Тема 5. Химия в системе естественных наук.

1. Фундаментальные основы современной химии. Фундаментальными основами химии стали квантовая механика, атомная физика, термодинамика, статистическая физика и физическая кинетика. Теоретическая химия построена на основе физики, но не сводится к ней.

Развитие современной химии тесно связано с физикой, биологией и другими естественными науками.

Основная цель современной химии – это получение веществ с заранее заданными свойствами.

Задачами химии являются: исследование свойств веществ и разработка на этой основе методов получения веществ с заранее заданными свойствами.

Организация материи на атомно-молекулярном уровне приводит к появлению новых свойств материи, к возможности существования множества вещей с громадным разнообразием свойств.

Химия – наука исследующая закономерности, проявляющиеся на атомно-молекулярном уровне организации материи. Химия изучает строение молекул и процессы изменения этого строения в результате их взаимодействия.

На химическом уровне мы имеем дело с очень большим числом частиц, участвующих в квантово-механических процессах обмена электронами – химических реакциях. Химические реакции - квантово-механические процессы обмена электронами между огромным количеством атомов.

Базовое понятие химии – валентность – макроскопическое химическое отображение квантово-механических взаимодействий. Валентность – способность атома к образованию химических связей. Выяснена особая роль внешнего электронного уровня атома, от количества электронов в котором зависит реакционная способность элемента (металлы охотно отдают 1-2 электрона, неметаллы их забирают).

Эмпирическая химическая формула соединения показывает какие элементы и в каком соотношении входят в состав химического соединения. Эмпирическая формула устанавливается опытным путем.

На основе эмпирической формулы некоторого вещества может быть установлена молекулярная формула. В химии выработаны правила определения молекулярной формулы. Молекулярные формулы позволяют отобразить химические превращения. Для этого используют химические уравнения, которые являются способом описания химических процессов.

Структурные формулы показывают последовательность и пространственный порядок соединения атомов в молекулах.

2. Этапы развития химии. Химия прошла четыре этапа становления, что связано с формированием основных уровней теоретических знаний.

Первый уровень – Учение о составе, 17 век. Первоначально свойства веществ связывали исключительно с их составом.

Второй уровень – Структурная концепция, 19 век. На этом уровне связывали свойства веществ не только с составом, но и со структурой молекул. В рамках этого подхода возникло понятие «реакционная способность», включающая представления о химической активности отдельных фрагментов молекул. Этот подход позволил создать промышленные технологии синтеза многих органических веществ.

Третий уровень – Учение о химических процессах, 1950-е годы. В рамках этой концепции были выявлены факторы, влияющие на направленность и скорость протекания химических превращений и на их результат. Химия вскрыла механизмы управления реакциями и предложила способы изменения свойств получаемых веществ.

Четвертый уровень – Эволюционная химия, с 1970-х годов по настоящее время. В рамках эволюционной химии идет изучение самоорганизации химических процессов и систем, в том числе, происходящих в клетках живых организмов (отдельная тема).

3. Понятие «химический элемент». Ранее считалось, что признаком элемента является экспериментально установленная неразложимость данного вещества. По Менделееву признаком элемента является место в периодической системе, определяемое массой атома.

Позже, когда физика составила представление об атоме элемента как о сложной квантово-механической системе, появилось современное определение:

Химический элемент – это вид атомов с одинаковым зарядом ядра, т.е. совокупность изотопов.

При Менделееве было известно 62 элемента. В 1930-е гг. – 92 (уран). С начала 1940-х гг. таблица Менделеева пополнялась путем химического синтеза. До середины 1950-х гг. было синтезировано 9 элементов. Элемент под № 101 был назван «менделевий». В последующие годы синтез ядер новых элементов продолжался, но ядра от № 102 и далее оказались крайне неустойчивы. Самый тяжелый из известных на сегодняшний день элементов под № 112 был получен при слиянии ядра цинка с ядром свинца. Его время жизни – тысячные доли секунды.

В физически доступном слое земли 8 элементов представлены в значительном количестве: кислород – 47%, кремний – 27,5%, алюминий – 8,8%, железо – 4.6%, кальций – 3,6%, натрий – 2,6%, калий - 2.5%, магний – 2,1%.

4. Химическое соединение и химические связи. Почти все химические элементы представлены в составе химических соединений. В настоящее время известны более 8 млн. соединений, из них 96% органические соединения.

Проблема химического соединения в современной химии решена на основе представлений квантовой физики. Суть проблемы химического соединения состоит в физической природе сил, объединяющих атомы в молекулы. Эти силы символизируются химическими связями. В общем случае химические связи обусловлены проявлением волновых свойств валентных электронов – перекрытием электронных облаков, обобществлением электронов.

В 1801-1808 гг. французский химик Ж. Пруст установил закон постоянства состава, согласно которому, любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным неизменным составом – прочным притяжением составных частей (атомов) и тем самым отличается от смесей.

Дж. Дальтон является автором другого основного закона в учении о составе веществ – закона кратных отношений. Он показал, что все вещества состоят из молекул, а все молекулы из атомов. Состав любого вещества можно представить как простую формулу. Согласно этому закону, составные части молекулы – атомы А и В могут замещаться на другие атомы – С и D: АВ + С = АС + В.

Закон кратных отношений Дальтона (1803): Если определенное количество одного элемента вступает в соединение с другим элементом в нескольких весовых отношениях, то количества второго элемента относятся между собой как целые числа.

С современной точки зрения, химическое соединение – это вещество, атомы которого за счет химических связей объединены в молекулы, комплексы, макромолекулы, монокристаллы или иные квантово-механические системы.

Химические связи имеют в основном электрическую природу, т.е. сводятся к электронному взаимодействию, связанному с перестройкой электронных оболочек атомов. Прочность химической связи зависит от энергии связи.

Различают 4 основных типа химических связей: ионную, ковалентную, водородную, металлическую.

Ионная связь. При объединении атомов в молекулу, один из атомов теряет электроны со своей внешней оболочки (катион), а другой их приобретает (анион). Противоположно заряженные ионы притягиваются, образуя прочные ионные связи. Ионные соединения – это обычно твердые вещества, имеющие очень высокую температуру плавления (поваренная соль).

Ковалентная связь образуется в результате электронной пары, принадлежащей одновременно двум атомам, создающим молекулу вещества. Такие молекулы удерживаются слабыми силами, они неустойчивы и существуют в виде жидкостей и газов с низкими температурами плавления и кипения (кислород, бутан).

Водородная связь обусловлена поляризацией ковалентных связей, когда совместные электроны большую часть времени находятся у атома элемента, связанного с атомом водорода. В результате такой атом получает небольшой отрицательный заряд, что делает такие связи крепче.

Металлические связи обусловлены свободным перемещением электронов внешних оболочек атомов металлов. Этим обусловлена хорошая электропроводность металлов. Атомы в металлах выстраиваются в точно подогнанные друг к другу ряды, удерживаемые вместе единым электронным полем.

5. Химические процессы. Способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется не только их атомарно-молекулярной структурой, но и условиями протекания химических реакций. К ним относятся термодинамические факторы, отвечают за направление химической реакции и смещение химического равновесия (давление, температура и т.п.) и кинетические факторы, которые отвечают за скорость реакции.

Химические реакции описываются уравнениями, основанными на законе сохранения вещества. Согласно этому закону, полная масса веществ, вступивших в реакцию, должна точно соответствовать массе образовавшихся веществ.

Большинство современных химических технологий реализуется с использованием катализаторов – веществ, которые увеличивают скорость реакции, не расходуясь в ней. Каталитическая реакция проходит через промежуточный комплекс, в котором происходит перераспределение ослабленных химических связей.

В современной химии получило развитие направление, принципом которого является энергетическая активация реагента, т.е. подача энергии извне до состояния полного разрыва исходных связей.

Химия экстремальных состояний использует высокие температуры, большие давления, излучения (у/фиолетовое, рентгеновское, гамма-излучение). К этой области относится плазмохимия (химия на основе плазменных состояний реагентов), а также технологии, в которых активация процесса достигается за счет направленных электронных или ионных пучков (элионные технологии). Плазма – это ионизированный газ. Химические реакции протекают при температуре от 1000 до 10000 градусов по С. Порошковая металлургия; металлобетон.

Химия экстремальных состояний позволяет получить вещества и материалы, уникальные по своим свойствам. Например, сверхпрочные покрытия из нитрида титана, наносимые на металлообрабатывающий инструмент для увеличения срока эксплуатации.

Вопросы и задания:

1. Какие закономерности исследует химия?

2. Что является объектом изучения химии?

3. Какое значение имеет квантовая механика и атомная физика в развитии современной химии?

4. Валентность, как квантово-механическое взаимодействие.

5. Чем отличаются понятия «эмпирическая химическая формула» и «молекулярная формула»?

6. Какова основная цель современной химии?

7. Дать характеристику четырем концептуальным уровням современной химии.

8. Каково значение химического катализа?

Литература:

Грушевицкая Т.Г., Садохин П.А. КСЕ. – М. - 1998. – С. 234 – 258.

Васильева Т.С., Орлов В.В. Химическая форма материи. М. – 1983.

Кузнецов В.И. Диалектика развития химии. М. – 1973.

Соловьев Ю.И. Эволюция основных теоретических проблем химии. М. - 1971.

СОВРЕМЕННАЯ БИОЛОГИЯ