Что изучает атомно молекулярный уровень

Атомно-молекулярный уровень

Учебный год

Лекция 15

Структурные уровни организации живого. Молекулярно-генетический и клеточный уровни организации живой материи

Уровни организации жизни (уровни организации живой материи) — структурная организация биосистем, отражающая их уровневую иерархию в зависимости от степени сложности. Различают шесть основных структурных уровней жизни: молекулярно-генетический, клеточный, организменный, популяционно-видовой, биогеоценотический и биосферный.

Молекулярно-генетический уровень

Атомно-молекулярный уровень

Условно все химические элементы, из которых состоит живая материя, можно разделить на три группы.

Биогенные элементы или органогены: к ним относятся водород, углерод, азот и кислород. Из органогенов преимущественно построены такие органические вещества, как белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты. Для их обозначения иногда используют акроним CHNO, состоящий из обозначений соответствующих химических элементов в таблице Менделеева. Именно на эти элементы приходится, например, около 98% массы человеческого тела.

Макроэлементы: к ним относят те элементы, которые имеют существенное значение для жизни и рекомендуемая суточная доза потребления которых составляет более 200 мг: фосфор, сера, кальций, хлор, калий, натрий и магний. Макроэлементы, как правило, поступают в организм человека вместе с пищей.

Микроэлементами называются элементы, содержание которых в организме мало, но они участвуют в биохимических процессах и необходимы живым организмам. Рекомендуемая суточная доза потребления микроэлементов для человека составляет менее 200 мг. По современным данным более 30 микроэлементов считаются необходимыми для жизнедеятельности растений, животных и человека. Среди них (в алфавитном порядке):

Микроэлементы составляют менее 0,001% массы живых организмов. Чем меньше концентрация соединений в организме, тем труднее установить биологическую роль элемента, идентифицировать соединения, в образовании которых он принимает участие. К числу несомненно важных относят ванадий, кремний и др. Ос­тальные элементы либо вообще не встречаются в живых ор­ганизмах (например, благородные газы), либо присутству­ют в виде незначительных примесей.

Центральное место в построении живых систем зани­мает углерод (С), количество которого в земной коре состав­ляет всего около 0,1% по массе. Наиболее примечательным свойством атомов углерода является их способность обра­зовывать прочные, ковалентные связи друг с другом путем обобществления одного или нескольких валентных элек­тронов. Таких электронов у каждого атома углерода четы­ре. Три из них обычно используются для построения про­странственного каркаса (скелета) молекулы, а еще один электрон может образовывать связь этой молекулы с ка­кой-либо функциональной группой, играющей роль моду­лятора химических свойств. В результате именно углерод способен формировать длинные прочные цепи, в том числе замкнутые, с бесконечно разнообразной структурой.

Около 80% всей массы живых клеток приходится на долю молекул одного типа, а именно молекул воды (Н₂О). Однако биохимическая роль этих молекул определяется не столько их количеством, сколько способностью слу­жить растворителем в химических реакциях. Можно ска­зать, что жизнь на Земле «сконструирована» применитель­но к такому растворителю, как вода.

Уникальные свойства жидкой воды как растворителя обусловлены тем, что каждая ее молекула представляет собой электрический диполь, в котором положительные и отрицательные заряды разнесены в пространстве друг относительно друга. Вследствие этого молекулы воды, во-первых, притягиваются друг к другу («слипаются»), об­разуя жидкую фазу в аномально широком температурном диапазоне (0-100°С), а во-вторых, способны «разрывать» другие молекулы на ионы, причем делают это чрезвычай­но эффективно.

Итак, конструкция живых систем в очень большой сте­пени определяется теми свойствами, которые присущи, во-первых, атому углерода и, во-вторых, молекуле воды. Можно сказать, что появление жизни и вся ее последую­щая эволюция обязаны именно этому атому и этой моле­куле. Однако, было бы неправильным связывать с ними специфику жизни. «Кирпичиками» живой материи явля­ются не эти химические объекты, а значительно более сложные системы — биополимеры.

Источник

Атомно-молекулярное учение

Атомно-молекулярное учение — совокупность теоретических представлений естествознания о дискретном строении веществ.

Содержание

История

Античная атомистика

Представление о том, что материя состоит из отдельных частиц — атомов возникло еще в древней Греции. Атомизм был создан представителями древнегреческой философии Левкиппом и его учеником Демокритом.

Становление атомистической гипотезы в XVI—XVIII веках

Атомистическая теория Дальтона

Создание научной теории стало возможно только в XVIII-XIX веках, когда физика и химия стали базироваться на точных экспериментальных данных.

Экспериментальное подтверждение атомной гипотезы нашёл английский химик Джон Дальтон. В начале XIX века Дальтон открыл несколько новых эмпирических закономерностей: закон парциальных давлений (закон Дальтона), закон растворимости газов в жидкостях (закон Генри-Дальтона) и, наконец, закон кратных отношений (1803). Объяснить эти закономерности (прежде всего закон кратных отношений), не прибегая к предположению о дискретности материи, невозможно. В 1808 году Дальтон изложил свою атомистическую гипотезу в труде «Новая система химической философии».

Основные положения теории Дальтона состояли в следующем [1] :
1. Все вещества состоят из большого числа атомов (простых или сложных).
2. Атомы одного вещества полностью тождественны. Простые атомы абсолютно неизменны и неделимы.
3. Атомы различных элементов способны соединяться между собой в определённых соотношениях.
4. Важнейшим свойством атомов является атомный вес.

Уже в 1803 г. в лабораторном журнале Дальтона появилась первая таблица относительных атомных весов некоторых элементов и соединений (атомный вес водорода был принят равным единице). Дальтон ввёл символы химических элементов в виде окружностей с различными фигурами внутри. Впоследствии Дальтон неоднократно корректировал атомные веса элементов, однако для большинства элементов им приводились неверные значения.

Эпоха классической химии

Основные положения

Атомно-молекулярное теория базируется на следующих законах и утверждениях:

Вытекающие законы и положения

Примечания

См. также

Полезное

Смотреть что такое «Атомно-молекулярное учение» в других словарях:

АТОМНОЕ УЧЕНИЕ — (атомистика) – учение о прерывистом, дискретном (зернистом) строении материи. А. у. утверждает, что материя состоит из отдельных чрезвычайно малых частиц, к рые до конца 19 в. считались неделимыми. Для совр. А. у. характерно признание не только… … Философская энциклопедия

Закон постоянства состава — (Ж.Л. Пруст, 1801 1808гг.) любое определенное химически чистое соединение независимо от способа его получения состоит из одних и тех же химических элементов, причем отношения их масс постоянны, а относительные числа их атомов выражаются целыми… … Википедия

Закон кратных отношений — В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете … Википедия

Корпускулярно-кинетическая теория М. В. Ломоносова — Корпускулярно кинетическая теория тепла выдвинутая в середине XVIII века М. В. Ломоносовым система принципов и взглядов, основанная на ряде теоретических положений, вытекающих из логических рассуждений и математических расчётов, и … Википедия

Авогадро закон — в равных объёмах идеальных газов при одинаковых давлении и темп ре содержится одинаковое число молекул; открыт закон Авогадро в 1811. * * * АВОГАДРО ЗАКОН АВОГАДРО ЗАКОН, один из основных законов идеальных газов (см. ИДЕАЛЬНЫЙ ГАЗ): в равных… … Энциклопедический словарь

Периодический закон — Памятник на территории Словацкого технологического университета (Братислава), посвященный Д. И. Менделееву Периодический закон фундаментальный закон природы, открытый Д. И. Ме … Википедия

Закон Авогадро — одно из важных основных положений химии, гласящее, что «в равных объёмах различных газов, взятых при одинаковых температуре и давлении, содержится одно и то же число молекул». Было сформулировано ещё в 1811 году Амедео Авогадро (1776 1856),… … Википедия

Эквивалент вещества — Эквивалент вещества или Эквивалент это реальная или условная частица, которая может присоединять, высвобождать или другим способом быть эквивалентна катиону водорода в ионообменных реакциях или электрону в окислительно восстановительных… … Википедия

Аналитическая химия — Содержание … Википедия

Источник

Урок Бесплатно Уровни организации живых систем

Введение

Также ученые стремятся рассмотреть отдельные составляющие организма, проследить взаимодействие этих составляющих друг на друга и их влияние на отдельный субъект. Изучая внутренние органы животных, исследователи пытаются понять, как один орган влияет на другой (например, как головной мозг регулирует деятельность остальных органов).

То есть биология пытается развить представление о целостности живой природы на основе анализа и синтеза, поэтому учеными были выделены уровни организации живых организмов для понимания устройства и взаимодействия всего живого и неживого.

Существование жизни на всех уровнях подготавливается и определяется структурой низшего уровня, то есть характер клеточного уровня организации определяется молекулярным, характер организменного- клеточным уровнем.

Например, сердце формируется благодаря особому строению и функциям мышечных клеток, которое было определено их молекулярным строением.

Деление живого на уровни весьма условно, оно просто отражает системный подход в изучении природы.

Каждый отдельный уровень изучает соответствующий отдел науки о живом: молекулярной биологии, цитологии, генетики, анатомии, физиологии, экологии и других наук.

Выделяют три большие группы уровней организации:

Суборганизменный уровень включает, в свою очередь, пять уровней: атомарный, молекулярный, субклеточный, клеточный, тканевый, органный.

Организменный (или онтогенетический) уровень- это сам организм.

Надорганизменный уровень включает в себя три подуровня: популяционно- видовой, биогеоценотический, биосферный.

Мы с вами изучим основные уровни организации живых систем:

Суборганизменные уровни организации

1. Молекулярный уровень организации жизни

Молекулярный уровень можно назвать первым и наименьшим, но именно он является определяющим в строении и функции последующих уровней организации, то есть это как бы основа всех дальнейших уровней.

Формируют этот уровень молекулы белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот, которые сами по себе вне клеточных структур не являются живыми, но именно они создают надмолекулярные клеточные структуры, в которых проявляются отдельные, но очень важные признаки жизни.

Благодаря изучению молекулярного уровня можно понять, как протекали процессы зарождения и эволюции жизни на нашей планете, каковы молекулярные основы наследственности, основы последовательных биохимических реакций в организме.

Компоненты молекулярного уровня: молекулы неорганических и органических соединений, молекулярные комплексы химических соединений (клеточная мембрана или мембраны ядра).

Основные процессы молекулярного уровня:

Науки, ведущие исследования на этом уровне:

У меня есть дополнительная информация к этой части урока!

Атомный (элементарный) уровень: на нем рассматривается роль отдельных химических элементов в живом организме (Fe, F, I, Se, Na).

Субклеточный уровень образован органеллами клетки (митохондриями, хлоропластами, рибосомами, лизосомами), ядром, хромосомами и другими субклеточными структурами.

На уровне субклеточных (надмолекулярных) структур ученые изучают строение и функции органелл, а также других включений клетки

2. Клеточный уровень организации жизни

Единицей этого уровня является клетка (клетки бактерий, цианобактерий, одноклеточных животных и водорослей, одноклеточных грибов (мукор, дрожжи), клеток многоклеточных организмов)).

Клетка- это структурная и функциональная единица всего живого.

Более подробную информацию о клетке вы можете узнать из урока «Клетка- основа жизни».

Именно на этом уровне прослеживаются все признаки живого (размножение, рост, обмен веществ, раздражение и другие признаки).

Клетка также является минимальной единицей живого, способной к самостоятельному существованию либо в виде одноклеточных организмов, либо в тканях многоклеточного организма.

Если говорить об организмах одноклеточных, то к таковым мы можем отнести бактерии и простейшие (амеб, эвглен, инфузорий), среди грибов к одноклеточным относятся дрожжи и мукор.

Если рассматривать многоклеточных организмов, то количество клеток в их организме может быть очень велико, и эти клетки могут сильно отличаться по строению, хоть и находятся в одном организме. Например, посмотрим на нервную и мышечную клетки человека:

Вне клетки жизни нет. Такие организмы, как вирусы, подтверждают это правило, потому что они могут проявлять признаки живого и реализовывать свою наследственную информацию только тогда, когда попали в живую клетку.

У меня есть дополнительная информация к этой части урока!

Стволовыми клетками называются незрелые клетки особого типа, способные развиваться во все виды клеток, составляющих различные ткани организма.

Стволовые клетки в организме находятся как бы в спящем состоянии, у них замедлен обмен веществ.

Они являются резервом организма в случае возникновения различных стрессовых ситуаций (травмы, ранения, болезни).

После «активации» они служат «материалом» для восстановления (регенерации) пораженных органов или тканей.

Также стволовые клетки необходимы для непрерывно происходящей в организме физиологической регенерации (замена старых клеток на новые).

Ученые полагают, что из стволовых клеток в отдаленной перспективе можно будет выращивать практически любую ткань, что может помочь лечению многих заболеваний.

Компоненты клеточного уровня: комплексы молекул химических соединений и органеллы клетки.

Основные процессы клеточного уровня:

Науки, ведущие исследования на клеточном уровне:

3. Тканевый уровень организации жизни

Единицей этого уровня является ткань.

Ткань— это совокупность клеток и межклеточного вещества, объединенных общностью происхождения, строения и выполняемых функций.

Ткани возникли в ходе эволюционного развития вместе с многоклеточностью организмов.

В ходе онтогенеза ткани образуются на ранних стадиях эмбрионального развития благодаря дифференциации клеток.

Дифференциация клеток- процесс, в результате которого клетка становится специализированной, то есть приобретает химические, морфологические и функциональные особенности, свойственные только для нее.

У животных различают несколько типов тканей: эпителиальная, соединительная, мышечная, нервная.

У растений выделяют следующие виды тканей: образовательная, основная (фотосинтезирующая), проводящая (флоэма, ксилема), покровная, механическая.

На этом уровне происходит специализация клеток.

Более подробно вы можете узнать о тканях из наших уроков: «Ткани растений» и «Ткани животных».

Компоненты тканевого уровня: клетки и межклеточная жидкость.

Основные процессы тканевого уровня: процессы, характерные для того или иного вида тканей (гомеостаз, регенерация).

Наука, ведущая исследования на тканевом уровне:

4. Органный уровень организации жизни

Составляют этот уровень органы многоклеточных организмов.

Орган- это обособленная часть организма, имеющая определенную форму, строение, расположение и выполняющая конкретную функцию.

Орган чаще всего образован несколькими видами тканей, среди которых одна (две) преобладает.

У меня есть дополнительная информация к этой части урока!

У простейших организмов, конечно же, нет тканей и органов, так как они состоят всего из одной клетки, но функции пищеварения, дыхания, циркуляция веществ, выделение, передвижение и размножение осуществляются за счет различных органелл в их клетках.

Организменный уровень организации жизни

Все живое на Земле существует в виде обособленных субъектов- особей, которые формируют организменный уровень.

При изучении одноклеточных организмов ученые отмечают то, что особью является каждая отдельная клетка, например, бактерия, простейшие (амеба, инфузория, эвглена), то есть это организмы, которые одновременно могут представлены и клеточным и организменным уровнем организации.

Компоненты органного уровня: клетки одноклеточных; клетки и ткани, из которых образованы органы многоклеточных организмов.

Основные процессы органного уровня:

Науки, ведущие исследования на органном уровне:

У меня есть дополнительная информация к этой части урока!

Биометрия- система распознавания людей по одной или более физическим или поведенческим чертам (трёхмерная фотография лица или тела, образец голоса, отпечатки пальцев, рисунок вен руки, группа крови, специальное фото роговицы глаза и так далее).

К примеру, в Китае активно используется технология распознавания лиц в различных областях, начиная от оплаты покупок до общественной безопасности.

Пройти тест и получить оценку можно после входа или регистрации

Источник

Атомно-молекулярная теория

Содержание:

Атомно—молекулярное учение – теоретический фундамент химии. Вещество – одна из форм существования материи. Вещество состоит из отдельных мельчайших частиц – молекул, атомов, ионов, которые в свою очередь обладают определенным внутренним строением.

На странице -> решение задач по химии собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам химии.

Законы и понятия химии

Физика и химия являются основными науками о строении и свойствах материи. Еще несколько десятков лет назад великий русский ученый Д. И. Менделеев писал: «Недалеко то время, когда знание физики и химии будет таким же признаком и средством образования, как за сто, двести лет тому назад считалось знание классиков. Они (физика и химия — Авт.) составляют в наше время одно из средств успеха во всех отраслях знаний и их применений». На наших глазах оправдываются эти слова. Содружество двух наук привело к раскрытию строения атома, созданию атомной энергетики, полупроводниковой техники, к замечательным открытиям в области синтетических материалов (неорганических — искусственные алмазы, полупроводники и др.; органических — каучуки, пластмассы, волокна; элементоорганических — неорганические каучуки, силоксаны и т. п.).

Изучение химических явлений невозможно без основных представлений о строении вещества (атомно-молекулярное учение, учение о строении атомов и теория химической связи). Фундаментом при изучении свойств неорганических соединений служит периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева, а при изучении свойств органических соединений — теория А. М. Бутлерова о строении органических соединений. Только глубокое осмысление этих основных теорий химии может привести к правильному пониманию многочисленных классов химических соединений, к твердому знанию их состава, строения и свойств.

При повторении химии особое внимание следует обратить не только на раскрытие взаимосвязи между элементами, но и на выявление зависимости их свойств от строения и состава. Понять причины протекания химических реакций невозможно без учета строения атомов, ионов, молекул, радикалов, без учета типов химической связи в исходных и конечных веществах. Важной стороной учения о химическом процессе являются понятия о равновесии и энергетике химической реакции. Изложению указанных вопросов отведено в пособии соответствующее место.

Подготовку к вступительным экзаменам по химии целесообразно начать со знакомства с «Программой вступительных экзаменов для поступающих в высшие учебные заведения СССР».

Программа состоит из двух разделов: «Общие указания» и «Объем требований». К сожалению, абитуриенты редко обращают внимание на раздел «Общие указания». Между тем его внимательное рассмотрение позволит правильно понять требования, предъявляемые к абитуриентам на вступительном экзамене. Например, в этом разделе указывается, что по химии экзаменующийся должен показать четкие знания основных химических законов, понятий и теорий. Что это значит?

При первоначальном изучении курса неорганической химии в средней школе рассматривается атомно-молекулярная теория, а затем — теория строения атома и некоторые представления о строении вещества. В свете теории строения атома ряд понятий атомно-молекулярной теории подвергся уточнению. Эти уточнения должны быть учтены в ответе.

При повторении курса неорганической химии целесообразно обратить внимание на развитие основных понятий.

В «Общих указаниях» отмечается, что экзаменующийся должен показать знание терминологии предмета. К сожалению, многие абитуриенты плохо владеют терминологией. Очень часто это объясняется невнимательностью, а порою тем, что терминологии не придается должного значения, и вот что получается. Не все абитуриенты, например, четко знают названия (номенклатуру) химических соединений. На экзамене предлагают написать формулу сернистого калия, а отвечающие пишут формулу сернистокислого калия () и даже сернокислого калия ().

Далее. Необходимо четко знать, что называется окислителем, восстановителем. Не путать такие понятия, как валентность атома в соединении и заряд иона.

Например в соединении валентность элементов . В растворе это соединение диссоциирует на ионы и . Ни о каких ионах речи быть не может. Между тем, абитуриенты нередко говорят, что окислителем в этом соединении может выступать ион .

Экзаменующийся должен показать знание общей характеристики важнейших элементов и их основных соединений, т. е. четко описать положение элемента в системе и на основе закономерностей, которые изучены в средней школе, показать знание свойств важнейших соединений этого элемента.

Рассказ о свойствах соединений, образуемых каким-либо элементом, целесообразно строить в определенной логической последовательности: положение элемента в системе, его электронная конфигурация, свойства простого вещества (тип связи), свойства его соединений (тип связи).

Одним из требований «Общих указаний» к абитуриентам является умение пользоваться периодической системой Д. И. Менделеева в пределах объема программы. Речь идет в данном случае не только о необходимости подробно знать строение и свойства атомов элементов первых трех периодов системы, но и об умении применить знание общих закономерностей к описанию свойств тех элементов, изучение которых не было предусмотрено программой по химии средней школы. Например, нужно уметь описать свойства мышьяка или олова, написать несколько характерных соединений хрома или какого-либо другого элемента дополнительной подгруппы. Разумеется, это можно сделать, исходя из знания свойств известных элементов.

Экзаменующийся должен показать понимание важнейших химических производственных процессов. От него не требуется знания деталей аппаратуры, лабораторных приемов, особенностей течения реакций и т. п. Надо знать химическую сторону производственных процессов, а также основные принципы, на которых строится осуществление и экономическая эффективность важнейших процессов.

Во втором разделе «Общих указаний» сказано, что от экзаменующихся требуется знание тех свойств важнейших веществ, на которых основано их применение в народном хозяйстве. Абитуриенты должны обратить внимание на такие разделы учебника по неорганической химии, как применение серной кислоты, применение соляной кислоты в народном хозяйстве и т. п.

И, наконец, в «Общих указаниях» подчеркивается, что экзаменующийся должен показать умение решать качественные задачи применительно к материалу, указанному в программе.

В настоящем пособии будут рассмотрены наиболее типичные задачи.

О предмете химии

В литературе по химии можно встретить следующие определения предмета химии:

«Химия — наука о химических элементах» (Д. И. Менделеев).

«Химия — наука о веществах, их превращениях и явлениях, сопровождающих эти превращения» (наиболее распространенное определение химии).

«Химия XX века — это наука о синтезе материалов с определенными свойствами» (определение химии, которое приводится в последнее время).

Нельзя сказать, что одно определение лучше, другое хуже, одно правильно, другое нет. Каждое из приведенных определений правильно, хотя и подчеркивает какую-то одну преимущественную сторону химической науки.

Обратите внимание на второе определение и на последовательность в перечислении объектов изучения.

Вещества. Их превращения. Явления, сопровождающие эти превращения.

Само вещество и его превращения изучает не только химия, но и другие науки, например, смежные с химией физика и биология. Значит, каждая из этих наук изучает не все и не всякие превращения вещества. Химию интересуют только те превращения, при которых происходит изменение состава вещества, приводящее к качественному изменению свойств веществ. Плавление льда или кипение воды изучает физика, а взаимодействие воды с натрием или серной кислотой изучает химия, потому что в первом случае меняется только агрегатное состояние вещества, но не состава, а во втором— исходные и конечные вещества отличаются составом и свойствами, не только физическими, но и химическими.

Ясно, что совершающиеся в химических процессах изменения находятся в прямой зависимости оттого, из каких элементов состоят взаимодействующие вещества.

Степень развития любой науки определяется тем, что дает она для практики, находят ли реализацию сделанные в ней открытия. XVIII век называют веком пара, XIX — веком электричества; по аналогии XX век назвали веком атомной энергии, синтетических (искусственных) материалов и раскрытия тайн жизни. Человечество издавна стремилось к овладению энергетическими ресурсами, и наиболее ощутимые успехи в этой области были сделаны физикой. Проблема создания материалов широкого ассортимента с заданными свойствами встает только в последние десятилетия.

Синтез новых материалов был бы невозможен без выявления специфических особенностей химии каждого элемента.

Развитие ракетной, ядерной, полупроводниковой техники было бы невозможно без создания новых материалов.

Третье из приведенных выше определение предмета химии подчеркивает именно эту сторону ее развития, наметившуюся в последние десятилетия.

Значение химии

По мере развития человеческого общества проявляется все возрастающая роль химии в овладении энергетическими и материальными ресурсами природы. Так, наряду с механической обработкой дерева и камня получила распространение их химическая обработка; выплавка металлов из руд, химический синтез и т. п.

От примитивного использования топлива для получения тепла человечество перешло к более широкому использованию древесины, угля и нефти, на основе которых получены не только новые виды топлива (например, газообразное), но и целый ряд других важнейших продуктов. В свою очередь, энергию химического процесса научились превращать в электрическую (гальванические элементы, аккумуляторы, топливные элементы). Наконец в настоящее время осуществляется широкое производство материалов с определенными, заранее заданными свойствами. Начинается активное вмешательство химии в деятельность живого организма.

Широкое промышленное использование достижений химии оказалось возможным лишь на определенной ступени развития человеческого общества, на определенной ступени развития производительных сил общества. Для осуществления химического синтеза, химической переработки материалов необходимы соответствующие установки и аппараты, приборы для контроля, автоматизация производства, достаточные энергетические мощности, предварительная подготовка сырья.

Атомно-молекулярная теория и важнейшие законы химии

Исторически изучение вещества шло последовательными этапами: от познания видимого, доступного органам чувств и простейшим приборам, к проникновению в мир частиц и явлений, познание которых возможно с помощью очень чувствительных приборов. Еще в древности была высказана мысль об атомном строении вещества. В начале XIX в. была разработана атомно-молекулярная гипотеза, согласно которой все вещества состоят из молекул, а молекулы — из атомов. Атом — наименьшая частица вещества.

Это познание вещества средствами химии можно представить схематически следующим образом:

тела природы —>-химические соединения —> молекулы —> атомы

В создании основ атомно-молекулярной теории важную роль сыграли исследования реакций окисления металлов, проведенные в XVIII в. М. В. Ломоносовым и А. Лавуазье. Ими же был сформулирован закон сохранения массы реагирующих веществ.

Однако объяснение как этого закона, так и других понятий того времени (эквиваленты), возникших в результате изучения весовых количеств реагирующих веществ, оказалось возможным в XIX в. с позиции атомной теории Дальтона и молекулярной теории Авогадро. На базе атомно-молекулярной теории были сформулированы многие важные понятия химии (грамм-атом, грамм-молекула и др.). Химия стала самостоятельной наукой.

Главнейшей количественной характеристикой атомов химических элементов стал атомный вес.

Периодический закон и периодическая система химических элементов, открытые Д. И. Менделеевым в 1869 г., способствовали закреплению атомистических представлений в химии. Открытие Д И. Менделеева ознаменовало начало нового этапа в развитии учения о строении материи, в раскрытии сложного строения атома.

Спектральный анализ и открытие рентгеновских лучей, открытие инертных газов и явления радиоактивности, определение заряда и массы электрона привели к экспериментальному раскрытию сложного строения атомов.

Атомно-молекулярная теория

Атомно-молекулярное учение — это первое учение о строении вещества, разработанное на основе количественных представлений, главным образом, двух наук — физики и химии. Само название «атомно-молекулярное учение» подсказывает, что вопросы строения вещества рассматриваются здесь на уровне атомов и молекул. Это учение указывает на качественные различия в составе вещества (молекулы и атомы) и дает количественные характеристики (вес атомов и молекул), а для веществ в газообразном состоянии и объем грамм-молекулы.

Согласно этому учению, вещества состоят из атомов и молекул. Молекула сложнее атома. Молекула простого вещества состоит из атомов одного элемента, молекула сложного — из атомов разных элементов.

Молекулы — наименьшие частицы вещества, сохраняющие его состав и химические свойства.

Атомы — наименьшие материальные частицы элемента, отражающие его химические свойства в свободном состоянии.

В то же время атомы являются составными частями молекул, которыми последние обмениваются при химических реакциях.

Кратко сущность атомно-молекулярного учения сводится к следующему:

В результате химических реакций из одних веществ (молекул) образуются другие, что является одной из форм движения атомов.

Внешние условия (главным образом, температура и давление) влияют не только на агрегатное состояние вещества, но и на его состав и строение (а значит, и на некоторые физические и химические свойства).

Если бы мы имели возможность взвесить атомы и их вес выразить в граммах, то мы получили бы следующие значения:

Целесообразно выразить вес атомов относительно веса атома одного из элементов, например, самого легкого атома водорода. Тогда мы найдем относительные веса атомов, получившие название, атомных весов. Продолжительное время в качестве единицы относительных весов была принята веса атома кислорода (к. е).

В настоящее время за единицу относительных весов принимают часть массы изотопа углерода . По этой новой шкале атомный вес водорода равен 1,00797, а кислорода — 15,9994 углеродной единицы (у. е.).

Количество простого вещества, выраженное в граммах и численно равное атомному весу элемента, называется грамм-атомом.

Соотношение между весом атома и весом грамм-атома можно представить следующим образом:

Разделив грамм-атомный вес элемента на вес одного атома, получим число атомов в одном грамм-атоме, равное . В одной грамм-молекуле также содержится молекул. Это число называется числом Авогадро.

Состав данного вещества может быть выражен химической формулой. Различают простейшие и истинные (или молекулярные) формулы.

Простейшая химическая формула указывает на соотношение числа атомов в молекуле (или грамм-атомов в грамм-молекуле).

Истинная (или молекулярная) формула указывает на фактическое число атомов в молекуле (или грамм-атомов в грамм-молекуле).

Закон сохранения массы вещества. Расчёты по уравнению химической реакции.

С развитием атомно-молекулярного учения закон сохранения массы получил теоретическое обоснование. Действительно, какие бы новые молекулы вещества ни образовались при химических реакциях, число атомов в них будет равно числу атомов в исходных веществах (ведь атомы — это химически неделимые частицы). При этом не меняется и число атомов каждого элемента. Но так как и атомы одного и того же элемента имеют одинаковый вес, то и вес всех атомов в исходных веществах (молекулах) должен быть равен весу атомов в конечных продуктах реакции.

На основе закона сохранения массы вещества оказалось возможным производить расчеты по уравнениям химических реакций.

Пример 1. Смешано 7,3 г хлористого водорода с 4 г аммиака. Сколько граммов хлористого аммония при этом образуется?

Решение. При решении всякой задачи, связанной с расчетом весовых количеств реагирующих веществ, прежде всего должно быть написано уравнение химической реакции. В результате мы получаем соотношение между весовыми количествами интересующих нас веществ

Итак, напишем уравнение химической реакции. Над формулами реагирующих веществ будем писать цифровые данные из условия задачи, а под формулами — весовые количества тех же веществ в соответствии с уравнением реакции:

Теперь определим, какие количества и вступают в реакцию:

Таким образом, на полное взаимодействие 4 г аммиака потребовалось бы 8,5 г хлористого водорода. Согласно условию задачи вступило в реакцию только

7,3 г . Следовательно, аммиак был взят в избытке. Поэтому подсчет количества образовавшегося хлористого аммония нужно вести, исходя из веса вступившего в реакцию хлористого водорода

Для получения ответа на вопрос задачи надо составить следующую пропорцию:

В случае необходимости можно было бы рассчитать и вес непрореагировавшего аммиака:

Осталось

Вес оставшегося аммиака можно определить и другим путем: от суммы весовых количеств и , взятых согласно условию задачи, необходимо вычесть вес получившегося в результате соединения исходных веществ :

Нередко знание соотношения между числом грамм-молекул или весовыми количествами реагирующих веществ позволяет правильно определить продукты реакции. Например, при взаимодействии едкого натра и серной кислоты может образоваться кислая или средняя соль в зависимости от соотношения реагирующих веществ:

В первом случае на одну грамм-молекулу серной кислоты приходится одна грамм-молекула едкого натра и в результате образуется кислая соль, во втором случае, когда в реакцию вступают две грамм-молекулы , образуется средняя соль.

Пример 2. Какая соль и в каком количестве получается при полном взаимодействии 3,4 г сероводорода и раствора, содержащего 4 г едкого натра?

Решение. Определим соотношение между числом грамм-молекул реагирующих веществ:

Как видно, соотношение между числом грамм-молекул , вступивших в реакцию, таково:

(т. е. 1:1). В результате образуется 0,1 моль кислой соли.

Ответ: 5,6 г

Пример 3. Сколько граммов меди выделяется на железной пластинке весом 50 г, опущенной в раствор медного купороса, если в результате реакции пластинка становится тяжелее на 4 г?

Решение. Напишем уравнение реакции замещения меди железом:

Когда с пластинки в раствор переходит 56 г железа, одновременно на пластинке выделяется 64 г меди, т. е. пластинка становится тяжелее на 8 г. Составим пропорцию:

Закон эквивалентов

Еще до создания атомно-молекулярной теории было установлено, что простые и сложные вещества вступают в химические реакции в определенных весовых отношениях друг к другу.

Таким образом, в перечисленных выше соединениях на 1 г водорода приходится 3 г углерода и 8 г кислорода, а на 8 г кислорода — 1 г водорода и 3 г углерода.

Следовательно, если требуется связать 8 г кислорода в виде соединения, то для этого потребовалось бы 1 г водорода (), или 3 г углерода (), или 12 г магния () и т. д.

Разумеется, аналогичное рассуждение может быть применено и по отношению к любому другому элементу. В указанном случае о перечисленных выше весовых количествах можно говорить как о «равноценных» или эквивалентных, т. е. как бы заменяющих друг друга.

Определим, например, эквиваленты некоторых металлов по реакциям замещения:

Из расчетов видно, что 23 г натрия, 12 г магния, 9 г алюминия вытесняют один грамм водорода.

Грамм-эквивалентом элемента называется его весовое количество в граммах, которое соединяется с 1,00797 г водорода или замещает это количество водорода в соединениях.

Нетрудно установить связь атомного (грамм-атомного веса) и эквивалентного (грамм-эквивалентного) веса:

где А — атомный вес, — валентность элемента, — эквивалентный вес.

И, наоборот, зная грамм-атомный вес, можно установить грамм-эквивалентный вес, если данный элемент обладает постоянной валентностью:

Так для указанных выше металлов:

Понятие эквивалента встречается также в курсе физики. Согласно закону Фарадея, грамм-эквивалент выделяется на электроде при пропускании 96 493 кулонов электричества через раствор или расплав электролита.

Вопрос о нахождении эквивалентов сложных веществ см. в главе VI, § 1.

Пример 4. Определить грамм-эквивалент металла, если известно, что 6 г металла вытеснили при нормальных условиях 0,5 г водорода.

Решение. Один грамм-эквивалент металла вытесняет 1 грамм-атом водорода, который имеет вес 1 г. Следовательно:

откуда грамм-эквивалентный вес металла 12 г.

Закон Авогадро и его следствия

В равных объемах различных газов при одинаковых’ внешних условиях содержится одинаковое число молекул (закон Авогадро).

Такая взаимосвязь между числом молекул (грамм-молекул) и объемом различных веществ справедлива только для газообразного состояния.

В таком случае одна грамм-молекула любого вещества в газообразном состоянии занимает при определенных условиях одинаковый объем.

Объем жидких и твердых веществ зависит не только от числа молекул (грамм-молекул) вещества, но и от природы вещества (характера химической связи и составляющих его элементов).

Принято считать нормальными условиями t = 0° С, или Т = 273º К, и р = 760 мм pm. cm., или 1 атм.

Одна грамм-молекула любого вещества, находящегося в газообразном состоянии, занимает при нормальных условиях объем 22,4 л (следствие из закона Авогадро).

Покажем также связь между грамм-эквивалентным весом и объёмом одного грамм-эквивалента водорода и кислорода.

Гей-Люссак обратил внимание на то, что объёмы реагирующих газообразных веществ относятся друг к другу как простые целые числа.

Это легко объяснить с позиций закона Авогадро. Например, при окислении водорода хлором, согласно уравнению реакции

взаимодействуют по одной грамм-молекуле водорода и хлора и получаются две грамм-молекулы хлористого водорода. Напишем отношение объемов, занимаемых ими при нормальных условиях: 22,4 : 22,4 : 44,8 =1:1:2. Таким образом, отношение числа грамм-молекул и объемов реагирующих (начальных и конечных) газообразных веществ одно и то же. Следовательно, по отношению объемов можно судить о соотношении числа грамм-молекул, что позволяет также найти простейшую формулу соединения в газообразном состоянии.

Решение. Так как 3,2 мл составили объем непрореагировавшего кислорода, то можно найти объем прореагировавшей смеси: 20 — 3,2 = 16,8 мл. Для определения объема водорода и кислорода в этой смеси напишем уравнение реакции образования воды:

Из уравнения реакции видно, что в трех объемах смеси два приходится на водород и один на кислород. Следовательно, в 16,8 мл смеси на долю кислорода приходится

и на долю водорода

Каков же процентный состав (по объему) исходной смеси? Нетрудно убедится, что водорода в смеси находилось 11,2 мл, а кислорода Таким образом, п 20 мл исходной смеси содержалось кислорода и водорода.

Ответ: 11,2 мл (или 56%) и 8,8 мл (или 44% от объема исходной смеси).

Пример 6. При взаимодействии одного из окислов азота с углеродом получается двуокись углерода и азот. Объемы окисла азота, двуокиси углерода и азота относятся друг к другу, как 1 : 0,5 : 1 Найти формулу соединения.

Решение. Учитывая, что отношение объемов газообразных веществ — это есть вместе с тем и отношение числа их грамм-молекул, определим число грамм-атомов азота и кислорода в окисле азота, если

В соответствии с найденным соотношением числа грамм-молекул реагирующих веществ (коэффициенты в уравнении реакции) напишем уравнение реакции:

откуда видно, что . Следовательно, формула соединения . Проверим по уравнению реакции

Пример 7. Какая соль и в каком количестве получается при полном взаимодействии 44,8 л аммиака (условия нормальные) и 98 г ортофосфорной кислоты?

Решение. Найдем число грамм-молекул аммиака и ортофосфорной кислоты, вступивших в реакцию:

Следовательно, в реакцию вступили 2 грамм-молекулы аммиака и 1 грамм-молекула ортофосфорной кислоты:

Так как при таком соотношении образуется 1 грамм-молекула вторичного фосфата аммония, для получения ответа необходимо подсчитать грамм-молекулярный вес этого соединения. Грамм-молекулярный вес

Если объем газа измерен при условиях, отличающихся от нормальных, его можно привести к нормальным условиям по формуле:

Иногда определяется также плотность газов, как отношение весов одинаковых объемов газов, измеренных при одних и тех же условиях.

Зная объем грамм-молекулы любого газа при нормальных условиях, можно выразить его плотность отношением грамм-молекулярных весов. Например, плотность двуокиси углерода по водороду

т. е. двуокись углерода в 22 раза тяжелее водорода.

Следовательно, грамм-молекулярный вес любого газа равен его удвоенной плотности по водороду:

Плотиость воздуха по водороду равна 14,5. Если бы воздух был индивидуальным веществом, а не смесью газов, его грамм-молекулярный вес был бы равен

Через этот «грамм-молекулярный вес» воздуха или, точнее, удвоенную плотность воздуха по водороду, можно рассчитать плотности газов по воздуху. Так, аммиак оказывается легче воздуха:

а двуокись углерода тяжелее:

Таким образом, молекулярный вес газообразного вещества можно определить и через плотность этого газа по воздуху:

Нахождение простейших формул химических соединений

В результате анализа удается установить, из каких элементов состоит данное соединение, а также весовое количество каждого из элементов, содержащееся в определенном количестве этого соединения, взятом для анализа. На основании этих данных можно определить простейшую формулу соединения.

Найти простейшую формулу соединения — это значит установить отношение числа атомов в молекуле (грамм-атомов в грамм-молекуле).

Рассмотрим на ряде примеров, как находится простейшая формула соединения.

Пример 8. Состав соединения следующий: . Найти формулу соединения.

Решение. Вначале нужно определить число грамм-атомов кальция, углерода и кислорода и найти их отношение. Из условия задачи очевидно, что в 100 г соединения содержится соответственно кальция — 40 г, углерода — 12 г, кислорода — 48 г.

Формула соединения:

Пример 9. Соединение состоит из железа и углерода, причем на 14 в. ч. железа приходится 1 в. ч. углерода. Найти формулу соединения.

Решение. В 15 в. ч. соединения находится 14 в ч. железа и 1 в. ч. углерода.

Тогда в 15 г соединения число грамм-атомов железа будет составлять или , а число грамм-атомов углерода .

Отношение между ними

Формула соединения:

Почему же в примере 8 мы сразу получили целые простые числа грамм-атомов кальция, углерода и кислорода, а в примере 9 — дробные

В первом случае весовое количество соединения совпало с его молекулярным весом, во втором случае — нет. В самом деле:

Грамм-молекулярный вес составляет 180 г, а для определения формулы было взято 15 г соединения. Поэтому вначале и получились дробные числа, отношение же между ними таково же, как и в грамм-молекулярном весовом количестве.

Пример 10. Установить формулу соединения, состоящего из натрия, хлора и кислорода, если известно, что при нагревании 1 г этого соединения выделяется 0,45 г кислорода, а твердый остаток представляет собой поваренную соль.

Решение. Зная вес всего соединения и выделившегося кислорода, можно найти отношение числа грамм-атомов кислорода, приходящегося па одну грамм-молекулу образовавшегося (Это, конечно, не означает, что рассматриваемое соединение состоит из и ).

Число грамм-атомов кислорода в 1г соединения составляет

Вес «» в 1 г соединения: 1 г — 0,45 г = 0,55 г. Сумма грамм-атомных весов Число «грамм-молекул » в 1 г соединения Отношение числа грамм-атомов кислорода и числа «грамм-молекул »:

Формула соединения:

Найденные формулы являются простейшими.

Для установления истинных формул необходимо знание истинного молекулярного веса соединения.

Услуги по химии:

Лекции по химии:

Лекции по неорганической химии:

Лекции по органической химии:

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Источник