شیمی، که مفاهیم اساسی آن را بررسی خواهیم کرد، علمی است که به مطالعه مواد و دگرگونی های آنها می پردازد که با تغییر در ساختار و ترکیب و در نتیجه خواص رخ می دهد. قبل از هر چیز، لازم است تعریف شود که چنین اصطلاحی به عنوان «جوهر» به چه معناست. اگر به معنای وسیع در مورد آن صحبت کنیم، شکلی از ماده است که دارای جرم استراحت است. یک ماده هر ذره بنیادی است، به عنوان مثال، یک نوترون. در شیمی، این مفهوم به معنای محدودتر استفاده می شود.
برای شروع، اجازه دهید اصطلاحات و مفاهیم اساسی شیمی، علوم اتمی و مولکولی را به طور خلاصه شرح دهیم. پس از آن به توضیح آنها می پردازیم و همچنین قوانین مهم این علم را بیان می کنیم.
مفاهیم اولیه شیمی (ماده، اتم، مولکول) از دوران مدرسه برای هر یک از ما آشناست. در زیر شرح مختصری از آنها و همچنین سایر اصطلاحات و پدیده های نه چندان آشکار آورده شده است.
Atoms
اول از همه، تمام موادی که در شیمی مورد مطالعه قرار می گیرند از ذرات کوچکی به نام اتم تشکیل شده اند. نوترون ها موضوع مطالعه این علم نیستند. همچنین باید گفت که اتم ها می توانند با یکدیگر ترکیب شوند و در نتیجه پیوندهای شیمیایی ایجاد کنند. برایبرای شکستن این پیوند، انرژی لازم است. در نتیجه، اتم ها به طور جداگانه در شرایط عادی وجود ندارند (به استثنای "گازهای نجیب"). آنها حداقل به صورت جفت با یکدیگر ارتباط برقرار می کنند.
حرکت حرارتی پیوسته
حرکت حرارتی پیوسته همه ذراتی را که توسط شیمی مورد مطالعه قرار می گیرند مشخص می کند. مفاهیم اساسی این علم را نمی توان بدون صحبت در مورد آن بیان کرد. با حرکت پیوسته، میانگین انرژی جنبشی ذرات متناسب با دما است (البته باید توجه داشت که انرژی تک تک ذرات متفاوت است). Ekin=kT / 2، که در آن k ثابت بولتزمن است. این فرمول برای هر نوع حرکتی معتبر است. از آنجایی که اکین=mV2 /2، حرکت ذرات پرجرم کندتر است. به عنوان مثال، اگر دما یکسان باشد، مولکول های اکسیژن به طور متوسط 4 برابر کندتر از مولکول های کربن حرکت می کنند. این به این دلیل است که جرم آنها 16 برابر بیشتر است. حرکت نوسانی، انتقالی و چرخشی است. ارتعاش در مواد مایع، جامد و گاز مشاهده می شود. اما انتقال و چرخش به راحتی در گازها انجام می شود. در مایعات دشوارتر است و در جامدات حتی دشوارتر است.
مولکول
بیایید به شرح مفاهیم و تعاریف اساسی شیمی ادامه دهیم. اگر اتم ها با یکدیگر ترکیب شوند و گروه های کوچکی را تشکیل دهند (به آنها مولکول گفته می شود)، چنین گروه هایی در حرکت حرارتی شرکت می کنند و به عنوان یک کل واحد عمل می کنند. تا 100 اتم در مولکول های معمولی وجود دارد و تعداد آنها نیز همین استترکیبات درشت مولکولی نامیده می شود که می تواند به 105 برسد.
مواد غیر مولکولی
با این حال، اتم ها اغلب در مجموعه های عظیمی از 107 تا 1027 متحد می شوند. در این شکل، آنها عملاً در حرکت حرارتی شرکت نمی کنند. این پیوندها شباهت کمی به مولکول ها دارند. آنها بیشتر شبیه به قطعات یک بدن جامد هستند. این مواد معمولاً غیر مولکولی نامیده می شوند. در این حالت، حرکت حرارتی در داخل قطعه انجام می شود و مانند یک مولکول پرواز نمی کند. همچنین یک محدوده اندازه انتقالی وجود دارد که شامل ترکیبات متشکل از اتم‌ها به مقدار 105 تا 107 می‌شود. این ذرات یا مولکول‌های بسیار بزرگی هستند یا دانه‌های کوچکی از پودر هستند.
یون
لازم به ذکر است که اتم ها و گروه های آنها می توانند بار الکتریکی داشته باشند. در این صورت در علمی مانند شیمی که مفاهیم اساسی آن را بررسی می کنیم به آنها یون می گویند. از آنجایی که بارهای همنام همیشه یکدیگر را دفع می کنند، ماده ای که در آن مقدار بارهای مشخصی زیاد باشد نمی تواند پایدار باشد. بارهای منفی و مثبت در فضا همیشه متناوب هستند. و این ماده به طور کلی از نظر الکتریکی خنثی می ماند. توجه داشته باشید که بارهای بزرگ در نظر گرفته شده در الکترواستاتیک از نظر شیمی ناچیز هستند (برای 105-1015 اتم - 1e).
اشیاء مورد مطالعه در شیمی
باید توضیح داد که موضوعات مورد مطالعه در شیمی آن دسته از پدیده هایی هستند که در آنها وجود ندارد.اتم ها از بین می روند، اما فقط دوباره گروه بندی می شوند، یعنی به روشی جدید ترکیب می شوند. برخی از پیوندها شکسته شده و در نتیجه پیوندهای دیگر شکل می گیرد. به عبارت دیگر، از اتم هایی که بخشی از مواد اولیه بودند، مواد جدیدی ظاهر می شوند. با این حال، اگر هم اتم ها و هم پیوندهای موجود بین آنها حفظ شوند (مثلاً در هنگام تبخیر مواد مولکولی)، این فرآیندها دیگر حوزه مطالعه شیمی نیستند، بلکه فیزیک مولکولی هستند. در موردی که اتم ها تشکیل می شوند یا از بین می روند، ما در مورد موضوعات مطالعه فیزیک هسته ای یا اتمی صحبت می کنیم. با این حال، مرز بین پدیده های شیمیایی و فیزیکی مبهم است. به هر حال، تقسیم به علوم جداگانه مشروط است، در حالی که ماهیت غیر قابل تقسیم است. بنابراین، دانستن فیزیک برای شیمیدانان بسیار مفید است.
مفاهیم اساسی شیمی به طور خلاصه توسط ما بیان شد. اکنون از شما دعوت می کنیم تا آنها را با جزئیات بیشتری در نظر بگیرید.
بیشتر درباره اتم
اتم ها و مولکول ها چیزی هستند که بسیاری شیمی را با آن مرتبط می دانند. این مفاهیم اساسی باید به وضوح تعریف شوند. این واقعیت که اتم ها وجود دارند دو هزار سال پیش به طرز درخشانی حدس زده شد. سپس، در قرن نوزدهم، دانشمندان داده های تجربی (هنوز غیر مستقیم) داشتند. ما در مورد نسبت های چندگانه آووگادرو، قوانین ثبات ترکیب صحبت می کنیم (در زیر این مفاهیم اساسی شیمی را در نظر خواهیم گرفت). کشف اتم در قرن بیستم ادامه یافت، زمانی که بسیاری از تاییدات تجربی مستقیم به دست آمد. آنها بر اساس داده های طیف سنجی، بر روی پراکندگی اشعه ایکس، ذرات آلفا، نوترون ها، الکترون ها و غیره بودند. اندازه این ذرات تقریباً 1 E=است.1-10 دقیقه. جرم آنها حدود 10-27 - 10-25 کیلوگرم است. در مرکز این ذرات هسته ای با بار مثبت قرار دارد که الکترون هایی با بار منفی در اطراف آن حرکت می کنند. اندازه هسته حدود 10-15 متر است. مشخص می شود که پوسته الکترونی اندازه اتم را تعیین می کند، اما جرم آن تقریباً به طور کامل در هسته متمرکز است. با توجه به مفاهیم اولیه شیمی باید یک تعریف دیگر ارائه کرد. عنصر شیمیایی نوعی اتم است که بار هسته آن یکسان است.
اغلب تعریفی از اتم به عنوان کوچکترین ذره ماده وجود دارد که از نظر شیمیایی غیرقابل تقسیم است. چگونه "شیمیایی" را بفهمیم؟ همانطور که قبلاً اشاره کردیم، تقسیم پدیده ها به فیزیکی و شیمیایی مشروط است. اما وجود اتم ها بدون قید و شرط است. بنابراین بهتر است شیمی را از طریق آنها تعریف کنیم نه برعکس اتم ها را از طریق شیمی.
پیوند شیمیایی
این چیزی است که اتم ها را کنار هم نگه می دارد. این اجازه نمی دهد که آنها تحت تأثیر حرکت حرارتی پراکنده شوند. ما به ویژگی های اصلی پیوندها توجه می کنیم - این فاصله و انرژی بین هسته ای است. اینها نیز مفاهیم اولیه شیمی هستند. طول پیوند به طور تجربی با دقت کافی تعیین می شود. انرژی - بیش از حد، اما نه همیشه. برای مثال، تعیین عینی آن در رابطه با یک پیوند واحد در یک مولکول پیچیده غیرممکن است. با این حال، انرژی اتمیزه شدن یک ماده که برای شکستن تمام پیوندهای موجود ضروری است، همیشه تعیین می شود. با دانستن طول پیوند، می توان تعیین کرد که کدام اتم ها با هم پیوند دارند (فاصله کوتاهی دارند) و کدام ها نیستند (فاصله زیادی دارند).فاصله).
شماره هماهنگی و هماهنگی
مفاهیم اساسی شیمی تجزیه شامل این دو اصطلاح است. آنها برای چه چیزی ایستاده اند؟ بیایید دریابیم.
عدد هماهنگی تعداد نزدیکترین همسایگان یک اتم خاص است. به عبارت دیگر، این تعداد کسانی است که او با آنها ارتباط شیمیایی دارد. هماهنگی موقعیت نسبی، نوع و تعداد همسایگان است. به عبارت دیگر این مفهوم معنادارتر است. به عنوان مثال، تعداد هماهنگی نیتروژن، مشخصه مولکول های آمونیاک و اسید نیتریک، یکسان است - 3. با این حال، هماهنگی آنها متفاوت است - غیر مسطح و مسطح. مستقل از ایده های مربوط به ماهیت پیوند تعیین می شود، در حالی که حالت اکسیداسیون و ظرفیت مفاهیمی مشروط هستند که به منظور پیش بینی هماهنگی و ترکیب از قبل ایجاد می شوند.
تعریف یک مولکول
قبلاً با در نظر گرفتن مفاهیم و قوانین اساسی شیمی به طور خلاصه به این مفهوم پرداخته ایم. حالا بیایید با جزئیات بیشتر در مورد آن صحبت کنیم. کتاب های درسی اغلب یک مولکول را به عنوان کوچکترین ذره خنثی یک ماده تعریف می کنند که دارای خواص شیمیایی است و همچنین قادر به وجود مستقل است. لازم به ذکر است که این تعریف در حال حاضر منسوخ شده است. اولاً آنچه که همه فیزیکدانان و شیمیدانان مولکول می نامند، خواص ماده را حفظ نمی کند. آب تجزیه می شود، اما این به حداقل 2 مولکول نیاز دارد. درجه تفکیک آب 10-7 است. به عبارت دیگر، تنها یک مولکول می تواند تحت این فرآیند قرار گیرد.از 10 میلیون. اگر یک مولکول یا حتی صد مولکول داشته باشید، نمی توانید تصوری از تفکیک آن داشته باشید. واقعیت این است که اثرات حرارتی واکنش ها در شیمی معمولاً شامل انرژی برهمکنش بین مولکول ها می شود. بنابراین، آنها را نمی توان توسط یکی از آنها پیدا کرد. هر دو ویژگی شیمیایی و فیزیکی یک ماده مولکولی را فقط می توان از گروه بزرگی از مولکول ها تعیین کرد. علاوه بر این، موادی وجود دارند که در آنها "کوچکترین" ذره ای که می تواند به طور مستقل وجود داشته باشد به طور نامحدود بزرگ است و بسیار متفاوت از مولکول های معمول است. یک مولکول در واقع گروهی از اتم هاست که بار الکتریکی ندارند. در یک مورد خاص، این ممکن است یک اتم باشد، به عنوان مثال، Ne. این گروه باید بتواند در انتشار و همچنین سایر انواع حرکت حرارتی به طور کلی شرکت کند.
همانطور که می بینید، مفاهیم اولیه شیمی چندان ساده نیستند. یک مولکول چیزی است که نیاز به مطالعه دقیق دارد. این ماده دارای خواص خاص خود و همچنین وزن مولکولی است. اکنون در مورد دومی صحبت خواهیم کرد.
وزن مولکولی
چگونه وزن مولکولی را با تجربه تعیین کنیم؟ یک راه بر اساس قانون آووگادرو، با توجه به چگالی بخار نسبی است. دقیق ترین روش طیف سنجی جرمی است. یک الکترون از یک مولکول خارج می شود. یون حاصل ابتدا در یک میدان الکتریکی شتاب می گیرد، سپس به صورت مغناطیسی منحرف می شود. نسبت بار به جرم دقیقاً با بزرگی انحراف تعیین می شود. روش هایی نیز بر اساس خواصی که محلول ها دارند وجود دارد. با این حال، مولکول ها در تمام این موارد قطعاباید در حرکت باشد - در محلول، در خلاء، در گاز. اگر آنها در حال حرکت نباشند، محاسبه عینی جرم آنها غیرممکن است. و تشخیص وجود آنها در این مورد دشوار است.
ویژگی های مواد غیر مولکولی
در مورد آنها، آنها متوجه می شوند که آنها از اتم تشکیل شده اند، نه مولکول. با این حال، همین امر در مورد گازهای نجیب نیز صادق است. این اتم ها آزادانه حرکت می کنند، بنابراین بهتر است آنها را به عنوان مولکول های تک اتمی در نظر بگیریم. با این حال، این چیز اصلی نیست. مهمتر از آن، در مواد غیر مولکولی تعداد زیادی اتم وجود دارد که به هم متصل هستند. لازم به ذکر است که تقسیم همه مواد به غیر مولکولی و مولکولی کافی نیست. تقسیم بر اساس اتصال معنادارتر است. به عنوان مثال، تفاوت در خواص گرافیت و الماس را در نظر بگیرید. هر دو کربن هستند، اما اولی نرم و دومی سخت است. چه تفاوتی با یکدیگر دارند؟ تفاوت دقیقاً در اتصال آنها نهفته است. اگر ساختار گرافیت را در نظر بگیریم، خواهیم دید که پیوندهای قوی فقط در دو بعد وجود دارد. اما در مورد سوم، فواصل بین اتمی بسیار قابل توجه است، بنابراین، پیوند قوی وجود ندارد. گرافیت به راحتی روی این لایه ها می لغزد و تقسیم می شود.
اتصال ساختار
در غیر این صورت بعد فضایی نامیده می شود. این تعداد ابعاد فضا را نشان می دهد که با این واقعیت مشخص می شود که آنها یک سیستم پیوسته (تقریبا بی نهایت) از هسته ها (اتصالات قوی) دارند. مقادیری که می تواند بگیرد 0، 1، 2 و 3 است. بنابراین، باید بین ساختارهای سه بعدی متصل، لایه ای، زنجیره ای و جزیره ای (مولکولی) تمایز قائل شد.
قانونقوام ترکیب
ما قبلاً مفاهیم اولیه شیمی را آموخته ایم. این ماده به طور خلاصه توسط ما بررسی شد. حالا بیایید در مورد قانونی که در مورد او اعمال می شود صحبت کنیم. معمولاً به صورت زیر فرموله می شود: هر ماده منفرد (یعنی خالص)، صرف نظر از نحوه به دست آوردن آن، ترکیب کمی و کیفی یکسانی دارد. اما اصطلاح «ماده خالص» به چه معناست؟ بیایید دریابیم.
دو هزار سال پیش، زمانی که ساختار مواد هنوز با روش های مستقیم قابل مطالعه نبود، زمانی که مفاهیم اولیه شیمیایی و قوانین شیمی آشنا برای ما وجود نداشت، به صورت توصیفی تعیین شد. به عنوان مثال، آب مایعی است که اساس دریاها و رودخانه ها را تشکیل می دهد. هیچ بو، رنگ و مزه ای ندارد. فلان نقطه انجماد و ذوب دارد، سولفات مس از آن آبی می شود. آب شور دریا به این دلیل است که تمیز نیست. با این حال، نمک ها را می توان با تقطیر جدا کرد. تقریباً بدین ترتیب، با روش توصیفی، مفاهیم پایه شیمیایی و قوانین شیمی تعیین شد.
برای دانشمندان آن زمان مشخص نبود که مایعی که به روش های مختلف جدا شده است (سوزاندن هیدروژن، کم آبی ویتریول، تقطیر آب دریا)، ترکیب یکسانی داشته باشد. یک کشف بزرگ در علم گواه این حقیقت بود. مشخص شد که نسبت اکسیژن و هیدروژن نمی تواند به آرامی تغییر کند. این بدان معنی است که عناصر از اتم ها - بخش های غیرقابل تقسیم - تشکیل شده اند. به این ترتیب فرمول مواد به دست آمد و ایده دانشمندان در مورد مولکول ها ثابت شد.
Bامروزه، هر ماده ای، به طور صریح یا ضمنی، اساساً با فرمول تعیین می شود، نه با نقطه ذوب، طعم یا رنگ. آب - H2O. اگر مولکول های دیگر وجود داشته باشد، دیگر خالص نخواهد بود. بنابراین، یک ماده مولکولی خالص آن چیزی است که فقط از یک نوع مولکول تشکیل شده باشد.
با این حال، در مورد الکترولیت ها در این مورد چطور؟ به هر حال، آنها حاوی یون هستند، نه فقط مولکول. تعریف دقیق تری لازم است. یک ماده مولکولی خالص ماده ای است که از مولکول هایی از همان نوع و همچنین احتمالاً از محصولات تبدیل سریع برگشت پذیر آنها (ایزومریزاسیون، تداعی، تفکیک) تشکیل شده است. کلمه "سریع" در این زمینه به این معنی است که ما نمی توانیم از شر این محصولات خلاص شویم، آنها بلافاصله دوباره ظاهر می شوند. کلمه "برگشت" نشان می دهد که تحول کامل نشده است. اگر آورده شود، پس بهتر است بگوییم که ناپایدار است. در این مورد، آن یک ماده خالص نیست.
قانون بقای جرم ماده
این قانون از قدیم الایام به صورت استعاری شناخته شده است. او گفت که ماده غیرقابل خلق و زوال ناپذیر است. سپس فرمول کمی آن آمد. بر اساس آن، وزن (و از اواخر قرن هفدهم، جرم) معیاری برای اندازه گیری مقدار ماده است.
این قانون به شکل معمول خود در سال 1748 توسط لومونوسوف کشف شد. در سال 1789 توسط A. Lavoisier دانشمند فرانسوی تکمیل شد. فرمول مدرن آن چنین به نظر می رسد: جرم مواد وارد شده به یک واکنش شیمیایی برابر با جرم موادی است که در نتیجه به دست می آیند.او.
قانون آووگادرو، قانون نسبت حجمی گازها
آخرین آنها در سال 1808 توسط JL Gay-Lussac، دانشمند فرانسوی، فرموله شد. این قانون اکنون به قانون گی-لوساک معروف است. به گفته وی، حجم گازهای واکنش دهنده به یکدیگر و همچنین با حجم محصولات گازی حاصل به صورت اعداد صحیح کوچک مرتبط است.
الگویی که گی-لوساک کشف کرد، قانونی را توضیح می دهد که کمی بعد، در سال 1811، توسط آمدئو آووگادرو، دانشمند ایتالیایی کشف شد. می گوید که در شرایط مساوی (فشار و دما) در گازهایی که حجم یکسانی دارند، تعداد مولکول های یکسانی وجود دارد.
دو مفهوم مهم از قانون آووگادرو به دست می آید. اولین مورد این است که در شرایط یکسان، یک مول از هر گاز حجم مساوی را اشغال می کند. حجم هر یک از آنها در شرایط عادی (که دمای 0 درجه سانتیگراد و همچنین فشار 101.325 کیلو پاسکال است) 22.4 لیتر است. نتیجه دوم این قانون به شرح زیر است: در شرایط مساوی، نسبت جرم گازهای دارای حجم یکسان با نسبت جرم مولی آنها برابر است.
قانون دیگری هم هست که باید ذکر شود. بیایید به طور خلاصه در مورد آن صحبت کنیم.
قانون تناوبی و جدول
D. I. مندلیف بر اساس خواص شیمیایی عناصر و نظریه اتمی و مولکولی این قانون را کشف کرد. این رویداد در 1 مارس 1869 اتفاق افتاد. قانون تناوبی یکی از مهمترین قوانین در طبیعت است. می توان آن را به صورت زیر فرمول بندی کرد: خواص عناصر و تشکیل شدهآنها مواد پیچیده و ساده یک وابستگی دوره ای به بارهای هسته اتم هایشان دارند.
جدول تناوبی ایجاد شده توسط مندلیف از هفت دوره و هشت گروه تشکیل شده است. گروه ها ستون های عمودی آن هستند. عناصر درون هر یک از آنها خواص فیزیکی و شیمیایی مشابهی دارند. این گروه به نوبه خود به زیر گروه‌های (اصلی و فرعی) تقسیم می‌شود.
سطرهای افقی این جدول را نقطه می گویند. عناصری که در آنها قرار دارند با یکدیگر متفاوت هستند، اما مشترکاتی نیز دارند - اینکه آخرین الکترون های آنها در همان سطح انرژی قرار دارند. در دوره اول فقط دو عنصر وجود دارد. اینها هیدروژن H و هلیوم He هستند. در دوره دوم هشت عنصر وجود دارد. در حال حاضر 18 نفر از آنها در چهارمین دوره هستند. مندلیف این دوره را به عنوان اولین دوره بزرگ تعیین کرد. پنجمی نیز دارای 18 عنصر است، ساختار آن شبیه به چهارم است. ششم شامل 32 عنصر است. هفتم تکمیل نشده است. این دوره با فرانسیم (Fr) شروع می شود. می توانیم فرض کنیم که شامل 32 عنصر مانند عنصر ششم است. با این حال، تا کنون تنها 24 مورد پیدا شده است.
قانون بازگشت
طبق قانون بازگشت، همه عناصر تمایل دارند یک الکترون به دست آورند یا از دست بدهند تا پیکربندی ۸ الکترونی گاز نجیب نزدیکترین به خود را داشته باشند. انرژی یونیزاسیون مقدار انرژی مورد نیاز برای جداسازی الکترون از اتم است. قانون بازگشت بیان می کند که با حرکت از چپ به راست در جدول تناوبی، انرژی بیشتری برای پرتاب یک الکترون مورد نیاز است. بنابراین، عناصر سمت چپ تمایل به از دست دادن یک الکترون دارند. در برابر،کسانی که در سمت راست هستند مشتاق به دست آوردن آن هستند.
به طور خلاصه قوانین و مفاهیم اساسی شیمی را بیان کردیم. البته این فقط اطلاعات کلی است. در چارچوب یک مقاله نمی توان به طور مفصل در مورد چنین علم جدی صحبت کرد. مفاهیم و قوانین اساسی شیمی که در مقاله ما خلاصه شده است، تنها نقطه شروعی برای مطالعه بیشتر است. در واقع، در این علم بخش های زیادی وجود دارد. به عنوان مثال، شیمی آلی و معدنی وجود دارد. مفاهیم اساسی هر یک از بخش های این علم را می توان برای مدت بسیار طولانی مطالعه کرد. اما مواردی که در بالا ارائه شد سوالات کلی هستند. بنابراین، می‌توان گفت که اینها مفاهیم اساسی شیمی آلی و همچنین غیرآلی هستند.
