3. Современная химическая картина мира

3.1 Химия как наука. Этапы развития химии.

Химия – наука о веществах и их превращениях, которые сопровождаются изменением состава и строения вещества. Эти процессы осуществляются на границе микро- и макромира.

Как самостоятельная наука химия начинает развиваться с середины XVII века. Научному этапу развития химии предшествовал период алхимии. Это явление культуры связывается с попытками получить «совершенные» металлы – золото и серебро – из «несовершенных» металлов с помощью гипотетического вещества – «философского камня» или эликсира. Не смотря на очевидную невозможность осуществить это превращение, алхимия стимулировала развитие химических технологий (металлургия, стеклоделие, производство керамики, бумаги, спиртных напитков) и открытие способов получения новых химических веществ.

Научный этап развития химии принято делить на четыре периода, в каждом из которых формируется концептуальная система знаний:

а) учение о составе вещества (сер. 17 – сер. 18 вв.) – изучает зависимость свойств веществ от химического состава (состава молекулы);

б) учение о структуре вещества (структурная химия) (сер. 18 – сер. 20 вв.) – изучает зависимость свойств веществ от строения молекулы;

в) учение о химических процессах (сер. 20 в.) – изучаются механизмы протекания химических реакций, а также процессы их ускорения (катализ);

г) эволюционная химия (последние 25-30 лет) - изучает химические процессы в живой природе, процессы самоорганизации химических систем.

3.1.1 Учение о составе вещества

В основе классической химии лежит концепция атомизма, которая была сформулирована еще в античной философии Левкипом, Демокритом и Эпикуром. На основе атомизма в середине 19 века были сформулированы основные положения атомно-молекулярного учения.

1. Вещества состоят из молекул. Молекула - наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами. Молекулы отличаются между собой составом, размерами, физическими и химическими свойствами.

2. Молекулы находятся в непрерывном движении; между ними существует взаимное притяжение и отталкивание. Скорость движения молекул зависит от агрегатного состояния веществ.

3. При физических явлениях состав молекул остается неизменным, при химических реакциях из одних молекул образуются другие.

4. Молекулы состоят из атомов. Свойства атомов одного элемента отличаются от свойств атомов других элементов. Атомы характеризуются определенными размерами и массой. Масса атома, выраженная в атомных единицах массы (а.е.м.) называется относительной атомной массой.

1 а.е.м. = 1,667 10^-27кг.

Атомно-молекулярное учение позволило объяснить основные понятия и законы химии. Понятие «химический элемент» предложил Р.Бойль, обозначение химических элементов символами предложил в 1814 г. Й. Берцелиус. Химический элемент – определенный вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Заряд ядра численно равен порядковому номеру элемента в периодической системе. В настоящее время известно 118 химических элементов, из них 94 обнаружены в природе, остальные 24 получены искусственно в результате ядерных реакций.

Атом - наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Химические свойства элемента определяются строением его атома. Отсюда следует определение атома, соответствующее современным представлениям: Атом - это электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного атомного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Изотопы – атомы одного и того же химического элемента, имеющие разную массу и, соответственно, различное количество нейтронов в ядре. Изотопы могут быть стабильными, т.е. их ядра не подверженными самопроизвольному распаду, и радиоактивными, которые способны превращаться в атомы других элементов до тех пор, пока не образуется стабильный изотоп (Уран-238 Свинец-206).

Аллотропия – способность элементов существовать в виде различных простых веществ, отличающихся физическими и химическими свойствами. Аллотропия может быть результатом образования молекул с различным числом атомов (например, атомарный кислород O, молекулярный кислород O₂ и озон O₃) или образования различных кристаллических форм (например, графит и алмаз). В результате аллотропии из 118 элементов образуется около 400 простых веществ.

Молекула - это наименьшая частица данного вещества, обладающая его химическими свойствами. Понятие молекула ввел итальянский ученый А.Авогадро. В 1811 году он предложил молекулярную теорию строения вещества.

Химические свойства молекулы определяются ее составом и химическим строением. Размеры молекул определяются их массой и структурой и у больших молекул могут достигать 10^-5 см. В настоящее время известно свыше 18 млн. видов молекул разных веществ.

Химическая формула - это условная запись состава вещества с помощью химических знаков и индексов. Химическая формула показывает, атомы каких элементов и в каком отношении соединены между собой в молекуле.

Основные химические законы.

Закон сохранения массы (М.В.Ломоносов, А.Л.Лавуазье): масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции. С точки зрения атомно-молекулярного учения в результате химических реакций атомы не исчезают и не возникают, а происходит их перегруппировка (химическое превращение). Поскольку число атомов до и после реакции остается неизменным, то их общая масса также изменяться не должна. Исходя из закона сохранения массы, можно составлять уравнения химических реакций и по ним производить расчеты. Этот закон является основой количественного химического анализа.

В начале 20 века формулировка закона сохранения массы подверглась пересмотру в связи с появлением теории относительности (см. п.2.4.1), согласно которой масса тела зависит от его скорости и, следовательно, характеризует не только количество материи, но и ее движение. Полученная телом энергия E связана с увеличением его массыm соотношениемE =m • c² , где с - скорость света. Это соотношение не используется в химических реакциях, т.к. 1 кДж энергии соответствует изменению массы приблизительно на 10^-11 г и m практически не может быть измерено. Однако в ядерных реакциях, где изменение энергииЕ в миллионы раз больше, чем в химических реакциях,m следует учитывать.

Закон постоянства состава вещества:

Согласно закону постоянства состава, всякое химически чистое вещество имеет постоянный качественный и количественный состав независимо от способа его получения. Качественный и количественный состав вещества показывает химическая формула. Например, независимо от того, каким способом получено вещество вода (Н₂О), оно имеет постоянный состав: два атома водорода и один атом кислорода.

Из закона постоянства состава следует, что при образовании сложного вещества элементы соединяются друг с другом в определенных массовых соотношениях.

В настоящее время установлено, что этот закон всегда выполним для соединений с молекулярной структурой. Состав же соединений с немолекулярной структурой (с атомной, ионной и металлической кристаллической решеткой) не является постоянным и зависит от условий получения.

Закон кратных отношений (Дж. Дальтон) - если два элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то массы элементов соотносятся между собой как небольшие целые числа.

Например: в оксидах азота N₂O, N₂O₃ , NO₂ (N₂O₄), N₂O₅ число атомов кислорода, приходящихся на два атома азота, относятся между собой как 1 : 3 : 4 : 5.

Закон объемных отношений (Гей-Люссак)- объемы газов, вступающих в химические реакции, и объемы газов, образующихся в результате реакции, относятся между собой как небольшие целые числа. Следовательно, стехиометрические коэффициенты в уравнениях химических реакций для молекул газообразных веществ показывают, в каких объемных отношениях реагируют или получаются газообразные вещества. Например:

2CO + O₂ 2CO₂

При окислении двух объемов оксида углерода (II) одним объемом кислорода образуется 2 объема углекислого газа, т.е. объем исходной реакционной смеси уменьшается на 1 объем.

Закон Авогадро - в равных объемах любых газов, взятых при одной и той же температуре и при одинаковом давлении, содержится одно и то же число молекул. Согласно этому закону:

• одно и то же число молекул различных газов при одинаковых условиях занимает одинаковые объемы;

• 1моль любого идеального газа при нормальных условиях (0°C = 273°К , 1 атм = 101,3 кПа) занимает одинаковый объем 22,4 л.

Французский химик А.Л. Лавуазье впервые попытался систематизировать химические элементы в соответствии с их массой. Английский химик Дж.Дальтон ввел понятие атомная масса и явился создателем теории атомного строения. В 1804 году он предложил таблицу относительных атомных масс водорода, азота, углерода, серы и фосфора, приняв за единицу атомную массу водорода. В настоящее время атомная масса измеряется относительно 1/12 массы атома изотопа углерода.

Работу по изучению свойств атомов продолжил Д.И. Менделеев и в 1869 г. сформулировал периодический закон и разработал Периодическую систему химических элементов. Периодический закон был сформулирован в следующем виде: «Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов». В качестве системообразующего фактора Д.И.Менделеев использовал массу химического элемента. В Периодической системе Д.И. Менделеева насчитывалось 62 элемента.

Квантовая механика уточнила, что свойства химических элементов и их соединений определяются зарядом атомного ядра. Современная формулировка периодического закона химических элементов: свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атома и определяются периодически повторяющимися однотипными электронными конфигурациями их атомов.

Реакционная способность атома химического элемента определяется количеством электронов на внешней оболочке атома.

Валентность – свойства атомов одного элемента образовывать определенное число связей с атомами других элементов. Осуществляют химические связи между атомами электроны, расположенные на внешней оболочке и связанные с ядром наименее прочно. Их назвали валентными электронами. Определить валентность (число валентных электронов) можно по таблице Д.И.Менделеева, зная номер группы, в которой находится химический элемент.

Электроотрицательность – свойство атома в соединении притягивать к себе валентные электроны. Чем сильнее атом оттягивает к себе электроны, тем больше его электроотрицательность. Степень окисления - условный заряд, который образуется на атоме, если учесть, что электрон при образовании связи переходит полностью к более электроотрицательному атому. Максимальная степень окисления элемента определяется номером группы в таблице Менделеева.

Атомы в молекулах связаны между собой химическими связями, которые образуются за счет перераспределения валентных электронов между атомами. При образовании химической связи атомы стремятся приобрести устойчивую (завершенную) внешнюю электронную оболочку. Химическая связь – вид фундаментального электромагнитного взаимодействия. Образование химической связи происходит за счет притяжения положительных и отрицательных зарядов, которые образуются на атоме при потере или смещении его электрона со стационарной орбиты. В зависимости от характера взаимодействия атомов различают ковалентную, ионную, металлическую и водородную химические связи.

Ковалентная связь осуществляется за счет образования общих электронных пар между двумя атомами. Она может быть полярной и неполярной. Ионная связь представляет собой электростатическое притяжение между ионами, которые образуются за счет полного смещения электронной пары к одному из атомов. Металлическая связь — это связь между положительными ионами металлов посредством общего электронного облака («электронного газа»).

Кроме внутримолекулярных связей образуются и межмолекулярные связи. Межмолекулярные взаимодействия - взаимодействия молекул между собой, не приводящие к разрыву или образованию внутримолекулярных химических связей. От межмолекулярных взаимодействий зависят агрегатное состояние вещества, структурные, термодинамические, теплофизические и другие свойства веществ. Примером межмолекулярной связи является водородная связь.

Водородная связь - межмолекулярная связь, образованная за счет притяжения более электроотрицательного атома (F, O, N), и атома водорода с частичным положительным зарядом. Например, водородная связь реализуется между молекулами воды, спирта, органических кислот. Она оказывает влияние на температуру кипения вещества.

Водородная связь может образоваться и внутри молекул. Например, внутримолекулярные водородные связи существуют в молекулах нуклеиновых кислот, белков, полипептидов и др. и определяют структуру этих макромолекул