Химический элемент. Химическое вещество

Три тысячи лет ученые и философы пытались свести весь материальный мир к нескольким простым веществам – элементам.

Как было сказано выше, древнегреческие философы пытались представить мир построенным из четырех элементов: воды, воздуха, огня и земли. В древнем Китае существовало учение о том, что имеются пять элементов – вода, огонь, дерево, металл, земля.

В период раннего средневековья алхимики открыли несколько новых элементов: ртуть, серу, соль. К элементам причисляли и землю. По представлениям алхимиков, тяжелая жидкая ртуть олицетворяла металлическую сущность, сера – горючесть. Как соли, так и сере приписывали философское значение. Удивительно, что средневековые философы не причисляли к элементам таки вещества, как металлы – золото, серебро, железо, цинк, олово, медь, известные еще в древности, до нашей эры. В те времена не признавали элементарный характер золота и многих твердых металлов. Многие алхимики верили в то, что они могут превращать металлы друг в друга и неблагородные металлы – в благородные.

В XVII в. пробил час «рождения» химических элементов, ибо им впервые было дано научное определение. Немецкий ученый И. Юнгиус в диссертации «Малый физический свод» (написана в 1630 г., опубликована в 1662 г.) отбросил четыре элемента древности и три элемента алхимии, а также постулат о превращении металлов. Химические элементы, объявил он, являются едиными и неделимыми далее веществами.

Несколько позднее Р. Бойль в книге «Химик-скептик» задает риторический вопрос: действительно ли существуют элементы, иначе называемые началами? И сам же отвечает: «Под элементами я понимаю определенные исходные и простые, или полностью несмешанные вещества… Они являются составными частями, из коих слагаются все так называемые полностью смешанные вещества и на каковые последние можно разложить».

Благодаря А. Лавуазье химия приобрела характер точной науки – учения об элементах и веществах и их соединении в определенных отношениях. Превращение элементов друг в друга отбрасывалось как невозможное. В труде «Начальный курс химии» (1789 г.) Лавуазье приводит уже 22 из известных сегодня химических элементов. Среди них: азот, кислород, водород, углерод, сера, фосфор и все известные в то время металлы.

К началу XIX в. удалось выделить такие, как алюминий, барий, кальций, магний, кремний, щелочные металлы, галогены и тяжелые металлы. В 1818 г. шведский химик Й. Я. Берцелиус впервые опубликовал таблицу, в которой привел атомные массы всех известных к тому времени химических элементов. Он ввел символику химических элементов, которая в основном принята и в настоящее время.

Немецкие ученые Р. В. Бунзен и Г. Р. Кирхгофф использовали спектральный анализ, открытый ими в 1860 г., для идентификации химических элементов. С помощью этого метода в 1860–1863 гг. были открыты цезий, индий, рубидий и таллий, так что число известных элементов в химии возросло до 63.

В настоящее время известно более 100 химических элементов как встречающихся в природе, так и полученных искусственно.

Детальное изучение строения атома позволило дать современное определение понятия химический элемент.

Химический элемент – вид атомов, ионов, ядер с определенным зарядом ядра.

Например, элемент водород включает атомы ¹H (протий – изотоп водорода с А_r = 1), ²H (D, дейтерий – изотоп водорода с А_r = 2), ³H (T, тритий – изотоп водорода с А_r = 3), ионы водорода H⁺, гидрид-ионы H^–, молекулы H₂. Основными характеристиками химического элемента являются: заряд ядра атома, атомная масса, распространенность в природе.

Простое вещество – это химический элемент в свободном виде.

Различие в понятиях «химический элемент» и «простое вещество» становиться понятным, когда мы сталкиваемся с явлением существования одного химического элемента в виде нескольких простых веществ – аллотропией.

Простые вещества, образованные одним и тем же химическим элементом, называются аллотропными модификациями (видоизменениями).

Причинами аллотропии могут быть:

1. Разное число атомов в молекуле.

Например, у кислорода:

– О – монокислород; – О₂ – дикислород;

– О₃ – трикислород (озон); – О₄ – тетракислород.

2. Образование разных кристаллических форм (полиморфизм).

Например, для углерода:

– алмаз; – графит; – фуллерены;

– α-карбин (полиин …–СºС–СºС–…);

– b-карбин (поликумулен …=С=С=С=С=…).

Новая аллотропная форма углерода С₆₀ называется бакминстерфуллерен (или просто фуллерен). Она была впервые получена в 1985 г. в струе чистого гелия, со сверхзвуковой скоростью обдувающей графитовый электрод, поверхность которого облучали мощным лазером. Молекула С₆₀ похожа на футбольный мяч. Точнее, она представляет собой сфероид с икосаэдрической симметрией, в каждой вершине которого находится атом углерода, связанный с тремя другими атомами с помощью s-связей. 60 p-электронов (по одному от каждого атома) образуют единую сопряженную систему. Молекула С₆₀ является родоначальником целого класса интересных соединений подобно тому, как бензол – родоначальник ароматических соединений. В 1996 г. английский ученый Х. Крото и американские ученые Р. Смолли и Р. Керл, открывшие это вещество, были удостоены Нобелевской премии по химии.

Сложное вещество (химическое соединение) – это химически индивидуальное вещество, состоящее из атомов различных элементов, химически связанных между собой.

Пример 1.4. Среди веществ-загрязнителей вод озера Байкал, его биоты и донных осадков наибольшую опасность вызывают такие хлорорганические соединения как ДДЭ (п, п '-дихлордифенилдихлорэтилен, C₁₄H₈Cl₄) и ДДД (п, п '-дихлор­дифенилдихлорметилметан, C₁₄H₁₀Cl₄) – метаболиты инсектицида ДДТ (п, п '-дихлордифенилтрихлорметилметана), обладающие выраженной мутагенной и канцерогенной активностью, способные накапливаться в организмах и передаваться по пищевой цепочке. Сколько атомов водорода содержится: а) в 5 моль ДДЭ; б) в 640 г ДДД?

Решение: а). Формула C₁₄H₈Cl₄ означает, что в каждой молекуле ДДЭ содержится по 8 атомов водорода; а, значит, в любом количестве ДДЭ атомов водорода в 8 раз больше, чем молекул.

ν(Н) = 8 · ν(C₁₄H₈Cl₄).

Следовательно, ν(Н) = 8 · 5 моль = 40 моль.

N(H) = ν · N_A; N(H) = 40 моль · 6,02·10²³ моль^–1 = 240,8·10²³ = 2,408·10²⁵.

б). В одной молекуле ДДД C₁₄H₁₀Cl₄ содержится 10 атомов водорода, поэтому в любом количестве ДДД атомов водорода в 10 раз больше, чем молекул:

ν(Н) = 10 · ν(C₁₄H₁₀Cl₄).

Количество ДДД можно определить по формуле:

ν = m / M; ν (C₁₄H₁₀Cl₄) = 640 г / 320 г/моль = 2 моль.

ν(Н) = 10 · 2 моль = 20 моль; N(H) = 20 моль · 6,02·10²³ моль^–1 = 120,4·10²³ = 1,204·10²⁵.

Пример 1.5. Вычислите массу кислорода, содержащуюся в 15,0 г серной кислоты.

Решение. В задаче требуется найти массу атомов кислорода, входящих в состав молекул серной кислоты. Данную задачу можно решать двумя способами.

1 способ: через количество вещества.

Согласно химической формуле H₂SO₄ в 1 моль серной кислоты содержится 4 моль атомов кислорода.

ν(О) = 4 · ν(H₂SO₄).

ν(H₂SO₄) = m(H₂SO₄) / M(H₂SO₄); ν(H₂SO₄) = 15,0 г / 98 г/моль = 0,153 моль.

ν(О) = 4 · 0,153 моль = 0,612 моль.

Зная количество кислорода, можно найти его массу:

m(О) = ν(О) · M(О).

m(О) = 0,612 моль · 16 г/моль = 9,79 г.

2 способ: с помощью пропорции.

В 98 г (1 моль ) H₂SO₄ содержится 4 моль · 16 г/моль = 64 г кислорода,

а в 15 г H₂SO₄ содержится m г кислорода.

m(О) = 64 г · 15 г / 98г = 9,79 г.

Вопросы для самоконтроля

1. Что изучает химия?

2. Приведите определения понятий вещество и поле.

3. Приведите определение понятия химическая реакция. Какие типы химических реакций Вы знаете?

4. Назовите основные этапы развития химии как науки.

5. Назовите основные концептуальные системы современной химии.

6. Приведите современные определения понятий атом и молекула. Какие вещества состоят из молекул? Приведите примеры.

7. Приведите определения понятий относительная атомная масса и относительная молекулярная масса.

8. Приведите определения понятий моль, молярная масса, молярный объем.

9. Приведите определения понятий химический элемент и простое вещество. Почему число простых веществ больше числа известных химических элементов?

10. Приведите определение понятия аллотропия. Чем обусловлено явление аллотропии? Приведите примеры аллотропных модификаций.

11. Приведите определение понятия сложное вещество. Приведите примеры.

Тест

1. Элементарными частицами вещества являются все перечисленные частицы:

а) электроны, протоны, мезоны, фотоны;

б) электроны, протоны, нейтроны, бозоны;

в) электроны, протоны, нейтроны, мезоны;

г) электроны, протоны, гравитоны, фотоны.

2. Реакция СН_4(г) + 2О_2(г) → СО_2(г) + 2Н₂О_(ж) +Q является (предложите 2 варианта ответа):

а) эндотермической;

б) экзотермической;

в) электроностатической;

г) окислительно-восстановительной.

3. Реакция CuCl₂ + 2NaOH → Cu(OH)₂↓ + 2NaCl является (предложите 2 варианта ответа):

а) реакцией обмена;

б) реакцией замещения;

в) необратимой реакцией;

г) обратимой реакцией.

4. Реакции

1) CuO_(т) + H₂SO_4(р-р) → CuSO_4(р-р) + H₂O_(ж) и 2) NaOH_(р-р) + HCl_(р-р) → NaCl_(р-р) + Н₂О_(ж)

являются соответственно:

а) 1) реакция обмена; 2) реакция замещения;

б) 1) гетерогенная реакция; 2) гомогенная реакция;

в) 1) гомогенная реакция; 2) гетерогенная реакция;

г) 1) реакция замещения; 2) реакция обмена.

5. Реакция СН₂=СН₂ + Н₂ → СН₃–СН₃ является:

а) каталитической реакцией присоединения;

б) фотохимической реакцией присоединения;

в) каталитической реакцией замещения;

г) фотохимической реакцией замещения.

6. Реакция Н₂ + Cl₂ → 2HCl является:

а) каталитической радикальной реакцией;

б) каталитической ионной реакцией;

в) фотохимической радикальной реакцией;

г) фотохимической ионной реакцией.

7. Из молекул состоят все вещества из списка:

а) сера, углекислый газ, вода, бутан;

б) сера, вода, хлорид натрия, этилен;

в) бор, углекислый газ, хлорид натрия, этан;

г) графит, вода, сернистый газ, хлороводород.

8. Не имеют молекулярного строения все вещества из списка:

а) сера, графит, углекислый газ, вода;

б) графит, бор, хлорид цезия, сульфид железа;

в) селен, сернистый газ, хлорид цезия, ацетат натрия;

г) графит, алмаз, углекислый газ, карбонат натрия.

9. Относительная атомная масса хрома равна:

а) 52 а. е. м.; б) 52 г/моль; в) 8,632×10^–26 г; г) 52.

10. Относительная молекулярная масса оксида углерода (IV) равна:

а) 44 г/моль; б) 44; в) 44 а. е. м.; г) 12.

11. В 1 моль метана содержится молекул:

а) 6,02×10²³; б) 16; в) 2,656×10^–26; г) 22,4.

12. Молярная масса железа равна:

а) 56 а. е. м.; б) 56; в) 56 г/моль; г) 9,296×10^–26 г.

13. Молярная масса азотной кислоты равна:

а) 63 г/моль; б) 63 а. е. м.; в) 63; г) 98 г/моль.

14. Молярный объем метана при н. у. равен:

а) 16 л/моль; б) 16 м³/моль; в) 22,4 м³/моль; г) 22,4 л/моль.

15. Молярный объем серной кислоты (плотность 1,8356 г/см³) равен:

а) 98 л/моль; б) 22,4 л/моль; в) 53,39 мл/моль; г) 53,39 см³/моль.

Поиск по сайту: