Основы химии: атомы, молекулы, связи, реакции…
Кратко, точно, научно и доходчиво
Игорь Владиславович Казаринов
© 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: