Закономерности, происходящие в веществах, процессы их превращения, при которых происходит изменение их состава и структуры, изучает раздел естествознания — химия. Она занимается явлениями природы, сопровождающими химические изменения вещества, изучает причины и законы управления химическими процессами, а также рассматривает составные части вещества и их применение на практике. Отдельные химические процессы (получение металлов из руд, крашение тканей и др.) использовались еще на заре становления человеческой цивилизации. Позже, в III—IV вв., зародилась алхимия, задачей которой было превращение неблагородных металлов в благородные (золото, серебро). Начиная с эпохи Возрождения химические исследования все в большей мере стали использовать для практических целей (металлургия, стеклоделие, керамика, получение красок и т. д.).
Химию можно определить как науку, изучающую вещества и процессы их превращения, сопровождающиеся изменением состава и структуры. Химический процесс сопровождается изменением состава веществ, их структуры и обязательно энергетическими изменениями в реагирующей системе. Вследствие взаимосвязанности форм движения материи и их взаимопре-
197
вращаемости в результате химических реакций имеет место превращение химической энергии в теплоту, свет и проч. Химия нужна человечеству для того, чтобы из вещества природы получать по возможности все необходимое — металлы, цемент, бетон, керамику, фарфор, стекло, каучук, пластмассы, искусственные волокна, лекарства и многое другое.
Основой химической науки является атомно-молекулярное учение (АМУ), закон сохранения материи, периодический закон и теория строения вещества, учение о химическом процессе (кинетика). Химические процессы подчиняются всеобщим законам природы — закону сохранения массы вещества и закону сохранения энергии. Закон сохранения массы вещества открыли М. В. Ломоносов и А. Л. Лавуазье почти независимо друг от друга. Они далеко продвинули развитие химии тем, что при химических реакциях применили физические методы, в частности взвешивание. Закон сохранения массы в химических процессах можно сформулировать так: сумма масс исходных веществ (соединений) равна сумме масс продуктов химической реакции. Например, при разложении воды масса воды будет равна сумме массы водорода и массы кислорода. Из закона сохранения вещества вытекает, что вещество нельзя ни создать из ничего, ни уничтожить совсем. Количественным выражением закона сохранения массы веществ применительно к производственному химическому процессу является материальный баланс, в котором подтверждается, что масса веществ, поступивших на технологическую операцию, равна массе полученных веществ. Закон сохранения энергии действует во всех случаях и повсюду, где одна форма энергии переходит в другую.
Несмотря на обилие эмпирического материала о свойствах различных веществ и их соединений, особенностях протекания разнообразных реакций, в химии, до открытия в 1869 г. периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева не существовало той объединяющей концепции, с которой можно было бы объяснить весь накопленный фактический материал. Было бы,
Дано:
соединение CxHyOz;
m (CO₂) = 4,4 г;
m (H₂O) = 1,8 г;
V (O₂) = 2,8 дм³.
Найти:
x, y, z — ?
n (C) = n (CO₂);
n (H) = 2n (H₂O);
2,8 дм³ = 2,8 л.
n (CO₂) = m (CO₂) ÷ M (CO₂) = 4,4 г ÷ 44 г/моль = 0,1 (моль).
n (H₂O) = m (H₂O) ÷ M (H₂O) = 1,8 г ÷ 18 г/моль = 0,1 (моль).
n (O₂) = V (O₂) ÷ Vm = 2,8 л ÷ 22,4 л/моль = 0,125 (моль).
m (O₂) = n (O₂) × Mr (O₂) = 0,125 моль × 32 г/моль = 4 (г).
По закону сохранения массы узнаем массу соединения CxHyOz.
x г + 4 г = 4,4 г + 1,8 г
x = 2,2 (г).
Из вышеупомянутых истин, напишем количество вещества C и H в соединении CxHyOz.
n (C) = n (CO₂) = 0,1 (моль).
n (H) = 2n (H₂O) = 0,2 (моль).
Теперь узнаем их массы.
m (C) = n (C) × M (C) = 0,1 моль × 12 г/моль = 1,2 (г) - столько массы приходится на углерод в соединении CxHyOz.
m (H) = n (H) × M (H) = 0,2 моль × 1 г/моль = 0,2 (г) - столько массы приходится на водород в соединении CxHyOz.
1,2 г + 0,2 г = 1,4 (г) - столько массы приходится на углерод и водород в соединении CxHyOz.
Вычтем это число из общей массы соединения, чтобы узнать сколько массы приходится на кислород.
2,2 г - 1,4 г = 0,8 (г) - столько граммов занимает кислород в CxHyOz.
Узнаем количество вещества (моль) кислорода.
n (O) = m (O) ÷ M (O) = 0,8 г ÷ 16 г/моль = 0,05 (моль).
Соотнесём моли C, H, O, чтобы узнать соотношения этих элементов в соединении CxHyOz.
n (C) : n (H) : n (O) = 0,1 : 0,2 : 0,05 | ÷ 0,05
n (C) : n (H) : n (O) = 2 : 4 : 1
Таким образом, эмпирическая формула соединения — C₂H₄O.