Химические способности в работе инженера-химика, технолога

Содержание
Введение............................................................................................................. 3
1 Химические способности в работе инженера-химика, технолога................ 6
2 Профессия инженера химика-технолога....................................................... 11
2.1 Тип и класс профессии............................................................................ 11
2.2 Содержание деятельности........................................................................ 11
2.3 Условия труда........................................................................................... 12
2.4 Требования к знаниям и умениям специалиста...................................... 12
3 Основные понятия и законы химии................................................................ 16
3.1 Определения............................................................................................ 16
3.2 Основные законы..................................................................................... 19
3.3 Основные классы неорганических соединений........................................ 20
3.4 Периодический закон Д.И. Менделеева................................................... 21
3.5 Химическая связь....................................................................................... 23
4. Закономерности и методы химической технологии..................................... 30
4.1 Критерии эффективности химико-технологического процесса (ХТП)... 32
4.2 Технологические расчеты........................................................................... 35
5 Использование кинетических знаний в управлении химическим процессом 46
Заключение.......................................................................................................... 48
Список использованных источников................................................................... 50
Введение
Химия – наука о строении, свойствах и превращении вещества [1]. Ни одна наука не открыла перед человеком столь широкие перспективы и не сделала для него больше, чем химия. Химия обеспечила изобилие самых необходимых вещей и предметов комфорта, которые улучшили здоровье и благополучие людей. Человек сам представляет собой биохимическую систему, существующую в химическом мире.
Знание принципиальных основ химической науки позволяет человеку грамотно эксплуатировать сложнейшую технику и оборудование, рационально использовать материальные и энергетические ресурсы, осознанно решать вопросы охраны окружающей среды, обеспечения безопасности жизнедеятельности людей. Формирование естественнонаучной картины окружающего мира невозможно без понимания основ этой науки.
Химия является компонентом системы естественных наук, созданных человеком для описания и осмысления окружающего мира. Все компоненты этой системы тесно связаны друг с другом. Развитие естественных наук приводит к их все большему взаимопроникновению и взаимообогащению, возникновению тенденции к формированию единой системы знаний.
Основные итоги и достижения в развитии химии в настоящее время:
1. Решение сельскохозяйственных проблем. Это стало возможным благодаря промышленному производству удобрений, инсектицидов, стимуляторов роста, пестицидов, гербицидам и некоторым другим соединениям. Их производством занята огромная промышленность, о масштабах которой можно судить хотя бы по тому, что в США урожай зерновых собирают на общую сумму 42 млрд долларов в год, а стоимость пестицидов, позволяющих вырастить такой урожай составляет 4,2 млрд долларов. Мировое производство растительных пищевых продуктов благодаря удобрениям увеличилось за последние 20 лет в три раза, а с начала XX века – в 80 раз.
2. Синтез новых органических и неорганических материалов. Большинство людей в нашей современности не представляют свою жизнь без пластика, тканей и красок, которые позволяют нам жить в красоте и комфорте. Это решение проблем бытового уровня. Развитие промышленности – машиностроения (в т.ч. авто-, авиакосмической техники, микроэлектроники) невозможно без новых конструктивных материалов, защитных покрытий, специальных веществ и добавок. Химический синтез органических полимеров, синтетического каучука, специальной керамики, осуществленной в наше время, позволил в значительной мере решить сложные проблемы современной техники.
3 Синтез биологически активных веществ – лекарств и гормонов, ускорителей и замедлителей роста живых клеток, антиоксидантов и ингибиторов старения живых клеток.
Основные тенденции развития химической науки:
- актуальным по-прежнему остается поиск новых форм сельско-хозяйственных препаратов, так как отмечается привыкание вредителей сельскохозяйственных культур и патогенных микроорганизмов к применяемым инсектицидам и антисептикам;
- стремительное развитие авиакосмической и других отраслей промышленности по-прежнему требует создания высокопрочных и стойких к химическим и реакционным воздействиям конструкционных и защитных материалов;
- актуальным остается создание новых лекарственных препартатов и средств, воздействующих на живые клетки в связи с возниконвением новых болезней – СПИДа, онкологических и респираторных заболеваний;
- наибольшие достижения в развитии химии ожидаются на стыке химии и биологии. В таких областях как биохимия и биотехнология;
- решение проблемы энергетической отрасли, которое возможно с повышением эффективности использования ископаемых ресурсов, повышением экологизации промышленных процессов и улучшения использования сырья;
- также весьма актуальным остается разработка новых технологических процессов, направленных на получение топлив для автотранспортной и авиакосмической отраслей.В химической промышленности, помимо сравнительной себестоимости обычных и биотехнологических методов производства, предстоит преодолеть такую проблему, как отравление катализаторов химическими продуктами, получаемыми с их помощью [2].
Профессия инженера-химика-технолога была и будет востребована во всем мире, пока будут существовать химическая и биохимическая промышленность. Без него невозможна работа предприятий химической, нефтехимической, перерабатывающей и многих других отраслей. Инженер-технолог выбирает оборудование, на котором следует осуществлять технологический процесс, оптимальные режимы работы, основные методы контроля качества, ведёт технологическую документацию. Технолог стоит во главе изобретательской и рационализаторской работы. Он участвует в проведении экспериментальных работ по освоению новых технологических процессов и внедрению их в производство, в организационно-технических мероприятиях по своевременному освоению производственных мощностей.
Химик-технолог – очень интересная и редкая профессия. Впервые исследовать химические свойства веществ начали в Египте около пяти тысяч лет назад. Наибольшую известность впоследствии приобрели исследования алхимиков, пытавшихся создать золото из других металлов. И уже значительно позже появились химики-технологи, занимающиеся созданием действительно новых веществ.
Сейчас они разрабатывают химические составы веществ, проводят различные исследования, внедряют новые технологии для производства продуктов и средств, а также контролируют весь технологический процесс. То есть профессия химика-технолога – вне времени, ведь человечество не может обойтись без качественной пищи и специальных средств для обеспечения своей жизни. Знание основ общей химии является базой в работе инженеров-химиков.
1 Химические способности в работе инженера-химика, технолога
Вопрос о существовании способностей к химии и их природе первым поднял академик АПН СССР Д.А. Эпштейн ещё в 1960-х г.г. Он утверждал, что химические способности объективно существуют как определённое сочетание свойств человека: «химическая голова» плюс «химические руки». Следуя логике Д.А.Эпштейна, сначала надо понять, что представляет собой «химическая голова», в чём специфика химического мышления. Далее, что существенно проще, надо сформулировать требования к «химическим рукам». Затем необходимо разработать методы, позволяющие выявить «химическую голову» и отличить «химические руки» от «нехимических».
Однако прежде чем ответить на поставленные вопросы, следует определить, что же такое наука химия, поскольку без этого определения бессмысленно говорить о химических способностях. Современная химия – это весьма широкая область знания, простирающаяся от теоретических разделов (квантовая химия), вплотную примыкающих к квантовой механике и теоретической физике, до молекулярной биологии и биохимии, которые по сути дела являются частями биологической науки. В результате интеграции и дифференциации наук, широкого применения физических методов и математического аппарата химия сблизилась с физикой (физическая химия, химическая физика). С другой стороны, изучение химическими методами биологических, геологических, технических объектов приблизило химию к другим областям естествознания (геохимия, биохимия, химия почв, техническая химия и т.д.). Таким образом, успешность деятельности современного химика зависит не только от наличия у него химических способностей, но и от владения физикой, математикой и другими смежными дисциплинами.
Для того чтобы упростить задачу создания психологического портрета химика, целесообразно ограничиться классическим определением химии как науки о веществах и их превращениях. Тогда химиками мы будем считать тех, кто в своей деятельности имеет непосредственный контакт с веществом. Это, прежде всего, химики-синтетики (органики и неорганики) и химики-аналитики, занимающиеся традиционными «мокрыми» методами анализа. Существенно, что и те и другие специалисты работают с реально осязаемыми, визуально наблюдаемыми, достаточно значительными количествами вещества1. Таким образом, специфической особенностью деятельности химиков в отмеченном выше понимании является предмет их труда – вещество. Следовательно, в психологическом портрете химика должна быть важная черта – особое отношение к веществу. Этот вывод не оригинален, в профессиональной среде с давних времён используется выражение «чувство вещества». Когда коллеги хотят высоко оценить химика-синтетика или аналитика, они говорят, что он обладает хорошо развитым чувством вещества.
Об особом отношении к веществам и процессам их превращения свидетельствуют и биографии химиков, чей талант не вызывает сомнения. Вот несколько примеров. А.М. Бутлеров в детстве, имея ещё весьма слабое представление о химии, ставил многие опыты; по свидетельству биографа, мальчика интересовали не столько практические результаты совершаемых им «чудес», сколько сам процесс превращения веществ. Ж.-Л. Пруст, А. Муассан, Ю. Либих начали путь в химию через знакомство с аптечными химикалиями, и наблюдая за тем, как их родители изготовляли лекарства. Склонность к коллекционированию минералов и горных пород привела в химию А. Байера, Ф. Вёлера, Т. Сведберга. В. Оствальд увлекался в детстве составлением фотографических растворов и приготовлением красителей. Детство Д.И. Менделеева прошло на стекольном заводе. Один из крупнейших химиков современности Р.Б. Вудворд с двенадцати лет зачитывался описаниями химических синтезов и многие из них воспроизвёл в своей домашней лаборатории. Многие, если не большинство, ныне работающих отечественных химиков-профессионалов высокого уровня ставили химические опыты в школьных кабинетах и в домашних лабораториях. Примеров такого рода можно привести множество.
Теперь попробуем дать определение «чувству вещества». Чувство вещества (и химического процесса) – это специфическая особенность личности, проявляющаяся: в высоком интересе к свойствам и превращениям веществ, к признакам процесса превращения; в интенсивном стремлении работать с веществами, использовать их полезные свойства; в повышенной чувствительности к внешним признакам веществ (цвет, запах, текстура, дисперсность, масса, объём и т. д.) и пониженной реакцией на раздражающие свойства; в чувствительности к качественным изменениям, способности долго сосредоточенно за ними наблюдать.
Действительно, химика от остальных специалистов отличает интерес к веществам, их свойствам и превращениям. Любопытно отметить, что химик-синтетик, в отличие от всех прочих, как правило, не испытывает отрицательных эмоций по отношению к неприятным, резким запахам, спокойно относится к находящемуся в колбе продукту, имеющему отталкивающий внешний вид и т.п. Возникает вопрос: кем становились люди, обладающие врождённым чувством вещества, до становления химии как науки, т.е. 250 – 300 лет назад; можно ли говорить о способностях к химии, например, у древних греков? Ответ прост. Химические способности существовали у людей и раньше, но проявлялись они, разумеется, не в химии, а в склонности к манипулированию с веществом ради использования его полезных свойств. Иными словами, те люди, которые в наше время стали бы, скорее всего, химиками, в прошлом становились ювелирами, аптекарями, гончарами, кулинарами, мыловарами, железных дел мастерами и т.п.Среди специалистов – как учёных-естественников, так и психологов – распространена точка зрения, что химических способностей как таковых не существует, а есть способности к естественным наукам в целом. Эта позиция, безусловно, имеет право на существование, однако такой подход очень уж приблизителен. Сопоставим, например, значимость терминологической памяти, пространственного воображения и способности к абстрагированию для трёх естествоиспытателей – физика-теоретика, химика-синтетика и ботаника. Бесспорно, эти качества необходимы для всех трёх специалистов, но понятно, что упомянутый вид памяти много более важен для ботаника, чем для физика, тогда как абстрактное мышление наоборот. А пространственное воображение нужнее всего химику. Нельзя забывать и о разном отношении индивидов к объектам тех или иных естественных наук. Трудно представить себе человека, который в равной степени интересовался бы миром элементарных частиц, превращениями молекул (от одноатомных до белковых), миром растений (от одноклеточных до секвойи) и миром животных (от ланцетника до кита).Можно говорить об особой, свойственной только химикам, «химической направленности ума» – особом интересе к составу, свойствам, превращениям веществ и явлениям, сопровождающим эти превращения. Только настоящий химик смотрит на мир сквозь призму своей науки. Химическое видение мира это способность замечать и объяснять химические процессы и явления в повседневной жизни, переходить от макроуровня наблюдений за процессом к микроуровню его описания на языке химических формул и уравнений (и обратно).
Выдающийся отечественный психолог академик РАО Е.А. Климов предложил классифицировать все профессии по сферам труда: «человек – человек», «человек – знаковая система», «человек – природа», «человек – художественный образ», «человек – техника».Схема Е.А. Климова, составленная в целях профессиональной ориентации молодёжи, содержит всего пять сфер труда. Однако, рассматривая проблему специальных способностей, необходимо дифференцировать каждую из этих сфер. Так, сфера «человек – художественный образ» непротиворечиво разделяется на несколько фрагментов – музыка, балет, поэзия, живопись, драматическое искусство и т.д. Каждому из этих фрагментов соответствуют собственные специальные способности, определяемые особым отношением индивида к предмету его деятельности. Для музыканта – музыкальный образ (часть художественного образа по Е.А. Климову), для моряка это водная стихия (часть природы по Е.А. Климову), для инженера – механизм (часть техники по Е.А. Климову). Применительно к химии, по нашему мнению, следует говорить о специфической направленности личности, об особом отношении индивида к веществу. Отсюда следует, что схема Е.А.Климова должна быть дополнена ещё одной сферой труда – «человек – вещество». К этой сфере можно отнести людей, чья профессиональная деятельность связана с преобразованием и переработкой веществ, с получением материалов, т.е. металлургов, фармацевтов, кулинаров, ювелиров и, конечно, химиков.В основе развиваемого нами подхода лежит простая мысль: для установления природы способностей к химии необходимо выяснить структуру способностей химиков-профессионалов высокого уровня. С этой целью была отобрана группа (18 человек) химиков-синтетиков (органиков и неоргаников) сотрудников Химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова (критерии отбора: мужчины, возраст 32 ± 4 года, кандидаты наук, высокие профессиональные достижения по экспертной оценке). Следуя предложенной Д.А. Эпштейном схеме, мы выделили в структуре способностей группы – «химическая голова» и «химические руки» и добавили «чувство вещества». В табл. 1 приведен, полученный в результате детального тестирования ранговый ряд элементов способностей химиков-профессионалов и «юных химиков» – учащихся специализированных химических классов московской школы №171. Существенно, что отбор в эти классы проводится на основе серьёзных вступительных испытаний и, значит, эту группу школьников можно считать молодыми профессионалами. Из приведенных в таблице экспериментально выявленных ранговых рядов следует, что они в значительной мере совпадают.
Измерение элементов способностей «эталонных» химиков-синтетиков показало, что наиболее важными для них являются (в порядке убывания): устойчивость внимания, хорошая переключаемость внимания, объём внимания, логическое и ассоциативное мышление, концентрация внимания, творческое воображение, ассоциативная память, пространственные представления, логическое запоминание, наблюдательность [3].2 Профессия инженера химика-технолога
2.1 Тип и класс профессии
Профессия химика-технолога относится к типу «Человек - Природа», она связана с изучением, наблюдением и взаимодействием с объектами неживой природы, в ней требуется высокий уровень развития наблюдательности, внимательности.
Также эта профессия относится к типу «Человек – Знак», так как связана со знаковой информацией: текстами, цифрами, формулами и таблицами, в ней требуются логические способности, умение сосредотачиваться, интерес к работе с информацией, развитое внимание и усидчивость, умение оперировать числами.
Эту профессию можно отнести к типу «Человек - Техника», ведь в ней есть работа, связанная с эксплуатацией технических устройств, управлением техническими устройствами.
Профессия химика-технолога относится к классу «эвристических», она связана с анализом, исследованиями и испытаниями, контролем и планированием, требует высокой эрудиции, оригинальности мышления, стремления к развитию и постоянному обучению.
2.2 Содержание деятельности
Химик-технолог работает в области химии и технологии органических веществ: промежуточных продуктов, растворителей, пестицидов, мономеров и вспомогательных веществ, синтетических топлив, масел, специальных жидкостей, поверхностно-активных веществ и моющих средств, органических красителей и других продуктов нефтехимии основного и тонкого органического синтеза.
Химик-технолог участвует в расчете расходов сырья, затрат предприятия на производство и утилизацию отходов, контролирует качество материалов и продукции. Специалист также занимается исследованиями в направлении повышения эффективности технологических процессов по изготовлению продукции.
Химик-технолог может заниматься научно-исследовательской, проектно-конструкторской и инженерно-технологической деятельностью.
2.3 Условия труда
Химик-технолог может работать как самостоятельно, так и в коллективе, который может состоять из нескольких специалистов. Чаще всего представители данной профессии работают в помещениях. Это могут быть офисы компаний и организаций, производственные помещения. Работа происходит преимущественно сидя, с использованием компьютера и специальных средств и инструментов. Как правило, это спокойная деятельность, хотя и в работе химика-технолога могут периодически случаться командировки, разъезды.
Химик-технолог достаточно самостоятелен в своей деятельности. Он может принимать собственные решения в рамках поставленных задач. Работа может быть связана с вредным производством.
2.4 Требования к знаниям и умениям специалиста
Для успешного освоения профессии химика-технолога необходимы базовые знания по химии, биологии.
Квалифицированный химик-технолог должен знать:
- основы органической химии;
- основы неорганической химии;
- необходимые технологии производства и т.п.
Квалифицированный химик-технолог должен уметь:
- работать с химическими материалами и реагентами;
- проводить опыты, испытания;
- организовывать технологические цепочки производства и т.п.
Согласно Приказа Минтруда России от 12.03.2015 N 157н «Об утверждении профессионального стандарта «Специалист по контролю качества нефти и нефтепродуктов» (Зарегистрировано в Минюсте России 03.04.2015 N 36709) [4] инженеры химики-технологи занимающиеся видом профессиональной деятельности как «Контроль качества нефти и продуктов ее переработки на нефтебазе» ставят перед собой следующую цель вида профессиональной деятельности: контроль качества принимаемых, хранимых и реализуемых нефти и продуктов ее переработки на нефтебазе для обеспечения требуемых потребителями свойств.
Описание трудовых функций, входящих в профессиональный стандарт (функциональная карта вида профессиональной деятельности):
1) Проведение работ по контролю качества нефти и продуктов ее переработки:
- проведение испытаний нефти и продуктов ее переработки;
- эксплуатация лабораторного оборудования;
- ведение нормативной документации по организации контроля качества;
2) Инженерное обеспечение работ по контролю качества нефти и продуктов ее переработки:
- организация испытаний нефти и продуктов ее переработки;-
- разработка и оформление технической документации по контролю качества нефти и продуктов ее переработки;
- организация мероприятий по выявлению некондиционных нефти и продуктов ее переработки;
3) Управление процессом контроля качества нефти и продуктов ее переработки:
- руководство подчиненным персоналом при проведении контроля качества нефти и продуктов ее переработки на нефтебазе;
- руководство мероприятиями по контролю выполнения требований к оборудованию для технологических операций с нефтью и нефтепродуктами;
- руководство испытаниями для проверки качества нефти и продуктов ее переработки;
- руководство мероприятиями, связанными с выявлением некондиционных нефти и продуктов ее переработки;
- контроль ведения документации в соответствии с нормативными требованиями.
Требования к образованию и обучению: высшее образование - программы бакалавриата в области химической технологии или высшее образование и дополнительное профессиональное образование - программы профессиональной переподготовки в области химической технологии.
Требования к опыту практической работы: не менее трех лет практического опыта работы на производстве на должности не ниже 5-го квалификационного уровня в области нефтепродуктообеспечения.
Особые условия допуска к работе: прохождение обязательных предварительных (при поступлении на работу) и периодических медицинских осмотров (обследований), а также внеочередных медицинских осмотров (обследований) в порядке, установленном законодательством Российской Федерации.
Трудовая функция «Организация испытаний нефти и продуктов ее переработки» предполагает такие трудовые действия как: подготовка оборудования к аттестации лаборатории нефтебазы; контроль достоверности, объективности и требуемой точности результатов испытаний; организация отбора проб испытуемых нефти и продуктов ее переработки; организация проведения и проведение приемо-сдаточных анализов при приеме и отпуске нефти и продуктов ее переработки методами испытаний, указанным в нормативном документе на нефтепродукт, стандартными методами; обеспечение выполнения графиков проведения контрольных анализов нефтепродуктов (отбора проб) при хранении нефти и продуктов ее переработки на нефтебазе; организация эксплуатации лабораторного оборудования; разработка методик и инструкций по текущему контролю лабораторного оборудования, в том числе по экспресс-анализам на рабочих местах. А также обладать такими необходимыми умениями как: подготовка оборудования к аттестации; оценка достоверности результатов; организование отбора проб; выполнение приемо-сдаточных анализов и испытаний; эксплуатация лабораторного оборудования, произведение измерений, анализ результатов лабораторных исследований. Для этого необходимы знания законодательных и правовых актов, методических материалов нефтебазы по вопросам отдела, лаборатории, знание по профилю, специализации (которые включают знания по общей химии в том числе) и особенности структуры нефтебазы, знание оборудования лаборатории, принципов его работы и правил эксплуатации; обладание методами измерений, контроля качества нефти и продуктов ее переработки, правил технической эксплуатации нефтебаз; знание порядка определения качества нефти и продуктов ее переработки, нормативных документов и руководящих материалов по разработке и оформлению документации; норм и требований промышленной и пожарной безопасности, правил по охране труда и экологической безопасности.
3 Основные понятия и законы химии
Химия изучает главным образом вещество, организованное в атомы, молекулы, ионы и радикалы. Такие вещества принято подразделять на простые и сложные (хим. соединения). Простые вещества образованы атомами одного хим. элемента и потому являются формой его существования в свободном состоянии, напр. Сера, железо, озон, алмаз. Сложные вещества образованы разными элементами и могут иметь состав постоянный (стехиометрические соединения или дальтониды) или меняющийся в некоторых пределах (нестехиометрические соединения или бертоллиды) [6].
3.1 Определения
Молекула - наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами.
Атом - наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Различным элементам соответствуют различные атомы, обозначаемые символом данного элемента (Ag, Fe, Mg).
Химический элемент - это вид атомов, характеризующийся определенными зарядами ядер и строением электронных оболочек.
В настоящее время известно 118 элементов: 89 из них найдены в природе (на Земле), остальные получены искусственным путем. Атомы существуют в свободном состоянии, в соединениях с атомами того же или других элементов, образуя молекулы. Способность атомов вступать во взаимодействие с другими атомами и образовывать химические соединения определяется его строением. Атомы состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, движущихся вокруг него, образуя электронейтральную систему, которая подчиняется законам, характерным для микросистем. Ионы (от греч. ion – идущий), одноатомные или многоатомные частицы, несущие электрический заряд. Положительные ионы называют катионами (от греч. kation, буквально – идущий вниз), отрицательные – анионами (от греч. anion, буквально идущий вверх). В свободном состоянии существуют в газовой фазе (в плазме). Валентность (от лат. valentia – сила), способность атома присоединять или замещать определенное число других атомов или атомных групп с образованием химической связи. Количественной мерой валентности атома элемента Э служит число атомов водорода или кислорода (эти элементы принято считать соответственно одно- и двухвалентными), которые Э присоединяет, образуя гидрид ЭНх или оксид Эn Оm. Валентность элемента может быть определена и по другим атомам с известной валентностью. В рамках электронной теории химической связи валентность атома определяется числом его неспаренных электронов в основном или возбужденном состоянии, участвующих в образовании общих электронных пар с электронами других атомов. Реакции химические (от лат. re- – приставка, означающая обратное действие, и actio – действие), превращения одних веществ (исходных соединений) в другие (продукты реакции) при неизменяемости ядер атомов. Исходные вещества иногда называют реагентами, однако чаще (особенно в органической химии) термин «реагент» используют по отношению к одному, наиболее активному исходному соединению, определяющему направление химической реакции [7].
Атомное ядро - центральная часть атома, состоящая из Z протонов и N нейтронов, в которой сосредоточена основная масса атомов. Заряд ядра - положительный, по величине равен количеству протонов в ядре или электронов в нейтральном атоме и совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе. Сумма протонов и нейтронов атомного ядра называется массовым числом A = Z + N.
Изотопы - химические элементы с одинаковыми зарядами ядер, но различными массовыми числами за счет разного числа нейтронов в ядре.
Химическая формула - это условная запись состава вещества с помощью химических знаков (предложены в 1814 г. Й. Берцелиусом) и индексов (индекс - цифра, стоящая справа внизу от символа. Обозначает число атомов в молекуле). Химическая формула показывает, атомы каких элементов и в каком отношении соединены между собой в молекуле. Простые вещества- молекулы, состоят из атомов одного и того же элемента. Cложные вещества - молекулы, состоят из атомов различных химических элементов. Аллотропия - явление образования химическим элементом нескольких простых веществ, различающихся по строению и свойствам. Международная единица атомных масс равна 1 /12 массы изотопа 12C - основного изотопа природного углерода. 1 а.е.м = 1 /12 · m (12C) = 1,66057 · 10-27 кг.
Относительная атомная масса (Ar) - безразмерная величина, равная отношению средней массы атома элемента (с учетом процентного содержания изотопов в природе) к 1 /12 массы атома 12C. Средняя абсолютная масса атома (m) равна относительной атомной массе, умноженной на а.е.м. Ar(Mg) = 24,312 m(Mg) = 24,312 · 1,66057 · 10-24 = 4,037 · 10-23 г Относительная молекулярная масса (Mr) - безразмерная величина, показывающая, во сколько раз масса молекулы данного вещества больше 1 /12 массы атома углерода 12C. Mг = mг /( 1 /12 mа( 12C)) mr - масса молекулы данного вещества; mа( 12C) - масса атома углерода 12C. Mг = Σ Aг(э). Относительная молекулярная масса вещества равна сумме относительных атомных масс всех элементов с учетом индексов. Абсолютная масса молекулы равна относительной молекулярной массе, умноженной на а.е.м. Число атомов и молекул в обычных образцах веществ очень велико, поэтому при характеристике количества вещества используют специальную единицу измерения - моль. Количество вещества, моль. Означает определенное число структурных элементов (молекул, атомов, ионов). Обозначается ν, измеряется в моль.
Моль - количество вещества, содержащее столько же частиц, сколько содержится атомов в 12 г углерода. Число Авогадро ди Кваренья (NA). Количество частиц в 1 моль любого вещества одно и то же и равно 6,02 · 1023. (Постоянная Авогадро имеет размерность - моль-1). Молярная масса показывает массу 1 моля вещества (обозначается M).
M = m / υ
Молярная масса вещества равна отношению массы вещества к соответствующему количеству вещества и численно равна его относительной молекулярной массе, однако первая величина имеет размерность г/моль, а вторая - безразмерная. M = NA · m(1 молекула) = NA · Mг · 1 а.е.м. = (NA · 1 а.е.м.) · Mг = Mг. Это означает, что если масса некоторой молекулы равна, например, 80 а.е.м. (SO3), то масса одного моля молекул равна 80 г. Постоянная Авогадро является коэффициентом пропорциональности, обеспечивающим переход от молекулярных соотношений к молярным. Все утверждения относительно молекул остаются справедливыми для молей (при замене, в случае необходимости, а.е.м. на г) Например, уравнение реакции: 2Na + Cl2 → 2NaCl, означает, что два атома натрия реагируют с одной молекулой хлора или, что одно и то же, два моль натрия реагируют с одним молем хлора [8].
3.2. Основные законы
Закон сохранения массы веществ (М.В.Ломоносов, 1748 г.; А.Лавуазье, 1789 г.) Масса всех веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе всех продуктов реакции. Атомно-молекулярное учение этот закон объясняет следующим образом: в результате химических реакций атомы не исчезают и не возникают, а происходит их перегруппировка (т.е. химическое превращение- это процесс разрыва одних связей между атомами и образование других, в результате чего из молекул исходных веществ получаются молекулы продуктов реакции). Поскольку число атомов до и после реакции остается неизменным, то их общая масса также изменяться не должна. Под массой понимали величину, характеризующую количество материи. Исходя из закона сохранения массы, можно составлять уравнения химических реакций и по ним производить расчеты. Он является основой количественного химического анализа.
Закон постоянства состава. Впервые сформулировал Ж.Пруст (1808 г)
Все индивидуальные химические вещества имеют постоянный качественный и количественный состав и определенное химическое строение, независимо от способа получения. Из закона постоянства состава следует, что при образовании сложного вещества элементы соединяются друг с другом в определенных массовых соотношениях. Закон Авогадро ди Кваренья (1811 г.) В равных объемах различных газов при одинаковых условиях (температура, давление и т.д.) содержится одинаковое число молекул. (Закон справедлив только для газообразных веществ.) Следствия. 1. Одно и то же число молекул различных газов при одинаковых условиях занимает одинаковые объемы. 2. При нормальных условиях (0°C = 273°К , 1 атм = 101,3 кПа) 1 моль любого газа занимает объем 22,4 л.
3.3 Основные классы неорганических соединений
По своим химическим свойствам элементы подразделяются на металлы, полуметаллы (B, Si, Ge, As, Se), неметаллы. Полуметаллы являются пограничными элементами, проявляющими свойства как металла, так и неметалла. Полуметаллы в большинстве случаев имеют металлическую и неметаллическую аллотропные модификации. Существование химического элемента в виде нескольких простых веществ называется аллотропией, а вещества, образованные одним и тем же элементом, – аллотропическими видоизменениями этого элемента: С – алмаз, графит; О – кислород (О2), озон (О3); S – аморфная, моноклинная, ромбовидная; Р – белый, красный, чёрный, фиолетовый. Химический элемент существует в следующих формах:
- Одиночные атомы (обычно при высоких температурах);
- Простые вещества (состоят из атомов одного и того же элемента);
- Сложные вещества (состоят из атомов разных элементов).
Химические элементы являются «кирпичиками», из которых построены вещества. Все вещества (цинк, азот, серная кислота, бензол, воздух, кремний, природная вода) делятся на чистые и смеси. Чистые вещества состоят из одинаковых молекул (цинк, азот, серная кислота, бензол). Смеси веществ состоят из разных молекул (воздух, природная вода). Чистые вещества делятся на простые вещества (цинк, азот, кремний) и сложные вещества или химические соединения (серная кислота, бензол).
Химические вещества принято делить на две группы: немногочисленную группу простых веществ (их, с учетом аллотропных модификаций, насчитывается около 400) и очень многочисленную группу сложных веществ. Простые вещества делятся на металлы (цинк), полуметаллы (кремний), неметаллы (азот). Химические соединения делятся на органические или соединения углерода и неорганические. К неорганическим относятся соединения остальных (кроме углерода) элементов периодической системы. Сложные вещества обычно делят на четыре важнейших класса: оксиды, основания (гидроксиды), кислоты, соли [9].
3.4 Периодический закон Менделеева
Свойства химических элементов (т.е. свойства и форма образуемых ими соединений) находятся в периодической зависимости от заряда ядра их атомов.
Исключений из закона в его современной формулировке нет. Была вскрыта причина периодичности: свойства химических элементов изменяются с возрастанием порядкового номера (заряда ядер) периодически потому, что периодически изменяется число электронов в наружном слое атома. Повторяемость сходных электронных структур приводит к повторяемости свойств элементов.
Периодическая система элементов