Химические процессы, самоорганизация и эволюция химических систем

Способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется не только атомно-молекулярной структурой, но и условиями протекания химических реакций. К условиям протекания химических процессов относятся, прежде всего, термодинамические факторы. Они устанавливают зависимость реакций от:

1- температуры;

2- давления;

3- других условий.

Характер и скорость протекания реакций зависит от кинетических условий, которые определяются наличием катализаторов и растворителей.

Эти условия могут оказать воздействие на характер и результат ехноческой реакции только при определённой структуре молекул химических соединений. Наиболее активны в этом отношении соединения переменного состава.

Катализаторы сыграли решающую роль в процессе перехода от химическихсистем к биологическим. Химическая эволюция напрямую связана ссамоорганизацией и саморазвитием каталитических систем.

3. Базовые концепции химии

Революционный переворот в химии, давший начало химии как науки, произошел благодаря созданию кислородной теории горения французским химиком Антуаном Лораном Лавуазье (1743-1794).

После получения Шееле и Пристли кислорода, Лавуазье пришел к выводу, что именно он обеспечивает горение, и что горение есть добавление кислорода к горящему веществу1. На этом положении строится кислородная концепция горения (а затем и кислородная концепция дыхания). Прогрессивным моментом в его концепции было также то, что Лавуазье воспринял понимание элемента, данное Бойлем. Это позволило ему к установленному на то время списку элементов (к углероду, сере, фосфору и всем металлам) добавил кислород, а затем поделить химические соединения на три основные категории: кислоты – соединения кислорода с не металлами; основания – соединения кислорода с металлами; соли – сочетание кислот и оснований. Эта типология прижилась и используется в современной химии. Открыв вслед за Ломоносовым закон сохранения массы веществ при химических реакциях, Лавуазье привел химию к количественному выражению, чем превратил ее из суммы самостоятельных рецептов в общую теорию, с помощью которой можно было не только объяснять существующие явления, но и количественно предсказывать новые. Лавуазье был также одним из основателей термохимии.

Лавуазье выпустил классический курс «Начальный учебник химии», на который возлагал большие надежды и считал финалом революции в химии. Специальная комиссия Парижской академии под руководством Лавуазье утвердила название для кислорода – оксиген, водорода – гидроген и т.д. Однако ниспровержение концепции флогистона было началом, а не концом этой революции. В трактовке вопроса о природе теплоты, возникающей при горении он, не являясь атомистом, считал ее порождением особой теплотворной етерии – теплорода. Концепция теплорода также была изгнана из химии позже, а феномен теплоты объяснялся на основе атомистики.

Атомистическая концепция вещества, забытая на многие века в Западной Европе, была возрождена и развита в химии XIX в. Английским химиком и физиком Джоном Дальтоном (1766-1844). Дальтон ввел в химию понятие атомного веса и первым определил атомные веса ряда элементов, он открыл также газовые законы и описал дефект зрения (названный в его честь дальтонизмом). В 1803 г. Дальтон, исходя из идей атомистики, выводит закон кратных отношений – один из основных законов химии, утверждающий, что если два элемента образуют друг с другом более одного соединения, то массы одного элемента, приходящиеся на одну и ту же массу другого, относятся как целые числа (обычно как небольшие). В 1804 г. Дальтон подтверждает этот закон экспериментально. На этой основе он разработал представление об атомных весах (массах) и составил их первые таблицы, приняв при этом за единицу вес атома водорода (в настоящее время за атомную единицу массы принята 1/12 часть массы изотопа углерода с массовым числом, т.е. числом нуклонов в ядре, равным 12). Дальтон ввел символику для обозначения атомов химических элементов в виде кружочков с различными фигурами внутри (которая затем уступит место более совершенной символике Берцелиуса).

В развитии атомистической концепции значительная роль принадлежит французскому физику и химику Жозефу Луи Гей-Люссаку (1778-1850). Он открыл закон постоянства объемных отношений, в которых газы вступают в химическое взаимодействие: при постоянных давлении и температуре объемы реагирующих друг с другом идеальных газов, а также объемы газообразных продуктов реакции относятся как небольшие целые числа. Им же открыт закон теплового расширения газов: объем данной массы идеального газа при постоянном давлении линейно возрастает с температурой. Гей-Люссак также доказал, что хлор, йод, калий и натрий являются химическими элементами, получил синильную кислоту, построил первые диаграммы растворимости и т.д.

В 1811 г. Амедео Авогадро выдвинул молекулярную гипотезу строения вещества и установил один из газовых законов, суть которого заключается в том, что в равных объемах идеальных газов при одинаковых давлениях и температурах содержится одинаковое число молекул. (В 1814 г. И Андре Мари Ампер стал атомы называть молекулами). Химики введение представления о молекуле встретили скептически.

Особенно значительная роль в развитии атомистической концепции принадлежит шведу Йенсу Якобу Берцелиусу, подтвердившему закон кратных отношений Дальтона и распространившим его на органические соединения. Он опубликовал таблицу атомных весов 46 элементов, которая была более точной по сравнению с дальтоновской, ввел новую химическую символику, заключавшуюся в том, что в качестве химических символов использовались одна или две буквы латинских названий химических элементов. Основываясь на данных о существовании связи между электрическими и ехноческими процессами (данные электрохимии), Берцелиус высказал идею, согласно которой химическое взаимодействие обусловлено действием электрических сил, т.е. все химические реакции сводятся к взаимодействию электрических зарядов атомов. При этом он исходил из того, что в любой группировке атомов имеются два полюса. Берцелиус данную концепцию распространял на органическую химию – на теорию радикалов, согласно которой органические соединения включают в себя две части, причем одна часть является радикалом, т.е. группой атомов, поведение которой подобно поведению отдельного атома и может без изменений переходить из одного химического соединения в другое.

В химии XIX в. Атомистическая концепция Берцелиуса заняла господствующее положение.

В первой четверти XIX в. Химики проникают в тайны структуры органического вещества и появляется органическая химия. До этого времени даже такие крупные химики, как Берцелиус, считали, что между органическими и минеральными веществами нет ничего общего и что они образуются лишь в растениях и животных на основе особой «жизненной силы», что между ними – непреодолимая стена. Когда Фридрих Вёлер, намереваясь выделить из раствора циановой кислоты кристаллический цианид аммония, получил мочевину, являющуюся конечным продуктом белкового обмена у большинства позвоночных животных и человека, образующийся в печени и выводимый с мочой, это нанесло удар по старым представлениям об органическом веществе. А французу Марселену Бертло 1827-1907) удалось довершить их разгром, синтезировав некоторые органические вещества (ацетилена и др.). Потребности производства разнообразных искусственных и синтетических материалов дали мощный толчок развитию исследований в области органического синтеза.

Развитие органической химии в XX веке характеризуется крупными теоретическими успехами в установлении природы химической связи, структуры молекул и механизмов химических превращений на основе теории строения, стереохимической теории, атомной физики, квантовой механики.

 

Рисунок 1. Схема ковалентной связи

 

 

Химические свойства элементов определяются строением их атомов, а точнее – наружных электронных оболочек их атомов (одной или двух). Именно на их уровне устанавливаются связи между атомами и молекулами. Они представляют собой взаимодействие электрических зарядов атомов, возникающих из-за перемещений электронов, расположенных на внешних орбитах и менее тесно связанных с ядром – валентных электронов. Наиболее устойчивыми являются электронные оболочки, состоящие из восьми (как у аргона, неона и других инертных газов), двух (гелий) или восемнадцати электронов. Каждый элемент «стремится» создать устойчивую внешнюю оболочку и при приближении другого элемента с такими же «намерениями» вступает с ним в химическую реакцию. В этой реакции он либо отдает «лишние» электроны, либо притягивает к себе недостающие для устойчивости. Проделать это он может тремя способами, поэтому химики выделяют три вида химической связи: ковалентную, ионную и металлическую. Ковалентной называется связь, которая осуществляется электронами, в одинаковой мере принадлежащими обоим атомам; ионной – связь за счет притяжения разнозаряженных ионов, возникающих как следствие полного смещения электронной пары к одному из атомов. Металлическая – связь между положительными ионами в кристаллах атомов металлов, образующаяся за счет притяжения электронов, но перемещающаяся по кристаллу в свободном виде [3. С. 162]. Прочность химической связи определяется ее энергией.

 

+ -

 

Рисунок 2. Схема ионной связи

 

 

Чрезвычайно важное значение для понимания строения вещества имело создание классификации химических элементов великим русским ехноком Дмитрием Ивановичем Менделеевым (1834-1907). Размышляя над планом изложения курса «Основы химии», Д. И. Менделеев обратил внимание на то, что при расположении всех известных элементов в порядке возрастания атомных весов оказывается возможным выделение химически сходных элементов. Оттолкнувшись от этой идеи, в 1869-1871 гг. он изложил основы своего учения о периодичности, сформулировал периодический закон и разработал периодическую систему химических элементов.

 

Составленная Менделеевым периодическая таблица элементов заставила ученых-естествоиспытателей по-новому взглянуть на строение материи, увидеть, что она состоит не из неизменных атомов, а из сравнительно непостоянных соединений небольшого числа элементарных частиц, которые сами подвержены изменениям и преобразованиям. Периодическая таблица позволяла предсказывать существование и свойства еще не открытых элементов. Так, Менделеев предсказал существование нескольких элементов: «экаалюминия», «экабора», «экасилиция», которые и были вскоре открыты (названы соответственно галлием, скандием, германием и помещены на указанные Менделеевым места в периодической таблице). Это подтвердило фундаментальность открытого Менделеевым закона и способствовало признанию и развитию концепции периодичности. Эта концепция позволила выявить внутреннюю структуру атомов и установить закономерности их поведения.

Периодический закон Д. И. Менделеева в современной химии формулируется следующим образом: свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда их атомных ядер, числено равных порядковым номерам элементов в периодической таблице.

XX век – век бурного развития и исследований во всех областях химии. Знания прирастают не только количественно, но и качественно: число известных химических элементов превысило сотню, а число известных неорганических соединений насчитывает сотни тысяч; все меньше тайн в строении химического вещества и механизмов химических процессов. Применение полученного знания в производстве позволяет достигать высокой степени чистоты химических соединений и веществ за счет новых эффективных методов разделения. Постоянно возрастающая связь исследований с потребностями практики обусловила совершенствование производства минеральных кислот, щелочей, минеральных удобрений, сплавов металлов, полимеров, полупроводников, синтетических материалов и т.д.

1 В истории химии существует полемика о приоритете открытия кислорода. Поскольку получившие кислород сначала Шееле, а затем Пристли не идентифицировали его как таковой, то приоритет открытия кислорода отдается Лавуазье, идентифицировавшего открытое им вещество как кислород.

Оглавление

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: