Молекулярная химия

2.Производство минеральных макро- и микроудобрений, а также кормовых фосфатов. Внесение извести, гипса и других веществ для улучшения структуры почв. Применение химических средств защиты растений: гербицидов, зооцидов и инсектицидов и т. д. Использование в растениеводстве стимуляторов роста и плодоношения растений. Разработка способов выращивания экологически чистой сельскохозяйственной продукции . Повышение продуктивности животных с помощью стимуляторов роста, специальных кормовых добавок. Производство и применение полимерных материалов для сельского хозяйства. Производство материалов для средств малой механизации, использующихся в сельском хозяйстве. Основная цель химизации сельского хозяйства — обеспечение роста производства, улучшение качества и продление сроков сохранности сельскохозяйственной продукции, повышение эффективности земледелия и животноводства. Для борьбы с вредителями, сорняками и болезнями в нашей стране ежегодно выпускают более 500 тыс. т пестицидов. Их применение позволяет сберечь до сотни тысяч тонн урожая в год.

3.Молекула — это наименьшая частица данного вещества, обладающая его химическими свойствами. Химические свойства молекулы определяются ее составом и химическим строением. Атом — наименьшая частица химического элемента, входящая в состав молекул простых и сложных веществ. Химические свойства элемента определяются строением его атома. Отсюда следует определение атома, соответствующее современным представлениям: атом — это электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного атомного ядра и отрицательно заряженных электронов. 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. Основные положения атомно-молекулярного учения можно сформулировать так:

 Существуют  вещества с молекулярным и  немолекулярным строением. 

 Между молекулами  имеются промежутки, размеры которых  зависят от агрегатного состояния  вещества и температуры. Наибольшие  расстояния имеются между молекулами  газов. Этим объясняется их  легкая сжимаемость. Труднее сжимаются  жидкости, где промежутки между  молекулами значительно меньше. В твердых веществах промежутки  между молекулами еще меньше, поэтому они почти не сжимаются. 

 Молекулы  находятся в непрерывном движении. Скорость движения молекул зависит  от температуры. С повышением  температуры скорость движения  молекул возрастает.

 Между молекулами  существуют силы взаимного притяжения  и отталкивания. В наибольшей степени эти силы выражены в твердых веществах, в наименьшей — в газах.

 Молекулы  состоят из атомов, которые, как  и молекулы, находятся в непрерывном  движении.

 Атомы одного  вида отличаются от атомов  другого вида массой и свойствами.

 При физических явлениях молекулы сохраняются, при химических, как правило, разрушаются.

 У веществ  с молекулярным строением в  твердом состоянии в узлах  кристаллических решето находятся  молекулы. Связи между молекулами, расположенными в узлах кристаллической  решетки, слабые и при нагревании  разрываются. Поэтому вещества  с молекулярным строением, как  правило, имеют низкие температуры  плавления. 

 У веществ  с немолекулярным строением в  узлах кристаллических решеток  находятся атомы или другие  частицы. Между этими частицами  существуют сильные химические  связи, для разрушения которых  требуется много энергии. Поэтому  вещества с немолекулярным строением  имеют высокие температуры плавления. 

 Объяснение  физических и химических явлений  с точки зрения атомно-молекулярного  учения. Физические и химические  явления получают объяснение  с позиций атомно-молекулярного  учения. Так, например, процесс диффузии объясняется способность молекул (атомов, частиц) одного вещества проникать между молекулами (атомами, частицами) другого вещества. Это происходит потому, что молекулы (атомы, частицы) находятся в непрерывном движении и между ними имеются промежутки. Сущность химических реакций заключается в разрушении химических связей между атомами одних веществ и в перегруппировке атомов с образованием других веществ.

5 Хими́ческая реа́кция — превращение одного или нескольких исходных веществ (реагентов) в отличающиеся от них по химическому составу или строению вещества (продукты реакции). В отличие от ядерных реакций, при химических реакциях ядра атомов не меняются, в частности не изменяется их общее число, изотопный состав химических элементов, при этом происходит перераспределение электронов и ядер и образуются новые химические вещества. 

Химические реакции  происходят при смешении или физическом контакте реагентов самопроизвольно, при нагревании, участии катализаторов (катализ), действии света (фотохимические реакции), электрического тока (электродные  процессы), ионизирующих излучений (радиационно-химические реакции), механического воздействия (механохимические реакции), в низкотемпературной плазме (плазмохимические реакции) и  т. п. Взаимодействие молекул между  собой происходит по цепному маршруту: ассоциация – электронная изомеризация – диссоциация, в котором активными  частицами являются радикалы,ионы, координационно-ненасыщенные соединения. Скорость химической реакции определяется концентрацией активных частиц и разницей между энергиями связи разрываемой и образуемой.

6 Закон сохранения массы (М. Ломоносов, 1748; А. Лавуазье, 1789): масса всех веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе всех продуктов реакции.

Периодический закон (Д. Менделеев, 1869): свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра элемента. Существует ряд частных законов химии, которые имеют ограниченную область применения.

Закон постоянства состава (Ж. Пруст, 1808): все индивидуальные вещества имеют постоянный качественный и количественный состав, независимо от способа их получения. Известны соединения переменного состава, для которых закон Пруста несправедлив, например сверхпроводники общей формулы: YBa2Cu307-x.

Решающую роль в доказательстве существования  атомов и молекул сыграли газовые  законы.

Закон объемных отношений (Ж. Гей-Люс-сак, 1808): объемы газов, вступающих в реакцию, а также объемы газообразных продуктов реакции, относятся друг к другу как небольшие целые числа.

Закон Авогадро - в равных объемах любых газов при постоянных температуре и давлении содержится одинаковое число молекул. Закон Авогадро является следствием уравнения Клапейрона - Менделеева: pV = nRT или pV = (m/M)RT, где p - давление газа, V - его объем, n - количество газа (в молях), R - универсальная газовая постоянная, Т - абсолютная температура, m - масса газа, М - его молярная масса.

Численное значение R зависит  от размерности давления (объем  газов, как правило, выражают в литрах). Если [p] = кПа, то R = 8,314 Дж/(моль*К); если [p] = атм, то R = 0,082 л*атм/(моль*К). 

7Поведение  идеальных газов  описывают следующие  законы: 1) при постоянной температуре изменение объема газа обратно пропорционально изменению давления (закон Бойля - Мариотта); 2) при постоянном давлении изменение объема газа прямо пропорционально изменению абсолютной температуры (закон Шарля - Гей-Люссака); 3) при постоянных температуре и давлении изменение объема прямо пропорционально изменению количества вещества (закон Авогадро). Эти законы можно представить в виде одного уравнения состояния идеального газа PV = nRT, где Р - давление газа (Па), V - его объем (м3), Т - абсолютная температура (К), n - число молей газа, R - универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/K*моль (R = 0,08206 л*атм/К*моль, если P измеряют в атмосферах, V - в литрах, n - в молях, T - в кельвинах). Если два газа смешать при постоянных температуре и давлении, то объем смеси будет равен сумме объемов газов, ее составляющих; при постоянном объеме давление смеси газов, химически не взаимодействующих друг с другом, равно сумме парциальных давлений газов, составляющих смесь (закон парциальных давлений, установленный Дальтоном). Парциальное давление - это давление компонента идеальной газовой смеси, которое он оказывал бы, если бы один занимал объем всей смеси. Мольная доля одного из компонентов газовой смеси - это та часть всех молекул газа, которую составляют молекулы данного компонента. Для любого газа в смеси. Газы, поведение которых строго следует приведенному выше общему уравнению, называются идеальными. К ним близки инертные и другие газы, имеющие очень низкую температуру кипения (например, водород, кислород и азот). Газы с высокой температурой кипения, такие, как диоксид углерода, подчиняются законам идеальных газов весьма приближенно. Представленные выше газовые законы основываются на допущении, что молекулы (или атомы) газа не имеют объема и не взаимодействуют друг с другом. Первое предположение не очень далеко от реальности, поскольку газ занимает значительно больший объем, чем жидкость такой же массы (объем жидкости есть мера объема ее молекул). Второе допущение тоже представляется разумным, поскольку, если бы молекулы газа достаточно сильно взаимодействовали, произошла бы конденсация. Если газ заключить в замкнутый сосуд, то его давление будет определяться энергией молекул, бомбардирующих стенки. Поскольку молекулы всех газов при одинаковой температуре обладают одинаковой кинетической энергией (температура - мера этой энергии), равные количества молекул будут оказывать одинаковое давление на стенки сосуда независимо от того, какому газу они принадлежат. А.Авогадро предположил, что занимаемый газом объем тоже определяется только числом молекул, а не их природой, и он тем больше, чем ниже давление или выше температура, но не зависит от размера или массы молекул газа как таковых, поскольку они очень малы. Между числом молекул и объемом газа существует следующее количественное соотношение: один моль любого газа содержит 6,022*10 23 молекул и при нормальных условиях (0° С и 760 мм рт. ст.) занимает объем 22,4 л (см. АВОГАДРО ЧИСЛО).

8Соврем методы исследования позволяют определить чрезвычайно малые массы атомов с большой точностью. Так, например, масса атома водорода составляет 1,674 1027 кг, кислорода — 2,667 x 10-26 кг, углерода — 1,993 x 1026 кг. В химии традиционно используются не абсолютные значения атомных масс, а относительные. В 1961 г. за единицу атомной массы принята атомная единица массы (сокращенно а.е.м.), которая представляет собой ‘/12 часть массы атома изотопа углерода «С. Большинство химических элементов имеют атомы с различной массой . Поэтому относительной атомной массой А, хим элемента называется величина, равная отношению средней массы атома естественного изотопического состава элемента к 1/12 массы атома углерода 12C. Относительные атомные массы’ элементов обозначают А, где индекс r — начальная буква английского слове relative — относительный. Записи Аr(Н), Ar(0), Ar(С) означают: относ атомная масса водорода, относит атомная масса кислорода, относит атомная масса углерода. Например, Ar(Н) =1,6747x 10-27 = 1,0079; 1/12 x 1,993 x 10-26

Относительная атомная масса — одна из основных характеристик химического элемента. Относительной молекулярной массой М, вещества называется величина, равная отношению средней массы молекулы естественного изотопического состава  вещества к 1/12 массы атома углерода 12С. Вместо термина «относит атомная  масса» можно использовать термин «атомная масса». Относ молекулярная масса  численно равна сумме относительных  атомных масс всех атомов, входящих в состав молекулы вещества. Она  легко подсчитывается по формуле  вещества. Моль. Молярная масса. В Международной системе единиц (СИ) за единицу количества вещества принят моль. Моль — это количество вещества, содержащее столько структурных единиц (молекул, атомов, ионов, электронов и других), сколько атомов содержится в 0,012 кг изотопа углерода С+12. Зная массу одного атома углерода (1,993 • 10-26 кг), можно вычислить число атомов NA в 0,012 кг углерода: NA=0,012 кг/моль = 1,993 х10-26 кг 6,02 х 1023 ед/моль.

9   Большие успехи в исследовании строения атомов были достигнуты в опытах английского ученого Эрнеста Резерфорда по рассеянию а-частиц при прохождении через тонкие слои вещества. В этих опытах узкий пучок а-частиц, испускаемых радиоактивным веществом, направлялся на тонкую золотую фольгу. За фольгой помещался экран, способный светиться под ударами быстрых частиц. Было обнаружено, что большинство а-частиц отклоняется от прямолинейного распространения после прохождения фольги, т. е. рассеивается, а некоторые а-частицы вообще отбрасываются назад. Рассеяние а-частиц Резерфорд объяснил тем, что положительный заряд не распределен равномерно в шаре радиусом 10^~10м, как предполагали ранее, а сосре-доточен в центральной части атома — атомном ядре. При прохождении около ядра а-частица, имею-щая положительный заряд, отталкивается от него, а при попадании в ядро — отбрасывается в противоположном направлении. Так ведут себя частицы, имеющие одинаковый заряд, следовательно, существует центральная положительно заряженная часть атома, в которой сосредоточена значительная масса атома. Расчеты показали, что для объясне-ния опытов нужно принять радиус атомного ядра равным примерно 10^~15 м.

         Резерфорд предположил, что атом  устроен по-добно планетарной системе. Суть модели строения атома по Резерфорду заключается в следующем: в центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена вся масса, вокруг ядра по круговым орбитам на больших расстояниях вращаются электроны (как планеты вокруг Солнца). Заряд ядра совпадает с номером химического элемента в таблице Менделеева.

         Планетарная модель строения  атома по Резерфорду не смогла  объяснить ряд известных фактов: электрон, имеющий заряд, должен  за счет кулонов-ских сил притяжения упасть на ядро, а атом — это устойчивая система; при движении по круговой орбите, приближаясь к ядру, электрон в атоме должен излучать электромагнитные волны всевозможных частот, т. е. излучаемый свет должен иметь непрерывный спектр, на практике же получается иное: электроны атомов излучают свет, имеющий линейчатый спектр. Как было уже отмечено, радиоактивность не только свидетельствует о сложном строении атомных ядер, но также дает средства для изучения этого Строения.

 Одним  из таких средств являются  быстрые a-частицы, способные проникать  внутрь легких ядер и расщеплять  их на части. Расщепление атомного  ядра под действием a-частиц  впервые наблюдал Резерфорд (в  1919 г.). Продолжая опыты, описанные  в §203, он заметил, что при  облучении a-частицами азота, бора  и других элементов возникают  новые частицы, также создающие  сцинтилляции, но отличающиеся от a-частиц большей проникающей  способностью. С помощью магнитного  отклонения и других методов  удалось установить заряд и  массу, а тем самым природу  этих частиц. Они оказались быстродвижущимися  ядрами атомов водорода. (Напомним, что ядро водородного атома, или, как его называют, протон, обладает массой, очень близкой к 1 а. е. м., и зарядом +е.)

Изотопы (от изо... и греч. tópos - место), разновидности одного химического элемента, занимающие одно место в периодической системе элементов Менделеева, но отличающиеся массами атомов. Химические свойства атомов, т. е. принадлежность атома к тому или иному химическому элементу, зависят от числа электронов и их расположения в электронной оболочке атома (см. Атом). Место химического элемента в периодической системе элементов определяется его порядковым номером Z, равным числу электронов в оболочке атома или, что то же самое, числу протонов, содержащихся в атомном ядре. Кроме протонов, в ядро атома входят нейтроны, масса каждого из которых приблизительно равна массе протона. Количество нейтронов N в ядре атома с данным Z может быть различным, но в определённых пределах. Например, в ядре атома гелия (Z = 2) может содержаться 1, 2, 4 или 6 нейтронов. Полное число протонов Z и нейтронов N в ядре (называется общим термином нуклоны) определяет массу ядра и по существу массу всего атома. Это число А = Z + N называется массовым числом атома. От соотношения чисел протонов и нейтронов в ядре зависят стабильность или нестабильность ядра, тип распада радиоактивного ядра, спин, магнитный дипольный момент, электрический квадрупольный момент ядра и некоторые другие его свойства (см. Ядро атомное). Таким образом, атомы с одинаковым Z, но с различным числом нейтронов N обладают идентичными химическими свойствами, но имеют различные массы и различные ядерные свойства. Эти разновидности атомов также называются И. Для обозначения любых разновидностей атомов, независимо от их принадлежности к одному элементу, применяют термин нуклиды.