ОХ-01: Основные понятия и законы химии
Базовый понятийный аппарат и фундаментальные законы химии: вещество и смесь, закон сохранения массы, атомно-молекулярная теория, стехиометрические законы, моль, газовые законы и закон эквивалентов — основа всех количественных расчётов.
Понятийный фундамент химии: вещества и смеси и их разделение, физические и химические явления, атомы и элементы, атомно-молекулярная теория, законы постоянства состава, кратных и объёмных отношений, закон Авогадро, моль и молярная масса, газовые законы, химический эквивалент.
1.1. Вещества и смеси. Разделение смесей
Вещество — определённый вид материи с постоянным составом и характерными свойствами. Чистое вещество имеет постоянные физические свойства; смеси (однородные и неоднородные) сохраняют свойства компонентов и разделяются физическими методами: фильтрацией, отстаиванием, дистилляцией, кристаллизацией, хроматографией, действием магнитом.
- Чистое вещество
- Однородная смесь
- Неоднородная смесь
- Дистилляция
- Хроматография
1.2. Физические и химические явления
Физические явления изменяют форму, размеры или агрегатное состояние вещества без изменения его состава. Химические явления (химические реакции) сопровождаются образованием новых веществ. Признаки реакции: изменение окраски, выпадение осадка, выделение газа, выделение или поглощение теплоты, появление запаха. По тепловому эффекту реакции делят на экзо- и эндотермические.
- Химическая реакция
- Признаки реакции
- Экзотермическая реакция
- Эндотермическая реакция
1.3. Закон сохранения массы и энергии
Масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе продуктов: при химических реакциях атомы не создаются и не уничтожаются, а только перегруппировываются. Закон установили М. В. Ломоносов (1748) и А. Лавуазье (1774–1777); он лежит в основе всех стехиометрических расчётов. Энергия в реакциях также сохраняется.
- Закон сохранения массы
- Закон сохранения энергии
- Стехиометрия
1.4. Атомы. Химические элементы. Изотопы
Атом — наименьшая частица химического элемента, сохраняющая его химические свойства. Химический элемент — совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра Z (известно 118 элементов). Нуклид характеризуется массовым числом A = Z + N; изотопы — атомы одного элемента с разным числом нейтронов (протий, дейтерий, тритий; ³⁵Cl и ³⁷Cl).
- Атом
- Химический элемент
- Изотопы
- Нуклид
1.5. Молекулы. Атомно-молекулярная теория
Молекула — наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Основные положения атомно-молекулярной теории: все вещества состоят из молекул, атомов или ионов; частицы находятся в непрерывном движении; при химических реакциях молекулы исходных веществ разрушаются, атомы перегруппировываются в молекулы продуктов. Исторические вехи: Ломоносов (1741), Дальтон (1803–1808), Авогадро (1811), съезд химиков в Карлсруэ (1860).
- Молекула
- Атомно-молекулярная теория
- Ион
1.6. Закон постоянства состава. Закон кратных отношений
Закон постоянства состава (Ж. Л. Пруст, конец XVIII в.; в российской школьной традиции — 1801): каждое чистое вещество молекулярного строения имеет постоянный состав независимо от способа получения (вода: H и O в массовом отношении 1 : 8). Строго выполняется для дальтонидов; бертоллиды — соединения переменного состава. Закон кратных отношений (Дж. Дальтон, 1803): массы одного элемента, приходящиеся на одну и ту же массу другого, относятся как небольшие целые числа (оксиды азота: 1 : 2 : 3 : 4 : 5).
- Закон постоянства состава
- Закон кратных отношений
- Дальтониды
- Бертоллиды
1.7. Закон объёмных отношений. Закон Авогадро
Закон объёмных отношений (Ж. Л. Гей-Люссак, 1808): объёмы вступающих в реакцию газов и газообразных продуктов относятся как небольшие целые числа. Закон Авогадро (1811): в равных объёмах любых газов при одинаковых температуре и давлении содержится одинаковое число молекул. Следствия: 1 моль любого газа при н. у. занимает 22.4 л; относительная плотность газа D = M₁/M₂.
- Закон Авогадро
- Молярный объём
- Нормальные условия
- Относительная плотность газа
1.8. Простые и сложные вещества
Простые вещества образованы атомами одного химического элемента и делятся на металлы и неметаллы; аллотропия — образование элементом нескольких простых веществ (O₂ и O₃, алмаз и графит). Сложные вещества образованы атомами разных элементов: бинарные соединения, гидроксиды (основания и амфотерные), кислоты и соли. Важно различать химический элемент и образованное им простое вещество.
- Простое вещество
- Сложное вещество
- Металлы
- Неметаллы
- Аллотропия
1.9. Относительные массы. Моль. Молярная масса
Относительная атомная масса Ar и относительная молекулярная масса Mr показывают, во сколько раз масса частицы больше 1/12 массы атома углерода-12. Моль — количество вещества, содержащее 6.02·10^23 структурных единиц (с 2019 г. в СИ — ровно 6.02214076·10^23). Молярная масса M численно равна Mr. Мольная доля компонента — отношение его количества вещества к суммарному количеству вещества всех компонентов смеси.
- Моль
- Молярная масса
- Число Авогадро
- Мольная доля
1.10. Газовые законы
Уравнение состояния идеального газа объединяет законы Бойля — Мариотта (pV = const при постоянной температуре; Бойль 1662, Мариотт 1676), Гей-Люссака (V/T = const при постоянном давлении, 1802) и Шарля (p/T = const при постоянном объёме, 1787). Общее давление смеси газов равно сумме парциальных давлений компонентов (закон Дальтона, 1801); парциальное давление пропорционально мольной доле газа.
- Идеальный газ
- Уравнение Клапейрона — Менделеева
- Парциальное давление
1.11. Эквивалент. Закон эквивалентов
Химический эквивалент — реальная или условная частица, эквивалентная одному иону водорода в данной кислотно-основной реакции (или одному электрону в ОВР); зависит от реакции. Молярная масса эквивалента: для кислоты M(экв) = M / число замещённых H, для основания M(экв) = M / кислотность, для соли M(экв) = M / (заряд катиона × число катионов). Закон эквивалентов (И. Б. Рихтер, 1792–1794): вещества реагируют в количествах, пропорциональных их эквивалентам.
- Эквивалент
- Фактор эквивалентности
- Молярная масса эквивалента
- Закон эквивалентов