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.