3.4. Концепции химии

Химия – это наука, изучающая превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и свойств. В современной химии отдельные ее области стали самостоятельными науками – это неорганическая, органическая, коллоидная, аналитическая, физическая химия, биохимия, агрохимия, геохимия, химия полимеров и т.д. На законах химии основаны такие технические науки, как химическая технология, металлургия и многие другие. Фундаментальными основами современной химии стали квантовая механика, атомная физика, термодинамика, статистическая физика и физическая кинетика. На основе физики построена теоретическая химия. Однако, из этого не следует, что химия не существует как самостоятельная наука: химия «выводится» из физики, но не сводится к ней. Все многообразие химических взаимодействий происходит на атомно-молекулярном уровне организации материи. Описать эти взаимодействия на основе фундаментальных взаимодействий и уровне квантовой механики чрезвычайно сложно, поэтому в химии выработан свой химический язык и сформулированы свои законы. Основными материальными структурами, которыми оперирует химия, являются атом (химический элемент) и молекула.

В соответствии с современными представлениями все атомы «устроены» одинаково: положительно заряженное ядро, имеющее размеры , но заключающее в себе практически всю массу атома, и отрицательно заряженную оболочку вокруг ядра, состоящую из электронов. Размеры атома примерно равны . Ядро образовано протонами и нейтронами, объединенными между собой сильным (ядерным) взаимодействием. Количество электронов в атоме равно числу протонов в ядре, поэтому атом в невозбужденном состоянии нейтрален. Электроны распределяются вокруг ядра по оболочкам в соответствии с принципом минимума энергии и принципом запрета Паули. Радиусы электронных оболочек и энергия электронов на них дискретны (квантовы) и кратны номеру электронной оболочки п, которое называют главным квантовым числом. В соответствии с этими принципами на внутренней оболочке могут находиться только 1 или 2 электрона, на следующей 1, 2, 3,…8, затем 1, 2,…18 и т.д. Количество всех оболочек определяет номер периода элемента в таблице Менделеева, заряд ядра определяет место элемента в этой таблице, а количество электронов на внешней оболочке – валентность элемента. Электроны, находящиеся на внешней электронной оболочке, называют валентными. Только они участвуют в химических взаимодействиях и именно они определяют химические свойства элементов.

Связь между химическими свойствами элементов, числом валентных электронов и зарядом ядра удалось установить Д. И. Менделееву. В 1869 году им был сформулирован закон, согласно которому свойства химических элементов, а также свойства химических соединений элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра их атомов. Это позволило расположить все химические элементы (а их в настоящее время насчитывается 112) по рядам, группам и подгруппам в периодической таблице, которую называют «Периодическая таблица элементов Д. И. Менделеева». Элементы в каждой группе и подгруппе и соединения, из них образованные, обладают схожими химическими свойствами. Это позволило классифицировать все многообразие химических соединений и химических взаимодействий по определенным классам, группам и т.д.

Взаимодействуя между собой и друг с другом, химические элементы могут образовывать как простые молекулы, типа и т.д., так и сложные и даже макромолекулы, имеющие сложную пространственную структуру и состоящие из десятков, сотен и более элементов. Твердые вещества, такие как металлы, полупроводники и диэлектрики также образованы за счет химических взаимодействий, а их физико-химические и механические свойства однозначно определяются свойствами элементов и соединений их образующих.

Превращение одного или нескольких веществ-реагентов в другие, отличающиеся химическим составом, строением и свойствами, называется химической реакцией. По агрегатному состоянию реагентов различают газо-, жидко- и твердофазные реакции. Для химических реакций выполняется закон сохранения массы. Если реагенты и продукты реакции находятся в одной фазе, реакция называется гомогенной. Если реакция происходит на границе раздела фаз, она называется гетерогенной. Реакции, протекающие в одном направлении, называются необратимыми, в прямом и обратном направлении – обратимыми. Для обратимых реакций возможно состояние химического равновесия, при котором скорость прямой и обратной реакции равны.

Скорость конкретной химической реакции зависит от концентрации реагирующих веществ, природы растворителя (для реакций в растворах), температуры реагирующих веществ, давления в зоне реакции, присутствия катализаторов и ингибиторов реакции. Повышение концентрации, температуры и давления, как правило, увеличивает скорость протекания реакции. Скорость реакции можно увеличить с помощью катализаторов: веществ, которые сами не расходуются в процессе реакции, но их присутствие в зоне реакции существенно увеличивает ее скорость. В некоторых реакциях катализаторы увеличивают скорость в тысячи раз. Из химических элементов каталитическими свойствами обладают металлы платиновой группы и редкоземельные металлы. Эффективными катализаторами являются также ряд других веществ: металлоорганические соединения, ионообменные смолы, оксиды металлов и т.д. Роль катализаторов в биохимических реакциях выполняют белки-ферменты.

Для управления химическими реакциями в последнее время используются и другие физические факторы, например электромагнитные поля – электролиз, фотокатализ.

Химические реакции сопровождаются изменением энергетического состояния реагирующих веществ. В связи с этим, одни реакции протекают с выделением тепла в окружающее пространство, их называют экзотермические, а другие реакции происходят с поглощением тепла извне, т.е. эндотермические. Тепловой эффект реакции, протекающей при постоянном давлении, определяется разностью энтальпий реагирующих веществ и продуктов реакции и, согласно закону Гесса, не зависит от пути химической реакции. Возможность протекания (или не протекания) тех или иных химических процессов определяется термодинамическими законами. В рамках термодинамики реагенты рассматриваются как система, которая должна стремиться к уменьшению энтальпии, т.е. , и увеличению энтропии, т.е. . В термодинамике вводится функция состояния , называемая энергией Гиббса, которая связывает между собой энтальпию и энтропию и характеризует поведение реагирующей системы. В изобарно-изотермических условиях изменение энергии Гиббса равно: . Критерием возможности протекания химической реакции является отрицательное значение энергии Гиббса этой реакции: .