Атом – это наименьшая химически неразрушимая единица материи, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, движущихся вокруг ядра. Ядро атома состоит из нуклонов, включая положительно заряженные протоны и незаряженные нейтроны. Заряд протона равен заряду электрона, но знак заряда обратный. Масса протона примерно равна массе нейтрона, а масса электрона составляет примерно 1/2000 от массы протона.
Химический элемент – это группа атомов с одинаковым атомным зарядом. Каждый химический элемент имеет уникальный символ. Атомный номер химического элемента (т.е. его номер в таблице Менделеева) соответствует числу протонов в его ядре.
Изотопы – это разновидности атомов одного и того же элемента с разным числом нейтронов в ядре и, следовательно, разной массой.
Массовое число изотопа – это сумма протонов и нейтронов в ядре этого изотопа. Оно определяет массу изотопа и обычно обозначается буквой A. Например, изотоп углерод-12 имеет массовое число 12, а углерод-14 – массовое число 14.
Водород – уникальный элемент в таблице химических элементов, и его изотопы имеют собственные названия и обозначения: 1/1H (H) – протий, 2/1H (D) – дейтерий и 3/1H (T) – тритий. Если элемент состоит из смеси изотопов, его атомная масса рассчитывается как средневзвешенное значение масс всех его природных изотопов с учетом их относительной распространенности. Например, природный хлор состоит на 75% из изотопа 35Cl и на 25% из изотопа 37Cl. Его относительная атомная масса рассчитывается следующим образом: Ar = 0,75 – 35 + 0,25 – 37 = 35,5
Изобары – это атомы различных элементов, у которых одинаковое массовое число, но разное количество протонов и нейтронов в ядре. Например, 14N и 14C являются изобарами, поскольку они имеют одинаковое массовое число 14, но разное количество протонов и нейтронов в ядре.
Молекула представляет собой наименьшую электронейтральную частицу вещества, которая сохраняет его состав и химические свойства. Если молекула представляет собой простое вещество, то она состоит из атомов одного химического элемента, например, молекула водорода (H2) или молекула фосфора (P4). Простые вещества являются формой существования химических элементов в свободном виде. Однако один и тот же химический элемент может образовывать несколько простых веществ, которые называются аллотропными модификациями. Аллотропия может быть обусловлена различным составом молекул, как в случае кислорода (O2 и O3), или различным типом кристаллической решетки, как в случае алмаза и графита. Аллотропные модификации имеют различные физические свойства и химическую активность, но могут переходить друг в друга. Кроме того, существует большое количество простых веществ, превышающее число химических элементов. Сложные вещества состоят из атомов разных элементов, таких как вода (H2O) или уксусная кислота (CH3COOH).
Ион – это частица, состоящая из одного или нескольких атомов, которая обладает электрическим зарядом. Катионы – это положительно заряженные ионы, а анионы – отрицательно заряженные ионы. Существуют также диполярные ионы – это электронейтральные частицы, в которых отрицательные и положительные заряды компенсируют друг друга (например, +NH3CH2COO−).
Моль – это единица измерения количества вещества в системе СИ. Она определяется как количество элементарных структурных единиц, таких как атомы, молекулы, ионы или другие частицы, присутствующие в данном веществе. Важно отметить, что моль – это количество вещества, а не его масса.
Чтобы определить количество вещества в молях, необходимо знать молярную массу данного вещества, которая выражается в граммах на моль. Например, молярная масса кислорода равна 16 г/моль, что означает, что 1 моль кислорода весит 16 г.
Количество элементарных структурных единиц в одной моли называется числом Авогадро и равно приблизительно 6,02 x 10^23. Это число было названо в честь ученого Амедео Авогадро, который в 1811 году предложил гипотезу об одноатомных молекулах газов.
Значение числа Авогадро было определено экспериментально, путем измерения заряда электрона и его массы. Другим способом определения числа Авогадро является измерение массы изотопа углерода C-12, масса одного атома которого равна 12 единицам атомной массы. Таким образом, одна моль углерода-12 содержит 6,02 x 10^23 атомов, и это число используется для определения количества вещества в других материалах.
Атомная единица массы (а. е. м.) или дальтон (Да) — единица измерения массы, применяемая в физике и химии для измерения масс атомов, молекул и других частиц. Она определяется как 1/12 массы атома углерода 12С, которому присваивается масса 12,0000 а. е. м. (или 12 Да). Таким образом, масса атома водорода равна примерно 1,0078 а. е. м., масса атома кислорода — 15,9994 а. е. м.
Атомная единица массы удобна для сравнения масс различных атомов и молекул, так как позволяет избежать работы с очень малыми числами. Например, масса молекулы воды равна примерно 18,0153 а. е. м., что гораздо удобнее, чем работать с массой, выраженной в граммах (1 молекула воды массой 0,000 000 000 029 г).
Относительная атомная масса (Ar) – это отношение массы атома химического элемента к одной двенадцатой массы атома углерода-12 (12С). Она является безразмерной величиной и используется для определения массы атомов и молекул. Значение относительной атомной массы для каждого элемента можно найти в периодической системе элементов, и оно может варьироваться в зависимости от изотопов элемента и их распространенности в природе. Например, относительная атомная масса для хлора составляет 35,5, что означает, что средняя масса атомов хлора на 35,5 раз больше, чем масса одной двенадцатой массы атома углерода-12.
Относительная молекулярная масса (Mr) – это отношение массы молекулы вещества к массе атома углерода-12, принятой за 12 единиц. Она выражается в г/моль и является числом, равным сумме относительных атомных масс всех атомов, составляющих молекулу. Например, относительная молекулярная масса молекулы воды H2O равна 18, так как ее молекула состоит из двух атомов водорода (2 × 1 = 2) и одного атома кислорода (1 × 16 = 16), в сумме дающих 18. Относительная молекулярная масса используется для расчета количества вещества молекулы вещества по известной массе.
Молярная масса (M) – это масса одного моля вещества и измеряется в граммах на моль (г/моль). Молярная масса вычисляется как отношение массы вещества к количеству вещества в молях:
M = m/n
где m – масса вещества в граммах, а n – количество вещества в молях.
Молярная масса позволяет связать массу вещества с количеством вещества, что удобно при проведении расчетов в химии. Например, молярная масса воды равна 18 г/моль, что означает, что масса одного моля воды составляет 18 г.
Закон постоянства состава вещества, также известный как закон Пруста, утверждает, что химический соединитель всегда имеет постоянный состав по массе элементов, входящих в его состав. Другими словами, отношение массы каждого элемента к общей массе соединения всегда будет постоянным, независимо от источника соединения или способа его получения. Это означает, что если мы знаем массовые доли элементов в химическом соединении, мы можем точно определить его формулу. Закон Пруста является фундаментальным для химии и является одним из основных принципов, на которых базируется стехиометрия.
Закон сохранения массы, также известный как закон Ломоносова-Лавуазье, утверждает, что в ходе любой химической реакции общая масса реагентов остается неизменной и равна общей массе продуктов. Иными словами, масса веществ, участвующих в химической реакции, не может быть создана или уничтожена, а может только перейти из одной формы в другую. Этот закон является фундаментальным для химии и является одним из основных принципов ее изучения и практического применения.
Закон Авогадро утверждает, что одинаковые объемы любых газов при одинаковых условиях температуры и давления содержат одинаковое число молекул (или атомов в случае моноатомных газов). Следовательно, молярный объем газа при нормальных условиях (температуре 0 °C и давлении 1 атм) для всех газов будет равен одному и тому же числу молекул или атомов, а именно 22,4 л/моль. Этот закон был открыт итальянским ученым Амадео Авогадро в начале 19 века и сыграл важную роль в развитии науки о газах и теории кинетической молекулярной энергии.
