Chimie: concepte de bază, definiții, termeni și legi

Chimia, conceptele de bază pe care le vom lua în considerare, este o știință care studiază substanțele și transformările lor care au loc cu o schimbare în structură și compoziție și, prin urmare, proprietăți. În primul rând, este necesar să se determine ce înseamnă "substanță". Vorbind despre aceasta într-un sens larg, este o formă de materie care are o mulțime de odihnă. O substanță este orice particulă elementară, de exemplu un neutron. În chimie, acest concept este folosit într-un sens mai restrâns.

În primul rând, vom descrie pe scurt termenii și conceptele principale ale chimiei, teoria moleculare atomică. După aceea, le vom explica și vom schița și câteva legi importante ale acestei științe.

Conceptele de bază ale chimiei (materie, atom, moleculă) sunt familiare fiecăruia dintre noi din școală. Mai jos este o scurtă descriere a acestora, precum și alți termeni și fenomene mai puțin evidente.

atomi

În primul rând, toate substanțele care sunt studiate în chimie sunt compuse din particule mici numite atomi. Neutronii nu fac obiectul studierii acestei științe. De asemenea, ar trebui spus că atomii pot fi conectați unul la celălalt, ducând la formarea de legături chimice. Pentru a rupe această relație, este nevoie de energie. În consecință, atomii în condiții obișnuite nu există singuri (cu excepția "gazelor nobile"). Ele se conectează cel puțin în perechi.

Mișcarea termică continuă

O mișcare termică continuă caracterizează toate particulele care studiază chimia. Conceptele de bază ale acestei științe nu pot fi declarate fără a spune despre ele. Cu mișcare continuă energia cinetică medie particulele sunt proporționale cu temperatura (dar trebuie remarcat faptul că energiile particulelor individuale sunt diferite). Ekin = kT / 2, unde k este constanta Boltzmann. Această formulă este valabilă pentru orice fel de mișcare. Deoarece Ekin = mV² / 2, mișcarea particulelor masive este mai lentă. De exemplu, dacă temperatura este aceeași, moleculele de oxigen se deplasează în medie de 4 ori mai lent decât moleculele de carbon. Acest lucru se datorează faptului că masa lor este de peste 16 ori. Mișcarea este vibrațională, translațională și rotativă. Vibrația este observată în lichid, în substanțe solide și în substanțe gazoase. Dar translația și rotația se realizează cel mai ușor în gaze. În lichide, este mai dificil, iar în solide este și mai dificil.

molecule

Să continuăm să descriem conceptele de bază și definițiile chimiei. Dacă atomii se combină pentru a forma grupuri mici (se numesc molecule), astfel de grupuri participă la mișcarea termică, acționând ca un singur întreg. Până la 100 de atomi sunt prezenți în moleculele tipice, iar numărul lor în așa-numitele compuși cu înaltă moleculară poate ajunge la 105.

Substanțe non-moleculare

Cu toate acestea, atomii sunt adesea combinate într-un număr foarte mare de benzi de la 107 la 1027. În această formă acestea sunt, practic, nu mai participă la mișcarea termică. Aceste asociații nu sunt foarte asemănătoare cu moleculele. Sunt mai mult ca niște bucăți de corp solid. Aceste substanțe sunt denumite în general non-moleculare. În acest caz, mișcarea termică se realizează în interiorul piesei și nu zboară ca o moleculă. Există o regiune și dimensiuni de tranziție, care include asociații compuse din atomi într-o cantitate de la 105 la 107. Aceste particule sunt fie molecule foarte mari sau sunt boabe mici de pulbere.

ionii

Trebuie remarcat faptul că atomii și grupurile lor pot avea o încărcătură electrică. În acest caz, ele sunt numite ioni într-o știință precum chimia, conceptele de bază pe care le studiem. Deoarece taxele ca întotdeauna se resping reciproc, substanța, în cazul în care există un exces semnificativ de anumite taxe, nu poate fi stabilă. Taxele negative și pozitive din spațiu se alternează întotdeauna. Și substanța în ansamblu rămâne neutră din punct de vedere electric. Observăm că încărcăturile, considerate mari în electrostatice, sunt nesemnificative din punctul de vedere al chimiei (cu 105-1015 atomi - adică).

Obiecte de studiu în chimie

Este necesar să se clarifice faptul că obiectele de studiu în chimie susțin fenomenele, care nu apar, și nu se descompun atomii, ci doar rearanja, care este conectat într-un mod nou. Unele conexiuni sunt rupte, ducând la formarea altora. Cu alte cuvinte, substanțele noi apar din atomii care se aflau în compoziția substanțelor inițiale. Dacă sunt stocate atomii și legăturile existente între ele (de exemplu, evaporarea compușilor moleculari), aceste procese se referă la studiul mai chimie si fizica moleculara. În cazul în care atomii sunt formați sau distruși, vorbim despre subiecții de a studia fizica nucleară sau atomică. Cu toate acestea, limita dintre fenomenele chimice și fizice este neclară. La urma urmei, împărțirea în științe separate este condiționată, în timp ce natura este indivizibilă. Prin urmare, chimistul este o cunoaștere foarte utilă a fizicii.

Noțiunile fundamentale de chimie au fost descrise pe scurt de noi. Acum vă sugerăm să le analizați mai detaliat.

Mai multe despre atomi

Atomii și moleculele sunt ceea ce mulți oameni se asociază cu chimia. Conceptele de bază trebuie definite clar. Faptul că există atomi, acum două mii de ani, a fost ghicit genial. Apoi, deja în secolul al XIX-lea, oamenii de știință aveau date experimentale (încă indirecte). Vorbim despre relațiile multiple ale lui Avogadro, legile constanței compoziției (mai jos vom lua în considerare aceste concepte de bază ale chimiei). Atomul a continuat să fie cercetat în secolul al XX-lea, când au apărut multe confirmări experimentale directe. Ele s-au bazat pe datele spectroscopiei, pe împrăștierea razelor X, a particulelor alfa, a neutronilor, a electronilor etc. Dimensiunea acestor particule este de aproximativ 1 E = 10^-10m. Greutatea lor este de aproximativ 10^-27 - 10^-25 kg. În centrul acestor particule se află un nucleu încărcat pozitiv, în jurul căruia se deplasează electroni cu sarcină negativă. Dimensiunea nucleului este de aproximativ 10^-15 m. Se pare că coaja de electroni determină dimensiunea atomului, dar masa sa este aproape complet concentrată în nucleu. O altă definiție ar trebui introdusă, având în vedere conceptele de bază ale chimiei. Elemente chimice - Acesta este genul de atomi a căror sarcină nucleară este aceeași.

Deseori există definirea unui atom ca cea mai mică particulă a materiei, indivizibilă din punct de vedere chimic. Cum să înțelegeți "chimic"? Așa cum am menționat deja, împărțirea fenomenelor în condiții fizice și chimice condiționate. Dar existența atomilor este necondiționată. Prin urmare, chimia este definită mai bine prin ele, și nu invers, atomii prin chimie.

Legarea chimică

Acesta este motivul pentru care atomii sunt ținuți împreună. Nu le permite să zboare în afară sub influența mișcării termice. Să observăm principalele caracteristici ale conexiunilor: distanța internă și energia nucleară. Acestea sunt și conceptele de bază ale chimiei. Lungimea conexiunii este determinată experimental cu o precizie suficient de mare. Și energia - dar nu întotdeauna. De exemplu, este imposibil să se determine în mod obiectiv ce este cu privire la o singură legătură într-o moleculă complexă. Cu toate acestea, energia atomizării materiei, care este necesară pentru ruperea tuturor legăturilor disponibile, este întotdeauna determinată. Cunoscând lungimea conexiunii, este posibil să determinăm ce atomi sunt legați (au o distanță scurtă) și care nu sunt (o distanță lungă).

Număr de coordonare și coordonare

Conceptele de bază ale chimiei analitice includ acești doi termeni. Ce înseamnă asta? Să ne dăm seama.

Numărul de coordonare este numărul de vecini apropiați ai unui anumit atom. Cu alte cuvinte, acesta este numărul celor cu care este legat chimic. Coordonarea este poziția, tipul și numărul relativ de vecini. Cu alte cuvinte, acest concept este mai semnificativ. De exemplu, numărul de coordonare a azotului inerent în moleculele de amoniac și acid azotic este același - 3. Cu toate acestea, coordonarea lor este diferită - nu plană și plată. Se determină independent de conceptul naturii legăturii, în timp ce gradul de oxidare și valență sunt concepte condiționale care sunt create pentru a anticipa coordonarea și compoziția în avans.

Determinarea moleculei

Am atins deja acest concept, luând în considerare conceptele de bază și legile chimiei pe scurt. Acum, să ne ocupăm mai mult de ea. În manuale se găsește adesea definiția unei molecule ca cea mai mică particulă neutră a unei substanțe care posedă proprietățile sale chimice și este, de asemenea, capabilă să existe în mod independent. Trebuie remarcat faptul că această definiție este acum depășită. În primul rând, ceea ce toți fizicienii și chimistii numesc o moleculă, proprietățile materiei nu păstrează. Apa disociază, dar acest lucru necesită un minimum de 2 molecule. Gradul de disociere a apei este de 10^-7. Cu alte cuvinte, o singură moleculă de 10 milioane poate fi supusă acestui proces. Dacă aveți o moleculă sau există chiar o sută, nu puteți obține o idee despre disocierea ei. Faptul este că efectele termice ale reacțiilor din chimie implică de obicei energia interacțiunii dintre molecule. Prin urmare, ele nu pot fi găsite de unul dintre ei. Atât proprietățile chimice cât și cele fizice ale unei substanțe moleculare pot fi determinate numai de un grup mare de molecule. În plus, există substanțe în care particula "cea mai mică" capabilă să existe în mod independent, este vagă mare și foarte diferită de moleculele obișnuite. O moleculă este de fapt un grup de atomi care nu este încărcat electric. În cazul particular, poate fi un atom, de exemplu, Ne. Acest grup ar trebui să poată participa la difuzie, precum și în alte tipuri de mișcări termice, acționând în ansamblu.

După cum puteți vedea, conceptele de bază ale chimiei nu sunt atât de simple. O moleculă este ceva care trebuie studiat cu atenție. Are proprietăți proprii, precum și masa moleculară. Vom vorbi acum despre acesta din urmă.

Greutate moleculară

Cum se determină greutatea moleculară prin experiență? O modalitate - bazată pe legea lui Avogadro, privind densitatea relativă a aburului. Metoda cea mai exactă este spectrometria de masă. Electronul este scos din moleculă. Ionul rezultat este mai întâi dispersat într-un câmp electric, apoi deflectat de o cale magnetică. Raportul încărcării cu masa este determinat precis de amploarea deviației. Există, de asemenea, metode bazate pe proprietățile pe care le posedă soluțiile. Cu toate acestea, în toate aceste cazuri, moleculele trebuie să fie neapărat în soluție de mișcare, în vid, într-un gaz. Dacă nu se mișcă, este imposibil să se calculeze în mod obiectiv masa lor. Și însăși existența lor în acest caz este dificil de detectat.

Caracteristicile substanțelor non-moleculare

Vorbind despre acestea, rețineți că ele constau din atomi, nu molecule. Cu toate acestea, acest lucru este valabil și pentru gazele nobile. Acești atomi se mișcă liber, prin urmare, este mai bine să le considerăm drept molecule monatomice. Cu toate acestea, acest lucru nu este principalul lucru. Mai important, în substanțele non-moleculare există mulți atomi care sunt legați împreună. Trebuie remarcat faptul că diviziunea tuturor substanțelor în cele non-moleculare și moleculare este insuficientă. Divizarea prin conectivitate este mai semnificativă. Luați în considerare, de exemplu, diferența în proprietățile grafitului și diamantului. Ambele sunt carbon, dar primul este moale, iar al doilea este greu. Care sunt diferențele dintre ele? Diferența constă tocmai în coerența lor. Dacă luăm în considerare structura grafitului, vedem că există legături puternice numai în două dimensiuni. Dar, în al treilea rând, distanțele interatomice sunt foarte semnificative, prin urmare, nu există o legătură puternică. Grafitul ușor alunecă și se rupe prin aceste straturi.

Conectivitatea structurii

În caz contrar, se numește dimensiune spațială. Acesta reprezintă numărul de dimensiuni ale spațiului, caracterizat de sistemul continuu (aproape infinit) de schelet (legături puternice) în ele. Valorile pe care le poate lua, - 0, 1, 2 și 3. De aceea, este necesar să se distingă, laminatele, și lanțul de insule structura conectate tridimensional (molecular).

Legea constanței compoziției

Am studiat deja conceptele de bază ale chimiei. Substanța a fost examinată pe scurt de noi. Acum, să vorbim despre legea care se aplică lui. De obicei, este formulată după cum urmează: orice substanță individuală (care este pură), indiferent de modul în care a fost obținută, are aceeași compoziție cantitativă și calitativă. Dar ce înseamnă conceptul de "substanță pură"? Să ne dăm seama.

În urmă cu două mii de ani, atunci când structura substanțelor care nu pot fi mai multe metode directe de a studia atunci când nici măcar nu erau concepte chimice de bază și legile chimiei, familiare pentru noi, a fost determinată în mod descriptiv. De exemplu, apa este un fluid care formează baza mărilor și a râurilor. Nu are miros, culoare, gust. Are o astfel de temperatură de congelare și topire, devine albastră sulfat de cupru. Apa de mare sarata se datoreaza faptului ca nu este curata. Cu toate acestea, sărurile pot fi separate prin distilare. Aproximativ, conceptele chimice de bază și legile chimiei au fost definite printr-o metodă descriptivă.

Pentru oamenii de știință de la momentul în care nu a fost evident că lichidul care este evidențiat în diferite moduri (prin arderea hidrogenului sulfat de deshidratare, distilare cu apă de mare), are aceeași compoziție. O mare descoperire în știință a fost dovada acestui fapt. A devenit clar că raportul dintre oxigen și hidrogen nu se poate schimba fără probleme. Aceasta înseamnă că elementele constau din atomi - porțiuni indivizibile. Astfel, au fost obținute formulele de substanțe, iar reprezentarea oamenilor de știință cu privire la molecule este justificată.

În timpul nostru, orice substanță, fie explicit, fie implicit, este determinată în primul rând de o formulă, nu de un punct de topire, de gust sau de culoare. Apă - H₂A. Dacă există alte molecule, nu va mai fi pură. În consecință, o substanță moleculară pură este una care este compusă din molecule de o singură specie.

Cu toate acestea, cum ar trebui să fie în acest caz cu electroliți? La urma urmei, ele conțin ioni, nu doar molecule. Este nevoie de o definiție mai riguroasă. substanță moleculară pură este una care este compus din molecule de un singur tip, și, posibil, produse reversibile conversie rapidă a acestora (uniuni izomerizare de disociere). Cuvântul „rapid“, în acest context, înseamnă că pe aceste produse, nu putem scăpa de, ele reapar imediat. Cuvântul "reversibil" indică faptul că transformarea nu este completă. Dacă este, atunci este mai bine să spun că este instabilă. În acest caz, nu este o substanță pură.

Legea conservării masei materiei

Din cele mai vechi timpuri această lege era cunoscută sub formă metaforică. El a spus că substanța este necredibilă și indestructibilă. Apoi a apărut formula lui cantitativă. Potrivit ei, greutatea (și de la sfârșitul secolului al XVII-lea - masa) este o măsură a cantității materiei.

Această lege, în forma obișnuită pentru noi, a fost deschisă în 1748 de Lomonosov. În 1789 el a fost completat de A. Lavoisier, om de știință francez. Formula sa modernă sună astfel: masa substanțelor care intră într-o reacție chimică este egală cu masa substanțelor care rezultă din aceasta.

Legea lui Avogadro, legea relațiilor cu volumul de gaze

Ultima dintre acestea a fost formulată în 1808 de JL Gay-Lussac, om de știință francez. În prezent, această lege se numește legea lui Gay-Lussac. Potrivit lui, volumele de gaze de reacție se referă la ele, precum și la volumele de produse gazoase obținute ca numere întregi mici.

Legea descoperită de Gay-Lussac explică legea, descoperită puțin mai târziu, în 1811, de către un om de știință italian, Amedeo Avogadro. Se spune că în condiții egale (presiune și temperatură) în gazele care au aceleași volume, același număr de molecule sunt prezente.

Două consecințe importante rezultă din legea lui Avogadro. Primul este că, în aceleași condiții, un mol de orice gaz ocupă un volum egal. Volumul oricăreia dintre ele în condiții normale (care sunt temperatura de 0 ° C, precum și presiunea de 101,325 kPa) este de 22,4 litri. A doua consecință a acestei legi este următoarea: în condiții egale, raportul dintre masele de gaze având același volum este egal cu raportul lor masele moleculare.

Există încă o lege care trebuie menționată. Să vorbim despre asta pe scurt.

Legea periodică și tabelul

DI Mendeleyev, bazat pe proprietățile chimice ale elementelor și teoria moleculare atomice, a descoperit această lege. Acest eveniment a avut loc la 1 martie 1869. Legea periodică este una dintre cele mai importante în natură. Poate fi formulată după cum urmează: proprietățile elementelor și substanțele complexe și simple pe care le formează au o dependență periodică de încărcăturile nucleelor ​​atomilor lor.

Tabela periodică, pe care Mendeleev a creat-o, constă în șapte perioade și opt grupuri. Grupurile sunt numite coloanele sale verticale. Elementele din interiorul fiecăruia au proprietăți fizice și chimice similare. Grupul, la rândul său, este împărțit în subgrupe (principale și laterale).

Rândurile orizontale din acest tabel sunt numite perioade. Elementele care sunt în ele diferă, dar au un lucru comun - că ultimii lor electroni se află la același nivel de energie. În prima perioadă există doar două elemente. Acesta este hidrogenul H și heliul El. Opt elemente sunt disponibile în cea de-a doua perioadă. În al patrulea, există deja 18. Mendeleev a marcat această perioadă ca fiind prima mare. În cea de-a cincea există și 18 elemente, structura fiind similară celei de-a patra. În cel de-al șaselea - 32 de elemente. A șaptea nu este terminată. Această perioadă începe cu Franța (Fr). Putem presupune că va conține 32 de elemente, precum și al șaselea. Cu toate acestea, până în prezent au fost găsite doar 24 de persoane.

Regula regulii

Conform regulii testului, toate elementele tind să dobândească un electron sau să-l piardă pentru a avea o configurație cu 8 electroni a gazului nobil cel mai apropiat de ele. Energia ionizării este cantitatea de energie necesară pentru a separa un electron de un atom. Regula de decret spune că atunci când se deplasează de la stânga la dreapta pe o masă periodică, este nevoie de mai multă energie pentru a detașa electronul. Prin urmare, elementele de pe partea stângă tind să-și piardă electronul. Dimpotrivă, cei care sunt situați pe partea dreaptă sunt dornici să o achiziționeze.

Am prezentat pe scurt legile și conceptele de bază ale chimiei. Desigur, aceasta este doar informație generală. În cadrul unui articol, este imposibil să se spună în detaliu despre o știință atât de gravă. Noțiunile de bază și legile chimiei, rezumate în acest articol, sunt doar un punct de plecare pentru studiul ulterior. La urma urmei, există multe secțiuni în această știință. Există, de exemplu, organice și chimie anorganică. Conceptele de bază ale fiecărei secțiuni a acestei științe pot fi studiate pentru o perioadă foarte lungă de timp. Dar cele prezentate mai sus sunt legate de aspecte generale. Prin urmare, putem spune că acestea sunt conceptele de bază ale chimiei organice, precum și chimia anorganică.