Училищен курс по химия
Енциклопедичен преговор: понятия, периодична система, връзки, реакции, разтвори, органична химия и екология.
Химията е наука за веществата, техния строеж, свойства и превръщания. Тя обяснява защо желязото ръждясва, как се образува сапунът и какво става при горене. Основните дялове са неорганична, органична, аналитична и физична химия, както и биохимия.
Атом е най-малката частица на химичен елемент, която запазва неговите химични свойства. Атомът има ядро от протони и неутрони и електрони около него. Електроните не се движат по точни орбити, а образуват електронен облак; схемата с кръгови орбити е удобен модел.
Елемент е вид атоми с еднакъв брой протони (еднакъв атомен номер Z). Кислородът, златото и желязото са елементи. Всички елементи са подредени в периодичната система.
Молекула е група от два или повече свързани атома, която е най-малката частица на веществото с неговите свойства: O₂, H₂O, CO₂. Йон е атом или група атоми със заряд. Катионът е положителен (загубил електрони), анионът е отрицателен (получил електрони).
Съединение е вещество от атоми на различни елементи, свързани химически, например CO₂ или H₂O.
| Частица | Заряд | Маса | Къде се намира |
|---|---|---|---|
| Протон p⁺ | +1 | ≈ 1 u | ядро |
| Неутрон n⁰ | 0 | ≈ 1 u | ядро |
| Електрон e⁻ | −1 | ≈ 1/1840 u | електронна обвивка |
Изотопи са атоми на един елемент с различен брой неутрони (¹²C, ¹³C, ¹⁴C). Йони: Na → Na⁺ + e⁻, Cl + e⁻ → Cl⁻.
От атоми на един елемент: O₂, Fe, S. Един елемент може да образува няколко прости вещества (алотропия): въглеродът дава диамант, графит и сажди; кислородът дава O₂ и озон O₃.
От атоми на два или повече елемента: H₂O, CO₂, NaCl (готварска сол). NaCl е изграден от йони, не от молекули.
Две или повече вещества без химична връзка между тях. Хомогенни: въздух, солена вода, сплави. Нехомогенни: вода с пясък, мляко (емулсия).
| Метод | Основава се на | Пример |
|---|---|---|
| Филтруване | размер на частиците | вода и пясък |
| Декантиране, утаяване | плътност | вода и масло |
| Изпарение, кристализация | разтворител се отделя | сол от разтвор |
| Дестилация | различна точка на кипене | спирт и вода, нефт |
| Магнит | магнитни свойства | желязо и сяра |
| Хроматография | различно движение по носител | оцветители |
Преходи: топене (твърдо → течно), изпарение/кипене (течно → газ), кондензация (газ → течно), замръзване (течно → твърдо), сублимация (твърдо → газ), напр. сух лед и йод. Това са физични явления: съставът не се променя. При химични явления (горене, ръжда, ферментация) се образуват нови вещества.
Елементите са подредени по нарастващ атомен номер Z в 7 периода (редове) и 18 групи (колони). Елементите в една група имат еднакъв брой външни електрони и сходни свойства. Менделеев предвижда още неоткрити елементи през 1869 г. Натисни или посочи елемент, за да видиш данните му. Натисни категория, за да я подчертаеш.
Масата в квадратни скоби е масовото число на най-устойчивия изотоп (елементи без стабилни изотопи). Схема на електронните слоеве се показва за елементи 1–20.
| Посока | Атомен радиус | Електро-отрицателност | Метални свойства |
|---|---|---|---|
| Надолу в група | расте | намалява | растат |
| Надясно в период | намалява | расте | намаляват |
Атомите се свързват, за да достигнат устойчива електронна обвивка (като на благороден газ).
Обща електронна двойка между неметали. Неполярна при еднакви атоми (H₂, O₂, Cl₂), полярна при различни (HCl, H₂O), като електроните са изтеглени към по-електроотрицателния атом.
Преход на електрони от метал към неметал и привличане между противоположните йони (NaCl, CaO, MgCl₂).
Положителни йони в «море» от свободни електрони. Дава блясък, ковкост, електро- и топлопроводимост.
Слабо привличане между H (свързан с F, O, N) и свободна електронна двойка на друга молекула. Обяснява високата точка на кипене на водата.
Кратни връзки: единична, двойна (O=O, C=C) и тройна (N≡N, C≡C). Йонните вещества са твърди, с висока точка на топене, провеждат ток в разтвор и стопилка. Молекулните вещества често са газове или течности с ниска точка на топене.
| Клас | Определение | Примери |
|---|---|---|
| Оксиди | Съединения на елемент с кислород. Основни (метали), киселинни (неметали), амфотерни (Al₂O₃, ZnO) | CaO, CO₂, SO₃ |
| Киселини | Дават H⁺ във вода. Безкислородни и кислородсъдържащи | HCl, H₂SO₄, HNO₃ |
| Основи | Дават OH⁻ във вода. Разтворимите основи се наричат алкали | NaOH, Ca(OH)₂ |
| Соли | Метален катион (или NH₄⁺) и киселинен остатък | NaCl, CaCO₃, CuSO₄ |
Разтворимост: всички нитрати и соли на Na⁺, K⁺, NH₄⁺ са разтворими; AgCl и BaSO₄ са неразтворими; повечето карбонати и фосфати (освен на Na и K) са неразтворими.
Химичната реакция е процес, при който едни вещества (реагенти) се превръщат в други (продукти). Записва се с уравнение: пред формулите се поставят коефициенти, така че броят на атомите от всеки елемент да е еднакъв отляво и отдясно.
A + B → AB
2Mg + O₂ → 2MgO
AB → A + B
CaCO₃ → CaO + CO₂
A + BC → AC + B
Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu
AB + CD → AD + CB
AgNO₃ + NaCl → AgCl↓ + NaNO₃
Обменните реакции в разтвор вървят докрай, ако се получи утайка, газ или слабо дисоцииращо вещество (вода). По топлинен ефект реакциите са екзотермични (отделят топлина, горене) и ендотермични (поглъщат топлина, разлагане на CaCO₃).
| Признак | Пример |
|---|---|
| отделяне на газ | сода + оцет → CO₂ (мехурчета) |
| промяна на цвят | желязо ръждясва (червено-кафяво) |
| образуване на утайка | AgNO₃ + NaCl → бяла утайка AgCl |
| отделяне или поглъщане на топлина | горене (топлина), разтваряне на NH₄NO₃ (изстива) |
| светлина, промяна на мирис | горене на магнезий, развалено яйце (H₂S) |
Скорост на реакцията расте при повишаване на температурата, концентрацията, повърхността на твърдото вещество и при добавяне на катализатор (който не се изразходва). Обратимите реакции достигат равновесие. По принципа на Льо Шателие системата противодейства на външна промяна.
Молът е единица за количество вещество: 1 mol съдържа 6,02·10²³ частици (число на Авогадро). Моларната маса M (g/mol) е числено равна на относителната атомна или молекулна маса, напр. M(H₂O) = 2·1 + 16 = 18 g/mol.
n = m / M
N = n · NA
NA = 6,02·10²³ mol⁻¹
V = n · 22,4 L
н.у.: 0 °C и 1 atm
w = m(в-во) / m(смес) · 100%
pH < 7. Пример: HCl (солна киселина). Кисел вкус, оцветяват лакмуса в червено.
pH > 7. Пример: NaOH (сода каустик, натриева основа). Хлъзгави, оцветяват лакмуса в синьо. Не бива да се бърка с содата за пиене.
pH = 7. Пример: чиста вода (при 25 °C).
Получават се при реакция на киселина с основа: HCl + NaOH → NaCl + H₂O.
| Индикатор | Кисела среда | Неутрална | Алкална |
|---|---|---|---|
| Лакмус | червен | виолетов | син |
| Метилоранж | розово-червен | оранжев | жълт |
| Фенолфталеин | безцветен | безцветен | малинов |
Хидролиза на соли: сол на силна киселина и слаба основа дава кисел разтвор; на слаба киселина и силна основа дава алкален; на силна киселина и силна основа е неутрална. Йонното произведение на водата: [H⁺]·[OH⁻] = 10⁻¹⁴.
Ред на активност на металите: K, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Pb, (H), Cu, Ag, Au. По-активният метал измества по-слабоактивния от разтвора на неговата сол. Металите преди водорода го изместват от киселините.
Електролиза е разлагане на вещество с постоянен ток: на катода (−) става редукция, на анода (+) окисление. Прилага се за получаване на Al, Cl₂ и NaOH и за поцинковане. Галваничният елемент превръща химична енергия в електрическа (батерия).
Въздухът е смес от газове. Азотът и кислородът са основните му компоненти, като в малки количества има аргон, въглероден диоксид и водна пара.
Органичните вещества съдържат въглерод (C е четиривалентен) и обикновено H, O, N. Въглеродните атоми образуват вериги, разклонения и пръстени. Изомери имат еднаква молекулна формула и различен строеж.
| Клас | Обща формула / група | Пример | Особености |
|---|---|---|---|
| Алкани | CₙH₂ₙ₊₂, единични връзки | метан CH₄, етан C₂H₆ | горят; реакции на заместване |
| Алкени | CₙH₂ₙ, C=C | етен C₂H₄ | присъединяване, полимеризация; обезцветяват бромна вода |
| Алкини | CₙH₂ₙ₋₂, C≡C | етин (ацетилен) | заваряване, присъединяване |
| Арени | бензенов пръстен | бензен C₆H₆ | токсичен |
| Алкохоли | –OH | етанол C₂H₅OH | разтворител и гориво; от ферментация на захари |
| Алдехиди | –CHO | формалдехид | окисляват се до киселини |
| Карбоксилни киселини | –COOH | оцетна CH₃COOH | слаби киселини; с алкохоли дават естери |
| Естери | –COO– | етилацетат | аромати, мазнини |
Глюкоза C₆H₁₂O₆ (монозахарид), захароза (дизахарид), нишесте и целулоза (полизахариди). Основен източник на енергия.
Естери на глицерол и висши мастни киселини. Растителните са ненаситени (течни), животинските наситени (твърди). Хидролиза с основа дава сапун.
Полимери на аминокиселини (–NH₂ и –COOH), свързани с пептидна връзка. Денатурират при нагряване и под действие на киселини.
Полиетилен, PVC, найлон. Пластмасите се разграждат стотици години, затова се рециклират.
Горене на въглеводороди: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O. При недостиг на кислород се образува отровният въглероден оксид CO.
| Проблем | Причина | Последица и мерки |
|---|---|---|
| Парников ефект | CO₂, CH₄, N₂O и водна пара задържат топлина; изгаряне на горива, обезлесяване | Затопляне на климата. Мерки: възобновяема енергия, енергийна ефективност, залесяване |
| Киселинни дъждове | SO₂, NOₓ + вода дават H₂SO₃/H₂SO₄ и HNO₃ (pH < 5,6) | Увреждат гори, води, мрамор, метали. Мерки: обезсярване на газове, катализатори |
| Озонов слой | Фреони (CFC) разрушават O₃ в стратосферата | Повече UV лъчение. Монреалският протокол забранява CFC |
| Смог | Изгорели газове, промишлени емисии, прахови частици PM10 и PM2,5 | Респираторни болести. Мерки: филтри, чист транспорт |
| Замърсяване на води | Нитрати и фосфати от торове (еутрофикация), тежки метали (Pb, Hg, Cd), нефт, детергенти | Умиране на екосистеми. Мерки: пречиствателни станции, умерено торене |
| Почви и отпадъци | Пестициди, депа, пластмаси | Мерки: разделно събиране, рециклиране, компостиране |
Пречистване на питейна вода: цедене, коагулация и утаяване, филтриране, обеззаразяване с хлор или озон. Твърдостта на водата се дължи на Ca²⁺ и Mg²⁺ и води до котлен камък.