3.1.2 Учение о строении вещества

Химическая связь образуется в определенном направлении в пространстве и задает пространственную ориентацию (структуру) молекулы. Теория химического строения вещества была разработана в середине 19 века благодаря трудам шотландского химика А.Купера, немецкого химика А.Кекуле и русского химика А. М. Бутлерова. Эта теория объясняла огромное разнообразие органических веществ, которые образованы весьма небольшим числом химических элементов.

Основные положения теории строения вещества.

1. Атомы в молекулах соединены между собой в определенной последовательности согласно их валентности. Строение молекулы можно выразить структурной формулой, которая для данного вещества является единственной.

2. Атомы углерода могут связываться друг с другом в линейные и разветвленные цепи, а также циклы с образованием одинарных, двойных и тройных связей.

3. Свойства веществ зависят не только от количественного и качественного состава вещества, но и от последовательности соединения атомов в молекуле.

4. Атомы и группы атомов в молекулах оказывают взаимное влияние.

5. Зная свойства вещества, можно установить его строение, и наоборот, химическое строение позволяет судить о его свойствах.

Структура молекулы – пространственная и энергетическая упорядоченность атомов в молекуле. Со структурой молекулы связано важное явление в органической химии, которое называется изомерией. Изомеры – вещества, имеющие одинаковый состав, но разное строение молекулы. Изомерия может быть структурной и пространственной.

Пространственная структура есть и у неорганических соединений. Она проявляется в образовании кристаллов – надмолекулярных комплексов с объемной пространственной структурой (кристаллической решеткой).

3.1.3 Учение о химических процессах

Развитие химии в 20 веке привело к развитию учения о химическом процессе. Оно изучает возможности и условиях протекания химических процессов и способы управления ими. Учение о химическом процессе рассматривает энергетику химических реакций, химическое равновесие и условия его смещения, кинетику и механизмы реакций.

Химическая реакция – процесс превращения исходных веществ в отличающиеся по химическому составу и строению другие вещества.

Классификация химических реакций.

Химические реакции классифицируют по изменению числа и состава исходных веществ и продуктов реакции на следующие виды:

реакции соединения — несколько веществ соединяются в один продукт;

реакции разложения — из одного исходного вещества образуется несколько продуктов;

реакции замещения — простое вещество замещает часть атомов сложного вещества;

реакции обмена — сложные вещества обмениваются своими составными частями.

По тепловому эффекту химические реакции можно подразделить на экзотермические — протекающие с выделением теплоты и эндотермические — протекающие с поглощением теплоты.

С учетом явления катализа реакции могут быть каталитические — с применением катализаторов и некаталитические — без применения катализаторов.

По изменению степени окисления реакции делятся на окислительно-восстановительные – в них происходит изменение степеней окисления атомов, и на реакции без изменения степеней окисления атомов.

По признаку наличия поверхности раздела фаз реакции делятся на гомогенные и гетерогенные. Гомогенные протекают в одной фазе, гетерогенные – на поверхности раздела фаз.

По признаку обратимости реакции делят на обратимые и необратимые. Необратимые реакции протекают до конца, пока вещества не прореагируют полностью; обратимые – до достижения химического равновесия, которое характеризуется равными скоростями протекания прямой и обратной реакций и наличием в реакционной смеси одновременно и исходных веществ, и продуктов реакции.

Химическое равновесие является динамическим, и его можно сместить в ту или иную сторону изменяя условия реакции (концентрации веществ, температуру, давление). Предсказать направление смещения равновесия можно с помощью принципа Ле Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии, оказывают воздействие внешние факторы, то равновесие в системе смещается в сторону той реакции, которая ослабляет это воздействие.

Химические реакции протекают с определенными скоростями. Раздел химии, который изучает влияние различных факторов на скорость химической реакции, а также механизмы химических превращений, называется химическая кинетика.

Факторы, влияющие на скорость протекания химической реакции: температура, давление, концентрация веществ, присутствие катализатора.

Влияние температуры на скорость реакций определяется правилом Вант-Гоффа: в интервале температур от 0^оС до 100^оС при повышении температуры на каждые 10 градусов скорость химической реакции возрастает в 2-4 раза.

Катализ — избирательное ускорение одного из направлений химической реакции под действием катализатора. Катализаторы принимают участие в промежуточных процессах, но восстанавливаются в конце реакции. Явление катализа распространено в природе (большинство процессов, происходящих в живых организмах, являются каталитическими) и широко используется в технике (в нефтепереработке и нефтехимии, в производстве серной кислоты, аммиака, азотной кислоты и др.). Большая часть всех промышленных реакций — это каталитические.

Существует отрицательный катализ или ингибирование. Ингибиторы – вещества, замедляющие протекание химической реакции (например, ингибиторы коррозии).

Особую группу образуют автокаталитические реакции. В них один из продуктов реакции служит катализатором превращения исходных веществ.

Природные катализаторы называются ферментами, ферменты ускоряют биохимические процессы внутри организма. Исходными веществами для синтеза ферментов являются коферменты. Ряд коферментов организм не может синтезировать из пищи и должен получать их в готовом виде. Это, например, витамины.

Главное отличие ферментов от других катализаторов заключается в исключительно высокой активности и ярко выраженной специфичности. Чем выше уровень организации организма, тем большее количество ферментов он использует (например, в организме человека несколько тысяч ферментов). Ферментный катализ играет решающую роль в переходе от химических систем к биологическим, т.е. в процессах, которые изучает эволюционная химия.