§ 1. Химия. Вещество, химический элемент, атом

В параграфе приведены ранее изученные понятия и определения: что такое химия, вещество, его физические свойства, химический элемент, атом, его масса, размер, ионы, молекулы, а также даны напоминания о том, как рассчитать массовую долю вещества в смеси и объёмную долю газа в смеси. Этот материал приведён для повторения в систематизированном виде.

Химия — наука, изучающая вещества, их состав, строение, свойства, химические превращения одних веществ в другие.

Химию как науку подразделяют на ряд отраслей: неорганическую, органическую, биоорганическую, аналитическую, физическую, фармацевтическую химию, нанохимию и др. Различие в отраслях определяется природой изучаемых веществ и их превращений, а также характером решаемых задач.

Подчёркивая специфику своих исследований, химики ввели понятие «химическое вещество», хотя это словосочетание часто упрощают и называют просто «вещество».

Химическое вещество — это устойчивая система частиц (атомов, ионов или молекул), обладающая определёнными физическими и химическими свойствами.

Качественный и количественный состав индивидуальных химических веществ записывают в виде химических формул, например: H₂O — вода, CuSO₄ — сульфат меди, N₂ — азот, Na — натрий, NaCl — хлорид натрия.

Химическая формула — это условная запись состава веществ с помощью символов химических элементов и числовых индексов.

К физическим свойствам вещества относят цвет, плотность, твёрдость, температуры плавления и кипения и другие характеристики, которые, как правило, выражаются измеряемыми величинами. Так, йод можно охарактеризовать следующим образом: кристаллическое при комнатной температуре вещество тёмно-фиолетового цвета с металлическим блеском, мало растворимое в воде, температура его кипения равна 184,4 °С, плавления — 113,5 °С, плотность составляет 4,9 г/cм³.

Химические свойства веществ — это их способность превращаться в другие вещества под воздействием температуры, давления, излучения или других веществ.

Так, карбонат кальция под воздействием температуры (а не других веществ) превращается в оксид кальция и углекислый газ:

а оксид меди(II), вступая во взаимодействие с серной кислотой, образует соль — cульфат меди(II):

Атом — это электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра называют химическим элементом.

Символы химических элементов приведены в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева. Как вам известно, порядковый (атомный) номер химического элемента в периодической системе Д. И. Менделеева соответствует относительному заряду ядра (Z). Так, порядковый номер 8 соответствует относительному заряду ядра атома кислорода +8, а ядро с относительным зарядом +13 имеет атом алюминия.

Атомы разных химических элементов отличаются не только зарядом ядра, но и массой, размером, строением.

Масса атома (m_a), как и масса других объектов, может выражаться в единицах массы системы СИ — килограммах, например:

Гораздо удобнее пользоваться шкалой относительных единиц. Для характеристики массы атомов и других микрочастиц в химии используют атомную единицу массы — 1 а. е. м., равную части массы атома углерода-12. Вместо русского обозначения атомной единицы массы (1 а. е. м.) часто приводят её международное обозначение 1 u (unit). Масса 1 u составляет:

Сравнивая массы атомов с 1 u, получают безразмерную величину, которую называют относительной атомной массой и обозначают символом A_r (где r — начальная буква латинского слова relativus — относительный):

Относительная атомная масса элемента — физическая величина, которая равна отношению усреднённой массы атомов данного элемента к части массы атома углерода-12 (¹²С).

Относительные атомные массы используют в химии при проведении расчётов и сопоставлений; их значения приведены в периодической системе химических элементов. Для расчёта массы атомов или их относительных атомных масс можно воспользоваться формулами:

Размер атома часто характеризуют величиной «радиус атома» (r_a). Это величины порядка десятых и сотых долей нанометра. Так, радиус наименьшего по размерам атома гелия равен 3 ∙ 10^–11 м, или 0,03 нм.

Строение атомов определяет состав и свойства образуемых ими веществ, что будет подробно рассматриваться в главах II и III.

При образовании химического вещества как устойчивой системы частиц атомы могут отдавать или присоединять электроны, превращаясь в ионы. При отдаче электронов образуются положительно заряженные частицы — катионы, при присоединении электронов получаются отрицательно заряженные частицы — анионы. Ряд химических веществ состоит из катионов и анионов, объединённых силами кулоновского взаимодействия.

Атомы могут объединяться в устойчивые системы также путём обобществления электронов с соседними атомами с образованием незаряженных частиц — молекул, способных проявлять химические свойства всего вещества. Подробнее материал о веществах молекулярного строения описан в следующем параграфе, а сведения о строении веществ представлены в главе III.

Важно понимать, что только устойчивая система атомов, или ионов, или молекул является химическим веществом, то есть обладает и физическими, и химическими свойствами. Для одной частицы, например молекулы йода, сульфид-иона или атома углерода, не имеет смысла вести речь о температуре кипения, плавления или агрегатном состоянии.

Для каждого вещества характерен свой набор свойств. Даже малое количество примеси может существенно изменить эти свойства. В природе вещества обычно находятся в смеси с другими веществами. Поэтому для практического использования или проведения исследований вещества необходимо получить его в чистом виде, то есть выделить из смеси, очистить от примесей. С этой целью как в лабораторной практике, так и в производственных условиях используют различные методы разделения смесей веществ и их очистки. Они основаны на различии свойств разделяемых веществ: разные температуры плавления или кипения, плотность, растворимость и др. Наиболее распространены такие методы очистки, как фильтрование (рис. 1), отстаивание (рис. 2), перекристаллизация, перегонка (рис. 3). Выделить вещество из раствора можно выпариванием (рис. 4), а разделить смесь жидких веществ — ректификацией (рис. 5).

Содержание вещества в смеси можно характеризовать массовой и объёмной долями.

Массовую долю вещества рассчитывают как отношение массы вещества к массе всей смеси:

Массовая доля вещества — безразмерная величина. Чаще её выражают в процентах. Для этого полученную безразмерную величину умножают на 100.

Так, массовой долей характеризуют содержание основных компонентов в продуктах питания, примесей в химических реактивах, горных породах, удобрениях, действующего вещества в медицинских препаратах и т. д. Например, массовая доля жиров в молоке составляет от 1 до 6 %, в сливочном масле — 50–82,5 %, уксусной кислоты в уксусе — 3–9 %, йода в спиртовом растворе — 5 %. Следует отметить, что массовая доля не зависит от величины порции смеси, она определяется лишь соотношением компонентов смеси.

Объёмная доля газа в смеси. Смеси образуют не только твёрдые или жидкие вещества, но и газы, поэтому для газов часто рассчитывают объёмную долю как отношение объёма газа к общему объёму смеси:

Так, содержание кислорода по объёму в воздухе равно 21 %, то есть его объёмная доля φ(О₂) = 21 % (при этом его массовая доля равна 23 %).

Абсолютно чистых веществ не бывает. Степень чистоты веществ количественно оценивают массовой долей — отношением массы основного вещества (идеально чистого) к массе реального вещества с примесями.

Выбор веществ по чистоте определяется целями их применения. Например, требуемая чистота германия, используемого в полупроводниковых устройствах, должна составлять 99,99999999 %.

Вопросы, задания, задачи

1. Запишите названия и символы химических элементов, имеющих:

• а) относительные атомные массы 7, 14, 31, 28;
• б) относительный заряд ядра +12, +20, +26, +56;
• в) латинские названия: cuprum, sulfur, oxygenium, hydrogenium, argentum, aurum.

2. Выпишите выражения, характеризующие массу атома кислорода:

• а) m(O₂) = 32 г;
• б) m_a(O) = 16 а. е. м.;
• в) A_r(О) = 16;
• г) m_a(O) = 2,66 · 10^–26 кг;
• д) ω(О₂) = 0,23;
• е) V(O₂) = 16 дм³.

3. Предложите способы:

• а) разделения воды и нефти;
• б) отделения песка от раствора соли;
• в) разделения растительного масла и воды;
• г) выделения кристаллов соли из водного раствора;
• д) отделения карбоната кальция от воды.

4. Объясните, какие характеристики относятся к химическому веществу, а какие к химическому элементу:

• а) атомный номер йода равен 53;
• б) объёмная доля азота в воздухе составляет 78 %;
• в) относительная атомная масса гелия равна 4;
• г) хлор имеет характерный запах;
• д) алюминий — светло-серебристый металл.

5. Масса атома некоторого элемента равна:

• а) 3,15 · 10^–26 кг;
• б) 1,66 · 10^–27 кг;
• в) 6,47 · 10^–26 кг;
• г) 3,77 · 10^–25 кг.

Определите его относительную атомную массу.

6. В каком объёме воздуха содержится 10 г кислорода?

7. Чему равна массовая доля алюминия в железоалюминиевой термитной смеси, приготовленной из алюминия массой 5 кг и оксида железа(III) массой 15 кг? Термитная смесь такого состава используется для сварки рельсов.

8. Мозырский нефтеперерабатывающий завод рассчитан на переработку 12 млн тонн нефти в год. Рассчитайте массу дизельного топлива, которое может быть выработано на заводе за 1 месяц, если считать, что массовая доля такого вида топлива составляет около 32 % от переработанной нефти.

9. Нефтеперегонный завод-гигант может за год переработать до 25 млн тонн нефти. В процессе перегонки нефти потери составляют около 1 %. Оцените годовые потери при перегонке нефти по массе и объёму на таком заводе (примите среднюю плотность нефти 0,9 г/см³).

10. Рассчитайте число атомов в прямоугольной алюминиевой пластинке длиной 5 см, шириной 3 см и толщиной 1 мм. Плотность алюминия — 2,7 г/см³. Предложите два способа решения.

*Самоконтроль

1. Число известных химических элементов составляет:

• а) 24;
• б) 94;
• в) 118;
• г) 2017.

2. Каждое химическое вещество характеризуется:

• а) составом;
• б) строением;
• в) определённым набором физических свойств;
• г) определённым набором химических свойств.

3. Физические свойства железа характеризуют утверждения:

• а) плотность равна 7,8 г/см³;
• б) во влажном воздухе подвергается коррозии;
• в) обладает магнитными свойствами;
• г) имеет серый цвет.

4. К процессам разделения веществ не относится:

• а) перегонка нефти;
• б) плавление льда;
• в) фильтрование питьевой воды;
• г) выпаривание воды из сахарного сиропа.

5. В смеси газов, содержащей 1 дм³ СО, 4 дм³ Н₂, 1 дм³ СН₄, 3 дм³ СО₂, объёмная доля водорода равна:

• а) 11 %;
• б) 33 %;
• в) 55 %;

• г) 44 %.