Основные понятия химии

Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ХИМИИ

Часть I. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Часть III. ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

 

Глава 20. Общая характеристика органических соединений..................................................... 124

Глава 21. Алканы............................................................................................................................. 136

Глава 22. Циклоалканы................................................................................................................... 140

Глава 23. Алкены............................................................................................................................. 142

Глава 24. Алкадиены....................................................................................................................... 145

Глава 25. Алкины (ацетилены)...................................................................................................... 147

Глава 26. Ароматические углеводороды (арены)........................................................................ 150

Глава 27. Гидроксильные соединения (спирты).......................................................................... 157

Глава 28. Карбонильные соединения (альдегиды, кетоны)........................................................ 163

Глава 29. Карбоновые кислоты...................................................................................................... 167

Глава 30. Сложные эфиры.............................................................................................................. 175

Глава 31. Углеводы (сахара)........................................................................................................... 179

Глава 32. Амины.............................................................................................................................. 185

Глава 33. Аминокислоты, пептиды и белки................................................................................. 189

Глава 34. Гетероциклические соединения. Нуклеиновые кислоты.......................................... 195

Глава 35. Синтетические высокомолекулярные соединения..................................................... 204

 

Литература....................................................................................................................................... 209

 

Математика, физика, химия и биология относятся к основным естественным точным наукам. Различие между ними состоит, главным обра­зом, в уровне (масштабе) изучаемых явлений. Основной предмет современной химии – это явления, происходящие на атомно-молекулярном уровне.

Химия – наука о веществах, их строении, свойствах и превра­щениях.

На сегодняшний день известно около 20 млн. органических и около миллиона неорганических веществ, причем каждое из этих веществ может вступать в десятки реакций, и каждое из них имеет внутреннее строение. Эти два аспекта взаимосвязаны. Внутреннее строение определяет химические свойства; в свою очередь, по хи­мическим свойствам мы часто можем судить о строении вещества.

Современная химия разнообразна как по объектам, так и по методам их исследования и многие ее разделы представляют собой самостоятельные науки: неорганическая и органическая химия, биохимия, физиче­ская химия, математическая химия и др.

Таким образом, современная химия самым тесным образом взаимодействует со всеми другими областями естествозна­ния.

Основу химии составляют атомно-молекулярная теория, теория строения атомов и молекул, закон сохранения массы и энергии и пе­риодический закон.

Атом – это электронейтральная частица, состоящая из положи­тельно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Частица, состоящая из ядра и электронов и имеющая заряд, называ­ется атомным ионом.

Химический элемент – это вид атомов, характеризующихся одним и тем же заря­дом ядра. Например, элемент «кислород» включает атомы О, входящие в состав любых соединений (CuSO₄, CO₂, O₃ и т.д.). В настоящее время достоверно известны 112 элементов. Атомы химических элементов взаимодействуют друг с другом и образуют молекулы.

Mолекула – это наименьшая элек­тронейтральная замкнутая совокупность атомов, образующих опре­деленную структуру с помощью химических связей.Система взаимодействующих атомов, имеющая за­ряд, называется молекулярным ионом. Индивидуальные молекулы существуют только в газовой фазе.

Вещество – это любая совокупность атомов и молекул, нахо­дящаяся в определенном агрегатном состоянии. Вещества бывают простые и сложные. В состав простых веществ входят атомы только одного элемента. Сложные вещества, или химические соединения, содержат атомы нескольких элементов.

Многие элементы образуют несколько простых веществ, разли­чающихся составом или строением. Это явление называется алло­тропией, а соответствующие простые вещества – аллотропными модификациями. В качестве примера можно привести элемент ки­слород, который имеет две аллотропные модификации – кислород О₂ и озон О₃, и элемент углерод, который образует 4 простых веще­ства – алмаз, графит, карбин и фуллерен.

Массы атомов и молекул очень малы, поэтому в качестве едини­цы измерения удобно выбрать массу одного из атомов и выражать массы остальных атомов относительно нее.

Основоположник атомной теории Дальтон составил табли­цу атомных масс, приняв массу атома водорода за единицу. В настоящее время в физике и химии принята единая система измерения. В качестве стандартной единицы атомной массы выбра­на 1/12 часть массы атома углерода ¹²С.

1 а.е.м. =1/12 m(¹²С) = 1.66057∙10^–27 кг

Относительная атомная масса элемента (А_r) – это безразмерная величина, равная отношению средней массы атома элемента к 1/12 массы атома ¹²С. При расчете относительной атом­ной массы учитывается распространенность изотопов элементов в земной коре. Например, хлор имеет два изотопа: ³⁵Сl (75,5%) и ³⁷Сl (24,5%). Относительная атомная масса хлора равна:

[0,755 ∙ т(³⁵Сl) + 0,245 ∙ m(³⁷Сl)] : 1/12 m(¹²С) =35,5

Относительная молекулярная масса вещества (M_r) – это безразмерная величина, равная отношению массы молекулы вещества к 1/12 массы атома ¹²С. Относительная молекулярная мас­са равна сумме относительных масс атомов, входящих в состав мо­лекулы, например:

M_r (N₂O) = 2∙Ar(N) + Ar(O) = 2∙14 + 16 = 44

Число атомов и молекул в обычных образцах веществ очень ве­лико, поэтому при характеристике количества вещества используют специальную единицу измерения – моль.

Моль – это количество вещества, которое содержит столько же частиц (молекул, атомов, ионов, электронов), сколько атомов угле­рода содержится в 12 г изотопа ¹²С.

Масса одного атома ¹²С равна 12 а.е.м., поэтому число атомов в 12 г изотопа ¹²С равно:

N_A = 12 г / 12∙1,66057∙10^–24 г = 6,0221∙10²³

Таким образом, моль любого вещества содержит 6,0221∙10²³ частиц это­го вещества.

Физическая величина N_A– постоянная Авогадро, она имеет размерность [N_A] = моль^–1. Число 6,0221∙10²³ называют чис­лом Авогадро.

Молярная масса (М) – это масса 1 моль вещества. Численные значения молярной массы М и отно­сительной молекулярной массы М_r равны, однако первая величина имеет размерность [М] = г/моль, а вторая безразмерна.

Число молей (ν)вычисляется по формулам:

ν = m / M ν = V / V_m ν = N / N_A

где ν – количество вещества, m – масса вещества, M – молярная масса, V – объем газообразного вещества, V_m – молярный объем газа (22,4 л/моль при н.у.), N – число частиц, N_A – постоянная Авогадро.