Hemija, čije ćemo osnovne koncepte razmotriti, je nauka koja proučava supstance i njihove transformacije koje se dešavaju sa promjenom strukture i sastava, a time i svojstava. Prije svega, potrebno je definisati šta znači pojam kao što je "supstanca". Ako o tome govorimo u širem smislu, to je oblik materije koja ima masu mirovanja. Supstanca je bilo koja elementarna čestica, na primjer, neutron. U hemiji se ovaj koncept koristi u užem smislu.
Za početak, hajde da ukratko opišemo osnovne pojmove i koncepte hemije, atomske i molekularne nauke. Nakon toga ćemo ih objasniti, kao i navesti neke važne zakone ove nauke.
Osnovni koncepti hemije (supstanca, atom, molekul) poznati su svakome od nas još od škole. Ispod je kratak opis njih, kao i drugih, ne tako očiglednih pojmova i pojava.
Atomi
Pre svega, sve supstance koje se proučavaju u hemiji sastoje se od malih čestica zvanih atomi. Neutroni nisu predmet proučavanja ove nauke. Također treba reći da se atomi mogu međusobno kombinirati, što rezultira stvaranjem kemijskih veza. Zada bi se ova veza prekinula potrebna je energija. Shodno tome, atomi ne postoje pojedinačno u normalnim uslovima (sa izuzetkom "plemenitih gasova"). Povezuju se jedno s drugim barem u parovima.
Kontinuirano termalno kretanje
Kontinuirano termalno kretanje karakteriše sve čestice koje se proučavaju hemijom. Osnovni koncepti ove nauke ne mogu se izreći bez govora o tome. Kod kontinuiranog kretanja, prosječna kinetička energija čestica je proporcionalna temperaturi (međutim, treba napomenuti da su energije pojedinih čestica različite). Ekin=kT / 2, gdje je k Boltzmannova konstanta. Ova formula vrijedi za bilo koju vrstu kretanja. Pošto je Ekin=mV2 / 2, kretanje masivnih čestica je sporije. Na primjer, ako je temperatura ista, molekuli kisika kreću se u prosjeku 4 puta sporije od molekula ugljika. To je zato što je njihova masa 16 puta veća. Kretanje je oscilatorno, translatorno i rotaciono. Vibracije se opažaju u tečnim, čvrstim i gasovitim materijama. Ali translacija i rotacija se najlakše izvode u plinovima. Teže je u tečnostima, a još teže u čvrstim materijama.
Molekuli
Nastavimo opisivati osnovne koncepte i definicije hemije. Ako se atomi međusobno kombinuju, formirajući male grupe (oni se nazivaju molekuli), takve grupe sudjeluju u toplinskom kretanju, djelujući kao jedinstvena cjelina. U tipičnim molekulima prisutno je do 100 atoma, a njihov broj je tolikizvana makromolekularna jedinjenja mogu doseći 105.
Nemolekularne supstance
Međutim, atomi su često ujedinjeni u ogromne kolektive od 107 do 1027. U ovom obliku, oni praktično ne učestvuju u toplotnom kretanju. Ove asocijacije malo liče na molekule. Oni su više kao komadići čvrstog tijela. Ove supstance se obično nazivaju nemolekularnim. U ovom slučaju, toplinsko kretanje se vrši unutar komada, a on ne leti, kao molekul. Postoji i prelazni raspon veličina, koji uključuje asocijacije koje se sastoje od atoma u količini od 105 do 107. Ove čestice su ili vrlo velike molekule, ili su mala zrna praha.
joni
Treba napomenuti da atomi i njihove grupe mogu imati električni naboj. U ovom slučaju, oni se u nauci kao što je hemija nazivaju joni, čije osnovne koncepte proučavamo. Budući da se naelektrisanja istog imena uvijek međusobno odbijaju, supstanca u kojoj postoji značajan višak određenih naboja ne može biti stabilna. Negativni i pozitivni naboji u svemiru se uvijek izmjenjuju. I tvar kao cjelina ostaje električno neutralna. Imajte na umu da su naelektrisanja koja se smatraju velikim u elektrostatici zanemarljiva sa gledišta hemije (za 105-1015 atoma - 1e).
Objekti proučavanja hemije
Treba pojasniti da su predmeti proučavanja u hemiji oni fenomeni u kojima nemaatomi se uništavaju, ali se samo pregrupuju, odnosno spajaju na nov način. Neke veze su prekinute, što rezultira formiranjem drugih. Drugim riječima, nove tvari se pojavljuju iz atoma koji su bili dio originalnih supstanci. Ako se, međutim, očuvaju i atomi i veze koje postoje između njih (na primjer, prilikom isparavanja molekularnih supstanci), onda ti procesi više nisu polje proučavanja hemije, već molekularne fizike. U slučaju kada se atomi formiraju ili uništavaju, govorimo o predmetima proučavanja nuklearne ili atomske fizike. Međutim, granica između hemijskih i fizičkih pojava je zamagljena. Uostalom, podjela na zasebne nauke je uslovna, dok je priroda nedjeljiva. Stoga je za hemičare veoma korisno znati fiziku.
Mi smo ukratko izložili osnovne koncepte hemije. Sada vas pozivamo da ih detaljnije razmotrite.
Više o atomima
Atomi i molekuli su ono sa čime mnogi povezuju hemiju. Ovi osnovni koncepti moraju biti jasno definisani. Činjenica da atomi postoje sjajno je pretpostavljena prije dvije hiljade godina. Tada, već u 19. veku, naučnici su imali eksperimentalne podatke (još uvek indirektne). Govorimo o višestrukim Avogadrovim omjerima, zakonima konstantnosti sastava (u nastavku ćemo razmotriti ove osnovne koncepte hemije). Atom se nastavio istraživati u 20. stoljeću, kada su se pojavile mnoge direktne eksperimentalne potvrde. Zasnovali su se na podacima spektroskopije, na rasejanju X zraka, alfa čestica, neutrona, elektrona, itd. Veličina ovih čestica je približno 1 E=1o-10m. Njihova masa je oko 10-27 - 10-25 kg. U središtu ovih čestica nalazi se pozitivno nabijeno jezgro, oko koje se kreću elektroni s negativnim nabojem. Veličina jezgra je oko 10-15 m. Ispostavilo se da elektronska ljuska određuje veličinu atoma, ali je njegova masa skoro potpuno koncentrisana u jezgru. Treba uvesti još jednu definiciju, s obzirom na osnovne pojmove hemije. Hemijski element je vrsta atoma čiji je naboj jezgra isti.
Često postoji definicija atoma kao najmanje čestice materije, hemijski nedjeljive. Kako shvatiti "hemijski"? Kao što smo već primijetili, podjela pojava na fizičke i hemijske je uslovna. Ali postojanje atoma je bezuslovno. Stoga je bolje definirati hemiju kroz njih, a ne obrnuto, atome kroz hemiju.
Hemijska veza
Ovo je ono što drži atome zajedno. Ne dozvoljava im da se rasipaju pod uticajem toplotnog kretanja. Napominjemo glavne karakteristike veza - ovo je međunuklearna udaljenost i energija. Ovo su ujedno i osnovni pojmovi hemije. Dužina veze se određuje eksperimentalno sa dovoljno velikom tačnošću. Energija - takođe, ali ne uvek. Na primjer, nemoguće je objektivno odrediti šta je to u odnosu na jednostruku vezu u složenom molekulu. Međutim, energija atomizacije supstance, neophodna za raskid svih postojećih veza, uvek je određena. Poznavajući dužinu veze, moguće je odrediti koji su atomi povezani (imaju kratku udaljenost), a koji nisu (imaju veliku udaljenost).udaljenost).
Koordinacijski broj i koordinacija
Osnovni koncepti analitičke hemije uključuju ova dva pojma. Šta oni predstavljaju? Hajde da saznamo.
Koordinacioni broj je broj najbližih susjeda datog određenog atoma. Drugim riječima, ovo je broj onih sa kojima je on hemijski povezan. Koordinacija je relativna pozicija, vrsta i broj susjeda. Drugim riječima, ovaj koncept ima više smisla. Na primjer, koordinacijski broj dušika, karakterističan za molekule amonijaka i dušične kiseline, je isti - 3. Međutim, njihova koordinacija je različita - neplanarna i planarna. Određuje se nezavisno od ideja o prirodi veze, dok su oksidaciono stanje i valencija uslovni koncepti koji se kreiraju da bi se unapred predvidela koordinacija i sastav.
Definicija molekula
Već smo se dotakli ovog koncepta, ukratko razmatrajući osnovne koncepte i zakone hemije. Hajde sada da se zadržimo na tome detaljnije. Udžbenici često definišu molekul kao najmanju neutralnu česticu supstance koja ima svoja hemijska svojstva i koja je sposobna da postoji nezavisno. Treba napomenuti da je ova definicija sada zastarjela. Prvo, ono što svi fizičari i hemičari nazivaju molekulom ne čuva svojstva materije. Voda se disocira, ali za to su potrebna najmanje 2 molekula. Stepen disocijacije vode je 10-7. Drugim riječima, samo jedan molekul može proći ovaj proces.od 10 miliona. Ako imate jedan molekul, ili čak stotinu, nećete moći da steknete predstavu o njegovoj disocijaciji. Činjenica je da toplinski efekti reakcija u hemiji obično uključuju energiju interakcije između molekula. Stoga ih ni jedan od njih ne može pronaći. I hemijska i fizička svojstva molekularne supstance mogu se odrediti samo iz velike grupe molekula. Osim toga, postoje tvari u kojima je "najmanja" čestica koja može samostalno postojati neograničeno velika i vrlo različita od uobičajenih molekula. Molekul je zapravo grupa atoma koja nije električno nabijena. U određenom slučaju, to može biti jedan atom, na primjer, Ne. Ova grupa mora biti sposobna da učestvuje u difuziji kao iu drugim vrstama toplotnog kretanja u celini.
Kao što vidite, osnovni koncepti hemije nisu tako jednostavni. Molekul je nešto što treba pažljivo proučiti. Ima svoja svojstva kao i molekularnu težinu. O potonjem ćemo sada razgovarati.
Molekularna težina
Kako odrediti molekularnu težinu na osnovu iskustva? Jedan način se zasniva na Avogadrovom zakonu, prema relativnoj gustini pare. Najpreciznija metoda je masena spektrometrija. Elektron je izbačen iz molekula. Rezultirajući ion prvo se ubrzava u električnom polju, a zatim se magnetski odbija. Odnos naboja i mase određen je precizno veličinom odstupanja. Postoje i metode zasnovane na svojstvima koja rješenja posjeduju. Međutim, molekuli u svim ovim slučajevima sigurno ćemora biti u pokretu - u rastvoru, u vakuumu, u gasu. Ako se ne kreću, nemoguće je objektivno izračunati njihovu masu. I samo njihovo postojanje u ovom slučaju je teško otkriti.
Karakteristike nemolekularnih supstanci
Kad smo već kod njih, napominju da se sastoje od atoma, a ne od molekula. Međutim, isto vrijedi i za plemenite plinove. Ovi atomi se kreću slobodno, stoga je bolje o njima razmišljati kao o jednoatomskim molekulima. Međutim, to nije glavna stvar. Što je još važnije, u nemolekularnim supstancama postoji mnogo atoma koji su međusobno povezani. Treba napomenuti da je podjela svih supstanci na nemolekularne i molekularne nedovoljna. Podjela prema povezanosti je značajnija. Razmotrite, na primjer, razliku u svojstvima grafita i dijamanta. Oba su karbonska, ali je prva mekana, a druga tvrda. Po čemu se razlikuju jedni od drugih? Razlika je upravo u njihovoj povezanosti. Ako razmotrimo strukturu grafita, vidjet ćemo da jake veze postoje samo u dvije dimenzije. Ali u trećem, međuatomske udaljenosti su vrlo značajne, stoga nema jake veze. Grafit lako klizi i cijepa se na ovim slojevima.
Povezivanje strukture
U suprotnom se zove prostorna dimenzija. Predstavlja broj dimenzija prostora, koje karakteriše činjenica da imaju kontinuiran (gotovo beskonačan) sistem jezgara (jake veze). Vrijednosti koje može uzeti su 0, 1, 2 i 3. Stoga je potrebno razlikovati trodimenzionalno povezane, slojevite, lančane i otočne (molekularne) strukture.
Zakonkonzistentnost kompozicije
Već smo naučili osnovne koncepte hemije. Supstancu smo ukratko pregledali. Hajde sada da pričamo o zakonu koji se odnosi na njega. Obično se formuliše na sljedeći način: svaka pojedinačna tvar (to jest, čista), bez obzira na to kako je dobivena, ima isti kvantitativni i kvalitativni sastav. Ali šta znači pojam "čista supstanca"? Hajde da saznamo.
Prije dvije hiljade godina, kada se struktura supstanci još nije mogla proučavati direktnim metodama, kada nam poznati osnovni kemijski koncepti i zakoni kemije nisu ni postojali, određivana je deskriptivno. Na primjer, voda je tekućina koja čini osnovu mora i rijeka. Nema miris, boju, ukus. Ima takve i takve tačke smrzavanja i topljenja, bakar sulfat od njega postaje plavi. Slana morska voda je zato što nije čista. Međutim, soli se mogu odvojiti destilacijom. Otprilike tako, deskriptivnom metodom, određeni su osnovni hemijski koncepti i zakoni hemije.
Za tadašnje naučnike nije bilo očigledno da tečnost, koja je izdvojena na različite načine (sagorevanje vodonika, dehidracija vitriola, destilacija morske vode), ima isti sastav. Veliko otkriće u nauci bilo je dokaz ove činjenice. Postalo je jasno da se odnos kiseonika i vodonika ne može glatko menjati. To znači da se elementi sastoje od atoma - nedjeljivih dijelova. Tako su dobijene formule supstanci i potkrijepljena ideja naučnika o molekulima.
BDanas je svaka supstanca, eksplicitno ili implicitno, određena prvenstveno formulom, a ne tačkom topljenja, ukusom ili bojom. Voda - H2O. Ako su prisutni drugi molekuli, on više neće biti čist. Dakle, čista molekularna supstanca je ona koja se sastoji od molekula samo jedne vrste.
Međutim, šta je sa elektrolitima u ovom slučaju? Na kraju krajeva, oni sadrže ione, a ne samo molekule. Potrebna je rigoroznija definicija. Čista molekularna supstanca je ona koja se sastoji od molekula istog tipa, a takođe, moguće, i od proizvoda njihove reverzibilne brze transformacije (izomerizacija, asocijacija, disocijacija). Riječ "brzo" u ovom kontekstu znači da se ovih proizvoda ne možemo riješiti, oni se odmah ponovo pojavljuju. Riječ "reverzibilno" označava da transformacija nije završena. Ako se donese, onda je bolje reći da je nestabilan. U ovom slučaju, to nije čista supstanca.
Zakon održanja mase materije
Ovaj zakon je poznat u metaforičkom obliku od davnina. Rekao je da je materija nestvoriva i neuništiva. Zatim je došla njegova kvantitativna formulacija. Prema njemu, težina (a od kraja 17. vijeka i masa) je mjera količine materije.
Ovaj zakon u svom uobičajenom obliku otkrio je 1748. Lomonosov. Godine 1789. dopunio ga je A. Lavoisier, francuski naučnik. Njegova moderna formulacija zvuči ovako: masa tvari koje ulaze u kemijsku reakciju jednaka je masi tvari koje se dobivaju kao rezultatnju.
Avogadrov zakon, zakon zapreminskih odnosa gasova
Posljednju od njih formulirao je 1808. JL Gay-Lussac, francuski naučnik. Ovaj zakon je sada poznat kao Gay-Lussacov zakon. Prema njemu, zapremine reagujućih gasova su međusobno povezane, kao i zapremine nastalih gasovitih proizvoda, kao mali celi brojevi.
Obrazac koji je otkrio Gay-Lussac objašnjava zakon koji je malo kasnije, 1811. godine, otkrio Amedeo Avogadro, italijanski naučnik. Kaže da pod jednakim uslovima (pritisak i temperatura) u gasovima koji imaju iste zapremine postoji isti broj molekula.
Dvije važne implikacije slijede iz Avogadrova zakona. Prvi je da pod istim uslovima jedan mol bilo kog gasa zauzima jednaku zapreminu. Zapremina bilo kojeg od njih u normalnim uvjetima (a to su temperatura od 0°C, kao i pritisak od 101,325 kPa) je 22,4 litara. Druga posledica ovog zakona je sledeća: pod jednakim uslovima, odnos masa gasova koji imaju istu zapreminu jednak je odnosu njihovih molarnih masa.
Postoji još jedan zakon koji se mora spomenuti. Hajdemo ukratko o tome.
Periodični zakon i tabela
D. I. Mendeljejev je, na osnovu hemijskih svojstava elemenata i atomske i molekularne teorije, otkrio ovaj zakon. Ovaj događaj se zbio 1. marta 1869. Periodični zakon je jedan od najvažnijih u prirodi. Može se formulisati na sljedeći način: svojstva elemenata i formiraninjihove složene i jednostavne supstance imaju periodičnu zavisnost od naelektrisanja jezgara svojih atoma.
Periodični sistem koji je kreirao Mendeljejev sastoji se od sedam perioda i osam grupa. Grupe su njegove vertikalne kolone. Elementi unutar svakog od njih imaju slična fizička i hemijska svojstva. Grupa je, pak, podijeljena u podgrupe (glavnu i sekundarnu).
Horizontalni redovi ove tabele se zovu tačke. Elementi koji se nalaze u njima razlikuju se jedni od drugih, ali im je i zajedničko - da se njihovi posljednji elektroni nalaze na istom energetskom nivou. U prvom periodu postoje samo dva elementa. To su vodonik H i helijum He. U drugom periodu ima osam elemenata. U četvrtom ih je već 18. Mendeljejev je ovaj period označio kao prvi veliki. Peti također ima 18 elemenata, čija je struktura slična četvrtom. Šesti sadrži 32 elementa. Sedma nije završena. Ovaj period počinje francijem (Fr). Možemo pretpostaviti da će sadržavati 32 elementa, poput šestog. Međutim, do sada su pronađena samo 24.
Pravilo povrata
Prema pravilu vraćanja, svi elementi teže da dobiju ili izgube elektron kako bi imali 8-elektronsku konfiguraciju plemenitog plina koji im je najbliži. Energija ionizacije je količina energije potrebna za odvajanje elektrona od atoma. Pravilo povratnog udara kaže da kako se krećete s lijeva na desno preko periodnog sistema, potrebno je više energije za pokretanje elektrona. Stoga, elementi na lijevoj strani imaju tendenciju da izgube elektron. protiv,oni na desnoj strani su željni da ga dobiju.
Ukratko smo izložili zakone i osnovne koncepte hemije. Naravno, ovo su samo opšte informacije. U okviru jednog članka nemoguće je detaljno govoriti o tako ozbiljnoj nauci. Osnovni koncepti i zakoni hemije, sažeti u našem članku, samo su polazna tačka za dalje proučavanje. Zaista, u ovoj nauci postoji mnogo sekcija. Postoji, na primjer, organska i neorganska hemija. Osnovni koncepti svakog od odeljaka ove nauke mogu se proučavati veoma dugo. Ali gore predstavljena su opšta pitanja. Stoga možemo reći da su ovo osnovni koncepti organske hemije, kao i neorganske.
