Les principes fondamentaux de la science atomique et moléculaire ont été exposés pour la première fois par Lomonossov. En 1741, dans l'un de ses premiers ouvrages - "Éléments de chimie mathématique" - Lomonosov a formulé les dispositions les plus importantes de la théorie dite corpusculaire de la structure de la matière qu'il a créée.
Selon les idées de Lomonossov, toutes les substances sont constituées de minuscules particules « insensibles », physiquement indivisibles et capables d’adhésion mutuelle. Les propriétés des substances sont déterminées par les propriétés de ces particules. Lomonossov a distingué deux types de telles particules : les plus petites - les « éléments », correspondant aux atomes au sens moderne de ce terme, et les plus grosses - les « corpuscules », que nous appelons maintenant molécules.
Chaque corpuscule a la même composition que la substance entière. Les substances chimiquement différentes ont également des corpuscules de composition différente. "Les corpuscules sont homogènes s'ils sont constitués du même nombre des mêmes éléments, connectés de la même manière", et "les corpuscules sont hétérogènes lorsque leurs éléments sont différents et connectés de différentes manières ou en nombres différents".
D'après les définitions ci-dessus, il est clair que Lomonossov croyait que la raison des différences entre les substances n'était pas seulement la différence dans la composition des corpuscules, mais également la disposition différente des éléments dans le corpuscule.
Lomonosov a souligné que les corpuscules se déplacent selon les lois de la mécanique ; Sans mouvement, les corpuscules ne peuvent pas entrer en collision les uns avec les autres ou agir les uns sur les autres et changer. Puisque tous les changements dans les substances sont provoqués par le mouvement des corpuscules, les transformations chimiques doivent être étudiées non seulement par les méthodes de la chimie, mais aussi par les méthodes de la physique et des mathématiques.
Au cours des plus de 200 ans qui se sont écoulés depuis que Lomonosov a vécu et travaillé, ses idées sur la structure de la matière ont été soumises à des tests approfondis et leur validité a été pleinement confirmée. Actuellement, toutes nos idées sur la structure de la matière, les propriétés des substances et la nature des phénomènes physiques et chimiques sont basées sur la science atomique-moléculaire.
La base de l'enseignement atomique-moléculaire est le principe de discrétion (discontinuité de la structure) de la matière : toute substance n'est pas quelque chose de continu, mais est constituée de très petites particules individuelles. La différence entre les substances est due à la différence entre leurs particules ; Les particules d'une substance sont identiques, les particules de substances différentes sont différentes. Dans toutes les conditions, les particules de matière sont en mouvement ; plus la température corporelle est élevée, plus ce mouvement est intense.
Pour la plupart des substances, les particules sont des molécules. Une molécule est la plus petite particule d’une substance qui possède ses propriétés chimiques. Les molécules, quant à elles, sont constituées d’atomes. Un atome est la plus petite particule d'un élément qui possède ses propriétés chimiques. Une molécule peut contenir un nombre différent d'atomes. Ainsi, les molécules de gaz rares sont monoatomiques, les molécules de substances telles que l'hydrogène, l'azote sont diatomiques, l'eau est triatomique, etc. Les molécules des substances les plus complexes - protéines supérieures et acides nucléiques - sont construites à partir d'un certain nombre d'atomes qui se mesure en centaines de milliers.
Dans ce cas, les atomes peuvent se combiner les uns avec les autres non seulement dans des proportions différentes, mais également de différentes manières. Par conséquent, avec un nombre relativement faible d’éléments chimiques, le nombre de substances différentes est très important.
Les élèves se demandent souvent pourquoi la molécule d’une substance donnée n’a pas ses propriétés physiques. Afin de mieux comprendre la réponse à cette question, considérons plusieurs propriétés physiques des substances, par exemple les points de fusion et d'ébullition, la capacité thermique, la résistance mécanique, la dureté, la densité, la conductivité électrique.
Les propriétés telles que les points de fusion et d'ébullition, la résistance mécanique et la dureté sont déterminées par la force des liaisons entre les molécules d'une substance donnée à son état d'agrégation donné ; par conséquent, appliquer de tels concepts à une seule molécule n’a pas de sens. La densité est une propriété que possède une molécule individuelle et qui peut être calculée. Cependant, la densité d'une molécule est toujours supérieure à la densité d'une substance (même à l'état solide), car dans toute substance, il y a toujours un espace libre entre les molécules. Et des propriétés telles que la conductivité électrique et la capacité thermique ne sont pas déterminées par les propriétés des molécules, mais par la structure de la substance dans son ensemble. Pour s'en convaincre, il suffit de rappeler que ces propriétés changent grandement lorsque l'état d'agrégation d'une substance change, alors que les molécules ne subissent pas de changements profonds. Ainsi, les concepts de certaines propriétés physiques ne sont pas applicables à une molécule individuelle, tandis que d'autres le sont, mais ces propriétés elles-mêmes ont une ampleur différente pour la molécule et pour la substance dans son ensemble.
Les particules qui composent une substance ne sont pas toujours des molécules. De nombreuses substances à l’état solide et liquide, comme la plupart des sels, ont une structure ionique plutôt que moléculaire. Certaines substances ont une structure atomique. La structure des solides et des liquides sera discutée plus en détail au chapitre V, mais nous soulignerons ici seulement que dans les substances à structure ionique ou atomique, le porteur des propriétés chimiques ne sont pas des molécules, mais des combinaisons d'ions ou d'atomes qui former la substance donnée.
Science atomique et moléculaire- un ensemble de dispositions, d'axiomes et de lois qui décrivent toutes les substances comme un ensemble de molécules constituées d'atomes.
Philosophes grecs antiques Bien avant le début de notre ère, ils avançaient déjà dans leurs ouvrages la théorie de l’existence des atomes. Rejetant l'existence de dieux et de forces d'un autre monde, ils ont essayé d'expliquer tous les phénomènes naturels incompréhensibles et mystérieux par des causes naturelles - la connexion et la séparation, l'interaction et le mélange de particules invisibles à l'œil humain - les atomes. Mais pendant de nombreux siècles, les ministres de l'Église ont persécuté les adeptes et les adeptes de la doctrine des atomes et les ont soumis à la persécution. Mais en raison du manque de dispositifs techniques nécessaires, les philosophes antiques ne pouvaient pas étudier scrupuleusement les phénomènes naturels et, sous le concept d'« atome », ils cachaient le concept moderne de « molécule ».
Seulement au milieu du XVIIIe siècle le grand scientifique russe M.V. Lomonossov concepts atomiques-moléculaires étayés en chimie. Les principales dispositions de son enseignement sont exposées dans l'ouvrage « Éléments de chimie mathématique » (1741) et dans plusieurs autres. Lomonossov a nommé la théorie théorie corpusculaire-cinétique.
M.V. Lomonossov distingue clairement deux étapes dans la structure de la matière : les éléments (au sens moderne - les atomes) et les corpuscules (molécules). La base de sa théorie corpusculaire-cinétique (enseignement atomique-moléculaire moderne) est le principe de discontinuité de la structure (discrétion) de la matière : toute substance est constituée de particules individuelles.
En 1745, M.V. Lomonosov a écrit :« Un élément est une partie d'un corps qui ne se compose pas de corps plus petits et différents... Les corpuscules sont un ensemble d'éléments en une seule petite masse. Ils sont homogènes s’ils sont constitués du même nombre de mêmes éléments reliés de la même manière. Les corpuscules sont hétérogènes lorsque leurs éléments sont différents et reliés de différentes manières ou en nombres différents ; la variété infinie des corps en dépend.
Molécule est la plus petite particule d'une substance qui possède toutes ses propriétés chimiques. Substances ayant structure moléculaire, constitués de molécules (la plupart des non-métaux, des substances organiques). Une partie importante des substances inorganiques est constituée d'atomes(réseau cristallin atomique) ou des ions (structure ionique). Ces substances comprennent des oxydes, des sulfures, divers sels, du diamant, des métaux, du graphite, etc. Le porteur des propriétés chimiques de ces substances est une combinaison de particules élémentaires (ions ou atomes), c'est-à-dire qu'un cristal est une molécule géante.
Les molécules sont constituées d'atomes. Atome- le plus petit composant chimiquement indivisible de la molécule.
Il s'avère que la théorie moléculaire explique les phénomènes physiques qui se produisent avec les substances. L’étude des atomes vient au secours de la théorie moléculaire pour expliquer les phénomènes chimiques. Ces deux théories – moléculaire et atomique – sont combinées dans la théorie atomique-moléculaire. L'essence de cette doctrine peut être formulée sous la forme de plusieurs lois et règlements :
- les substances sont constituées d’atomes ;
- lorsque les atomes interagissent, des molécules simples et complexes se forment ;
- lors de phénomènes physiques, les molécules sont préservées, leur composition ne change pas ; avec des produits chimiques - ils sont détruits, leur composition change ;
- les molécules de substances sont constituées d'atomes ; dans les réactions chimiques, les atomes, contrairement aux molécules, sont préservés ;
- les atomes d'un élément sont similaires les uns aux autres, mais différents des atomes de tout autre élément ;
- les réactions chimiques impliquent la formation de nouvelles substances à partir des mêmes atomes qui constituaient les substances d'origine.
Grâce à sa théorie atomique-moléculaire M.V. Lomonossov est à juste titre considéré comme le fondateur de la chimie scientifique.
site Web, lors de la copie du matériel en totalité ou en partie, un lien vers la source est requis.
Sujet de cours : CONCEPTS DE BASE ET LOIS DE LA CHIMIE.
Plan:
CONCEPTS DE BASE DE LA CHIMIE. ENSEIGNEMENT ATOMIQUE-MOLÉCULAIRE
LOIS FONDAMENTALES DE LA CHIMIE
LOIS DE BASE SUR LE GAZ
ÉQUIVALENT CHIMIQUE. LOI DES RELATIONS ÉQUIVALENTES
RÉACTIONS CHIMIQUES. CLASSIFICATION DES RÉACTIONS CHIMIQUES
LA PLACE DE LA CHIMIE PARMI LES AUTRES SCIENCES
La chimie fait référence aux sciences naturelles qui étudient le monde matériel qui nous entoure, ses phénomènes et ses lois.
La loi fondamentale de la nature est la loi de l’éternité de la matière et de son mouvement. Des formes distinctes de mouvement de la matière sont étudiées par des sciences distinctes. La place de la chimie, qui traite principalement du niveau moléculaire (et atomique) d'organisation de la matière, se situe entre la physique des particules (niveau subatomique) et la biologie (niveau supramoléculaire).
Chimie- la science des substances, de leur composition, de leur structure, de leurs propriétés et de leurs transformations associées aux changements dans la composition, la structure et les propriétés des particules qui les forment.
Le grand scientifique russe M.V. Lomonossov a déclaré : « La chimie s’étend largement aux affaires humaines. » En effet, il n'existe pratiquement aucune discipline technique qui puisse se passer de connaissances en chimie. Même des sciences aussi modernes et apparemment lointaines que l'électronique et l'informatique ont aujourd'hui reçu un nouvel élan dans leur développement en concluant une « alliance » avec la chimie (enregistrement d'informations au niveau moléculaire, développement de bio-ordinateurs, etc.). Que dire alors des disciplines fondamentales : physique, biologie, etc., où existent depuis longtemps des sections indépendantes confinant à la chimie (physique chimique, biochimie, géochimie, etc.).
CONCEPTS DE BASE DE LA CHIMIE.
ENSEIGNEMENT ATOMIQUE-MOLÉCULAIRE
L'idée des atomes en tant qu'éléments structurels du monde matériel est originaire de la Grèce antique (Leucippe, Démocrite, Ier-IIIe siècles avant JC). Mais seulement à la fin du XVIIIe – début du XIXe siècle. La science atomique et moléculaire a été créée. La contribution la plus importante à la généralisation du matériel accumulé a été apportée par M. V. Lomonossov.
L'enseignement atomique-moléculaire comprend les principes de base suivants :
1. Toutes les substances ne sont pas solides, mais sont constituées de particules (molécules, atomes, ions).
2. Les molécules sont constituées d’atomes (éléments).
3. Les différences entre les substances sont déterminées par les différences dans les particules qui les forment, qui diffèrent les unes des autres par leur composition, leur structure et leurs propriétés.
4. Toutes les particules sont en mouvement constant, dont la vitesse augmente lorsqu'elles sont chauffées.
Atome- la plus petite particule d'un élément chimique porteur de ses propriétés. Il s’agit d’un microsystème électriquement neutre dont le comportement obéit aux lois de la mécanique quantique.
Élément chimique- un type d'atomes qui ont la même charge nucléaire positive et se caractérisent par un certain ensemble de propriétés.
Isotopes- des atomes d'un même élément qui diffèrent par leur masse (le nombre de neutrons dans le noyau).
Tout élément chimique dans la nature est représenté par une certaine composition isotopique, sa masse est donc calculée comme une certaine valeur moyenne à partir des masses d'isotopes, en tenant compte de leur contenu dans la nature.
Molécule- la plus petite particule d'une substance porteuse de ses propriétés et capable d'exister indépendamment.
Substance simple- une substance dont les molécules sont constituées uniquement d'atomes d'un élément.
Allotropie- la capacité d'un élément à former des substances simples ayant une composition, une structure et des propriétés différentes.
Des variétés de modifications allotropiques sont définies :
Un nombre différent d'atomes d'un élément dans la molécule d'une substance simple, par exemple l'oxygène (O 2) et l'ozone (O 3).
Différences dans la structure du réseau cristallin d'une substance simple, par exemple un composé de carbone : graphite (réseau plat ou bidimensionnel) et diamant (réseau volumétrique ou tridimensionnel).
Substance complexe- une substance dont les molécules sont constituées d'atomes de différents éléments.
Les substances complexes constituées de seulement deux éléments sont dites binaires, par exemple :
Ø oxydes : CO, CO 2, CaO, Na 2 O, FeO, Fe 2 O 3 ;
Ø sulfures : ZnS, Na 2 S, CS 2 ;
Ø hydrures : CaH 2, LiH, NaH ;
Ø nitrures : Li 3 N, Ca 3 N 2, AlN ;
Ø phosphures : Li 3 P, Mg 3 P 2, AlP ;
Ø carbures : Be 2 C, Al 4 C 3, Ag 2 C 2 ;
Ø siliciures : Ca 2 Si, Na 4 Si.
Les composés complexes constitués de plus de deux éléments appartiennent aux principales classes de composés inorganiques. Ce sont des hydroxydes (acides et bases) et des sels, y compris des composés complexes.
Les atomes et les molécules ont une masse absolue, par exemple la masse d'un atome C 12 est de 2,10 -26 kg.
Il n'est pas pratique d'utiliser de telles quantités dans la pratique, c'est pourquoi l'échelle de masse relative est adoptée en chimie.
Unité de masse atomique(a.u.m.) est égal à 1/12 de la masse de l'isotope C 12.
Masse atomique relative (Un r- quantité sans dimension) est égale au rapport de la masse moyenne d'un atome à a. e.m.
Poids moléculaire relatif (M- quantité sans dimension) est égale au rapport de la masse moyenne d'une molécule à a. e.m.
Taupe(ν - "nu" ou n) - la quantité d'une substance contenant le même nombre d'unités structurelles (atomes, molécules ou ions) qu'il y a d'atomes dans 12 g de l'isotope C 12.
Le numéro d'Avogadro- le nombre de particules (atomes, molécules, ions, etc.) contenues dans 1 mole de toute substance.
N A = 6,02·10 23.
Des valeurs plus précises de certaines constantes fondamentales sont données dans les tableaux en annexe.
Masse molaire de la substance (M) est la masse de 1 mole d'une substance. Il est calculé comme le rapport entre la masse d'une substance et sa quantité :
La masse molaire est numériquement égale Un r(pour les atomes) ou M(pour les molécules).
À partir de l'équation 1, vous pouvez déterminer la quantité d'une substance si sa masse et sa masse molaire sont connues :
(2)
Volume molaire (V m pour les gaz) est le volume d’une mole d’une substance. Il est calculé comme le rapport du volume de gaz à sa quantité :
(3)
Volume de 1 mole de n'importe quel gaz dans des conditions normales (P = 1 guichet automatique = 760 mm. Hg Art. = 101,3 kPa ; T = 273TS = 0°C) est égal à 22,4 l.
(4)
La densité d'une substance est égale au rapport de sa masse sur son volume.
(5)
§ 1 M.V. Lomonossov en tant que fondateur de la science atomique et moléculaire
Depuis le XVIIe siècle, la science dispose d’un enseignement moléculaire, utilisé pour expliquer les phénomènes physiques. L'application pratique de la théorie moléculaire en chimie était limitée par le fait que ses dispositions ne pouvaient pas expliquer l'essence de l'apparition de réactions chimiques ni répondre à la question de savoir comment de nouvelles substances se formaient à partir de certaines substances au cours d'un processus chimique.
La solution à ce problème s’est avérée possible sur la base de la théorie atomique-moléculaire. En 1741, dans le livre « Éléments de chimie mathématique », Mikhaïl Vassilievitch Lomonossov a effectivement formulé les fondements de la science atomique et moléculaire. Le scientifique-encyclopédiste russe considérait la structure de la matière non pas comme une combinaison spécifique d'atomes, mais comme une combinaison de particules plus grosses - des corpuscules, qui, à leur tour, sont constituées de particules plus petites - des éléments.
La terminologie de Lomonosov a subi des changements au fil du temps : ce qu'il appelait corpuscules a commencé à être appelé molécules, et le terme élément a été remplacé par le terme atome. Cependant, l’essence des idées et des définitions qu’il a exprimées avec brio a résisté à l’épreuve du temps.
§ 2 Histoire du développement de la science atomique-moléculaire
L'histoire du développement et de l'établissement de la science atomique et moléculaire dans la science s'est avérée très difficile. Travailler avec des objets du micromonde posait d'énormes difficultés : les atomes et les molécules étaient impossibles à voir et donc à vérifier leur existence, et les tentatives de mesure des masses atomiques aboutissaient souvent à l'obtention de résultats erronés. 67 ans après la découverte de Lomonosov, en 1808, le célèbre scientifique anglais John Dalton avance l'hypothèse atomique. Selon lui, les atomes sont les plus petites particules de matière qui ne peuvent pas être divisées en leurs composants ni converties les unes dans les autres. Selon Dalton, tous les atomes d’un élément ont exactement le même poids et sont différents des atomes des autres éléments. En combinant la théorie des atomes avec la théorie des éléments chimiques développée par Robert Boyle et Mikhail Vasilyevich Lomonosov, Dalton a fourni une base solide pour la poursuite des recherches théoriques en chimie. Malheureusement, Dalton a nié l’existence de molécules dans des substances simples. Il croyait que seules les substances complexes sont constituées de molécules. Cela n'a pas contribué au développement et à l'application ultérieurs de l'enseignement atomique-moléculaire.
Les conditions de diffusion des idées de la science atomique-moléculaire dans les sciences naturelles ne se sont développées que dans la seconde moitié du XIXe siècle. En 1860, lors du Congrès international des naturalistes tenu dans la ville allemande de Karlsruhe, des définitions scientifiques de l'atome et de la molécule ont été adoptées. À cette époque, il n’existait aucune étude sur la structure des substances. Il était donc admis que toutes les substances étaient constituées de molécules. On croyait que les substances simples, comme les métaux, étaient constituées de molécules monoatomiques. Par la suite, une extension aussi complète du principe de structure moléculaire à toutes les substances s'est avérée erronée.
§ 3 Dispositions fondamentales de l'enseignement atomique-moléculaire
1. Une molécule est la plus petite partie d’une substance qui conserve sa composition et ses propriétés les plus importantes.
2. Les molécules sont constituées d’atomes. Les atomes d'un élément sont similaires les uns aux autres, mais différents des atomes d'autres éléments chimiques.
Concepts de base de la chimie, lois de la stœchiométrie
L'atomisme chimique (théorie atomique-moléculaire) est historiquement le premier concept théorique fondamental qui constitue la base de la science chimique moderne. La formation de cette théorie a duré plus de cent ans et est associée aux activités de chimistes aussi remarquables que M.V. Lomonosov, A.L. Lavoisier, J. Dalton, A. Avogadro, S. Cannizzaro.
La théorie atomique-moléculaire moderne peut être présentée sous la forme d'un certain nombre de dispositions :
1. Les substances chimiques ont une structure discrète (discontinue). Les particules de matière sont en mouvement thermique chaotique constant.
2. L’unité structurelle de base d’une substance chimique est l’atome.
3. Les atomes d’une substance chimique sont liés les uns aux autres pour former des particules moléculaires ou des agrégats atomiques (structures supramoléculaires).
4. Les substances complexes (ou composés chimiques) sont constituées d'atomes de différents éléments. Les substances simples sont constituées d'atomes d'un élément et doivent être considérées comme des composés chimiques homonucléaires.
Lors de la formulation des principes de base de la théorie atomique-moléculaire, nous avons dû introduire plusieurs concepts qui doivent être discutés plus en détail, car ils sont fondamentaux dans la chimie moderne. Ce sont les concepts d’« atome » et de « molécule », plus précisément de particules atomiques et moléculaires.
Les particules atomiques comprennent l'atome lui-même, les ions atomiques, les radicaux atomiques et les ions radicaux atomiques.
Un atome est la plus petite particule électriquement neutre d'un élément chimique, qui est porteuse de ses propriétés chimiques, et se compose d'un noyau chargé positivement et d'une couche électronique.
Ion atomique est une particule atomique qui a une charge électrostatique, mais qui n'a pas d'électrons non appariés, par exemple, Cl - est un anion chlorure, Na + est un cation sodium.
Radical atomique- une particule atomique électriquement neutre contenant des électrons non appariés. Par exemple, l’atome d’hydrogène est en réalité un radical atomique – H × .
Une particule atomique qui possède une charge électrostatique et des électrons non appariés est appelée ion radical atomique. Un exemple d'une telle particule est le cation Mn 2+, qui contient cinq électrons non appariés au sous-niveau d (3d 5).
L’une des caractéristiques physiques les plus importantes d’un atome est sa masse. Puisque la valeur absolue de la masse d'un atome est négligeable (la masse d'un atome d'hydrogène est de 1,67×10 -27 kg), la chimie utilise une échelle de masse relative, dans laquelle 1/12 de la masse d'un atome de carbone d'isotope- 12 est choisi comme unité. La masse atomique relative est le rapport entre la masse d'un atome et 1/12 de la masse d'un atome de carbone de l'isotope 12 C.
Il est à noter que dans le système périodique D.I. Mendeleïev présente les masses atomiques isotopiques moyennes des éléments, qui sont principalement représentées par plusieurs isotopes qui contribuent à la masse atomique d'un élément proportionnellement à leur contenu dans la nature. Ainsi, l'élément chlore est représenté par deux isotopes - 35 Cl (75 % en moles) et 37 Cl (25 % en moles). La masse isotopique moyenne de l’élément chlore est de 35,453 amu. (unités de masse atomique) (35×0,75 + 37×0,25).
Semblables aux particules atomiques, les particules moléculaires comprennent les molécules elles-mêmes, les ions moléculaires, les radicaux moléculaires et les ions radicaux.
Une particule moléculaire est la plus petite collection stable de particules atomiques interconnectées, porteuse des propriétés chimiques d'une substance. La molécule est dépourvue de charge électrostatique et ne possède pas d’électrons non appariés.
ion moléculaire est une particule moléculaire qui a une charge électrostatique, mais qui n'a pas d'électrons non appariés, par exemple, NO 3 - est un anion nitrate, NH 4 + est un cation ammonium.
radical moléculaire est une particule moléculaire électriquement neutre contenant des électrons non appariés. La plupart des radicaux sont des particules de réaction ayant une durée de vie courte (de l'ordre de 10 -3 -10 -5 s), bien que des radicaux assez stables soient actuellement connus. Donc radical méthyle × CH 3 est une particule typique peu stable. Cependant, si les atomes d'hydrogène qu'il contient sont remplacés par des radicaux phényle, un radical moléculaire stable, triphénylméthyle, se forme.
Les molécules comportant un nombre impair d'électrons, comme NO ou NO 2 , peuvent également être considérées comme des radicaux libres très stables.
Une particule moléculaire qui possède une charge électrostatique et des électrons non appariés est appelée ion radical moléculaire. Un exemple d'une telle particule est le cation radical oxygène – ×O 2 + .
Une caractéristique importante d’une molécule est son poids moléculaire relatif. La masse moléculaire relative (M r) est le rapport de la masse isotopique moyenne d'une molécule, calculée en tenant compte de la teneur naturelle en isotopes, à 1/12 de la masse d'un atome de carbone de l'isotope 12 C.
Ainsi, nous avons découvert que la plus petite unité structurelle de toute substance chimique est un atome, ou plutôt une particule atomique. À leur tour, dans toute substance, à l'exclusion des gaz inertes, les atomes sont reliés les uns aux autres par des liaisons chimiques. Dans ce cas, la formation de deux types de substances est possible :
· composés moléculaires dans lesquels les plus petits porteurs de propriétés chimiques avec une structure stable peuvent être identifiés ;
· les composés de structure supramoléculaire, qui sont des agrégats atomiques dans lesquels les particules atomiques sont liées par des liaisons covalentes, ioniques ou métalliques.
En conséquence, les substances ayant une structure supramoléculaire sont des cristaux atomiques, ioniques ou métalliques. À leur tour, les substances moléculaires forment des cristaux moléculaires ou moléculaires-ioniques. Les substances qui se trouvent dans des conditions normales dans un état d'agrégation gazeux ou liquide ont également une structure moléculaire.
En effet, lorsque nous travaillons avec une substance chimique spécifique, nous n'avons pas affaire à des atomes ou des molécules individuelles, mais à un ensemble d'un très grand nombre de particules dont les niveaux d'organisation peuvent être représentés par le schéma suivant :
Pour une description quantitative de grands ensembles de particules, qui sont des macrocorps, un concept spécial de « quantité de matière » a été introduit, en tant que nombre strictement défini de ses éléments structurels. L'unité de quantité d'une substance est la taupe. Une taupe est une quantité de substance(n) , contenant autant d'unités structurales ou de formule qu'il y a d'atomes contenus dans 12 g d'isotope du carbone 12 C. Actuellement, ce nombre est mesuré avec assez de précision et est de 6,022 × 10 23 (nombre d'Avogadro, N A). Les atomes, molécules, ions, liaisons chimiques et autres objets du micromonde peuvent agir comme des unités structurelles. La notion d'« unité de formule » est utilisée pour les substances ayant une structure supramoléculaire et est définie comme la relation la plus simple entre ses éléments constitutifs (formule brute). Dans ce cas, l’unité de formule joue le rôle d’une molécule. Par exemple, 1 mole de chlorure de calcium contient 6,022 × 10 23 unités de formule - CaCl 2.
L'une des caractéristiques importantes d'une substance est sa masse molaire (M, kg/mol, g/mol). La masse molaire est la masse d'une mole d'une substance. La masse moléculaire relative et la masse molaire d'une substance sont numériquement les mêmes, mais ont des dimensions différentes, par exemple, pour l'eau M r = 18 (les masses atomiques et moléculaires relatives sont des valeurs sans dimension), M = 18 g/mol. La quantité de substance et la masse molaire sont liées par une relation simple :
Les lois stœchiométriques fondamentales formulées au tournant des XVIIe et XVIIIe siècles ont joué un rôle majeur dans la formation de l'atomisme chimique.
1. Loi de conservation de la masse (M.V. Lomonossov, 1748).
La somme des masses des produits de réaction est égale à la somme des masses des substances qui ont interagi. Sous forme mathématique, cette loi s'exprime par l'équation suivante :
A cette loi s'ajoute la loi de conservation de la masse d'un élément (A. Lavoisier, 1789). Selon cette loi Lors d'une réaction chimique, la masse de chaque élément reste constante.
Lois M.V. Lomonossov et A. Lavoisier ont trouvé une explication simple dans le cadre de la théorie atomique. En effet, lors de toute réaction, les atomes des éléments chimiques restent inchangés et en quantités constantes, ce qui implique à la fois la constance de la masse de chaque élément individuellement et du système de substances dans son ensemble.
Les lois considérées sont d'une importance décisive pour la chimie, car elles permettent de modéliser des réactions chimiques à l'aide d'équations et d'effectuer des calculs quantitatifs à partir de celles-ci. Il convient toutefois de noter que la loi de conservation de la masse n’est pas absolument exacte. Comme il ressort de la théorie de la relativité (A. Einstein, 1905), tout processus qui se produit avec la libération d'énergie s'accompagne d'une diminution de la masse du système conformément à l'équation :
où DE est l'énergie libérée, Dm est la variation de la masse du système, c est la vitesse de la lumière dans le vide (3,0×10 8 m/s). En conséquence, l’équation de la loi de conservation de la masse doit s’écrire sous la forme suivante :
Ainsi, les réactions exothermiques s'accompagnent d'une diminution de masse, et les réactions endothermiques s'accompagnent d'une augmentation de masse. Dans ce cas, la loi de conservation de la masse peut être formulée comme suit : dans un système isolé, la somme des masses et des énergies réduites est une quantité constante. Cependant, pour les réactions chimiques dont les effets thermiques se mesurent en centaines de kJ/mol, le défaut de masse est de 10 -8 -10 -9 g et ne peut être détecté expérimentalement.
2. Loi de constance de la composition (J. Proust, 1799-1804).
Une substance chimique individuelle de structure moléculaire a une composition qualitative et quantitative constante, indépendamment de la méthode de préparation.. Les composés qui obéissent à la loi de composition constante sont appelés daltonien. Les daltonides sont tous des composés organiques actuellement connus (environ 30 millions) et une partie (environ 100 000) de substances inorganiques. Substances ayant une structure non moléculaire ( Bertolidès), n'obéissent pas à cette loi et peuvent avoir une composition variable, selon le mode d'obtention de l'échantillon. Il s'agit notamment de la majorité (environ 500 000) de substances inorganiques. Il s'agit principalement de composés binaires d'éléments d (oxydes, sulfures, nitrures, carbures, etc.). Un exemple de composé de composition variable est l'oxyde de titane (III) dont la composition varie de TiO 1,46 à TiO 1,56. La raison de la composition variable et de l'irrationalité des formules de Bertolide sont des changements dans la composition de certaines cellules élémentaires du cristal (défauts dans la structure cristalline), qui n'entraînent pas de changement brusque dans les propriétés de la substance. Pour les Daltonides, un tel phénomène est impossible, puisqu'un changement dans la composition de la molécule conduit à la formation d'un nouveau composé chimique.
3. Loi des équivalents (I. Richter, J. Dalton, 1792-1804).
Les masses des substances en réaction sont directement proportionnelles à leurs masses équivalentes.
où E A et E B sont les masses équivalentes des substances en réaction.
La masse équivalente d'une substance est la masse molaire de son équivalent.
Un équivalent est une particule réelle ou conditionnelle qui donne ou gagne un cation hydrogène dans des réactions acide-base, un électron dans des réactions redox, ou interagit avec un équivalent de toute autre substance dans des réactions d'échange.. Par exemple, lorsque le zinc métallique réagit avec un acide, un atome de zinc déplace deux atomes d'hydrogène, cédant ainsi deux électrons :
Zn + 2H + = Zn 2+ + H 2
Zn 0 - 2e - = Zn 2+
L’équivalent du zinc est donc la moitié de son atome, soit 1/2 Zn (particule conditionnelle).
Le nombre indiquant quelle partie de la molécule ou de l'unité de formule d'une substance est son équivalent est appelé facteur d'équivalence - f e. La masse équivalente, ou masse molaire d'équivalent, est définie comme le produit du facteur d'équivalence et de la masse molaire :
Par exemple, dans une réaction de neutralisation, l’acide sulfurique cède deux cations hydrogène :
H 2 SO 4 + 2KOH = K 2 SO 4 + 2H 2 O
En conséquence, l'équivalent de l'acide sulfurique est 1/2 H 2 SO 4, le facteur d'équivalence est 1/2 et la masse équivalente est (1/2) × 98 = 49 g/mol. L'hydroxyde de potassium lie un cation hydrogène, son équivalent est donc l'unité de formule, le facteur d'équivalence est égal à un et la masse équivalente est égale à la masse molaire, c'est-à-dire 56 g/mol.
D'après les exemples considérés, il ressort clairement que lors du calcul de la masse équivalente, il est nécessaire de déterminer le facteur d'équivalence. Il existe un certain nombre de règles pour cela :
1. Le facteur d'équivalence d'un acide ou d'une base est égal à 1/n, où n est le nombre de cations hydrogène ou d'anions hydroxyde impliqués dans la réaction.
2. Le facteur d'équivalence du sel est égal au quotient d'unité divisé par le produit de la valence (v) du cation métallique ou du résidu acide et de leur nombre (n) dans la composition du sel (indice stoechiométrique dans la formule) :
Par exemple, pour Al 2 (SO 4) 3 - f e = 1/6
3. Le facteur d'équivalence d'un agent oxydant (agent réducteur) est égal au quotient de l'unité divisé par le nombre d'électrons attachés (donnés) par celui-ci.
Il convient de prêter attention au fait que le même composé peut avoir un facteur d'équivalence différent dans différentes réactions. Par exemple, dans les réactions acido-basiques :
H 3 PO 4 + KOH = KH 2 PO 4 + H 2 O f e (H 3 PO 4) = 1
H 3 PO 4 + 2KOH = K 2 HPO 4 + 2H 2 O f e (H 3 PO 4) = 1/2
H 3 PO 4 + 3KOH = K 3 PO 4 + 3H 2 O f e (H 3 PO 4) = 1/3
ou dans les réactions redox :
KMn 7+ O 4 + NaNO 2 + H 2 SO 4 ® Mn 2+ SO 4 + NaNO 3 + K 2 SO 4 + H 2 O
MnO 4 - + 8H + + 5e - ® Mn 2+ + 4H 2 O f e (KMnO 4) = 1/5
