Элемент - атом - молекула
Автор naturalscience.ru   

Идея дискретного строения вещества зародилась как догадка в глубокой древности.

Исторически сначала вещество (объект исследования). Взатмное превращение веществ привело к введению понятия элемента (лат. - стихия первоначальное вещество).

Элемент - Аристотель: огонь, вода, воздух, земля

Средневековые алхимики: ртуть , сера, соль

Роберт Бойль ввел определение: Элемент - вещество которое нельзя разложить на более простые части [17век].

Д.Дальтон(1766-1844): все вещества состоят из большого числа мелких частей - атомов. Они характеризуются определенной массой. Дальтон ввел понятие атомной массы (относительной) и впервые составил систему атомных масс. По Дальтону впервые
атом ≡ элемент

Далее Менделеев → периодический закон.

Следующее открытие электрона и строение атома Физиками Дж.Томпсон и Резерфордом.

На стыке физики и химии величайшее открытие строение атома. Которое укрепило позицию атомно-молекулярного учения. Прояснилось понятие элемента.

 

Химический элемент - вид атомов, характеризующийся одинаковым зарядом ядра.

Таким образом элементы:

имеют сложное строение
их основной характеристикой является заряд ядра (число протонов)
масса элементов может быть различной в зависимости от числа нейтронов [изотопы]
Элементы могут превращаться друг в друга (ядерные реакции).

Итак сформулируем основные положения атомно-молекулярной теории:

1. Вещества состоят из мельчайших частиц - молекул, которые складываются из атомов, образуя многообразие окружающего мира.

2. Молекула - мельчайшая частица вещества, определяющая его свойства, и способная к самостоятельному существованию.

3. Массы атомов порядка 10-22‑ 10-23 гАЕМ/NΔ; размеры атомов порядка
10-8 см (Å).

4. Атомы различаются формой, размерами, массой и свойствами; молекулы различаются составом и строением.

5. Молекулы могут состоять как из одинаковых, так и из различных атомов. Число атомов составляющих молекулу колеблется от 1 до →∞ (~ 106)

6. Молекула существует как единая динамическая система атомных ядер и электронов, т.е. это образование которое качественно отличается от набора соответствующих атомов (не является их механической суммой).

7. молекула (и вещества) могут существовать в газообразном, жидком и твердом (кристаллической) фазах.

8. атомы (точнее ядра) в молекулах и молекулы в веществе находятся в непрерывном тепловом движении.

9. Движение атомов (ядер) в молекулах имеет характер колебаний вблизи положений равновесия (за исключением внутреннего вращения)

10. В пользу реального существования атомов и молекул свидетельствует вся огромная совокупность данных , получаемых при физических и химических исследованиях.

 

Свойства веществ и строение молекул.

Современная атомно-молекулярная теория (учение) базируется на признании глубокой зависимости между свойствами вещества и строением его молекул.

Движение молекул в веществе

a) газ - хаотический

b) жидкость - чередование колебаний вблизи положения равновесия (время «оседлой» жизни 10-10-10-12 сек) и перескоков в новые положения равновесия.

c) в кристаллах частицы совершают колебания вблизи положения равновесия (Частицы здесь атомы).

 

Строение молекулы - это определенное соотношение атомов внутри молекулы отображаемое ее формулой.

Формулы могут быть различны:

Брутто формула - атомный (элементарный) состав.

Структурная формула - показывает структурное строение.

Пространственная формула - пространственное строение.

Электронная формула - отображает электронное строение.

Топологическая формула - матрица смежности, матрица растояний.

Матрица смежности - эта та матрица в которой элементы aij равны 1если i- й атом и j-й атом связаны между собой химической связью; и равны 0 если атомы не соединены.

пример

Матрица расстояний - эта та матрица элементы которой aij равны числу химических связей между i- тым и j-тым элементом.

пример

В общем случае свойства вещества не сводятся к свойствам отдельных молекул.

Одни свойства, например, энергия образования из свободных атомов (в газовой фазе) могут быть приближенно представлены в виде суммы соответствующих свойств отдельных молекул.

Другие свойства, например, молярный объём (в жидкой или твердой фазе), такое представление допускают при учете межмолекулярных взаимодействий.

В третьим свойства, такие, как энтропия, давление насыщенного пара, температура кипения, имеющие смысл лишь для совокупности молекул, но не для кождой молекулы в отдельности, представление по свойствам отдельных молекул не позволяют вовсе.

Но все они сильно зависят от внутреннего строения молекул. Свойства веществ дают информацию о строениии.  

Раньше основной метод исследования строения аналитическая химия.

А) термохимия

Б) спектроскопия - оптическая, видимая, УФ, ИК, ЭПР, ЯМР, рентгеновская, электронная, нейронография, масс- спектроскопия, фотоспектроскопия и пр.

 

Структурная теория строения

Основные положения структурной теории строения сформулировал Бутлеров А.М. (1861) (на съезде немецких естествоиспытателей и врачей).

Эти положения:

в молекулах существует устойчивый порядок связи (связанности кто с кем и как) атомов, который носит название химическое строение (структура).
каждая молекула имеет одно присущее ей строение.
возможно различное строение при одинаковом составе (атомов) т.е. структурная изомерия.
атом в молекуле может быть связан с определенным колличеством других, это свойство атомов называется валетностью.
атомы в молекулах находятся во взаимном влиянии.

 

Валентность

Согласно классической теории Бутлерова валентность - количество единиц химического сродства атома.

В настоящее время все элементы по количеству единиц сродства (валентности) мы разделим на 9 групп

Нульвалентные (He, Ne)

Одновалентные (H, F, Li, Na, K, Pl, Cs)

Двухвалентные (O, S, Se, Mg, Ca, Sr, Ba)

Трехвалентные (N, P, As, B, Al)

Четырехвалентные (C, Si, Je, Ti)

Пятивалентные (P, As, Sb)

Шестивалентные(S)

Семивалентные (CI, Mn)

Восьмивалентные (Os)

Некоторые атомы могут иметь переменную валентность (сера)

На химическую связь затрагивается равное у каждого из связанных атомов целое число единиц сродства (целочисленностьвалентной связи). Все единицы химического сродства при образовании молекулы оказываются использованными (насыщенность валентностей). Однако уже при появлении это теории появилось множество примеров отклонения то нее.

 

Изомерия

Изомерами называются вещества, имеющие одинаковый состав (число и вид атомов), но различающиеся по своим свойствам.

Как это может быть? → 2 способа

Различие в строении: структурное и пространственное.

Отсюда следует что существует два вида изомерии структурная и пространственная.

Структурная изомерия - молекулы с одинаковым составом имеющие различные структурные формулы.

Пространственная изомерия - молекулы имеющие одинаковое химические строение, пространственное строение которых различается, т.е. одинаковые брутто и структурные формулы но разные пространственные.

 

Виды структурной изомерии

А) изомерия скелета - обусловлена различным порядком связи образующей каркас (скелет изм. Многовалентных атомов)

Б) изомерия положения - связана с разным положением заместителей (одновалентных атомов или групп) на скелете.

В) таутомерия - равновесная динамическая изомерия, возникающая при изменении положения атома водорода (внутренняя миграция).

Г) мезомерия - связана с положением неуглеродного атома (гетероатома) в углеродном скелете.

 

Виды пространственной изомерии

Молекулы с одинаковым составом, одинаковым химическим, но разным пространственным строением называются пространственными изомерами

Оптическая изомерия - обусловлена наличием в молекуле хиральных элементов

Геометрическая изомерия связана с разным расположением заместителей относительно двойной связи или цикла, а также центрального атома.

Поворотная изомерия встречается в соединениях, у которых вследствии внутреннего вращения (или иных внутримолекулярных движений) возникают различнае устойчивые конформации - поворотные изомеры или конформеры.

 

Взаимное влияние атомов в молекуле

Влияние атомов подразделяется на :

1) непосредственное → валентносвязанные

2) связь атомов не связанных непосредственно

два вида взаимодействия атомов

А) валентные - с образованием связей

Б) невалентные

А- главный вид влияния. Б - второстепенный.

На микроуровне влияние означает что строение электронных оболочек, да и взаимное положение ядер от соседей (длина связи)