|
|
Тема Химия. Материя
Введение в современную химию План лекции - 1.Что такое химия? Предмет и задачи химии.
- 2. Фундаментальные понятия о материи.
- 3.Физические и химические свойства веществ.
- 4. Энергия и температура.
- 5. Агрегатные состояния веществ.
Что такое химия? - Существует множество определений химии, но ни одно из этих определений не даёт полного ответа на вопрос: что такое химия? Объясняется это тем, что химия является не просто суммой знаний о веществах, но высоко упорядоченной, постоянно развивающейся системой знаний. Историки науки переводят этот термин как «египетское искусство». Таким образом, химия – искусство производить необходимые вещества, в том числе и искусство превращать обыкновенные металлы в золото и серебро и их сплавы.
- Химия – одна из важнейших и обширных областей естествознания, наука о веществах, их свойствах, строении и превращениях, происходящих в результате химических реакций. Поскольку все вещества состоят из атомов, которые благодаря химическим связям способны формировать молекулы, то химия занимается в основном изучением взаимодействий между атомами и молекулами, полученными в результате таких взаимодействий.
- Химия – полноправный представитель семейства точных естественных наук, то есть химическое научное знание сформировано из теорий, законов и закономерностей, формулировки которых исключают множественное толкование и которые многократно подтверждены и проверены на практике. И, как для любой естественной науки, для химии имеют большое значение проверяемость, достоверность и воспроизводимость результатов, доказательность знания, соответствие научных теорий и наблюдаемых фактов.
Согласно общепринятому определению - Химия развивалась и развивается традиционно в двух направлениях – как фундаментальная наука (создание и изучение теоретических основ химического знания) и как наука прикладная (решение практических задач применения различных химических соединений).
- Предмет химии – химические элементы и их соединения, а также закономерности, которым подчиняются различные химические реакции.
- Главная задача химии – выяснение природы вещества, главный подход к решению этой задачи – разложение вещества на более простые компоненты и синтез новых веществ. Используя этот подход, химики научились воспроизводить множество природных химических субстанций и создавать материалы, не существующие в природе. Живой организм можно рассматривать как сложнейший химический завод, на котором тысячи веществ вступают в точно отрегулированные химические реакции.
- Язык химии — формулы вещества и уравнения химических реакций. В формуле вещества закодирована информация о составе, структуре, реакционной способности этого вещества. Из уравнения реакции можно получить информацию о химическом процессе и его параметрах. Научиться расшифровывать эту информацию — важная задача изучения курса общей и неорганической химии.
- Современная химия представляет собой систему отдельных научных дисциплин: общей, неорганической, аналитической, органической, физической, коллоидной химии, биохимии, геохимии, космохимии, электрохимии и т.д. Основой химической науки являются атомно-молекулярное учение, закон сохранения материи, периодический закон и теория строения вещества, учение о химическом процессе.
- Материя – бесконечное множество всех сосуществующих в мире объектов и систем, совокупность их свойств и связей, отношений и форм движения. Она включает в себя не только непосредственно наблюдаемые объекты и тела природы, но и все те, которые не даны человеку в его ощущениях.
- Неотъемлемым свойством материи является движение. Движение материи представляет собой любые изменения, происходящие с материальными объектами в результате их взаимодействий. В природе наблюдаются различные виды движения материи: механическое, колебательное и волновое, тепловое движение атомов и молекул, равновесные и неравновесные процессы, радиоактивный распад, химические и ядерные реакции, развитие живых организмов и биосферы.
- На современном этапе развития естествознания исследователи различают следующие виды материи: вещество, физическое поле и физический вакуум.
- Вещество представляет собой основной вид материи, обладающий массой покоя. К вещественным объектам относят: элементарные частицы, атомы, молекулы и многочисленные образованные из них материальные объекты. Свойства вещества зависят от внешних условий и интенсивности взаимодействия атомов и молекул, что и обусловливает различные агрегатные состояния веществ.
- Физическое поле представляет собой особый вид материи, обеспечивающий физическое взаимодействие материальных объектов и их систем. К физическим полям исследователи относят: электромагнитное и гравитационное поля, поле ядерных сил, волновые поля, соответствующие различным частицам. Источником физических полей являются частицы.
- Физический вакуум – это низшее энергетическое состояние квантового поля. Этот термин был введен в квантовую теорию поля для объяснения некоторых процессов. Среднее число частиц – квантов поля – в вакууме равно нулю, однако в нем могут рождаться частицы в промежуточных состояниях, существующие короткое время.
При описании материальных систем используют корпускулярную (от лат. corpuskulum – частица) и континуальную (от лат. continium – непрерывный) теории. Континуальная теория рассматривает повторяющиеся непрерывные процессы, колебания, которые происходят в окрестности некоторого среднего положения. При распространении колебаний в среде возникают волны. Теория колебаний – область физики, занимающаяся исследованием этих закономерностей. Таким образом, континуальная теория описывает волновые процессы. Наряду с волновым (континуальным) описанием широко используется понятие частицы – корпускулы. С точки зрения континуальной концепции вся материя рассматривалась как форма поля, равномерно распространенного в пространстве, а после случайного возмущения поля возникли волны, то есть частицы с различными свойствами. Взаимодействие этих образований привело к появлению атомов, молекул, макротел, образующих макромир. На основе этого критерия выделяют следующие уровни материи: микромир, макромир и мегамир. - При описании материальных систем используют корпускулярную (от лат. corpuskulum – частица) и континуальную (от лат. continium – непрерывный) теории. Континуальная теория рассматривает повторяющиеся непрерывные процессы, колебания, которые происходят в окрестности некоторого среднего положения. При распространении колебаний в среде возникают волны. Теория колебаний – область физики, занимающаяся исследованием этих закономерностей. Таким образом, континуальная теория описывает волновые процессы. Наряду с волновым (континуальным) описанием широко используется понятие частицы – корпускулы. С точки зрения континуальной концепции вся материя рассматривалась как форма поля, равномерно распространенного в пространстве, а после случайного возмущения поля возникли волны, то есть частицы с различными свойствами. Взаимодействие этих образований привело к появлению атомов, молекул, макротел, образующих макромир. На основе этого критерия выделяют следующие уровни материи: микромир, макромир и мегамир.
- Микромир – это область предельно малых, непосредственно ненаблюдаемых материальных микрообъектов, размер которых исчисляется в диапазоне от 10-8 до 10-16 см, а время жизни – от бесконечности до 10-24 с. Это мир от атомов до элементарных частиц. Все они обладают как волновыми, так и корпускулярными свойствами.
- Макромир – мир материальных объектов, соизмеримых по своим масштабом с человеком. На этом уровне пространственные величины измеряются от миллиметров до километров, а время – от секунд до лет. Макромир представлен макромолекулами, веществами в различных агрегатных состояниях, живыми организмами, человеком и продуктами его деятельности.
- Мегамир – сфера огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в которой измеряется астрономическими единицами (1 а. е. = 8,3 световых минуты), световыми годами (1 световой год = 10 трлн км) и парсеками (1пк = 30 трлн км), а время существования космических объектов – миллионами и миллиардами лет. К этому уровню относятся наиболее крупные материальные объекты: планеты и их системы, звезды, галактики и их скопления, образующие метагалактики.
Откуда взялась материя? - Большинство учёных придерживаются теории Большого взрыва. Согласно этой модели 13–14 миллиардов лет назад вся Вселенная была сосредоточена в крошечном объёме и имела непредставимо огромную плотность и высокую температуру. Эта точка взорвалась – стала резко расширяться (неизвестно, почему).
- Образовались элементарные частицы, из них атомы, из атомов – звёзды, планеты и вообще всё то, что образует Вселенную. Существовала ли материя до Большого взрыва – неведомо.
Что такое антиматерия? - Так называют вещество из античастиц – они имеют такую же массу, как обычные, но заряды и прочие характеристики у них прямо противоположны обычным. Практически у каждой «нормальной» элементарной частицы открыт такой «двойник». Но вещество, состоящее из «двойников», пока не удалось найти ни на Земле, ни в космосе. Возможно, вся наша Вселенная состоит из обычной материи.
- Антиматерию физикам удаётся получить искусственно – в микроскопических количествах и ненадолго (она распадается). Кстати, это самое дорогое вещество на земле: 1 грамм антиводорода стоил бы свыше 60 000 000 000 000 (60 триллионов) долларов.
- Вещество – это форма материи, обладающая массой покоя (масса покоя равна нулю). Все вещества корпускулярны. 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.
- Среди чистых веществ принято различать простые (состоящие из одного химического элемента) и сложные (образованы несколькими химическими элементами) вещества.
- Вещество, которое можно разложить на два или несколько других веществ, называют соединением.
- Н-р: поваренную соль можно разложить электрическим током на два вещества – натрий и хлор. Следовательно, соль – соединение. (н-р, Н2О, HgO)
- Вещество, которое нельзя разложить, называют элементарным веществом или элементом (химическим элементом).
- До сих пор никому не удалось разложить натрий, хлор, водород, кислород или ртуть на другие вещества. Следовательно, эти пять веществ элементы.
Решите пример: - Классифицируйте перечисленные ниже материалы:
- А) лед
- Б) алмаз
- В) чистый сахар
- Г) кварц
ОТВЕТ - А) лед – вещество, химическое соединение элементов кислорода и водорода.
- Б) алмаз – минерал, кристаллическое вещество, форма элемента углерода.
- В) сахар – вещество, химическое соединение элементов углерода, водорода и кислорода.
- Г) кварц – это вещество, химическое соединение элементов кремния и кислорода.
- 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 ядра атома того же элемента совпадают, т.е. 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. 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 (химический анализ).
Физические свойства веществ - Физические свойства – это такие свойства вещества, которые можно наблюдать, не превращая данное вещество в какие-либо другие.
- Кристалличность, спайность, вкус, растворимость, плотность, точка плавления, ковкость, тягучесть, твердость, цвет.
- 3.Физические и химические свойства веществ
Химические свойства веществ - Химические свойства вещества – это такие свойства, которые характеризуют способность данного вещества участвовать в химических реакциях.
- Химические реакции – это процессы превращения одних веществ в другие.
- При протекании химических реакций всегда образуются новые вещества. В сущности этот процесс изменения структуры молекулы. В результате реакции количество атомов в молекуле может увеличиваться (синтез), уменьшаться (разложение) или оставаться постоянным (изометрия, перегруппировка). В ходе реакции изменяются связи между атомами и порядок размещения атомов в молекулах.
Исходя из вышеизложенного - Исходя из вышеизложенного
- Химию можно определить как НАУКУ о веществах – об их строении, свойствах и о реакциях, в результате которых одни вещества превращаются в другие.
Решите пример - Какие из перечисленных ниже процессов можно назвать химическими реакциями?
- А) кипение воды
- Б) горение бумаги
- В) приготовление сахарного сиропа путем добавления сахара к воде.
- Г) образование ржавчины на железе
- Д) получение соли выпариванием морской воды
Ответ - Горение бумаги и образование ржавчины на железе – химические реакции.
- Кипение воды, приготовление сахарного сиропа и получение соли путем выпаривания морской воды – процессы изменения состояния, которые не относятся к химическим реакциям.
Энергия и температура - Понятие энергии столь же трудно определить, как и понятие материи. Энергия необходима для совершения работы или нагревания того или иного объекта.
- Существуют разные виды энергии: энергия движения, излучение, химическая энергия и др.
- Если два объекта соприкасаются, то теплота может переходить от одного объекта к другому.
- Температура – это свойство, определяющее направление перехода теплоты.
- Температуру обычно измеряют при помощи термометра.
- В научных исследованиях пользуются 100 градусной температурной шкалой или шкалой Цельсия; она введена в 1742 г. шведским профессором астрономии Андерсом Цельсиусом. По этой шкале точка замерзания воды принята за 0ОС, а точка кипения воды за 100ОС.
- По шкале Фаренгейта точка замерзания воды принята равной 32OF, а точка кипения воды 212OF. Разница между точками замерзания и кипения воды по этой шкале 180О, а не 100О.
- Около 200 лет назад ученые заметили, что при охлаждении определенного количества газа его объем закономерно уменьшается, и предположили, что если при дальнейшем охлаждении этот объем будет уменьшаться с той же закономерностью, то станет равным нулю приблизительно при —273 °С. Развитие этой концепции показало, что температура —273 °С (точнее, —273,15°С) является минимальной температурой, абсолютным нулем. Несколько позже знаменитый британский физик Кельвин (1824—1907) предложил новую шкалу температур, ведущую отсчет от абсолютного нуля. Шкала Кельвина позволила в простой форме выразить законы термодинамики.
- В системе СИ принята температурная шкала Кельвина, причем градусу дано новое определение. За абсолютный нуль принят О К, а тройная точка воды принята равной 273,16 К- (Тройная точка воды — это температура, при которой чистая жидкая вода, лед и водяные пары находятся в равновесии.) При таком определении градуса точка кипения воды при давлении в одну атмосферу соответствует 373,15 К, и точка замерзания воды, насыщенной воздухом при давлении в одну атмосферу, соответствует 273,15 К. Таким образом, эта принятая в системе СИ температура по шкале Кельвина, равная 273,15 К, выше температуры по стоградусной шкале Цельсия. При указании температуры по шкале Кельвина знак градуса не пишется.
Теплота - За единицу энергии и теплоты в системе СИ принят джоуль. В химии в качестве единицы энергии широко использовали калорию, и в большинстве термохимических справочников данные приведены в калориях или килокалориях (1000 кал). В системе СИ калория принята равной 4,184 Дж.
- 1 кал = 4,184 Дж,
- 1 ккал = 1000 кал=4,184 кДж.
- Калория (в пределах обычно достаточной точности) равна количеству теплоты (энергии), необходимой для повышения температуры 1 г жидкой воды на 1 °С.
Давление - При выполнении химического эксперимента часто необходимо знать не только температуру, при которой идет эксперимент, но и давление. Так, процесс промышленного производства аммиака проводят при высоком давлении, поскольку химическая реакция получения аммиака не протекает в достаточной мере при обычном давлении.
- Давление — это сила, действующая на единицу площади. Давление можно измерять в ньютонах* на квадратный метр или в фунтах на квадратный дюйм, а также в других единицах. Атмосфера Земли оказывает давление на все объекты, находящиеся на земной поверхности. Давление атмосферы равно 101,325 кН*м-2.
- Другая часто используемая единица давления — атмосфера (сокращенно атм). Давление 1 атм — среднее давление на земной поверхности (на уровне моря), обусловленное весом воздуха.
- Давление атмосферы можно измерять при помощи барометра.
5. Агрегатные состояния веществ - Материалы могут быть твердыми, жидкими и газообразными.
- Образец твердого тела, скажем кусочек льда, имеет определенный объем, а также жесткость. Он сохраняет свою форму даже под действием внешней силы, если эта сила не столь велика, чтобы разрушить образец.
- Жидкость, например некоторое количество воды в чашке, имеет определенный объем, но ее форма определяется формой сосуда.
- Газ, подобно водяному пару в цилиндре паровой машины, не имеет ни определенной формы, ни определенного объема — он изменяет и форму и объем с изменением формы и объема сосуда, в котором он заключен.
- Лед, вода и водяной пар представляют собой одно и то же химическое вещество — воду в трех разных состояниях. Лед — твердое состояние (кристаллическое состояние) этого вещества, вода — жидкое состояние и пары воды — газообразное состояние.
Твердые тела - Твердые тела бывают кристаллические и некристаллические.
- Кристалл представляет собой гомогенный материал (чистое вещество или раствор), который вследствие строго определенного внутреннего строения имеет самопроизвольно образующуюся форму, ограниченную плоскими гранями.
- Так, при выпаривании раствора соли образуются небольшие кубические кристаллы твердой соли. Эти кубические кристаллы ограничены плоскими квадратными гранями.
- Большинство твердых тел имеет кристаллическое строение. Иногда отдельные кристаллы с плоскими гранями и острыми ребрами и вершинами можно видеть невооруженным глазом; иногда их можно наблюдать только под микроскопом.
- Некоторые твердые вещества, например древесный уголь, не обнаруживают кристаллического характера даже при рассмотрении под микроскопом высокого разрешения; такие твердые тела называют аморфными (слово «аморфный» означает бесформенный).
- Ряд других материалов, таких, как сургуч и стекло, называют переохлажденными жидкостями. Если кусочек сургуча, твердого и хрупкого при комнатной температуре, постепенно нагревать, то он размягчается и в конце концов превращается в подвижную жидкость. При охлаждении он постепенно переходит в вязкую жидкость, а затем в твердое тело. Таким образом, и при комнатной температуре его можно считать жидкостью, но настолько вязкой, что ее течение происходит предельно медленно.
Три состояния вещества Вопросы для самоконтроля - Подходит ли под определение минерала ледниковый лед?
- Укажите, какие из перечисленных ниже гомогенных материалов являются веществами, какие растворами:
- дождевая вода, морская вода, кислород, мед, воздух, соль, ртуть, водка?
- На каком основании можно утверждать, что вода — соединение, а не элемент?
- Какие химические признаки указывают на то, что кислород — элемент, а не соединение? Почему в первой фразе сказано «можно утверждать», а во второй «указывают»?
Рекомендуемая литература - М.S.Silberberg. Principles of general chemistry. McGraw-Hill Companies, Inc, USA, 2013.
- Глинка Н.Л. Общая химия. Москва: “Интеграл-Пресс”, 2007.
- http://www.xumuk.ru/. Сайт о химии для химиков.
|
|
|
Скачать 392 Kb.