Строение атома
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ХИМИИ
Химия, как и физика, относится к естественным наукам. В настоящее время трудно найти область народного хозяйства, не связанную с химией. Развитие химической промышленности является одним из условий развития технического прогресса.
Чтобы легче было ориентироваться в поставленных задачах, необходимо хотя бы в общих чертах ознакомиться с началами химии. Начнем с некоторых понятий химической науки.
Атом – наименьшая частица химического элемента, являющаяся носителем его свойств.
Абсолютная атомная масса – истинная масса атома элемента, выраженная в граммах. Например, абсолютная атомная масса атома углерода (С) равна 1.993·10-23 грамм, кислорода (О) – 2.667·10-23 грамм, водорода (Н) – 1.674·10-24 грамм.
Относительная атомная масса – частное от деления абсолютной атомной массы элемента на одну двенадцатую абсолютной атомной массы изотопа углерода 
, так называемую углеродную единицу (у.е.).
Молекула – наименьшая частица вещества, способная к самостоятельному существованию и обладающая химическими свойствами данного вещества.
Относительная молекулярная масса – частное от деления массы молекулы соединения на одну двенадцатую абсолютной атомной массы изотопа углерода . Относительная молекулярная масса химического соединения равна сумме относительных атомных масс всех элементов, входящих в данное соединение.
Моль – количество вещества, содержащее столько же структурных элементов (атомов, молекул, электронов и прочих частиц) сколько содержится атомов в 0.012 килограммах изотопа углерода .
Закон сохранения массы вещества (Ломоносов М.В., 1748 г) гласит, что масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.
Закон постоянства состава (Пруст, 1808 г) – всякое чистое вещество, независимо от способа его получения, всегда имеет постоянный качественный и количественный состав.
Закон эквивалентов (конец XVIII в) – массы (объемы) реагирующих друг с другом веществ пропорциональны их эквивалентным массам (объемам). Или же – вещества взаимодействуют между собой в количествах, пропорциональных их химическим эквивалентам.
Химический эквивалент вещества – такое его количество, которое соединяется с одним молем атомов водорода или замещает то же количество атомов водорода в химических реакциях. Химический эквивалент зависит от валентности элемента.
Эквивалентная масса – масса одного эквивалента элемента (г/моль) и равна частному от деления молярной массы его атомов (А) на валентность элемента (В) в данном соединении: Э = А / В. Например, для углерода в соединении СО2 эквивалентная масса равна 12/4=3 г/моль, а в соединении СО эквивалентная масса составляет 12/2=6 г/моль.
Закон Авогадро (Авогадро, 1811) – в равных объемах различных газов при одинаковых условиях (температуре и давлении) содержится одинаковое число молекул. Следовательно, моль любого газа при одинаковых условиях занимает один и тот же объем. При давлении 105 Па и температуре 0оС этот объем равен 22.4 литрам, в котором содержится 6.023·1023 молекул газа. Число 6.023·1023 называется числом Авогадро и обозначается 
. Массы равных объемов разных газов, взятых при одинаковых условиях, относятся друг к другу как их молярные массы: 
.
Валентность – свойство атомов элемента присоединять или замещать определенное число других атомов или атомных групп с образованием химической связи. И следовательно, электроны, участвующие в образовании химической связи, называются валентными.
Строение атома
Атом состоит из положительно заряженного ядра и электронного облака, образованного движущимися вокруг ядра электронами. В состав ядра входят положительно заряженные протоны (масса покоя протона составляет 1.007276 у.е., заряд протона равен 1.602·10-19 Кл) и нейтральные нейтроны (масса нейтрона равна 1.008665 у.е., заряд нейтрона, соответственно, равен нулю). Суммарное количество протонов и нейтронов равно массовому числу атома (ядра). Силы взаимодействия между протонами и нейтронами являются ядерными. Суммарный заряд протонов равен суммарному заряду электронов, и атом в целом является нейтральным. Заряд ядра равен порядковому номеру элемента в периодической системе элементов Менделеева. Число нейтронов в ядре атома одного и того же элемента может быть различно. Существование изотопов элемента обусловлено именно этим различием.
Химические элементы образуют вещества. Вещества могут быть простыми, т.е. состоящими только из одного элемента и сложными, состоящими из двух и более химических элементов. Химические соединения разделяются на неорганические и органические. В данном курсе ограничимся рассмотрением неорганических веществ.
Основные классы неорганических соединений:
• оксиды – соединения элементов с кислородом;
• гидроксиды – соединения, содержащие одну или несколько гидроксогрупп ОН-;
• кислоты – соединения, которые при электролитической диссоциации (разложении) в качестве катионов образуют только ионы водорода. Кислоты могут быть кислородсодержащими и бескислородными;
• соли – соединения, образованные при замещении в кислотах одного или нескольких ионов водорода ионом металла. Соли бывают средние, основные, кислые, двойные.
Ионом называется заряженная частица вещества. Катион – это положительно заряженный ион, и, соответственно анион, – отрицательно заряженный ион.
Состав как простых, так и сложных веществ выражается посредством химических формул. Химическая формула отражает и качественный, и количественный состав вещества.
Между атомами вещества существует химическая связь, осуществляемая посредством движения электронов в атоме. Благодаря наличию химической связи вещества являются химическими соединениями. Типы химической связи:
ионная – образуемая за счет сил электростатического взаимодействия между ионами;
ковалентная – осуществляемая посредством обобществления электронов, принадлежащих каждому атому до образования химической связи;
металлическая – образуемая «блуждающими» электронами металлов;
водородная – возникающая между водородом и атомами, имеющими свободную электронную пару (например, вода Н2О): Н H
| |
H ― O : ….. H ― O :
. . . .
Взаимодействие элементов или веществ с образованием химического соединения или его распад называется химической реакцией. Уравнением химической реакции называется выражение этой реакции посредством химических формул. Уравнение реакции – это способ описания химического процесса, который дает представление о происшедших качественных и количественных изменениях. При записи уравнений химических реакций применяют закон сохранения массы.
Типы химических реакций:
- реакции присоединения nЭ1+mЭ2=kЭ1nЭ2m(kВ3)
- реакции разложения А1 = А2 + А3
- реакции вытеснения Э1 + А2 = А3 + Э4
- реакции двойного обмена А1 + А2 = А3 + А4
Существует и другая классификация химических реакций:
- реакции, протекающие без изменения степени окисления элементов
- реакции, протекающие с изменением степени окисления элементов (redox)
Другие аспекты химии будем рассматривать в процессе изучения конкретных примеров.