Глава I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИИ

§ 1. Предмет химии. Важнейшие понятия и законы химии

Важнейшей и интереснейшей частью современного естествознания является химия — наука о веществах, их свойствах и превращениях их друг в друга.

Предметом химии являются вещества, из которых состоит окружающий нас мир. К настоящему времени известно примерно десять миллионов веществ и это число непрерывно увеличивается. Все вещества изучаются, классифицируются и получают свое название.

Превращения одних веществ в другие принято называть химическими реакциями (химическими явлениями}, которые отличают от физических явлений, например, горение водорода в атмосфере кислорода, в результате которого образуется вода, — это химическая реакция, а плавление льда и переход его в жидкую воду или испарение воды в результате кипения — это физические процессы.

Все химические вещества состоят из частиц, классификация которых в химии (и физике!) достаточно сложна; химические превращения связывают прежде всего с такими частицами, как атом, молекула, ядро, электрон, протон, нейтрон, атомные и молекулярные ионы, радикалы. Принято считать, что атом — это наименьшая химическая частица вещества, хотя, как мы знаем, каждый атом состоит из так называемых «элементарных частиц».

В следующем разделе будет показано, что свойства атома и характер его взаимодействия с другими атомами достаточно просто и достаточно точно можно объяснить моделью, в соответствии с которой атом состоит из определенного числа протонов p, нейтронов n и электронов .

Атом — электронейтралъная система взаимодействующих элементарных частиц, состоящая из ядра (образованного протонами и нейтронами) и электронов.

Хотя атомы образуются при взаимодействии всего лишь трех типов элементарных частиц, при их сочетании возникает большой набор разнообразных устойчивых или неустойчивых (радиоактивных!) систем.

При этом выяснилось, что всю совокупность образовавшихся таким образом атомов легко классифицировать всего лишь по одному параметру — заряду ядра Z.

Определенный вид атомов, характеризующийся одинаковым зарядом ядра, называется химическим элементом. Каждый элемент имеет свое название и свой символ, например элементы гелий Не, медь Cu, фосфор Р и т.д. (см. периодическую таблицу).

Наименование и символы элементов — химическая азбука, позволяющая описать состав любого вещества химической формулой.

Следующей, более сложной после атома, частицей может рассматриваться молекула.

Молекула — это электронейтралъная наименьшая совокупность атомов, образующих определенную структуру посредством химических связей. Природа химических связей имеет электростатический характер и будет рассмотрена в третьей главе.

Молекулы могут содержать атомы только одного элемента, например молекула кислорода содержит два атома кислорода и описывается формулой , молекула озона состоит из трех атомов кислорода — , молекула белого фосфора — из четырех атомов фосфора молекула брома — из двух атомов и т.д.; такие вещества называют простыми веществами.

В настоящее время известно 110 элементов, а число образуемых ими простых веществ около 400. Такое различие объясняется способностью того или иного элемента существовать в виде различных простых веществ, отличающихся по свойствам.

Это явление получило название аллотропия. Упомянутые выше аллотропные формы элемента кислорода отличаются числом атомов в их молекулах. Аллотропные формы элемента углерода — алмаз, графит и карбин отличаются строением их кристаллических решеток.

Вещества, молекулы которых состоят из атомов разных элементов, называют сложными веществами, например оксид водорода (вода) азотная кислота глюкоза и т.д.

Наличие химических формул для всех веществ позволяет изображать химические реакции посредством химических уравнений. В таблице 1.1 приведены основные типы химических реакций.

Наиболее характерными признаками химической реакции являются следующие рнешние изменения реакционной среды: 1) выделение газа; 2) образование осадка; 3) изменение окраски; 4) выделение или поглощение теплоты. Более детально особенности протекания химических реакций рассмотрены в § 7.

Таблица 1.1. Типы химических реакций