Kemija, čije ćemo osnovne pojmove razmotriti, je znanost koja proučava tvari i njihove transformacije do kojih dolazi s promjenom strukture i sastava, a time i svojstava. Prije svega, potrebno je definirati što znači izraz "tvar". Ako o tome govorimo u širem smislu, to je oblik materije koja ima masu mirovanja. Tvar je bilo koja elementarna čestica, na primjer, neutron. U kemiji se ovaj koncept koristi u užem smislu.
Za početak, opišimo ukratko osnovne pojmove i koncepte kemije, atomske i molekularne znanosti. Nakon toga ćemo ih objasniti, kao i navesti neke važne zakone ove znanosti.
Osnovni pojmovi kemije (tvar, atom, molekula) poznati su svakome od nas još od škole. Ispod je kratak opis njih, kao i drugih, ne tako očitih pojmova i pojava.
Atomi
Prije svega, sve tvari koje se proučavaju u kemiji sastoje se od malih čestica zvanih atomi. Neutroni nisu predmet proučavanja ove znanosti. Također treba reći da se atomi mogu međusobno kombinirati, što rezultira stvaranjem kemijskih veza. Zada bi se ta veza prekinula potrebna je energija. Posljedično, atomi ne postoje pojedinačno u normalnim uvjetima (s izuzetkom "plemenitih plinova"). Povezuju se jedno s drugim barem u parovima.
Neprekidno toplinsko kretanje
Neprekidno toplinsko gibanje karakterizira sve čestice koje se proučavaju kemijom. Osnovni pojmovi ove znanosti ne mogu se navesti bez govora o tome. Kod kontinuiranog gibanja prosječna kinetička energija čestica proporcionalna je 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. Budući da je Ekin=mV2 / 2, kretanje masivnih čestica je sporije. Na primjer, ako je temperatura ista, molekule kisika kreću se u prosjeku 4 puta sporije od molekula ugljika. To je zato što je njihova masa 16 puta veća. Kretanje je oscilatorno, translacijsko i rotacijsko. Vibracija se opaža u tekućinama, u čvrstim i plinovitim tvarima. Ali translacija i rotacija se najlakše provodi u plinovima. Teže je u tekućinama, a još teže u krutim tvarima.
Molekule
Nastavimo s opisom osnovnih pojmova i definicija kemije. Ako se atomi međusobno kombiniraju, tvoreći male skupine (oni se zovu molekule), takve skupine sudjeluju u toplinskom gibanju, djelujući kao jedinstvena cjelina. U tipičnim molekulama prisutno je do 100 atoma, a njihov je broj tolikizvani makromolekularni spojevi mogu doseći 105.
Nemolekularne tvari
Međutim, atomi su često ujedinjeni u ogromne skupine od 107 do 1027. U tom obliku, oni praktički ne sudjeluju u toplinskom kretanju. Ove asocijacije malo nalikuju molekulama. Više su nalik komadićima čvrstog tijela. Te se tvari obično nazivaju nemolekularnim. U tom se slučaju toplinsko gibanje provodi unutar komada i ne leti, poput molekule. Postoji i prijelazni 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 male zrnca praha.
Ioni
Treba napomenuti da atomi i njihove skupine mogu imati električni naboj. U ovom slučaju oni se u znanosti kao što je kemija nazivaju ioni, čije osnovne pojmove proučavamo. Budući da se istoimeni naboji uvijek međusobno odbijaju, tvar u kojoj postoji značajan višak određenih naboja ne može biti stabilna. Negativni i pozitivni naboji u prostoru uvijek se izmjenjuju. A tvar kao cjelina ostaje električno neutralna. Imajte na umu da su naboji koji se smatraju velikim u elektrostatici zanemarivi s gledišta kemije (za 105-1015 atoma - 1e).
Predmeti proučavanja kemije
Treba pojasniti da su predmeti proučavanja kemije oni fenomeni u kojima nemaatomi se uništavaju, ali se samo pregrupiraju, odnosno spajaju na nov način. Neke su veze prekinute, što rezultira stvaranjem drugih. Drugim riječima, nove tvari se pojavljuju iz atoma koji su bili dio izvornih tvari. Ako se, međutim, očuvaju i atomi i veze koje postoje između njih (na primjer, tijekom isparavanja molekularnih tvari), tada ti procesi više nisu polje proučavanja kemije, već molekularne fizike. U slučaju kada se atomi formiraju ili uništavaju, govorimo o predmetima proučavanja nuklearne ili atomske fizike. Međutim, granica između kemijskih i fizikalnih pojava je zamagljena. Uostalom, podjela na zasebne znanosti je uvjetna, dok je priroda nedjeljiva. Stoga je za kemičare vrlo korisno znati fiziku.
Osnovne pojmove kemije ukratko smo izložili. Sada vas pozivamo da ih detaljnije razmotrite.
Više o atomima
Atomi i molekule su ono s čime mnogi povezuju kemiju. Ovi osnovni pojmovi moraju biti jasno definirani. Činjenica da atomi postoje sjajno je pretpostavljena prije dvije tisuće godina. Tada, već u 19. stoljeću, znanstvenici su imali eksperimentalne podatke (još uvijek neizravne). Govorimo o višestrukim Avogadrovim omjerima, zakonima konstantnosti sastava (u nastavku ćemo razmotriti ove osnovne koncepte kemije). Atom se nastavio istraživati u 20. stoljeću, kada su se pojavile mnoge izravne eksperimentalne potvrde. Temeljile su se na podacima spektroskopije, na raspršenju 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 tih čestica nalazi se pozitivno nabijena jezgra, oko koje se kreću elektroni s negativnim nabojem. Veličina jezgre je oko 10-15 m. Pokazalo se da elektronska ljuska određuje veličinu atoma, ali je njegova masa gotovo potpuno koncentrirana u jezgri. Treba uvesti još jednu definiciju s obzirom na osnovne pojmove kemije. Kemijski element je vrsta atoma čiji je naboj jezgre isti.
Često postoji definicija atoma kao najmanje čestice materije, kemijski nedjeljive. Kako razumjeti "kemijski"? Kao što smo već primijetili, podjela pojava na fizičke i kemijske je uvjetna. Ali postojanje atoma je bezuvjetno. Stoga je bolje definirati kemiju kroz njih, a ne obrnuto, atome kroz kemiju.
Kemijska veza
To je ono što drži atome zajedno. Ne dopušta im da se rasprše pod utjecajem toplinskog kretanja. Napominjemo glavne karakteristike veza - to je međunuklearna udaljenost i energija. To su ujedno i osnovni pojmovi kemije. Duljina veze određuje se eksperimentalno s dovoljno velikom točnošću. Energija - također, ali ne uvijek. Na primjer, nemoguće je objektivno odrediti što je to u odnosu na jednostruku vezu u složenoj molekuli. Međutim, energija atomizacije tvari, potrebna za prekid svih postojećih veza, uvijek je određena. Poznavajući duljinu 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 kemije uključuju ova dva pojma. Što oni zastupaju? Hajde da saznamo.
Koordinacijski broj je broj najbližih susjeda određenog atoma. Drugim riječima, ovo je broj onih s kojima je kemijski povezan. Koordinacija je relativni položaj, 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 neovisno o idejama o prirodi veze, dok su oksidacijsko stanje i valencija uvjetni koncepti koji su stvoreni kako bi se unaprijed predvidjela koordinacija i sastav.
Definicija molekule
Već smo se dotakli ovog koncepta, ukratko razmatrajući osnovne pojmove i zakone kemije. Sada se zadržimo na tome detaljnije. Udžbenici često definiraju molekulu kao najmanju neutralnu česticu tvari koja ima svoja kemijska svojstva, a također je sposobna samostalno postojati. Treba napomenuti da je ova definicija sada zastarjela. Prvo, ono što svi fizičari i kemičari nazivaju molekulom ne čuva svojstva materije. Voda se disocira, ali za to su potrebne minimalno 2 molekule. Stupanj disocijacije vode je 10-7. Drugim riječima, samo jedna molekula može proći ovaj proces.od 10 milijuna. Ako imate jednu molekulu, ili čak stotinu, nećete moći dobiti predodžbu o njenoj disocijaciji. Činjenica je da toplinski učinci reakcija u kemiji obično uključuju energiju interakcije između molekula. Stoga ih jedan od njih ne može pronaći. I kemijska i fizička svojstva molekularne tvari mogu se odrediti samo iz velike skupine molekula. Osim toga, postoje tvari u kojima je "najmanja" čestica koja može samostalno postojati neograničeno velika i vrlo se razlikuje od uobičajenih molekula. Molekula je zapravo skupina atoma koja nije električno nabijena. U određenom slučaju, to može biti jedan atom, na primjer, Ne. Ova grupa mora biti sposobna sudjelovati u difuziji kao iu drugim vrstama toplinskog kretanja u cjelini.
Kao što možete vidjeti, osnovni koncepti kemije nisu tako jednostavni. Molekula je nešto što treba pažljivo proučiti. Ima svoja svojstva kao i molekularnu težinu. Sada ćemo razgovarati o potonjem.
Molekularna težina
Kako odrediti molekularnu težinu prema iskustvu? Jedan se način temelji na Avogadrovom zakonu, prema relativnoj gustoći pare. Najtočnija metoda je masena spektrometrija. Elektron je izbačen iz molekule. Rezultirajući ion prvo se ubrzava u električnom polju, a zatim se magnetski odbija. Omjer naboja i mase određen je upravo veličinom odstupanja. Postoje i metode koje se temelje na svojstvima koja rješenja imaju. Međutim, molekule u svim tim slučajevima sigurno ćemora biti u pokretu - u otopini, u vakuumu, u plinu. Ako se ne kreću, nemoguće je objektivno izračunati njihovu masu. I samo njihovo postojanje u ovom slučaju teško je otkriti.
Obilježja nemolekularnih tvari
Kad smo već kod njih, napominju da se sastoje od atoma, a ne od molekula. Međutim, isto vrijedi i za plemenite plinove. Ti se atomi kreću slobodno, stoga je bolje o njima razmišljati kao o jednoatomskim molekulama. Međutim, to nije glavna stvar. Što je još važnije, u nemolekularnim tvarima postoji mnogo atoma koji su međusobno povezani. Treba napomenuti da je podjela svih tvari na nemolekularne i molekularne nedovoljna. Podjela prema povezanosti je značajnija. Razmotrimo, na primjer, razliku u svojstvima grafita i dijamanta. Oba su karbonska, ali je prva mekana, a druga tvrda. Po čemu se međusobno razlikuju? 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
Inače se zove prostorna dimenzija. Predstavlja broj dimenzija prostora, karakteriziran činjenicom da imaju kontinuirani (gotovo beskonačan) sustav jezgri (jakih veza). Vrijednosti koje može uzeti su 0, 1, 2 i 3. Stoga je potrebno razlikovati trodimenzionalno povezane, slojevite, lančane i otočne (molekularne) strukture.
Zakonkonzistentnost sastava
Već smo naučili osnovne pojmove kemije. Tvar smo ukratko pregledali. Sada razgovarajmo o zakonu koji se odnosi na njega. Obično se formulira na sljedeći način: svaka pojedinačna tvar (to jest, čista), bez obzira na to kako je dobivena, ima isti kvantitativni i kvalitativni sastav. Ali što znači izraz "čista tvar"? Hajde da saznamo.
Prije dvije tisuće godina, kada se struktura tvari još nije mogla proučavati izravnim metodama, kada nam poznati osnovni kemijski pojmovi i zakoni kemije nisu ni postojali, određena je deskriptivno. Na primjer, voda je tekućina koja čini osnovu mora i rijeka. Nema miris, boju, okus. Ima takva i takva mjesta smrzavanja i taljenja, bakreni 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 kemijski pojmovi i zakoni kemije.
Za tadašnje znanstvenike nije bilo očito da tekućina, izolirana na različite načine (spaljivanje vodika, dehidracija vitriola, destilacija morske vode), ima isti sastav. Veliko otkriće u znanosti bilo je dokaz ove činjenice. Postalo je jasno da se omjer kisika i vodika ne može glatko mijenjati. To znači da se elementi sastoje od atoma – nedjeljivih dijelova. Tako su dobivene formule tvari, a potkrijepljena ideja znanstvenika o molekulama.
BDanas se svaka tvar, eksplicitno ili implicitno, određuje prvenstveno formulom, a ne talištem, okusom ili bojom. Voda - H2O. Ako su prisutne druge molekule, više neće biti čista. Stoga je čista molekularna tvar ona koja se sastoji od molekula samo jedne vrste.
Međutim, što je s elektrolitima u ovom slučaju? Uostalom, oni sadrže ione, a ne samo molekule. Potrebna je rigoroznija definicija. Čista molekularna tvar je ona koja se sastoji od molekula istog tipa, a također, 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 ponovno pojavljuju. Riječ "reverzibilno" označava da transformacija nije dovršena. Ako se donese, onda je bolje reći da je nestabilan. U ovom slučaju, to nije čista tvar.
Zakon održanja mase materije
Ovaj zakon poznat je u metaforičkom obliku od davnina. Rekao je da je materija nestvoriva i neuništiva. Zatim je došla njegova kvantitativna formulacija. Po njoj je težina (a od kraja 17. stoljeća i masa) mjera količine materije.
Ovaj zakon u svom uobičajenom obliku otkrio je 1748. Lomonosov. Godine 1789. dopunio ga je A. Lavoisier, francuski znanstvenik. Njegova moderna formulacija zvuči ovako: masa tvari koje ulaze u kemijsku reakciju jednaka je masi tvari koje se dobivaju kao rezultatnju.
Avogadrov zakon, zakon volumnih omjera plinova
Posljednji od njih formulirao je 1808. JL Gay-Lussac, francuski znanstvenik. Ovaj zakon je danas poznat kao Gay-Lussacov zakon. Prema njemu, volumeni plinova koji reagiraju međusobno su povezani, kao i volumeni nastalih plinovitih produkata, kao mali cijeli brojevi.
Obrazac koji je otkrio Gay-Lussac objašnjava zakon koji je malo kasnije, 1811. godine, otkrio Amedeo Avogadro, talijanski znanstvenik. Kaže da pod jednakim uvjetima (tlak i temperatura) u plinovima koji imaju isti volumen, postoji isti broj molekula.
Dvije važne implikacije slijede iz Avogadrova zakona. Prvi je da pod istim uvjetima jedan mol bilo kojeg plina zauzima jednak volumen. Volumen bilo kojeg od njih u normalnim uvjetima (a to su temperatura od 0 ° C, kao i tlak od 101,325 kPa) je 22,4 litre. Druga posljedica ovog zakona je sljedeća: pod jednakim uvjetima, omjer masa plinova koji imaju isti volumen jednak je omjeru njihovih molarnih masa.
Postoji još jedan zakon koji se mora spomenuti. Razgovarajmo o tome ukratko.
Periodični zakon i tablica
D. I. Mendeljejev je na temelju kemijskih svojstava elemenata te atomske i molekularne teorije otkrio ovaj zakon. Taj se događaj zbio 1. ožujka 1869. Periodični zakon jedan je od najvažnijih u prirodi. Može se formulirati na sljedeći način: svojstva elemenata i oblikovaninjihove složene i jednostavne tvari imaju periodičnu ovisnost o nabojima jezgri svojih atoma.
Periodični sustav koji je stvorio Mendeljejev sastoji se od sedam razdoblja i osam grupa. Grupe su njezini okomiti stupci. Elementi unutar svakog od njih imaju slična fizikalna i kemijska svojstva. Grupa je pak podijeljena u podgrupe (glavnu i sekundarnu).
Horizontalni redovi ove tablice nazivaju se točkama. Elementi koji se nalaze u njima međusobno se razlikuju, ali im je i zajedničko – da im se posljednji elektroni nalaze na istoj energetskoj razini. U prvom periodu postoje samo dva elementa. To su vodik H i helij He. U drugom periodu ima osam elemenata. U četvrtoj ih je već 18. Mendeljejev je to razdoblje označio kao prvo veliko. Peti također ima 18 elemenata, njegova struktura je slična četvrtom. Šesti sadrži 32 elementa. Sedma nije dovršena. Ovo razdoblje počinje s francijem (Fr). Možemo pretpostaviti da će sadržavati 32 elementa, poput šestog. Međutim, do sada su pronađena samo 24.
Pravilo povrata
Prema pravilu povrata, svi elementi teže dobiti ili izgubiti elektron kako bi imali konfiguraciju od 8 elektrona plemenitog plina koji im je najbliži. Energija ionizacije je količina energije potrebna za odvajanje elektrona od atoma. Pravilo povratnog udara kaže da dok se krećete s lijeva na desno preko periodnog sustava, potrebno je više energije za pokretanje elektrona. Stoga elementi na lijevoj strani imaju tendenciju da izgube elektron. Protiv,oni s desne strane željni su je dobiti.
Ukratko smo opisali zakone i osnovne koncepte kemije. Naravno, ovo su samo općenite informacije. U okviru jednog članka nemoguće je detaljno govoriti o tako ozbiljnoj znanosti. Osnovni pojmovi i zakoni kemije, sažeti u našem članku, samo su polazište za daljnje proučavanje. Doista, u ovoj znanosti postoji mnogo odjeljaka. Postoji, na primjer, organska i anorganska kemija. Osnovni pojmovi svakog od odjeljaka ove znanosti mogu se proučavati jako dugo. Ali ona gore predstavljena su opća pitanja. Stoga možemo reći da su to osnovni pojmovi organske kemije, kao i anorganske.
