Введение. 
Превращение вещества

Для получения разнообразных веществ применяются как физические, так и химические методы. К первым относятся: растворение в воде, фильтрование и выпаривание растворов, дистилляция, электролиз; ко вторым: смешивание растворов, нагревание веществ, проведение реакций с использованием пламени, взрывов. Например, воду можно получить при взрыве смеси кислорода и водорода, двуокись углерода — при сжигании угля. Применяя электролиз (пропуская электрический ток через раствор) можно расщепить на элементы поваренную соль. При этом на одном электроде образуются пузырьки зеленоватого ядовитого удушливого газа (хлор), на другом — выделяется серебристо-серый металл (натрий).

Провести четкую границу между физическими и химическими методами невозможно: нагревание минерала, например, похоже на физический процесс, но оно же может привести и к химическим изменениям.

Превращения веществ, которые сопровождаются изменением их состава и строения, изучаются химией. К числу её основных задач относятся задачи синтеза и анализа.

Химический синтез представляет собой целенаправленное получение сложных веществ из более простых. Он основывается на знании их молекулярного строения и реакционной способности последних. Посредством синтеза создаются многие вещества.

Химический анализ представляет собой обратную задачу и связан с разложением сложных веществ на более простые. Как правило, анализ проводится с целью определения химического состава исходного вещества. При анализе происходит разложение исходного вещества на химические элементы.

Смешивание элементов приводит к таким образованиям, как соединения и смеси. Если насыпать кучу из песка, соли, железной пыли, древесных опилок и хорошо их перемешать, то, в какой бы пропорции они ни были взяты, их всегда можно снова разделить (например, с помощью ковша, воды и магнита). В данном случае мы имеем дело со смесью. Если песок состоит из камушков, то это грубая смесь, если же песок и другие частицы очень малы, то смесь называется тонкой.

Можно приготовить еще более тонкие смеси различных веществ, например, растворяя поваренную соль в воде, сливая вместе воду и спирт или сплавляя цинк и медь для получения латуни. Это — молекулярные смеси. В отличие от грубых и даже тонких смесей, их нельзя рассортировать вручную. Воздух тоже представляет собой смесь; это смесь азота, кислорода, углекислого газа, гелия и некоторых благородных газов.

Пропорции, в которых составляются смеси, могут быть разными, но смеси всегда можно разделить. Например, можно выпарить воду из раствора соли, провести дистилляцию спирта, выделить электролизом медь, охладить газы до жидкого состояния и дать им поочередно выкипеть. Но что касается составных частей смесей (поваренной соли, воды, спирта и др.), то все они обнаруживают постоянные физические свойства (плотность, температуру плавления, кристалличность и т. п.). Ни одна из них не проявляет никаких признаков смесей: части, из которых они состоят, входят в них в постоянных пропорциях. Такие вещества называют соединениями.

Соединения в любом количестве, вплоть до последней молекулы, однородны по составу. В них атомы одного или нескольких элементов соединены между собой тем ли иным видом химической связи. В преобладающем большинстве случаев химические соединения подчинены законам постоянства состава и кратных отношений. В настоящее время известно свыше трех миллионов химических соединений.

Определение химического соединения практически совпадает с определением молекулы: мельчайшая частица вещества, которая обладает всеми его характерными свойствами. Молекула представляет собой всегда одинаковую дл одного и того же химического соединения группу атомов, удерживаемых вместе электрическими силами. Примеры химических соединений: вода (Н₂О), серная кислота (H₂SO₄), поваренная соль (NaCl).

Количественный и качественный состав молекулы выражается химическими формулами. Для записи этих формул используются соответствующие химические знаки и индексы, указывающие, сколько одноименных атомов находится в молекуле (СО₂ — один атом углерода и 2 атома кислорода).

Различают формулы:

• — эмпирические (или брутто-формулы), показывающие общее число атомов в молекуле: С₂Н₆О (этиловый спирт);
• — рациональные, в которых выделяются группы атомов, характерные для данного класса соединений: С₂Н₅ОН;
• — структурные, которые характеризуют расположение атомов в молекуле:

Н Н Н-С-С-О-Н Н Н.

Вещества, расщепить которые на еще более простые вещества (нагревом до очень высоких температур, повторным электролизом, воздействием агрессивными веществами и т. п.) оказывается невозможно, называют химическими элементами. Железо, углерод, медь, ртуть, йод — это все элементы. Латунь и воздух — смеси, вода и поваренная соль — соединения. При синтезе, разложении и превращении веществ сами элементы никогда не меняются. Образование какого-либо вещества из других веществ посредством химических превращений возможно только в том случае, если в этих других веществах присутствуют все необходимые элементы.

Превращения одних веществ в другие, отличные по химическому составу и строению, называются химическими реакциями. Последние характеризуются соотношением участвующих в них веществ, степенью превращения, константами скорости и равновесия, энергией активации, тепловым эффектом.

В процессе химических реакций происходит обмен электронами между атомами, что и приводит в конце концов к превращению одних веществ в другие.

Химические реакции классифицируют:

по числу молекул, участвующих в элементарном акте (моноили бимолекулярные реакции);

по кинетическому механизму (последовательные, параллельные, сопряженные);

по характеру химического процесса (разложение, окисление, полимеризация);

по типам частиц, участвующих в превращении (ионные, радикальные, молекулярные);

по фазовому состоянию реагирующей системы (газо-, жидкои твердофазные);

по области протекания реакции (гомогенные — в объеме фазы, гетерогенные — на поверхности раздела фаз).

При проектировании и исследовании химических реакций используют уравнения, показывающие, как атомы элементов соединяются или замещают друг друга.

В качестве примера химических реакций рассмотрим превращения, происходящие с углекислым газом. Это — тяжелый бесцветный газ. Он образуется, в частности, при сжигании угля или при окислении и расщеплении питательных веществ в живом организме. В процессе горения атомы углерода присоединяют к себе по 2 молекулы кислорода, образуя молекулы СО₂:

С + О₂ = СО₂

В обычных условиях углекислый газ не отдает свой кислород для поддержания горения других веществ, т.к. атомы кислорода связаны в нем очень прочно. Именно поэтому углекислотой можно погасить не только легкое пламя, но и большой пожар. Углекислый газ слегка ядовит: для живого организма он вреден тем, что препятствует нормальному газообмену в легких. Он растворяется в воде, придавая ей кисловатый привкус (достаточно вспомнить газированную воду). При растворении его в воде получается непрочное химическое соединение, известное под названием угольной кислоты (гидрокарбоната):

СО₂ + Н₂О = Н₂СО₃

Если добавить в раствор угольной кислоты поваренной соли (хлористого натрия), то образуется сложная смесь. В подобных растворах вещества расщепляются электролизом на электрически заряженные атомы или группы атомов, называемые ионами:

Н₂СО₃ + NaCl = Na⁺ + Cl^- + 2H⁺ + CO₃^-

Нельзя сказать, что здесь есть хлористый натрий и угольная кислота, или соляная кислота и карбонат натрия, или даже смесь всех 4-х веществ, т.к. каждая комбинация то объединяется, то расщепляется снова, так что все молекулы находятся в неустойчивом состоянии. Для того чтобы расстроить установившееся равновесие, необходимо удалить из раствора какое-либо вещество. Однако сделать это нелегко, т.к. все они растворены в воде.

Если взять смесь растворов карбоната натрия (соды) и хлористого кальция, то эта смесь тоже будет содержать совокупность ионов: натрия, кальция, хлора и карбоната. Но в этом случае ни одна из полученных комбинаций в воде не растворима. Поэтому случайные столкновения между ионами приводят к образованию молекул карбоната кальция, которые не растворяются в воде, а выпадают из раствора в виде мельчайших белых крупинок мела. Такой процесс происходит необратимо до тех пор, пока в растворе не останется углекислого кальция. Полученный при этом осадок, будучи отфильтрованным и просушенным, представляет собой чистый мел:

Na₂CO₃ + CaCl₂ > CaCO₃v + 2NaCl.

Если мел CaCO₃ прокалить, то он превращается в известь и углекислый газ:

CaCO₃ = CaO + CO₂

Здесь стрелки, направленные в обе стороны, показывают, что реакция может идти в любом направлении в зависимости от температуры. Именно так получают на практике известь, которая широко используется в химической промышленности и в сельском хозяйстве.

Главным объектом химии являются вещества и их превращения. К числу основополагающих обобщений химии относятся: атомно-молекулярная теория, закон сохранения массы и энергии, Периодическая система и теория химического строения.