Зарипова Концепции

Атом – это квантовомеханическая система, образованная в результате электромагнитного взаимодействия электронов и ядра . Атомы можно упорядочить, например, как это показано ниже.

Водород Z=1, 1 электрон

Гелий Z=2, 2 электрона - заполненная оболочка, инертный газ

Литий Z=3, 3 электрона, из них 2 электрона на первой оболочке, 1 электрон на второй (внешней) оболочке, активный металл.

ВХIX веке гений Менделеева позволил расположить 62 известных к тому времени элемента в виде периодической таблицы, т.е. основоположником системного подхода в химии является Д.И.Менделеев.

Систематизирующий фактор, который был взят за основу Д.И. Менделеевым при разработке им периодической системы химических элементов, – это атомная масса.

Периодический закон Д.И.Менделеева был сформулирован в следующем виде: «Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов».

Всовременном представлении закон звучит так: «Строение и свойства элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра атома и определяются периодически повторяющимися однотипными электронными конфигурациями их атомов».

Середина 1990 годов - открыто 109 элементов (были открыты тяжелые трансурановые элементы, которые живут очень короткое время. Названия этим элементам даются в честь великих ученых: 102 элемент - нобелий, 103 - лоуренсий, 104 - курчатовий, 105 - жолиотий, 106 - резерфордий, 107 - борий, 108 - ганий, 109 - мейтнерий). В 1999г. - открытие 114 элемента. На сегодня известно 118 элементов.

Только с появлением квантовой механики и, в особенности, принципа запрета Паули стал понятен истинный смысл расположения элементов в периодической таблице. Принцип Паули: В атоме не может быть электронов, у которых все квантовые числа равны. Это связано с тождественностью частиц. В атоме не может быть двух электронов в одинаковых энергетических состояниях.

Сегодня мы смотрим на периодическую таблицу с точки зрения того, как электроны заполняют электронные слои в атоме. Химические свойства атома (то есть то, какого рода связи будут образованы с другими атомами) определяются числом электронов

внаружном слое. Так, у водорода и лития только по одному внешнему электрону, поэтому

вхимических реакциях они ведут себя похоже. В свою очередь, гелий и неон оба имеют заполненные внешние оболочки, и тоже ведут себя похоже, но совершенно не так, как водород и литий.

Химические элементы вплоть до урана (содержит 92 протона и 92 электрона) встречаются в природе. Начиная с номера 93 идут искусственные элементы, созданные в лаборатории. Пока самый большой заявленный учеными номер — 118. Сколько всего может быть элементов? - некоторые оценки дают цифру - 184.

От элементов перейдем к химическим соединениям.

Химическое соединение - это качественно определенное вещество, состоящее из атомов одного или нескольких сортов, которые объединены в частицы - молекулы, комплексы, кристаллы или иные агрегаты. Химическое соединение может быть простым и

61

сложным.

Рис. 6.3. Периодическая система элементов Молекулой называют наименьшую частицу вещества, которая определяет его

свойства и может существовать самостоятельно; под структурой подразумевают упорядоченную связь и взаимодействие между элементами системы, благодаря которой и возникают новые целостные ее свойства. В такой химической системе, как молекула, именно специфический характер взаимодействия составляющих ее атомов определяет свойства молекулы. Под химической связью понимается результат взаимодействия между атомами, выражающийся в создании определенной конфигурации атомов, отличающий один тип молекулы от другого. Химические связи порождают взаимодействие электронных оболочек атомов. Если атомные конфигурации подходят друг к другу, возникает одна округлая структура, несколько большая, чем до этого был каждый атом в отдельности. Так получается насыщенная молекула, и присоединить к ней еще какой-то атом почти невозможно, т. е. химические связи отличаются насыщенностью. С введением понятия валентности ею стали объяснять строение и химические свойства молекул. Наиболее распространены четыре вида химических связей: ионная, ковалентная, металлическая и водородная. Химическая связь, осуществляемая за счет образования общих для взаимодействующих атомов электронных пар, называется ковалентной связью. Химическая связь, в основе которой лежит электростатическое взаимодействие ионов,

62

называется ионной. Химическая связь, основанная на обобществлении валентных электронов всех атомов в кристалле, называется металлической. Химическая связь, обусловленная взаимодействием полярных молекул, одной из которых является водород, называется водородной. Химические связи можно рассматривать с точки зрения превращения энергии: если при создании молекулы ее энергия меньше, чем сумма энергий составляющих ее изолированных атомов, то она может существовать, т. е. ее связь устойчива.

1.Ионная связь

2.Ковалентная связь

3. Металлическая связь

4. Водородная связь

Рис. 6.4. Виды химических связей Основные положения атомно-молекулярного учения заключаются в следующем:

63

1.Вещества состоят из молекул; молекулы различных веществ отличаются между собой химическим составом, размерами, физическими и химическими свойствами.

2.Молекулы находятся в непрерывном движении; между ними существует взаимное притяжение и отталкивание. Скорость движения молекул зависит от агрегатного состояния веществ.

3.При физических явлениях состав молекул остается неизменным, при химических

— они претерпевают качественные и количественные изменения и из одних молекул образуются другие.

4.Молекулы состоят из атомов. Атомы характеризуются определенными размерами и массой. Свойства атомов одного и того же элемента одинаковы и отличаются от свойств атомов других элементов.

Масса атома, выраженная в атомных единицах массы (а.е.м.), называется относительной атомной массой. 1 а.е.м. = = 1,667 10-27кг.

Соединение может быть образовано и из атомов одного химического элемента — простое вещество. Сложное вещество образовано из атомов различной природы, т. е. в состав молекулы сложных веществ входят различные элементы. Вода образована атомами водорода и кислорода, а вещество кислород только из молекул одного элемента — кислорода. Но один элемент кислород образует два аллотропных видоизменения простых веществ кислород и озон, которые отличаются строением, структурой, физическими и химическими свойствами.

Структура вещества и его свойства

Характер любого химического соединения зависит не только от качественного и количественного состава, но и от взаимного влияния атомов и строения молекулы — мельчайшей химической системы.

Вещества, имеющие одинаковую молекулярную формулу, называют изомерами, а само явление — изомерией. Формулу С4Н8O имеет 21 вещество. Долгое время вплоть до XVIII в. химики не делали различия и между минеральными и органическими веществами. Именно явление изомерии заставляет, не довольствуясь установлением молекулярной формулы, идти дальше, выясняя детали внутреннего строения молекул органических веществ, структуру соединения. Дальнейшее развитие теория строения находит в трудах русского ученого А. М. Бутлерова. Атомы в органических молекулах связаны друг с другом в определенном порядке химическими силами (силами валентности). Теория Бутлерова указывала на распределение действия химических сил сродства, на причины активности одних веществ и пассивности других. Более того, она указывала на наличие активных центров и активных группировок в структуре молекулы.

Теория химического строения Бутлерова нашла физические обоснования в квантовой механике. Сегодня под структурой молекул мы понимаем и пространственную, и энергетическую упорядоченность квантово-механической системы, состоящей из атомных ядер и электронов и обладающей единой молекулярной орбиталью. Вообще же понятию "структура" в химии можно дать единое определение: структура — это устойчивая упорядоченность качественно неизменной системы, каковой является молекула. Воззрения Кекуле и Бутлерова превратили химию из науки аналитической, занимающейся изучением состава готовых веществ, в науку преимущественно синтетическую,

64

способную создавать новые вещества и новые материалы. Пространственная структура расположения атомов в молекуле, особенно в органической химии, определяет свойства веществ и особенности химических реакций.

В определении строения молекулы как единой целостной системы все больше стали применять различные физико-химические методы, основанные на законах квантовой механики. К таковым относятся: рефрактометрия, спектроскопия, спектральный ядерный магнитный резонанс (ЯМР), электронный парамагнитный резонанс (ЭПР). В настоящее время разработаны методы исследования структуры и свойств химических волокон и пленок акустическим методом.

Пять основных состояния вещества: плазменное, газообразное, жидкое, твердое и конденсат. Конденсат - новое состояние вещества при сверхнизких температурах - меньше

0.1 К (!!!).

Посмотрим, как структура (расположение атомов в пространстве) химического соединения кардинальным образом меняет свойства материала. Рассмотрим простой одноатомный материал - углерод.

1.Сажа - аморфный углерод в виде порошка, электрический изолятор.

2.Графит - мягкий кристаллический материал.

Графит очень хороший проводник электричества 3. Алмаз - самый твердый кристаллический материал.

4. Фуллерены - новый тип углерода.

65

За открытие новой формы многоатомных молекул – фуллеренов (С 60 и С 70 ) в виде шаров англ.уч. Гарольд Крото и американские ученые Роберт Керл и Ричард Смели в 1996 году удостоены Нобелевской премии.

5. Графитовые нанотрубки (тубелены) - новый тип углерода.

Рис. 6.5. Пространственные структуры разных типов углерода

Структурная химия органических и неорганических соединений особенно успешно развивалась в 60-80-е годы ХХ века.

Химические процессы

Химический процесс (от лат. processus — продвижение) представляет собой последовательную смену состояний вещества, тесную связь следующих друг за другом стадий развития, представляющую непрерывное, единое движение. Учение о химических процессах — это область науки, в которой существует наиболее глубокое взаимопроникновение физики, химии и биологии. Химические процессы подразделяются на: гомо- и гетерогенные (в зависимости от агрегатного состояния реагирующих систем), экзо- и эндотермические (в зависимости от количества выделяющейся и поглощаемой теплоты), окислительные, восстановительные (в зависимости от отношения к кислороду) и др.

Все процессы, которые протекают вокруг нас, можно объединить в три большие группы.

1.Самопроизвольные процессы, которые можно использовать для получения энергии или совершения работы. Условиями протекания самопроизвольных процессов или законами термодинамики, характеризуемыми их, являются: а) в изолированной системе, т. е. в системе, для которой исключен любой материальный или

66

энергетический обмен с окружающей средой, сумма всех видов энергии есть величина постоянная; б) изменение энтальпии (тепловой эффект процесса, АН) зависит только от вида и состояния исходных веществ и продуктов и не зависит от пути перехода. Он носит название закона Гесса и сформулирован им в 1840 г.

2.Процессы, для осуществления которых требуется затрата энергии или совершение работы.

3.Самоорганизация химической системы, т. е. самопроизвольный процесс, проходящий без изменения энергетического запаса системы, совершается только в направлении, при котором порядок в системе увеличивается, т. е. где энтропия уменьшается.

Способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется не только их атомно-молекулярной структурой, но и условиями протекания химических реакций. Процесс превращения одних веществ в другие называется химической реакцией.

К условиям протекания химических процессов относятся прежде всего термодинамические факторы, характеризующие зависимость реакций от температуры, давления и некоторых других условий. На скорость химической реакции также влияют следующие условия и параметры:

1.природа реагирующих веществ (например, щелочные металлы растворяются в воде с образованием щелочей и выделением водорода и реакция протекает при обычных условиях моментально, а цинк, железо и другие реагируют медленно и с образованием оксидов, а благородные металлы не реагируют вообще);

2.температура. При повышении температуры на каждые 10 °С скорость реакции увеличивается в 2-4 раза (правило Вант-Гоффа). Со многими веществами кислород начинает реагировать с заметной скоростью уже при обыкновенной температуре (медленное окисление). При повышении температуры начинается бурная реакция (горение);

3.концентрация. Для веществ в растворенном состоянии и газов скорость химических реакций зависит от концентрации реагирующих веществ. Горение веществ в чистом кислороде происходит интенсивнее, чем в воздухе, где концентрация кислорода почти в 5 раз меньше. Здесь справедлив закон действующих масс: при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ;

5)площадь поверхности реагирования. Для веществ в твердом состоянии скорость прямо пропорциональна поверхности реагирующих веществ. Железо и сера в твердом состоянии реагируют достаточно быстро лишь при предварительном измельчении и перемешивании: горение хвороста и полена;

6)катализатор. Скорость реакции зависит от катализаторов, веществ которые ускоряют химические реакции, но сами при этом не расходуются. Разложение бертолетовой соли и пероксида водорода ускоряется в присутствии оксида марганца (IV) и др.

Для вступления в химическую реакцию необходимо преодолеть некоторый энергетический барьер, соответствующий энергии активации, возможность накопления которой сильно зависит от температуры. Многие реакции долгое время не могут закончиться. В таком случае говорят, что реакция достигла химического равновесия.

67

Химическая система находится в состоянии равновесия, если выполняются следующие три условия:

1)в системе не происходит энергетических изменений ( Н = 0);

2)не происходит изменений степени беспорядка (, S = 0);

3)не изменяется изобарный потенциал ( J = 0).

Вант-Тофф, используя термодинамический подход, классифицировал химические реакции, а также сформулировал основные положения химической кинетики. Скорость

химических реакций, их механизм и условия протекания изучает химическая кинетика. Закон действующих масс в химической кинетике выражает зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ. Правило Вант-Гоффа в химической кинетике выражает влияние температуры на скорость реакции. Увеличение температуры приводит к значительному увеличению скорости химической реакции, поскольку растет скорость движения реагирующих молекул и их энергия.

Ле Шателье сформулировал закон смещения химического равновесия в химических реакциях под влиянием внешних факторов — температуры, давления и др. Согласно принципу Ле Шателье, если на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, оказывается внешнее воздействие (изменяется температура, давление или концентрация), то положение равновесия химической реакции смещается в ту сторону, которая ослабляет данное воздействие.

Химические реакции классифицируют по изменению качества исходных веществ и продуктов реакции на следующие виды:

реакции соединения — реакции, при которых из нескольких веществ образуется одно вещество, более сложное, чем исходные;

реакции разложения — реакции, при которых из одного сложного вещества образуется несколько веществ;

реакции замещения — реакции, при которых атомы одного элемента замещают атом другого элемента в сложном веществе и при этом образуются два новых — простое и сложное;

реакции обмена — реакции, при которых реагирующие вещества обмениваются своими составными частями, в результате чего из двух сложных веществ образуются два новых сложных вещества.

По тепловому эффекту химические реакции можно подразделить на экзотермические — с выделением теплоты и эндотермические — с поглощением теплоты. С учетом явления катализа реакции могут быть каталитические — с применением катализаторов и некаталитические — без применения катализаторов. По признаку обратимости реакции делят на обратимые и необратимые.

В. Оствальд, исследуя условия химического равновесия, пришел к открытию явления катализа. Оказалось, что в большой степени характер и особенно скорость реакций зависят от кинетических условий, которые определяются наличием катализаторов и других добавок к реагентам, а также влиянием растворителей, стенок реактора и иных условий. Явление катализа — селективного ускорения химических процессов в присутствии веществ (катализаторов), которые принимают участие в промежуточных процессах, но регенерируются в конце реакции, широко используется в промышленности,

68

например фиксация азота и водорода, контактный способ производства серной кислоты и многие другие. Особенно велика роль катализа в органическом синтезе. Крупнейшим успехом в этом направлении надо признать получение искусственного синтетического каучука из этилового спирта, осуществленное советским академиком С. В. Лебедевым в 20-х годах XX века. Ферменты, или биокатализаторы, играют исключительную роль в биологических процессах и технологии веществ растительного и животного происхождения, а также в медицине. В настоящее время известно свыше 750 ферментов, и их число ежегодно увеличивается. Ферменты являются бифункциональными и полифункциональными катализаторами, так как здесь имеет место согласованное воздействие двух или нескольких групп катализаторов различной природы в составе активного центра фермента на поляризацию определенных связей субстрата. Эта же концепция лежит в основе каталитического действия фермента и теории кинетики действия ферментов. Главное отличие ферментов от других катализаторов заключается в исключительно высокой активности и ярко выраженной специфичности.

Эволюция химических систем и перспективы химии

Под эволюцией химической системы понимают самопроизвольный синтез новых химических соединений, являющихся более сложными и более высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами. Химики сегодня пришли к выводу, что, используя те же принципы, на которых построена химия организмов, в будущем можно будет построить принципиально новую химию, новое управление химическими процессами, где начнут применять принципы синтеза себе подобных молекул. По принципу ферментов будут созданы катализаторы такой степени специфичности, что далеко превзойдут существующие в нашей промышленности. Хотя химия в настоящее время еще далека от решения этих проблем, но намечены следующие пути решения этой задачи:

1)Развитие исследований в области металлокомплексного катализа с постоянной ориентацией на соответствующие объекты живой природы. Сегодня металлокомплексный катализ постепенно обогащается такими приемами, которыми пользуются живые организмы в ферментативных реакциях, а также приемами классического гетерогенного катализа.

2)Освоение каталитического опыта живой природы, заключающегося в определенных успехах моделирования биокатализаторов. Для решения проблемы освоения каталитического опыта живой природы необходимо изучение законов химической эволюции и происхождения жизни.

3)Использование достижений иммобилизованных систем. Сущность иммобилизации состоит в закреплении выделенных из живого организма ферментов на твердой поверхности путем адсорбции, которая превращает последние в гетерогенный катализатор и обеспечивает его стабильность и непрерывное действие, т. е. осуществляется биоорганический катализ.

4)Развитие исследований, ориентированных на применение принципов биокатализа в химии и химической технологии. Характеризуется изучением и освоением всего каталитического опыта живой природы, в том числе и опыта формирования самого

69

фермента, клетки и даже организма, т. е. это пролог к принципиально новой химической технологии, способной стать аналогом живых систем.

Новая эволюционная химия - подражание живой природе. Например, по принципу ферментов будут созданы катализаторы, намного эффективнее имеющихся, или построены преобразователи (с большим КПД) солнечного света в химическую и электрическую энергию, как это делают живые организмы. Эта новая химия уже теперь становится способной решать такие задачи, для реализации которых до сих пор еще не было предпосылок.

В частности, в области тяжелого органического синтеза это задачи: а) значительного ускорения химических превращений в мягких условиях за счет объединения в катализаторах будущего достоинств гетерогенного, гомогенного и металлоэнзимного катализа; б) достижение близкой к 100% селективности процессов; в)

осуществление новых важных энергетически затрудненных процессов за счет сопряжения эндо- и экзотермических реакций; г) существенной экономии углеводородного сырья и перехода от нефти к углю как более распространенному сырьевому источнику. Химия теперь имеет реальные предпосылки и для решения таких общих задач, как: а) моделирование и интенсификация фотосинтеза; б) фотолиз воды с получением водорода как самого высокоэффективного топлива; в) промышленный синтез широкого спектра органических продуктов, и в первую очередь метанола, этанола, формальдегида и муравьиной кислоты, на основе углекислого газа; г) промышленный синтез многочисленных фторматериалов.

Все это является залогом успешного претворения в жизнь задач по созданию малоотходных, безотходных и энергосберегающих промышленных процессов, рачительного использования каждого килограмма сырья и каждого киловатта энергии для производства необходимых материалов.

Заключение

1)Состав, структуру вещества и закономерности их взаимопревращений изучают химия, которая является одним из разделов естествознания.

2)Основой химической науки является атомно-молекулярное учение, закон сохранения материи, периодический закон, теория строения вещества, учение о химическом процессе.

3)Вещество состоит из молекул, а молекулы из атомов. Атомы в молекулах удерживаются химическими связями. Химические связи отличаются насыщаемостью. Валентность атомов определяет характер строения и химические свойства молекул.

4)Структура вещества, под которой понимают упорядоченную связь и взаимодействие между элементами системы, определяет целостные ее свойства.

5)К условиям протекания химических процессов относятся прежде всего термодинамические факторы, характеризующие зависимость реакций от температуры, давления и некоторых других условий. В еще большей степени характер и особенно скорость реакций зависят от кинетических условий, которые определяются наличием катализаторов и других добавок к реагентам, а также влиянием растворителей, стенок реактора и иных условий.

70