Развитие учения о структуре молекул и химических процессах

При взаимодействии атомов между ними может возникнуть хими­ческая связь, приводящая к образованию многоатомной системы – молекулы, молекулярного иона или кристалла.

Химическая связь – это взаимодействие атомов, обусловленное перекрытием электронных облаков связывающихся частиц, которое сопровождается уменьшением полной энергии системы.

В 1830 г. Й. Берцелиус выдвинул гипотезу: все атомы разных элемен­тов обладают различной электроотрицательностью, причем атом каж­дого элемента несет два заряда (положительный + и отрицательный –). Объединение атомов в молекулы происходит за счет взаимодействия разноименно заряженных атомов или атомных групп, что сопровождается частичной нейтрализацией зарядов. Например, калий (К) несет положительный заряд, а кислород (О) – отрицательный, взаимодействуя, они образуют оксид. Однако теория Берцеллиуса, основанная на электростатическом взаимодействии зарядов, не могла объяснить образование молекул из двух одинаково заряженных атомов, например молекулы О₂.

В 1916 г. Дж. Льюис высказал предположение, что химическая связь возникает путем образования электронной пары, одновременно принадлежащей двум атомам, — эта идея послужила основой для разработки современной теории ковалентной связи. Тогда же В. Коссель предположил, что химическая связь возникает при взаимодействии двух атомов, один из них отдает электроны, превращаясь в положительно заряженный ион (катион), а второй атом принимает электрон, превращаясь в отрицательно заряженный ион (анион). Дальнейшее развитие идей Косселя привело к созданию представлений об ионной связи.

Ковалентная связь – химическая связь между атомами, осущест­вляемая обобществляемыми (валентными) электронами. Ковалентная связь между одинаковыми атомами называется неполярной. Ковалентная связь, возникающая при взаимодействии атомов разных элементов, называется полярной, при этом общая электронная пара (или электронные пары) несколько смещаются в сторону более полярного атома (H – Cl, С = O).

Ионная связь – химическая связь, осуществляемая за счет электростатического притяжения образовавшихся разноименных ионов (Na⁺Cl–,NH₄⁺OH–).

Металлическая связь – многоцентровая химическая связь с дефицитом электронов в твердом или жидком состоянии, основанная на обобществлении внешних электронных атомов. Эта связь характерна только для конденсированного состояния вещества в жидкости или в твердом веществе.

Электрически нейтральные атомы и молекулы способны к дополнительному взаимодействию друг с другом: водородная связь – химическая связь, осуществляемая между положительно поляризованным атомом водорода и отрицательно поляризованным атомом F, O и N (реже Cl, S и др.), принадлежащим другой или той же молекуле (НF... HF, Н₂О... Н₂О).

Ф. Кекуле сформулировал теорию валентности – каждый атом обладает определенной способностью к насыщению, т.е. валентностью или числом единиц сродства. Благодаря этому появилась возможность составлять так называемые структурные формулы. При написании в любой формуле элементы связывают друг с другом согласно их валентности. Позже А. М. Бутлеров разработал следующую теорию строения органических соединений.

1. Атомы в молекулах соединены химическими связями согласно их валентности в определенном порядке.

2. Атомы и группы атомов, соединенные в молекуле, оказывают взаимное влияние.

3. Химическое строение вещества определяет его свойства.

4. Изучая химические превращения вещества, можно установить строение вещества и выразить его одной-единственной структурной формулой.

Теория А. М. Бутлерова явилась фундаментом для развития органической химии.

Химическая реакция – взаимодействие между атомами и молекулами, приводящее к образованию новых веществ, отличных от исходных по химическому составу или строению. В отличие от ядерных химические реакции не изменяют ни общего числа атомов в системе, ни изотопного состава элементов. Каждая химическая реакция обратима и представляет собой перераспределение химических связей. Равновесие на практике смещается в ту или иную сторону в зависимости от реагентов и условий процесса. Химическая реакция представляет собой не простое взаимодействие исходных реагентов, а сложные цепи последовательных стадий, где реагенты взаимодействуют друг с другом и со стенками реактора, которые могут катализировать, ингибировать процесс. Примеси ведут себя как агрессивные агенты – катализаторы или инертные – ингибиторы. Методы управления химической реакцией можно разделить на термодинамические и кинетические, среди последних ведущую роль выполняют каталитические процессы.

Химическая термодинамика отвечает на вопросы о принципиальной возможности протекания данной химической реакции в определенных условиях и о конечном равновесном состоянии системы. Состояние химической системы определяется температурой, давлением, концентрацией, объемом, энергией.

Система – совокупность тел, выделенная из пространства. Если в системе возможен массо- и теплообмен между всеми ее составными частями, то такая система называется термодинамической. Химическая система, в которой возможно протекание реакций, представляет собой частный случай термодинамической. Если между системой и окружающей средой отсутствует массо- и теплообмен, то такая система называется изолированной. Если отсутствует массообмен, но возможен теплообмен, то система называется закрытой. Если же между системой и окружающей средой возможен и массо-, и теплообмен, то система открытая. Система, состоящая из нескольких фаз, называется гетерогенной, однофазная система – гомогенной.

Реакции, протекающие в гомогенной системе, развиваются во всем ее объеме и называются гомогенными. Реакции, происходящие на гра­нице раздела фаз, – гетерогенными.

Тепловой эффект химических процессов в изобарных условиях определяется изменением энтальпии, т.е. разницей энтальпий конеч­ного и исходного состояний. Согласно закону Лавуазье – Лапласа, теплота, выделяющаяся при образовании вещества, равна теплоте, поглощаемой при разложении такого же его количества на исходные составные части.

Более глубокие обобщения термохимических закономерностей дает закон Гесса: тепловой эффект химических реакций, протекающих при постоянном давлении или при постоянном объеме, не зависит от числа промежуточных стадий, а определяется лишь начальным и конечным состояниями системы.

I закон термодинамики (закон сохранения энергии): энергия не исчезает и не возникает вновь из ничего при протекании процесса, она лишь может переходить из одной формы в другую в строго эквивалентных отношениях.

II закон термодинамики: при протекании процесса в изолированной системе обратимых процессов энтропия остается неизменной, а при необратимых процессах увеличивается.

Дата добавления: 2014-01-03