Глава 7. Эволюция естественно-научных взглядов на вещество

Зарождение химии как науки

Современная химия – наука о превращениях веществ, сопровождающихся изменением их состава или строения, а вещество – одна из форм существования материи. Химические процессы, лежащие в основе получения металлов, крашения тканей, выделки кожи и др. применялись человечеством уже на заре его культурной жизни.

История развития химических знаний начинается с древних времен. Античному натурфилософскому атомизму противопоставлялась алхимия – донаучное направление в развитии химии, возникшее в 7-4 веках и получившее широкое распространение в Западной Европе в 11-14 веков. Основная цель алхимии – нахождение «философского камня».

Первое научное определение химического элемента в 1661 году сформулировал английский химик и физик Бойль (1627-1691), положивший начало химическому анализу, основанному на экспериментальном методе. В современных представлениях химический элемент – совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Основываясь на результатах своих экспери- ментов, Бойль сделал важный вывод: качества и свойства вещества зависят от того, из каких химических элементов оно состоит. Возникшее таким образом учение о составе вещества развивается и сегодня на качественно новом уровне.

Принято считать, что период превращения химии в подлинную науку завершилось во второй половине 18 века, когда российский естествоиспытатель М.В. Ломоносов (1711-1760) сформулировал принцип сохранения материи и исключил из числа химических агентов флогистон - невесомую материю. Первая химическая теория флогистона, согласно которой металлы (железо, медь, свиней и др.) считались сложными телами, состоящими из соответствующих элементов и универсального «невесомого тела» - флогистона, оказалась недоказанной. Выяснив роль кислорода в процессе горения, окисления и дыхания; французский химик Лавуазье (1743-1794) опроверг теорию флогистона.

Основы современной химии заложил в 1803 г английский ученый Д.Дальтон (1766-1844), создав химический атомизм. Во-первых, он ввел закон кратных отношении: если два химических элемента образуют друг с другом более одного соединения, то массы одного элемента, приходящиеся на массу другого, относятся как целые числа, обычно небольшие. Он же ввел понятие атомного веса, взяв за основу атом водорода.  

Представление о молекуле, состоящей из атомов, было введено в химию в начале 19 века итальянским ученым А. Авогадро и французом

А. . Ампером. Молекула – микрочастица, образованная из атомов и способная к самостоятельному существованию, они же впервые ввели понятие химических сил.

Затем Берцелиус составил более точную таблицу атомных весов, в которую входило 46 элементов, он же ввел используемые знаки элементов и создал электрохимическую теорию элементов, на основе которой построил свою классификацию элементов (1811 г). Классификация состояла в разделении элементов на металлы и неметаллы (металлоиды).

Классификацию элементов пытались строить также немецкий химик Деберейнер и француз Ж.Б.Дюма и многие другие. В середине 19 века английский химик Франкленд ввел понятие валентности (термин принадлежит Франкленду) - способности атома данного элемента вступать в соединение с другими атомами. Оказалось, что атомы одного вещества могут соединяться с атомами других веществ, в строго определенных соотношениях. За единицу валентности была принята реакционная способность водорода.

В 1861 г Бутлеров создал теорию химического строения вещества, согласно которой свойства вещества определяются составом (атомами, входящими в молекулу), а также порядком, связями этих атомов.

В 1860 г Д.И. Менделеевым был открыт периодический закон элементов, на основе которого была создана периодическая система элементов. Химические свойства элементов изменяются периодически с ростом атомного веса. Как в дальнейшем было установлено, атомный номер химического элемента в таблице Менделеева численно равен заряду атомного ядра элемента или числу электронов в оболочке атома. Периодичность связана с тем, что химические свойства определяются внешней оболочкой. Атом имеет оболочечную структуру. По современным представлениям такое устройство следует из принципа запрета Паули. Валентность - это число электронов, которых не хватает до заполнения оболочки.       В настоящее время химия представляет собой интенсивно развивающуюся науку. Рассмотрим только некоторые области современной химии: Спектроскопия.

Роберт Бунзен осенью 1858 г открыл явление окрашивания пламени газовой горелки при внесении в него различных веществ. Этот метод был усовершенствован Г. Кирхгофом, который предложил исследовать свечение пламени через стеклянную призму, разлагающую свет в спектр. Самым крупным достижением нового спектроскопического метода следует считать открытие Ж. Жансеном и Н. Локьером 18 августа 1868 г нового химического элемента в спектре Солнца во время солнечного затмения. Новый элемент получил название - гелий (солнечный).

    Энергия химических связей

Химическая связь - это взаимодействие атомов, в результате чего образуются молекулы или кристаллы. При этом происходит перестройка электронных оболочек атомов, в результате чего внешние электроны становятся общими. Вместо двух оболочек образуется одна, охватывающая оба ядра. Существует два вида молекул: 1. физические, 2. химические. Различие между ними определяется прочностью связи между атомами. Физические молекулы связаны между собой гораздо прочнее и остаются неизменными при изменении агрегатного состояния вещества (к ним относятся, в основном, органические вещества). В химических молекулах связь менее прочная. Например, молекулы распадаются на ионы при растворении в воде. В кристаллах молекулы как таковые отсутствуют вовсе. В противоположность поваренной соли сахар сохраняет в растворе свои молекулы. При химических реакциях исчезают молекулы одного вида и появляются молекулы другого вида. Соответственно меняется энергия связи, при этом может произойти либо поглощение, либо выделение тепла, именуемое тепловым эффектом реакции.

По своей природе химическая связь представляет собой электростатическую силу – притяжение между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными ядрами. Например, благородные газы (водород).

Оптимальное состояние между двумя атомами называется длиной связи энергия, необходимая для удаления атомов – энергией связи.

Способность атома образовывать химические связи называется валентностью. Электроны, принимающие участие в образовании химических связей называются валентными электронами. Эти электроны находятся на самых высоких по энергии атомных орбиталиях.

Внешняя оболочка атома, которая содержит эти орбитали, называется валентной оболочкой. Электронную теорию валентности разработали независимо друг от друга Г.Н. Льюис, В Коссель в 1916 году. Согласно ей электроны, образуют связи, приближаются к достижению наиболее устойчивой конфигурации. Атомы могут достичь этого двумя способами – они могут терять, либо приобретать электроны.

Если появляются электроны, то происходит превращение в ионы. Если электрон отнимается, то образуется катион.

Анионы и катионы с заполненной внешней оболочкой имеют устойчивую электронную конфигурацию. Между анионом и катионом образуется химическая связь, представляющая собой электростатическую силу притяжения. Химическая связь такого соединения электровалентная или ионная связь.

Атомы могут приобретать устойчивые электронные конфигурации путем обобществления электронов. Возникающая при этом химическая связь называется ковалентной. Ковалентная связь образуется в результате обобществления пары электронов, по одному от каждого атома. Однако, в некоторых молекулах или многоступенчатых ионах оба таких электрона могут поставляться только одним атомом. Такая разновидность ковалентной связи называется координационной, донорной, акцепторной или дативной ковалентной связью.

Ионная связь

Ионная связь представляет собой электростатическую силу притяжения между ионами с зарядом противоположного знака. Наиболее типичные, ионные соединения состоят из катионов металлов, принадлежат к 1 и 2 группам периодической системы, и анионов неметаллических элементов, принадлежащей 4 и 7 группам.

Легкость образования ионного соединения зависит от легкости образования входящих в него катионов и анионов. Чтобы процесс образования был энергетически выгодным, атом, отдающий электрон должен иметь небольшую энергию ионизации, а атом, присоединяющий электрон, должен обладать большим сродством к электрону.

Сродство к электрону – это энергетическое понятие. Так называется мера способности атома присоединить электрон. С его помощью можно количественно определить, как происходит изменение энергии, происходящее при образовании одного моля атома. Строго говоря, нами дано определение первого сродства электрона. Второе сродство электрона – это изменение энергии, происходящее при образовании одного моля одноразрядных анионов. Следует отметить, что, подобно энергии ионизации, сродство к электрону характеризует атомы и ионы в газообразном состоянии. Следует также обратить внимание на то, что ионизация хлора сопровождается потерей энергии. Такой процесс называется изотермическим, а поэтому сродство к электрону в рассматриваемом случае имеет отрицательное значение.

Ковалентная связь

Ковалентная связь образуется парой электронов, обобществляемых между двумя соседними атомами. Каждый из этих атомов поставляет на образование ковалентной связи по одному электрону. Ковалентные соединения существуют в форме молекул, либо каркасных кристаллических структур. Однако, ковалентные связи существуют еще и в многоатомных (комплексах) ионах.

Следует ответить, что каждый атом в ковалентной молекуле имеет дополнительную электронную оболочку – атомы водорода имеют по два электрона, атомы хлора, кислорода и углерода окружены каждый восьмеркой электронов (в большей или в меньшей оболочке).

Электроны в ковалентных соединениях находятся на молекулярных орбиталиях, которые определяются квантовым числом. На каждой молекулярной орбиталиях имеется 1 или 2 электрона с противоположным спином. Существуют орбиталии 3-х типов: связывающие, несвязывающие, разрыхляющие.

Другие типы химической связи

Связь в металлах не ионная, не ковалентная. В твердом состоянии металлы состоят из положительно заряженных ионов, плотно упакованных в кристаллические решетки и удерживаемых вместе свободными эллек тронами, которые «плавают» вокруг ионов «в электронном море». Такой тип называется металлической связью.

Существуют еще два типа химической связи – это водородная связь и вандервальсовы силы.

Полимеры

Полимеры - высокомолекулярные соединения, молекулы которых имеют линейное строение и состоят из большого числа повторяющихся комплексов. Полимеры - это гигантские химические молекулы, образуемые в результате последовательного присоединения к друг другу тысяч и десятков тысяч простых молекул, так называемых мономеров. В вытянутом состоянии такие молекулы представляют собой длинную нить толщиной в одну молекулу. Звенья полимерной цепи связаны очень прочно, поэтому полимеры очень прочные на разрыв. Максимальная прочность достигается, когда все нити параллельны друг другу, обеспечивая равномерную нагрузку. Реализуется максимальная прочность путем вытягивания в нити. Чем больше длина молекулы, тем прочнее связь. В итоге получается, что мономеры - газы, а полимеры - твердые тела. Первые полимерные продукты были получены в конце 19 века, однако основные представления о свойствах и природе полимеров стали известны только к началу сороковых годов. Именно тогда сформировалось основное представление о синтезе полимеров, главное в котором - чистота исходных мономеров. Так как даже малые примеси приводят к прекращению процесса полимеризации. К началу сороковых годов были созданы основные полимерные вещества: полистирол, полихлорвинил, полиамиды, полиэфиры и так далее. В тридцатых годах под руководством С.В. Лебедева было начато производство синтетического каучука. В то же время были открыты кремний органические полимеры, которые являются хорошими диэлектриками.

Эволюция химических элементов

До того как возникло представление об элементарных частицах, основой имеющихся в природе веществ, признавались химические элементы. Они также поначалу считались неизменными и не взаимосвязанными (хотя алхимия одной из своих важнейших задач видела трансмутацию элементов в золото.). Когда английский химик У.Праут в 1815 году высказал предположение об эволюции химических элементов, - с его точки зрения, все они были продуктами полимеризации водорода, - это вызвало насмешки. Теперь же считается общепринятым, что все химические элементы образованы на основе водорода, сначала они возникают внутри звезд, а затем попадают в межзвездное пространство в результате взрывов. Число устойчивых элементов невелико, чуть более сотни. При этом важно отметить, что при радиоактивном распаде ядра атомов превращаются не в произвольные ядра, а во вполне определенные, а число видов превращений ограничено. Все разнообразие известных веществ получается в результате комбинирования составляющих их существующих химических элементов, причем это комбинирование происходит по строгим правилам.

Эволюция минералов

Минералами называются химические соединения (как правило, говорят о твердых телах), образовавшиеся в результате природных процессов. Их известно порядка 3000, и все они также прошли свой путь эволюции. Все известные минералы принадлежат к одной из семи кристаллографических симметрийных систем. Можно обнаружить, что различные по химическому составу минералы часто образуют одинаковые кристаллические структуры (изоморфизм). С другой стороны, вещества, обладающие одним и тем же химическим составом, могут образовывать различные кристаллические структуры (наиболее известным примером являются алмаз и графит: оба они представляют собой чистый углерод, но атомы его в этих двух случаях образуют различные решетки, и свойства получающихся веществ различаются очень сильно). Процесс роста кристаллов весьма сложен. Ясно, тем не менее, что получающаяся структура обусловлена факторами, связанными с взаимодействием на атомном уровне. В процессе комбинирования атомов между собой может возникнуть множество конфигураций, форм на основе одной системы, но возникают и остаются лишь достаточно строго определенные, и именно они участвуют в дальнейших процессах взаимодействия, выполняя в них определенные функции. Интересен в этом смысле известный опыт Пастера. Он исследовал процесс ферментации вин. В нем образуются два рода кристаллов одной и той же соли, которые представляют собой зеркальное отображение друг друга. При пропускании поляризованного света через водный раствор соли, состоящей из кристаллов одной формы, плоскость поляризации поворачивается вправо, если кристаллы другой формы - плоскость поляризации поворачивается влево. При пропускании поляризованного света через водный раствор смеси солей с кристаллами различных форм плоскость поляризации не поворачивается совсем. Фермент при образовании вина взаимодействует только с одной из этих форм. Таким образом, функция фермента неотделима от формы вещества, участвующего в процессе. Таким образом, асимметрия порождает функцию. Можно сказать, что в основе описанных явлений лежит взаимосвязь между симметрией, веществом и формой, которые характеризуют устойчивость, с одной стороны, и асимметрией, энергией и функцией, характеризующих изменчивость, с другой стороны. Именно эта взаимосвязь и обусловливает все эволюционное развитие на нашей планете: форма порождает функцию, функция порождает форму. Не исключение и биологическая эволюция.