Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ТЕРМИНОЛОГИЯ И СИМВОЛИКА АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНОГО УЧЕНИЯ

Стась Н.Ф. 1
1 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», Томск
В статье обсуждается проблема терминологии и символики в химии в связи с процессами глобализации, присоединением России к Болонской декларации, использованием в образовании тестовых систем обучения и контроля. Проведен анализ терминов, символов и определений (атом, молекула, формульная единица, эквивалент, химическая реакция и др.), которые являются содержанием атомно-молекулярного учения и стехиометрии. Показана тавтология классического определения атома и необходимость использования определения, основанного на его свойствах и составе. Показана необходимость сохранения классического определения молекулы как частицы, которая является носителем химических свойств вещества, и разделения понятий формулы и формульной единицы. Рассмотрено понятие моля вещества с точки зрения его использования в химических текстах. Предлагается последовательная система формулировок и символов, относящихся к эквивалентам химических элементов и химических соединений. Предложено считать свойством неорганического соединения его стехиометрическую валентность, равную эквивалентному числу в конкретной реакции.
валентность
эквивалент
моль
молекула
атом
1. Задачи и упражнения по общей химии: учебное пособие. / Под ред. Н.В. Коровина. – М.: Высшая школа. – 2003. – 255 с.
2. Крестов Г. А., Березин Б. Д. Основные понятия современной химии. – Л.: Химия, 1986. – 104 с.
3. Стёпин Б. Д. Применение международной системы единиц физических величин в химии: Практическое пособие. – М.: Высшая школа. – 1990. – 96 с.
4. Стёпин Б. Д., Цветков А. А. Неорганическая химия: Учебник для химических и химико-технологических специальностей вузов. – М.: Высшая школа. – 1994. – 608 с.
5. Химическая энциклопедия: В 5 т. / Гл. ред. И. Л. Кнунянц и Н. С. Зефиров. – М: Советская энциклопедия, 1988–1998. – 4555 с.
Введение

В литературе по химии наблюдается расхождение по терминологии и символике, которое нежелательно в связи с процессами глобализации, присоединения России к Болонской декларации, использования в образовании взаимопризнаваемых методов контроля. Причин расхождения много: изменение содержания многих понятий в современной химии по сравнению с классическими представлениями, отношение многих химиков к этому вопросу как второстепенному и т.д. Но система понятий, определений и терминов - это язык науки. Химия - сложная наука, и её язык сложен, поэтому овладение языком химии - это первый этап изучения самой химии.

1. Атом, молекула, моль

Изучение химии начинается с атомно-молекулярного учения, и ключевое понятие этой темы - атом. В учебной литературе встречается определение атома, которое относится к тому времени в истории развития химии, когда были тождественны понятия химический элемент и простое вещество: атом - наименьшая часть химического элемента, способная к самостоятельному существованию и являющаяся носителем его химических свойств. Но сейчас мы знаем другое: химический элемент - это вид атома с определенным зарядом ядра, следовательно, классическое определение атома является тавтологией.

Самый распространенный способ определения какого-либо понятия заключается в том, что его рассматривают как часть более широкого понятия, акцентируя внимание на его специфических признаках. С этих позиций атом - это частица, из которой состоят все металлы и некоторые неметаллы, а также молекулы всех простых и сложных веществ. Бывают и такие определения объектов, когда за основу берутся их свойства. С этих позиций атомы - это мельчайшие частицы вещества, которые химическим путем невозможно разделить на составные части, превратить друг в друга или уничтожить. Но можно дать определение объекта, исходя из его строения. При таком подходе атом - это электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и электронной оболочки. Таким образом, имеется несколько определений атома, и студентов надо знакомить со всеми определениями, побуждая их к критическому анализу каждого.

Второе важнейшее понятие этой темы - молекула. Большинство химиков ориентируется на классическое определение: молекула - это наименьшая частица данного вещества, обладающая его химическими свойствами. В химической энциклопедии приводится развернутое определение этого понятия, в котором акцент сделан на состав и строение молекул:
«Молекула - микрочастица, образованная из двух или большего числа атомов и способная к самостоятельному существованию. Имеет постоянный состав (качественный и количественный) входящих в неё атомных ядер и фиксированное число электронов. Обладает совокупностью свойств, позволяющих отличать одну молекулу от других» [5].

Но предлагается иное определение: «Молекула - это способная к самостоятельному существованию, нейтральная по заряду наименьшая совокупность атомов, связанных вследствие химического взаимодействия в определенном порядке (то есть обладающая определенной структурой), не имеющая, как правило, неспаренных электронов» [2].

Различие этих определений в том, что в первом молекула считается носителем химических свойств вещества, а во втором - нет. Соответствующая выдержка из работы [2]: «В формулировке понятия молекулы не следует указывать такой признак, как свойства, поскольку они зависят от внешних условий, растворителя, агрегатного состояния...».

Действительно, свойства веществ в различных агрегатных состояниях, а также в растворе различаются. Например, раствор аммиака и соляной кислоты имеют иные свойства, чем газообразный аммиак и хлороводород. Но в водных растворах находятся, строго говоря, другие вещества: это гидраты молекул (раствор аммиака) или гидратированные ионы (раствор хлороводорода). Целесообразно знакомить студентов с обоими определениями, побуждая их к выработке собственного мнения.

Молекулярное строение имеют не все вещества, поэтому существуют понятия структурная единица вещества и формульная единица вещества. Структурная единица - это атом, молекула, ион, радикал и т.д. Например, структурной единицей метана является молекула, кремния - атом, аргона - одноатомные молекулы. Структурными элементами ионных соединений являются катионы и анионы, например, структурными единицами хлорида натрия являются ионы Na+ и Cl-. Формульными единицами называются химические формулы ионных соединений: NaCl, K2SO4, K3[Fe(CN)6] - это формульные единицы соединений.

Термин моль - это и полное название единицы измерения количества вещества, и её сокращенное обозначение; в других единицах измерения такого не бывает. Поэтому слово моль при написании после числа и в заголовках таблиц не склоняется, но при чтении текста его следует склонять, иначе нарушаются правила грамматики. Рассмотрим два примера.

Пример 1. Написано: в химической реакции 500 г NaOH взаимодействует с 1 кг H2SO4. Читается: в химической реакции пятьсот граммов гидроксида натрия взаимодействует с одним килограммом серной кислоты.

Пример 2. Написано: в реакции 2 моль KOH взаимодействует с 3 моль HNO3. Читается: в химической реакции два моля гидроксида калия взаимодействует с тремя молями азотной кислоты.

Считается, что в термине количество вещества обязательно должно быть слово вещество [2]. При соблюдении этого требования читаем: в реакции участвовало количество вещества аммиака 5 моль. Но из единицы измерения ясно, что имеется в виду количество, а если указан аммиак, то он является веществом. Поэтому лучше: в реакции участвовало 5 моль аммиака. Можно возразить, что термин количество применяется не только в химии, но шире, например, количество тепла, электричества и т.д. Но в химии это - количество вещества.

Понятие моль распространяется на любые формульные и структурные единицы: n(Fe) - количество атомов железа, n(H2O) - количество молекул воды, n(NaCl) - количество формульных единиц хлорида натрия, n(Ag+) - количество катионов серебра, n(OH) - количество радикалов OH, n(e-) - количество электронов. В текстах формульная или структурная единица указана в символе и разночтений не бывает. В устной речи молекулы и формульные единицы указывать не нужно, а все остальные структурные единицы следует указывать. Например, если имеют в виду молекулярный водород (кислород, азот и др.), то говорят: количество водорода (кислорода, азота), полагая, что студенты знают о том, что естественное состояние водорода, азота, кислорода - это двухатомные молекулы.

2. Химические реакции

Рассмотрим терминологию, относящуюся к химическим реакциям. Прежде всего, следует различать понятия: схема реакции и уравнение реакции. В схеме реакции нет стехиометрических коэффициентов, и между левой и правой частью ставится стрелка. В уравнении реакции указаны стехиометрические коэффициенты, и между левой и правой частью ставится знак равенства, который свидетельствует о возможности проведения стехиометрических расчётов. В школьных учебниках по химии стрелки проставляются не только в схемах, но и в уравнениях реакций. Это неправильно. Стрелка вместо знака равенства пишется только в тех случаях, когда над ней указываются особые условия проведения реакции: f и т.д. В уравнениях обратимых реакций ставятся две стрелки, направленные в противоположные стороны, и соответствующий символ: f. Другие символы g использовать не следует, поскольку они недостаточно однозначны.

Вещества левой части уравнений реакций часто называются исходными (начальными), а правой - конечными. Мы предлагаем термины реагенты и продукты. Относительно химических реакций пишут, что они идут, протекают. В буквальном смысле реакции не идут, но мы считаем, что эти термины можно использовать: реакция идёт, реакция протекает.

При характеристике свойств веществ говорят, что они реагируют: кислоты реагируют с основаниями, но не реагируют друг с другом. Но реагируют на что-то, а не с чем-то, поэтому мы рекомендуем применять термин взаимодействуют.

3. Эквивалент и закон эквивалентов

В заключение рассмотрим понятие эквивалент. Прилагательное эквивалентный означает равноценный, а существительное эквивалент означает: равноценный данному предмету или количеству. В классической химии эквивалентом химического элемента называется его масса, которая эквивалентна одному грамму водорода, то есть соединяется с одним граммом или замещает один грамм водорода. Это определение согласуется с классическим понятием химического элемента как простого вещества. Но сейчас химическим элементом называется вид атома с определенным значением заряда ядра. Поэтому надо ориентироваться на современный подход к этому понятию, который используется в учебной литературе [1, 3, 4]. Но имеются расхождения, которые начинаются с определения самого понятия эквивалент.

1. Эквивалент - это реальная или условная частица, соответствующая одному иону водорода в кислотно-основных или ионообменных реакциях или одному электрону в окислительно-восстановительных реакциях [1].

2. Эквиваленты - условные частицы вещества, в zB раз меньшие, чем соответствующие им формульные единицы [3].

Целесообразно использовать первое определение. Второе определение хуже первого потому, что в нем содержится символ zB, смысл которого в определении не приводится. Далее разъясняется, что zB - это эквивалентное число, которое равно или больше единицы. Если вместо символа в определение ввести его название, то получается тавтология: эквиваленты - условные частицы вещества, в эквивалентное число раз меньшие, чем соответствующие им формульные единицы. Кроме этого, по второму определению эквивалент относится только к веществу, состав которого выражен формульной единицей. Но эквивалент является характеристикой не только всех веществ (включая вещества молекулярного строения), но и химических элементов. Наконец, если эквивалентное число равно единице, что часто бывает, то эквивалентом является не условная, а реальная частица, например, эквивалентом водорода - его атом, а эквивалентом азотной кислоты (в основно-кислотных реакциях) - её молекула.

В работе [4] последовательно проводится мысль о том, что значение эквивалентного числа zB определяется только по химической реакции, в которой участвует данное вещество. Эквиваленты кислот нельзя определять по их основности, оснований - по кислотности, а солей и оксидов по суммарному заряду катионов. Например, в первой реакции, приведенной ниже, эквивалентное число серной кислоты равно 2, а во второй реакции - единице:

1) H2SO4 + 2KOH = K2SO4 + 2H2O

2) H2SO4 + KOH = KHSO4 + 2H2O

Эквивалентное число сульфата алюминия в третьей реакции равно шести, а в четвёртой - двенадцати (!):

3) Al2(SO4)3 + 6KOH = 2Al(OH)3 + 3K2SO4

4) Al2(SO4)3 + 12KOH = 2K3[Al(OH)6] + 3K2SO4

Автор второго определения [3, 4] считает эквивалентное число ключевой характеристикой соединения и фактор эквивалентности не употребляет. Но автор первого определения [1], наоборот, ключевой характеристикой вещества считает фактор эквивалентности, а эквивалентное число он использует только для окислительно-восстановительных реакций, где оно равно числу электронов, присоединённых одной молекулой окислителя или отданных одной молекулой восстановителя. Разный способ вычисления эквивалентной массы вещества в основно-кислотных реакциях (молекулярная масса умножается на фактор эквивалентности) и в окислительно-восстановительных процессах (молекулярная масса делится на эквивалентное число) неоправданно усложняет усвоение этого понятия химии.

Символика по данному вопросу в химии не однозначна. Эквивалент как реальная или условная частица обозначается символом Э [1]. Приводим цитату из первоисточника [1], выделив в ней два ключевых термина: «Эквивалент (Э) - это реальная или условная частица, соответствующая одному иону водорода в кислотно-основных или ионообменных реакциях или одному электрону в окислительно-восстановительных реакциях Эквивалент - безразмерная величина, состав которой выражается с помощью химических формул и символов. При определении эквивалента вещества необходимо исходить из конкретной реакции, в которой участвует данное вещество. Так, из уравнения реакции

H2SO4 + 2KOH = K2SO4 + 2H2O

следует, что одному иону водорода соответствует одна молекула KOH, одна молекула H2O, 1/2 молекулы H2SO4 и 1/2 молекулы K2SO4, поэтому Э(KOH) = KOH, Э(H2O) = H2O, Э(H2SO4) = 1/2H2SO4, Э(K2SO4) = 1/2K2SO4.

Эквивалент воды в окислительно-восстановительной реакции

O2 + 4H+ + 4e = 2H2O

отличается от эквивалента, определенного выше. В данном примере одному электрону соответствует 1/2 молекула воды, то есть Э(H2O) = 1/2H2O. Одному электрону эквивалентна 1/4 молекулы кислорода, следовательно, Э(O2) = 1/4O2».

Из приведенной цитаты видно, что авторы от понятия эквивалента как реальной или условной частицы переходят к устаревшему понятию эквивалента как величины. Этот переход произошёл, вероятно, по ошибке, поэтому его не следует принимать во внимание. Но использование символа Э для краткого обозначения эквивалента мы считаем правильным.

Масса одного моля эквивалента называется молярной массой эквивалента вещества и обозначается в учебниках близкими, но неодинаковыми символами Мэ или Мэк; единица измерения этой величины также различается: г/моль или г/моль эк. Понятие относительной эквивалентной массы в учебной литературе отсутствует.

Мы предлагаем последовательный и не противоречивый подход к этому элементу содержания химии, используем его в учебном процессе и предлагаем на обсуждение всем преподавателям этой дисциплины.

1. Формулировка понятия «эквивалент» должна быть такой, как её рекомендует ИЮПАК: эквивалент - это реальная или условная частица, взаимодействующая с одним атомом или ионом водорода в кислотно-основных и ионообменных реакциях или с одним электроном в окислительно-восстановительных реакциях. При этом под реальными частицами понимаются атомы, молекулы или формульные единицы, а под условными - их части.

2. Эквивалент обозначается символом Э, его эквивалентная масса (относительная масса, выраженная в атомных единицах массы - а.е.м. ) - символом Эr, а его молярная масса (молярная масса эквивалента) - Мэк. Эта символика «параллельна» той, что относится к атомам (Ar и M) и к молекулам (Mr и M). Подстрочный индекс эк в символе Мэк лучше, чем индекс э, так как на букву э начинаются, кроме слова эквивалент, такие химические термины как элемент, энтальпия, энтропия, электроотрицательность и др. Единица измерения молярной массы эквивалента - г/моль эк.

3. Число, показывающее, во сколько раз эквивалент меньше реальной частицы, называется эквивалентным числом, обозначается символом z и входит в формулы, по которым вычисляются эквивалентные массы и молярные массы эквивалентов.

4. Фактор эквивалентности - величина, обратная эквивалентному числу, но его употребление как дробной величины неудобно, поэтому от его использования надо отказаться.

5. Для химического элемента эквивалентное число равно валентности элемента в данном соединении. Поэтому эквивалентное число и валентность обозначаются одним и тем же символом z, и эквивалентная масса химического элемента вычисляется по формуле:

f,

в которой  z - валентность элемента в данном соединении, равная его эквивалентному числу.

6. Для химического соединения эквивалентное число зависит от реакции, в которой оно участвует. Эту зависимость можно объяснять на конкретных примерах. Например, в реакции

Al2(SO4)3 + 6KOH = 2Al(OH)3 + 3K2SO4

эквивалентное число сульфата алюминия равно 6, так как одна формульная единица этого соединения взаимодействует с шестью формульными единицами гидроксида калия, эквивалентное число которого равно единице. На вопрос о том, почему эквивалентное число гидроксида калия равно единице, ответ простой: в формульной единице этого вещества содержится один ион ОН-, который может соединяться только с одним катионом водорода.

Зависимость эквивалентного числа вещества от реакции, в которой это вещество участвует, можно также объяснять по-другому: по закону эквивалентов (см. ниже п.п. 8 и 9).

7. Значение эквивалентной массы или молярной массы эквивалента вещества записывается без отрыва от уравнения реакции, в которой это вещество участвует, например:

H2SO4 + 2KOH = K2SO4 + 2H2O;                  Эr(H2SO4) = 49; Мэк(H2SO4) = 49 г/моль

H2SO4 + KOH = KНSO4 + H2O;                    Эr(H2SO4) = 98; Мэк(H2SO4) = 98 г/моль

Al2(SO4)3 + 6KOH = 2Al(OH)3 + 3K2SO4;    Эr(Al2(SO4)3) = 57; Мэк(Al2(SO4)3) = 57 г/моль

8. Правильная формулировка закона эквивалентов такова: в химических реакциях участвует равное число и количество эквивалентов взаимодействующих веществ, или короче: числа и количества эквивалентов взаимодействующих без остатка веществ одинаковы [5]. Формулировка закона эквивалентов, которая обычно приводится в химической учебной литературе (массы взаимодействующих без остатка веществ пропорциональны их эквивалентным массам), является следствием закона эквивалентов.

9. Закон эквивалентов в правильной формулировке позволяет определять эквивалентные числа в тех случаях, когда они не очевидны. Например, необходимо определить эквивалентные числа сульфата алюминия и карбоната натрия в реакции их совместного гидролиза:

Al2(SO4)3 + 3K2СO3 + 3Н2О = 2Al(OH)3 + 3K2SO4 + 3СО2

Рассуждаем так. Эквивалентное число воды равно 2, в реакции участвуют три молекулы, следовательно, 6 эквивалентов Н2О. Числа эквивалентов K2СO3 и Al2(SO4)3 должны быть такими же (закон эквивалентов), следовательно, эквивалентное число карбоната калия равно двум, а сульфата алюминия - шести.

10. Мы считаем, что эквивалентное число сложного вещества или иона является его стехиометрической валентностью. Действительно, можно говорить о том, что NaOH является одновалентным соединением, серная кислота одно- или двухвалентным соединением (в основно-кислотных реакциях), а валентность сульфата алюминия в рассмотренных выше примерах равна 6 и 12. Таким образом, стехиометрическая валентность является свойством не только химических элементов, но и взаимодействующих веществ.

11. В школьной химии желательно изучение валентности. Валентность должна рассматриваться как главное свойство элемента, а его степень окисления - как число, равное стехиометрической валентности, но отличающееся наличием знака.

Рецензенты:

Саркисов Юрий Сергеевич, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой химии ГОУ ВПО «Томский государственный архитектурно-строительный университет», г. Томск.

Лотов Василий Агафонович, д.т.н., профессор кафедры силикатов и наноматериалов ГОУ ВПО «Научно-исследовательский Томский политехнический университет», г. Томск.

Полещук О. Х., д.х.н., профессор, зав. кафедрой органической химии, Томский государственный педагогический университет Министерства науки и образования, г. Томск.


Библиографическая ссылка

Стась Н.Ф. ТЕРМИНОЛОГИЯ И СИМВОЛИКА АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНОГО УЧЕНИЯ // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 4. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=6481 (дата обращения: 27.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074