Учение о химических процессах

 

Химические реакции – в заимодействие между атомами и молекулами, при­водящее к образованию новых веществ, отличных от исходных по химическому составу или строению.

Химическое взаимодействие, как правило, сопровождается тепловым эффектом. Процессы, протекающие с выделением теплоты, называются экзотермическими, а идущие с поглощением теплоты – эндотермическими.

Химические реакции в отличие от ядерных не изменяют ни общего числа ато­мов в системе, ни изотопного состава элементов.

Скорость химической реакции зависит от концентрации реагентов, температуры, свойств среды, катализаторов и др. факторов.

Зависимость скорости химической реакции от температуры выражается правилом Вант-Гоффа: при повышении температуры на 10°С скорость большинства реакций возрастает в 2–4 раза.

Если реакция обратима, т.е. может протекать как в прямом, так и обратном направлениях, то с течением времени скорость обратной реакции будет возрастать, когда скорости прямой и обратной реакции становятся одинаковыми, наступает состояние химического равновесия. При изменении условий протекания реакции (температуры, давления, концентрации участвующих в реакции веществ), скорости прямого и обратного процессов изменяются неодинаково, и хими­ческое равновесие нарушается.

Направление смещения равновесия подчиняется принципу Ле Шателье: при всяком внешнем воздействии на систему, находящуюся в состоянии хими­ческого равновесия, в ней протекают процессы, приводящие к уменьшению этого воздействия. Так, повышение температуры приводит к смещению равновесия в направлении реакции, сопровождающейся поглощением теплоты, т.е. охлаждением системы.

Скорость химической реакции возрастает в присутствии катализатора. Вещества, ускоряющие реакцию – катализаторы; замедляющие – ингибиторы. В результате реакции катализатор остается в химически неизменном состоянии и не расходуется.

Нередко один из продуктов реакции служит катализатором, ускоряющим эту реакцию. Пример автокаталитического процесса – реакция Белоусова-Жиботинского – окис­ления лимонной кислоты смесью бромата калия КВrО₃ и сульфата церия Се(SО₄)₂: ионы церия Се⁴⁺ синего цвета восстанавливаются до ионов церия Се³⁺ красного цвета, а затем, когда свободный ион брома расходуется (выступает как ингибитор окисления церия), проте­кает обратная реакция окисления: Се³⁺ → Се⁴⁺. В результате возникает система, которая с идеальной периодичностью изменяет свой цвет с синего на красный и наоборот. Эти колебания можно рассматривать как хими­ческие часы, а саму систему как самоорганизующуюся. Начиная с некоторого момента возникают неоднородности концентрации и образуются устойчивые красные и синие слои.

 

5.5. Неорганические и органические соединения

 

Из 112 достоверно известных к настоящему времени химических элементов 22 относятся к неметаллам (C , S , N , Cl и др.), большинство же элементов – металлы (Na , Fe , Cu , Au и др.). Химические элементы образуют около 1 млн. неорганических и свыше 20 млн. органических веществ. Ежегодно в лабораториях синтезируется 200–250 тыс. новых соединений.

Неорганические соединения

Неорганическая химия изучает свойств и превращения неорганических (минеральных) соединений.

Все вещества делятся на простые и сложные. Простое вещество представляет собой гомоатомное (из атомов одного элемента) химическое соединение (С, O₂, N₂, Na).

Сложные вещества состоят из двух или более элементов (H₂O, Н₂SO₄) и по составу разделяются на бинарные (двухатомные) и многоэлементные соединения.

Все простые вещества подразделяются на металлы и неметаллы. Металлы и неметаллы различаются по физическим свойствам, которые проявляются у соответствующих простых веществ. Для металлов характерны высокая тепло- и электрическая проводимость, специфический металлический блеск, ковкость, пластичность и т.п. Физические свойства неметаллов существенно отличаются: они хрупкие, обладают низкой тепло- и электрической проводимостью и т.п. Различия между металлами и неметаллами проявляются в их химических свойствах: для металлов характерны оснóвные свойства оксидов и гидроксидов, восстановительное действие; для неметаллов – кислотный характер оксидов и гидроксидов, окислительная активность. Деление химических элементов на металлы и неметаллы относительно, т. к. существуют амфотерные элементы.

К важнейшим неорганическим веществам относятся соединения элементов с кислородом (оксиды), галогенами (галогениды или галиды), азотом (нитриды), углеродом (карбиды), основания, кислоты, соли и др.

Основания – сложные вещества, в состав которых входят атомы металла и гидроксогруппы OH ^–. Щелочи – растворимые основания: NaOH – гидроксид натрия, KOH – гидроксид калия, С a ( OH )₂ – гиброксид кальция; нерастворимые основания: Zn ( OH )₂ – гидроксид цинка, Fe ( OH )₃ – гидроксид железа (III) и др.

Кислоты – сложные вещества, в состав которых входят ионы водорода Н⁺, способные замещаться на металл, и кислотный остаток. Сильные кислоты: Н₂ SO ₄ – серная кислота, НС l – хлороводородная (соляная) кислота, Н NO ₃ – азотная кислота; кислоты средней силы: Н F – фтороводородная (плавиковая) кислота, H ₃ PO ₄ – фосфорная кислота, Н₂ SO ₃ – сернистая кислота; слабые кислоты: Н₂ S – сероводородная кислота, Н₂СО₃ – угольная кислота, H ₂ SiO ₃ – кремниевая, Н NO ₂ – азотистая кислота и др.

Соли – соединения, образующие при диссоциации в водном растворе положительно заряженные ионы металлов и отрицательно заряженные ионы кислотных остатков, а иногда, кроме них, ионы водорода Н⁺ и гидроксид-ионы ОН^–. Например, NaCl – хлорид натрия (поваренная соль), СаСО₃ карбонат кальция (мел), NaH СО₃ – гидрокарбонат натрия (пищевая сода) и др.

Органические соединения

Органическая химия – химия соединений угле­рода (А.М. Бутлеров). Помимо атомов углерода в состав органических со­единений входят Н, О, N, S, Р, F, Сl, Вr, I и другие химичес­кие элементы.

Алканы – предельные (насыщенные) углеводоро­ды, все свободные валентности атомов углерода заняты (полностью «насыщены») атомами водорода: СН₄ – метан (основа природного газа), С₂Н₆ – этан, С₃Н₈ – пропан, С₈Н₁₈ – октан (основа бензина).

Алкены – непредельные углеводороды, молекулы ко­торых содержат одну двойную связь: СН₂=СН₂ – этилен (из него синтезируют эти­ловый спирт, полиэтилен, полистирол.

Алкины – непредельные углеводороды, молекулы которых содержат одну тройную связь: НС≡СН – ацетилен (из него синтезируют синтетический каучук и др. вещества, используют для сварки).

Ароматические углеводороды (арены) – вещества, в молекулах которых содержится одно или несколько бензольных колец – циклических групп атомов углерода с особым характером связей: С_бН₆ – бензол (важнейшее сырье для синтеза фенолформальдегидных смол, красителей, полистирола и многих др. важных продуктов).

Спирты (алкоголи) – производные углеводородов, в которых один или несколько атомов водорода замещены на гидроксильную группу ОН. Важнейшие представители: CH ₃ OH – метиловый спирт или метанол (в промышленных масштабах используется для получения фенолформальдегидных смол, в качестве растворителя органических веществ; яд! – токсичен в любых дозах), С₂Н₅ОН – этиловый спирт или этанол (исходное вещество для получения многих органически соединений, используется в качестве растворителя, как дезинфицирующее средство, для изготовления лекарств и др.), глицерин (широко применяется в пищевой промышленности, фармации, производстве лекарств и взрывчатых веществ).

Карбонильные соединения (оксосоединения) – о рганические соединения, в молекуле которых имеется карбо­нильная группа С=О, их делятся на две родственные группы – аль­дегиды и кетоны: СН₂О – формальдегид (применяется в качестве дезинфицирующего средства для обработки зерно- и овощехранилищ, для протравли­вания семян, для консервации анатомических препара­тов; получают фенолформальдегидные смолы и формалин); ацетон (используют как растворитель лаков, красок, в производстве ацетатного волокна, бездымного пороха).

Карбоновые кислоты – соединения, содержащие карбоксильную группу –СООН. Важнейшие кислоты. НСООН – муравьиная кислота (применяется в фармацевтической и пищевой промышлен­ности); СН₃СООН – уксусная кислота (используют для производства искусственных волокон на основе целлюлозы и в пищевой промышленности); С₆Н₅СООН – бензойная кислота (применяют в фармацевтической промышленности для синтеза душистых веществ и красителей, а также в качестве консерванта для пищевых продуктов), С₁₇Н₃₅СООН – стеариновая кислота (основа твердых животных жиров).

Углеводы (сахара) – это природные органические соединения, имеющие общую формулу С _m (Н₂О) _n. Моносахариды: С₆Н₁₂О₆ – глюкоза и фруктоза (энергетическая функция в живых организмах); олигосахариды: С₁₂Н₂₂О₁₁ – сахароза (главный источник углеводов в пище человека), мальтоза, лактоза; полисахариды: (С₆Н₁₀О₅) _n – крахмал (запасной сахар растений), целлюлоза (основное вещество растительных кле­ток), хитин (основа наружного скелета членистоногих), гликоген (запасной сахар животных).

Белки – природные полипептиды с высокими значениями молекулярной массы, состоящие из аминокислот. В составе белков 20 аминокислот. Белки входят в состав всех живых организмов и выполняют разнообразные биоло­гические функции (строительную, ферментативную, транспортную, защитную, рецепторную и др.).

Нуклеиновые кислоты – природные высокомолекулярные соединения (полинуклеотиды), которые играют огромную роль в хранении и передаче наследственной информации в живых организ­мах: ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота (главная молекула в живом организме, хранит гене­тическую информацию и передает от одного поколения к другому), РНК – рибонуклеиновая кислота (посредника между ДНК и местом синтеза белка).

Полимеры – соединения с большой молекулярной массой, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся фрагментов. Пластмассы (полиэтилен, полипропилен, полистирол, фенолформальдегидные смолы и др.), волокна (лавсан, найлон и др.), каучуки и соединения на их основе (резина).

 

5.6. Каталитическая и эволюционная химия

Большинство химических эле­ментов принимают участие в жизнедеятель­ности организмов. Однако основу живых систем составляют 4 элемента (98%) – углерод, водород, кислород, азот – макроэлементы.

Распределение элементов в земной коре и в живом организме:

 

Элементы земной коры, %		Элементы организма человека, %
О	47	Н	63
Si	28	О	5,5
Аl	7,9	С	9,5
Fe	4,5	N	1,4

 

Химическая эволюция среди огромного количества соединений для построения живых организмов отобрала лишь несколько сотен. Так, в состав белков входит только 20 аминокислот, всего четыре нуклеотида участвуют в построении ДНК и РНК, ответственных за наследственность и регуляцию белково­го синтеза в любых живых организмах. В ходе эволюции отбирались те структуры, которые способствовали резкому повышению активности и селек­тивности действия каталитических групп.

В основе химических процессов клетки лежит биокатализ, основанный на способности различных природных ве­ществ, участвующих в химических реакциях, управлять ими, замедляя или ускоряя их протекание.

Ферменты (энзимы) – белки, обладающие ка­талитической активностью.

В 1964 г. проф. А.П. Руденко представил теорию самоорганизации элементарных открытых каталитических систем, в последствии ставшая основой общей теории химической эво­люции и биогенеза, раскрывающая многие важные эволюционные вопросы. Химичес­кая эволюция представляет собой саморазвитие катали­тических систем. Теория саморазвития открытых каталитических сис­тем дает возможность определить рубеж перехода неживого в живое.

 

Литература: 1–3, 5–9.

 

 

Лекция 6. ВСЕЛЕННАЯ . ЗВЕЗДЫ. ЗЕМЛЯ

6.1. Масштабы и строение Вселенной

Астрономия – наука о строении и развитии космических тел, образуемых ими систем и Вселенной в целом.

Свойства, строение и динамику Вселенной изучает космология. Происхождение, развитие космических тел и их систем – космогония.

Вселенная – весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и беско­нечно разнообразный по формам.

Метагалактика – часть Вселенной, охваченная астрономическими наблюдениями.

В состав Ме­тагалактики входят наша Галактика, которую мы видим в виде Млечного Пути, и другие галактики, например, ближайшие к нам Туманность Андромеды и Магеллановые Облака. Размеры Мета­галактики очень велики: радиус космологического гори­зонта составляет 15–20 млрд. световых лет.

Вселенная включает в себя множество галактик, которые располагаются группами. Вселенная напоми­нает паутину: галактики в ней распределены не равно­мерно, а сосредоточены вблизи границ ячеек, внутри которых галактик почти нет.

Бо­лее 70 % галактик, в том числе и наша Галактика, имеют спиральную структуру, совершая вихревое движение со скоростями порядка 100–300 км/с. Солнце вместе со своей планетной системой является малой частью нашей Галактики, условный радиус кото­рой 4•10¹⁷км. Наша Галактика состоит почти из 200 млрд. звезд и име­ет сложное строение.

Самый распространенный элемент Вселенной – водород – он составляет до половины массы большинства звезд, в т.ч. и Солнца. Гелий – второй наиболее распространенный элемент космоса. Накопление ядер 4Не во Вселенной обусловлено термоядерной реакцией, служащей источником звездной энергии: 4 ¹Н = ⁴Не + 2β⁺ + 2v (нейтрино). В настоящее время в космосе обнаружено большое разнообразие хими­ческих элементов и их соединений, вплоть до амино­кислот.

 

6.2. Развитие космологических и

⇐ Предыдущая3456789101112Следующая ⇒

Поделиться: