Систематизация химических элементов. Периодический закон Д.И.Менделеева

Основные понятия и законы классической химии

Предмет химии

Лекция 6. Особенности химического уровня организации материи

План лекции:

1. Предмет химии.

2. Основные понятия и законы классической химии.

3. Систематизация химических элементов. Периодический закон Д.И.Менделеева

4. Особенности развития химии на рубеже ХIХ-ХХ вв.

5. Развитие химического атомизма в первой половине XX в. Квантовый уровень химии

6. Концепция химической эволюции

Химия – наука, изучающая превращения веществ, сопровождающиеся изменениями их состава и строения.

Процесс превращения вещества рассматривается в традиционной химии на уровне атомов и молекул, а в новейшей квантовой химии – на уровне валентных электронов взаимодействующих частиц. Поэтому химия тесно связана со сферой физического знания, особенно термодинамикой, электродинамикой и квантовой механикой. Поэтому выдвигается тезис, что в теоретическом отношении химия может быть сведена к физике. Однако развитие химической науки свидетельствует о том, что химия достаточно обособленное научное направление, развивающееся в настоящее время гораздо стремительнее физики. Особое значение имеет прикладная направленность химии.

Химическая система – сложная структура, включающая помимо веществ, непосредственно участвующих в процессе, вещества, которые оказывают то или иное воздействие на химическую реакцию. Речь идет об ингибиторах и катализаторах. Ингибиторы – соединения, замедляющие динамику химической реакции. Напротив, катализаторы – соединения, ускоряющие ход химической реакции.

Химическое взаимодействие осуществляют электроны атомов, обладающие наибольшей энергией. Выявляются несколько типов химического взаимодействия.

На уровне атомов существует три типа химической связи:

- ковалентная связь, когда валентные электроны принадлежат всем атомам молекулы (двухатомная молекула с одинаковыми ядрами – Н₂ , О₂ и др.);

- ионная связь, когда происходит полный перенос валентного электрона с одного атома на другой (NaCl, KCl и др.);

- металлическая связь, характерная для соединений металлов.

На уровне молекул выделяют два типа химической связи:

- «Ван-дер-ваальсова» связь, действующая между электрически нейтральными молекулами, а также атомами;

- водородная связь, образуемая поляризованными водородом и молекулой с электроотрицательным атомом.

Подавляющая часть известных химических веществ способны участвовать в соответствующих реакциях, т.е. обладают реакционной способностью или скоростью химической реакции. Однако реакционная способность конкретных химических веществ зависит от свойств соединений, вступающих в химический процесс, от внешних условий, в которых происходит реакция (температура, давление, наличие катализаторов).

Таким образом, скорость химических процессов имеет большое значение. Основные факторы, влияющие на нее, это концентрация реагирующих веществ, температура, наличие катализатора.

Влияние концентрации. Увеличение концентрации взаимодействующих веществ – один из самых распространенных приемов интенсификации процесса. Зависимость скорости химических реакций от концентрации определяется законом действия масс. Согласно этому закону скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степени, равной стехиометрическому коэффициенту, стоящему перед формулой вещества в уравнении реакции:

v= K C_aⁿC_b^m, (15)

где К – константа скорости реакции; C_a и C_b - концентрации веществ а и b, участвующих в химической реакции; n и m – стехиометрические коэффициенты.

Константа скорости реакции численно равна скорости реакции при концентрации реагирующих веществ, равной единице. Она зависит от природы реагирующих веществ, температуры, наличия катализаторов и не зависит от концентрации этих веществ. Для определения этих констант выведены соответствующие формулы, основанные на экспериментальных данных.

Влияние температуры. Известно, что с повышением температуры скорость реакции возрастает, что связано с увеличением константы скорости реакции. Согласно правилу Вант-Гоффа повышение температуры на 10^оС увеличивает скорость реакции в 2-4 раза. Это правило приближенное и применимо к реакциям, протекающим в интервале температур от 0 до 300^оС.

Характер влияния температуры и концентрации реагирующих веществ на скорость химических реакций можно объяснить теорией активных столкновений. Молекулы, обладающие определенной энергией, избыточной по сравнению со средней, способной разорвать химические связи, называются активными. Избыточная энергия при этом называется энергиейактивации и зависит от природы вступающих в реакцию веществ. При повышении температуры количество активных молекул увеличивается, число столкновений между ними возрастает, в результате чего растет скорость реакции. С увеличением концентрации реагирующих веществ общее число столкновений, в том числе эффективных, также возрастет, в результате увеличивается скорость реакции.

Влияние катализатора. Катализатор – это вещество, которое, фактически не вступая в химическую реакцию, резко изменяет ее скорость. В присутствии катализатора реакции ускоряются в тысячи раз, могут протекать при более низких температурах, что экономически выгодно.

Катализаторами преимущественно служат металлы в чистом виде (никель, кобальт, железо, платина), в виде оксидов или солей (оксиды ванадия, алюминия, соединения железа, магния, кальция, меди и т.п.). Неорганические катализаторы термостабильны, и реакция с ними протекают при сравнительно высоких температурах.

К катализаторам также относятся вещества биологического происхождения: витамины, ускоряющие химические процессы в тысячи десятки тысяч раз, а также ферменты, ускоряющие эти процессы в миллионы раз.

Перечислим основные законы классической химии.

1. Законы стехиометрии.[1] Это учение о количественных соотношениях между веществами, вступающими в химическую реакцию. Оно включает систему законов, а также правил составления химических формул и уравнений.

2. Закон о постоянстве состава химически индивидуальных веществ. Его суть заключается в том, что химически чистое соединение имеет одинаковый состав независимо от способов его получения. К примеру, чистая поваренная соль имеет одинаковый химический состав во всем мире.

3. Закон пропорциональности. Весовые количества веществ; участвующих в тождественном химическом процессе, всегда определенны. Скажем, для нейтрализации конкретного количества кислоты требуется вполне определенное количество щелочи.

4. Закон простых кратных отношений. При переходе от одного соединения к другому, состоящему из одних и тех же элементов состав меняется скачками. В процессе, например, соединений азота и кислорода получается качественно новое вещество (окись азота), обладающее индивидуальными свойствами.

5. Законы (теория) химического строения вещества. Устанавливаются закономерности структуры органических соединений.

6. Теория радикалов. Одна из первых теорий органической химии. Ее основатель шведский химик Й. Берцелиус (1779-1848) полагал, что лишь неорганические вещества подчиняются законам химической атомистики. Именно это обстоятельство и обусловливает различия между неорганическими и органическими веществами. Получение мочевины (органического вещества) из циано-кислого аммония (неорганического вещества) немецким химиком Ф. Велером (1800-1882) показало, во-первых, возможность искусственно-синтетического приготовления органического вещества. А во-вторых, отсутствие «водораздела» между соединениями органического и неорганического типа.

7. Теория типов. Французский химик Ш. Жерар (1816—1856) заложил основы органической химии. Его работы касались трех направлений исследований, а именно: критика «теории радикалов» и создание «теории типов» в органической химии; разработка общей классификации органических веществ; обоснование молекулярной теории в химии. Согласно теории типов, для органических соединений свойственно не существование неизменных радикалов, а наличие нескольких характерных типов соединений (тип воды, водорода, аммиака и др.). Органическое вещество получается в результате замещения в молекуле определенного типа одного или нескольких атомов на другие группы атомов.

8. Теория химического строения. Значительный вклад в изучение органических веществ внес русский химик А. Бутлеров (1828-1886), создавший и обосновавший теорию химического строения. В ее рамках сущность органических соединений определяется не наличием «радикалов» или «типов», а химическим строением молекул. При этом химические свойства вещества находятся в непосредственной зависимости от строения его молекул. Истинность теории подтверждалась существованием изомеров — веществ, имеющих одинаковый состав, но разную структуру, а значит, различные свойства. Позднее теория химического строения была дополнена квантово-механическими представлениями.

9. Периодический закон химических элементов. Открыт Д. Менделеевым (1834—1907). Периодический закон химических элементов обусловил рационализацию значительного эмпирического материала, накопленного химией.

Русский ученый Д.И. Менделеев в 1869 г. открыл периодический закон химических элементов при сопоставлении свойств всех известных в то время элементов и величин их атомных весов. Термин «периодический закон* Менделеев впервые употребил в ноябре 1870, а в октябре 1871 дал окончательную формулировку. Периодический закон: «свойства элементов, а потому и свойств образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса». Графическим (табличным) выражением периодического закона явилась разработанная Менделеевым Периодическая система элементов.

Физический смысл периодического закона был вскрыт лишь после выяснения того, что заряд ядра атома возрастает при переходе от одного химического элемента к соседнему (в периодической системе) на единицу элементарного заряда. Численно заряд ядра равен порядковому номеру (атомному номеру Z) соответствующего элемента в периодической системе, т.е. числу протонов в ядре, в свою очередь равному числу электронов, соответствующего нейтрального атома. Химические свойства атомов определяются структурой их внешних электронных оболочек, периодически изменяющейся с увеличением заряда ядра, и, следовательно, в основе периодического закона лежит представление об изменении заряда ядра атомов, а не атомной массы элементов. Наглядная иллюстрация периодического закона — кривые периодические изменения некоторых физических величин (ионизационных потенциалов, атомных радиусов, атомных объемов) в зависимости от Z. Какого-либо общего математического выражения периодического закона не существует.

Периодический закон имеет огромное естественнонаучное и философское значение. Он позволил рассматривать все элементы в их взаимной связи и прогнозировать свойства неизвестных элементов. Благодаря периодическому закону многие научные поиски (например, в области изучения строения вещества в химии, физике, геохимии, космохимии, астрофизике) получили целенаправленный характер. Периодический закон – яркое проявление действия общих законов диалектики, в частности закона перехода количества в качество.

Периодическая система элементов Д.И. Менделеева как естественная классификация химических элементов, являющаяся табличным (графическим) выражением периодического закона, была разработана Д.И. Менделеевым в 1869—1871 гг.

Попытки систематизации химических элементов предпринимались различными учеными в Германии, Франции, Англии, США с 30-х годов XIX в. Предшественники Менделеева: И. Деберейнер, Ж. Дюма, французский химик А. Шанкуртуа, английские химики У. Одлинг, Дж. Ньюлендс и др. установили существование групп элементов, сходных по химическим свойствам, так называемых «естественных групп» (например, «триады» Деберейнера). Однако ЭТИ ученые не шли дальше установления частных закономерностей внутри групп. В 1864 г. Л. Мейер на основании данных об атомных весах предложил таблицу, показывающую соотношение атомных весов для нескольких характерных групп элементов. Теоретических обобщений из своей таблицы Мейер не сделал.

Прообразом научной Периодической системы элементов явилась таблица «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве», составленная Менделеевым 1 марта 1869 г. На протяжении последующих двух лет автор совершенствовал эту таблицу: ввел представления о группах, рядах и периодах элементов; сделал попытку оценить емкость малых и больших периодов, содержащих, по его мнению, соответственно по 7 и 17 элементов. В 1870 г. он назвал свою систему естественной, а в 1871 г. - периодической. Уже тогда структура Периодической системы элементов приобрела во многом современные очертания.

Чрезвычайно важным для эволюции Периодической системы элементов оказалось введенное Менделеевым представление о месте элемента в системе; положение элемента определяется номерами периода и группы. Опираясь на это представление, Менделеев пришел к выводу о необходимости изменения принятых тогда атомных весов некоторых элементов (U, In, Се и его аналогов), в чем состояло первое практическое применение Периодической системы элементов, а также впервые предсказал существование и основные свойства нескольких неизвестных элементов, которым соответствовали незаполненные клетки Периодической системы элементов. Классическим примером является предсказание «экаалюминия» (будущего G а, открытого П. Лекоком де Буабодраном в 1875 г.), «экабора» (Sс, открытого шведским ученым Л. Нильсоном в 1879 г.) и «экасилиция» (Gе, открытого немецким ученым К. Винклером в 1886 г.). Кроме того, Менделеев предсказал существование аналогов марганца (будущие Тс и Не), теллура (Ро), йода (Аt), цезия (Fr), бария (Rа), тантала (Та).

Периодическая система элементов не сразу завоевала признание как фундаментальное научное обобщение. Положение существенно изменилось лишь после открытия Gа, Sс, Gе и установления двухвалентности Ве (он долгое время считался трехвалентным). Тем не менее Периодическая система элементов во многом представляла эмпирическое обобщение фактов, поскольку был неясен физический смысл периодического закона, и отсутствовало объяснение причин периодического изменения свойств элемент в зависимости от возрастания атомных весов. Поэтому вплоть до физического обоснования периодического закона и разработки теории Периодической системы элементов многие факты не удавалось объяснить. Так, неожиданным явилось открытие в конце XIX в. инертных газов, которые, казалось, не находили места в Периодической системе элементов; эта трудность была устранена благодаря включению в Периодическую систему элементов самостоятельной нулевой группы (впоследствии VIIIа-подгруппы). Открытие многих «радиоэлементов» в начале XX в. привело к противоречию между необходимостью их размещения в Периодической системе элементов и ее структурой (для более чем 30 таких элементов было 7 «вакантных» мест в шестом и седьмом периодах), Это противоречие было преодолено в результате открытия изотопов. Наконец, величина атомного веса (атомной массы) как параметра, определяющего свойства элементов, постепенно утрачивала свое значение.

Одна из главных причин невозможности объяснения физического смысла периодического закона и Периодической системы элементов состояла в отсутствии на тот момент теории строениям атома. Поэтому важнейшей вехой на пути развития Периодической системы элементов явилось создание планетарной модели атома, предложенная Э. Резерфордом в 1911 г. На ее основе голландский ученый А. ван ден Брук высказал предположение (1913), что порядковый номер элемента в Периодической системе элементов (атомный номер Z ) численно равен заряду ядра атома (в единицах элементарного заряда). Это было экспериментально подтверждено Г. Мозли (1913—1914). Так удалось установить, что периодичность изменения свойств элементов зависит от атомного номера, а не от атомного веса. В результате на научной основе была определена нижняя граница Периодической системы элементов (водород как элемент с минимальным Z= 1); точно оценено число элементов между водородом и ураном; установлено, что «пробелы» в Периодической системе элементов соответствуют неизвестным элементам с Z =43;61;72;75;85;87.

Оставался, однако, неясным вопрос о точном числе редкоземельных элементов, и (что особенно важно) не были вскрыты причины периодического изменения свойств элементов в зависимости от Z. Эти причины были найдены в ходе дальнейшей разработки теории Периодической системы элементов на основе квантовых представлений о строении атома. Физическое обоснование периодического закона и открытие явления изотонии позволили научно определить понятие «атомная масса» («атомный вес»).

Таким образом, периодический закон стал одним из основных в системе естествознания. Именно в его рамках раскрывается взаимосвязь различных уровней материи: электронов, атомов, молекул, кристаллов. Введение порядкового или атомного номера в качестве фундаментальной характеристики элемента позволило ввести уточнение многих других свойств химических элементов, «например: установить взаимную связь между физическими (плотность, электролиз и др.) и химическими свойствами, оценить их изменения в зависимости от атомного номера.

Если периодический закон дал исходные теоретические принципы для обобщения экспериментальных данных в физике микромира, то развитие физических наук, в свою очередь, способствовало углублению содержания периодического закона. Именно физические исследования показали: по мере возрастания зарядов ядер в атомах элементов происходит последовательное увеличение количества электронов в виде периодического повторения исходных группировок во внешних слоях электронных оболочек. Тем самым периодичность получает подтверждение на микроуровне.

Дата добавления: 2014-01-11