1.1. Теория химического строения веществ
Главная роль в создании, обосновании и подтверждении теории химического строения принадлежит русскому химику Александру Михайловичу Бутлерову (1861г.), хотя кроме него элементы этой теории начали разрабатывать А. Купер в Англии и А. Кекуле в Германии.
Основные положения теории химического строения А. М.Бутлерова:
• Молекулы имеют определенное химическое строение, под которым подразумевают порядок связей атомов в молекуле.
• Свойства молекулы определяются её химическим строением и природой образующих её атомов.
• Изучая химические превращения вещества, можно установить его химическое строение.
Электронная теория химической связи сформировалась только в 20-х годах XX века. Квантовая химия описывает химическую связь как результат электростатического взаимодействия между валентными электронами и положительно заряженными ядрами взаимодействующих атомов. Это взаимодействие обязательно должно приводить к уменьшению общей энергии системы, т.е. должно быть энергетически выгодно.
Ионная связь образуется за счёт электростатического притяжения разнозаряженных ионов, образующихся при полном смещении общей электронной плотности к более электроотрицательному атому. Такая химическая связь возникает между элементами резко отличающимися по электроотрицательности (более 1,5 по шкале Полинга), например, между элементами IА и VIIА подгрупп.
Ковалентная химическая связь образуется за счёт формирования общей (связывающей) электронной пары между взаимодействующими атомами. Например, в молекуле водорода одна связывающая электронная пара Н : Н. Такую связь называют одинарной. Возникновение кратной связи (двойной или тройной) равносильно образованию двух или трёх общих электронных пар.
Неполярная ковалентная связь образуется в простых веществах молекулярного или кристаллического строения между атомами одного элемента. В этом случае общая электронная плотность находится строго симметрично относительно связанных атомов. Поэтому поляризация атомов в молекулах или кристаллах простых веществ отсутствует.
Полярная ковалентная связь образуется в сложных веществах между разными по электроотрицательности атомами. При образовании полярной ковалентной связи общая электронная плотность смещается к более электроотрицательному атому. Это равносильно возникновению у атомов частичных электрических зарядов.
Металлическая химическая связь образуется за счёт обобществления валентных электронов атомов, образующих кристаллическую решетку – это многоцентровая химическая связь с дефицитом электронов. По своей природе она похожа на ковалентную неполярную или слабо полярную связь, но в отличие от неё является ненаправленной. Металлическая связь встречается в кристаллах металлов и металлоподобных веществ.
Степень окисления – это условный заряд атома, показывающий количество отданных или принятых им электронов, при образовании ионных связей в молекуле или ионе. Степень окисления атомов в простых веществах равна нулю. Высшая степень окисления атома для элементов главных подгрупп периодической системы совпадает с номером группы. Низшая (отрицательная) степень окисления возникает у наиболее электроотрицательных атомов в молекуле при присоединении электронов. Её можно вычислить, если из восьми вычесть номер группы, в которой расположен элемент.
Примеры степеней окисления элементов:
Основные характеристики химической связи – прочность, длина, полярность, устойчивость.
При образовании химической связи энергия выделяется, при ее разрыве – поглощается. Энергия, необходимая для того чтобы разъединить атомы и удалить их друг от друга на расстояние, на котором они не взаимодействуют, называется энергией связи. Важными характеристиками химической связи являются также ее длина и кратность.
Длина связи определяется расстоянием между ядрами связанных атомов в молекуле. Как правило, длина химической связи меньше, чем сумма радиусов атомов, за счет перекрывания электронных облаков.
Кратность связи определяется количеством электронных пар, связывающих два атома.
Свойства ковалентной связи: насыщаемость, направленность и поляризуемость.
• Насыщаемость ковалентной связи обусловлена ограниченными валентными возможностями атомов, т.е их способностью к образованию строго определенного числа связей, которое обычно лежит в пределах от 3 до 80.
• Направленность ковалентной связи является результатом стремления атомов к образованию наиболее прочной связи за счет возможно большей электронной плотности между ядрами.
• Поляризуемость рассматривают на основе представлений о том, что ковалентная связь может быть неполярной (чисто ковалентной) или полярной.
1.2. Стехиометрия
Стехиометрия – раздел химии, устанавливающий правила расчета по химическим формулам веществ, уравнениям химических реакций, правила вычислений при приготовлении, разбавлении и смешении растворов, правила обработки результатов количественного химического анализа.
Каждое вещество имеет строго определенный элементный состав, который отражает его структурная единица. Для веществ молекулярной природы (газы, жидкости, молекулярные кристаллы) в качестве структурной единицы выступает реальная частица – молекула. Для простых веществ с атомной структурой (металлы, алмаз, графит и др.) структурной единицей является атом.
Для сложных кристаллических веществ, имеющих ионную решетку (соли, основания) или решетку с ковалентными полярными связями (например, кремнезем SiO
), структурной единицей является условная формульная единица, в которой индексы у символов химических элементов отражают соотношение их количеств в кристалле.
Образец любого вещества можно охарактеризовать с помощью трех физических величин – массы m, объема V и количества вещества n.
Количество вещества – это число структурных единиц, составляющих данный образец веществf. Единицей измерения количества вещества является моль – это порция вещества, содержащая столько структурных единиц, сколько содержится атомов в 12 г изотопа углерода
С. Последняя величина называется постоянной Авогадро N
(N
= 6,022 · 10
моль
).
Любые газы при одинаковых условиях (фиксированы температура и давление) имеют одинаковый молярный объем ( V
= 22,4 дм3 /моль = 22,4 л /моль)
Химическая формула отражает качественный и количественный состав структурной единицы простого или сложного вещества.
Расчеты по схемам химических реакций:
Масса вступивших в реакцию реагентов равна массе образовавшихся продуктов. Таким образом, все вычисления по схеме реакции основаны на составлении уравнений материального баланса по количеству вещества или массе каждого элемента с последующим использованием соотношений, связывающих количество данных атомов с количеством вещества реагентов и продуктов реакции, в составе которых они находятся.
Расчеты по уравнениям химических реакций:
С помощью стехиометрических коэффициентов схема химической реакции переходит в ее уравнение, которое в явном виде отражает закон сохранения количества атомов каждого вида при переходе от исходных веществ (реагентов) к продуктам реакции. Стехиометрические коэффициенты позволяют установить связь между количествами участвующих в реакции веществ на основе следующего правила: коэффициенты в химическом уравнении задают молярные пропорции (отношения), в которых вступают в реакцию исходные вещества (реагенты) и образуются продукты реакции.
Пример: реакция синтеза аммиака: 3H
+ N
= 2NH
n (H
): n (N
): n (NH
) = 3:1: 2,
Отсюда n (NH
) = 2/3 n (H
) или n (NH
) = 1/2 n (N
)
Газовые законы:
В основе расчета количества вещества, плотности и молярной концентрации газообразных веществ и их смесей при заданных давлении Р и температуре Т лежит уравнение Менделеева – Клапейрона (уравнение состояния идеального газа):
РV = nRT, которое можно представить в других формах:
Р = (n/V)/ RT = сRT или РV = m/M = RT,
где m – масса; М – молярная масса; с – молярная концентрация газа при данных Р и Т, где размерность физических величин зависит от выбранной системы единиц.
Справочно: 1 атм = 760 мм рт.ст. = 101325 Па = 101,325 кПа и Т [K] = 273 + t °C.
R= 8,314 Дж / (моль ? К), или 0,082 (л ? атм)/ (моль ? К)
Следствия из уравнения Менделеева – Клапейрона:
а) Закон Авогадро: при одинаковых условиях (Р, Т – фиксированы) равные объемы газов содержат одинаковое число молекул: если для двух газов V1 = V2, то n1 = n2, и наоборот.
б) Молярные объемы Vm любых газов при одинаковых условиях одинаковы, то есть при n = 1 моль, получаем Vm = RT/P
ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ:
1. Рассчитайте количество, массовые доли и массы химических элементов в 3,42 г сульфата алюминия Al
(SO
)
.
Решение:
_____________________________________
_____________________________________
2. В какой массе меди содержится 10,0 г электронов? (Аr(е) = 0,0005486). (Ответ: 39942,4 г.)
Решение:
_____________________________________
