Тема 10. Химическая наука об особенностях взаимодействия атомно-молекулярного уровня организации материи.

1. Предмет познания химической науки и ее проблемы.

2. I этап в развитии химических знаний: проблемы и пути их решения.

3. II этап в развитии химических знаний: проблемы и пути их решения.

4. III этап в развитии химических знаний: проблемы и пути их решения.

5. IY этап в развитии химических знаний: проблемы и пути их решения.

1. Д.И. Менделеев называл химию «наукой о химических элементах и их соединениях». В научной литературе можно встретить и другие определения понятия «химия»:

«Наука о веществах и их превращениях».

«Наука, изучающая процессы качественного превращения веществ».

Но эти определения не учитывают, что химия является не просто суммой знаний о веществах, а упорядоченной, постоянно развивающейся системой знаний.

Химия как наука с момента своего зарождения ставила перед собой весьма практические цели. Поэтому все химические знания, которые были приобретены в течение многих веков, подчинены главной единой задаче химии – задача получения веществ с необходимыми свойствами (производственная задача). Она же является и главной проблемой химии, которая обуславливает развитие самой химии как науки. Вторая проблема непосредственно вытекает из первой – выявление способов управления свойствами вещества (задача научного исследования).

Эти две главные проблемы породили ряд второстепенных проблем, решение которых позволило выделить в развитии химии как науки четыре этапа развития: 1) проблема выяснения состава вещества, которая позволила выяснить, что есть истинное вещество и чем оно отличается от смеси, что есть истинный химический элемент и химическое соединение (XVII); 2) проблема выяснения структуры вещества, которая позволила выяснить, как и благодаря чему соединяются атомы в молекулах, какова связь между химическими и физическими явлениями (XVIII); 3) проблема управления химическими процессам (XIX); 4) проблема создания самоорганизующихся химических систем (XX).

Вся история развития химии является закономерным процессом смены способов решения ее проблем. История химии до 17 в. – это многочисленные бесплодные попытки решения вопроса о происхождении свойств вещества. За это время было предложено два принципиально разных объяснения происхождения свойств тел: атомистическое учение Демокрита и Эпикура и антиатомистическое учение Аристотеля и Анаксагора. В этот период натурфилософия и практическая ремесленная химия существовали раздельно.

Основные химические представления были впервые сформулированы и приняты на I Международном съезде химиков (Карлсруэ, Германия, 1860). Система химических представлений легла в основу атомно-молекулярной теории, основные положения которой в следующем:

• все вещества состоят из молекул, которые находятся в непрерывном, самопроизвольном движении;

• все молекулы состоят их атомов;

• атомы и молекулы находятся в непрерывном движении;

• атомы представляют собой мельчайшие, далее неделимые составные части молекул.

Дальнейшее развитие химических знаний позволило дать более точное определение понятия «химия». Химия – это наука, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения.

2. I этап (XVII в.) – Учение о составе вещества.

Действенный способ решения проблемы происхождения свойств вещества появился во второй половине XVII в. в работах англ. ученого Р. Бойля, который показал, что качества и свойства тел не имеют абсолютного характера и зависят от того, из каких материальных элементов эти тела составлены.

При исследовании состава вещества решались три главные проблемы:

• проблема химических элементов;

• проблема химического соединения;

• проблема создания новых материалов, в состав которых входили бы открываемые элементы.

Решение проблемы химического элемента. Первым положил начало современным представлениям о химическом элементе как о «простом теле» Р. Бойль. Однако химики того времени еще не знали ни одного химического элемента. Химики, стремясь получить «простое вещество», пользовались методом прокаливания «сложных веществ», которое приводило к окалине. Окалину и принимали за новый химический элемент. Пример: железо – это сложное тело, состоящее из соответствующего элемента и универсального «невесомого тела» – флогистона (греч. – зажженный).

В 1680 – 1760 гг., благодаря развитию техники, появились точные количественные методы анализа, которые способствовали открытию истинных химических элементов. Благодаря этим методам были открыты фосфор, кобальт, никель, водород, фтор, азот, хлор и марганец.

В 1772 – 1776 гг. Лавуазье открыл кислород и установил его роль в образовании кислот, оксидов и воды, опровергнув, тем самым, теорию флогистона.

Решение проблемы химического соединения. Применение физических методов исследования вещества открыло физическую природу химизма, которая заключается во внутренних силах, объединяющих атомы в молекулы как единую квантово-механическую систему. В результате с этого времени химия стала по-новому решать проблему химического соединения. Химическое соединение определяется как качественно определенное вещество, состоящее из одного или нескольких элементов, атомы которого за счет обменного взаимодействия (химической связи) объединены в частицу.

Свой вклад в решение проблемы химического соединения внес фран. химик Ж. Пруст, который в 1801 – 1808 гг. установил закон постоянства состава вещества: «любое химическое соединение обладает строго определенным, неизменным составом, независимо от его происхождения и способа получения».

Теоретическое обоснование закона Пруста было дано англ. Дж. Дальтоном, который открыл закон кратных отношений: «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. Согласно этому закону атомы могут замещаться на другие атомы, например:

АВ + С → АС + В

Молекулярная теория строения вещества позволила по-новому взглянуть на процессы, происходящие в газовой фазе, и дала начало новой науке – молекулярной физике.

В 1811 г. итал. ученый А. Авогадро установил, что при одинаковых физических условиях (температуре и давлении) равные объемы различных газов содержат равное число молекул (6 × 10²³ молекул).

Решение практических задач, стоящих перед химиками в настоящее время, сопряжено с синтезом новых веществ и анализом их химического состава. Поэтому проблема состава вещества остается в химии актуальной.

3. II этап (XVIII- XIX вв.) – проблемы и их решение на уровне структурной химии.

Теория строения вещества Дж. Дальтона отвечала на вопрос: «Как можно отличить истинное вещество от смесей?». Но она не давала ответа на вопросы: «Каким образом объединяются атомы в молекулы?» «Существует ли какая-то упорядоченность в расположении атомов в молекуле?» «И как это может влиять на свойства вещества?»

На эти вопросы попытался дать ответ швед. химик И. Я. Берцелиус, который предложил новую модель атома в виде электрического диполя. Он выдвинул гипотезу, согласно которой все атомы разных химических элементов обладают различной электроотрицательностью, и расположил их в своеобразный ряд по мере увеличения электроотрицательности. Он полагал, что молекула представляет собой не простое нагромождение атомов, а имеет определенную упорядоченную структуру атомов, связанных между собой электростатическими силами.

В 1840 г. фр. ученый Ш. Жерар показал, что структуры Берцелиуса справедливы не во всех случаях. Есть масса веществ, молекулы которых невозможно разложить на отдельные атомы под действием электрического тока. Именно такую систему Жерар предлагал называть молекулой. Он разработал теорию типов органических соединений.

Оставался открытым вопрос: какие же силы заставляют связываться атомы в молекулы? В 1857 г. нем. химик А. Кекуле обнародовал свои наблюдения о свойствах отдельных элементов, которые могут замещать атомы водорода в ряде соединений. Это были основополагающие положения теории валентности веществ. А. Кекуле вводит в обиход новый химический термин сродство, который обозначал количество атомов водорода, которое может заместить данный химический элемент. Число единиц сродства химического элемента ученый в последующем назвал валентностью атома. При объединении атомов в молекулу происходит замыкание свободных единиц сродства. Например:

Н- + Н- + -О- → Н – О – Н

Схемы Кекуле не всегда можно было осуществить на практике. Это происходило потому, что формульный схематизм не учитывал реакционную способность веществ, вступающих в химическое взаимодействие.

Ответы на волнующие вопросы дала теория химического строения рус. ученого А.М. Бутлерова. в своей теории, основываясь на выкладках Кекуле, он указывал на важность того, с каким «напряжением», большей или меньшей энергией, это сродство связывает вещества между собой. Другими словами, А.М. Бутлеров впервые в истории химии обратил внимание на энергетическую неравноценность разных химических связей таких как, например, одинарной, двойной или тройной в органических соединениях. Его теория указала на причины активности одних веществ и пассивности других.

А в 1869 г. рус. химик Д.И. Менделеев совершил революцию в естествознании, установив связь между химическими и физическими свойствами отдельных элементов и взаимную связь между всеми химическими элементами, открыв периодический закон и составив периодическую систему химических элементов.

Периодический закон: «свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра атома».

Основной принцип построения таблицы – это размещение элементов в порядке возрастания их атомных весов. Тем самым он дал ответ на вопрос: какова же причина периодических изменений физических и химических свойств элементов – она кроется в периодичности строения электронных оболочек атомов. Основным постулатом таблицы являлось то, что валентность химического элемента определяется числом электронов на внешней электронной оболочке.

4. III этап (XIX) – учение о химических процессах.

Успех синтеза того или иного соединения часто зависел от каких-то непредсказуемых обстоятельств. Этот факт не устраивал производителей процессами. Необходимо было научиться управлять химическими процессами. Учение о химических процессах – это область науки, в которой существует наиболее глубокое взаимопроникновение физики, химии и биологии.

В основе этого учения находится химическая термодинамика и кинетика. Каждая химическая реакция обратима и представляет собой перераспределение химических связей. На практике равновесие смещается в ту или иную сторону, в зависимости от природы реагентов и условий процесса. Какими же методами пользуются химики, чтобы управлять химическими процессами?

Методы управления химическими процессами: 1) термодинамические – это методы, влияющие на смещение химического равновесия реакции. В решение этой проблемы внес свой вклад в 1884 г. гол. химик Я. Вант-Гофф, который обосновал закон, устанавливающий зависимость направления химической реакции от изменения температуры и теплового эффекта реакции.

В этом же году фр. химик А. Ле-Шателье сформулировал принцип подвижного равновесия, при котором основными управляющими рычагами реакции выступали температура, давление и концентрация реагирующих веществ.

2. кинетические – это методы, влияющие на скорость протекания реакции. В решение этой проблемы внес свой вклад в 1812 г. рус. академик К.С. Кирхгоф, открыв явление химического катализа. Катализ – это способ проведения химической реакции, особенность которого – активация молекул реагента при их контакте с катализатором. При этом происходит как бы «расслабление» химических связей в исходном веществе, «растаскивание» его на отдельные части, которые затем легче вступают во взаимодействие друг с другом.

5. IV этап (вторая половина XX в.) – эволюционная химия.

В 1960 – 1979 гг. появился новый способ решения основных проблем химии, который получил название «эволюционная химия». В основе этого способа лежит принцип использования в процессах получения химических продуктов таких условий, которые приводят к самосовершенствованию катализаторов химических реакций, т.е. самоорганизации химических систем.

Для самоорганизации необходимы как дополнительная энергия, так и способность системы к этой самоорганизации. Наблюдая за химическими процессами, происходящими в живых клетках, химики обнаружили способность биологических систем к самоорганизации. Основная роль в этих реакциях отводится биохимическим катализаторам – ферментам. Но при вычленении их из живой материи, они становятся очень неустойчивыми, при хранении быстро портятся, теряя свою активность.

Поэтому химики долгое время работали над созданием стабильных ферментов и в результате научились получать иммобилизованные ферменты – выделяемые из живого организма и прикрепленные к твердой поверхности путем их адсорбции. Такие биокатализаторы очень стабильны и устойчивы в химических реакциях и их можно использовать многократно. Основоположником химии иммобилизованных систем является рус. химик И.В. Березин.

Одновременно с этим в 1960-х годах были отмечены случаи самосовершенствования некоторых химических катализаторов в ходе химической реакции. Почему это происходило?

Ответ на этот вопрос попыталась дать теория химической эволюции и биогенеза, предложенная в 1964 г. рус. проф. А.П. Руденко. Ее сущность – химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем. В ходе реакции происходит отбор тех каталитических центров, которые обладают наибольшей активностью. Саморазвитие систем происходит за счет постоянного поглощения катализаторами потока энергии, который выделяется в ходе самой реакции.

Химическая реакция → энергия тепла → катализатор → самосовершенствование катализатора.

Теория саморазвития открытых каталитических систем имеет ряд важных следствий:

1. общая классификация этапов химической эволюции, а на ее основе классификация катализаторов по уровню их организации;

2. принципиально новый метод изучения катализа как динамического явления, связанного с изменением катализаторов в ходе реакции;

3. конкретная характеристика пределов химической эволюции и перехода от хемогенеза к биогенезу.