Kemija: osnovni pojmovi, definicije, pojmovi i zakoni

Kemija, osnovni pojmovi koje ćemo razmotriti, je znanost koja proučava tvari i njihove transformacije koje se odvijaju promjenom strukture i sastava, a time i svojstvima. Prije svega, potrebno je odrediti što znači izraz "tvar". Govoreći o tome u širem smislu, to je oblik materije koji ima puno odmora. Tvar je bilo koja osnovna čestica, na primjer neutron. U kemiji ovaj koncept se koristi u užem smislu.

Za početak, ukratko ćemo opisati glavne pojmove i pojmove kemije, atomske molekularne teorije. Nakon toga ćemo ih objasniti, a također navesti neke važne zakone ove znanosti.

Osnovni pojmovi kemije (materija, atom, molekula) poznati su svakome od nas iz škole. U nastavku je kratak opis tih pojmova, kao i drugih, manje očitih pojmova i pojava.

atomi

Prije svega, sve tvari koje se proučavaju u kemiji sastoje se od malih čestica nazvanih atomi. Neutroni nisu cilj proučavanja ove znanosti. Treba također reći da atomi mogu biti međusobno povezani, što rezultira stvaranjem kemijskih veza. Kako bi se prekinuo taj odnos, potrebna je energija. Prema tome, atomi u običnim uvjetima ne postoje sami (osim "plemenitih plinova"). Oni se međusobno povezuju barem u parovima.

Kontinuirano toplinsko kretanje

Kontinuirano toplinsko kretanje karakterizira sve čestice koje studiraju kemije. Osnovni pojmovi ove znanosti ne mogu se izjaviti bez da se priopćuju o tome. Uz kontinuirano kretanje prosječna kinetička energija čestice su proporcionalne temperaturi (ali treba napomenuti da su energije pojedinih čestica različite). Ekin = kT / 2, gdje je k Boltzmannova konstanta. Ta je formula valjana za bilo koju vrstu gibanja. Budući da Ekin = mV² / 2, gibanje masivnih čestica je sporije. Na primjer, ako je temperatura jednaka, molekule kisika prosječno se kreću 4 puta sporije od molekula ugljika. To je zato što je njihova masa veća od 16 puta. Pokret je vibracijski, prevoditeljski i rotacijski. Vibracionalno se promatra u tekućini, u čvrstim i plinovitim tvarima. No, translacija i rotacija najlakše se postižu u plinovima. U tekućinama je teže, au čvrstim je još teže.

molekule

Nastavimo opisati osnovne pojmove i definicije kemije. Ako se atomi kombiniraju kako bi formirali male skupine (oni se nazivaju molekule), takve grupe sudjeluju u toplinskom pokretu, djelujući kao cjelina. Do 100 atoma je prisutno u tipičnim molekulama, a njihov broj u takozvanim visokomolekularnim spojevima može doseći 105.

Nem molekularne tvari

Međutim, atomi se često kombiniraju u ogromne kolektive od 107 do 1027. U tom obliku oni praktički ne sudjeluju u toplinskom kretanju. Te su udruge vrlo slične molekulama. Oni su više poput komada čvrstog tijela. Te tvari se obično nazivaju ne-molekularne. U ovom slučaju, toplinsko kretanje se provodi unutar komada, i ne leti kao molekula. Tu je i prijelazno područje dimenzija, u koje su uključene veze koje se sastoje od atoma u količini od 105 do 107. Ove čestice su ili velike molekule ili su male čestice praha.

ioni

Treba napomenuti da atomi i njihove skupine mogu imati električni naboj. U ovom slučaju, oni se nazivaju ionima u takvoj znanosti kao kemija, čiji temeljni pojmovi proučavamo. Budući da se takvi optužbe uvijek odbijaju jedni druge, supstanca, gdje postoji značajan višak određenih troškova, ne može biti stabilna. Negativne i pozitivne optužbe u svemiru uvijek se izmjenjuju. A tvar kao cjelina ostaje elektricno neutralna. Napominjemo da su naboji, koji se smatraju velikima u elektrostatici, beznačajni s gledišta kemije (105-1015 atoma - tj.).

Predmeti studija u kemiji

Treba pojasniti da su predmeti studija u kemiji oni fenomeni u kojima se atomi ne pojavljuju i ne degradiraju, nego se samo grupiraju, odnosno ponovno ujedinjuju na novi način. Neke veze su slomljene, što je rezultiralo stvaranjem drugih. Drugim riječima, nove tvari se pojavljuju iz atoma koji su bili u sastavu početnih tvari. Ako su atomi i veze koje postoje između njih sačuvane (na primjer, tijekom isparavanja molekularnih supstanci), tada ti procesi pripadaju polju studija molekularne fizike, a ne kemije. U slučaju formiranja ili uništavanja atoma, govorimo o subjektima proučavanja nuklearne ili atomske fizike. Međutim, granica između kemijskih i fizičkih fenomena je zamagljena. Uostalom, podjela u posebne znanosti je uvjetovana, dok je priroda nedjeljiva. Stoga su kemičari vrlo korisno poznavanje fizike.

Kratko smo opisali osnovne pojmove kemije. Sada predlažemo da ih detaljnije razmotrite.

Više o atomima

Atomi i molekule su ono što mnogi ljudi povezuju s kemijom. Osnovni pojmovi moraju biti jasno definirani. Činjenica da postoje atomi prije dvije tisuće godina bio je briljantno pogodio. Zatim, već u 19. stoljeću, znanstvenici su imali eksperimentalne podatke (još neizravno). Govorimo o Avogadrovim višestrukim odnosima, zakonima konstantnosti sastava (u nastavku ćemo razmotriti ove osnovne pojmove kemije). Atom se nastavio istraživati ​​u 20. stoljeću, kada su se pojavile mnoge izravne eksperimentalne potvrde. Temelji se na podacima spektroskopije, raspršivanju rendgenskih zraka, alfa čestica, neutrona, elektrona itd. Veličina tih čestica je približno 1 E = 10^-10m. Njihova težina je oko 10^-27 - 10^-25 kg. U središtu tih čestica je pozitivno nabijena jezgra oko koje se kreću elektroni s negativnim nabojem. Veličina jezgre je oko 10^-15 Izgleda da školjka elektrona određuje veličinu atoma, ali njegova masa je gotovo potpuno koncentrirana u jezgri. Treba uvesti drugu definiciju, s obzirom na osnovne pojmove kemije. Kemijski element - Ovo je vrsta atoma čiji je nuklearni naboj isti.

Često postoji definicija atoma kao najmanju česticu materije, kemijski nedjeljivu. Kako razumjeti "kemijski"? Kao što smo već napomenuli, podjelu fenomena u fizikalne i kemijske uvjete. Ali postojanje atoma je bezuvjetno. Zato, kemiju je bolje definirano kroz njih, a ne obratno, atomi kroz kemiju.

Kemijsko vezivanje

Zato se atomi drže zajedno. Ne dopušta im da se lete pod utjecajem toplinskog gibanja. Napominjemo glavne karakteristike veza: internuclear distance i energy. To su također osnovni pojmovi kemije. Duljina veze određena je eksperimentalno s dovoljno velikom točnošću. Energija - previše, ali ne uvijek. Na primjer, nemoguće je objektivno odrediti što je s obzirom na jednu vezu u složenoj molekuli. Međutim, energija atomizacije materije, koja je neophodna za razbijanje svih raspoloživih veza, uvijek je određena. Znajući duljinu veze, moguće je utvrditi koji su atomi vezani (imaju kratku udaljenost) i koji nisu (dugo udaljeni).

Koordinacioni broj i koordinacija

Osnovni pojmovi analitičke kemije uključuju ta dva pojma. Što oni znače? Shvatimo.

Koordinacioni broj je broj najbližih susjeda određenog atoma. Drugim riječima, to je broj onih s kojima je kemijski vezan. Koordinacija je relativna pozicija, vrsta i broj susjeda. Drugim riječima, ovaj koncept ima više smisla. Na primjer, koordinirajući broj dušika svojstvenih molekulama amonijaka i dušične kiseline je isti - 3. Međutim, njihova koordinacija je različita, a ne ravna i ravna. Određuje se neovisno o pojmu prirode veze, dok su stupanj oksidacije i valencije uvjetovani koncepti koji se stvaraju kako bi unaprijed predvidjeli koordinaciju i sastav unaprijed.

Određivanje molekule

Već smo se dotakli ovog koncepta, kratko razmatrajući temeljne koncepte i zakone kemije. Sada ćemo se detaljnije ukazati. U udžbenicima se često nalazi definicija molekule kao najmanju neutralnu česticu tvari koja posjeduje kemijska svojstva, a također je u stanju samostalno postojati. Treba napomenuti da je ova definicija zastarjela. Prvo, ono što svi fizičari i kemičari nazivaju molekulom, svojstva materije ne čuvaju. Voda disocira, ali to zahtijeva najmanje 2 molekule. Stupanj disocijacije vode je 10^-7. Drugim riječima, samo je jedna molekula od 10 milijuna mogu biti podvrgnuta ovom procesu. Ako imate jednu molekulu, ili postoji čak sto, ne možete shvatiti njezinu disocijaciju. Činjenica je da toplinski učinci reakcija u kemiji obično uključuju energiju interakcije između molekula. Stoga ih jedan od njih ne može pronaći. I kemijska i fizička svojstva molekularne supstance mogu odrediti samo velika skupina molekula. Osim toga, postoje tvari u kojima je "najmanji" čestica sposobna samostalno postojati neodređeno velika i vrlo različita od uobičajenih molekula. Molekula je zapravo grupa atoma koji nisu električki napunjeni. U konkretnom slučaju to može biti jedan atom, na primjer, Ne. Ova bi skupina trebala biti sposobna sudjelovati u difuziji, kao iu drugim tipovima toplinskih pokreta, djelujući kao cjelina.

Kao što možete vidjeti, osnovni pojmovi kemije nisu tako jednostavni. Molekula je nešto što se mora pažljivo proučavati. Ima svoje osobine, kao i molekularnu masu. Sada ćemo razgovarati o potonjem.

Molekularna težina

Kako odrediti molekularnu težinu prema iskustvu? Jedan od načina - na temelju Avogadrovog zakona, o relativnoj gustoći pare. Najtočnija metoda je masena spektrometrija. Elektrona je izbačena iz molekule. Dobiveni ion najprije se dispergira u električnom polju, zatim se odmjeri pomoću magnetskog puta. Omjer napona i mase određuje se točno po veličini odstupanja. Postoje i metode koje se temelje na svojstvima koja rješenja posjeduju. Međutim, u svim tim slučajevima molekule moraju nužno biti u pokretu u otopini, u vakuumu, u plinu. Ako se ne kreću, nemoguće je objektivno izračunati njihovu masu. I njihovo postojanje u ovom slučaju teško je otkriti.

Značajke ne-molekularnih tvari

Govoreći o njima, imajte na umu da se sastoje od atoma, a ne molekula. Međutim, to vrijedi i za plemenite plinove. Ti atomi slobodno kretaju, stoga ih je bolje smatrati monatomskim molekulama. Međutim, ovo nije glavna stvar. Još važnije, u ne-molekularnim tvarima postoji mnogo atoma koji su vezani zajedno. Treba napomenuti da je podjela svih tvari u ne molekularne i molekularne nedostatne. Razdvajanje povezivanjem ima više smisla. Razmotriti, na primjer, razliku u svojstvima grafita i dijamanta. Obje su ugljik, ali prvi je mekan, a drugi je teško. Što se razlikuju? Razlika leži upravo u njihovoj koherentnosti. Ako uzmemo u obzir strukturu grafita, vidimo da postoje jake veze samo u dvije dimenzije. No, u trećoj, međatomatske udaljenosti su vrlo značajne, stoga nema snažne veze. Grafit se lako sklizne i probija kroz ove slojeve.

Povezanost strukture

Inače, to se naziva prostornom dimenzijom. Ona predstavlja broj dimenzija prostora, karakteriziran kontinuiranim (gotovo beskonačnim) sustavom kostura (jake veze) u njima. Vrijednosti koje mogu poduzeti su 0, 1, 2 i 3. Stoga je potrebno razlikovati trodimenzionalno povezane, slojevite, lančane i otok (molekularne) strukture.

Zakon stalnosti sastava

Već smo proučili osnovne pojmove kemije. Tvar je kratko razmotren od strane nas. Sada razgovarajmo o zakonu koji se odnosi na njega. Obično se formulira kako slijedi: svaka pojedina tvar (tj. Čista), bez obzira na način na koji je dobivena, ima isti kvantitativni i kvalitativni sastav. Ali što znači pojam "čista supstanca"? Shvatimo.

Prije dvije tisuće godina, kada se struktura tvari još nije mogla proučavati izravnim metodama, čak ni osnovni kemijski koncepti i zakoni kemije, na koje smo se navikli, nisu ni postojali, definirano je opisno. Na primjer, voda je tekućina koja tvori temelje mora i rijeka. Nema mirisa, boje, okusa. Ima takvu temperaturu smrzavanja i taljenja, postaje plava bakar sulfat. Slana morska voda je zbog toga što nije čista. Međutim, soli se mogu razdvojiti destilacijom. Približno, osnovni kemijski koncepti i zakoni kemije definirani su opisnom metodom.

Za znanstvenike toga vremena nije bilo očito da je tekućina koja je izolirana na različite načine (gorenje vodika, dehidratacija vitriola, destilacija morske vode), ima isti sastav. Veliko otkriće u znanosti bilo je dokaz ove činjenice. Postalo je jasno da omjer kisika i vodika ne može glatko mijenjati. To znači da se elementi sastoje od atoma - nedjeljivih dijelova. Tako su dobivene formule supstanci, a opravdan je i zastupljenost znanstvenika o molekulama.

U našem vremenu svaka tvar, bilo izričito ili implicitno, određuje prvenstveno formulom, a ne točkom taljenja, okusa ili boje. Voda - H₂A. Ako postoje druge molekule, više neće biti čiste. Prema tome, čista molekularna tvar je ona koja se sastoji od molekula samo jedne vrste.

Međutim, kako u ovom slučaju biti s elektrolitima? Uostalom, oni sadrže ione, a ne samo molekule. Potrebna je stroža definicija. Čista molekularna tvar je ona koja se sastoji od molekula jedne vrste, a možda i proizvoda njihovih reverzibilnih brzih transformacija (izomerizacija, pridruživanje, disocijacija). Riječ "brzo" u ovom kontekstu znači da se ne možemo riješiti tih proizvoda, oni se odmah ponovno pojavljuju. Riječ "reverzibilna" ukazuje na to da transformacija nije dovršena. Ako jest, onda je bolje reći da je nestabilna. U ovom slučaju, to nije čista tvar.

Zakon o očuvanju mase materije

Od najranijih vremena ovaj zakon bio je poznat u metaforičkoj formi. Rekao je da je tvar neiscrpna i neuništiva. Zatim je došao njegov kvantitativni oblik. Prema njoj, težina (i od kraja 17. stoljeća - masa) je mjera količine materije.

Ovaj zakon, u obliku koji je uobičajen za nas, otvorio je 1748. godine Lomonosov. Godine 1789. dopunio ga je A. Lavoisier, francuski znanstvenik. Njegova moderna formulacija zvuči ovako: masa tvari koje ulaze u kemijsku reakciju jednaka je masi tvari koje su rezultat toga.

Avogadrojev zakon, zakon o odnosima volumena plina

Posljednji od njih je formulirao 1808. godine JL Gay-Lussac, francuski znanstvenik. Danas se taj zakon naziva Zakonom Gay-Lussac. Prema njegovim riječima, količine plinova koji se reagiraju odnose se međusobno, kao i na volumene plinovitih produkata dobivenih kao mali mali brojevi.

Zakon koji je otkrio Gay-Lussac objašnjava zakon koji je 1811. godine otkriven nešto kasnije, talijanski znanstvenik Amedeo Avogadro. Navodi se da pod jednakim uvjetima (tlak i temperatura) u plinovima koji imaju iste volumene prisutni su isti broj molekula.

Dvije važne posljedice proizlaze iz Avogadrovog zakona. Prvo je da pod istim uvjetima jedan mola bilo kojeg plina zauzima jednaki volumen. Volumen bilo kojeg od njih pod normalnim uvjetima (koji su temperatura od 0 ° C, kao i tlak od 101,325 kPa) iznosi 22,4 litre. Druga posljedica ovog zakona je sljedeća: pod jednakim uvjetima omjer masa plinova koji imaju isti volumen je jednak njihovom omjeru molarnim masama.

Postoji još jedan zakon koji se mora spomenuti. Razgovarajmo o tome ukratko.

Periodni zakon i tablica

DI Mendelejev, na temelju kemijskih svojstava elemenata i atomske molekularne teorije, otkrio je ovaj zakon. Ovaj događaj se dogodio 1. ožujka 1869. Periodni zakon jedan je od najvažnijih prirode. Može se formulirati na sljedeći način: svojstva elemenata i kompleksnih i jednostavnih tvari koje one tvore imaju periodičku ovisnost o nabojima jezgri njihovih atoma.

Periodni stol, kojeg je Mendelejev stvorio, sastoji se od sedam razdoblja i osam grupa. Grupe se nazivaju njegovim vertikalnim stupcima. Elementi unutar svakog od njih imaju slična fizička i kemijska svojstva. Grupa je, pak, podijeljena na podgrupe (glavna i strana).

Vodoravni redovi ove tablice nazivaju se razdoblja. Elementi koji su u njima razlikuju, ali imaju zajedničku stvar - da su njihovi posljednji elektroni locirani na istoj razini energije. U prvom razdoblju postoje samo dva elementa. Ovo je vodik H i helij He. Osam elemenata je dostupno u drugom razdoblju. U četvrtom su već 18. Mendeleev obilježio ovo razdoblje kao prvi veliki. U petini ima i 18 elemenata, njegova struktura je slična četvrtoj. U šestom - 32 elementa. Sedma nije dovršena. Ovo razdoblje počinje s Francuskom (Fr). Možemo pretpostaviti da će sadržavati 32 elementa, kao i šesti. Međutim, do sada je pronađeno samo 24.

Pravilo izvješća

Prema pravilu ispitivanja, svi elementi imaju tendenciju da steknu elektron ili ga izgube kako bi imali 8-elektronski oblik plemenitog plina koji je najbliži njima. Energija ionizacije je količina energije koja je potrebna za odvajanje elektrona od atoma. Pravilo dekreta kaže da kada se kreće s lijeva na desno na periodični stol, više energije je potrebno za odstranjivanje elektrona. Stoga, elementi na lijevoj strani obično gube elektron. Naprotiv, oni koji se nalaze na desnoj strani žele ga stjecati.

Ukratko smo odredili zakone i osnovne koncepte kemije. Naravno, to su samo opće informacije. U okviru jednog članka nije moguće detaljno opisati takvu ozbiljnu znanost. Osnovni pojmovi i zakoni kemije, sažeti u ovom članku, samo su polazište za daljnje proučavanje. Uostalom, u ovoj znanosti postoje mnoge sekcije. Postoje, na primjer, organski i anorganska kemija. Temeljni pojmovi svakog dijela ove znanosti mogu se proučavati vrlo dugo. Ali oni koji su gore prikazani odnose se na opća pitanja. Stoga možemo reći da su to osnovni pojmovi organske kemije, kao i anorganske kemije.