Электронный вариант лекций по "Химии"

 

                             Огонь                                       

     горячий                             сухой

воздух                                              Земля

влажный                                            Холодный        

                                   Вода

                                Вода

Рис 1.1. Схематическое изображение  четырёх элементов в древнегреческой  философии и четырёх свойств, связываемых с этими элементами.

Эти же представления о  материи просуществовали более 1000 лет, оказывая влияние на мысли философов  вилось до средних веков новой  эры.

Зарождению же  современной  химии способствовали работы Р.Бойля, Антуана Лавуазье (1743-1794), М.В. Ломоносова (1701-1765), Джозефа Пристли (1733-1804). Многие учёные, например, считают , что создателем современной химии является франц. Учёный Лавуазье, так как он опирался в своей работе на тщательно контролируемые опыты и на использование количественных измерений.

                                               

 

                        1.2. Научный подход

В научной деятельности важных факторов является выполнение тщательных наблюдений. Исследователи, как правило, заняты поисками общих закономерностей, которые связывают воедино все  их наблюдения. А целом же, мы пытаемся понять существующие в природе законы.  Предположительное их объяснение называют гипотезой. Гипотезу же, выдержавшую  многочисленные экспериментальные  проверки, считают уже теорией. Однако путь к любой теории и путь к  научным открытиям чаще всего  хаотичен и неясен; прогресс часто  протекает медленно, при этом многие, казалось бы, перспективные направления  в науке оканчиваются тупиками. Но в жизни случаются  и неожиданные  открытия, которые сыграли и играют важную роль в развитии науки …. Но не покорении природы….

                 1.3. Измерения и метрическая система единиц.

Результаты любых измерений  принято выражать в метрической  системе единиц, представленных в  таблице 1.1.

 Таблица  1.1. Названия основных единиц СИ.

Физическая величина	Наименование единицы	Обозначение	Размерность, dim
1. Длина	Метр	м	L
2. Масса	Килограмм	кг	M
3.Время	Секунда	с	T
4.Электрический ток	Ампер	А	i
5.Термодинамическая температура	Кельвин	К
6.Количество вещества	Моль	моль	N
7.Сила света	Кандела	кд	J

Физические величины, входящие в международную систему СИ (не вошедшие в табл. 1.1), но определяемые через основные величины (представленные в табл. 1.1), получили название производных  величин системы. Размерность же последних представляет собой произведение размерностей основных физических величин (табл. 1.1.), возведённых в соответствующие  степени. В формулах размерностей производных  величин символы размерностей основных физических величин- записываются в  последовательности : LMTIONJ

Например: размерность плотности  dimg=L^-3M; размерность объёма dim V = L³; размерность энергии dim E = L²MT^-2 и т.п., где dim – производное от англ. Dimension –размер, размерность.

В общем случае размерность  любой физической величины Х может  быть выражена равенством : dimX = L^aM^bT^cI^dO^f…., где a, b, c, d, f …. – целые числа, показатели размерностей физической величины Х.

Принятие системы СИ является попыткой дальнейшей систематизации метрической  системы. Пока же единицы системы  СИ не полностью вошли в научную  практику, наряду с единицами системы  СИ приходится знать и внесистемные единицы, всё ещё применяемы в  настоящее время. Ни одного государство  мира не перешло ещё на систему  СИ (слишком дорого).

Эти основные единицы называются единицами Международной системы, или просто единицами СИ, принятыми  в 1960 г. (табл. 1.1.).

Например, при измерении  температуры в разных странах  пользуются температурными шкалами (рис. 2.2.) Кельвина (К), Целься (⁰С) и фаренгейта (⁰F). Последнюю шкалу применяют в США…

 

373К          100⁰С           212⁰F

 

273К              0⁰С             32⁰F

                       

Рис. 1.2. Сравнение температурных  шкал  Фаренгейта (⁰F), Цельсия (⁰C) и Кельвина (К).

Например, температура 30 ⁰С, нужно выразить эту температуру а) в К; б) в ⁰F. Решение : а)К= 273+30=303К.   б) ⁰C= 5/9 (⁰F-32⁰), 30⁰ С =5/9(⁰F-32),  ⁰F= 9/5 (30⁰)+32=86⁰F.

Погрешность измерений  можно  выразить, например, при помощи так  называемых значащих цифр. При определении  же значащих цифр в записях  результатов  измерений следует пользоваться правилами: так величина 235 см состоит  из трёх значащих цифр, а 0,25 см – из двух значащих цифр; величина 0,0100 имеет  три значащие  цифры, а 2,0 – две; 1,03*10⁴ – три значащие цифры, а 1,020*10⁴ – четыре и т.д. Каково же практическое использование значащих цифр?...

Пример 1.1.   В чём различие между записями результатов измерения : 3,0 г и 3,00 г ? Решение. Число 3,0 имеет две значащие цифры, а число 3,00 – три значащие цифры. Это означает, что второе измерение выполнено более точно.

Результат же 3,0 г указывает  на то, что масса образца должна быть заключена в интервале от 2,95 до 3,05, а это ближе к 3,0 г, чем 2,9 или 3,1г. Результат  3,00 г означает, что образец должен иметь массу  от 2,995 до 3,005 г ,которая ближе к 3,00, чем 2,99 или 3,01г…. (первый результат  измерен до сотых долей, а второй с точностью до тысячных долей).

Для указания десятичных кратных  или десятичных долей различных  единиц в метрической системе  используется ряд приставок к  основных названиям, представленным в  табл. 1.2.

Таблица 1.2. Множители и приставки для обозначения десятичных кратных и дольных единиц.

Приставки		Множитель
Наименование	Обозначение
тера	Т	1012
Гига	Г	109
Мега	М	106
Кило	К	103
Гекто	Г	102
дека	да	10
Деци	Д	10-1
Санти	С	10-2
Мили	М	10-3
Микро	Мк	10-6
Нано	Н	10-9
Пико	П	10-12
фемто	ф	10-15

 

При использовании метрической  системой и при решении задач, удобно прибегать к степенной  форме записи численных величин.

                                 

                                        1.4 Состояние вещества

  Вещество может существовать  в трех основных агрегатных  состояниях :газообразном ,жидком и  твердом .Газ не имеет ни  собственной формы ,ни фиксированного  объема .Он принимает только форму  и объем того сосуда ,в который  он помещен .Его можно сжать  ,поместив в меньший сосуд или  расширить ,перенося газ в больший  сосуд по объему относительно  первого.

  Жидкость не имеет  своей формы как и газ ,она  принимает форму той части  сосуда ,которую заполняет. Сжимаемость  жидкостей в отличие от газов  очень маленькая.

  Твердые вещества обладают  механической прочностью. Они имеют  фиксированный объем и форму.  Подобно жидкостям твердые тела сжимаются незначительно.

  Состояния веществ  зависят от температуры и давления. Например, вода в интервале температур  от 0 до 100 находится в жидком состоянии ,при температуре 100 она превращается в пар, а при температуре 0  и меньше вода находится в твердом состоянии. Все эти переходы воды из одного состояния в другое являются примерами физических превращений (не сопровождаются образованием новых веществ). Химические же превращения заключаются в превращении одного вещества в другое, а химические свойства определяют способность веществ превращаться в другие.

                                            1.5Классификация веществ

  Большинство веществ  представляет собой смеси чистых  соединений. Они характеризуются  переменным составом и их можно  разделить на чистые вещества ,например, физическими методами. Смеси  бывают гомогенными и гетерогенными.  Гомогенные смеси часто называют  растворимыми(одно агрегатное состояние),гетерогенные  же могут включать твердое  ,жидкое или все три фазовых  состояния веществ: твердое ,жидкое и газообразное.

   К чистым веществам  ,на которые можно разделить  смеси ,относятся соединения и  элементы.

  Классификация веществ  на смеси ,чистые вещества ,соединения  и элементы схематично представлены  на рисунке 1.3

                 

  

                                                                                                                   

                      физические                                                                             физи     ческие

                       методы разделения                                                                                                методы    разделени

 

                                  химические    

                   

                                    реакции  

 

 

1.3 Классификация веществ

                                                1.6 Разделение смесей

  Для разделения смесей на отдельные компоненты применяются многочисленные методы ,в том числе фильтрованные ,перегонку, хроматографию и др.

                                                                     Фильтрование

  Фильтрованием называется разделение неоднородных систем ,содержащих жидкость – твердые частицы (суспензии) и газ – твердые частицы с помощью твердых пористых фильтров (фильтровальных перегородок – ФП), пропускающих жидкость или газ ,но задерживающих твердые частицы . Движущей силой процесса является разность давлений по обе стороны ФП. Этот метод применяется ,например, для отделения воды от осадка в процессе подготовки питьевой воды и во многих других случаях.

                                                                          Перегонка

  Перегонка (дистилляция)  – это разделение жидких смесей ,основанное на отличие состава  жидкости от состава образующегося  из неё пара. Осуществляется путем  частичного испарения жидкости  и последующей конденсации пара. В результате перегонки отогнанная  фракция-дистиллят обогащается относительно  более летучим (низкокипящим )компонентом  , а не отогнанная жидкость (кубовый  остаток) состоит из менее летучего (низкокипящего) вещества.

  Если же несколько  компонентов смеси имеют сходные летучести , то для полного их разделения как правило требуется несколько повторных перегонок .

                                                                  Хроматография

  Хроматография - метод разделения ,анализа и физико-химического исследования веществ. Этот метод разделения смесей основывается на различной способности веществ адсорбироваться на поверхности какого-либо инертного материала. Обычно неподвижная фаза представляет собой сорбент с развитой поверхностью , а подвижная (элюент) – поток газа (пара) или жидкости, фильтрующийся через слой сорбента. Например ,раствор, содержащий пигменты листьев растений можно пропускать через колонку ,наполненную Al2 O 3  (глинозем). Разные компоненты этого раствора будут перемещаться через колонку с неодинаковой скоростью ,что зависит от степени их адсорбции наполнителем. Подобная хроматография называется колоночной. Когда в качестве адсорбента используется бумага ,то такую хроматографию называют бумажной. В этом случае те компоненты смеси ,которые более прочно адсорбируются бумагой , движутся с меньшей скоростью. Таким способом можно ,например, разделить чернила на отдельные компоненты ,используя в качестве элюента воду…

                                                       1.7 Чистые вещества и соединения

  Элементы представляют  собой простые вещества, из которых  состоят все сложные вещества. Примерно 90% земной коры ,из которой  добываются все полезные ископаемые ,состоят из пяти химических  элементов: кислорода , кремния , алюминия , железа и кальция. Тело же человека более чем на 90 % состоит только из трех элементов : кислорода, углерода и водорода .

  Все известные науке  элемента расположены в таблице  Д. И. Менделеева. Символы элементов образованы от их латинских названий из одной или двух букв. Следует изучить символы следующих элементов : углерод С (Carboneum); фтор F(Fluorum) ; далее перечислим только русские названия и символы (остальные – см.в таблице Д. И. М.), водород (Н), йод (J) ,азот (N) ,кислород (О), фосфор (Р), сера(S), алюминий (Al), барий (Ва), кальций (Са), хлор( Cl) , гелий (Не), магний (Мg), платина (Рt), кремний (Si) ,медь (Сu), железо (Fe), свинец (Pb), ртуть (Нg) ,калий (К), серебро (Аg), натрий (Na), олово (Sn) и др.

   Чистые вещества ,на  которые можно разделить смеси  ,бывают двух типов: соединения  и элементы(см. выше).

  Соединения образуются  не менее чем из двух химических  элементов. Так ,чистая вода  Н2О состоит на 89 % из кислорода и на 11% из водорода. В соединениях элементы утрачивают свои характерные свойства. Чистые соединения всегда имеют постоянный состав ,что отвечает требованиям закона постоянства состава или закона постоянных (кратных) отношений.