. Если в частице электронов меньше, чем протонов, значит, она заряжена положительно и называется катион. Например — Na+.

Частица (атом или молекула), содержащая один или несколько неспаренных электронов. В большинстве случаев химическая связь образуется при участии двух электронов. Частица, имеющая неспаренный электрон, очень активна и легко образует связи с другими частицами. Поэтому время жизни радикала в среде, как правило, очень мало.

Химическая связь

Удерживает атомы или группы атомов друг около друга. Различают несколько видов химической связи: ионную, ковалентную (полярную и неполярную), металлическую, водородную.

Периодический закон

Открыт Д. И. Менделеевым 1 марта 1869 года. Современная формулировка: Свойства элементов, а также образуемых ими соединений находятся в периодической зависимости от зарядов ядер их атомов.

Химические реакции

Процессы, протекающие в химическом веществе, или в смесях различных веществ, представляют собой химические реакции. При протекании химических реакций всегда образуются новые вещества.

В сущности это процесс изменения структуры молекулы. В результате реакции количество атомов в молекуле может увеличиваться (синтез), уменьшаться (разложение) или оставаться постоянным (изомеризация,перегруппировка). В ходе реакции изменяются связи между атомами и порядок размещения атомов в молекулах.

Химические реакции выявляют и характеризуют химические свойства данного вещества.

Исходные вещества, взятые для проведения химической реакции, называются реагентами, а новые вещества, образующиеся в результате химической реакции, — продуктами реакции. В общем виде химическая реакция изображается так:

Реагенты → Продукты

Химия изучает и описывает эти процессы как в макромасштабе, на уровне макроколичеств веществ, так и в микромасштабе, на атомно-молекулярном уровне. Внешние проявления химических процессов, протекающих в макромасштабе, нельзя непосредственно перенести на микроуровень взаимодействия веществ и однозначно их интерпретировать, однако такие переходы возможны при правильном использовании специальных химических законов, присущих только микрообласти (атомам, молекулам, ионам, взятым в единичных количествах).

Номенклатура

Это свод правил наименования химических соединений. Поскольку общее число известных соединений больше 20 млн, и их число принципиально неограниченно, необходимо пользоваться чёткими правилами при их наименовании, чтобы по названию можно было воспроизвести их структуру. Существует несколько вариантов наименования органических и неорганических соединений, но стандартом считается номенклатура IUPAC.

Разделы химии

Современная химия — настолько обширная область естествознания, что многие её разделы по существу представляют собой самостоятельные, хотя и тесно взаимосвязанные научные дисциплины.

По признаку изучаемых объектов (веществ) химию принято делить на неорганическую и органическую. Объяснением сущности химических явлений и установлением их общих закономерностей на основе физических принципов и экспериментальных данных занимается физическая химия, включающая квантовую химию, электрохимию, химическую термодинамику, химическую кинетику. Самостоятельными разделами являются также аналитическая и коллоидная химия.

Технологические основы современных производств излагает химическая технология — наука об экономичных методах и средствах промышленной химической переработки готовых природных материалов и искусственного получения химических продуктов, не встречающихся в окружающей природе.

Сочетание химии с другими смежными естественными науками представляют собой биохимия, биоорганическая химия, геохимия, радиационная химия, фотохимия и др.

Общенаучные основы химических методов разрабатываются в теории познания и методологии науки.

  • Агрохимия
  • Аналитическая химия занимается изучением веществ с целью получить представление об их химическом составе и структуре, в рамках этой дисциплины ведётся разработка экспериментальных методов химического анализа.
  • Биоорганическая химия
  • Биохимия изучает химические вещества, их превращения и явления, сопровождающие эти превращения в живых организмах. Тесно связана с органической химией, химией лекарственных средств, нейрохимией, молекулярной биологией и генетикой.
  • Геохимия — наука о химическом составе Земли и планет (космохимия), законах распределения элементов и изотопов, процессах формирования горных пород, почв и природных вод.
  • Квантовая химия
  • Коллоидная химия
  • Косметическая химия
  • Космохимия
  • Математическая химия
  • Материаловедение
  • Медицинская химия
  • Металлоорганическая химия
  • Нанохимия
  • Неорганическая химия изучает свойства и реакции неорганических соединений. Чёткой границы между органической и неорганической химии нет, напротив, существуют дисциплины на стыке этих наук, например, металлоорганическая химия.
  • Органическая химия выделяет в качестве предмета изучения вещества, построенные на основе углеродного скелета.
  • Нейрохимия своим предметом имеет изучение медиаторов, пептидов, белков, жиров, сахара и нуклеиновых кислот, их взаимодействия и роли, которую они играют в формировании, становлении и изменении нервной системы.
  • Нефтехимия
  • Общая химия
  • Препаративная химия
  • Радиохимия
  • Супрамолекулярная химия
  • Фармацевтика
  • Физическая химия изучает физический и фундаментальный базис химических систем и процессов. Важнейшие области исследования включают химическую термодинамику, кинетику, электрохимию, статистическую механику и спектроскопию. Физическая химия имеет много общего с молекулярной физикой. Физическая химия предполагает использование инфинитезимального метода. Физическая химия является отдельной дисциплиной от химической физики.
  • Фотохимия
  • Химия высокомолекулярных соединений
  • Химия одноуглеродных молекул
  • Химия полимеров
  • Химия почв
  • Теоретическая химия своей задачей ставит теоретическое обобщение и обоснование знаний химии через фундаментальные теоретические рассуждения (как правило, в области математики или физики).
  • Термохимия
  • Токсикологическая химия
  • Электрохимия
  • Экологическая химия; химия окружающей среды
  • Ядерная химия изучает ядерные реакции и химические последствия ядерных реакций.

Методы физико-химического анализа:

  • Спектроскопические методы
  • Спектральный анализ
  • Масс-спектроскопия
  • Хроматография

Discovery-vision.ru Powered 2015

Яндекс.Метрика