Физическим изменением вещества называют такое изменение, при котором внутреннее строение, состав и свойства не подвергаются изменению. Например, из древесины изготавливают мебель, при этом внутреннее строение (структура), состав и свойства древесины остаются прежними.
Химическими изменениями вещества называют такие, когда в результате взаимодействия не менее двух исходных веществ (химической реакции) появляются одно или несколько других веществ, отличающихся от первоначальных составом, структурой и свойствами. Например, раскаленная сталь покрывается на воздухе окалиной; уголь, сгорая, образует углекислый газ; в результате химической переработки природного газа получают водород, ацетилен, метиловый спирт и другие продукты. Именно такими изменениями веществ, их получением, описанием и объяснением занимается химия.
Экспериментально доказано, что многие физические изменения сопровождаются химическими изменениями, и наоборот. Раскаленная сталь на воздухе, как было сказано, покрывается окалиной, а уголь, сгорая, дает тепло и свет. Практическое применение химических изменений излагает химическая технология -- область знания о методах и средствах рациональной химической переработки сырья, полуфабрикатов и промышленных отходов.
4. Химический анализ. Понятие о химическом элементе
Если подвергнуть, например, обыкновенный известняк нагреву, получится известь и углекислый газ. Известь и углекислый газ можно подвергнуть дальнейшему разложению (известь на кальций и кислород, углекислый газ на углерод и кислород). Полученные вещества разложению уже не подвергаются. На сегодня известно 116 таких веществ, их называют простейшими веществами или химическими элементами.
Химическое разложение, в результате которого получаются простейшие вещества, называется химическим анализом. В результате химического анализа определяется, какие элементы содержатся в исследуемом веществе. Химическую реакцию анализа упрощенно можно выразить уравнением: А = В + С, где А -- исходное сложное вещество, а В и С -- полученные вещества (химические элементы).
Все известные на сегодня химические элементы в систематизированном виде в соответствии с периодическим законом, открытым Д.И. Менделеевым, расположены в Периодической системе элементов Менделеева -- таблице, приведенной ниже.
Химические элементы классифицируются на металлы (золото, платина, серебро, железо, медь, алюминий, кальций, ртуть и др.) и неметаллы (сера, фосфор, углерод, азот, хлор, кислород и т. д.). Установлено, что в составе земной коры, морской воды и атмосферы содержится примерно:
49,5 % кислорода 2,63 % натрия
25,3 % кремния 2,4 % калия
7,5 % алюминия 1,93 % магния
5,08 % железа 0,87 % водорода
3,39 % кальция менее 1 % остальных.
Из сказанного следует, что простейшие вещества являются основой всей живой и неживой материи, а следовательно, и всей Вселенной.
Большинство веществ, находящихся в естественных условиях, состоят в соединениях друг с другом, т. е. являются веществами сложными. Незначительное число элементов в природе находится в свободном состоянии (кислород, серебро, сера и некоторые другие). Ряд химических элементов может существовать в разных модификациях. Так, например, элемент кислород образует два видоизменения: кислород и озон; углерод -- три: алмаз, графит и корбин и т. д. Явление видоизменения одного и того же элемента, связанного со сложным внутренним строением химических элементов, называется аллотропией, а образующиеся простейшие вещества -- аллотропными видоизменениями или модификациями.
5. Химический синтез. Понятие о соединении
Если нагревать цинковый порошок с серой (два отдельных элемента), то в результате получается соединение, называемое сернистым цинком, которое по своим свойствам отличается от исходных простейших веществ. Такое соединение элементом называется синтезом. Синтез осуществляется только в результате химической реакции, при которой появляется более сложное вещество с новыми свойствами и строением, отличными от свойств и строения исходных веществ.
Когда говорят о химическом синтезе, то подразумевают получение сложных соединений из исходных элементов (например, производство искусственного каучука, камфары и т. д.). Полученные материалы в результате синтеза называют синтетическими материалами. Химический синтез можно упрощенно выразить уравнением А + В = С, где А и В -- исходные вещества, а С -- синтезированное вещество. Способность вещества соединяться с одним или большим числом веществ называется валентностью, механизм которой будет приведен ниже.
Простое перемешивание исходных материалов без их химического соединения называют смесью. Смеси состоят из нескольких веществ, каждое из которых сохраняет свои индивидуальные свойства и может быть выделено в чистом виде. При смешивании веществ речь идет о физическом процессе.
6. Химические обозначения
В химии для обозначения химических элементов, отображения состава сложных веществ и химических реакций, для показа производимых количественных расчетов выработан свой особый язык.
Элементы принято обозначать химическими символами. Символ состоит из первой буквы или первой и одной из следующих букв латинского названия элемента -- первая буква всегда прописная, вторая -- строчная. Например, бор (Borum) имеет символ В, барий (Barum) обозначается Ва, железо (Ferrum) -- Fe и т. д.
Состав сложных химических веществ отображается химическими формулами. При этом символы элементов пишутся рядом друг с другом. Например, FeS -- формула соединения железа с серой; H2S04 -- формула серной кислоты, где цифры показывают необходимые пропорции входящих в состав серной кислоты водорода, серы и кислорода. С помощью химических символов и формул записываются химические уравнения. В каждом уравнении, как в математике, имеются две части, соединенные знаком равенства. В левой части записываются формулы веществ, вступающих в реакцию, в правой -- формулы веществ, образовавшихся в результате реакции. По химическим формулам и уравнениям производятся различные количественные расчеты.
7. Основные законы химии
Химические процессы подчиняются всеобщим законам природы -- закону сохранения массы вещества и закону сохранения энергии, а также ряду специфических для химии законов, которыми управляются все химические реакции.
Закон сохранения массы вещества установили М.В. Ломоносов (1756 г.) и А.Л. Лавуазье (1789 г.) почти независимо друг от друга. Они далеко продвинули развитие химии тем, что при химических реакциях применили физические методы, в частности, взвешивание.
Закон сохранения массы в химических процессах можно сформулировать так: масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции. Например, при разложении воды масса воды будет равна сумме массы водорода и массы кислорода. Из закона сохранения вещества вытекает, что вещество нельзя ни создать из ничего, ни уничтожить совсем.
Количественным выражением закона сохранения массы веществ применительно к производственному химическому процессу является материальный баланс, в котором подтверждается, что масса веществ, поступивших на технологическую операцию (приход), равна массе полученных веществ (расход).
Закон сохранения массы веществ М.В. Ломоносов связывал с законом сохранения энергии. Он рассматривал эти законы в единстве. Взгляды Ломоносова подтверждены современной наукой.
Закон сохранения энергии действует во всех случаях и повсюду, где одна форма энергии переходит в другую. Например, при переходе энергии пара в турбине в энергию вращательного движения, т. е. механическую энергию, при переходе электрической энергии в электрической лампочке в световую и т. д. Так же как нельзя ни уничтожить, ни создать вещество, нельзя ни создать, ни уничтожить энергию.
Особым видом энергии является химическая энергия, которая освобождается или расходуется при каждой химической реакции. Химическую энергию, как любой вид энергии, можно превратить в механическую (использование взрывчатых веществ), тепловую (сжигание топлива), электрическую (гальванические элементы) и т. п. Измерить химическую энергию непосредственно нельзя. Ее величина определяется, как и величина тепловой энергии, в килоджоулях (в кДж).
Различают химические реакции с выделением тепла и химические реакции с поглощением тепла. Первые называются экзотермическими, вторые -- эндотермическими реакциями. Изучением тепловых явлений при химических реакциях занимается термохимия.
Количественным выражением закона сохранения энергии в химическом производстве является тепловой (энергетический) баланс. Применительно к тепловым процессам химической переработки закон сохранения энергии формулируется так: количество тепловой энергии, принесенной в зону взаимодействия веществ, равно количеству энергии, вынесенной веществами из этой зоны.
К специфическим законам химии относятся такие законы, как закон постоянства состава (Ж. Пруст, 1808 г.), закон постоянных весовых отношений (Дж. Дальтон, 1800 г.), закон простых объемных отношений для газов (Ж.Л. Гей-Люссак, 1808 г.) и в качестве его развития -- закон А. Авогадро (1811 г.). Данными законами руководствуются ученые-химики и практики для проведения химических расчетов.
8. Реакционная способность веществ
Число известных в природе и технике химических процессов очень велико. Одни из них, например, окисление бронзы на воздухе, протекают веками, другие -- горение бензина -- очень быстро. Разложение же взрывчатых веществ происходит в миллионные доли секунды. При промышленном производстве химических продуктов очень важно знать закономерности протекания реакций во времени, т. е. зависимость их скорости и выхода продукта от температуры, давления, концентрации реагентов и примесей.
Изучением скорости и особенностей протекания химических реакций занимается химическая кинетика. Основополагающим для химической кинетики является представление о том, что исходные вещества, вступающие в химическую реакцию, чрезвычайно редко непосредственно превращаются в ее продукты. В большинстве случаев реакция проходит ряд последовательных и параллельных стадий, на которых образуются и расходуются промежуточные вещества. Число последовательных стадий может быть очень велико -- в цепных реакциях их десятки и сотни тысяч. Время жизни промежуточных веществ весьма разнообразно: одни вполне стабильны, другие существуют в равновесном состоянии доли секунды. Изучение скорости протекания химических процессов показало, что химические реакции протекают тем быстрее, чем выше температура, давление и концентрация реагентов.
На скорость некоторых химических реакций можно влиять присутствием небольшого количества определенных веществ, которые сами в реакции участия не принимают. Вещества эти называются катализаторами. Катализаторы бывают положительными, ускоряющими реакцию, и отрицательными -- замедляющими ее. Каталитическое ускорение химической реакции называется катализом и является приемом современной химической технологии (производство полимерных материалов, синтетического топлива и др.). Считается, что удельный вес каталитических процессов в химической промышленности достигает 80%. Благодаря катализу существенно повысилась эффективность экономики химической промышленности, поскольку ускорение химических реакций заметно влияет на снижение издержек производства.
Страницы: 1, 2, 3
