Основные этапы (концепции) развития химии

2. Основные этапы (концепции) развития химии

Химия должна ответить на вопрос, от чего зависят свойства вещества. Исторически сформировались четыре способа решения этого вопроса. Свойства вещества зависят

1) от его элементного и молекулярного состава (1660 гг.)

2) от структуры его молекул – структурная химия (1880 гг.)

3) от термодинамических и кинетических условий, в которых вещество находится в процессе химической реакции (1950 гг.)

4) от уровня химической организации вещества – эволюционная химия(1970 гг.).

До середины XVII века не был известен ни один химический элемент. Во второй половине ХVII в. в работах английского ученого Р. Бойля было доказано, что качества и свойства тела зависят от того, из каких материальных элементов тело составлено. С этого момента стали считать, что наименьшей частицей простого тела является молекула. После открытия ряда элементов первую попытку их классификации сделал Лавуазье, эта работа была успешно завершена в 1867 г. Д.И. Менделеевым.

В 1860 г. А.М. Бутлеровым была создана химическая теория строения вещества, которая положила начало структурной химии. Стало ясно, что свойства веществ и их качественное разнообразие обусловлены не только составом, но и структурой молекул. Появилось понятие «реакционная способность», в него включались представления о химической активности отдельных элементов молекулы – атомов, атомных групп и даже отдельных химических связей. В 1860-е годы появляется термин «органический синтез». Химия превратилась из науки главным образом аналитической в синтетическую. Этот период связан с развитием производства анилиновых красителей для текстильной промышленности, искусственного шелка, взрывчатых веществ, различных лекарств и др. Но этот этап был не долгим. Интенсивное развитие автомобилестроения, авиации, энергетики, приборостроения в первой половине ХХ в. выдвинули новые требования к производству материалов. Необходимо было получать высокооктановое моторное топливо, специальные синтетические каучуки, пластмассы, изоляторы, жаропрочные органические и неорганические полимеры, полупроводники. Для получения этих материалов имеющихся знаний было не достаточно. Нужно было исследовать изменения свойств веществ в результате влияния температуры, давления, растворителей и многих других факторов, воздействующих на направление и скорость химических процессов.

Химия становится наукой о процессах и механизмах изменения вещества. Она обеспечивает производство синтетических материалов, заменяющих дерево и металл в строительстве, пищевое сырье в производстве олифы, лаков, моющих средств и смазочных материалов. Многие материалы стали производиться из нефтяного сырья, а производство азотных удобрений – из азота и воздуха. Появились новые технологии.

В 60-70-е годы ХХ в. возник четвертый способ решения главного вопроса химии. Он открыл путь использования в производстве материалов самые высокоорганизованные химические системы, которые возможны в настоящее время. В основе этого способа лежит принцип использования таких условий, которые приводят к самосовершенствованию катализаторов химических реакций, т.е. к самоорганизации химических систем. (Это своеобразная биологизация химии). Возникает эволюционная химия. Ее считают предбиологией, т.е. наукой о самоорганизации и саморазвитии химических систем. Химия связывается с биологией. Долгое время эти две науки шли каждая своим путем, параллельно, чему способствовали представления о непроходимой грани между живым и неживым. Лишь открытие в ХХ в. микромира позволило увидеть практические возможности совместной работы над химическими проблемами учения о клетке; обусловленности биологических функций химическими реакциями. В то же время стало совершенно ясно, что нельзя сводить явления жизни к химическим реакциям (антиредукционизм). Специфика химических процессов в живых системах состоит в самосохранении, самовоспроизведении живой системы. В 60–е годы ХХ в. были открыты случаи самосовершенствования катализаторов в ходе реакции. Обычно они дезактивировались в процессе работы, ухудшались и выбрасывались. Исследования в области биокатализаторов ориентировались на естественный отбор каталитических структур, осуществляемый природой на пути эволюции от неорганической материи к органической. Результатом явилась информация об отборе химических элементов и структур, который оказался подобен биологической эволюции. Ныне известно более ста химических элементов. Большинство из них участвуют в жизнедеятельности организмов. Однако основу живых систем составляют только 6 элементов, получивших название органогенов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера. Общая весовая доля их в организме более 97%. За ними следуют 11 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важных компонентов биосистем: натрий, калий, кальций, магний, железо, кремний, алюминий, хлор, медь, цинк, кобальт. Их весовая доля в организме – 1,6 %.

3. Химические системы и процессы

Интенсивное развитие химии в XX веке, характеризующееся разработкой принципиально новых научных направлений и технологических процессов, синтезом ранее неизвестных типов химических соединений, новыми условиями осуществления химических реакций (в плазме, твердой фазе, неводных и смешанных растворителей), способствовало пересмотру и систематизации фундаментальных химических представлений с позиции современного естествознания.

Значительно обогатились знания об уровнях химической организации материи. Низшим исходным уровнем химической организации материи является атом. Атом – система взаимодействующих элементарных частиц, состоящая из ядра (образованного протонами и нейтронами) и электронов. Атомы образуются при взаимодействии только трех типов элементарных частиц, но при этом возникает большой набор самых разнообразных устойчивых (или неустойчивых) систем. Весь образовавшийся ансамбль подразделяется на совокупность, в каждую из которых входят только атомы, характеризующиеся одним и тем же зарядом ядра. Эти совокупности называются химическими элементами.

Следующим, более высоким уровнем химической организации материи после атома, является молекула. Молекула – нейтральная по заряду наименьшая совокупность атомов, связанных, вследствие химического взаимодействия, в определенном порядке (т.е. обладающая определенной структурой), не имеющая, как правило, не спаренных электронов и способная к самостоятельному существованию. Молекулы могут состоять как из атомов одного и того же элемента – гомоатомные или гомоядерные, так и из атомов различных элементов – гетероатомные или гетероядерные.

Дальнейшее усложнение химической организации материи происходит при взаимодействии атомных и молекулярных частиц, ведущем к образованию более сложных совокупностей – молекулярных ассоциаций и агрегатов. Важно отметить, что ассоциаты существуют главным образом в газообразном или жидком состояниях, а агрегаты – в твердом.

В XX веке продолжает уточняться периодический закон химических элементов. В настоящее время он формулируется следующим образом: свойства элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра их атомов.

Продолжает развиваться и периодическая система. Была упразднена введенная Д.И. Менделеевым нулевая группа. Изучение химических свойств благородных газов, показало, что они являются элементами главной подгруппы VIII группы периодической системы.

Понятие вещества как вида материи, характеризующегося массой покоя, перестало удовлетворять современных химиков. Сейчас вещество, с точки зрения химии, это определенная совокупность атомных и молекулярных частиц, их ассоциатов и агрегатов, находящихся в любом из трех агрегатных состояний. Простые вещества – это вещества, состоящие из атомов одного и того же элемента, а сложные вещества образуются при химическом взаимодействии атомов разных химических элементов. Природа сложных веществ – химических соединений – зависит от химической связи. Широта понятия химической связи не позволяет дать его четкого определения. Можно ограничиться следующим: под химической связью понимается такой вид взаимодействия между атомно-молекулярными частицами, который обусловлен совместным использованием их электронов. При этом имеется в виду, что такое обобществление электронов взаимодействующими частицами может изменяться в широких пределах.

Важной количественной характеристикой, показывающей число взаимодействующих между собой атомов в образовавшейся молекуле, является валентность. Это понятие возникло в химии более 100 лет. Им обозначили свойство атомов одного элемента присоединять определенное число атомов других элементов. Современные представления о строении атома связывают валентность с числом неспаренных элементов, благодаря которым осуществляется связь между атомами.

 Современная теория химической связи дает удовлетворительные ответы на следующие вопросы:

Почему и каким образом из свободных атомов образуются молекулы?

Почему атомы соединяются друг с другом в определенных соотношениях?

Каковы эти соотношения для различных химических элементов?

Какова геометрическая форма молекул и как она связана с электронной структурой составляющих ее атомов?

Связь атомов посредством электронных пар называют ковалентной связью. Разновидность ковалентной связи, образованной атомами, называют неполярной, а образованной двумя разными атомами – полярной или поляризованной.

Ионной называют химическую связь между ионами – заряженными частицами, в которые превращаются атомы в результате отдачи или присоединения электронов. Вещества, образованные из ионов, называются ионными соединениями.

Металлическая связь проявляется при взаимодействии атомов элементов, имеющих избыток свободных валентных орбиталей по отношению к числу валентных электронов.

Водородная связь обусловлена дополнительным взаимодействием между ковалентно связанным атомам водорода одной молекулы и электроотрицательным атомом той же самой или другой молекулы.

Учение о химических связях составляют основу современной теории химического строения. Согласно ей, химическое строение – это не только порядок элементарной связи атомов и их взаимное влияние в веществе, но и направление, и прочность связей, межатомные расстояния, распределение плотности электронного облака, эффективные заряды атомов и т.п.

В XX веке химия все более становилась наукой уже не только и не столько о веществах как законченных предметах, сколько наукой о процессах и механизмах изменения веществ. Химические процессы представляют собой сложнейшие явления, как в неживой, так и в живой природе. Они протекают в форме взаимодействия двух или нескольких веществ, приводящего к образованию новых веществ. Склонность вещества вступать в те или иные химические взаимодействия называется его реакционной способностью, о которой судят по числу и разнообразию характерных для данного вещества превращений. Суть этой способности можно понять с точки зрения активности химических элементов. Наиболее активными являются неметаллы с минимальной атомной массой и имеющие во внешней оболочке 6 или 7 электронов. В качестве примера можно привести кислород: ведь в нем горит даже железо. Что касается металлов, то наиболее активными из них являются элементы, принадлежащие I и II группам таблицы Менделеева, имеющие на внешнем уровне соответственно 1 и 2 валентных электрона и большую атомную массу. Например, барий легко разлагает воду даже при комнатной температуре, а соприкосновение цезия с водой очень часто приводит к взрыву. В то же время элементы с полностью укомплектованной оболочкой являются неактивными (например, инертные газы: неон, аргон, криптон, ксенон).

Описание и объяснение химических процессов – задача одного из важнейших разделов химии, называемого химической кинетикой. Обычно эту общую задачу подразделяют на две более конкретные: