Тема 8. Концепции химии

8.1. Предмет познания химии. Химия как наука

Химия возникла из алхимии, просуществовавшей около полутора тысячелетий. Опыт алхимии привел в XVII веке к выводу, что существуют некоторые пределы во взаимопревращении веществ, что следовательно необходимо знать причины и законы этих превращений. В XVII-XVIII веках химия постепенно становится наукой о качественных преобразованиях вещества в результате изменений его состава и строения. В настоящее время химия существует как сложная система знаний о химических элементах и их соединениях, о закономерностях и энергетике химических процессов, о реакционной природе веществ и их способностях давать новые соединения, о путях и методах создания новых материалов. Становлению химии как науки способствовали как практические достижения промышленного производства (металлургии, стеклоделания, пищевого и парфюмерного производства), так и теоретические построения. С XV века бурно нарастают открытия химических веществ (висмут, платина, селитра, сода, серная кислота и т.п.). Наряду с этим возрождается атомизм, а в XVII веке П.Гассенди вводит понятие “молекула” (уменьшительное от лат. moles – масса). Р.Бойль закладывает теоретические принципы химии как науки, доказывая, что химические превращения качеств и свойств веществ могут быть объяснены через понятия о движении, размерах, формах и структурном расположении атомов. Он пользовался уже идеей химического элемента и предела разложения вещества с данными свойствами. Он заложил основы экспериментальной химии, обосновал методику химического эксперимента, создал основы аналитической химии. В целом вывел химию из подчинения ее ремесленническим задачам и доказал возможность самостоятельного существования химии как науки.

Революционный этап в развитии химии связан с работами А.Лавуазье. В химии XVIII в. проблема горения стала центральной. Была выдвинута идея флогистона – как невесомой субстанции, которую тела утрачивают при горении. Однако, на опыте существование флогистона не подтвердилось. Лавуазье разработал кислородную теорию горения и обобщая опытные данные установил, что химические соединения делятся на кислоты, основания и соли, объяснив, таким образом, качественное многообразие веществ различием химических элементов и их соединений. Лавуазье ввел новую номенклатуру химических веществ. Теперь каждое вещество имело одно название, в котором характеризовались его свойства и состав. Возникла специальная терминология химии как науки (например, термин оксид калия фиксировал, что это вещество состоит из калия и кислорода и т.п.). Кроме того, Лавуазье опираясь на уже известный закон сохранения количества материи, ввел представления о необходимости знания о количественных пропорциях химических элементов в соединениях, что способствовало математизации химии. Лавуазье как тонкий экспериментатор решил ряд проблем химии, показав, например, что в живом организме и в процессах горения энергия высвобождается подобными химическими процессами.

В целом Лавуазье из совокупности разрозненных практических рецептов превратил химию в научную теорию, исходя из которой можно было не только объяснять известные химические явления, но и предсказывать новые. Опираясь на эти достижения Дж. Дальтон ввел в химию понятие атомного веса и показал, что атомы одного химического вещества могут соединяться с атомами другого вещества в различных количественных отношениях. Исследуя газы, он установил, например, что в окислах азота количество кислорода на одно и то же весовое количество азота относится как 1:2:3:4… и т.д. Дальтон открыл закон кратных отношений, который гласит, что если два элемента образуют более одного соединения, то массы одного элемента, приходящиеся на одну и ту же массу другого, относятся как целые числа.

В XIX в. на этой базе были сформулированы другие количественные законы: Ж. Пруст установил закон постоянства состава химических соединений, утверждающего, что каждое определенное химическое соединение состоит из одних и тех же химических элементов независимо от способа его получения. Гей-Люссак установил закон объемных отношений, когда объем реагирующих между собой газов, а также объемы газообразных продуктов реакции относятся как небольшие целые числа. Авогадро показал, что при одинаковых условиях одинаковые объемы газов содержат одно и то же число молекул. В химии окончательно утвердилось атомно-молекулярное учение с различными способами количественного определения атомных и молекулярных весов.

Во второй половине XIX. в. А. М. Бутлеров разработал теорию химического строения согласно которой свойства веществ могут определяться порядком связей атомов в молекулах, их взаимным расположением и влиянием. Так например, в явлениях изомерии ( от греч. Isos – одинаковый и meros – доля) в одинаковых по составу химических элементов и по молекулярной массе вещества, но различающихся по строению, будут различные свойства. Началось бурное развитие структурной химии, где исследовались закономерности пространственного строения химических соединений. Возникла физическая химия, химическая кинептика, изучающая скорости химических реакций; химическая термодинамика и др. Химия стала изучать и определять свойства веществ не только от их состава, но и структуры. Наконец в 1869г. Д. И. Менделеев разрабатывает периодическую систему химических элементов.

закладывая тем самым фундамент химии уже ХХ в. Менделеев разработал фактически классификацию химических элементов на том основании, что свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от атомного веса (как он считал), но как потом выяснилось от заряда атомного ядра. Заряд ядра Z равен атомному (порядковому) номеру элемента в системе в целом. Элементы расположены в этой системе по возрастанию Z и образуют 7 периодов. В периодах (по горизонталям) свойства элементов закономерно изменяются при переходе от щелочных металлов к инертным газам. В вертикальных столбцах располагаются группы элементов, сходных по свойствам. Внутри групп свойства элементов изменяются так же закономерно. Например, у щелочных металлов возрастает химическая активность. Периодичность свойств химических элементов обусловлена периодичным повторением конфигурации внешних электронных оболочек атомов. Местоположение элемента в системе говорит уже о его химических и многих физических свойствах. Закон периодичности свойств и сама система Менделеева стали основой современного учения о строении вещества они играют первостепенную роль в изучении всего многообразия известных веществ; в прогнозировании новых элементов и в синтезе новых веществ. При Менделееве было известно 62 элемента, в современной науке более 110, многие из открытых элементов крайне неустойчивы и быстро распадаются. Существует гипотеза, по которой возможны стабильные элементы с порядковыми номерами более 126. Но это дело будущего. Современная химия изучает известные вещества, занимается созданием новых веществ с заданными свойствами; разрабатывает способы управления свойствами веществ. Таким образом, химия – наука с высокотеоретическим уровнем развития и вместе с тем с глубоко практической ролью.

Для химии стала понятна причина и механизмы связи взаимодействующих атомов при образовании молекул. Возникло и получило разработку понятие « химическая связь». Между атомами действуют электрические силы, через электрические заряды, носителями которых являются электроны. Для того чтобы атом стал стабильным его внешняя оболочка должна быть заполнена определенным количеством электронов. Она может быть заполнена полностью и не полностью. В химических взаимодействиях внешняя оболочка может быть заполнена, этим и определяется химическая активность элементов. Химическая связь возникает за счет валентных (от лат. Valentia – сила), внешних электронов. Различают 4 типа химических связей между атомами, которые осуществляются через эти электроны:

1. Ковалентная связь – осуществляется парой электронов, находящейся в общем владении двух атомов. Она может быть одинарной, двойной или тройной. В ковалентную связь входят электроны по одному от каждого атома. Например, в молекуле водорода пара электронов, по одному от каждого атома, а в молекуле азота – три общих электрона. Оба атома притягивают электроны с одинаковой силой, поэтому электроны находятся на одинаковом удалении. Однако, если ковалентная связь образуется между атомами разных химических элементов, то электронное облако смещается к притягивающему атому. Такую ковалентную связь называют полярной, или несимметричной, что сближает ее со вторым типом химической связи.

2. Ионной связью. При ионной связи один из атомов может отдать один или больше электронов. В таком случае возможна ситуация, когда оба атома начинают обладать стабильным набором электронов. Например, так образуется поваренная соль – NaCl. У атома хлора для его стабильности не хватает одного электрона, а у атома натрия на внешней оболочке имеется только один электрон. Если он уходит к хлору, тогда у натрия в ядре возникнет «излишек» протонов. Хлор будет отрицательно заряженным, а натрий – положительно заряженным ионом. Они притягиваются и образуют молекулу соли.

3. Металлическая связь – характерная для металлов. Все металлы – кристаллические вещества (кроме ртути). Кристаллы (от греч. – лед) твердые тела, атомы и молекулы, которых образуют упорядоченную периодическую структуру (решетку). У металлов на внешнем уровне имеется мало валентных электронов по сравнению с тем сколько имеется внешних энергетических орбит. Валентные электроны, имея «небольшую энергию, образуют как бы электронный газ», потому что могут свободно перемещаться от атома к атому по всему металлу, не закрепляясь единичным образом.

4. Водородная связь возникает между теми молекулами, в состав которых входит водород и сильно отрицательно заряженные такие химические элементы как фтор, кислород, азот, иногда хлор или сера. Особенность этого типа химической связи зависит от того, что электронная пара сильно смещается от водорода в сторону электронно заряженного атома другого химического элемента. Эта связь слабее металлической, она широко распространена, например, там где есть вода и участвует в химических соединениях. Это, например, белки, нуклеиновые кислоты; следовательно, все виды живой материи.

В целом все вещества могут иметь три агрегатных состояния: газообразное, жидкое и твердое. В газах атомы и молекулы находятся на большом расстоянии друг от друга и поэтому свободно (хаотически) движется. Жидкое или твердое состояние возникает, когда вещество находится в конденсированном состоянии. Расстояния между атомами и молекулами малы, а, следовательно, электрические силы взаимодействия между ними становятся решающими, связывая частицы друг с другом. В природе, большинство твердых тел имеют кристаллическую структуру. Жидкие тела занимают промежуточное положение между газами и кристаллами. С одной стороны, они умеют фиксировать свой объем, а с другой – принимать форму сосуда. Молекулы жидкого тела могут двигаться свободно по объему жидкости, но это движение кратковременно, а большая часть положений такой молекулы все-таки связанное состояние.

Агрегатные состояния вещества зависят от температуры и давления, в которых они существуют. Поэтому в химии часто применяются методы физики, в частности термодинамики. Она позволяет решать вопросы об условиях, в которых будет возможна химическая реакция, о скорости и степени превращения веществ; оценить энергетику этих реакций, т.е. объяснять качественные и количественные параметры химических процессов, давать им временные характеристики по стадиям реакции, выявлять их механизмы, рассчитывать количественные затраты реагентов, продуктов реакции по ее стадиям, энергетические и другие затраты. Характер химической реакции зависит от природы реагирующих веществ, от их концентрации, температуры, особенностей катализаторов, давления и т.д. Современная химия широко взаимодействует не только с физикой, но и биологией, геологией и другими науками, Она превратилась в разветвленный и сложный комплекс химических наук. Химия ХХ в. знает около 10 млрд. только постоянных химических соединений и еще больше соединений временного состава. Помимо классических направлений в химии, таких как неорганическая, органическая, аналитическая, физическая химия, постоянно возникают все более узкие и специальные направления: химия металлоорганических, силикатных, полупроводниковых и т.п. соединений.

В своем развитии химия как наука прошла 4 этапа:

1. Изучение элементного состава химических соединений (с XVII до XVIII в.).

2. Изучение структуры (структурная химия) химических соединений (с XVIII в).

3. Изучение химических процессов (с XIX в.).

4. Эволюционная химия (с середины ХХ в.).

На первом этапе химия разрабатывала проблему химического элемента, их числа, разновидностей; стремилась дать описание их свойств, понять какие химические соединения они могут давать. Открывая новые химические элементы, она разрабатывала методы и способы вовлечения их в производство. С возникновением квантовой механики, космологии стало возможным объяснение происхождения атомов химических элементов, что открывает широкие перспективы познания путей и методов синтеза новых химических элементов. По современным космологическим представления «фабриками» химических элементов являются звезды. При больших температурах внутри звезд ядра H сливаются и возникает He. Водород во Вселенной составляет почти 99.

Из этого «сырья» затем при разных температурах и давлении возникают остальные элементы периодической системы. Если, например, объединяются три атома Не, то возникает С. Далее при температуре 20 млн. градусов ядро Не может слиться с С и возникает О. При еще более высоких температурах, за счет последовательного добавления ядер Не образуются еще более тяжелые ядра. Далее возникают ядра неона, магния, кремния, серы и т.д. В конце концов, когда при температуре 3.5 млрд. градусов сливаются два ядра кремния ₂₀Si+₂₈Si→₅₆Ni возникает никель. Так звезда из однородного химического состава эволюционизирует к сложной структуре (подобно луковице) состоит из разных химических элементов. В центре звезды содержатся тяжелые элементы из группы железа.

Далее, ядра гелия присоединяясь к уже имеющимся химическим элементам, могут образовывать и более тяжелые элементы. В целом чтобы построить новый химический элемент нужно к существующим уже ядрам добавить несколько протонов и (или) нейтронов. Изменяющийся положительный заряд ядра перестраивает электронную оболочку, что и проявляется в разных качествах и свойствах химических элементов.

Изучив свойства химических элементов, химия может переходить к исследованию и построению химических соединений. Здесь задача заключается в том, чтобы с помощью физико-химических методов исследовать те силы и механизмы, которые объединяют атомы в молекулы. Молекула рассматривается как единая квантовая механическая система, химические связи внутри которой проявляются благодаря волновым свойствам и энергии валентных электронов. Химическая связь, таким образом, понимается как обменное взаимодействие электронами, перекрывающих пространство между атомами, входящими в молекулы. Молекула, таким образом, также может рассматривать как структурный элемент и носитель целостных свойств или качеств вещества. Химическое соединение поэтому стали понимать как качественно индивидуальное (определившееся) вещество. Оно может состоять из одного или нескольких химических элементов, объединенных в молекулы, комплексы, кристаллы, иметь газообразное, жидкое или твердое агрегатное состояние.

Химия исследует не только характеристики веществ, но и их объемы в природных ресурсах земли, строит прогнозы и изучает пути эффективного использования их в производстве. Известно, например, что 98,6% исследованного верхнего слоя земли содержит около 47% кислорода, более 47% кремния, около 9% алюминия и около 5% железа, около 4% кальция, более чем по 2% у натрия, калия, магния и т.д.

Схема