Лекция 10. Система химии

ХИМИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА.

1. Концептуальные системы химии.

2. Учение о составе вещества.

3. Структурная химия.

4. Кинетическая химия.

5. Эволюционная химия.

Основная проблема химии как науки и концептуальные системы химии. В одних учебниках химию определяют как «науку о веществах и их превращениях», в других - как “науку, изучающую процессы качественного превращения веществ” и т.д. Д. И. Менделеев называл химию «наукой о химических элементах и их соединениях». Все эти определения по своему хороши, но они не учитывают тот факт, что химия является не просто суммой знаний о веществах, а упорядоченной, постоянно развивающейся системой знаний, имеющей определенное социальное назначение и свое место в ряду других наук.

Вся история развития химии является закономерным процессом смены способов решения ее основной проблемы. Все химические знания, которые были приобретены в течение многих веко, подчинены единственной главной задаче химии - задаче получения веществ с необходимыми свойствами.

Итак, основная двуединая проблема химии - это:

1.Получение веществ с заданными свойствами - производственная задача.

2. Выявление способов управления свойствами вещества - задача научного исследования.

По мере развития науки изменялись представления об организации материи, составе веществ, структуре молекул, были получены новые данные о самих химических процессах, что, конечно же, в корне изменяло и способы синтеза новых соединений, и методы исследования их свойств. Существует только четыре способа решения этой проблемы, которые связаны, прежде всего, с наличием всего четырех основных природных факторов, от которых зависят свойства получаемых веществ:

1. Состав вещества (элементарный, молекулярный).

2. Структура молекул.

3. Термодинамические и кинетические условия химической реакции, в процессе которой это вещество получается.

4. Уровень организации вещества.

Последовательное появление сначала первого, затем второго, третьего и, наконец, четвертого способов решения основной проблемы химии приводит к последовательному появлению и сосуществованию четырех уровней развития химических знаний, или, как принято теперь их называть, четырех концептуальных систем, находящихся в отношениях иерархии, т. е. субординации. В системе всей химии они являются подсистемами, так же как сама химия представляет собой подсистему всего естествознания в целом. Существование всего четырех способов решения основной проблемы химии нашло свое отражение в делении системы химии на четыре подсистемы. Таким образом, в развитии химии происходит не смена, а строго закономерное, последо­ва­тельное появление концептуальных систем. При этом каждая вновь появляю­щаяся система не отрицает предыдущую, а, наоборот, опирается на нее и включает в себя в преобразованном виде.

Подводя некоторые итоги, можно дать следующее определение: Система химии - единая целост­ность всех химических знаний, которые появляются и существуют не отдельно друг от друга, а в тесной взаимосвязи, дополняют друг друга и объединяются в концепту­альные системы химических знаний, которые находятся между собой в отношениях иерархии.

Первый этап развития химии - XVII в: Учение о составе вещества. На каждом из четырех исторических этапов добычи химических знаний возникали свои задачи, которые требовали решения.

Действенный способ решения проблемы происхождения свойств вещества появился во второй половине XVII в. в работах английского ученого Роберта Бойля. Его исследования показали, что качества и свойства тел не имеют абсолютного характера и зависят от того, из каких материальных элементов эти тела составлены. Бойль тем самым способствовал решению основной проблемы химии посредством установления взаимосвязи:

СОСТАВ ВЕЩЕСТВА —————————> СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА

Этот способ положил начало учению о составе веществ, которое явилось первым уровнем научных химических знаний. Вплоть до первой половины XIX в. учение о составе веществ представляло собой всю тогдашнюю химию.

Основные проблемы, стоявшие перед учеными на самом первом этапе - этапе изучения состава вещества:

1.Проблема химического элемента.

2.Проблема химического соединения.

3.Проблема создания новых материалов, в состав которых входят вновь открываемые химические элементы.

Решение проблемы химического элемента. Исторические корни решения этой проблемы уходят в глубокую древность. В Древней Греции возникают первые атомистические теории о строении мира и в противовес им – представления о свойствах и элементах, - качествах, подхваченных позже ложными учениями алхимиков.

Начало современному представлению о химическом элементе как о «простом» теле или как о пределе химического разложения вещества положил Роберт Бойль. Химики, стремясь получить «простые вещества», пользовались при этом самым распространенным в то время методом – прокаливанием «сложных веществ». Прокаливание же приводило к окалине, которую и принимали за новый элемент. Соответственно, металлы - железо, например, принимали за сложные тела, состоящие из соответствующего элемента и универсального невесомого тела - флогистона (флогистос - греч. зажженный). Теория флогистона (ложная по своей сути) была первой научной химической теорией и послужила толчком к множеству исследований.

В 1680-1760 гг. появились точные количественные методы анализа вещества, а они, в свою очередь, способствовали открытию истинных химических элементов. В это время были открыты фосфор, кобальт, никель, водород, фтор, азот, хлор и марганец. В 1772-1776 гг. одновременно в Швеции, Англии и Франции был открыт кислород. Во Франции его первооткрывателем был замечательный химик А.Л. Лавуазье (1743-1794 гг.). Он установил роль кислорода в образовании кислот, оксидов и воды, опроверг теорию флогистона и создал принципиально новую теорию химии. Ему принадлежала также первая попытка систематизации химических элементов. Система Лавуазье определяла место элемента по атомной массе. Впоследствии Д.И.Менделеев усовершенствовал периодическую систему элементов, установив периодический закон, в соответствии с которым располагаются элементы.

Периодический закон и периодическая система химических элементов. Основным принципом, по которому первоначально Д. И. Менделеев строил свою таблицу, было размещение элементов в порядке возрастания их атомных весов. Далее он пришел к выводу, что причина периодических изменений физических и химических свойств элементов кроется в периодичности строения электронных оболочек атомов. В настоящее время место химического элемента определяют по заряду атомного ядра, который отражает индивидуальные свойства элемента. Самое главное заключалось в том, что таблица Менделеева не просто давала объяснение физическим свойствам элементов, а ставила им в соответствие и их химические свойства. Сделав это открытие в 1869 г., русский химик совершил революцию в естествознании, т.к. его открытие не просто устанавливало связь между всеми химическими элементами, но и взаимную связь между химическими и физическими свойствами отдельных элементов.

Основным постулатом таблицы являлось то, что валентность химического элемента определяется числом электронов на внешней электронной оболочке (эти электроны так и называются - валентные электроны). Основываясь на валентности и химических свойствах элементов, Менделеев расположил все элементы по 8 группам, в каждой из которых размещались элементы со сходными свойствами. Группы и ряды периодической системы стали надежной основой для выявления семейств родственных элементов. В начале каждого периода валентные электроны находятся на s-подуровнях соответствующих уровней энергии в атомах. Затем в малых периодах происходит заполнение электронами s и p-подуровней, а в больших периодах также и d-подуровней. В VI и VII периодах, кроме того, наблюдается заполнение f-подуровней. Атомы инертных газов содержат наружные электроны всегда на полностью сформированных s и p-подуровнях. Таким образом, химические элементы одинаковых подгрупп периодической системы характеризуются аналогичным строением электронных оболочек атома.

Важная роль периодического закона заключается в том, что в нем устанавливается связь между строением атомов и влиянием этого строения на физические и химические свойства элементов. Одними из наиболее важных свойств атомов, связанных со строением их электронных оболочек, являются эффективные атомные и ионные радиусы. Оказывается, что они также периодически изменяются в зависимости от величины атомного номера элемента. Для элементов одного периода по мере увеличения порядкового номера сначала наблюдается уменьшение атомных радиусов, а затем, к концу периода, их увеличение. Это необычное физическое свойство находит простое объяснение, основанное на знании строения внешней электронной оболочки атомов, принадлежащих одному периоду: все дело в электростатике.

N.B! Первым практическим применением периодического закона было исправление величин валентности и атомных весов некоторых элементов, для которых в то время принимались неверные значения. Это относилось, в частности, к индию, церию, другим редкоземельным элементам: торию, урану.

Решение проблемы химического соединения. Начало решению этой проблемы было положено благодаря работам французского химика Ж. Пруста, который в 1801-1808 гг. установил закон постоянства состава, согласнокоторому любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным, неизменным составом - прочным притяжением составных частей (атомов) и тем самым отличается от смесей.

Теоретическое обоснование закона Пруста было дано англичанином Дж. Дальтоном, являющимся автором другого основополагающего закона в учении о составе веществ - закона кратных отношений. Он показал, что все вещества состоят из молекул, а все молекулы, в свою очередь, - из атомов, и что состав любого вещества можно представить себе как простую формулу типа АВ, АВ2, А2 В3 и т.д., где символы А и В обозначают названия двух атомов, из которых состоит молекула. Согласно этому закону эквивалентов «составные части молекулы» - атомы А и В могут замещаться на другие атомы - С и D, например, согласно реакциям:

АВ + С ——> АС + В или

А2В3 + 3D ———> А2D3 + 3В

Закон кратных отношений Дальтона (1803 г.) гласит: Если определенное количество одного элемента вступает в соединение с другим элементом в нескольких весовых отношениях, то количества второго элемента относятся между собой как целые числа.

В 1808 г. Джон Дальтон возродил атомизм и писал: «Атомы — химические элементы, которые нельзя создать заново, разделить на более мелкие частицы, уничтожить путем каких-либо химических превращений. Любая химическая реакция просто изменяет порядок группировки атомов». Под неделимыми атомами Дальтон понимал химические элементы.

Джон Дальтон еще не делал различия между атомами и молекулами, называя молекулы «сложными атомами». Понятие «молекулы» ученые начинают использовать в начале XIX века. Молекула – это устойчивая совокупность атомов, способная к самостоятельному существованию. Поскольку молекула может быть образована разными атомами, постольку ее свойства отличаются от свойств входящих в нее атомов. Именно молекулы определяют свойства вещества, поэтому молекулу следует рассматривать в качестве «единицы» вещества.

В 1811 г. Амадео Авогадро (1776-1856 гг.) предложил молекулярную теорию строения вещества, в которой были обобщены и систематизированы накопленные к тому времени экспериментальные данные. Авогадро предложил метод определения молекулярных масс, с помощью которого впервые вычислил атомные массы кислорода, углерода, азота. Хлора и ряда других элементов. Молекулярная теория строения вещества позволила по-новому взглянуть на процессы, происходящие в газовой фазе, и дала начало новой науке, стоящей на стыке химии и физики - молекулярной физике. Настоящей сенсацией стало откры­тие закона Авогадро в 1811г.Итальянский ученый установил, что при одинаковых физических условиях (давлении и температуре) равные объемы различных газов содержат равное число молекул (6×10 ²³). Другими словами, это означает, что грамм-молекула любого газа при одинаковой температуре и давлении занимает один и тот же объем.

На основе молекулярной теории Авогадро в середине XIX в. была разработана теория химического строения, согласно которой свойства вещества определяются порядком связей в молекулах. Химическая связь образуется в результате обменного взаимодействия электронов, которые связаны с ядром атома наиболее прочно. Электроны, участвующие в обменном взаимодействии, называются валентными.

Развитие химии и изучение все большего числа соединений приводили химиков к мысли, что наряду с веществами, имеющими определенный состав, существуют еще и соединения переменного состава - и это явилось причиной пересмотра представлений о молекуле в целом. Молекулой, как и прежде, продолжали называть наименьшую частичку вещества, способную определять его свойства и существовать самостоятельно, но теперь к молекулам стали относить и такие необычные квантово-механические системы, такие как ионные, атомные и металлические монокристаллы, а также полимеры, образованные за счет водородных связей. В результате применения физических методов исследования вещества стало ясно, что свойства реального тела определяются не столько тем, постоянен или не постоянен состав химического соединения, а скорее физической природой химизма, т.е. природой тех сил, которые заставляют несколько атомов объединяться в одну молекулу. Поэтому теперь под химическим соединением понимают определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет взаимодействия друг с другом объединены в частицу, обладающую устойчивой структурой - молекулу, комплекс, монокристалл или иной агрегат. Это более широкое понятие, чем понятие «сложное вещество». Действительно, ведь всем известны химические соединения, состоящие не из разных, а из одинаковых элементов. Это молекулы водорода, кислорода, хлора, графита, алмаза и т.д.

Особое положение в ряду молекулярных частиц занимают макромоле­кулы полимеров. Они содержат большое число повторяющихся, химически связанных друг с другом в единое целое структурных единиц - фрагментов мономерных молекул, обладающих одинаковыми химическими свойствами.

Дальнейшее усложнение химической организации материи идет по пути образования более сложной совокупности взаимодействующих атомных и молекулярных частиц, так называемых молекулярных ассоциатов и агрегатов, а также их комбинаций. При образовании агрегатов изменяется фазовое состояние системы, чего не происходит при образовании ассоциатов. Фазовое состояние - это основное физическое состояние, в котором может существовать любое вещество (газ, жидкость, твердое тело).

Проблема создания новых материалов. Природа щедро «разбросала» свои материальные ресурсы по всей планете. Но вот какую странную закономерность обнаружили ученые: оказывается, чаще всего в своей деятельности человек использует те вещества, запасы которых в природе ограничены.

Поэтому в настоящее время перед учеными-химиками стоят три задачи:

1. Приведение в соответствие практики использования химических элементов в производстве с их реальными ресурсами в природе.

2. Последовательная замена металлов различными видами керамики.

3. Расширение производства элементоорганических соединений на базе органического синтеза.

Элементоорганические соединени я - это соединения, в состав которых входят как органические элементы (углерод, водород, сера, азот, кислород), так и производ­ные ряда других химических элементов: кремния, фтора, магния, кальция, цинка, натрия, лития и т.д.

Предлагается сосредоточить внимание на увеличении использования на производстве таких элементов как алюминий, магний, кальций, кремний. В природе эти элементы встречаются довольно часто, и их добыча не составляет особого труда. Кроме того, использование этих веществ, составленных из наиболее часто встречающихся природных элементов, приведет к меньшему загрязнению окружающей среды отходами, - проблеме, так остро ощущаемой всеми в настоящее время.

Возросшая необходимость замены металлов керамикой вызвана тем, что производство керамики легче и экономически выгоднее и, кроме того, на некоторых производствах она просто не может быть заменена металлами. Химики научились получать огнеупорную, термостойкую, химически стойкую, высокотвердую керамику, а также керамику для электротехники. А в последнее время было обнаружено удивительное свойство некоторых керамических изделий обладать высокотемпера­турной сверхпроводимостью, т.е. сверхпроводимостью при температурах выше температуры кипения азота. Открытию этого уникального физического свойства способствовали работы химиков по созданию новой керамики на основе комплексов с барием, лантаном и медью, взятых в едином комплексе.

Химия элементооргани­ческих материалов с применением крем­ния (кремнийорганическая химия) лежит в основе создания производства многих полимеров, обладающих ценными свойствами и незаменимых в авиации и энергети­ке. А фторорганичес­кие соединения обладают исключительной устойчивос­тью (даже в кислотах и щелочах) особой поверхностной активностью и поэтому могут переносить, например, кислород как молекула гемоглобина! Фторорганичес­кие соединения активно используются в медицине для создания всевозможных покрытий и т.д.

Решение практических задач, стоящих перед химиками в настоящее время сопряжено с синтезом новых веществ и анализом их химического состава. Поэтому, как и много лет тому назад, проблема состава веществ остается в химии по-прежнему актуальной.

Второй этап развития химии как науки - XIX в: Структурная химия. В 1820 - 1830 гг. мануфактурная стадия производства с ее ручной техникой сменилась фабричной стадией. На производстве появились новые машины, возникла потребность в поиске новых сырьевых материалов для использования в промышленности. В химическом производстве стала преобладать переработка огромных масс веществ растительного и животного происхождения, качественное разнообразие которых было потрясающе велико, а состав однообразен: углерод, водород, кислород, сера, азот, фосфор. Значит, свойства веществ, определяется не одним только составом - сделали вывод химики.

Химики выяснили, что свойства веществ, а значит и их качествен­ное разнообразие обусловливается не только их составом, но и структурой молекул. Поэтому второй уровень развития химических знаний получил условное название структурная химия. Главным достижением этого этапа можно было назвать установление связи между структурой молекулы и функциональной активностью соединения:

СТРУКТУРА МОЛЕКУЛЫ ———> ФУНКЦИЯ (РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ)

Структура – это устойчивая упорядоченность качественно неизменной системы, каковой является молекула. Если знание состава вещества отвечает на вопрос о том, из каких химических элементов состоит молекула данного вещества, то знание структуры вещества дает представление о пространственном расположении атомов в этой самой молекуле.

Согласно теории строения вещества, выдвинутой Дж. Дальтоном, любое химическое вещество представляет собой совокупность молекул, обладающих строго определенным качественным и количественным составом, т. е. состоящих из определенного количества атомов одного, двух или трех химических элементов. Теория Дальтона отвечала на вопрос: как можно отличить индивидуальное вещество от смесей веществ, но она не давала ответа на множество других вопросов: каким образом объединяются атомы в молекулу, существует ли какая-то упорядоченность в расположении атомов в молекуле или они объединены как попало, случайно? На эти вопросы попытался дать ответ шведский химик И.Я. Берцелиус, живший в первой половине XIX в.

На основании определения данного им процентного состава многих веществ, поиска элементарных стехиометрических закономернос­тей (стехиометрия – наука, изучающая количественное состояние вещества), а также изучения разложения сложных веществ в растворе под действием электрического тока, он задался вопросом: почему существуют электроположительные и электроотрицательные вещества? что влияет на знак и величину электрического заряда конкретного вещества? В чем различие в строении молекул кислоты и щелочи или щелочи и нейтральной соли?

Берцелиус полагал, что все атомы разных химических элементов обладают различной электроотрицательностью, и, соответственно, расположил их в своеобразный ряд по мере ее увеличения. В итоге он выдвинул гипотезу, согласно которой молекула представляет собой не простое нагромождение атомов, а определенную упорядоченную структуру атомов, связанных между собой электростатическими силами и предложил новую модель атома в виде электрического диполя.

В 1840 г. в работах французского ученого Ш. Жерара было показано, что структуры И. Я. Берцелиуса справедливы не во всех случаях. Есть масса веществ, молекулы которых невозможно разложить на отдельные атомы под действием электрического тока, они представляют как бы единую целую систему и именно такую неделимую систему взаимосвязанных друг с другом атомов Ш. Жерар и предлагал называть молекулой. Он разработал теорию типов органических соединений.

Вместе с тем стало ясно, что не все атомы, входящие в состав моле­кулы данного вещества одинаково хорошо вступают во взаимодействие с атомами других молекул. Каждую молекулу можно условно подразделить на несколько так называемых функциональных или реактивных блоков, в которые входят группы атомов, просто отдельные атомы или даже отдельные химические связи. Каждая из таких структур обладает своей уникальной способностью вступать в химические реакции, т.е. своей реакционной способностью. Так была установлена связь между структурой и валентностью, заслуга которой принадлежит немецкому химику Ф.Кекуле.

В 1857 г.Кекуле обнародовал свои наблюдения о свойствах отдельных элементов, которые могут замещать атомы водорода в ряде соединений. Он пришел к выводу о том, что некоторые из них могут замещать три атома водорода, другие же - только два или даже один. А.Кекуле также установил, что «один атом углерода... эквивалентен четырем атомам водорода». Это были основополагающие положения теории валентности веществ.

А. Кекуле ввел в обиход новый химический термин сродство, который и обозначал количество атомов водорода, которое может заместить данный химический элемент. Число единиц сродства, присущее данному химическому элементу, ученый назвал валентностью атома. Кекуле приписал всем элементам соответственно три, две или одну единицу сродства, разделив элементы на одно-, двух- и трех- валентные. Углерод же находился при этом в необычном положении - его атом обладал четырьмя единицами сродства. Кекулепоказал, что углерод четырехвалентен, и это дает возможность присоединить к нему до 4 элементов одновалентного водорода. Азот может присоединить до 3 одновалентных элементов, кислород – до 2. При объединении атомов в молекулу происходит замыкание свободных единиц сродства. Например:

Два атома водорода + один атом кислорода образуют одну молекулу воды

Н — + Н — + — О — → Н — О — Н

на две единицы сродства, которыми обладает один атом кислорода.

Две единицы сродства на двух атомах водорода замыкаются  

две единицы сродства

на двух атомах водорода

замыкаются

Валентность – способность атомов одного химического элемента соединяться с определенным количеством атомов другого химического элемента. Сегодня под валентностью атомных частиц понимается их свойство вступать в химическое взаимодействие, количественной мерой которого является суммарное число неспаренных электронов, неподеленных электронных пар и вакантных орбиталей, участвующих в образовании химических связей. Валентность атомной частички не является постоянной величиной и может изменяться от единицы до некоторого максимального значения в зависимости от природы частиц-партнеров и условий образования химического соединения.

Таким образом, понятие структура молекулы с легкой руки А.Кекуле свелось к построению наглядных формульных схем, которые служили химикам руководством в их практической работе, конкретным указанием на то, какие исходные вещества следует брать для того, чтобы получить необходимый химический продукт. Эта схема натолкнула исследователей на понимание механизма получения новых химических соединений.

В истории науки Ф.Кекуле известен еще и тем, что в 1865 г. открыл циклическую структурную формулу молекулы бензола, которую увидел во сне в виде змеи, кусающей свой хвост.

Схемы А. Кекуле, однако, не всегда можно было осуществить на практике: хорошо продуманная (или придуманная) реакция не хотела протекать согласно красивой схеме. Это происходило потому, что формульный схематизм не учитывал реакционную способность веществ, вступающих в химическое взаимодействие друг с другом. Ответы на волнующие практических химиков вопросы дала теория химического строения русского ученого Александра Михайловича Бутлерова.

Впервые свою концепцию Бутлеров представил в 1861 году на 36 съезде немецких естествоиспытателей и врачей, в докладе «О химическом строении вещества». Согласно его концепции природа сложной частицы определяется природой ее составных частей, их количеством и химическим строением. От химического строения зависят те реакции, в которых участвует вещество. Термин «химическое строение» Бутлеров применил для обозначения порядка межатомных связей в молекулах, который может быть выражен структурной формулой. Бутлеров сделал вывод о том, что различие веществ, обладающим одинаковым составом, можно объяснить только различием их химического строения. Таким образом, он выяснил причины явления изомерии. Бутлеров подчеркивал, что по строению молекул можно предвидеть свойства химического вещества. Таким образом, в конце ХIХ в. ученые пришли к выводу, что свойства веществ зависят не только от входящих в них химических элементов, т.е. от состава, но и от структуры, которая определяется способом взаимодействия между этими элементами.

Сегодня под понятием структура понимают устойчивую упорядоченность качественно неизменной системы. Под понятием структура молекулы подразумевается геометрическое расположение атомов в молекуле (молекулярное строение) и распределение электронной плотности между этими атомами, а также энергетические параметры (электронное строение). Следует иметь в виду, что основная информация о геометрическом строении молекул в настоящее время получается из экспериментальных данных.

Итак, под молекулярной структурой понимают сочетание ограниченного числа атомов, имеющих закономерное расположение в пространстве и связанных друг с другом химической связью с помощью валентных электронов. Молекулярную структуру подразделяют на атомную (геометрическую) и электронную. В первом приближении под понятием атомная структура следует понимать устойчивую совокупность ядра и окружающих его электронов, находящихся в электромагнитном взаимодействии друг с другом. Понимание электронной структуры возможно лишь с привлечением той или иной теории электронного строения. Атомная и электронная структура - две взаимосвязанные характеристики молекулы

Химическая связь. Объединение атомов в молекулу происходит за счет образования химических связей. Химической связью называется взаимодействие между атомами элементов, обуславливающее их соединение в молекулы и кристаллы.

Бутлеров, так же как и Кекуле, признавал, что образование молекул из атомов происходит за счет замыкания свободных единиц сродства, но одновременно с этим он указывал на важность того, с каким «напряжением, большей или меньшей энергией (это сродство) связывает вещества между собой». Другими словами, Бутлеров впервые в истории химии обратил внимание на энергетическую неравноценность разных химических связей, таких как, например, одинарной С – С, двойной С=С или тройной С_р С химической связей в органических соединениях. Таким образом, теория указала на причины активности одних веществ и пассивности других. Она также указывала на наличие активных центров и активных группировок в структуре молекул. Теория А. М. Бутлерова стала для химиков руководством в их практической деятельности. Позже она нашла свое подтверждение и физическое обоснование в квантовой механике.

Взаимодействие веществ в ходе химических реакций приводит к химической трансформации, т.е. изменению состава вещества. Для этого должна быть разрушена одна комбинация атомов и создана другая. Этот процесс сопровождается понижением энергии системы, причем образование нового соединения, как правило, сопровождается выделением энергии, эта энергия выделяется в виде теплоты.

В настоящее время понятие «химическая связь» стало более широким. Теперь под химической связью понимается такой вид взаимодействия не просто между отдельными атомами, а иногда и между атомно-молекулярными частицами, который обусловлен совместным использованием их электронов. При этом имеется в виду, что такое обобществление электронов взаимодействующими частицами может изменяться в широких пределах. Тип связи определяется характером физического взаимодействия атомно-молекулярных частиц друг с другом. Фундаментальную теорию химических связей создал в 30-е годы ХХ века американский химик Лайнус Полинг. В 1954 г. он получил нобелевскую премию за исследование природы химической связи и её применение для определения структуры соединений. Существуют ковалентная, (полярная, неполярная) водородная,и ионная (ионно-ковалентная) связи,а также металлическая связь.

Ионная связь образуется в том случае, когда, объединяясь в одну молекулу, один из атомов теряет электроны со своей внешней оболочки (катион), а другой их приобретает (анион) противоположно заряженные ионы притягиваются друг к другу, образуя прочные связи. Ионные соединения – это, как правило, твердые вещества, имеющие очень высокую температуру плавления (соли, щелочи, напр., поваренная соль).

Ковалентная связь образуется в результате электронной пары, принадлежащей одновременно обоим атомам, создающим молекулу вещества. Поскольку такие молекулы удерживаются слабыми силами, они неустойчивы и существуют в виде жидкостей или газов с низкими температурами плавления и кипения (кислород, бутан).

Водородная связь обусловлена поляризацией ковалентных связей, когда совместные электроны большую часть времени находятся у атома элемента, связанного с атомом водорода. В результате такой атом получает небольшой отрицательный заряд, что делает соединения с водородными связями более крепкими по сравнению с другими ковалентными соединениями (вода).

Металлические связи обусловлены свободным перемещением электронов внешних оболочек атомов металлов. Атомы в металлах выстраиваются в точно подогнанные друг к другу ряды, удерживаемые вместе электронным полем.

Органический синтез. Теория химического строения вещества А.М.Бутлерова стала одним из оснований современной органической химии, а его идеи развивались многочисленными учениками и последователями. Благодаря развитию структурных представлений в 1860 – 1880 гг. в химии появился термин «органический синтез», обозначавший не только действия по получению новых органических веществ, но и целую область науки, названную так в противоположность всеобщему увлечению анализом природных веществ. Таким образом, познание структуры молекул перевело химию на второй уровень развития химических знаний и способствовало превращению химии из преимущественно аналитической науки в науку синтетическую.

С возникновением структурной химии у химической науки появились доселе неизвестные ранее возможности целенаправленного влияния на преобразование вещества. Возникла также технология органических веществ, которой ранее не было. В эти годы были впервые синтезированы анилиновые красители, взрывчатые вещества, лекарственные препараты. Но многие реакции органического синтеза на основе структурной химии давали очень низкие выходы необходимого продукта и большие отходы в виде побочных продуктов. Их нельзя было использовать в промышленном масштабе. Для такого производства использовалось дорогостоящее сельскохозяйственное сырье, а технологический процесс являлся многоэтапным и трудноуправляемым. Все эти причины тормозили развитие органического синтеза.

Третий этап развития химии как науки: кинетическая химия - учение о химических процессах. Интенсивное развитие автомобильной промышленности, авиации, энергетики и приборостроения в начале нашего века требовало качественного топлива для работы моторов. Специальные высокопрочные каучуки для шин автомобилей, пластмассы для облегчения их веса, всевозможные полимеры и полупроводники – все это было необходимо получать в больших количествах, но, увы, развитие химических навыков не соответствовало запросам производства. В связи с развитием техники и именно в это времяхимия становится наукой уже не только и не столько о веществах, сколько наукой о процессах и механизмах изменения веществ. Поэтому третий способ решения основной проблемы химии, учитывающий всю сложность организации химических процессов и обеспечивший экономически приемлемую производительность этих процессов в химических реакторах, может быть представлен схемой:

ОРГАНИЗАЦИЯ ХИМИЧЕСКОГО ———> ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ

ПРОЦЕССА В РЕАКТОРЕ РЕАКТОРА

Учение о химических процессах – это такая область науки, в которой существует наиболее глубокое взаимопроникновение физики, химии и биологии. В основе этого учения находятся химическая термодинамика и кинетика, поэтому все это учение о химических процессах в равной степени относится как к химии, так и к физике.

Существует большое количество решаемых проблем в связи с созданием учения о химических процессах. Подробное их описание можно найти в любом современном учебнике по физической химии. Но, пожалуй, одной из самых основных проблем являлась задача создания методов, позволяющих управлять химическими процессами. В самом общем виде все методы управления можно подразделить на две большие группы: термодинамические и кинетические. Термодинамические методы – это методы, влияющие на смещение химического равновесия реакции; кинетические методы – это методы, влияющие на скорость протекания реакции.

Сама по себе химическая реакция – вещь достаточно капризная. Взаимодействие веществ в ходе реакции приводит к изменению состава вещества. Для этого должна быть разрушена одна комбинация атомов и создана другая. Для разрушения старого соединения необходимо затратить энергию. В 1884 г. появляется книга выдающегося голландского химика Я. Вант-Гоффа, основателя стереохимии, в которой он обосновал законы, устанавливающие зависимость направления химической реакции от изменения температуры и теплового эффекта реакции. В том же году французский химик А. Ле-Шателье сформулировал свой знаменитый принцип подвижного равновесия, вооружив химиков методами смещения равновесия в сторону образования продуктов реакции.

Химические реакции описываются уравнениями, основанными на законе сохранения вещества, который был описан М.В.Ломоносовым. Согласно этому закону, полная масса веществ, вступивших в реакцию, должна точно соответствовать массе образовавшихся веществ. Для расчетов массы используется счетная единица – моль, которая содержит одинаковое количество частиц (6×10²³, число Авогадро).

Любая химическая реакция обратима. Например, реакция типа:

Дата добавления: 2013-12-12