La química, cuyos conceptos básicos consideraremos, es una ciencia que estudia las sustancias y sus transformaciones que ocurren con un cambio en la estructura y composición y, por lo tanto, en las propiedades. En primer lugar, es necesario definir qué significa el término "sustancia". Si hablamos de ella en un sentido amplio, es una forma de materia que tiene una masa en reposo. Una sustancia es cualquier partícula elemental, por ejemplo, un neutrón. En química, este concepto se utiliza en un sentido más estricto.
Para empezar, describamos brevemente los términos y conceptos básicos de la química, la ciencia atómica y molecular. Después de eso, los explicaremos, así como también indicaremos algunas leyes importantes de esta ciencia.
Los conceptos básicos de la química (sustancia, átomo, molécula) nos son familiares a todos desde la escuela. A continuación se incluye una breve descripción de ellos, así como de otros términos y fenómenos no tan obvios.
Átomos
En primer lugar, todas las sustancias que se estudian en química están formadas por pequeñas partículas llamadas átomos. Los neutrones no son objeto de estudio de esta ciencia. También se debe decir que los átomos pueden combinarse entre sí, dando como resultado la formación de enlaces químicos. Parapara romper este enlace, se requiere energía. En consecuencia, los átomos no existen individualmente en condiciones normales (con la excepción de los "gases nobles"). Se conectan entre sí al menos en parejas.
Movimiento térmico continuo
El movimiento térmico continuo caracteriza a todas las partículas que son estudiadas por la química. Los conceptos básicos de esta ciencia no se pueden enunciar sin hablar de ella. Con movimiento continuo, la energía cinética promedio de las partículas es proporcional a la temperatura (sin embargo, debe notarse que las energías de las partículas individuales son diferentes). Ekin=kT/2, donde k es la constante de Boltzmann. Esta fórmula es válida para cualquier tipo de movimiento. Dado que Ekin=mV2 / 2, el movimiento de las partículas masivas es más lento. Por ejemplo, si la temperatura es la misma, las moléculas de oxígeno se mueven en promedio 4 veces más lento que las moléculas de carbono. Esto se debe a que su masa es 16 veces mayor. El movimiento es oscilatorio, traslacional y rotacional. La vibración se observa en sustancias líquidas, sólidas y gaseosas. Pero la traslación y la rotación se llevan a cabo más fácilmente en los gases. Es más difícil en líquidos, y aún más difícil en sólidos.
Moléculas
Sigamos describiendo los conceptos básicos y las definiciones de la química. Si los átomos se combinan entre sí, formando pequeños grupos (llamados moléculas), tales grupos participan en el movimiento térmico, actuando como un todo único. Hasta 100 átomos están presentes en moléculas típicas, y su número es tanllamados compuestos macromoleculares pueden llegar a 105.
Sustancias no moleculares
Sin embargo, los átomos a menudo se unen en grandes grupos del 107 al 1027. De esta forma, prácticamente no participan en el movimiento térmico. Estas asociaciones se parecen poco a las moléculas. Son más como piezas de un cuerpo sólido. Estas sustancias generalmente se denominan no moleculares. En este caso, el movimiento térmico se realiza en el interior de la pieza, y no vuela, como una molécula. También hay un rango de tamaño de transición, que incluye asociaciones que consisten en átomos en una cantidad de 105 a 107. Estas partículas son moléculas muy grandes o son pequeños granos de polvo.
Iones
Cabe señalar que los átomos y sus grupos pueden tener carga eléctrica. En este caso, se denominan iones en una ciencia como la química, cuyos conceptos básicos estudiamos. Dado que las cargas del mismo nombre siempre se repelen entre sí, una sustancia en la que hay un exceso significativo de ciertas cargas no puede ser estable. Las cargas negativas y positivas en el espacio siempre se alternan. Y la sustancia en su conjunto permanece eléctricamente neutra. Tenga en cuenta que las cargas consideradas grandes en electrostática son insignificantes desde el punto de vista de la química (para 105-1015 átomos - 1e).
Objetos de estudio en química
Cabe aclarar que los objetos de estudio en química son aquellos fenómenos en los que no haylos átomos se destruyen, pero solo se reagrupan, es decir, se combinan de una manera nueva. Algunos enlaces se rompen, dando como resultado la formación de otros. En otras palabras, aparecen nuevas sustancias a partir de los átomos que formaban parte de las sustancias originales. Sin embargo, si se conservan tanto los átomos como los enlaces existentes entre ellos (por ejemplo, durante la evaporación de sustancias moleculares), entonces estos procesos ya no son el campo de estudio de la química, sino de la física molecular. En el caso de que se formen o destruyan átomos, estamos hablando de los temas de estudio de la física nuclear o atómica. Sin embargo, el límite entre los fenómenos químicos y físicos es borroso. Después de todo, la división en ciencias separadas es condicional, mientras que la naturaleza es indivisible. Por lo tanto, es muy útil para los químicos saber física.
Los conceptos básicos de la química fueron resumidos brevemente por nosotros. Ahora lo invitamos a considerarlos con más detalle.
Más sobre átomos
Los átomos y las moléculas son con lo que muchos asocian la química. Estos conceptos básicos deben estar claramente definidos. El hecho de que existan los átomos fue brillantemente adivinado hace dos mil años. Luego, ya en el siglo XIX, los científicos tenían datos experimentales (todavía indirectos). Estamos hablando de las proporciones múltiples de Avogadro, las leyes de la constancia de la composición (a continuación consideraremos estos conceptos básicos de la química). El átomo continuó siendo explorado en el siglo XX, cuando surgieron muchas confirmaciones experimentales directas. Se basaron en datos de espectroscopia, en la dispersión de rayos X, partículas alfa, neutrones, electrones, etc. El tamaño de estas partículas es de aproximadamente 1 E=1ø-10m. Su masa es de aproximadamente 10-27 - 10-25 kg. En el centro de estas partículas hay un núcleo con carga positiva, alrededor del cual se mueven los electrones con carga negativa. El tamaño del núcleo es de aproximadamente 10-15 m. Resulta que la capa de electrones determina el tamaño del átomo, pero su masa está casi completamente concentrada en el núcleo. Se debe introducir una definición más, considerando los conceptos básicos de la química. Un elemento químico es un tipo de átomo cuya carga en el núcleo es la misma.
A menudo existe una definición de un átomo como la partícula más pequeña de materia, químicamente indivisible. ¿Cómo entender "químicamente"? Como ya hemos señalado, la división de los fenómenos en físicos y químicos es condicional. Pero la existencia de los átomos es incondicional. Por tanto, es mejor definir la química a través de ellos, y no al revés, los átomos a través de la química.
Enlace químico
Esto es lo que mantiene unidos a los átomos. No les permite dispersarse bajo la influencia del movimiento térmico. Tomamos nota de las principales características de los enlaces: esta es la distancia y la energía internucleares. Estos son también los conceptos básicos de la química. La longitud de enlace se determina experimentalmente con una precisión suficientemente alta. Energía - también, pero no siempre. Por ejemplo, es imposible determinar objetivamente qué es en relación con un enlace simple en una molécula compleja. Sin embargo, siempre se determina la energía de atomización de una sustancia, necesaria para romper todos los enlaces existentes. Conociendo la longitud del enlace, es posible determinar qué átomos están enlazados (tienen una distancia corta) y cuáles no (tienen una distancia larga).distancia).
Número de coordinación y coordinación
Los conceptos básicos de la química analítica incluyen estos dos términos. ¿Qué representan? Vamos a averiguarlo.
El número de coordinación es el número de vecinos más cercanos de un átomo en particular. En otras palabras, este es el número de aquellos con quienes está químicamente asociado. La coordinación es la posición relativa, tipo y número de vecinos. En otras palabras, este concepto es más significativo. Por ejemplo, el número de coordinación de nitrógeno, característico de las moléculas de amoníaco y ácido nítrico, es el mismo: 3. Sin embargo, su coordinación es diferente: no plana y plana. Se determina independientemente de las ideas sobre la naturaleza del enlace, mientras que el estado de oxidación y la valencia son conceptos condicionales que se crean para predecir la coordinación y la composición por adelantado.
Definición de una molécula
Ya hemos tocado este concepto, considerando brevemente los conceptos básicos y las leyes de la química. Ahora vamos a detenernos en ello con más detalle. Los libros de texto a menudo definen una molécula como la partícula neutra más pequeña de una sustancia que tiene sus propiedades químicas y también puede existir de forma independiente. Cabe señalar que esta definición ahora está desactualizada. En primer lugar, lo que todos los físicos y químicos llaman molécula no conserva las propiedades de la materia. El agua se disocia, pero esto requiere un mínimo de 2 moléculas. El grado de disociación del agua es 10-7. En otras palabras, solo una molécula puede sufrir este proceso.de 10 millones Si tiene una molécula, o incluso cien, no podrá hacerse una idea de su disociación. El hecho es que los efectos térmicos de las reacciones en química suelen incluir la energía de interacción entre las moléculas. Por lo tanto, no pueden ser encontrados por uno de ellos. Tanto las propiedades químicas como las físicas de una sustancia molecular solo pueden determinarse a partir de un gran grupo de moléculas. Además, hay sustancias en las que la partícula "más pequeña" capaz de existir de forma independiente es indefinidamente grande y muy diferente de las moléculas habituales. Una molécula es en realidad un grupo de átomos que no tiene carga eléctrica. En un caso particular, este puede ser un átomo, por ejemplo, Ne. Este grupo debe poder participar en la difusión, así como en otros tipos de movimiento térmico en su conjunto.
Como puedes ver, los conceptos básicos de la química no son tan simples. Una molécula es algo que necesita ser cuidadosamente estudiado. Tiene sus propias propiedades, así como el peso molecular. Hablaremos de esto último ahora.
Peso molecular
¿Cómo determinar el peso molecular por experiencia? Una forma se basa en la ley de Avogadro, según la densidad relativa del vapor. El método más preciso es espectrométrico de masas. Un electrón es eliminado de una molécula. El ion resultante primero se acelera en un campo eléctrico y luego se desvía magnéticamente. La relación entre carga y masa está determinada precisamente por la magnitud de la desviación. También existen métodos basados en las propiedades que tienen las soluciones. Sin embargo, las moléculas en todos estos casos ciertamentedebe estar en movimiento: en solución, en vacío, en gas. Si no se mueven, es imposible calcular objetivamente su masa. Y su existencia misma en este caso es difícil de detectar.
Características de las sustancias no moleculares
Hablando de ellos, notan que están compuestos de átomos, no de moléculas. Sin embargo, lo mismo es cierto para los gases nobles. Estos átomos se mueven libremente, por lo tanto, es mejor pensar en ellos como moléculas monoatómicas. Sin embargo, esto no es lo principal. Más importante aún, en las sustancias no moleculares hay muchos átomos que están conectados entre sí. Cabe señalar que la división de todas las sustancias en no moleculares y moleculares es insuficiente. La división por conectividad es más significativa. Considere, por ejemplo, la diferencia en las propiedades del grafito y el diamante. Ambos son de carbono, pero el primero es blando y el segundo es duro. ¿Cómo se diferencian entre sí? La diferencia radica precisamente en su conectividad. Si consideramos la estructura del grafito, veremos que los enlaces fuertes existen solo en dos dimensiones. Pero en el tercero, las distancias interatómicas son muy significativas, por lo tanto, no existe un vínculo fuerte. El grafito se desliza y se divide fácilmente en estas capas.
Conectividad de la estructura
De lo contrario, se llama dimensión espacial. Representa el número de dimensiones del espacio, caracterizado por el hecho de que tienen un sistema continuo (casi infinito) de núcleos (conexiones fuertes). Los valores que puede tomar son 0, 1, 2 y 3. Por lo tanto, es necesario distinguir entre estructuras conectadas tridimensionalmente, en capas, en cadena e islas (moleculares).
Leyconsistencia de la composición
Ya hemos aprendido los conceptos básicos de la química. La sustancia fue revisada brevemente por nosotros. Ahora hablemos de la ley que se aplica a él. Por lo general, se formula de la siguiente manera: cualquier sustancia individual (es decir, pura), independientemente de cómo se haya obtenido, tiene la misma composición cuantitativa y cualitativa. Pero, ¿qué significa el término "sustancia pura"? Vamos a averiguarlo.
Hace dos mil años, cuando la estructura de las sustancias aún no podía estudiarse por métodos directos, cuando ni siquiera existían los conceptos químicos básicos y las leyes de la química que nos son familiares, se determinó de forma descriptiva. Por ejemplo, el agua es un líquido que forma la base de los mares y ríos. No tiene olor, color, sabor. Tiene tales y tales puntos de congelación y fusión, el sulfato de cobre se vuelve azul. El agua de mar salada es porque no está limpia. Sin embargo, las sales se pueden separar por destilación. Aproximadamente así, mediante un método descriptivo, se determinaron los conceptos químicos básicos y las leyes de la química.
Para los científicos de esa época no era obvio que el líquido, que se aisló de diferentes maneras (quema de hidrógeno, deshidratación de vitriolo, destilación de agua de mar), tiene la misma composición. Un gran descubrimiento en la ciencia fue la prueba de este hecho. Quedó claro que la proporción de oxígeno e hidrógeno no puede cambiar sin problemas. Esto significa que los elementos están formados por átomos, porciones indivisibles. Así se obtuvieron las fórmulas de las sustancias, y se sustanció la idea de los científicos sobre las moléculas.
BHoy en día, cualquier sustancia, explícita o implícitamente, está determinada principalmente por la fórmula, y no por el punto de fusión, el sabor o el color. Agua - H2O. Si hay otras moléculas presentes, ya no será puro. Por lo tanto, una sustancia molecular pura es aquella que se compone de moléculas de una sola clase.
Sin embargo, ¿qué pasa con los electrolitos en este caso? Después de todo, contienen iones, no solo moléculas. Se necesita una definición más rigurosa. Una sustancia molecular pura es aquella que está compuesta por moléculas del mismo tipo, y también, posiblemente, por los productos de su rápida transformación reversible (isomerización, asociación, disociación). La palabra "rápido" en este contexto significa que no podemos deshacernos de estos productos, vuelven a aparecer inmediatamente. La palabra "reversible" indica que la transformación no se ha completado. Si se trae, entonces es mejor decir que es inestable. En este caso, no es una sustancia pura.
Ley de conservación de la masa de la materia
Esta ley se conoce en forma metafórica desde la antigüedad. Dijo que la materia es increable e indestructible. Luego vino su formulación cuantitativa. Según él, el peso (y desde finales del siglo XVII, la masa) es una medida de la cantidad de materia.
Esta ley en su forma habitual fue descubierta en 1748 por Lomonosov. En 1789, fue complementado por A. Lavoisier, un científico francés. Su formulación moderna suena así: la masa de sustancias que entran en una reacción química es igual a la masa de sustancias que se obtienen como resultadoella.
Ley de Avogadro, la ley de las proporciones volumétricas de los gases
El último de estos fue formulado en 1808 por JL Gay-Lussac, un científico francés. Esta ley ahora se conoce como la ley de Gay-Lussac. Según él, los volúmenes de los gases que reaccionan están relacionados entre sí, así como con los volúmenes de los productos gaseosos resultantes, como pequeños números enteros.
El patrón que descubrió Gay-Lussac explica la ley que fue descubierta un poco más tarde, en 1811, por Amedeo Avogadro, un científico italiano. Dice que en condiciones iguales (presión y temperatura) en gases que tienen el mismo volumen, hay el mismo número de moléculas.
Dos implicaciones importantes se derivan de la ley de Avogadro. La primera es que bajo las mismas condiciones, un mol de cualquier gas ocupa un volumen igual. El volumen de cualquiera de ellos en condiciones normales (que son una temperatura de 0 °C, así como una presión de 101,325 kPa) es de 22,4 litros. La segunda consecuencia de esta ley es la siguiente: en igualdad de condiciones, la relación de las masas de los gases que tienen el mismo volumen es igual a la relación de sus masas molares.
Hay otra ley que debe mencionarse. Hablemos de ello brevemente.
Ley periódica y tabla
D. I. Mendeleev, basado en las propiedades químicas de los elementos y la teoría atómica y molecular, descubrió esta ley. Este hecho tuvo lugar el 1 de marzo de 1869. La ley periódica es una de las más importantes de la naturaleza. Se puede formular de la siguiente manera: propiedades de los elementos y formasLas sustancias complejas y simples tienen una dependencia periódica de las cargas de los núcleos de sus átomos.
La tabla periódica creada por Mendeleev consta de siete períodos y ocho grupos. Los grupos son sus columnas verticales. Los elementos dentro de cada uno de ellos tienen propiedades físicas y químicas similares. El grupo, a su vez, se divide en subgrupos (principal y secundario).
Las filas horizontales de esta tabla se llaman períodos. Los elementos que se encuentran en ellos difieren entre sí, pero también tienen en común que sus últimos electrones se encuentran en el mismo nivel de energía. Sólo hay dos elementos en el primer período. Estos son hidrógeno H y helio He. Hay ocho elementos en el segundo período. Ya hay 18 de ellos en el cuarto Mendeleev designó este período como el primero grande. El quinto también tiene 18 elementos, su estructura es similar al cuarto. El sexto contiene 32 elementos. El séptimo no está completo. Este período comienza con francio (Fr). Podemos suponer que contendrá 32 elementos, como el sexto. Sin embargo, hasta ahora solo se han encontrado 24.
Regla de contragolpe
Según la regla de retroceso, todos los elementos tienden a ganar o perder un electrón para tener la configuración de 8 electrones del gas noble más cercano a ellos. La energía de ionización es la cantidad de energía necesaria para separar un electrón de un átomo. La regla del contragolpe establece que a medida que se mueve de izquierda a derecha en la tabla periódica, se necesita más energía para expulsar un electrón. Por lo tanto, los elementos del lado izquierdo tienden a perder un electrón. Contra,los del lado derecho están ansiosos por conseguirlo.
Reseñamos brevemente las leyes y los conceptos básicos de la química. Por supuesto, esto es solo información general. En el marco de un artículo, es imposible hablar en detalle sobre una ciencia tan seria. Los conceptos básicos y las leyes de la química, resumidos en nuestro artículo, son solo un punto de partida para estudios posteriores. En efecto, en esta ciencia hay muchas secciones. Hay, por ejemplo, química orgánica e inorgánica. Los conceptos básicos de cada una de las secciones de esta ciencia se pueden estudiar durante mucho tiempo. Pero las presentadas anteriormente son preguntas generales. Por tanto, podemos decir que estos son los conceptos básicos de la química orgánica, así como de la inorgánica.
