8.2. Первый уровень химического знания. Учение о составе вещества

Первый по-настоящему действенный способ решения проблемы происхождения свойств вещества появился в XVII в. в работах анг­лийского ученого Р. Бойля. Его исследования показали, что качест­ва и свойства тел не имеют абсолютного характера и зависят от то­го, из каких химических элементов эти тела составлены. У Бойля наименьшими частичками вещества оказывались неосязаемые орга­нами чувств мельчайшие структуры — атомы, или, как он их назы­вал, minima naturalia. Эти частицы могли связываться друг с другом, образуя более крупные соединения — кластеры, по терминологии Бойля. Связь частиц в кластерах была достаточно прочной, и по­этому кластеры сами были невидимыми глазу кирпичиками для построения реальных физических тел. В зависимости от объема и формы кластеров, от того, находились ли они в движении или по­коились, зависели и свойства природных тел. Сегодня мы вместо термина «кластер» используем понятие «молекула».

В период с середины XVII в. до первой половины XIX в. учение о составе вещества представляло собой всю тогдашнюю химию. Оно существует и сегодня, представляя собой первую концептуаль­ную систему химии. На этом уровне химического знания ученые решали и решают три важнейшие проблемы: химического элемента, химического соединения и задачу создания новых материалов с ис­пользованием вновь открытых химических элементов.

Концепция химического элемента

Концепция химического элемента появилась в химии как ре­зультат стремления человека обнаружить первоэлемент природы. Корни решения данной проблемы уходят в Древнюю Грецию, где возникли учения о первоэлементах природы. Там же возникла и атомистическая концепция природы, возрожденная в Новое время в химии Р. Бойлем. Именно он положил начало современному представлению о химическом элементе как о простом теле, пределе химического разложения вещества, переходящем без изменения из состава одного сложного тела в другое.

Но еще целый век после этого химики делали ошибки в выде­лении химических элементов. Дело в том, что, сформулировав по­нятие химического элемента, химики еще не знали ни одного из них. Стремясь получить элементы в чистом виде, они пользовались считавшимся тогда универсальным методом прокаливания, и ока­лину принимали за чистый элемент. Так что известные тогда ме­таллы — железо, медь, свинец — принимали за сложные тела, со­стоявшие из соответствующего элемента и флогистона. Однако именно флогистонная теория, ложная по сути, оказалась двигате­лем многих исследований, приведших в итоге к истинным выводам. Этот вывод был сделан Д.И. Менделеевым, доказавшим, что свойства химического элемента зависят от места данного атома в периодической системе. Сам Менделеев определял это место по атомной массе, но в XX в. было выяснено, что порядковый номер элемента зависит не от атомной массы, а от заряда атомного ядра и количества электронов. В настоящее время известно, что атом представляет собой сложную квантово-механическую систему, со­стоящую из положительно заряженного ядра и отрицательно заря­женной электронной оболочки. Выяснены особенности строения электронных орбиталей атомов всех элементов и особая роль внеш­него электронного уровня атома, от количества электронов в кото­ром зависит реакционная способность элемента — химическая ак­тивность вещества, учитывающая как разнообразие реакций, воз­можных для данного вещества, так и их скорость. Наиболее актив­ными с химической точки зрения являются элементы, имеющие минимальную атомную массу и 6—7 электронов на внешнем элек­тронном уровне (фтор, хлор, кислород). Это связано с тем, что они стремятся достроить свою электронную оболочку путем присоеди­нения недостающего числа электронов. Также большой реакцион­ной способностью отличаются металлы, обладающие большой атомной массой и имеющие 1—2 электрона на внешнем электрон­ном уровне (барий, цезий), стремящиеся отдать их для его достройки.

Современный окружающий человека мир заполнен многочис­ленными соединениями, образованными элементами периодической системы Менделеева. Во времена самого Менделеева было известно всего 62 химических элемента. В 30-е гг. XX в. таблица Менделеева включала 88 элементов, а всего в ней было 92 клетки (элемент под номером 92 — это уран). Сегодня науке известно 110 химических элементов (элемент 109 получил название мейтнерий, 110-й элемент еще не имеет официального названия), и химиков продолжает вол­новать вопрос, сколько всего элементов в таблице Менделеева.

Предполагается, что на первоначальной стадии развития Земли существовали трансурановые элементы с порядковыми номерами до 106-го. Такие элементы имели небольшую продолжительность жиз­ни по сравнению с возрастом Земли и поэтому полностью распа­лись, не сохранившись до наших дней. Самым долгоживущим эле­ментом из данной группы оказался плутоний-244 с периодом полу­распада 82,2 млн. лет. В 1971 г. из минерала бастнезита удалось вы­делить некоторое количество атомов этого элемента. Но в основном все трансурановые элементы были получены искусственным путем. В 1940 г. был синтезирован нептуний, после этого были зарегист­рированы еще 15 трансурановых элементов с номерами до 107-го.

Трансурановые элементы с атомными номерами до 100-го мож­но получить в ядерном реакторе путем бомбардировки ядер изотопа урана-238 нейтронами. Более тяжелые элементы получают только в ускорителях в очень незначительных количествах. Для этого уран бомбардируют ионами ксенона, гадолиния, самария, гафния или самого урана. В результате этого образуются очень тяжелые проме­жуточные ядра. Но такие реакции стали возможны лишь с 1971 г., когда появились новые мощные ускорители, способные разогнать тяжелые ионы до высоких энергий.

Современная теория позволяет с большой вероятностью рассчи­тать стабильность сверхтяжелых элементов и предсказать их физи­ческие и химические свойства. Поэтому химики предполагают, что элементы с порядковыми номерами между 114-м и 164-м должны обладать неожиданно высокой стабильностью. Считается, что в районе этих порядковых номеров в периодической системе должен существовать так называемый островок стабильности, на котором возможно получение изотопов с периодом полураспада 10⁸ лет. Верхняя граница стабильности должна приближаться к номеру 174. Если эти элементы будут получены, то их можно будет использо­вать в промышленном производстве и энергетике. Но для их синте­за нужны новые экспериментальные методы и технические средства.

Химическим элементом называют все атомы, имеющие одинако­вый заряд ядра.

Особой разновидностью химических элементов являются изото-пьц у которых ядра атомов отличаются числом нейтронов (поэтому у них разная атомная масса), но содержат одинаковое число прото­нов и поэтому занимают Одно и то же место в периодической сис­теме элементов. Термин «изотоп» был введен в 1910 г. Фредериком Содди, известным английским радиохимиком, лауреатом Нобелев­ской премии. Различают стабильные (устойчивые) и нестабильные (радиоактивные) изотопы.

С момента открытия изотопов наибольший интерес вызвали ра­диоактивные изотопы, которые стали широко использоваться в атомной энергетике, приборостроении, медицине и т.д. В настоя­щее время выпускается огромное количество различных приборов, содержащих радиоактивные изотопы. Они служат для определения плотности, однородности, гигроскопичности и других характери­стик материалов.

Довольно широко используется метод меченых атомов, который позволяет проследить за перемещением химических соединений при физических, химических и биологических процессах. Для этого в исследуемое вещество вводятся радиоактивные изотопы определен­ных элементов и ведется наблюдение за их продвижением. Так мож­но проследить за превращением веществ как в доменной печи, так и в живом организме. Например, с помощью изотопа кислорода-18 стало возможным выяснение механизма дыхания живых организмов. В медицине с помощью радиоактивных изотопов лечат многие заболевания, в том, числе онкологические. Кроме того, батареи небольшой мощности на изотопах плутония-238 и кюрия-224 применяются в приборах для стабилизации ритма сердца. В хими­ческой промышленности изотопы используются для облучения полиэтилена и других полимеров с целью повышения их термо­стойкости и прочности.

Таким образом, правильное использование радиоактивных изо­топов приносит несомненную пользу человечеству. К сожалению, в последнее время об этом стали забывать, все меньше доверяя радиа­ции, которая ассоциируется с атомной бомбой или Чернобыльской катастрофой. Забыты те времена, когда радиоактивность и рентге­новское излучение были только что открыты и их посчитали панаце­ей в медицине. Мало кто помнит о том, что в начале XX в. в свобод­ной продаже были радиевые подушки, радиоактивная зубная паста и косметика, считавшиеся полезными для здоровья. Уже в 20—30-е гг. XX в. появились первые свидетельства того, что радиоактивное излу­чение неблагоприятно влияет на живые организмы, вызывая генети­ческие изменения — мутации, а также различные виды онкологиче­ских заболеваний. Последствия атомной бомбардировки Хиросимы и Нагасаки подтвердили эти выводы. Поэтому современная медицина двойственно относится к радиации. С одной стороны, говорится, что только в малых дозах радиация безопасна (в природе существует ес­тественный радиоактивный фон), с другой — продолжают использо­вать рентгеновское обследование и лучевую терапию в лечебных целях.

Концепция химических соединений

Долгое время химики эмпирическим путем определяли, что от­носится к химическим соединениям, а что — к простым телам или

смесям. Еще в начале XIX в. Ж. Пруст сформулировал закон посто­янства состава, в соответствии с которым любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным, неизмен­ным составом — прочным притяжением составных частей (атомов) и тем самым отличается от смесей. Также Пруст установил, что всякое чистое вещество независимо от его происхождения и спосо­ба получения имеет один и тот же состав.

Теоретическое обоснование закона Пруста было дано Дж. Даль­тоном в законе кратных отношений. Согласно этому закону состав любого вещества можно представить как простую формулу, а эквива­лентные составные части молекулы — атомы, обозначавшиеся соот­ветствующими символами, могли замещаться на другие атомы.

После этого долго считали, что состав химического соединения может быть только постоянным. Но дальнейшее развитие химии и изучение все большего числа соединений приводили химиков к мысли, что наряду с веществами, имеющими постоянный состав, существуют еще и соединения переменного состава, или бертолли-ды. В результате были переосмыслены представления о молекуле в целом. Молекулой, как и прежде, продолжали называть наимень­шую частичку вещества, способную определять его свойства и су­ществовать самостоятельно. Но в XX в. была понята сущность хи­мической связи, которая стала пониматься как вид взаимодействия между атомами и атомно-молекулярными частицами, обусловлен­ный совместным использованием их электронов. Существуют кова-лентные полярные, ковалентные неполярные ионные, водородные и металлические химические связи, отличающиеся характером фи­зического взаимодействия частиц между собой.'

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.

Проблема создания новых материалов

На сегодняшний день науке известно 110 химических элемен­тов, но по удельному- весу они распределены крайне неравномерно. Так, 98,6% массы физически доступного слоя Земли составляют всего восемь химических элементов: кислород (47%), кремний (27,5), алюминий (8,8), железо (4,6), кальций (3,6), натрий (2,6), калий (2,5), магний (2,1). Однако все эти элементы используются непропорционально. Например, железа содержится в Земле в два раза меньше, чем алюминия. Однако для более 95% всех металли­ческих изделий изготовливаются из железорудного сырья. Поэтому для современной химии важнейшей задачей является рациональное использование имеющихся ресурсов. Для этого нужно использовать химические элементы в производстве в соответствии с их реальны­ми ресурсами в природе, заменить дефицитное сырье имеющимся в изобилии, утилизировать отходы и использовать вторичное сырье.

Сегодня на смену старым материалам приходят новые. Это свя­зано с тем, что новые материалы Солее эффективны, чем старые. Кроме того, нужно искать заменители традиционным видам сырья. Поэтому исследования ученых направлены на изучение и использо­вание силикатов, которые составляют 97% массы земной коры. Именно они должны стать основным сырьем для производства всех строительных материалов и полуфабрикатов при изготовлении ке­рамики, способной конкурировать с металлами.

Внимание химиков к металлам и керамике не случайно, именно они составляют на 90% современную материально-техническую ба­зу производства. В мире ежегодно выплавляется около 600 млн. т металла — более 150 кг на каждого жителя планеты. Примерно столько же производится и керамики вместе с кирпичом. Но метал­лов не так много, кроме того, их изготовление обходится в сотни и тысячи раз дороже, чем получение керамики. Разница в их стоимо­сти до недавнего времени никого особенно не волновала, так как каждый материал имел свое строго определенное назначение. Од­нако благодаря развитию химии открывается все больше возможно­стей для замены металла керамикой. Очевидное преимущество ке­рамики состоит в том, что ее плотность на 40% ниже, чем плот­ность металлов. Это позволяет соответственно снизить массу изго­товляемых из керамики деталей. А используя в производстве кера­мики такие химические элементы, как цирконий, титан, бор, гер­маний, хром, молибден, вольфрам и др., можно получать керамиче­ские изделия с заранее заданными свойствами.

Так, стекло долгое время использовалось лишь в качестве укра­шений, из него изготавливались бусины. Затем из стекла стали изго­тавливать посуду, оконные стекла и т.д. К XX в. научились уже вы­плавлять стекло более 800 разновидностей, из него делали около 43 тысяч различных изделий. Но стекло обладало серьезным недос­татком — оно было хрупким, изделия из него легко бились и лома­лись. Поэтому важнейшей задачей ученых и инженеров в XX в. стало получение небьющегося стекла. Это стало возможным после того, как в 20—30-е гг. XX в. была выяснена его структура. После этого появилась возможность делать стекло не только небьющимся, но и жаропрочным, способным выдерживать перепады температур от 1000°С до комнатной температуры. Кроме того, было получено стекло, которое можно обрабатывать, как обычный металл. А компози­ционные материалы, изготовленные из химически обработанного стекла со слоями пластика, обладают прочностью металла (броне­стекло). Стекла с напыленным на них тонким слоем металла летом задерживают лучи палящего солнца, а зимой сохраняют тепло.

Производится огромное количество стекловолокнистых мате­риалов, которые используются для армирования, отделки, склеива­ния, декорирования, изолирования и т.п. Кроме того, стекловолок­но используется в качестве светопровода, по которому можно пере­дать большое количество информации.

Если традиционное стекло является хорошим изолятором, то в последнее время появилось стекло с полупроводниковыми свойст­вами, которое изготавливается методом тонкопленочной техноло­гии. Таким образом, область применения стекла постоянно расши­ряется, традиционный материал приобрел новые свойства.

Меняют в наши дни свои свойства и силикатные и керамические материалы, также давно известные человеку. 90% всех производимых в мире строительных материалов приходится на силикаты. К ним относятся давно известные человеку (со времен этрусков) бетон и цемент, а также современные материалы — высокопрочный полимер-бетон; огнеупорный бетон, выдерживающий температуру до 1800°С; легкий бетон, в который можно забивать гвозди; бетон с высокими теплоизолирующими свойствами; бетон с малым влагопоглощением.

Традиционная керамика — это фаянс, фарфор, каменная кера­мика, которую получают из смеси глины, кварца и полевого шпата, обработанной при высокой температуре. Из керамики изготавлива­ются кирпичи разных видов, изоляторы, а также различные виды посуды. В последнее время была получена керамика высокой тер­мической и коррозионной стойкости и прочности. Некоторые ке­рамические материалы начинают разрушаться только при темпера­туре выше 1600°С. В сосудах из такой керамики можно плавить ме­таллы, из нее можно делать камеры сгорания для космических ра­кет и детали для металлорежущих инструментов. А в начале 90-х гг. XX в. был синтезирован керамический материал на основе оксидов меди, обладающий свойством высокотемпературной сверхпроводи­мости — он переходит в сверхпроводящее состояние при 170 К.

В XX в. наряду с традиционными материалами появились новые — полимерные и синтетические. Они находят все большее примене­ние, потеснив традиционные материалы.

На основе природных и синтетических полимеров получают пла­стмассы — материалы, способные приобретать заданную форму при нагревании под давлением и устойчиво сохранять ее после охлажде­ния. Области применения полимеров весьма разнообразны.— от тек­стильной промышленности до микроэлектроники. Главное достоин­ство этих материалов — их дешевизна и легкость в переработке. Кроме того, созданы пластмассы, способные заменить металлы, термостойкие пластмассы для авиационной и ракетной техники. Все больше пластмасс используется в строительстве — пластмассо­вые рамы, облицовочные материалы, кровля и т.д. Существуют проекты создания полностью пластмассовых автомобилей, т.е. доля пластмасс по сравнению с металлами становится все больше.

Настоящая революция произошла в текстильной промышленно­сти, в которой увеличивается доля искусственных тканей и синте­тических материалов. Более 50% современных волокон производит­ся из материалов, синтезированных за последние полвека, — виско­зы, полиамида, полиакрилонитрила и полиэфиров. Разработаны технологии химической обработки и отделки тканей из натураль­ных волокон — обработка шерсти для обеспечения устойчивости против моли, уменьшение усадки материала и придание ему не­сминаемости, обеспечение антистатических, антимикробных и гря-зеотталкивающих свойств.

В настоящее время химики работают над созданием нового по­коления искусственных волокон со свойствами, максимально при­ближенными к естественным материалам. Уже созданы ткани, об­ладающие высокой степенью защиты от солнечных лучей. Произ­водятся ткани, обладающие лучшими свойствами льна, хлопка, шерсти. Появились микроволокна с диаметром в десять раз тоньше волоса. Они позволяют ткать материалы мягкие, защищающие от сырости, но пропускающие при этом воздух к телу. Пустотелые во­локна, также разработанные химиками, лучше противостоят холоду. Есть волокна с триклозаном — веществом, останавливающим раз­множение микробов. Одной из разновидностей синтетических тка­ней является кевлар — материал, который в пять раз прочнее на разрыв, чем сталь. Он идет на изготовление пуленепробиваемых жилетов, курток и т.д. Создание космических скафандров — также заслуга химиков. В ткань скафандра встроены миллионы микро­скопических капсул с парафином, которые при нагревании плавят­ся и отбирают тепло у веществ, находящихся рядом, а при охлаж­дении отвердевают и выделяют тепло, согревающее космонавта.

Синтез уникальных материалов заставляет по-новому исследо­вать все химические элементы и накапливать данные для производ­ства новых материалов.