ХИМИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ ОПИСАНИЯ ПРИРОДЫ
3. ХИМИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ ОПИСАНИЯ ПРИРОДЫ
Химия
– наука о веществах и процессах их превращения, сопровождающие изменением состава и структуры.
Основанием химии выступает проблема получения веществ с заданными свойствами (производственная задача) и выявление способов управления свойствами веществ (научная задача). Свойства веществ зависят:
1) от элементарного и молекулярного состава;
2) от структуры молекулы;
3) от термодинамических и кинетических условий процесса химической реакции;
4) от уровня химической организации вещества.
Концептуальные этапы получения знаний по химии можно представить следующим образом:
XVII – учение о составе вещества;
середина XIX в. – учение о структуре вещества;
конец XIX в. – учение о химических процессах;
середина XX в. – учение о химической эволюции.
Четыре способа решения основной проблемы химии:
Первый уровень научных химических знаний, продолжающийся с работ Р. Бойля (1660-е годы) до 1820-1830-х годов: свойства вещества определяются его составом. Химический элемент и химическое соединение. Дальтониды – химическое вещество молекулярного строения и бертоллиды – соединения немолекулярного строения. Вовлечение новых химических элементов в производство материалов. Синтез новых элементоорганических соединений, например фторорганических, обладающих исключительной устойчивостью.
Второй уровень развития химических знаний (середина XIX века): свойства вещества и их качественное разнообразие обуславливаются составом и структурой молекул. Возникновение структурной химии: работы Д. Дальтона, И.Я. Берцелиуса, Ш. Жерара, А. Кекуле, A.M. Бутлерова. Триумфальный марш органического синтеза. Пределы и проблемы структурной органической химии.
Третий уровень химических знаний (середина XX века): учение о химических процессах и механизмах изменения вещества. Свойства вещества зависят от термодинамических и кинетических условий, в которых вещество находится в процессе химической реакции. Учение о химических процессах – область науки, где осуществляется глубокое взаимопроникновение физики, химии и биологии. Химическое производство синтетических материалов.
Принципиальная обратимость всех химических реакций. Законы Я. Вант-Гоффа и А. Ле-Шателье. Зависимость хода химических процессов от структурно-кинетических факторов: от строения исходных реагентов, концентрации, наличия катализаторов и др. Проблемы катализа химических реакций и решение задачи химического преобразования ядерной и солнечной энергии.
Химия экстремальных состояний, высокотемпературный синтез.
Четвертый уровень химических знаний (с 1970-х годов): свойства вещества зависят от высоты химической организации вещества. Биологизация химии – возникновение эволюционной химии. Основа лаборатории живого организма – биокатализ. Подражание живой природе – химия будущего. Создание катализаторов по принципу ферментов. Изучение брожения – один из первых опытов изучения химии живой природы. Пути освоения каталитического опыта живой природы: исследование в области металлокомплексного катализа, моделирование биокатализаторов, исследования в области иммобилизованных систем, применение принципов биокатализа в химической технологии.
Отбор химических элементов в ходе эволюции. Химические свойства углерода, отвечающие всем требованиям эволюции: прочность химических связей, их энергоемкость и достаточная лабильность.
Явления самосовершенствования катализаторов в ходе реакции. Самоорганизация химических систем. Теории химической эволюции и биогенеза. Эволюция химических систем.
Четыре способа решения основной проблемы химии – четыре иерархические концептуальные системы. Теоретическое и практическое значения представлений о концептуальных системах химии.
3.1. Развитие учения о составе вещества
Демокрит и
Эпикур
считали, что все тела состоят из атомов различной величины и формы, чем и объясняли различие тел.
Аристотель
и Эмпедокл
видимое разнообразие тел природы объясняли посредством сочетания в телах различных стихий: тепла и холода, сухости и влажности. Переход одних веществ в другие, связанный с появлением их новых специфических свойств и «форм». В эпоху эллинизма (до н.э.) возникло учение о «трансмутации»
(превращении), согласно которому можно, изменяя сочетание элементов, получать вещество с иными свойствами. Так, пытались получить золото из более распространенных металлов – ртути, свинца и др.
Главной целью
алхимия
считала поиски «философского камня» для превращения неблагородных металлов в благородные, получение эликсира долголетия, универсального растворителя и др.
В VIII
в. широкое распространение в Западной Европе получила «ртутно-серной» теории алхимиков, согласно которой вначале образуется «сера» из огня из воздуха и «ртуть» из земли и воды, а уже из них получаются различные металлы.
Т. Парацельс, в отличие от алхимиков, подчеркнул вещественный характер трех начал: «серы» – начала горючести, «ртути» – начала летучести, «соли» – начала огнепостоянства. Он ставит задачу исследовать свойства веществ и найти новые соединения с более полезными для медицинских целей свойствами, чтобы помогать человеку от болезней, успешно применял препараты ртути против сифилиса. Вскоре медицинскую химию (иатрохимию) стали преподавать на медицинских факультетах университетов.
Научное изучение химических явлений начинается в 1600 г. с работ Р. Бойля.
Он создает теорию, по которой окружающий нас мир построен из мельчайших частичек – корпускул, различных по размерам, форме и массе. Они, объединяясь и разъединяясь, образуют качественно различные тела – «структурные формы вещества», среди этих тел вода, земля, железо, ртуть. При получении химических элементов как «простых тел» пользовались универсальным по тому времени методом разложения «сложных тел» – прокаливанием.
Изучение процессов горения привело к появлению первой, хотя она и оказалась ложной, научной теории в химии – теории флогистона, основатель этой теории Г. Шталь. Наблюдая за процессом плавки металлов, например олова, он заметил, что часть металла теряется в виде окалины («извести», как тогда называли), но при соприкосновении с древесным углем вновь превращается в олово. Шталь сделал вывод о том, что уголь участвует в реакции, и предположил, что в угле содержится вещество, которое превращает «известь» в металл. Позже это вещество было названо флогистоном. При всех огромных недостатках теории флогистона (путаница в понятии простого и сложного вещества), впервые были разработаны научные представления о реакциях окисления-восстановления.
Основатель научной химии М.В. Ломоносов в 1756 г. сформулировал один из основополагающих, действующих и по сей день законов естествознания – закон сохранения материи массы:
масса веществ, вступивших в реакцию равна массе веществ, образовавшихся в результате реакции.
«Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что, сколько чего от одного тела отнимется, столько присовокупится к другому; так если где убудет несколько материи, то умножится в другом месте. Сей всеобщий закон простирается и в самые правила движения; ибо тело, движущее своей силой другое тело, столько же оныя у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».
Гипотеза флогистона была опровергнута А. Лавуазье
после открытия кислорода и установлении его роли в процессах горения и окисления. Так, явление обжига металлов и горение стали рассматривать как процессы соединения элемента с кислородом, а не как процесс разложения «сложного вещества» на элемент и флогистон. Это была настоящая революция в химии. Лавуазье впервые разделил вещества на простые вещества (химические элементы) и химические соединения.
В 1869г. Д.И. Менделеев систематизировал известных тогда 62 элементов на основании их атомного веса и представил это в виде таблицы, которая и получила название «Периодическая таблица Менделеева». Периодический закон, сформулированный Менделеевым, гласит: «Физические и химические свойства элементов, проявляющиеся в свойствах простых и сложных тел ими образованных, состоят в периодической зависимости от их атомного веса».
Современная
формулировка периодического закона: свойства химических элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от величины положительного заряда ядра их атомов.
В этой таблице ярко выявлена периодичность изменения свойств элементов с увеличением их сложности в каждом новом периоде. Систематизация элементов, выполненная Менделеевым, оказала основополагающее влияние на дальнейшее развитие химических исследований. На основании выявленных общностей он предсказал существование неизвестных элементов, оставив для них вакантные места в периодической таблице. Впоследствии эти элементы были открыты и свойства их оказались такими, какие предсказал Менделеев.
В настоящее время доказано, что атом является сложной делимой субъединицей вещества. Вся масса атома сосредоточена в его ядре (~10–13 см). Ядро атома состоит из протонов (р), несущих положительный заряд (+1) и обладающих массой. Заряд ядра равен порядковому номеру элемента. Вокруг ядра по орбиталям вращаются электроны (е) – частицы с зарядом –1. Количество электронов равно количеству протонов, атом в целом электронейтрален. Ядро атома кроме протонов содержит нейтроны (n) – частицы, не имеющие заряда, но обладающие массой.
Пример строения хлора (С): порядковый номер 17, а атомная масса 37, число электронов 17, ядро содержит 17 протонов и 20 электронов.
Ядра элементов могут содержать различное количество нейтронов, так есть атомы хлора, обладающие атомной массой 37 и 35, их ядра содержат 20 и 18 нейтронов соответственно – это так называемые изотопы
(37Сl, 35Сl).
Изотопы
– атомы с одинаковым зарядом ядра (и соответственно химическими свойства), но разным числом нейтронов.
Химический элемент
– вид атомов с одинаковым зарядом ядра, т. е. это совокупность изотопов.
С начала ХIХ в. активно обсуждался вопрос о том, что относится к химическим соединениям, а что к смесям.
Ж. Пруст сформулировал закон постоянства состава:
любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным неизменным составом, «прочным притяжением составных частей» (атомов) и тем отличается от смесей.
С позиций атомно-молекулярного учения данный закон был обоснован химиком Д. Дальтоном; он
утверждал, что все простые и сложные индивидуальные вещества состоят из мельчайших частиц – молекул, которые в свою очередь образованы из атомов химических элементов. Так, молекулы простых веществ – водорода (Н2), кислорода (О2), озона (О3), – образованные из атомов одного элемента. Молекулы сложных веществ образованы из разных атомов.
К. Бертолле утверждал возможность существования индивидуальных химических соединений переменного состава с непрерывным изменением. Так, интерметаллические соединения, состоящие из 2 металлов: цинк-сурьма, магний-серебро и др. образуют соединения, как с постоянным, так и с переменным составом. Н.С. Курнаков первые из них назвал дальтонидами в честь Ж. Дальтона, а вторые – бертоллидами в честь К. Бертолле.
Молекула
– наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойства и состоящая их одинаковых или разных атомов.
В состав молекул входят атомы. Большинство неорганических веществ не имеют молекулярного строения.
Атом
– наименьшая частица химического элемента, носитель его свойств.
Химическое соединение – определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых химической связью объединены в частицы – молекулы, комплексы, монокристаллы или иные агрегаты.
3.2. Развитие учения о структуре молекул
При взаимодействии атомов между ними может возникнуть химическая связь, приводящая к образованию многоатомной системы – молекулы, молекулярного иона или кристалла.
Химическая связь – взаимодействие атомов, обусловленное перекрытием электронных облаков связывающихся частиц, которое сопровождается уменьшением полной энергии системы.
Й. Берцелиус
в 1830 г. выдвинул гипотезу:
все атомы разных элементов обладают различной электроотрицательностью, причем атом каждого элемента несет два заряда (положительный + и отрицательный –).
Объединение атомов в молекулы происходит за счет взаимодействия разноименно заряженных атомов или атомных групп, что сопровождается частичной нейтрализацией зарядов. Например, калий (К) несет положительный заряд, а кислород (О) – отрицательный, взаимодействуя, они образуют оксид. Однако, теория Берцеллиуса, основанная на электростатическом взаимодействии зарядов, не могла объяснить образование молекул из двух одинаково заряженных атомов, например, молекулы О2.
В 1916 г. Дж. Льюис высказал предположение, что химическая связь возникает путем образования электронной пары, одновременно принадлежащей двум атомам – эта идея послужила основой для разработки современной теории ковалентной связи. В том же году В. Коссель предположил, что химическая связь возникает при взаимодействии двух атомов, один из них отдает электроны, превращаясь в положительно заряженный ион (катион), а второй атом принимает электрон, превращаясь в отрицательно заряженный ион (анион). Дальнейшее развитие идей Косселя привело к созданию представлений об ионной связи.
Ковалентная связь
– химическая связь между атомами, осуществляемая обобществляемыми электронами.
Ковалентная связь между одинаковыми атомами называется неполярной (Н· + ·Н® Н : Н или Н – Н).
Ковалентная связь возникающая при взаимодействии атомов разных элементов называется полярной, при этом общая электронная пара (или электронные пары) несколько смещаются в сторону более полярного атома (H – Cl, СO).
Ионная связь – химическая связь, осуществляемая за счет электростатического притяжения образовавшихся разноименных ионов (Na+ Cl–, NH4+ OH–).
Металлическая связь – многоцентровая химическая связь с дефицитом электронов в твердом или жидком состоянии, основанная на обобществлении внешних электронных атомов. Металлическая связь характерна только для конденсированного состояния вещества в жидкости или твердом веществе.
Электрически нейтральные атомы и молекулы способны к дополнительному взаимодействию друг с другом: водородная связь – химическая связь, осуществляемая между положительно поляризованным атомом водорода и отрицательно поляризованным атомом F, O и N (реже Cl, S и др.), принадлежащих другой или той же молекуле (НF … HF, Н2О … Н2О).
Ф. Кекуле 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 Са 3,5 Са 0,31 Na 2,5 Р 0,22 К 2,5 Сl 0,08 Mg 2,2 К 0,06 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, обладающих 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.
Контрольные вопросы
сформулировал теорию валентности – каждый атом обладает определенной способностью к насыщению, т.е. валентностью, или числом единиц