Тема 11.
Химические науки
Химия – наука о веществах, из которых состоят физические тела,
об их свойствах и превращениях друг в друга. Перед химией стоят
две основные задачи – создание веществ с необходимыми свойствами
и выявление способов управления этими свойствами.
Решение этих двух задач зависит от 3-х основных факторов,
влияющих на свойства получаемых веществ:
1. Состава вещества (элементный, молекулярный).
2. Структуры молекул.
3. Термодинамических и кинетических (определения и пояснения
этих понятий см. далее) условий протекания химических реакций, в
процессе которых эти вещества получаются.
В соответствии с перечисленными факторами и развивались хи-
мические знания о веществах. Вначале (примерно с XVII века) вы-
яснили, что свойства вещества зависят от его состава (Р. Бойль). За-
тем, уже в XIX веке, поняли, что свойства веществ зависят не только
Разумова Е.Р.
44
от их состава, но и от структуры, т.е. последовательности соединения
атомов в молекуле. Особенно важным это оказалось для органиче-
ских веществ, т.е. соединений углерода с водородом, кислородом,
азотом и серой. Структурную теорию органической химии создал вы-
дающийся русский ученый А.М. Бутлеров. Следующим этапом было
изучение химических процессов и влияющих на них факторов. На-
конец, в ХХ веке начался новый этап развития химии как науки:
появилась эволюционная химия, основанная на том, что в процессе
химической реакции образуется ее катализатор, что приводит к са-
моорганизации химических систем (о процессе катализа см. далее). С
понятием самоорганизации систем мы уже встречались (там, где
речь шла о синергетике).
Химическая связь
Чем определяется реакционная способность веществ? Прежде все-
го, тем, каким образом атомы связываются друг с другом, образуя
молекулы. Ранее, когда мы говорили об электромагнитном поле, бы-
ло сказано, что химические связи атомов в молекулах – это один из
видов электромагнитного поля. Химические связи образуются при
перекрывании внешних (валентных) электронных орбиталей взаи-
модействующих атомов (орбитали – это траектории движения элек-
тронов вокруг ядра – см. раздел о микромире). Различают несколько
типов химических связей.
Ковалентные связи осуществляются, когда внешние электроны
двух атомов образуют общую электронную пару. Если атомы одина-
ковые, то эта электронная пара в равной мере принадлежит обоим
ядрам и никуда не смещена, центры положительных и отрицатель-
ных зарядов совпадают. Такой тип связи называется неполярной ко-
валентной и существует в двухатомных газах, например, в молеку-
лах кислорода, водорода, азота, хлора. Таких соединений сравни-
тельно немного.
Если молекула состоит из разных атомов, то образующаяся общая
электронная пара смещается в сторону атома с большим зарядом яд-
ра, центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают
(эта конфигурация называется диполем – два полюса). Такая связь
называется ковалентной полярной и осуществляется в молекуле во-
ды, некоторых неорганических кислот и в большинстве органических
соединений. Это самый распространенный тип химической связи.
Концепции современного естествознания
45
Обе разновидности ковалентной связи осуществляются, как правило,
между атомами неметаллов.
Если химическая связь образуется между атомами металла и не-
металла, то, как правило, валентные электроны с внешних орбита-
лей атомов металла полностью переходят к атому неметалла, обра-
зуя положительно (катионы) и отрицательно (анионы) заряженные
частицы. Связь между такими частицами называется ионной. Она
осуществляется в большинстве солей, оксидов и оснований, т.е. глав-
ным образом в неорганических соединениях, например, в хлориде
натрия (поваренная соль), фториде кальция, необходимом для укре-
пления зубной эмали.
Наконец, в чистых металлах за счет валентных электронов, легко
отрывающихся от своих атомов, осуществляется металлическая
связь, обуславливающая электро- и теплопроводность, а также и
другие свойства металлов.
Химический элемент. Неорганическая химия
Весьма важным в химии является понятие химического элемента
– это совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра (разумеется,
это определение ХХ века, всю предысторию становления понятия
«химический элемент» мы опускаем).
В настоящее время известно 108 химических элементов, причем
природа создала 92 (последним является уран), а остальные получе-
ны искусственно. Во второй половине XIX века, когда проблемой сис-
тематизации химических элементов занялся великий русский уче-
ный Д.И. Менделеев, их было всего 65. До него все аналогичные по-
пытки не имели успеха. Менделеев взял за основу не какие-либо фи-
зические или химические свойства элементов, а их атомную массу
(по Менделееву – атомный вес) – свойство, которым обладали все
химические элементы, разложил карточки с символами и свойства-
ми элементов в порядке возрастания атомной массы и получил пе-
риодическую зависимость свойств элементов от атомной массы. Ог-
ромное значение для утверждения периодического закона имел тот
факт, что внутренняя логика построенной Менделеевым периодиче-
ской таблицы требовала резервирования трех пустых клеток, в кото-
рых, по его убеждению, должны были находиться еще не открытые к
тому времени химические элементы.
Менделеев предсказал величину их атомной массы и свойства. От-
крытие еще при его жизни скандия, галлия и германия и наличие у
Разумова Е.Р.
46
них предсказанных Менделеевым свойств было несомненным три-
умфом периодического закона. Его современная формулировка зву-
чит так: свойства химических элементов и их соединений находятся
в периодической зависимости от заряда ядра, равного порядковому
номеру химического элемента. Этот закон является теоретической
основой неорганической химии, изучающей все химические элемен-
ты и их соединения, кроме соединений углерода, которыми занима-
ется органическая химия. Открытый Д.И. Менделеевым закон при-
роды имеет также и общефилософское значение: он блестяще иллю-
стрирует закон диалектики Гегеля о переходе количества в качество.
Органическая и элементоорганическая химия. Полимеры
Бурное развитие органической химии началось после создания
русским химиком А.М. Бутлеровым ее теоретической основы – струк-
турной теории. Бутлеров ввел понятие изомеров – веществ с одина-
ковым составом и молекулярной массой, но с разной структурой и
потому с разными свойствами. Именно возможность построения из
одних и тех же немногих элементов большого числа изомерных
структур объясняет существование огромного количества органиче-
ских соединений (их более пяти миллионов, тогда как неорганиче-
ских – около пятисот тысяч). Конец XIX – начало ХХ века – был пе-
риодом триумфального шествия органического синтеза; в эти годы
были впервые получены анилиновые красители, взрывчатые орга-
нические вещества, многие лекарства.
В ХХ веке начала интенсивно развиваться и другая область орга-
нической химии – химия полимеров. Полимеры – это длинноцепо-
чечные структуры, состоящие из повторяющихся звеньев, причем
число этих звеньев может достигать нескольких десятков и даже со-
тен тысяч. Такие большие молекулы называют макромолекулами. К
полимерам относятся все пластмассы, синтетические каучуки, без
которых было бы невозможно развитие автомобильной промышлен-
ности и, наконец, искусственные (на природной основе) и синтетиче-
ские волокна.
ХХ век по праву можно назвать не только веком выхода в космос и
освоения ядерной энергии, но также и веком полимеров. Были син-
тезированы десятки тысяч новых веществ с полезными человеку
свойствами, которые не создала природа. Оборотной стороной этих
успехов полимерной химии явилось возникновение проблемы утили-
зации отходов производства и быта.
Концепции современного естествознания
47
В ХХ веке появился еще один молодой раздел химии – химия эле-
ментоорганических соединений. Это соединения, в состав которых,
кроме углерода, водорода, кислорода, азота и серы входят кремний,
фтор, бор, а также некоторые металлы. На основе кремнийорганиче-
ских соединений созданы полимеры, обладающие уникальными
свойствами, что делает их незаменимыми в авиации и энергетике.
Фторорганические соединения обладают исключительной устойчиво-
стью даже в кислотах и щелочах, из них изготавливают всевозмож-
ные покрытия (фторопласты). Некоторые металлоорганические со-
единения (например, ферроцен) используют в качестве лекарств и
кровезаменителей. Огромный вклад в химию элементоорганических
соединений внес выдающийся русский ученый академик А.Н. Не-
смеянов.
Реакционная способность веществ зависит, однако, не только от их
состава и структуры, но также и от условий протекания химических
реакций. В основе учения о химических процессах лежат химическая
термодинамика, кинетика и катализ. Химическую термодинамику,
т.е. метод управления химическим процессом с помощью температу-
ры и давления, разработал в конце XIX века голландский химик Я.
Вант-Гофф. Однако термодинамические методы позволяли управ-
лять только направлением химического процесса, но не его скоро-
стью. Учение о скоростях химических реакций – химическую кине-
тику – создал в ХХ веке выдающийся русский ученый, лауреат Нобе-
левской премии академик Н.Н. Семенов. В основе катализа (ускоре-
ния химической реакции), разработанного еще в начале XIX века
русским ученым академиком К.С. Кирхгофом, лежит активация мо-
лекул реагентов при их контакте с катализатором (веществом, уско-
ряющим химическую реакцию, но при этом сохраняющим свою мас-
су).
Эволюционная химия зародилась в 60-х годах ХХ века. Главная
идея, лежащая в основе этого раздела, – построение принципиально
нового управления химическими процессами, основанного на анало-
гии с живой клеткой. Химики надеются создать катализаторы нового
поколения, которые позволили бы, например, осуществлять преобра-
зование солнечного света, аналогичное фотосинтезу, в химическую и
электрическую энергию. Пути к этому уже намечены. Изучено мно-
жество биохимических катализаторов – ферментов, найдены способы
их стабилизации.
В 50–60-х годах ХХ века русскими химиками Б.П. Белоусовым и
А.М. Жаботинским были открыты автоколебательные химические
Разумова Е.Р.
48
реакции, в которых со временем происходят периодические измене-
ния выхода продуктов реакции, т.е. необходимый продукт то выде-
лялся в больших количествах, то прекращал выделяться совсем.
Оказалось, что в некоторых случаях в ходе таких нестационарных
реакций общее количество продукта было даже выше, чем в реакци-
ях с постоянной скоростью. Любопытно, что нестационарные химиче-
ские процессы обнаружены и в живой природе.
Таким образом, развитие химии шло от выяснения состава и
структуры вещества к выяснению условий и механизмов химических
реакций и способов управления ими. Как мы увидим далее, без хи-
мических знаний был бы невозможен столь стремительный рывок,
который в ХХ веке совершила биология.
Контрольные вопросы по Теме 11:
1. Что такое химическая связь?
2. Из каких разделов состоит химия и что они изучают?
3. Что такое полимеры и какие вещества к ним относятся?
Литература: 3, 15, 19, 20, 24.