ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Фундаментальные теории и законы химии из "Общая и неорганическая химия 1997" Ввиду исключительно большого значения квадрата скорости света в вакууме очень малые изменения массы ведут к колоссальному изменению энергии. Так, из формулы (1,1) следует, что 1 кДж соответствует изменению массы 2-10 о г. Если считать тепловые эффекты химических реакций порядка сотен килоджоулей, соответствующие изменения массы должны быть порядка 10 — 10 г. Эта величина лежит за пределами чувствительности весов, применяемых в химии, включая ультрамикровесы. Таким образом, из уравнения (1.1) следует, что при химических реакциях, поскольку они сопровождаются энергетическими эффектами, в действительности происходит изменение массы. Однако эти изменения настолько малы, что ими можно пренебречь. Ощутимые е изменения массы наблюдаются в ядерной химии и энергетике, где энергетические эффекты измеряются миллионами и миллиардами килоджоулей. [c.8] Периодический закон. Важнейшая задача неорганической химии заключается в изучении свойств элементов, в выявлении общих закономерностей их химического взаимодействия между собой. Самое крупное научное обобщение в решении этой проблемы сдааал Д.И.Менделеев, открывший Периодический закон и графическое его выражение — Периодическую систему. Только вследствие этого открытия стало возможным химическое предвидение, предсказание новых фактов. Поэтому Менделеев является основателем современной химии. [c.8] Менделеев в Основах химии писал Периодический закон ждет не только новых приложений, но и усовершенствований, подробной разработки и свежих сил... По-видимому, Периодическому закону будуш ее не грозит разрушением, а только надстройка и развитие обещается . Эти пророческие слова творца Периодического закона и Периодической системы целиком и полностью оправдываются в наше время. [c.9] Теория химического строения. Фундаментальная задача химии — изучение зависимости между химическим строением вещества и ею свойствами. Свойства вещества являются функцией его химического строения. До А.М.Бутлерова считали, что свойства вещества определяются его качественным и количественным составом. Он впервые сформулировал основное положение своей теории химического строения так химическая натура сложной частицы определяется натурой элементарных составных частиц, количеством их и химическим строением. Это знаменитое положение может быть по праву названо законом Бутлерова и приравнено к фундаментальным законам химии. В переводе на современный язык закон Бутлерова утверждает, что свойства молекулы определяются природой составляющих ее атомов, их количеством и химическим строением молекулы. Таким образом, первоначально теория химического строения относилась к химическим соединениям, имеющим молекулярную структуру. Это одна из причин, почему она считалась теорией строения органических соединений. Между тем сам Бутлеров считал созданную им теорию химического строения (1861) общехимической теорией и для ее обоснования пользовался примерами как органической, так и неорганической химии. [c.9] В настоящее время есть все основания считать теорию Бутлерова фундаментальной общешмической теорией строения химических соединений и зависимости свойств их от химическою строения. Эта теория — продолжение и развитие атомно-молекулярного учения Ломоносова, являющегося фундаментом всей химии. Спустя столетие после создания теории Бутлерова в результате успешного приложения к химическим объектам методов теоретической и экспериментальной физики стали глубже и полнее понимать само химическое строение. Сегодня химическое строение — это не только порядок валентной связи атомов и их взаимное влияние в веществе, но и направления и прочность связей, межатомные расстояния, распределение плотности электронного облака, эффективные заряды атомов и т.п. Химическое строение в первую очередь определяется характером химической связи между атомами, связанными непосредственно друг с другом. Поэтому основу теории химического строения составляет учение о химической связи. [c.10] По вопросу дальнейшего развития теории химического строения Бутлеров писал Само собой разумеется, что когда мы будем знать ближе натуру химической энергии, самый род атомного движения, — когда законы механики получат и здесь приложение, — тогда учение о химическом строении падет, как падали прежние химические теории, но, подобно большинству этих теорий, оно падет не для того, чтобы исчезнуть, а для того, чтобы войти в измененном виде в круг новых и более широких воззрений . Итак, автор теории химического строения предвидел приложение механики атомного мира (т.е. квантовой механики) к его теории. Именно применение квантовой механики к проблемам структуры вещества подняло теорию химического строения Бутлерова на новую, высшую ступень. Только в одном не прав был Бутлеров его теория не пала, а превратилась в общехимическую теорию, являюш юся фундаментом современной химии. [c.10] Ока служит основой для всевозможных стехиометрических расчетов по химическим формулам и урав 1ениям, вычисления молекулярных масс химических соединений. Понятие атомной массы приложимо не только к элементам (эле.мент-ная масса), но и к отдельным изотопам (изотопная масса). [c.12] Все физико-химические методы определения атомных масс дают величину элементной массы. Только для моноизотопных элементов, представленных единственным природным изотопом, элементная масса совпадает с изотопной. Современные точные физические методы установления атомных масс (например, масс-спектроскопия) позволяют получать значения изотопных масс. Поэтому для установления атомной (элементной) массы необходимо еще знать изотопный состав элемента. [c.12] НЫМИ переносами которой (трансляциями) в трех измерениях можно построить всю кристаллическую решетку. Под элементарной ячейкой понимают наименьшую часть кристаллической решетки, которая отражает все особенности ее структуры. Узлы peuieTKH — трансляционно идентичные точки, в которых находятся частицы. В узлах решетки частицы — атомы, молекулы — совершают малые колебания . [c.13] Рассмотрим структуру типичных неорганических веществ. На рис. 1 приведена кристаллическая структура хлорида натрия. Принято считать, что в узлах решетки Na l находятся ионы . Атомы одного вида находятся в вершинах куба и в центрах каждой грани, противоположно поляризованные атомы также расположены по вершинам куба и в центрах каждой его грани. Только второй куб смещен от первого на кратчайшее расстояние между атомами натрия и хлора. В целом хлорид натрия образует гранецентрированную кубическую решетку. В этой решетке К81ждый атом натрия окружен ближайшими шестью атомами хлора, и наоборот. [c.13] Существенно то, что в структуре поваренной соли нельзя очертить отдельные молекулы Na l, так как их нет. Атомы натрия и хлора в решетке хлорида натрия не связаны попарно между собой. Между тем в условиях повышенной температуры в парах хлорида натрия существуют молекулы Na l. При этом равновесное расстояние между натрием и хлором в кристалле на 15% больше, чем в газообразной молекуле Na l, т.е. последняя менее ионна. [c.13] В отличие от Na l металлический натрий образует объемно центрированную кубическую решетку. На рис. 2 приведена кристаллическая структура натрия с выделением (штриховка) одной элементарной ячейки. Как это видно из рис. 2, в структуре натрия также отсутствуют молекулы. В парах же натрия обнаружены молекулы Na2 с межатомным расстоянием 0,308 нм против 0,372 нм в твердом металлическом натрии. [c.13] Таким образом, во всех рассмотренных структурах нельзя выделить обособленные молекулы. Такие кристаллические структуры, ь которых отсутствуют дискретные молекулы, а межатомные связи однотипны, называют координационными. Другими словами, координационные структуры гомодесмичны, т.е. атомы в кристалле соединены одинаковым типом химической связи. Для большинства неорганических веществ (более 95%) характерны именно координационные структуры. [c.14] На рис. 5 для сравнения приведены элементарные ячейки молекулярных структур иода (а) и диоксида углерода (б). Их важнейшей особенностью в отличие от предыдущих типов кристаллов является то, что в узлах кристаллической решетки находятся не атомы, а молекулы. При этом расстояния между атомами в молекуле меньше, чем межмолекулярные расстояния в кристалле. В них атомы связаны в молекулы прочными ковалентными связями, а между молекулами действуют слабые силы Ван-дер-Ваальса (см. 1 гл. V). Это значит, что структуры иода и диоксида углерода являются гетеродесмичными. К рассмотренным выше так называемым островным молекулярным структурам (Тг и СО2) относится абсолютное большинство органических соединений. Однако некоторые неорганические вещества, не имеющие молекулярной структуры (цепочечные, слоистые, каркасные), также гетеродесмичны, так как внутри цепей, слоев и каркасов межатомные связи ковалентные, а между цепями, слоями и каркасами функционируют силы Ван-дер-Ваальса. [c.15] Для немолекулярных кристаллов понятие молекулы лишено смысла. Для них формой суи1,ествования тимическою соединения в твердом состоянии является фаза. Поэтому фаза — носитель всех физических, физико-химических и химических свойств вещества, кристаллизующеюся в координационной структуре, т.е. его свойства зависят, от состава и химического строения фазы. В этом заключается фундаментальность понятия фазы в современной химической атомистике. Однако понятие фазы здесь употребляется уже не в термодинамическом, а в несколько ином смысле. Если с термодинамической точки зрения понятие фазы можно применять только к равновесным системам, то фаза как носитель свойств вещества с немолекулярной структурой — это однородная по составу и свойствам часть системы. При этом подразумевается, что фаза может быть и метастабильной (неравновесной), но тем не менее она вполне характеризует свойства объекта. [c.16] Хорошо изученным соединением переменного состава является и оксид железа FeO. Как и в моносульфиде, в оксиде железа (+2) наблюдается недостаток атомов железа по сравнению со стехиометрическим составом. Поэтому формулу оксида железа (- -2) следует изображать так Fei-j O. Нестехиометричность оксида железа в сторону недостатка железа понятна, если учесть химическую аналогию кислорода и серы. Для оксида железа (+2) впервые установлен факт повышения температуры плавления с нарушением стехиометрического состава. Так, для Рео,9зО (х = 0,07) т.пл. 1378°С. Feo giO х = 0,09) и Feo sgO (х = 0,11) плавятся соответственно при 1382 и 1387° С. Для координационных кристаллов температура плавления характеризует прочность соединения. Таким образом, до определенного предела устойчивость оксида железа растет вместе со степенью нарушения стехиометрического состава. Кроме того, оксид железа (+2) как соединение эквиатомарное (1 атом Fe на 1 атом О) просто не существует, так как область нестехиометрии на самом деле не включает стехиометрический состав. [c.17] Вернуться к основной статье