Тема 1. Основні хімічні поняття та закони

(Самостійна проробка теми)

Розділ 1. Основні хімічні поняття

Хімія – це наука про склад та будову речовин, їх властивості та взаємні перетворення. Окремий вид матерії, який за певних умов має сталі фізичні та хімічні властивості, називається речовиною. Речовина складається з елементарних частинок, які мають масу покою.

Будь-які зміни з речовиною називають явищами. Фізичними явищами є такі, під час яких не змінюється склад речовини, але можуть змінюватися форма, агрегатний стан, температура, тощо. Хімічні явища зв’язані із зміною складу та властивостей речовини. Будь-яка хімічна речовина складається з хімічних елементів.

Елементом називається сукупність атомів, які мають однаковий заряд ядра. Кожний елемент має свою назву та хімічний символ. Носієм властивостей елемента є атом.

Атом – хімічно неподільна електронейтральна частинка речовини, яка складається з ядра і електронів. Ядро (центральна частина атома) складається з протонів і нейтронів. Маси протонів і нейтронів у» 2000 (1836) разів більше маси електронів, тому в ядрі зосереджена маса атома, яка дорівнює» 10^–25÷ 10^–27 кг. Електрони утворюють електронну оболонку, розміри якої визначають розміри атома (»10^–10 м). Позитивний заряд ядра, який відповідає числу протонів, дорівнює негативному заряду електронної оболонки, що визначається числом електронів. Кількісними характеристиками атома є його маса і заряд ядра, що збігається з порядковим номером (Z) елемента у Періодичній системі. Елементи можуть утворювати атоми з різною кількістю нейтронів у ядрі. Такі атоми одного елементу називають ізотопами. Наприклад, елемент Гідроген складається з ізотопів трьох видів: Протію (¹₁Н, тобто до складу ядра входить тільки протон), Дейтерію (²₁D, до складу ядра входить один протон і один нейтрон) і Тритію (³₁Т, до складу ядра входять один протон і два нейтрони). Кожний елемент має кілька ізотопів, тому в Періодичній системі наведено середню атомну масу елементів з урахуванням їх поширення у природі.

Атомна одиниця маси – це сучасна позасистемна одиниця вимірювання атомних та молекулярних мас (позначається а.о.м.)

Вона є 1/12 часткою маси атому ізотопу Карбону ¹²С. Маса цього ізотопу дорівнює 19, 93 10^–27 кг. З цього випливає, що

1 а.о.м =

Ця величина – одна з фундаментальних фізичних сталих.

Відносна атомна маса (А_r, r – relаtive – відносний) – це величина, що визначається відношенням маси атома елемента до величини 1 а.о.м.:

А_r (ат) = m (ат)/1 а.о.м

А_r (Н) = 1, 67·10^–27 кг/1 а.о.м. =1, 67^.10^–27 кг/1, 66· 10^–27 кг = 1, 008

А_r (U) = 3, 9513^·10^–25 кг/1а.о.м. = 3, 9513^·10^–25кг/1, 66^·10^–27кг = 238, 03.

Основною властивістю атомів хімічних елементів є їх схильність до сполучення з утворенням хімічних речовин.

Молекула – здатна до самостійного існування частинка речовини, що зберігає її хімічні властивості. Молекули складаються з атомів, які з’єднані між собою хімічними зв’язками в певній послідовності та певним чином орієнтовані у просторі. Число атомів в молекулах становить від двох (Н₂, О₂) до кількох тисяч (гормони, білки). Атоми інертних газів іноді називають одноатомними молекулами (Не, Аr). Усі молекули одної речовини молекулярної будови мають однаковий склад, розміри, масу і властивості. Молекули різних речовини різняться за цими характеристиками. Молекули безперервно рухаються. У твердих речовинах вони здійснюють коливальний рух навколо положень рівноваги, в рідких – теж коливаються і прямолінійно переміщуються в нові положення, в газах – здійснюється прямолінійний хаотичний рух. Відстань між молекулами у твердих речовинах і рідинах складає» 10^–10 м, у газах – 10^–8÷ 10^–7 м. Під час фізичних явищ молекули зберігаються, під час хімічних перетворень – руйнуються, поєднуються в нові комбінації, утворюючи нові речовини.

Сполуки, які складаються з атомів одного елементу, називаються гомосполуками. Найбільш стійка за звичайних умов гомосполука елементу називається простою речовиною. Наприклад, Карбон утворює графіт і алмаз, Оксиген утворює атомарний кисень О, молекулярний кисень О₂ і озон О₃. Серед цих прикладів простими сполуками є графіт та молекулярний кисень, як більш стійки за звичайних умов. Явище існування кількох гомосполук одного елементу називається алотропією.

Сполуки, які складаються з атомів різних елементів називають гетеросполуками, або складними речовинами, наприклад, вода Н₂О, амоніак NH₃, сульфатна кислота H₂SO₄, тощо.

Найважливішою характеристикою молекули є її склад, який описується хімічними формулами. Використовують декілька видів хімічних формул. Для сполук з молекулярною будовою використовуються молекулярні формули, які відображають якісний склад та кількісні співвідношення атомів у молекулі. Наприклад, молекула СО₂ складається атомів Карбону і Оксигену у співвідношеннях 1: 2.

В електронних формулах зображуються зв’язки між атомами у молекулі, які утворюються спільними електронними парами, наприклад, Н: Н, О :: О, Н: О: Н. Такими формулами користуються, коли треба розібрати механізми утворення зв’язків у молекулі.

Структурні формули показують порядок з’єднання атомів в молекулах:

О Н Н О О

Са S

О Н Н О О

Не всі речовини складаються з молекул. Молекулярну будову мають більшість органічних речовин та частина неорганічних, наприклад, прості речовини водень Н₂, кисень О₂, йод І₂; складні – галогеніди, сульфіди, гідриди, оксиди неметалів (CО₂, SO₃, РСІ₃, Н₂S, AsH₃) і безводні неорганічні кислоти (HBr, HI).

Більшість твердих неорганічних речовин (основні оксиди, луги, солі) складаються з іонів або поляризованих атомів. Носієм хімічних властивостей речовини в них є сукупність частинок, кількісне співвідношення в якій відображає склад речовини, наприклад, NaCl, KOH, K₂SO₄. Тому не можна застосовувати поняття “молекула” щодо речовин з немолекулярною будовою.

Формули немолекулярних сполук базуються на результатах дослідів елементного аналізу і теж показують якісний і кількісний склад сукупності частинок, що утворюють ці речовини. Наприклад, речовина калій карбонат складається з сукупності атомів Калію, Карбону та Оксигену у співвідношенні 2: 1: 3, тому формула буде К₂СО₃.

Йоном називається заряджена частинка, яка утворюється внаслідок відщеплення або приєднання електронів та внаслідок електролітичної дисоціації. Позитивно заряджений іон називається катіоном (K⁺, Н⁺), негативно заряджений – аніоном (ОН^–, СО₃^2–).

Відносна молекулярна маса – це величина, що визначається відношенням маси молекули до величини 1 а.о.м. Відносна молекулярна маса розраховується за хімічною формулою і дорівнює сумі відносних атомних мас усіх атомів, які входять до складу молекули.

М_r (А_аВ_в) = а ^. А_r (A) + в ^. А_r (B)

Наприклад, М_r (Н₂О) = 2· А_r (Н) + 1· А_r (О) = 2·1, 008 + 1·15, 99 =17, 9916» 18.

Відносні атомні і молекулярні маси – безрозмірні величини. Вони чисельно дорівнюють атомній і молекулярній масам, вираженим у а.о.м. Наприклад, молекулярна маса води А (Н₂О) = 18 а.о.м.

Кількість речовини (n) визначається числом частинок – структурних одиниць речовини, з яких вона складається: молекул, атомів, іонів, електронів, протонів, тощо. Одиницею вимірювання кількісті речовини є моль.

Моль – кількість речовини, що містить стільки структурних або формульних одиниць, скількі атомів містяться у ізотопі Карбону ¹²С масою 0, 012 кг. Один моль містить 6, 02·10²³ частинок. Ця величина називається сталою Авогадро, позначається N_A і має розмірність моль^–1. Наприклад, 1 моль води Н₂О містить 6, 02·10²³ молекул, 1 моль хлориду натрію NaCl містить 6, 02 ^.10²³ формульних одиниць, 1 моль іонів міді Сu²⁺ містить 6, 02·10²³ йонів міді.

n = m / M; n = N / N_А; n = V / V_m

де m – маса речовини, г; М – молярна маса речовини, г/моль; N – число часток речовини, N_А – число Авогадро, моль^–1; V – об’єм речовини, л; V_m – молярний об¢ єм речовини, л/моль.

Молярна маса – це маса одного моля речовини, позначається через М і має розмірність г/моль (кг/моль, кг·моль^–1). У г/моль вона чисельно дорівнює відносній молекулярній масі. Доведемо це.

Нехай n = 1моль., тоді маса 1 молю є масою N_А молекул; m – маса однієї молекули, m = М_r ´ 1 а.о.м.

М = М_r ´ (1, 66·10^-24 г) ´ (6, 02·10²³моль^–1) = М_r, (г ^. моль^–1)

Молярний об’єм – об’єм газоподібної речовини або суміші газів, в якому міститься один моль речовини (6, 02·10²³ молекул):

V_m = V/ n.

На відміну від молярної маси, молярний об’єм газу залежить від умов – тиску і температури. В хімії найчастіше використовують молярний об’єм газу за нормальних умов (Т ₀= 273 К, Р ₀= 101, 325 кПа) – V ₀ = 22, 4 л/моль.

Валентністю (В) елемента називають кількість зв’язків, що утворюють його атоми в сполуках. В формулах сполук валентність вказують внизу символу елемента римськими цифрами: NaCl, CaSO₄, Al(OH)₃, K₂Cr₂O₇.

I I II III I VI II

В тексті валентність вказують після cимвола елемента у дужках Со (ІІ), Fe(III).

Елементи перших трьох груп головних підгруп мають єдину можливу валентність, рівну номеру групи: K (I), Ba (II), Ga (III). Елементи інших груп можуть мати перемінну валентність, що залежіть від будови електронної оболонки їх атомів. Максимальна валентність дорівнює номеру групи Періодичної системи, де знаходиться елемент (за деякими винятками).

Ступінь окиснення (СО) – формальний заряд на атомі в молекулі, якщо вважати, що молекула складається з іонів.

Величину та знак ступеня окиснення атомів у сполуках визначають, виходячи з таких положень:

1) у нейтральних молекулах алгебраїчна сума ступенів окиснення всіх гіпотетичних іонів дорівнює 0;

2) у простих сполуках ступінь окиснення дорівнює 0;

3) ступінь окиснення Оксигену у сполуках дорівнює –2. Винятком є

-1 -1 +2 +1

пероксидні сполуки (Н₂О₂, Nа₂О₂), фториди (ОF₂, O₂F₂) та деякі інші сполуки;

4) Гідроген в усіх сполуках має ступінь окиснення –1. Виняток складають

+1 +1

гідриди металів (NaH, CaH₂);

5) Флуор в усіх сполуках має ступінь окиснення –1;

6) ступінь окиснення елементів перших трьох груп головних підгруп дорівнює номеру групи (Na⁺¹, Cа⁺², Аl⁺³);

7) максимальний позитивний ступінь окиснення атомів відповідає номеру групи періодичної системи. Винятком є елементи підгрупи Купруму (Cu, Ag, Au), де ступінь окиснення може бути +3, тобто більший, ніж номер групи, а також метали восьмої групи (Fe, Co, Ni, Rh, Pd, Ir, Pt) та елементи О, F, Br, в яких ступінь окиснення завжди менше, ніж номер групи;

Поняття ступінь окиснення не слід отожнювати з валентністю, навіть у тих випадках, коли їхні абсолютні значення співпадають. Валентність визначається числом зв¢ язків, які утворює даний атом з іншими атомами, тому ця характеристика не має знаку і не може дорівнювати 0. Наприклад, ступені окиснення Карбону в метані СН₄, метанолі СН₃ОН, формальдегіді НСОН та карбон (IV) оксиді СО₂ відповідно дорівнюють –4, –2, 0, +4, а валентність в усіх випадках дорівнює 4.

Не дивлячись на те, що поняття ступені окиснення є досить умовним і формальним, воно набуло широкого використання при класифікації хімічних процесів і при розгляданні окисно-відновних реакцій.

Реакції, які супроводжуються зміною ступені окиснення елементів, називаються окисно-відновними (ОВР). В ОВР зміна СО зумовлена зміщенням або повним переходом електронів від атома одного елемента до атома іншого елемента.

Окисненням називається процес віддавання електронів.

Відновленням називається процес приймання електронів.

Окисником називається речовина, що містить елемент, який приймає електрони. В ОВР окисник відновлюється і його СО зменшується.

Відновником називається речовина, що містить елемент, який віддає електрони. В ОВР відновник окиснюється і його СО збільшується.

Наприклад:

0 +1 +2 0

Zn + HCl = ZnCl₂ + H₂

Zn⁰ - 2ē ® Zn⁺²; реакція окиснення Zn; Zn⁰ – відновник.

H⁺ + 2ē ® H₂^о; реакція відновлення Н₂; Н ⁺ – окисник.