1.1: Навіщо вивчати хімію
- Page ID
- 18028
Хімія є галуззю науки, що займається структурою, складом, властивостями та реактивними характеристиками речовини. Матерія - це все, що має масу і займає простір. Таким чином, хімія - це вивчення буквально всього навколо нас — рідин, які ми п'ємо, газів, якими ми дихаємо, склад всього, від пластикового корпусу на телефоні до землі під ногами. Більш того, хімія - це вивчення трансформації матерії. Сира нафта перетворюється в більш корисні нафтопродукти, такі як бензин і гас в процесі переробки. Деякі з цих продуктів додатково трансформуються в пластмаси. Руди сирих металів перетворюються на метали, які потім можна виготовити у все, від фольги до автомобілів. Потенційні препарати ідентифікуються з природних джерел, виділяються і потім готуються в лабораторії. Їх структури систематично модифікуються для виробництва фармацевтичних препаратів, які призвели до величезних досягнень в сучасній медицині. Хімія знаходиться в центрі всіх цих процесів, і хіміки - люди, які вивчають природу речовини і вчаться проектувати, прогнозувати і контролювати ці хімічні перетворення. У галузях хімії ви знайдете кілька видимих підрозділів. Неорганічна хімія історично орієнтована на мінерали та метали, знайдені в землі, тоді як органічна хімія стосувалася вуглецевмісних сполук, які були вперше ідентифіковані в живих істотах. Біохімія є наслідком застосування органічної хімії в біології і відноситься до хімічної основи для живих істот. У наступних розділах цього тексту ми трохи докладніше вивчимо органіку та біохімію, і ви помітите приклади органічних сполук, розкиданих по всьому тексту. Сьогодні межі між різними галузями значно розмиті, і очікується, що сучасний хімік матиме широкий фон у всіх цих областях.
У цьому розділі ми обговоримо деякі властивості речовини, як хіміки вимірюють ці властивості, і ми представимо деякі словниковий запас, який використовується в хімії та інших фізичних наук.
Почнемо з матерії. Матерія визначається як будь-яка речовина, що має масу. Тут важливо розрізняти вагу і масу. Вага - це результат тяги тяжіння на предмет. На Місяці об'єкт буде важити менше, ніж той самий об'єкт на Землі, оскільки тяга тяжіння менше на Місяці. Маса об'єкта, однак, є невід'ємною властивістю цього об'єкта і не змінюється, незалежно від місця розташування, гравітаційного потягу чи чогось іншого. Це властивість, яка виключно залежить від кількості речовини всередині об'єкта.
Сучасні теорії говорять про те, що матерія складається з атомів. Самі атоми будуються з нейтронів, протонів і електронів разом з постійно зростаючим масивом інших субатомних частинок. Ми зупинимося на нейтроні, частці, що не має заряду, протон, який несе позитивний заряд, і електроні, який має негативний заряд. Атоми неймовірно малі. Щоб дати вам уявлення про розмір атома, одна мідна копійка містить приблизно 28 000 000 000 000 000 000 атомів (це 28 секстильйонів). Оскільки атоми та субатомні частинки настільки малі, їх маса не легко вимірюється за допомогою фунтів, унцій, грамів або будь-якої іншої шкали, яку ми використовували б на великих об'єктах. Замість цього маса атомів і субатомних частинок вимірюється за допомогою атомних одиниць маси (скорочено amu). Атомна одиниця маси заснована на шкалі, яка пов'язує масу різних типів атомів один з одним (використовуючи в якості стандарту найбільш поширену форму елемента вуглець). Шкала аму дає нам зручний засіб для опису мас окремих атомів і проведення кількісних вимірювань щодо атомів та їх реакцій. Усередині атома нейтрон і протон мають масу в одну аму; електрон має набагато меншу масу (близько 0,0005 аму).
Малюнок 1.2: Атоми неймовірно малі. Атоми неймовірно малі. Щоб дати вам уявлення про розмір атома, одна мідна копійка містить приблизно 28 000 000 000 000 000 000 атомів (це 28 секстильйонів).
Атомна теорія поміщає нейтрон і протон в центрі атома в ядрі. В атомі ядро дуже маленьке, дуже щільне, несе позитивний заряд (від протонів) і містить практично всю масу атома. Електрони поміщаються в дифузне хмара, що оточує ядро. Електронна хмара несе чистий негативний заряд (від заряду на електрони) і в нейтральному атомі в цій хмарі завжди стільки електронів, скільки протонів в ядрі (позитивні заряди в ядрі врівноважуються негативними зарядами електронів, роблячи атом нейтральним).
Атом характеризується кількістю нейтронів, протонів і електронів, якими він володіє. Сьогодні ми визнаємо щонайменше 116 різних типів атомів, кожен з яких має різну кількість протонів у своєму ядрі. Ці різні типи атомів називаються елементами. Нейтральний елемент водень (найлегший елемент) завжди матиме один протон в своєму ядрі і один електрон в хмарі, що оточує ядро. Елемент гелій завжди матиме два протони в своєму ядрі. Саме кількість протонів в ядрі атома визначає ідентичність елемента. Однак елементи можуть мати різну кількість нейтронів у своєму ядрі. Наприклад, існують стабільні ядра гелію, які містять один, або два нейтрони (але всі вони мають два протони). Ці різні типи атомів гелію мають різну масу (3 або 4 аму) і їх називають ізотопами. Для будь-якого заданого ізотопу суму чисел протонів і нейтронів в ядрі називають числом маси. Всі елементи існують як сукупність ізотопів, а маса елемента, який ми використовуємо в хімії, атомна маса - це середнє значення мас цих ізотопів. Для гелію існує приблизно один ізотоп Гелію-3 на кожен мільйон ізотопів Гелію-4, отже, середня атомна маса дуже близька до 4 (4,002602).
Оскільки різні елементи були виявлені та названі, були розроблені абревіатури їх назв, щоб забезпечити зручну хімічну стенографію. Абревіатурою елемента називають його хімічним символом. Хімічний символ складається з однієї або двох букв, і зв'язок між символом і назвою елемента, як правило, очевидна. Таким чином, гелій має хімічний символ He, азот - N, а літій - Li. Іноді символ менш очевидний, але піддається розшифровці; магній - Mg, стронцій - Sr, а марганець - Mn. Символи для елементів, які були відомі з давніх часів, однак, часто базуються на латинських або грецьких іменах і виглядають дещо незрозумілими від їх сучасних англійських назв. Наприклад, мідь - це Cu (від міді), срібло - Ag (від Argentum), золото - Au (від аурума), а залізо - (Fe з заліза). Протягом усього вивчення хімії, ви будете регулярно використовувати хімічні символи, і важливо, щоб ви почали процес вивчення імен і хімічних символів для загальних елементів. До того часу, коли ви закінчите загальну хімію, ви виявите, що ви вмієте називати та ідентифікувати практично всі 116 відомих елементів. Таблиця 1.1 містить початковий список загальних елементів, які ви повинні почати вивчати вже зараз!
Елемент | Хімічний символ | Елемент | Хімічний символ |
---|---|---|---|
Водень | Ч | Фосфор | Р |
Гелій | Він | Сірка | S |
Літієві | Лі | хлор | Cl |
Берилій | Бути | Аргон | Ар |
Бор | Б | Калій | К |
Вуглець | C | Кальцій | Ca |
Азот | П | Залізо | Fe |
Кисень | O | Мідь | Cu |
Фтор | F | Цинк | Zn |
Неонові | Ne | Бром | Br |
Натрій | Na | Сріблястий | Ag |
Магній | Мг | Йод | Я |
Алюміній | Аль | Золотий | Au |
кремнію | СІ | Свинець | Пб |
Хімічний символ елемента часто поєднується з інформацією про кількість протонів і нейтронів у певному ізотопі цього атома, щоб дати атомний символ. Щоб написати атомний символ, ви починаєте з хімічного символу, потім записуєте атомний номер елемента (кількість протонів в ядрі) як індекс, що передує хімічному символу. Прямо над цим, як верхній індекс, тепер пишемо масове число для ізотопу, тобто загальна кількість протонів і нейтронів в ядрі. Таким чином, для гелію атомний номер дорівнює 2, а в ядрі є два нейтрони для найпоширенішого ізотопу, що робить атомний символ. У визначенні одиниці атомної маси, «найпоширеніший ізотоп вуглецю»,, Визначається як має масу рівно 12 аму, а атомні маси інших елементів засновані на їх масах щодо цього ізотопу. Хлор (хімічний символ Cl) складається з двох основних ізотопів, один з 18 нейтронами (найпоширеніший, що містить 75,77% атомів природного хлору) і один з 20 нейтронами (решта 24,23%). Атомний номер хлору дорівнює 17 (у нього в ядрі 17 протонів), тому хімічними символами для двох ізотопів єі.
Коли є дані щодо природного достатку різних ізотопів елемента, просто обчислити середню атомну масу. У наведеному вище прикладібув найпоширенішим ізотопом з великою кількістю 75,77% імали достаток решти 24,23%. Щоб обчислити середню масу, спочатку перетворіть відсотки в частки; тобто просто розділіть їх на 100. Зараз хлор-35 являє собою частку природного хлору 0,7577 і має масу 35 (масове число). Помноживши ці, отримаємо (0,7577 × 35) = 26,51. До цього нам потрібно додати фракцію, що представляє хлор-37, або (0,2423 × 37) = 8,965; додавання, (26,51 + 8,965) = 35,48, що є середньозваженою атомною масою для хлору. Всякий раз, коли ми робимо масові обчислення за участю елементів або сполук (комбінацій елементів), нам завжди потрібно використовувати середні атомні маси.