Неорганика

Молекула. Следующей, более сложной после атома частицей может рассматриваться молекула.

Молекула — это электронейтральная наименьшая совокупность атомов, образующих определенную структуру посредством химических связей. Молекула — это наименьшая частица данного вещества, обладающая его химическими свойствами. Химические свойства молекулы определяются ее составом и химическим строением.

Химическая формула. Наименование и символы элементов — химическая азбука, позволяющая описать состав любого вещества химической формулой.

Вещество. Молекулы могут содержать атомы только одного элемента, например молекула кислорода содержит два атома кислорода и описывается формулой О₂, молекула озона состоит из трех атомов кислорода — О₃, молекула белого фосфора — из четырех атомов фосфора Р₄, молекула брома — из двух атомов Br₂ и т. д.; такие вещества называют простыми веществами.

Вещества, молекулы которых  состоят из атомов разных элементов, называют сложными веществами или химическими соединениями, например оксид водорода (вода) Н₂О, азотная кислота HNO₃, глюкоза С₆Н₁₂О₆ и т. д.

Согласно современным  представлениям из молекул состоят  вещества в газообразном и парообразном состоянии. В твердом состоянии  из молекул состоят лишь вещества, кристаллическая решетка которых  имеет молекулярную структуру. Например, органические вещества, неметаллы (за небольшим исключением), оксид углерода (IV), вода. Большинство же твердых неорганических веществ не имеет молекулярной структуры: их решетка состоит не из молекул, а из других частиц (ионов, атомов); они существуют в виде макротел (кристалл хлорида натрия, друза кварца, кусок меди и др.). Не имеют молекулярной структуры соли, оксиды металлов, алмаз, кремний, металлы.

Химическая связь между  молекулами у вещества с молекулярной структурой менее прочная, чем между  атомами, поэтому их температуры  плавления и кипения сравнительно низкие. У веществ с немолекулярной структурой химическая связь между  частицами весьма прочная, поэтому  их температуры плавления и кипения  высокие. Современная химия изучает  свойства микрочастиц (атомов, молекул, ионов и др.) и макротел.

Относительная атомная  масса. Относительной атомной массой элемента называют отношение абсолютной массы атома к 1/12 части абсолютной массы атома изотопа углерода ¹²С. Обозначают относительную атомную массу элемента символом А_r, где r - начальная буква английского слова relative (относительный).

Относительная молекулярная масса. Относительной молекулярной массой М_r называют отношение абсолютной массы молекулы к 1/12 массы атома изотопа углерода ¹²С. Обратите внимание на то, что относительные массы по определению являются безразмерными величинами.

Таким образом, мерой относительных  атомных и молекулярных масс избрана  1/12 часть массы атома изотопа углерода ¹²С, которая называется атомной единицей массы (а.е.м.):

Абсолютные и относительные  массы связаны простыми соотношениями:

Моль. В химии чрезвычайное значение имеет особая величина — количество вещества.

Количество вещества определяется числом структурных единиц (атомов, молекул, ионов или других частиц) этого вещества, оно обозначается обычно n и выражается в молях (моль).

Моль — это единица количества вещества, содержащая столько же структурных единиц данного вещества, сколько атомов содержится в 12 г углерода, состоящего только из изотопа ¹²С.

Число Авогадро. Определение моля базируется на числе структурных единиц, содержащихся в 12 г углерода. Установлено, что данная масса углерода содержит 6,02× 10²³ атомов углерода. Следовательно, любое вещество количеством 1 моль содержит 6,02× 10²³ структурных единиц (атомов, молекул, ионов).

Число частиц 6,02 × 10²³ называется числом Авогадро или постоянной Авогадро и обозначается N_A:

N_A = 6,02 × 10²³ моль^-1.

Молярная масса. Для удобства расчетов, проводимых на основании химических реакций и учитывающих количества исходных реагентов и продуктов взаимодействия в молях, вводится понятие молярной массы вещества.

Молярная  масса М вещества представляет собой отношение его массы к количеству вещества:

,

где т — масса в граммах, n — количество вещества в молях, М — молярная масса в г/моль — постоянная величина для каждого данного вещества.

Значение молярной массы  численно совпадает с относительной  молекулярной массой вещества или относительной  атомной массой элемента.

Классификация химических веществ. Индивидуальные вещества, смеси, растворы. Все вещества подразделяются на смеси и чистые вещества. Смеси состоят из нескольких веществ, каждое из которых сохраняет свои индивидуальные свойства и может быть выделено в чистом виде.

Смеси могут быть гомогенными (однородными) и гетерогенными (неоднородными). Примером гомогенной смеси могут служить растворы, гетерогенной — бетон, смесь сахара и соли и т.д.

Для получения чистых химических используются различные химические и физические методы очистки. Однако на практике любое вещество содержит какое-то количество примесей. При высокой степени очистки содержание последних настолько мало, что практически не влияет на химические и физические свойства веществ.

Химические вещества подразделяются на простые и сложные.

Простые вещества — это вещества, образованные из атомов одного элемента.

Например, простое вещество уголь образовано атомами элемента углерода, простое вещество железо — атомами элемента железа, простое  вещество азот — атомами элемента азота.

Понятие “простое вещество”  нельзя отождествлять с понятием “химический элемент”. Простое  вещество характеризуется определенной плотностью, растворимостью, температурами  плавления и кипения и т.п. Эти  свойства относятся к совокупности атомов и для разных простых веществ они различны. Химический элемент характеризуется определенным положительным зарядом ядра атома (порядковым номером), степенью окисления, изотопным составом и т.д. Свойства элементов относятся к его отдельным атомам.

Сложные вещества, или химические соединения, — это вещества, образованные атомами  разных элементов.

Так, оксид меди (II) образован  атомами элементов меди и кислорода, вода — атомами элементов водорода и кислорода.

Сложные вещества состоят  не из простых веществ, а из элементов. Например, вода состоит не из простых  веществ водорода и кислорода, а  из элементов водорода и кислорода. Названия элементов обычно совпадают  с названиями соответствующих им простых веществ (исключения: углерод  и одно из простых веществ кислорода  — озон).

Аллотропия. В настоящее время известно 110 элементов, а число образуемых ими простых веществ около 400. Такое различие объясняется способностью того или иного элемента существовать в виде различных простых веществ, отличающихся по свойствам. Это явление называется аллотропией, а образующиеся вещества — аллотропными видоизменениями или модификациями. Так, элемент кислород образует две аллотропные модификации — кислород и озон; элемент углерод — три: алмаз, графит и карбин; несколько модификаций образует элемент фосфор. Aллотропные формы элемента кислорода отличаются числом атомов в их молекулах. Аллотропные формы элемента углерода — алмаз, графит и карбин отличаются строением их кристаллических решеток.

Таким образом, явление аллотропии вызывается двумя причинами: 1) различным числом атомов в молекуле (например, кислород O₂ и озон О₃) или 2) образованием различных кристаллических форм.

Валентность элементов  в соединениях. Современные представления о природе химической связи основаны на электронной (спиновой) теории валентности, в соответствии с которой атомы, образуя связи, стремятся к достижению наиболее устойчивой (т. е. имеющей наименьшую энергию) электронной конфигурации. При этом электроны, принимающие участие в образовании химических связей, называются валентными.

Согласно спиновой теории, валентность атома определяется числом его неспаренных электронов, способных участвовать в образовании химических связей с другими атомами, поэтому понятно, что валентность всегда выражается небольшими целыми числами.

Степень окисления. Для полярных соединений также часто используют понятие степени окисления, условно считая, что такие соединения состоят только из ионов. Так, в галогеноводородах и воде водород имеет формально положительную валентность, равную 1+, галогены — формально отрицательную валентность 1-, кислород — отрицательную валентность 2-, как это обозначено в формулах Н⁺F^-, Н⁺Сl^-, Н⁺₂О^2-.

Понятие степени окисления  было введено в предположении  о полном смещении пар электронов к тому или другому атому (показывая  при этом заряд ионов, образующих ионное соединение). Поэтому в полярных соединениях степень окисления означает число электронов, лишь смещенных от данного атома к атому, связанному с ним.

Совсем формальное понятие  “степень окисления” используется при  рассмотрении ковалентного соединения, поскольку степень окисления — это условный заряд атома в молекуле, вычисленный исходя из предположения, что молекула состоит только из ионов. В действительности никаких ионов в ковалентных соединениях нет.