Лекция 10. Система химии.

1. Основная проблема химии. Концептуальные системы химии.

2. Учение о составе вещества. Решение проблем химического элемента и химического соединения. Периодическая система элементов.

3. Структурная химия.

4. Кинетическая химия.

5. Эволюционная химия.

Основная проблема химии как науки. Концептуальные системы химии.Д. И. Менделеев называл химию «наукой о химических элементах и их соединениях». В одних учебниках химию определяют как «науку о веществах и их превращениях», в других - как “науку, изучающую процессы качественного превращения веществ” и т.д. Все эти определения по своему хороши, но они не учитывают тот факт, что химия является не просто суммой знаний о веществах, а упорядоченной, постоянно развивающейся системой знаний, имеющей определенное социальное назначение и свое место в ряду других наук.

Вся история развития химии является закономерным процессом смены способов решения ее основной проблемы. Все химические знания, которые были приобретены в течение многих веко, подчинены единственной главной задаче химии -задаче получения веществ с необходимыми свойствами.

Итак, основная двуединая проблема химии - это :

1.Получение веществ с заданными свойствами - производственная задача.

2. Выявление способов управления свойствами вещества - задача научного исследования.

По мере развития науки изменялись представления об организации материи, составе веществ, структуре молекул, были получены новые данные о самих химических процессах, что, конечно же, в корне изменяло и способы синтеза новых соединений, и методы исследования их свойств. Существует только четыре способа решения этой проблемы, которые связаны, прежде всего, с наличием всего четырех основных природных факторов, от которых зависят свойства получаемых веществ:

1. Состав вещества (элементарный, молекулярный).

2. Структура молекул.

3. Термодинамические и кинетические условия химической реакции, в процессе которой это вещество получается.

4. Уровень организации вещества.

Последовательное появление сначала первого, затем второго, третьего и, наконец, четвертого способов решения основной проблемы химии приводит к последовательному появлению и сосуществованию четырех уровней развития химических знаний, или, как принято теперь их называть, четырех концептуальных систем,находящихся в отношениях иерархии, т. е. субординации. В системе всей химии они являются подсистемами так же как сама химия представляет собой подсистему всего Естествознания в целом. Существование всего четырех способов решения основной проблемы химии нашло свое отражение в делении Системы химии на четыре подсистемы.

Таким образом, в развитии химии происходит не смена, а строго закономерное, последо­ва­тельное появление концептуальных систем. При этом каждая вновь появляю­щаяся система не отрицает предыдущую, а, наоборот, опирается на нее и включает в себя в преобразованном виде.

Подводя некоторые итоги, можно дать следующее определение: Система химии- единая целост­ность всех химических знаний, которые появляются и существуют не отдельно друг от друга, а в тесной взаимосвязи, дополняют друг друга и объединяются в концепту­альные системы химических знаний, которые находятся между собой в отношениях иерархии.

На каждом из четырех исторических этапов добычи химических знаний возникали свои задачи, которые требовали решения.

Первый этап развития химии - XVII в: Учение о составе вещества.Основные проблемы, стоявшие перед учеными на самом первом этапе - этапе изучения состава вещества:

1.Проблема химического элемента.

2.Проблема химического соединения.

3.Проблема создания новых материалов, в состав которых входят вновь открываемые химические элементы.

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

Бойль тем самым способствовал решению основной проблемы химии посредством установления взаимосвязи:

СОСТАВ ВЕЩЕСТВА —————————> СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА

Этот способ положил начало учению о составе веществ, которое явилось первым уровнем научных химических знаний. Вплоть до первой половины XIX в. учение о составе веществ представляло собой всю тогдашнюю химию.

Решение проблемы химического элемента.Исторические корни решения этой проблемы уходят в глубокую древность. В Древней Греции возникают первые атомистические теории о строении мира и в противовес им - представления об элементах; свойствах и элементах, - качествах, подхваченных позже ложными учениями алхимиков.

Р.Бойль положил начало современному представлению о химическом элементе как о «простом» теле или как о пределе химического разложения вещества. Химики, стремясь получить «простые вещества», пользовались при этом самым распространенным в то время методом - прокаливанием «сложных веществ». Прокаливание же приводило к окалине, которую и принимали за новый элемент. Соответственно, металлы - железо, например, принимали за сложные тела, состоящие из соответствующего элемента и универсального «невесомого тела» - флогистона(флогистос - греч. зажженный). Теория флогистона (ложная по своей сути) была первой научной химической теорией и послужила толчком к множеству исследований.

В 1680-1760 гг. появились точные количественные методы анализа вещества, а они, в свою очередь, способствовали открытию истинных химических элементов. В это время были открыты фосфор, кобальт, никель, водород, фтор, азот, хлор и марганец.

В 1772-1776 гг. одновременно в Швеции, Англии и Франции был открыт кислород. Во Франции его первооткрывателем был замечательный химик А.Л. Лавуазье (1743-1794 гг.). Он установил роль кислорода в образовании кислот, оксидов и воды, опроверг теорию флогистона и создал принципиально новую теорию химии. Ему принадлежала также первая попытка систематизации химических элементов, которая в дальнейшем была исправлена Д. И. Менделеевым.

Периодический закон и периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева.Русский химик Д. И. Менделеев сделал это открытие в 1869 г., совершив революцию в естествознании, т.к. оно не просто устанавливало связь между химическими и физическими свойствами отдельных элементов, но и взаимную связь между всеми химическими элементами. Группы и ряды периодической системы стали надежной основой для выявления семейств родственных элементов.

N.B! Первым практическим применением периодического закона было исправление величин валентности и атомных весов некоторых элементов, для которых в то время принимались неверные значения. Это относилось, в частности, к индию, церию, другим редкоземельным элементам: торию, урану.

Основным принципом, по которому Менделеев строил свою таблицу, было размещение элементов в порядке возрастания их атомных весов. Основываясь на валентности и химических свойствах элементов, Менделеев расположил все элементы по 8 группам, в каждой из которых размещались элементы со сходными свойствами.

Причина периодических изменений физических и химических свойств элементов кроется в периодичности строения электронных оболочек атомов.

N.B! В начале каждого периода валентные электроны находятся на s-подуровнях соответствующих уровней энергии в атомах. Затем в малых периодах происходит заполнение электронами s и p-подуровней, а в больших периодах также и d-подуровней. В VI и VII периодах, кроме того, наблюдается заполнение f-подуровней. Атомы инертных газов содержат наружные электроны всегда на полностью сформированных s и p-подуровнях. Таким образом, химические элементы одинаковых подгрупп периодической системы характеризуются аналогичным строением электронных оболочек атома.

Одними из наиболее важных свойств атомов, связанных со строением их электронных оболочек, являются эффективные атомные и ионные радиусы. Оказывается, что они также периодически изменяются в зависимости от величины атомного номера элемента. Для элементов одного периода по мере увеличения порядкового номера сначала наблюдается уменьшение атомных радиусов, а затем, к концу периода, их увеличение. Это необычное физическое свойство находит простое объяснение, основанное на знании строения внешней электронной оболочки атомов, принадлежащих одному периоду: все дело в электростатике.

Но самое главное заключалось в том, что таблица Менделеева не просто давала объяснение физическим свойствам элементов, а ставила им в соответствие и их химические свойства. Основным постулатом таблицы являлось то, что валентностьхимического элемента определяется числом электронов на внешней электронной оболочке (эти электроны так и называются - валентные электроны).

Важная роль периодического закона заключается в том, что в нем устанавливается связь между строением атомов и влиянием этого строения на физические и химические свойства элементов.

Решение проблемы химического соединения.Начало решению этой проблемы было положено благодаря работам французского химика Ж. Пруста, который в 1801-1808 гг. установил закон постоянства состава,согласнокоторому любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным, неизменным составом - прочным притяжением составных частей (атомов) и тем самым отличается от смесей.

Теоретическое обоснование закона Пруста было дано англичанином Дж. Дальтоном, являющимся автором другого основополагающего закона в учении о составе веществ - закона кратных отношений. Он показал, что все вещества состоят из молекул, а все молекулы, в свою очередь, - из атомов, и что состав любого вещества можно представить себе как простую формулу типа АВ, АВ2, А2 В3 и т.д., где символы А и В обозначают названия двух атомов, из которых состоит молекула. Согласно этому закону эквивалентов «составные части молекулы» - атомы А и В могут замещаться на другие атомы - С и D, например, согласно реакциям:

АВ + С ——> АС + В или

А2В3 + 3D ———> А2D3 + 3В

Закон кратных отношений Дальтона (1803 г.) гласит: 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.

Молекулярная теория строения вещества позволила по-новому взглянуть на процессы, происходящие в газовой фазе, и дала начало новой науке, стоящей на стыке химии и физики - молекулярной физике. Настоящей сенсацией стало откры­тие закона Авогадров 1811г.Итальянский ученый Амадео Авогадро (1776-1856 гг.) установил, что при одинаковых физических условиях (давлении и температуре) равные объемы различных газов содержат равное число молекул. Другими словами, это означает, что грамм-молекулалюбого газа при одинаковой температуре и давлении занимает один и тот же объем.

Однако, развитие химии и изучение все большего числа соединений приводили химиков к мысли, что наряду с веществами, имеющими определенный состав, существуют еще и соединения переменного состава - и это явилось причиной пересмотра представлений о молекуле в целом. Молекулой, как и прежде, продолжали называть наименьшую частичку вещества, способную определять его свойства и существовать самостоятельно, но теперь к молекулам стали относить и такие необычные квантово-механические системы, такие как ионные, атомные и металлические монокристаллы, а также полимеры, образованные за счет водородных связей.

В результате применения физических методов исследования вещества стало ясно, что свойства реального тела определяются не столько тем, постоянен или не постоянен состав химического соединения, а скорее физической природой химизма, т.е. природой тех сил, которые заставляют несколько атомов объединяться в одну молекулу. Поэтому теперь под химическим соединением понимают определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет взаимодействия друг с другом объединены в частицу, обладающую устойчивой структурой - молекулу, комплекс, монокристалл или иной агрегат. Это более широкое понятие, чем понятие «сложное вещество». Действительно, ведь всем известны химические соединения, состоящие не из разных, а из одинаковых элементов. Это молекулы водорода, кислорода, хлора, графита, алмаза и т.д.

Особое положение в ряду молекулярных частиц занимают макромоле­кулы полимеров. Они содержат большое число повторяющихся, химически связанных друг с другом в единое целое структурных единиц - фрагментов мономерных молекул, обладающих одинаковыми химическими свойствами.

Дальнейшее усложнение химической организации материи идет по пути образования более сложной совокупности взаимодействующих атомных и молекулярных частиц, так называемых молекулярных ассоциатов и агрегатов, а также их комбинаций. При образовании агрегатов изменяется фазовое состояние системы, чего не происходит при образовании ассоциатов. Фазовое состояние - это основное физическое состояние, в котором может существовать любое вещество (газ, жидкость, твердое тело).

Проблема создания новых материалов.Природа щедро «разбросала» свои материальные ресурсы по всей планете. Но вот какую странную закономерность обнаружили ученые: оказывается, чаще всего в своей деятельности человек использует те вещества, запасы которых в природе ограничены.

Поэтому в настоящее время перед учеными-химиками стоят три задачи:

1. Приведение в соответствие практики использования химических элементов в производстве с их реальными ресурсами в природе.

2. Последовательная замена металлов различными видами керамики.

3. Расширение производства элементоорганических соединений на базе органического синтеза. Элементоорганические соединения - это соединения, в состав которых входят как органические элементы (углерод, водород, сера, азот, кислород), так и производ­ные ряда других химических элементов: кремния, фтора, магния, кальция, цинка, натрия, лития и т.д.

Предлагается сосредоточить внимание на увеличении использования на производстве таких элементов как алюминий, магний, кальций, кремний. В природе эти элементы встречаются довольно часто, и их добыча не составляет особого труда. Кроме того, использование этих веществ, составленных из наиболее часто встречающихся природных элементов, приведет к меньшему загрязнению окружающей среды отходами, - проблеме, так остро ощущаемой всеми в настоящее время.

Возросшая необходимость замены металлов керамикой вызвана тем, что производство керамики легче и экономически выгоднее и, кроме того, на некоторых производствах она просто не может быть заменена металлами. Химики научились получать огнеупорную, термостойкую, химически стойкую, высокотвердую керамику, а также керамику для электротехники. В последнее время было обнаружено удивительное свойство некоторых керамических изделий обладать высокотемпера­турной сверхпроводимостью, т.е. сверхпроводимостью при температурах выше температуры кипения азота. Открытию этого уникального физического свойства способствовали работы химиков по созданию новой керамики на основе комплексов с барием, лантаном и медью, взятых в едином комплексе.

Химия элементооргани­ческих материалов с применением крем­ния (кремнийорганическая химия) лежит в основе создания производства многих полимеров, обладающих ценными свойствами и незаменимых в авиации и энергети­ке. А фторорганичес­кие соединения обладают исключительной устойчивос­тью (даже в кислотах и щелочах) особой поверхностной активностью и поэтому могут переносить, например, кислород как молекула гемоглобина! Фторорганичес­кие соединения активно используются в медицине для создания всевозможных покрытий и т.д.

Решение практических задач, стоящих перед химиками в настоящее время сопряжено с синтезом новых веществ и анализом их химического состава. Поэтому, как и много лет тому назад, проблема состава веществ остается в химии по-прежнему актуальной.