Глава 5. Современные концепции в химии

5.1. Предмет познания химической науки и ее проблемы. Химическая связь

Химия – наука, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения

В настоящее время химия представляет собой высокоупорядоченную, постоянно развивающуюся систему знаний о химических элементах и их соединениях, энергетике химических процессов, реакционной способности веществ, катализаторах и т.д.

Исторически химия возникла для получения человеком веществ, необходимых для его жизнедеятельности. Для решения этой задачи необходимо было научиться производить из одних веществ другие, т.е. осуществлять качественные их превращения. А поскольку качество – есть совокупность свойств веществ, то следовало узнать, от чего зависят эти свойства. Это и послужило причиной появления теоретической химии.

Современная химия занимается получением веществ с заданными свойствами и выявлением способов управления свойствами вещества. В этом заключается основная проблема химии и системообразующее начало ее как науки.

К концу 1860-х гг. утвердившимся и неоспоримым стало представление о существовании атомов и молекул. Была разработана стройная атомно-молекулярная теория, основные положения которой заключались в следующем.

1. Все вещества состоят из молекул, которые находятся в непрерывном, самопроизвольном движении.

2. Все молекулы состоят из атомов.

3. Атомы и молекулы находятся в непрерывном движении.

4. Атомы представляют собой мельчайшие, далее неделимые составные части молекул.

Однако эта теория оказалась не в состоянии объяснить ряд экспериментальных фактов, полученных к концу XIX – началу XX в.

С открытием сложного строения атома стала ясна причина связи атомов друг с другом. Она получила название химическая связь, указывающая на то, что между атомами действуют электростатические силы, т.е. силы взаимодействия электрических зарядов, носителями которых являются электроны и ядра атомов.

В образовании химической связи между атомами главную роль играют электроны, расположенные на внешней оболочке и связанные с ядром наименее прочно, так называемые валентные электроны. В зависимости от характера распределения электронной плотности между взаимодействующими атомами различают три основных типа химической связи: ковалентную, ионную и металлическую.

Ковалентная связь осуществляется за счет образования электронных пар, в одинаковой мере принадлежащих обоим атомам. Ионная связь представляет собой электростатическое притяжение между ионами, образованными путем полного смещения электронной пары к одному из атомов. Металлическая связь есть связь между положительными ионами в кристаллах металлов, осуществляемая за счет притяжения электронов, свободно перемещающихся по кристаллу.

Химическая связь представляет собой такое взаимодействие, которое связывает отдельные атомы в молекулы, ионы, кристаллы, т.е. те структурные уровни организации материи, которые изучает химическая наука.

Природа химической связи, согласно современным представлениям, объясняется взаимодействием электрических полей, создаваемых электронами и ядрами атомов, которые участвуют в образовании химического соединения.

Важнейшей характеристикой химической связи, определяющей ее прочность, является энергия связи. Количественно она обычно оценивается с помощью энергии, затрачиваемой на ее разрыв.

Применение законов термодинамики в химии позволяет решить вопрос о принципиальной возможности различных процессов, условиях их осуществления, определить степень превращения реагирующих веществ в химических реакциях и оценить их энергетику. Химическая кинетика объясняет качественные и количественные изменения химических процессов, происходящих во времени. Она выявляет механизм реакции – определение элементарных стадий процесса и последовательности их протекания (качественные изменения) и количественные ее описания – установление строгих отношений, которые позволяют рассчитывать изменения количеств исходных реагентов и продуктов по мере протекания реакции.

Обычно реакция протекает в несколько промежуточных стадий, которые, складываясь, дают суммарную реакцию. Скорость ее зависит от природы реагирующих веществ и от условий, в которых она протекает. Важнейшими из них являются: концентрация, температура и присутствие катализатора. Природа реагирующих веществ оказывает решающее влияние на скорость реакции.

Тепловой эффект реакции зависит от природы реагентов и продуктов, их физического состояния, условий, в которых находятся реагенты и продукты, а также от количества взаимодействующих веществ. Поэтому для сравнения эффектов различных реакций необходимо точно указывать условия, при которых они протекают, а также физическое состояние каждого компонента.

Химия решает также проблемы химических элементов, физической природы химических явлений и другие вопросы, связанные с химическими элементами.

Таковы самые общие представления о предмете химической науки и круге ее научных интересов.

Научный и мировоззренческий интерес представляет и история развития химических знаний.