Введение. Основные понятия химии

Основной вопрос: «Что такое химия?»
Тезис: химия – наука о превращениях вообще.
Это так? Давайте превратим во что-нибудь некое свинцовое тело. Например, расплющим его. Это химия? Конечно, нет.
(Наш тезис “не катит”.)
Подметим, что химические превращения всегда протекают по основному стехиометрическому закону.
“Количества вступивших в реакцию веществ относятся друг к другу, а также к образовавшимся количествам продуктов как стехиометрические коэффициенты реакции.”
Эти отношения сводятся к отношениям целых чисел. Например,
10[Cr(N2H4CO)6]4[Cr(CN)6] + 1176KMnO4 + 2798HNO3 = = 35K2Cr2O7 + 420CO2 + 1106KNO3 + 1176Mn(NO3)2 + 1879H2O.
(коэффициенты могут быть большими!)

Основная задача химии – изучить возможности и закономерности таких превращений веществ, которые сопровождаются перераспределением электронной плотности в веществе, т.е – образованием или изменением химических связей.
Эти новые химические связи, которые являются однотипными для большого (макроскопического) числа частиц, приводят к определенной пространственной организации вещества. Такая пространственная организация называется строением вещества.
Вопросы:
III. Есть реакция: Bi209 + p → Po209 + n Это химическая реакция?
ядерная реакция поглощения протона ядром висмута с образованием изотопа полония и выделением нейтрона
В примерах I – III представлены «пограничные» с химией ситуации
II. H2O(лёд) → H2O(вода) Это химическая реакция?
I. P4 (белый) → Pn (красный) или С60 → Сграфит Это химические реакции?

Система – совокупность тел, находящихся во взаимодействии между собой и отделенных от окружающей среды.
Компонентом или же составляющей системы называют макроскопическую совокупность частиц вещества, которые могут быть экспериментально зафиксированы и однозначно охарактеризованы как самостоятельные частицы определенного состава и строения. Все частицы этой совокупности имеют одинаковые свойства и одинаково проявляют себя в различных экспериментальных ситуациях.
Независимые компоненты – такие компоненты (составляющие), которых достаточно для формирования всех фаз и компонентов данной системы.
Фаза – совокупность таких гомогенных тел системы, которые характеризуются одинаковыми свойствами и находятся в состоянии равновесия. При этом требуется, чтобы объемные свойства доминировали над поверхностными.

Вернемся к основному стехиометрическому закону.
Возникает сложность в том, как действует этот закон для твердой фазы и в первую очередь, для немолекулярной твердой фазы
Практически все твердые тела относятся к кристаллам. Идеальный кристалл можно представить как периодически повторяющиеся в пространстве одинаковые элементарные структурные единицы – элементарные ячейки кристалла. Элементарная ячейка в общем случае имеет форму косоугольного параллелепипеда.

В каждой пространственной решетке можно выделить структурный элемент минимального размера, который называется элементарной ячейкой. Вся кристаллическая решетка может быть построена путем параллельного переноса (трансляции) элементарной ячейки по некоторым направлениям.
Элементарная ячейка алмаза
К слову: о Маурице Эшере

Различают молекулярные и немолекулярные кристаллы. В первых химическая связь замыкается в определенных фрагментах (молекулах), во 2-ых система связей пронизывает весь кристалл.
Три типа точечных дефектов в кристалле: вакансии, междоузлия и антиструктуры

Пример окрашенного сильвина (KCl). Содержит избыток калия за счет образования вакансий в подрешетке хлора
Можно получить, выдерживая горячий KCl в парах чистого калия:
K(пар) = VCl + KK(в KCl) (содержание K варьируемо!)
Имеются и кристаллы с недостижимым идеальным (стехиометрическим) составом. Например, моносульфид железа всегда содержит избыток вакансий в подрешетке железа по сравнению с подрешеткой серы. Формула Fe1-xS.

Флюорит CaF2 и другие фториды ЩЗМ
Квазихимические реакции:
EuF3→CaF2 = EuCa + 2FF + Fi
2EuCl3→3CaCl2 = 2EuCa + 6ClCl +VCa

Пусть идет химическая реакция: один компонент превращается в другой. Каким способом можно графически показать такое превращение?
Пусть диоксид NO2 превращается в свой димер: 2NO2 → N2O4.
Предположим, взято 2 моль этого оксида. Пусть в нулевой момент времени продукта еще нет. Предположим, что реакция протекает в сторону димера до конца. На графике получим такую зависимость.
n(NO2)
n(N2O4)
4
3
2
1
1 2 3
А если взять не 2, а 4 моль NO2?
(См. красную линию.)

Рассмотрим реакцию N2 + 3H2 → 2NH3, считаем ее для каких-то условий также проходящей до конца Пусть в начальных условиях имеется 1 моль азота и 3 моль водорода. Как отразить изменение системы при прохождении реакции?
Уже не очень удобно!
А если в реакции участвует не три, а четыре различных сорта молекул?
Например,
4HI + O2 = 2I2 + 2H2O

Выход есть. Полезно введение химической переменной ξ
Подметим, что для рассматриваемой реакции
4HI + O2 = 2I2 + 2H2O
если отношение числа моль прореагировавших или выделившихся веществ к соответствующим стехиометрическим коэффициентам есть величина постоянная
Так, для реакции
ω1A + ω2B +... = ω3D + ω4E + ...
; I = A, B…, i = 1, 2, …

Учение о химических процессах. Две части:
Химическая термодинамика;
Химическая кинетика.
Химическая термодинамика – раздел химии о зависимости направления и пределов превращений веществ от условий, в которых эти вещества находятся. Рассматривается лишь начальное и конечное состояние веществ. Не учитывается путь, по которому протекает процесс и развитие во времени. Базовые вопросы т/д-ки: какая теплота выделяется/поглощается; какая работа может быть совершена; каково положение равновесия; каково направление процесса (возможен или невозможен процесс в данном направлении).
Химическая кинетика – раздел химии, в котором изучаются закономерности протекания химических реакций во времени, зависимости этих закономерностей от внешних условий, а также механизмы химических превращений.

Три основные части химической кинетики.
Феноменологическая кинетика – описание зависимости скорости реакции веществ от концентраций, температуры и других внешних условий. Прямая задача кинетики: известны схема (механизм) реакции и величины констант скорости. Требуется найти скорости реакций и концентрации веществ при известных условиях в известное время от начала реакции. Обратная задача кинетики: Есть экспериментальные данные. Надо найти механизм и кинетические характеристики (k, Ea, ...).
Теоретическая кинетика: вычисление кинетических характеристик (k, Ea, ...) на основании теории строения вещества и статистической физики.
Макрокинетика – решение кинетических задач в условиях массо- и теплопереноса.

Типичные экспериментальные кинетические данные
Имеется гомогенная реакция A → ωB (типа N2O4 →2NO2).
Проследим, как изменяется концентрация А во времени.
CA
CA°
τ
C1
C2
τ1 τ2
α
Это для гомогенной реакции и изохорных условий! Более корректное определение: