Учебное пособие: Эволюция теоретических проблем химии
Учебное пособие: Эволюция теоретических проблем химии
Вещества и их взаимные превращения являются предметом изучения химии.
Химия – это наука о веществах и законах, которым подчиняются их превращения.
Слово «химия» получило широкое распространение с начала XVIII
века. На многих языках оно имеет сходное звучание: chemistry ('кемистри) – на
английском, сhemie (хе'ми) – на немецком. Корни «хем» или «хим» содержатся в
соответствующих терминах и на многих других языках. Однако до сих пор не
удалось установить, когда возникло слово «химия» и какой смысл в него первоначально
вкладывался. Многие исследователи склоняются к тому, что это слово происходит
от «Кеми» – «Черная страна». Так в древней Греции называли Египет, где
зародилось «священное искусство химии». Это же слово относилось к цвету почвы в
долине Нила. Смысл такого названия – «египетская наука». Однако в
древнегреческом языке были другие близкие по звучанию слова. «Химос» или
«хюмос» означало «сок»; это понятие встречается в рукописях, содержащих
сведения по медицине и способам приготовления лекарств. «Хима» или «хюма»
переводится как литье и относится к искусству выплавки металлов. «Хемевсис»
означает «смешивание», являющееся важнейшей операцией большинства химических процессов.
Термин «химия» в смысле «настаивание», «наливание» первым употребил греческий
философ и естествоиспытатель Зосима Панополитанский на рубеже IV
и V веков.
Современная химия – это фундаментальная система знаний, основанная на
богатом экспериментальном материале и теоретических положениях. Химия занимает
особое место среди естественных наук. На сегодняшний день известно более 20
миллионов химических веществ. Часть из них встречается в природе. Однако
большинство химических веществ ранее вообще не существовало. Они были получены
человеком в химических лабораториях. В этом состоит уникальность химии: она не
довольствуется тем, что дано природой, а постоянно создает для себя все новые и
новые объекты исследований.
Каждое из химических веществ имеет свое внутреннее строение и может
претерпевать разнообразные превращения, то есть вступать в химические реакции.
Эти два аспекта взаимосвязаны. Внутреннее строение определяет химические
свойства, а по химическим свойствам можно судить о строении вещества. В то же
время невозможно одновременно исследовать и строение и химические свойства
вещества, поскольку в ходе химической реакции структура вещества неизбежно
изменяется. Изучение строения и реакционной способности химических веществ,
создание веществ и материалов с заранее заданными свойствами – основные задачи
химической науки.
Уже в XVIII веке начала формироваться так
называемая минеральная химия. Сейчас этот раздел химии мы называем
неорганической химией – в отличие от органической химии, которая первоначально
исследовала вещества, образующиеся в живых организмах. Позднее были выделены в
самостоятельные разделы еще две важнейшие области химии – аналитическая и физическая
химия.
Дать точное определение каждому из этих разделов очень сложно, хотя в
целом разница между ними вполне очевидна. Так, невозможно кратко ответить на
вопрос: что такое неорганическая химия. Одно из наиболее удачных, хотя и не
совсем полных определений звучит так: неорганическая химия – это
экспериментальное исследование и теоретическая интерпретация свойств и реакций
всех элементов и всех их соединений, кроме большинства углеводородов и их
соединений.
Основные задачи современной неорганической химии – изучение строения,
свойств и химических реакций простых веществ и соединений, взаимосвязи строения
со свойствами и реакционной способностью веществ, разработка методов синтеза и
глубокой очистки веществ, общих методов получения неорганических материалов.
Теоретическую основу неорганической химии составляет учение о Периодическом
законе, созданное русским ученым - энциклопедистом Дмитрием Ивановичем
Менделеевым (1834–1907). Несмотря на то, что этому закону уже более 100 лет, он
по-прежнему является важнейшим инструментом для объяснения свойств и реакций
химических элементов и их соединений. Периодическая система химических
элементов, получившая в бытовой речи название – таблица Менделеева, –
изображена во всех учебниках химии и знакома практически каждому.
Предпринималось много попыток создать новую, более совершенную форму таблицы. В
научной литературе описано около 700 ее вариантов. Были найдены круговые,
треугольные и спиральные варианты, а также трехмерные модификации в виде
этажерки, цилиндра, платформы с двумя башнями, объемной спирали,
взаимопересекающихся плоскостей и т. д. Но самый распространенный на сегодня
вариант близок к тому, который в свое время предложил Д. И. Менделеев.
С точки зрения теории строения атома, элементы в периодической системе
расположены в последовательности увеличения зарядов их ядер, Внутри каждого
периода по мере возрастания зарядов ядер элементов последовательно изменяется
структура внешних электронных уровней. С этим связан переход элементов от
металлов к неметаллам. В периодах слева направо, с увеличением зарядов ядер
элементов, усиливается притяжение электронов к ядру и происходит сжатие атома,
т. е. уменьшение атомного радиуса элементов. Поэтому в начале каждого периода
располагаются элементы, имеющие больший атомный радиус и меньшее число
электронов на внешнем электронном слое. Чем больше атомный радиус, тем слабее
притяжение электронов внешнего слоя и тем легче элементу отдавать электроны.
Такая структура характерна для элементов - металлов, которые сравнительно легко
отдают валентные электроны, но не могут принимать их дополнительно для достройки
электронных оболочек внешнего уровня.
С увеличением атомного номера элементов увеличивается заряд ядра и число
электронов во внешнем слое и уменьшается легкость отдачи электронов с этого
слоя. Таким образом, внутри каждого периода с увеличением атомных номеров
элементов наблюдается уменьшение металлических свойств элементов и возрастание
неметаллических свойств (способность притягивать к себе электроны). Каждый
период заканчивается инертным элементом, имеющим завершенную структуру внешнего
электронного слоя (полный октет).
Устойчивость такого октета объясняет пассивность инертных элементов, что
не позволяет причислить их к металлам или неметаллам. В группах расположены
элементы, имеющие одинаковое строение внешнего электронного слоя, т. е.
электронные аналоги. Номер группы указывает число электронов на внешней
электронной оболочке атомов элементов данной группы. Элементы, находящиеся в
одной группе проявляют близкие химические свойства. Однако и внутри группы
свойства элементов изменяются. Это связано с тем, что внутри каждой группы
сверху вниз у элементов увеличивается число электронных слоев, т. е. атомный
радиус. Чем больше атомный радиус, тем дальше от ядра электроны внешнего слоя и
тем слабее они удерживаются ядром.
Таким образом, в группах сверху вниз усиливаются металлические и
уменьшаются неметаллические свойства. В периодической таблице группы делятся на
два типа: 8 групп IA- VIIIA и 8 групп IB- VIIIB. Группа VIIIB состоит из триад.
В группах IА и IIA находятся s-элементы, у них последним заполняется
электронами s-подуровень внешнего уровня. Далее, согласно правилам
Клечковского, для элементов с главным квантовым числом n= 2 и n= 3 (второй и
третий период) происходит заполнение р- подуровня. Это р- элементы, они
располагаются в группах IIIA- VIIIA. Для элементов IV и V периода после
заполнения электронами s- подуровня энергетически более выгодно заполнение
соответственно 3d- и 4d- поуровней, что и происходит у элементов групп IB-
VIIIB.
Группы типа В расположены в порядке, указывающем число валентных
электронов атомов элементов, так как у d- элементов валентными являются
электроны не только внешнего уровня, но и заполняемого второго снаружи уровня.
После полного заполнения d- электронами второго снаружи уровня, происходит
заполнение р- подуровня последнего электронного уровня (группы IIIA- VIIIA).
У актиноидов и лантаноидов происходит заполнение электронами f- подуровня
третьего снаружи энергетического уровня, что и обуславливает схожесть их
химических свойств.
Как видно, с учетом заполнения электронами энергетических уровней, в
периодической таблице с увеличением атомных номеров элементов наблюдается
периодическое повторение строения внешних электронных слоев, что и
обусловливает периодичность свойств химических элементов.
С электронной конфигурацией атома связаны такие его свойства, как энергия
ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность, степень окисления.
v
Энергия ионизации- это энергия, необходимая для отрыва наиболее
слабосвязанного электрона от атома. Она выражается в электронвольтах. При
отрыве электрона от атома образуется заряженная частица- ион. В данном случае
ион будет иметь положительный заряд. Такие ионы называются катионами. Для
элементов одного периода энергия ионизации возрастает слева направо с
увеличением неметаллических свойств у элементов. В группах энергия ионизации
уменьшается сверху вниз с увеличением металлических свойств.
v
Сродство к электрону- это энергия, которая выделяется при присоединении
к атому одного электрона Она также выражается в электронвольтах. При
присоединении электрона к атому образуется отрицательно заряженный ион - анион.
В периодах слева направо сродство к электрону увеличивается. Наибольшим
сродством к электрону обладают галогены.
v
Электроотрицательность - это способность атома притягивать к себе
электроны в соединении. Притягиваемые электроны являются валентными, т. е. это
электроны, которые участвуют в химической связи. Инертные (благородные)
элементы не обладают электроотрицательностью. Наиболее электроотрицательным из
элементов является фтор.
v
Степень окисления- это формальный заряд атома в соединении,
который возник бы, если бы все атомы в этом соединении были бы в виде ионов, а
электроны смещены к наиболее электроотрицательному элементу. Номер группы в
периодической системе численно равен положительной высшей степени окисления
любого элемента данной группы в соединениях с кислородом.
Предмет изучения органической химии некогда ограничивался соединениями
углерода, имеющими растительное и животное происхождение. В наше время
органическая химия – это наука, изучающая природные и синтетические соединения
углерода с другими элементами.
Ежегодно число синтезированных органических соединений возрастает на
250–300 тысяч. Оно превышает число известных неорганических соединений в
десятки раз. Многообразие органических соединений определяется уникальной
способностью атомов углерода соединяться друг с другом простыми и кратными
связями, образовывать соединения с практически неограниченным числом атомов,
связанных в цепи, циклы, каркасы, образовывать прочные связи почти со всеми
химическими элементами.
Основным методом органической химии является синтез. Теория химического
строения органических веществ базируется на положениях, впервые
сформулированных русским химиком Александром Михайловичем Бутлеровым
(1828–1886). В органической химии можно выделить области исследований
соединений, относящихся к различным классам и имеющих различное происхождение:
химия ароматических соединений, химия природных соединений, нефтехимия.
До сих пор ведутся споры, можно считать самостоятельным разделом химии
аналитическую химию. Вряд ли они состоятельны. Анализ – важнейший метод химии.
До первой половины XIX века именно аналитическая химия
была основным разделом химии. Аналитическая химия – это наука об определении
химического состава веществ и, в некоторой степени, химического строения
соединений.
Родоначальником научной аналитической химии считают английского физика и
химика Роберта Бойля (1627–1691), который первым ввел понятие «химический
анализ». Без тщательного, точного анализа развитие химии невозможно. Любой
синтез обязательно сопровождается анализом. Для современных технологий
необходимы особо чистые вещества, а содержание ничтожных долей примесей в них
можно определить лишь аналитическими методами.
Основная цель аналитической химии – обеспечить точность, высокую
чувствительность, быстроту, избирательность анализа. Развитие аналитической
химии привело к возникновению химической диагностики, позволяющей непрерывно
определять различные характеристики протекающих процессов и образующихся
веществ.
В аналитической химии широко стали использоваться физико-химические и
физические методы. Физические методы изучения веществ и воздействия на них
получили применение и в других областях химии. Это привело к формированию новых
важных направлений химии, например, радиационной химии, плазмохимии. Химия
экстремальных воздействий играет большую роль в получении новых материалов,
например для электроники, или давно известных ценных материалов, например
алмазов, сравнительно дешевым синтетическим путем.
На грани исследований физических и химических явлений возникла физическая
химия. Изучение тепловых эффектов химических реакций породило термохимию.
Химические процессы, протекающие под действием электрического тока, стали
основой электрохимии. В основу современной физической химии легли также учения
о растворах, о скоростях и механизмах химических реакций, о строении молекул и
многие другие. Физическая химия – это наука об общих законах, определяющих
строение и химические превращения веществ в различных условиях. Термин
«физическая химия» принадлежит М. В. Ломоносову (1711–1765), который в 1752
году впервые прочитал студентам Петербургского университета курс этой науки.
Она исследует химические явления с помощью теоретических и экспериментальных
методов физики. Физическая химия является основным теоретическим фундаментом
современной химии. В последние годы все большее внимание уделяется углубленному
анализу общих закономерностей химических превращений на молекулярном уровне;
широкому использованию математического моделирования; изучению воздействия на
химические процессы сверхвысоких и сверхнизких температур и давлений, радиации
и магнитного поля.
Все больше стираются границы и между химией и другими естественными
науками. Биохимия – биологическая химия – изучает химический состав и структуру
веществ, содержащихся в живых организмах; пути и способы регуляции их
превращений; энергетическое обеспечение процессов, происходящих в клетке и в
организме.
Становление биохимии как науки произошло на рубеже XIX
и XX веков, хотя истоки биохимических знаний обнаружены
еще в трудах ученых античного периода, а первые сведения о составе растительных
и животных тканей начали появляться в средние века. В наши дни из биохимии уже
выделились биоорганическая и бионеорганическая химия.
В начале XX века химик, минералог и кристаллограф
Владимир Иванович Вернадский (1863–1945) разработал основы геохимии – науки о
распространенности и миграции химических элементов на Земле. С одной стороны,
геохимия широко использует достижения физики и химии, новейшие методы анализа и
представления о строении вещества, с другой – огромный материал, накопленный
геологическими науками, в частности, минералогией.
Наряду с физической химией возникла химическая физика, изучающая
физические законы, которые управляют строением и превращениями химических
веществ.
Особенности развития химии в ХХ веке во многом обусловлены достижениями
физики в конце XIX века. Открытие рентгеновских лучей,
радиоактивности, электрона и развитие квантовой теории привели к открытию радиоактивных
элементов, новым представлениям о строении атома и природе химической связи. В
ХХ веке было синтезировано 23 новых химических элемента, не найденных в
природе, в том числе находящихся в Периодической системе после урана.
Дальнейшее развитие получил органический синтез. Во второй половине ХХ
века искусственным путем были получены такие сложные природные вещества как
хлорофилл и инсулин. Современная химия стала величайшей «производительной
силой». Это выражается не только в многотоннажном производстве разнообразных
химических продуктов. Стремительно растет число новых химических соединений, главным
образом, органических.
Еженедельно в мире синтезируется не менее 10 тысяч новых веществ.
Естественно, лишь немногие из них вызывают интерес и находят практическое
применение, но ведь никто не знает, какое именно вещество понадобится завтра.
Так что классическое определение химии может быть расширено: химики не только
изучают вещества и их превращения, но и постоянное получают новые, ранее
неизвестные. Постоянно разрабатываются новые химические материалы, необходимые
для современной промышленности, техники, медицины и других сфер человеческой
деятельности.
Список литературы
1.
Горелов А.А. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для
студентов высших учебных заведений, обучающихся по гуманитарным специальностям.
– М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2002.
2.
Концепция современного естествознания: Под ред. профессора С.И. Самыгина.
Изд. третье. Ростов н/Д: «Феникс», 2001 – 576 с.
3.
Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. Учебное пособие.
М.,1999.