Основы химии: атомы, молекулы, связи, реакции… Кратко, точно, научно и доходчиво

© Игорь Владиславович Казаринов, 2023

ISBN 978-5-4498-6040-8

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Самый краткий теоретический курс химии

Это книга для тех, кто хочет понять основы химии для использования в обычной жизни, для твёрдого понимания и усвоения основных понятий и законов химии, а также для уверенной и спокойной учёбы в школе.

Книгу можно использовать как очень простой и понятный справочник по основным химическим словам и понятиям. Для лучшего понимания используйте ссылку на мой постоянно пополняемый видеоканал «Понятное и достойное образование. Математика, физика, химия» на Яндекс Дзен с доходчивыми видео и статьями по проблемам обучения вообще и с объяснениями разных понятий и законов точных наук – химии, физики, математики.

Основная трудность при обычном изучении химии

Школьные учебники написаны часто по средневековому принципу – сначала много рассказывается о свойствах конкретных веществ, а потом начинают вводить теорию, из которой есть какие-то исключения и именно на них фиксируют внимание школьника. Второй момент – очень много внимания уделяется технике безопасности, которая не особо нужна обычному человеку. К примеру – почему нельзя приливать воду к серной кислоте…

В результате у учеников нет идеи, что химия – это точная наука, основанная на точных законах, которые изучаются в физике. И нет системного закономерного подхода к химии, а есть идея, что надо много зубрить и запоминать.

В этой книге я хочу дать кратко научные основы химии, взятые из точных формул и законов физики. Чтобы читатели понимали теорию и могли как-то предсказывать некоторые явления на основе точных законов. А разные исключения, для которых обычно давно есть точное «оправдание», можно оставить для профессионалов-химиков, которые будут со всем этим работать на практике и которым надо всегда получать результаты.

Для примера: что происходит, когда мы роняем ключи? Мы их ищем на полу, и никто не поднимает глаза к потолку. Потому что с рождения привыкли, что всё падает вниз. Но когда ребёнку впервые дают шарик с гелием, и тот летит вверх, то удивлению нет предела. Хотя, зная хорошо законы физики, этот случай легко объяснить.

Граница между физикой и химией

Слово «физика» по-гречески означает «природа». Это была первая наука, которая изучала природу. Химия тоже изучает разные явления вокруг нас. И тоже изучает вещества. В чём же разница? Например, воду изучает и физика, и химия. Если мы нагреем воду, она закипит и превратится в пар, когда пар остынет, он опять станет водой. Такой же, какая была до нагрева.

Такие превращения веществ изучает физика, они называются физическими.

Если же мы возьмём сырое яйцо и нагреем его, то оно перестанет растекаться, а его белок станет из прозрачного белым. И после охлаждения таким и останется. И никакими средствами у вас не получится превратить его опять в жидкое яйцо. Это пример химического превращения.

То есть, физика изучает легко обратимые превращения, когда вещество меняет вид или форму, но не меняет своего состава, а химия изучает превращения, когда из одного вещества получается совсем другое, у которого свойства отличаются.

На чем построена современная химия. Основные понятия простым языком со ссылками на видео

Химия началась с изучения изменений разных веществ вокруг нас – с горения веществ – одни горят, другие нет – почему? Одни съедобны, другие ядовиты; одни надо варить, другие лучше жарить, некоторые солить, сушить, а некоторые можно есть и пить без обработки. Молоко превращается в кефир, сыр и т. п. – это химия, из песка получается стекло – это химия, из минералов выплавляют железо – это химия.

Вокруг нас очень много химии и пока не были открыты законы строения и взаимодействия веществ, изучение химии было строго экспериментальным – люди смешивали, нагревали, плавили и растворяли самые разные вещества и смотрели – что получается. За века накопилось огромное количество таких наблюдений. Сейчас, например, известно более 6 миллионов различных веществ. У каждого – свои особенности, некоторые похожи друг на друга, некоторые очень сильно отличаются.

Но несмотря на несхожесть, все вещества подчиняются физическим и химическим законам и ведут себя в соответствии с ними. Далее вы узнаете о самых основных законах, которые объясняют поведение и свойства веществ. О некоторых исключениях, про которые говорится в школьных учебниках, я кратко упомяну, но не буду подробно объяснять – для желающих в учебниках есть все объяснения.

В школе изучают неорганическую химию и органическую – это исторические названия. Опыты средневековых химиков показывали, что некоторые вещества получаются только при переработке растительных или животных организмов – такие вещества назвали органическими и науку, которая изучала их свойства, назвали органической химией.

А другие вещества можно было получить из камней, воды и воздуха, то есть из неживой природы – такие вещества назвали неорганическими. Соответственно, их изучает неорганическая химия.

Вещество

Из вещества состоят все предметы вокруг нас – столы, мороженное, вода, воздух. Всё что мы можем видеть и ощущать. Вещества бывают разными: жидкими, твёрдыми или газообразными. Вещества имеют разный цвет, вкус и запах и другие различные свойства.

Есть ли в них что-то общее? Как сильно можно измельчать вещество? Например, мука мельче песка. А можно ли измельчить частичку муки?

Смотрели ли вы в микроскоп когда-нибудь? У микроскопов бывают разные увеличения, но даже в самый сильный микроскоп нельзя увидеть – из чего состоит вода, какая самая маленькая частица воды. В обычных микроскопах можно увидеть бактерии, но бактерии состоят из атомов, как дома состоят из кирпичей и разница в размерах примерно такая же.

Есть ли предел измельчению?

Ещё в Древней Греции и Индии несколько тысяч лет назад появилась идея, что вещество состоит из очень маленьких неделимых частиц. По-гречески такую частицу назвали «атом». По-гречески «а-» отрицательная приставка, корень «том» – означает «резать, делить», то есть слово атом переводится как «неделимый».

Но обнаружить самими атомы и узнать их строение учёные смогли всего около 100 лет назад.

Таблица Менделеева. Атом. Химический элемент

Дмитрий Иванович Менделеев открыл периодический закон, не зная устройства атомов. В дальнейшем физики открыли формулы, по которым строятся атомы, которые полностью подтвердили периодическую систему элементов. Возможно даже, что учёные-физики пользовались таблицей Менделеева как подсказкой для исследований.

Кстати, слово «элемент» имеет несколько различных значений, которые лучше выяснить в хорошем толковом словаре. В химии «элементами» называют виды атомов.

В современном виде таблица Менделеева включает много данных об устройстве элементов и их электронных оболочек, свойствах атомов и данных о их часто применяемых соединений – оксидах и гидридах. Не говоря уже об атомной массе элементов! Поэтому очень полезно понять – как и что можно найти в этой таблице и как можно её использовать в жизни и на уроках химии.

Обычно в правом верхнем углу таблицы напечатана отдельная клетка таблицы (чаще всего это клеточка с водородом, на этом рисунке – с рубидием). Вокруг этой клетки написаны краткие расшифровки разных чисел и надписей со стрелками, показывающими на отдельные части клетки. Я расскажу об этом подробнее:

1) Порядковый номер элемента. Он стоит в левом или правом верхнем углу. Начинается таблица с самого лёгкого элемента – водорода под номером 1. Дальше номера увеличиваются на единицу без пропусков и дробных номеров между ними. Когда Менделеев обнародовал первый вариант таблицы, он оставил в ней пустые места – несколько элементов ещё не были обнаружены. Учёный предсказал свойства неоткрытых элементов, и когда их открыли, предсказания подвердились!

Позднее выяснилось, что порядковый номер равен числу протонов в ядре соответствующего элемента. Про протоны и ядра будет рассказано чуть позже.

2) Символ элемента – сокращённое до одной или до двух латинских букв название элемента. Символы элементов и их названия в формулах едины во всём мире, что позволяет всем химикам легко понимать друг друга. (Но не касается обычных названий элементов в жизни! Они могут сильно отличаться: например, название «ртуть» – русское, по-английски mercury, а в формулах произносится всеми химиками «гидраргирум» – это латинское название из средневековых книг. Кстати, переводится как «жидкое серебро». )

Поэтому для успешного изучения химии надо выучить символы основных (самых часто используемых) элементов и то, как они читаются в формулах. Это пригодится и в жизни, так как в школьном учебнике химии в основном изучаются самые часто применяемые в жизни элементы – около 25 из более чем 100 в таблице Менделеева.

3) Русское название элемента.

4) Относительная атомная масса – число, которое показывает, во сколько раз атом элемента тяжелее атома водорода. Надо понимать, что эта масса не в граммах или килограммах, а можно сказать – в атомах водорода.

5) В этой таблице также указано распределение электронов в атоме по слоям. Про слои электронов будет рассказано позже. Эти числа могут помочь при решении некоторых задач, но они печатаются не во всех таблицах химических элементов.

6) Ещё один вид данных даётся в цвете, которым напечатана клетка элемента. Здесь разными цветами показано, какой вид электрона (4 возможных вида электронов обозначаются маленькими латинскими буквами s, p, d, f) последним добавлялся в атом. Об этом тоже будет подробнее рассказано позже.

Вообще, таблица Менделеева – очень важный и полезный справочник, в котором есть и другие данные, кроме указанных. Вы можете видеть также обозначения групп и периодов, и две строчки внизу таблицы «Высшие оксиды» и «Летучие водородные соединения» – эти данные тоже помогают при решении некоторых задач.