Лекция 19. Элементы химии.

1. Химические элементы. Периодическая система элементов д.И.Менделеева.

Наука о веществах зародилась в Древнем Египте – передовой стране древнего мира, где получили развитие металлургия, изготовление стекла и керамики, крашение, парфюмерия и косметика. Само название «химия» происходит от одного из древних названий Египта – Хеми – «черная земля» – и означает «египетское искусство».

Наука о веществах и их взаимодействиях долгое время считалась «божественной» или, наоборот, «дьявольской» и развивалась вплоть до эпохи Возрождения как алхимия. Алхимики установили, что существуют чистые, неразложимые далее вещества, которые были названы элементами. Представления об элементах с тех пор претерпели определенные изменения. Ведь многие вещества нельзя было разложить на простые составляющие при помощи доступных тогда методов. Например, вода долгое время считалась элементом (вспомним «влажность» Аристотеля), пока не был проведен ее электролиз. В настоящее время известно 92 стабильных элемента и сотни тысяч веществ, составленных из них.

Точной наукой химия стала после того, как в середине XVIII века был сформулирован закон сохранения массы: масса всех веществ, вступающих в реакцию, равна массе всех продуктов реакции.

Был также установлен закон постоянства состава: каждое химическое соединение имеет определенный и постоянный состав, не зависящий от способа его получения.

Лавуазье и Ж.Пруст установили, что элементы всегда входят в соединение в точно определенных пропорциях. Этот закон получил название закона кратных отношений (Дальтон). Именно Дальтон понял, что закон кратных отношений – это проявление дискретного строения вещества, и ввел в науку представление об атомах как мельчайших частицах вещества, а также понятие «атомный вес».

Д.И.Менделеев установил функциональную связь между атомными весами элементов и их свойствами, несмотря на то, что далеко не все элементы были тогда (к 1868 г.) открыты. При жизни Менделеев успел убедиться в торжестве своих идей, когда свойства вновь открытых элементов (Ga, 1875, Sc, 1879, Ge, 1886) в точности совпали с предсказанными. Однако природу открытого им закона сам Менделеев не понимал. Он писал: «Мы не понимаем причины периодического закона…»

Теперь известно, что строение атома обусловлено законами квантовой механики. Электроны в атоме в соответствии с принципом Паули последовательно заполняют разрешенные энергетические уровни, формируя электронные оболочки вокруг ядра. Оболочки полностью заполнены 2-мя электронами для Н и Не, 8-ю электронами для других элементов. Только в этом случае атом химически стабилен, в противном случае он вступает в соединение с другими атомами.

2. Понятие вещества. Агрегатные состояния вещества. Виды химических связей.

Под веществом в химии понимается субстанция однородного состава, разложимая с помощью определенных воздействий или же неразложимая. Все разнообразие веществ возникает из сложного, но повторяющегося сочетания составных частей – атомов. В природе встречается вещество в одном из трех агрегатных состояний: газ, жидкость, твердое тело.

Вещество, в котором с помощью определенных связей и в определенном соотношении объединены атомы различных элементов, называется соединением. Мельчайшая частичка соединения, обладающая его свойствами, называется молекулой. Молекула обладает как метрическими свойствами (длины химических связей, углы между ними), так и неметрическими (могут быть циклическими и нециклическими и т.п.). Во время химической реакции происходит превращение молекул и образование новых химических связей.

Под химической связью понимается результат взаимодействия между атомами, который выражается в создании определенной конфигурации атомов, отличающей один тип молекулы от другого.

До создания квантовой механики полагали, что связь атомов обеспечивает особая химическая сила. Квантовая механика объясняет химические явления так: химические связи порождаются взаимодействием электронных оболочек атомов. Перекрытие электронных облаков создает между атомами некоторый отрицательный заряд, который «стягивает» ядра к области перекрытия и удерживает там. Таким образом, химическая связь имеет электромагнитную природу, но она не может быть описана с помощью классической электростатики (закона Кулона).

Различают несколько видов химических связей:

• Ионная связь возникает, когда один атом отдает другому один или несколько электронов, и каждый атом получает стабильный набор электронов, становясь ионом. Ионы взаимодействуют друг с другом посредством кулоновских сил. Иначе такая связь называется гетерополярной (пример – Na⁺Cl^-).

• Ковалентная связь возникает, когда два атома обобществляют пару электронов – по одному от каждого атома. Если взаимодействующие атомы одинаковы (О-О, Н-Н, N-N), то электронное облако симметрично, и образуется неполярная молекула. Если же атомы разные, то электронное облако будет смещено, т.е. находиться в течение большего времени, с большей вероятностью около более притягивающего ядра (с большим атомным номером). Образуется полярная молекула, и сама связь называется полярной. По виду она близка к ионной, но обусловлена обменными силами и имеет чисто квантовое происхождение.

• Металлическая связь также имеет чисто квантовую природу. В металле электроны с внешних оболочек обобществляются во всем объеме вещества, образуя «электронный газ». Этот «газ» связывает между собой положительные ионы.

• В живой природе широко распространены водородные связи. Атом Н соединяется ковалентной связью с О или N , при этом происходит смещение электронного облака в сторону О или N (полярная связь). Водородная часть молекулы оказывается положительно заряженной, и к ней притягивается своей отрицательно заряженной частью другая полярная молекула.

Химическая связь устойчива, если энергия молекулы меньше, чем сумма энергий составляющих ее изолированных атомов. Атомы, соединяясь в молекулу, находятся в «потенциальной яме», совершая небольшие тепловые (хаотические) колебания вблизи ее «дна» (положения устойчивого равновесия).