Вещество и его свойства. Атомно-молекулярное учение и основные законы химии

Химия — наука о веществах: их составе, строении, свойствах и превращениях. Прежде чем изучать конкретные вещества и реакции, нужно договориться о самых общих понятиях: что такое вещество и чем оно отличается от тела, какими свойствами вещества описываются, чем химическое явление отличается от физического, из каких частиц состоят вещества и какие законы управляют их превращениями. Эти понятия — фундамент курса, и на них опираются все следующие темы.

Порядок изложения: вещество и его свойства → физические и химические явления, признаки и условия реакций → атомно-молекулярное учение и частицы вещества → химический элемент, простые и сложные вещества, аллотропия → химическая формула → основные законы химии с объяснением через атомы и молекулы → типичные ошибки → раздел для олимпиад → задания с разбором.

• 1. Вещество, тело, материал
• 2. Свойства веществ
• 3. Физические и химические явления
• 4. Признаки и условия химических реакций
• 5. Атомно-молекулярное учение
• 6. Химический элемент, простые и сложные вещества
• 7. Аллотропия
• 8. Химическая формула
• 9. Основные законы химии
• 10. Типичные ошибки
• 11. Для олимпиад
• Задания с разбором

1. Вещество, тело, материал

Физическое тело — любой предмет, имеющий форму и объём: гвоздь, стакан, капля воды. Вещество — то, из чего состоит тело. Гвоздь, проволока и мост — разные тела из одного вещества, железа; стаканы же бывают стеклянными, бумажными, пластмассовыми — одно назначение, разные вещества. Материал — вещество или смесь веществ, из которых изготавливают изделия: сталь, бетон, стекло, древесина.

Известно более ста миллионов веществ, и каждый год описывают миллионы новых, в основном органических. Неорганических веществ — несколько сотен тысяч.

2. Свойства веществ

Каждое вещество обладает набором свойств, по которым его узнают и отличают от других. Свойства делят на физические и химические.

Физические свойства проявляются без превращения вещества в другие вещества:

• агрегатное состояние при данных условиях (твёрдое, жидкое, газообразное);
• цвет, блеск, запах (запах определяют осторожно, направляя пары к себе движением ладони; пробовать вещества на вкус в лаборатории нельзя);
• плотность ρ = m / V (г/см³ или кг/м³);
• температура плавления и температура кипения (при данном давлении);
• растворимость в воде и других растворителях;
• электропроводность и теплопроводность;
• твёрдость, пластичность, хрупкость;
• магнитные свойства.

Химические свойства — способность вещества превращаться в другие вещества: гореть, реагировать с кислотами, водой, кислородом, разлагаться при нагревании.

Чистое вещество имеет постоянные физические свойства: вода при нормальном давлении кипит при 100 °C и замерзает при 0 °C, её плотность при 4 °C — 1,000 г/см³. По постоянству свойств чистое вещество отличают от смеси: смесь, например, кипит в интервале температур. О смесях — в статье «Смеси и способы их разделения».

Свойства изучают наблюдением (что видно без вмешательства), экспериментом (что происходит в созданных условиях) и измерением (количественная характеристика свойства).

3. Физические и химические явления

Любые изменения в природе называют явлениями.

• Физические явления — изменения, при которых состав вещества сохраняется: меняются агрегатное состояние, форма, размер, положение. Таяние льда, кипение воды, растворение сахара, распиливание бревна, свечение лампы накаливания, намагничивание железа.
• Химические явления (химические реакции) — превращения одних веществ в другие, с другим составом и свойствами. Горение, ржавление железа, скисание молока, фотосинтез, гниение, пищеварение.

Главный критерий химического явления — образование нового вещества. Если исходное вещество можно вернуть без химических реакций (выпарив воду из раствора сахара, мы снова получим сахар), явление физическое.

4. Признаки и условия химических реакций

О том, что прошла реакция, судят по внешним признакам:

• изменение окраски;
• выделение газа;
• образование или растворение осадка;
• появление запаха;
• выделение или поглощение теплоты, появление света (горение).

CuSO₄ + 2NaOH = Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄

Na₂CO₃ + 2HCl = 2NaCl + CO₂↑ + H₂O

CH₄ + 2O₂ t° CO₂ + 2H₂O

В первой реакции выпадает голубой осадок, во второй выделяется газ, в третьей выделяются теплота и свет.

Чтобы реакция началась и шла, нужны условия:

• соприкосновение реагирующих веществ (поэтому реакции быстрее идут в растворах и при измельчении твёрдых веществ);
• нагревание до определённой температуры для многих реакций (бумага сама не загорается, её нужно поджечь);
• катализатор — вещество, ускоряющее реакцию и не расходующееся в ней (оксид марганца(IV) при разложении пероксида водорода);
• иногда — освещение, повышенное давление, электрический ток.

5. Атомно-молекулярное учение

История

Мысль, что вещество состоит из мельчайших неделимых частиц — атомов, — высказали древнегреческие философы Левкипп и Демокрит в V веке до нашей эры. Но это была догадка без опыта. В XVII веке английский учёный Роберт Бойль возродил представление о частицах и разделил понятия элемента и соединения. В середине XVIII века Михаил Ломоносов развивал «корпускулярную философию»: вещества состоят из «корпускул» (по-современному — молекул), а те — из «элементов» (атомов); различие веществ он объяснял различием корпускул. В 1803–1808 годах Джон Дальтон связал атомы с количественными законами химии и составил первую таблицу относительных атомных масс. В 1811 году Амедео Авогадро ввёл понятие молекулы для газов. Окончательно атомно-молекулярное учение было принято на Международном конгрессе химиков в Карлсруэ в 1860 году.

Основные положения

1. Вещества состоят из частиц — молекул, атомов, ионов.
2. Молекула — наименьшая частица вещества молекулярного строения, сохраняющая его химические свойства. Молекулы состоят из атомов.
3. Атом — наименьшая химически неделимая частица; атомы одного химического элемента одинаковы по заряду ядра и химическим свойствам.
4. Частицы находятся в непрерывном беспорядочном движении; скорость движения растёт с температурой.
5. Между частицами действуют силы притяжения и отталкивания.
6. При физических явлениях молекулы сохраняются, при химических — разрушаются, а атомы перегруппировываются, образуя молекулы новых веществ. Сами атомы в химических реакциях не изменяются.

Не все вещества состоят из молекул. У металлов, солей, алмаза, кварца молекул нет: они построены из атомов или ионов, связанных в кристаллическую решётку. Для таких веществ говорят о формульной единице — наименьшей группе частиц, отвечающей формуле (NaCl — один ион натрия и один хлорид-ион). Подробно — в статье «Вещества молекулярного и немолекулярного строения».

6. Химический элемент, простые и сложные вещества

Элементы обозначают символами — первой или двумя первыми буквами латинского названия; эту систему предложил в 1814 году Йёнс Якоб Берцелиус: H — Hydrogenium, O — Oxygenium, Fe — Ferrum, Cu — Cuprum.

• Простые вещества состоят из атомов одного элемента: O₂, N₂, Fe, S. Их делят на металлы и неметаллы.
• Сложные вещества (химические соединения) состоят из атомов разных элементов: H₂O, NaCl, C₆H₁₂O₆.

Важно различать «элемент» и «простое вещество». Элемент — вид атомов; у него нет агрегатного состояния, цвета, температуры плавления — эти свойства есть только у вещества. В предложении «кислород входит в состав воды» речь об элементе, а в предложении «кислород поддерживает горение» — о простом веществе O₂. Так же: «железо входит в состав гемоглобина» — элемент; «железо притягивается магнитом» — простое вещество.

7. Аллотропия

Аллотропия — способность химического элемента образовывать несколько простых веществ. Эти вещества называют аллотропными модификациями. Они различаются:

• числом атомов в молекуле — кислород O₂ и озон O₃;
• строением кристалла — алмаз и графит у углерода, белое и серое олово.

3O₂ электрический разряд 2O₃

Аллотропные модификации — разные вещества одного элемента, поэтому превращение кислорода в озон — химическое явление.

Повторить тему можно в уроках ОГЭ «Атомы, молекулы, элементы» и «Простые и сложные вещества, аллотропия».

8. Химическая формула

Химическая формула — запись состава вещества с помощью символов элементов и индексов. Индекс — число справа внизу от символа — показывает число атомов элемента в молекуле (формульной единице). Коэффициент перед формулой показывает число молекул (формульных единиц): 3H₂O — три молекулы воды, в них 6 атомов водорода и 3 атома кислорода.

Формула показывает качественный состав (из каких элементов состоит вещество) и количественный (сколько атомов каждого элемента; отсюда — относительная молекулярная масса и массовые доли элементов). Об этом — в статье «Относительная атомная масса».

9. Основные законы химии

Закон сохранения массы веществ

Масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе веществ, образовавшихся в результате реакции. Михаил Ломоносов в 1756 году прокаливал металлы в запаянных стеклянных ретортах и показал, что масса сосуда не меняется. Антуан Лавуазье в 1789 году чётко сформулировал закон и сделал взвешивание основой химии.

Объяснение с позиций атомно-молекулярного учения: при реакции атомы не исчезают и не возникают, а только перегруппировываются; масса каждого атома постоянна, значит, постоянна и общая масса. Отсюда правило уравнивания реакций: число атомов каждого элемента в левой и правой частях уравнения одинаково.

2Mg + O₂ t° 2MgO

CaCO₃ t° CaO + CO₂↑

При горении магния масса твёрдого вещества растёт, а при прокаливании известняка уменьшается. Противоречия закону нет: в первом случае к магнию присоединился кислород воздуха, во втором — ушёл углекислый газ. Закон выполняется для всех участников реакции, включая газы.

Закон постоянства состава

Каждое химически чистое вещество молекулярного строения имеет постоянный качественный и количественный состав независимо от способа получения (Жозеф Пруст, 1799). Вода из реки, изо льда Антарктиды или полученная сжиганием водорода содержит 11,1 % водорода и 88,9 % кислорода по массе. Объяснение: все молекулы вещества одинаковы, и в каждой одно и то же число атомов каждого элемента.

Закон кратных отношений

Если два элемента образуют несколько соединений, то массы одного элемента, приходящиеся на одну и ту же массу другого, относятся как небольшие целые числа (Дальтон, 1803). В CO на 12 г углерода приходится 16 г кислорода, в CO₂ — 32 г: отношение 1 : 2. Объяснение: атомы присоединяются целиком, «порциями»; половины атома не бывает. Этот закон стал одним из главных доводов Дальтона в пользу существования атомов.

Закон объёмных отношений

Объёмы вступающих в реакцию газов относятся друг к другу и к объёмам газообразных продуктов как небольшие целые числа (Жозеф Гей-Люссак, 1808). Два объёма водорода и один объём кислорода дают два объёма водяного пара:

2H₂ + O₂ = 2H₂O

Закон Авогадро

В равных объёмах различных газов при одинаковых температуре и давлении содержится одинаковое число молекул (1811). Закон объяснил закон объёмных отношений: коэффициенты в уравнении реакции — это отношения чисел молекул, а значит, и объёмов газов. Следствие: один моль любого газа при нормальных условиях (0 °C, 101,3 кПа) занимает около 22,4 л.

10. Типичные ошибки

11. Для олимпиад

Вещества переменного состава

Закон постоянства состава строго выполняется для веществ молекулярного строения. Многие кристаллические вещества немолекулярного строения имеют переменный состав в некоторых пределах. Николай Курнаков в начале XX века назвал их бертоллидами — по имени Клода Луи Бертолле, с которым спорил Пруст, а вещества постоянного состава — дальтонидами. Оксид железа(II) в действительности имеет состав примерно от Fe_0,84O до Fe_0,95O: часть позиций железа в кристалле пустует, а для электронейтральности часть атомов железа имеет степень окисления +3. Переменный состав характерен для многих оксидов, сульфидов, гидридов переходных металлов, сплавов.

Сохраняется ли масса строго?

По теории относительности энергия и масса связаны соотношением E = mc². Реакция, выделяющая теплоту, строго говоря, уменьшает массу системы. При сгорании 1 моль метана (16 г метана и 64 г кислорода) выделяется 890 кДж, что соответствует уменьшению массы на 890·10³ / (3·10⁸)² ≈ 10⁻¹¹ кг — около одной десятимиллиардной доли процента. Никакие весы этого не почувствуют, поэтому в химии закон сохранения массы выполняется с огромной точностью. В ядерных реакциях, где энергии в миллионы раз больше, изменение массы заметно (дефект массы).

Как доказали реальность атомов

В конце XIX века часть учёных (Вильгельм Оствальд, Эрнст Мах) считала атомы лишь удобной гипотезой. В 1905 году Альберт Эйнштейн построил теорию броуновского движения — беспорядочного движения мелких частиц в жидкости под ударами молекул, а в 1908 году Жан Перрен измерил это движение под микроскопом и определил постоянную Авогадро. Значения, полученные десятком независимых методов, совпали. Сегодня отдельные атомы видны в туннельном и электронном микроскопах.

Задания с разбором

Сначала ответьте сами, затем откройте разбор.

Задание 1

Выберите два химических явления: 1) плавление парафина; 2) горение свечи; 3) испарение спирта; 4) ржавление гвоздя; 5) растворение соли в воде.

Задание 2

В каких предложениях речь идёт о простом веществе, а в каких — о химическом элементе: а) кислород входит в состав углекислого газа; б) кислородом дышат рыбы; в) железо входит в состав гемоглобина; г) железо притягивается магнитом?

Задание 3

При добавлении соляной кислоты к мелу выделяется газ, а мел исчезает. Какие признаки реакции наблюдаются? Напишите уравнение.

Задание 4

При прокаливании медной пластинки на воздухе её масса увеличилась. Не противоречит ли это закону сохранения массы? Напишите уравнение.

Задание 5

Сколько атомов каждого элемента содержится в записи 2Ca(OH)₂? Сколько это формульных единиц?

Задание 6

Вычислите массовые доли водорода и кислорода в воде. Будут ли они одинаковы для воды из разных источников? Какой закон это иллюстрирует?

Задание 7

Почему превращение кислорода в озон — химическое явление, а превращение воды в лёд — физическое?

Задание 8

Как отличить чистую воду от раствора соли, не пробуя на вкус? Назовите два способа.

Задание 9 (олимпиадное)

Азот образует пять оксидов, в которых на 14 г азота приходится 8, 16, 24, 32 и 40 г кислорода. Определите формулы оксидов и покажите, что выполняется закон кратных отношений.

Задание 10 (олимпиадное)

Образец оксида железа(II) имеет состав Fe_0,92O. Какая доля атомов железа в нём имеет степень окисления +3? Какова массовая доля железа?

Задание 11 (олимпиадное)

Ломоносов прокаливал свинец в запаянной колбе. Масса закрытой колбы не изменилась, а когда колбу вскрыли, воздух вошёл внутрь, и масса увеличилась. Объясните все наблюдения.

Задание 12 (олимпиадное)

Для сжигания 10 л газа X требуется 20 л кислорода; образуются 10 л углекислого газа и водяной пар (объёмы при одинаковых условиях). Определите формулу X, используя законы Гей-Люссака и Авогадро.