Лекция 11. Химические науки

Химия – наука о веществах, из которых состоят физические тела, об их свойствах и превращениях друг в друга. Перед химией стоят две основные задачи – создание веществ с необходимыми свойствами и выявление способов управления этими свойствами.

Решение этих двух задач зависит от 3-х основных факторов, влияющих на свойства получаемых веществ :

1. Состава вещества (элементный, молекулярный).

2. Структуры молекул.

3. Термодинамических и кинетических (определения и пояснения этих понятий см. далее ) условий протекания химических реакций, в процессе которых эти вещества получаются. В соответствии с перечисленными факторами и развивались химические знания о веществах. Вначале (примерно с XVII века) выяснили, что свойства вещества зависят от его состава ( Р. Бойль). Затем, уже в XIX веке, поняли, что свойства веществ зависят не только от их состава, но и от структуры, т.е. последовательности соединения атомов в молекуле. Особенно важным это оказалось для органических веществ, т.е. соединений углерода с водородом, кислородом, азотом и серой. Структурную теорию органической химии создал выдающийся русский ученый А. М. Бутлеров. Следующим этапом было изучение химических процессов и влияющих на них факторов. Наконец, в ХХ веке начался новый этап развития химии как науки : появилась эволюционная химия, основанная на том, что в процессе химической реакции образуется ее катализатор, что приводит к самоорганизации химических систем (о процессе катализа см. далее). С понятием самоорганизации систем мы уже встречались (там, где речь шла о синэргетике).

Химическая связь.

Чем определяется реакционная способность веществ? Прежде всего, тем, каким образом атомы связываются друг с другом, образуя молекулы. Ранее, когда мы говорили об электромагнитном поле, было сказано, что химические связи атомов в молекулах - это один из видов электромагнитного поля. Химические связи образуются при перекрывании внешних (валентных) электронных орбиталей взаимодействующих атомов (орбитали – это траектории движения электронов вокруг ядра - см. раздел о микромире).

Различают несколько типов химических связей.

Ковалентные связи осуществляются, когда внешние электроны двух атомов образуют общую электронную пару. Если атомы одинаковые, то эта электронная пара в равной мере принадлежит обоим ядрам и никуда не смещена, центры положительных и отрицательных зарядов совпадают. Такой тип связи называется неполярной ковалентной и существует в двухатомных газах, например, в молекулах кислорода, водорода, азота, хлора. Таких соединений сравнительно немного.

Если молекула состоит из разных атомов, то образующаяся общая электронная пара смещается в сторону атома с большим зарядом ядра, центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают (эта конфигурация называется диполем - два полюса). Такая связь называется ковалентной полярной и осуществляется в молекуле воды, некоторых неорганических кислот и в большинстве органических соединений. Это самый распространенный тип химической связи. Обе разновидности ковалентной связи осуществляются, как правило, между атомами неметаллов.

Если химическая связь образуется между атомами металла и неметалла, то. как правило, валентные электроны с внешних орбиталей атомов металла полностью переходят к атому неметалла, образуя положительно (катионы) и отрицательно (анионы) заряженные частицы.Связь между такими частицами называется ионной. Она осуществляется в большинстве солей, оксидов и оснований, т.е. главным образом в неорганических соединениях, например, в хлориде натрия (поваренная соль), фториде кальция, необходимом для укрепления зубной эмали.

Наконец, в чистых металлах за счет валентных электронов, легко отрывающихся от своих атомов, осуществляется металлическая связь, обуславливающая электро- и теплопроводность, а также и другие свойства металлов.

Химический элемент. Неорганическая химия.

Весьма важным в химии является понятие химического элемента –это совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра (разумеется, это определение ХХ века, всю предысторию становления понятия «химический элемент» мы опускаем).

В настоящее время известно 108 химических элементов, причем природа создала 92, а остальные получены искусственно. Во второй половине Х1Х века, когда проблемой систематизации химических элементов занялся великий русский ученый Д. И. Менделеев, их было всего 65. До него все аналогичные попытки не имели успеха. Менделеев взял за основу не какие-либо физические или химические свойства элементов, а их атомную массу (по Менделееву – атомный вес) - свойство, которым обладали все химические элементы, разложил карточки с символами и свойствами элементов в порядке возрастания атомной массы и получил периодическую зависимость свойств элементов от атомной массы. Огромное значение для утверждения периодического закона имел тот факт, что внутренняя логика построенной Менделеевым периодической таблицы требовала резервирования трех пустых клеток, в которых, по его убеждению, должны были находиться еще не открытые к тому времени химические элементы.

Менделеев предсказал величину их атомной массы и свойства. Открытие еще при его жизни скандия, галлия и германия и наличие у них предсказанных Менделеевым свойств было несомненным триумфом периодического закона. Его современная формулировка звучит так: свойства химических элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра, равного порядковому номеру химического элемента. Этот закон является теоретической основой неорганической химии, изучающей все химические элементы и их соединения, кроме соединений углерода, которыми занимается органическая химия. Открытый Д. И. Менделеевым закон природы имеет также и общефилософское значение : он блестяще иллюстрирует закон диалектики Гегеля о переходе количества в качество.