Российская экономическая академия им. Г. В. Плеханова. Кафедра физики

Концепции современного естествознания (Материалы для самостоятельной работы студентов)

Лекции: Тема 7. Химические элементы, соединения и процессы(с. 15 – 16)

В химии (группе наук о составе, структуре, свойствах и взаимных превращениях различных веществ) все вещества делят на чистые вещества и смеси; в свою очередь, чистые вещества – на простые и сложные, а смеси – на гомогенные (однородные на вид, напр., растворы, смеси газов) и гетерогенные (или дисперсные), состоящие из различающих частей или частиц, напр., взвеси, или суспензии с размерами частиц порядка 1 мкм (10^-6 м) и коллоиды с размерами частиц от 1 до 500 нм (1 нм = 10^-9 м). В реальных условиях любое чистое вещество содержит микроскопические примеси посторонних веществ, которые иногда могут заметно изменить свойства основного вещества, поэтому в особо точных исследованиях необходимо указывать степень чистоты «чистого» вещества.

Простые вещества состоят из атомов одного химического элемента (или молекул, состоящих из таких атомов) и могут иметь различные свойства. Сегодня известно около 400 простых веществ, включая различные аллотропные молекулярные формы (напр., кислород – О, О₂, О₃), различные кристаллические модификации (напр., у углерода – графит, алмаз, карбин, фуллерены) и др. По свойствам делятся на металлы и неметаллы (из химических элементов только 22 неметаллы).

Сложные вещества (или химические соединения) состоят из атомов различных химических элементов; мельчайшая частица соединения – молекула (термин введен А. Авогадро в XIX в.), обычно делятся на неорганические и органические (содержащие углерод, атомы которого способны образовывать в одной макромолекуле длинные и разветвленные цепочки многих тысяч, миллионов и даже миллиардов различных атомов). Большинство соединений получено химиками искусственно, т. е. не встречаются в естественных условиях в природе (сегодня их известно более 10 млн.). По свойствам неорганические соединения делятся на оксиды, основания (гидроксиды), кислоты и соли (сегодня известно несколько сотен тысяч неоргани-ческих соединений); органические – на ациклические и циклические (по виду углеродных цепей в молекуле).

Атом – мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая все его свойства; состоит из положительно заряженного атомного ядра, где сосредоточена основная масса атома, и отрицательно заряженного электронного облака, в котором общее число электронов определяет порядковый (атомный) номер элемента в Периодической системе Менделеева и равно числу протонов в ядре (зарядовое число ядра Z); в свободном состоянии атомы могут существовать в газах, в связанном состоянии они входят в состав жидких и твердых тел, а также молекул различных веществ, соединяясь с атомами того же элемента или других элементах. Массы атомов обычно выражают в атомных единицах массы (1 а.е.м. = 1,66.10^-27 кг = 10^-3 кг/моль.1/N_A, где N_A – число (постоянная) Авогадро, N_A = 6,02.10²³ моль^-1). Диаметр простейшего атома водорода (один протон + один электрон), согласно квантовой механике, составляет 10^-10 м; диаметры ядер зависят от количества содержащихся в них нуклонов (протонов и нейтронов) и изменяются от 10^-15 (примерный радиус протона и нейтрона) до 10^-13 м. Масса электрона в 1836 раз меньше массы протона (1,0073 а.е.м.), масса нейтрона (1,0087 а.е.м) на 0,14% больше массы протона.

Химический элемент – совокупность атомов с одним и тем же электрическим зарядом атомного ядра +Ze₀ , где e₀ – элементарный электрический заряд, равный 1,6.10^-19 Кл. В природных условиях состоит из нескольких изотопов. Символы элементов введены Й. Берцелиусом в 1813 г.

Изотопы – разновидности атомов одного и того же химического элемента, атомные ядра которых имеют одинаковое число протонов Z, но различное число нейтронов (т. е. различную массу атомов). Сегодня известны 2138 изотопов, в том числе 263 – стабильных и 1875 – нестабильных (радиоактивных). Каждый элемент имеет свое число изотопов, напр. водород – три изотопа: протий (обычный водород, символ Н, в ядре один протон), дейтерий (тяжелый водород, символ D, в ядре один протон и один нейтрон) и тритий (сверхтяжелый водород, символ Т, в ядре один протон и два нейтрона), первые два стабильны, тритий нестабилен с периодом полураспада 12,3 лет. Обычно изотопы (или их ядра – нуклиды) обозначаются названием элемента или его символом с указанием массового числа ядра, т. е. полного числа нуклонов А, напр. ²³⁸U, или уран-238. В каждой клетке Периодической системы, кроме порядкового номера элемента указана средняя масса атома с учетом распространенности всех изотопов этого элемента в природе и их массы, напр., в природной воде содержится 18 ее разновидностей (3 изотопа водорода и 6 изотопов кислорода), из них 99,985% обычной воды (Н₂О) и 0,015% тяжелой (D₂O). Изотоп ¹²С используется в качестве эталона для определения атомной единицы массы (масса, равная 1/12 части массы атома ¹²С) и единицы количества вещества – моля (один моль содержит столько же структурных единиц (атомов, молекул и т. п.), сколько атомов содержится в 12 г изотопа ¹²С, это количество равно числу Авогадро).

Свойства элементов и их соединений не изменяются произвольно, но подчиняются периодическому закону, конкретным графическим выражением которого является Периодическая система элементов (они были установлены Д. И. Менделеевым в 1869 г).

Периодический закон: свойства химических элементов зависят от строения электронной оболочки и периодически изменяются с увеличением Z.

Периодическая система элементов (короткопериодическая форма) содержит 7 периодов (по горизонтали) и 8 больших групп (по вертикали) – главных и побочных. В настоящее время Международный союз чистой и прикладной химии (ИЮПАК) рекомендует длиннопериодическую форму с разделением на 18 групп, отдельно главных и побочных.

Атом данного элемента в основном состоянии имеет определенную электронную конфигурацию, при этом состояние каждого электрона на дискретных энергетических уровнях, согласно решению уравнения Шредингера, характеризуют четыре квантовых числа: главное (энергетическое) число n, орбитальное l, магнитное m и спиновое s. Заполнение энергетических уровней (оболочек, подоболочек и орбиталей) при последовательном переходе от одного элемента к другому происходит в соответствии с: 1) правилом заполнения (электроны заполняют орбитали в последовательности повышения энергетических уровней), 2) принципом запрета Паули (на одной орбитали могут находиться не более двух электронов с противоположными спинами) и 3) правилом Хунда (вначале заполняются все орбитали одной подоболочки электронами с параллельными спинами, а затем происходит заполнение этих орбиталей электронами с противоположными спинами). Все элементы данного периода имеют одинаковый электронный остов (внутренние электронные оболочки и подоболочки), совпадающий с тем, который имеет последний элемент предыдущего периода из группы благородных (инертных) газов. Химические свойства элементов зависят только от электронов за пределами остова.

Свойства химических соединений зависят от типа химических связей, природа которых чисто электромагнитная и обусловлена перераспределением (обобществлением) валентных электронов, находящихся на внешних орбиталях атомов.

Химическая связь – это взаимодействие, удерживающее вместе два или несколько атомов, ионов, молекул или любую более или менее устойчивую группу атомов или молекул (кластеры, комплексы, ассоциаты, радикалы, кристаллы, мономеры как звенья полимеров). Типы химических связей: ионная, ковалентная, металлическая, водородная, вандерваальсова и др.

На свойства молекул и вещества, которое они образуют, существенное влияние оказывают также пространственная структура (строение) молекулы, зависящая от химических связей и во многом определяющая кристаллическую структуру вещества в твердом состоянии, а также различных комплексов. Особое значение это имеет для сложных органических молекул, где отчетливо проявляется химическая изомерия, учитывающая трехмерную структуру электронных орбиталей.

Изомеры – это молекулы, имеющие одинаковый атомный состав, но различное взаимное расположение атомов в молекуле и в связи с этим различные физические и химические свойства. Различают структурные изомеры и стереоизомеры, которые, в свою очередь подразделяются на геометрические и оптические изомеры. Наличие изомерии приводит к огромному разнообразию веществ с одинаковым составом, которые тем не менее можно разделить. Особенно это характерно для органических соединений, допускающих всевозможные разветвления в длинных цепочках углеродных атомов, при этом количество изомеров резко возрастает с увеличением числа атомов в молекуле.

Оптические изомеры – это молекулы, которые могут существовать в зеркально отраженных (хиральных) формах и проявляют оптическую активность, т. е. поворачивают в противоположные стороны плоскость поляризации при прохождении через такое вещество поляризованного света (такие зеркальные молекулы называют также энантиомерами). При этом существенно, что некоторые важные свойства вещества (напр., вкус), содержащего одну из форм энантиомеров, могут заметно отличаться от свойств того вещества с другой формой, хотя в отношении многих других свойств они неразличимы. В биохимии одна из таких форм может проявлять заметную биологическую активность, а другая нет, что важно, напр., для работы ферментов. Это позволяет отделять «живые» молекулы от «неживых» по их оптической активности. Вещество, содержащее зеркальные молекулы в равных количествах, называется рацематом и оно не проявляет оптической активности.

Возможность и характер химического процесса (реакции) определяется физическими условиями, в которых протекает реакция, а также законами термодинамики (первым и вторым), законом сохранения массы, законом сохранения числа атомов, принципом Ле Шателье – Брауна.

Закон сохранения массы: суммарная масса веществ, участвующих в реакции остается неизменной.

Закон сохранения числа атомов (закон стехиометрических коэффициентов): количество атомов каждого элемента в химической реакции остается неизменным.

Законы сохранения массы и числа атомов можно рассматривать как частные случаи закона сохранения полной энергии с учетом энергетики химических превращений. Поскольку вещества обладают различным химическим сродством друг к другу, реакции могут протекать с различной скоростью, происходить с выделением (экзотермические процессы) или с поглощением (эндотермические процессы) энергии, быть обратимыми и необратимыми.

Принцип Ле Шателье – Брауна: внешнее воздействие, выводящее систему из состояния термодинамичес-кого равновесия, вызывает в ней такие процессы, которые стремятся ослабить результат воздействия.

***