Основы химии

Основы химии

Глава 1.

Общие химические и экологические закономерности.

С чего начинается химия?

Cложный ли это вопрос? На него каждый ответит по-своему.

В середней школе учащиеся изучают химию в течение ряда лет. Многие

довольно хорошо сдают выпускной экзамен по химии. Однако…

Беседы с абитуриентами и затем и студентами первых курсов говорят о

том, что остаточные знания по химии после средней школы незначительные.

Одни путаются в различных определениях и химических формулах, а другие

вообще не могут воспроизвести даже основные понятия и законы химии, не

говоря уже о понятиях и законах экологии.

У них химия так и не начиналась.

Химия, по-видимому, начинается с глубокого освоения ее основ, и прежде

всего, основных понятий и законов.

1.1. Основные химические понятия.

В таблице Д.И.Менделеева рядом с символом элемента стоят цифры. Одна

цифра обозначает порядковый номер элемента, а вторая атомную массу.

Порядковый номер имеет свой физический смысл. О нем мы будем вести разговор

позже, здесь остановимся на атомной массе и выделим в каких единицах она

измеряется.

Следует сразу оговориться, что атомная масса элемента, приведенная в

таблице, величина относительная. За единицу относительной величины атомной

массы принята 1/12 часть массы атома углерода, изотопа с массовым числом

12, и назвали ее атомной единицей массы /а.е.м./. Следовательно, 1 а.е.м.

равна 1/12 части массы изотопа углерода 12С. И она равна 1,667*10–27 кг.

/Абсолютная масса атома углерода равна 1,99*10–26 кг./

Атомная масса, приведенная в таблице, является массой атома, выраженной

в атомных единицах массы. Величина безразмерная. Конкретно для каждого

элемента атомная масса показывает, во сколько раз масса данного атома

больше или меньше 1/12 части массы атома углерода.

Аналогичное можно сказать и о молекулярной массе.

Молекулярная масса – это масса молекулы, выраженная в атомных единицах

массы. Величина тоже относительная. Молекулярная масса конкретного вещества

равна сумме масс атомов всех элементов, входящих в состав молекулы.

Важным понятием химии является понятие «моль». Моль – такое количество

вещества, которое содержит 6,02*1023 структурных единиц /атомов, молекул,

ионов, электронов и т.д./. Моль атомов, моль молекул, моль ионов и т.д.

Масса одного моля данного вещества называется его молярной /или

мольной/ массой. Она измеряется в г/моль или кг/моль и обозначается буквой

«М». Например, молярная масса серной кислоты МН2SO4=98г/моль.

Следующее понятие «Эквивалент». Эквивалентом /Э/ называют такое весовое

количество вещества, которое взаимодействует с одним молем атомов водорода

или замещают такое его количество в химических реакциях. Следовательно,

эквивалент водорода ЭН равен единице. /ЭН=1/. Эквивалент кислорода ЭО равен

восьми /ЭО=8/.

Различают химический эквивалент элемента и химический эквивалент

сложного вещества.

Эквивалент элемента – величина переменная. Она зависит от атомной массы

/А/ и валентности /В/, которую элемент имеет в конкретном соединении.

Э=А/В. Например, определим эквивалент серы в оксидах SO2 и SO3. В SO2

ЭS=32/4=8, а в SO3 ЭS=32/6=5,33.

Молярную массу эквивалента, выраженную в граммах, называют

эквивалентной массой. Следовательно, эквивалентная масса водорода

МЭН=1г/моль, эквивалентная масса кислорода МЭО=8г/моль.

Химический эквивалент сложного вещества /кислоты, гидроксида, соли,

оксида/– такое количество соответствующего вещества, которое

взаимодействует с одним молем атомов водорода, т.е. с одним эквивалентом

водорода или замещает такое количество водорода или любого другого вещества

в химических реакциях.

Эквивалент кислоты /ЭК/ равен частному от деления молекулярной массы

кислоты на число атомов водорода, участвующих в реакции. Для кислоты H2SO4,

когда оба атома водорода вступают в реакцию H2SO4+2NaOH=Na2SO+2H2O

эквивалент будет равен ЭН2SO4= МН2SO4 /nН=98/2=49

Эквивалент гидроксида /Эгидр. / определяется как частное от деления

молекулярной массы гидроксида на число гидроксогрупп, вступающих в реакцию.

Например, эквивалент NaOH будет равен: ЭNaOH=МNaOH/nОН=40/1=40.

Эквивалент соли /Эсоли / можно рассчитать, поделив ее молекулярную

массу на произведение числа атомов металла, вступающих в реакцию, и их

валентность. Так, эквивалент соли Al2(SO4)3 будет равен

ЭAl2(SO4)3=МAl2(SO4)3 /6=342/2,3=342/6=57.

Эквивалент оксида /Эок / можно определить, как сумму эквивалентов

соответствующих элемента и кислорода. Например, эквивалент СО2 будет равен

сумме эквивалентов углерода и кислорода: ЭСО2=ЭС+ЭО=3+8=7.

Для газообразных веществ удобно пользоваться эквивалентными объемами

/ЭV /. Так как при нормальных условиях моль газа занимает объем 22,4л, то

исходя из этой величины, легко определить эквивалентный объем любого газа.

Рассмотрим водород. Мольная масса водорода 2г занимает объем 22,4л, тогда

его эквивалентная масса 1г занимает объем 11,2л /или 11200мл /.

Следовательно ЭVН=11,2л. Эквивалентный объем хлора равен 11,2л

/ЭVCl=11,2л/. Эквивалентный объем СО равен 3,56 /ЭVCО=3,56л/.

Химический эквивалент элемента или сложного вещества используется в

стехиометрических расчетах обменных реакций, а в соответствующих расчетах

окислительно–восстановительных реакций применяют уже окислительный и

восстановительный эквиваленты.

Окислительный эквивалент определяют как частное от деления молекулярной

массы окислителя на число электронов, которое он принимает в данной

окислително–восстановительной реакции.

Восстановительный эквивалент равен молекулярной массе восстановителя

поделенной на число электронов, которое он отдает в данной реакции.

Напишем окислително–восстановительную реакцию и определим эквивалент

окислителя и восстановителя:

5N2aS+2KMnO4+8H2SO4=S+2MnSO4+K2SO4+5Na2SO4+8H2O

Окислителем в этой реакции является перманганат калия. Эквивалент

окислителя будет равен массе KMnO4 деленной на число электронов, принятых

окислителем в реакции (nе=5). ЭKMnO4=МKMnO4/nе=158/5=31,5. Молярная масса

эквивалента окислителя KMnO4 в кислой среде равна 31,5г/моль.

Эквивалент восстановителя Na2S будет: ЭNa4S=МNa4S /nе=78/2=39. Молярная

масса эквивалента Na2S равна 39г/моль.

В электрохимических процессах, в частности при электролизе веществ,

пользуются электрохимическим эквивалентом. Электрохимический эквивалент

определяют как частное от деления химического эквивалента вещества,

выделяемого на электроде, на число Фарадея /F/. Электрохимический

эквивалент более подробно будет рассмотрен в соответствующем параграфе

курса.

Валентность. При взаимодействии атомов между ними образуется химическая

связь. Каждый атом может образовывать только определенное количество

связей. Количество связей предопределяет такое уникальное свойство каждого

элемента, которое называют валентностью. В наиболее общем виде валентностью

называют способность атома образовывать химическую связь. За единицу

валентности принимают одну химическую связь, которую способен образовать

атом водорода. В связи с этим, водород является одновалентным элементом, а

кислород – двухвалентным, т.к. с атомом кислорода могут образовывать связь

не более двух водородов.

Умение определять валентность каждого элемента, в том числе и в

химическом соединении, является необходимым условием успешного усвоения

курса химии.

С валентностью соприкасается и такое понятие химии как степень

окисления. Под степенью окисления понимают тот заряд, который имеет элемент

в ионном соединении или имел бы в ковалентном соединении, если бы общая

электронная пара бала бы полностью смещена к более электроотрицательному

элементу. Степень окисления имеет не только цифровое выражение, но и

соответствующий знак заряда (+) или (–). Валентность не имеет этих знаков.

Например, в H2SO4 степень окисления: водорода +1, кислорода –2, серы +6, а

валентность, соответственно, будет 1, 2, 6.

Валентность и степень окисления в числовых значениях не всегда

совпадают по величине. Например, в молекуле этилового спирта СН3–СН2–ОН

валентность углерода 6, водорода 1, кислорода 2, а степень окисления,

например, углерода первого –3, второго –1: –3СН3––1СН2–ОН.

1.2. Основные экологические понятия.

За последнее время понятие “экология” глубоко входит в наше сознание.

Это понятие, введенное еще в 1869г Э.Геккелем /происходит от греческого

oikos – дом, место, жилище, logos – учение/ все больше и больше тревожит

человечество.

В учебниках биологии экологию определяют как науку о взаимоотношениях

живых организмов и среды их обитания. Практически созвучное определение

экологии дает Б.Небел в своей книге «Наука об окружающей среде» – Экология

– наука о различных аспектах взаимодействия организмов между собой и с

окружающей средой. В других источниках можно встретить и более широкое

толкование. Например, Экология – 1/. Наука, изучающая отношение организмов

и их системных совокупностей и окружающей среды; 2/. Совокупность научных

дисциплин, исследующих взаимоотношение системных биологических структур /от

макромолекул до биосферы/ между собой и с окружающей средой; 3/.

Дисциплина, изучающая общие законы функционирования экосистем различного

иерархического уровня; 4/. Комплексная наука, исследующая среду обитания

живых организмов; 5/. Исследование положения человека как вида в биосфере

планеты, его связей с экологическими системами и воздействие на них; 6/.

Наука о выживании в окружающей среде. /Н.А.Агиджанян, В.И.Торшик. Экология

человека./. Однако под термином «экология» понимают не только экологию как

науку, а само состояние окружающей среды и его влияние на человека,

животный и растительный мир.

В экологии часто пользуются таким понятием как экосистема. Экосистема

является основной функциональной единицей экологии. Экосистемой называют

совокупность растений, животных и других организмов, взаимосвязанных между

собой и с окружающей их средой, связанных таким образом, что система

сохраняет свою устойчивость неограниченно долго. Понятие применяется как к

системам, которые включают совокупность организмов, так и к системам, в

которые входит один организм. Каждая экосистема является составной

компонентой биосферы. Биосфера представляет собой тонкий слой вокруг

планеты Земля, где взаимодействуют между собой воздух, вода и земля и где

обитают живые организмы.

Экосистемы или их звенья, наиболее чувствительные к неблагоприятному

воздействию антропогенных нагрузок, называют критическими. В критических

звеньях природных экосистем аккумулируются загрязняющие вещества и

создаются высокие нагрузки на биоту.

Биотой называют совокупность всех организмов экосистемы. Это

исторически сложившаяся совокупность растений и животных, объединенных

общей областью распространения. На биоту оказывает постоянное влияние

абиотическая среда.

Абиотическая среда – это совокупность условий неорганической среды,

воздействующих на живые организмы. Влияние абиотической среды на живое

вещество происходит химическим путем – через химический состав атмосферы,

почвы, природных вод, донных отложений и физическим /или климатическим/

путем через такие показатели климатических условий как температура, осадки,

ветер, давление атмосферы, строение земной поверхности. Абиотическая среда

может меняться в зависимости от степени антропогенного воздействия на

окружающую среду, от антропогенной нагрузки.

Антропогенной нагрузкой называют созданный человеком искусственно или

возникающей в результате его деятельности комплекс источников и факторов

воздействия на окружающую среду. Антропогенная нагрузка может заключатся в

интенсивном использовании природных ресурсов /например, добыча полезных

ископаемых, вырубка леса и т.д./, а так же в загрязнении природной среды

/вода, воздух, почва/ путем выброса в атмосферу вредных, загрязняющих

веществ, сброс сточных вод и т.д.

Загрязняющими веществами /плютантами/ являются всевозможные химические

соединения, повышенное содержание которых в биосфере и ее компонентах

вызывает негативную токсико-экологическую ситуацию. По агрегатному

состоянию загрязняющие вещества делятся на три группы: газообразные, жидкие

и твердые. В связи с этим, возникает необходимость изучения всех трех

агрегатных состояний химических соединений. С другой стороны, загрязняющие

вещества классифицируют по их химической природе и их воздействию на живые

организмы. Естественно, особую опасность представляют загрязняющие

вещества, оказывающие мутагенное влияние, результатом которого могут быть

нарушения в системе воспроизводства потомства, и концерогенное,

обуславливающее развитие злокачественных новообразований.

Поллютанты способны разрушить гомеостаз. Гомеостаз – поддержание на

постоянном уровне жизненно важных констант живой системы: для внутренней

среды высших животных это рН, ионный состав крови, температура, для

биосферы – целостность генофонда и замкнутость биотического круговорота. В

этом отношении большую роль играет соблюдение предельно допустимых

концентраций /ПДК/. ПДК – это максимальное содержание загрязняющего

химического вещества, не вызывающее прямого или косвенного негативного

влияния на окружающую среду и здоровья человека, а также не приводящее к

накоплению токсичных элементов в сельскохозяйственных культурах. Сейчас

контроль за поступлением в природу поллютантов /загрязняющих веществ/

ведется постоянно. Этот контроль называется мониторингом.

Необходимо также сказать, что в экологии используются и такие понятия,

как экологическая ниша, толерантность, токсикант и др.

Совокупность всех факторов среды в ареале /ареал – область

распространения любой систематической группы организмов – популяций, вида,

семейства/, при которых возможно существование определенного вида названа

экологической нишей. С экологической нишей связано явление толерантности.

Толерантность – способность организмов относительно безболезненно выносить

отклонение факторов среды жизни от оптимальных для него. Однако в природе

ничего не остается без последствий. Особенно влечет за собой последствия

воздействие на природу веществ-токсикантов. Токсикант – вредное химическое

вещество, вызывающее отравление живого организма. О токсичности отдельных

поллютантов будет рассказано в соответствующих параграфах курса.

1.3. Основные законы химии и экологии. Химико–экологические закономерности.

К основным законам химии относят так называемые стехиометрические

законы. Стехиометрия устанавливает соответствие между количеством

реагентов, вступающих в химическую реакцию и количеством продуктов,

образующихся в результате реакции. Это соответствие осуществляется

стехиометрическими коэффициентами, проставляемыми в уравнение реакции.

Первый закон, который рассматривается в курсе химии – закон сохранения

массы и энергии. Можно по-разному подходить к этому закону, например,

разделить на два: закон сохранения массы и закон сохранения энергии, или

толковать его более широко, как закон сохранения материи. В

экологизированном курсе химии целесообразно рассматривать эти законы

отдельно, а затем сделать общий эколого-химический вывод.

Закон сохранения массы говорит о том, что в результате химических

превращений сумма масс веществ до реакции и сумма масс веществ после

реакции одинакова. Общая масса сохраняется, если даже в результате

химического процесса получается небольшое количество полезного продукта.

Следовательно, основная масса веществ идет в отходы. И стоит задуматься,

правильно ли выбран данный технологический процесс? Куда девать получаемые

отходы? На наш взгляд, этот закон имеет глубокое эколого-философское

значение. Прежде всего, насколько возможны безотходные технологии о которых

много говорили не так давно. С другой стороны, какова ответственность

авторов-разработчиков того или иного технологического процесса,

выбрасываемого в отходы значительные массы «ненужных», иногда очень вредных

веществ.

По закону сохранении энергии «Любая энергия не исчезает и не возникает,

а только одни ее виды переходят в другие в эквивалентных количествах». В

этом законе мы сознательно на первое место поставили сохранение энергии,

так как следует еще провести дополнительные исследования превращения

химической энергии в другие виды. Особенно, если химическая реакция

протекает в условиях экосистем и с загрязняющими веществами.

К этим законам мы будем возвращаться в процессе изложения курса и будем

развивать эколого-химические идеи, заложенные в них.

Закон постоянства состава раньше считали вторым по значимости среди

химических законов. Он утверждает, что «каждое чистое вещество имеет

постоянный качественный и количественный состав независимо от способов

получения». Отсюда следует, что вещества, полученные разными способами, но

имеющие один и тот же качественный и количественный состав, должны обладать

одинаковыми химическими свойствами. Однако здесь необходимо сделать два

уточнения. Во-первых, на химические свойства влияет не только качественный

и количественный состав соединения, но и структура молекулы /взаимное

расположение атомов/. В связи с этим, одно и тоже соединение, полученное

разными методами, может отличаться по химическим свойствам. Но это не

значит, что разный состав вещества, просто в различном порядке соединены

друг с другом атомы. Во-вторых, закон постоянства состава выполняется при

условии, что химическое соединение всегда состоит из одних и тех же

изотопов данного элемента.

Закон кратных отношений применим к соединениям, образующимся из двух

элементов. Если два элемента образуют друг с другом несколько химических

соединений, то массы одного элемента, приходящиеся на одну и ту же массу

другого элемента, относятся между собой как небольшие целые числа.

Например, углерод и кислород образуют два оксида: СО и СО2. В этих оксидах

массы кислорода, приходящиеся на одну и туже массу углерода, относятся как

1:2.

Закон оъемных отношений свидетельствует о том, что объемы

взаимодействующих газообразных веществ относятся между собой и к объемам

продуктов реакции, как небольшие целы числа. Например, 2NO+O2=2NO2;

VNO:VO2:VNO2=2:1:2

Закон Авогадро, сформулированный в 1811 году А.Авогадро, имеет большое

значение для химии и физики газообразных веществ. По этому закону «В равных

объемах различных газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число

частиц /молекул, атомов, ионов/. Из этого закона вытекает следствие: «Моль

любого газа при нормальных условиях занимает объем 22,4л». Химикам известна

также и величина, которую называют числом Авогадра «N». Число Авогадро

показывает, сколько молекул содержится в одном моле вещества. N=6,02*1023.

Закон эквивалентов определяет, в каких количествах взаимодействуют

вещества между собой. По этому закону «Химические вещества взаимодействуют

друг с другом в весовых или объемных количествах, пропорциональных их

эквивалентам». Эквивалентное количество образуется из продуктов реакции.

Например, 2Н2+О2=2Н2О. Здесь с четырьмя эквивалентами водорода

взаимодействует четыре эквивалента кислорода и образуется четыре

эквивалента воды.

Математически закон эквивалентов записывают следующим образом

m1/m2=Э1/Э2, или m1/Э1=m2/Э2=mn/Эn

Законы экологии.

Конкретная наука не всегда способна объяснить все многообразие явлений

природы. Специальные науки изучают только отдельные грани природного

явления и не затрагивают их связь с другими явлениями или другими гранями

того же явления, изучаемого уже другой наукой. В тоже время в природе все

взаимосвязано. И существуют более общие, главенствующие над всеми частными

законами и закономерностями. Даже если они еще и не осознаны человеком. Это

касается прежде всего экологии. Обратимся, например, к такому

универсальному закону природы, как закону вектора развития, который гласит,

что «Развитие однонаправлено, от старости к молодости. Историю человечества

нельзя вернуть вспять».

В этом законе заложена очень глубокая экологическая мысль. Если

произойдет глобальная экологическая катастрофа, то все живое, в том числе и

человек, погибнет, ибо исторического возврата в универсальном законе

природы не предусмотрено. Эту мысль мы будем развивать в последующих главах

учебника.

Ряд экологических законов или закономерностей открыты не так давно

русскими и зарубежными исследователями. Так, В.И.Вернандский открыл: закон

физико-химического единства живого вещества, закон константности и закон

биогенной миграции атомов.

Согласно закона физико-химического единства живого вещества «Все живое

вещество Земли физико-химически едино». А по закону константности

«Количество живого вещества биосферы /для данного геологического периода/

есть константа». Причем, по биогенной миграции атомов «Миграция химических

элементов на земной поверхности /и в биосфере в целом/ осуществляется или

при непосредственном участии живого вещества или же она протекает в среде

геохимические особенности которой обусловлены живым веществом /как тем,

которое в настоящее время населяет биосферу, так и тем, которое действовало

на Земле в течение всей геохимической истории/ ».

С законом вектора развития созвучен закон необратимости эволюции

Л.Долло «Организм /популяция, вид/ не может вернуться к прежнему состоянию,

уже пройденному его предками». Что касается живых организмов, то по закону

минимума Ю.Либиха «Выносливость организма определяется самым слабым звеном

в цепи его экологических потребностей, то есть жизненные возможности

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9