Методическая разработка по теме «Основные концепции химии» дисциплины «Концепции современного естествознания»

Кислинский В.Б.
Сызранский филиал
ФГБОУ ВПО
«Самарский государственный экономический университет»
2016 год


Химические процессы, их энергетика.
Основные концепции в химии.

Одной из важнейших для человека естественных наук является химия.
Химия – наука о составе, внутреннем строении и превращении вещества, а также о механизмах этих превращений.
Огромная важность этой науки объясняется тем, что химические превращения сопровождали человека с момента появления первых представителей вида Homo sapiens. Человек имеет дело с химией в двух её основных формах. Первая – это химические превращения, происходящие внутри человеческого тела и лежащие в основе всех биологических процессов. Человек не может жить без воды, кислорода, множества разнообразных химических соединений, получаемых с пищей. Кроме того, человек постоянно сталкивается с химией в процессе материального производства, когда создаёт из природного сырья необходимые вещества и предметы. Поэтому уже в глубокой древности началось практическое использование результатов химических превращений: кожа, стекло, керамика, выплавленные из руд металлы - все это искусственные материалы, пользоваться которыми человек смог посредством достижений химии. А реакция горения стала первым химическим процессом, освоенным человечеством для преобразования окружающей среды.

1. Возникновение химии как науки.

Происхождение термина «химия» точно не выяснено до сих пор, хотя по этому вопросу существует несколько версий. Согласно одной из них, название «химия» произошло от египетского слова «хеми», что означает «чёрная земля». Поэтому многие историки науки называют химию «египетским искусством». По этой версии химия означает искусство производства необходимых веществ. По другой версии, слово «химия» выводится из греческого термина «химос», переводимого как «сок растений». То есть химия означает искусство получения соков, в том числе расплавление металлов. Так что химия может пониматься как искусство металлургии.
Первоначально наибольший вклад в развитие этой науки внесли древние египтяне, а также древние вавилоняне и халдеи. В тот период времени зародилась алхимия, которая ещё не была наукой в современном понимании. Тем не менее, в её рамках были накоплены важнейшие знания и умения, составившие фундамент современной химии. Начала алхимии связывают с именем легендарной личности – Гермеса Трисмегиста («Трижды величайшего»). Считается, что учение Гермеса было изложено им в 42 тайных книгах. В этих книгах содержится знаменитая «Изумрудная скрижаль», где в аллегорической форме описан философский камень, с помощью которого можно превращать неблагородные металлы в благородные (золото и серебро). Он также даровал владельцу вечную жизнь и вечную молодость.
Основополагающую роль в становлении алхимии сыграли античные идеи о том, что всё в мире состоит из вечных и постоянных четырёх элементов-стихий: земли, воздуха, воды и огня. Наиболее основательно эта точка зрения была разработана древнегреческим философом Эмпедоклом в V в. до н.э. Он считал, что все тела на Земле различаются только по характеру сочетаний этих элементов. Такое предположение о взаимозаменяемости элементов послужило основой для получения ряда важных практических результатов. В частности, греко-египетские алхимики улучшили процесс очистки золота путём купеляции - нагревания богатой золотом руды со свинцом и селитрой.
Однако в период правления императора Диоклетиана алхимия стала преследоваться, так как римский император боялся, что получение дешёвого золота окончательно подорвёт шаткую экономику империи. Он приказал уничтожить все труды по алхимии. Свою роль в запрете алхимии сыграло и раннее христианство. Оно рассматривало алхимическую практику как дело дьявола. Новый импульс развитию алхимии дали в средние века арабы, среди которых самым талантливым и прославленным был Джабир ибн Хайям, известный в Европе под именем Гербер. В основу алхимии он положил гипотезу о сложности металлов, которые являются телами меняющейся природы и состоят из ртути и серы. Гербер считал, что ртуть – самый чистый из всех металлов, так как благодаря своей жидкой форме содержит мало примесей. Сера, по его мнению, обладала необычным свойством – способностью самостоятельно воспламеняться. В силу сложности строения металлов, им можно было придать недостающие элементы, убрать имеющиеся в избытке, тем самым, осуществляя практические превращения металлов друг в друга, в том числе, в золото.
Помимо теоретических исследований Гербер оставил труды, в которых описал нашатырный спирт, технологию приготовления свинцовых белил, способ перегонки уксуса для получения уксусной кислоты.
В период зрелого Средневековья алхимия получила быстрое распространение в Европе благодаря крестовым походам. В период с XI по XVI вв. западная алхимия дала много крупных мыслителей. Алхимиками были философ Роджер Бэкон и знаменитый схоласт Альберт Великий. Даже выдающийся средневековый богослов Фома Аквинский одобрял алхимию. В поисках философского камня алхимики научились проводить самые разнообразные химические реакции, прибегали к обжигу, возгонке, кристаллизации, сцеживанию. Заслугой западноевропейских алхимиков стало открытие серной и азотной кислот. Из их достижений также следует назвать изучение продуктов брожения и получение чистого спирта путём перегонки крепких вин. Заслугой алхимиков также является создание различных аппаратов и лабораторной посуды.
В период XVI – XVII вв. начался переходный процесс от алхимии к научной химии, получивший название ятрохимии – течения в медицине, которое своей задачей считало поиски философского камня для нахождения лекарства от всех болезней (панацеи). Основателем ятрохимии стал швейцарец Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм, родившийся в 1493 г. и вышедший в историю под именем Парацельс. Парацельс свято верил, что если человеческое тело состоит из особых веществ, то происходящие в них изменения должны вызывать болезни. Эти болезни можно излечить лишь путём применения лекарств, восстанавливающих нормальное химическое равновесие. В своих научных изысканиях Парацельс исходил из алхимической теории о трёх составных частях материи – ртути, серы и соли, которым соответствовали основные свойства материи – летучесть, горючесть и твёрдость. Эти три элемента составляли основу как макрокосма (вселенной), так и микрокосма (человека), состоявшего из духа, души и тела. Определяя причины болезней, Парацельс утверждал, что они заключаются в изменении соотношения данных элементов. Лихорадка, по его мнению, происходила от избытка в организме серы. Избыток ртути вызывал паралич, излишек соли – расстройство желудка. Задача врача заключалась в том, чтобы выяснить эти соотношения и восстановить нормальное сочетание необходимых элементов, для чего и нужно использовать лекарства соответствующего состава.
Ятрохимия принесла большую пользу химии, так как способствовала её освобождению от влияния алхимии. Кроме того, она существенно расширила знания о важных соединениях, дав толчок развитию фармацевтики. Однако её связь с алхимией была слишком прочна. По этой причине в XVII-XVIII вв. ряд исследователей избрали другие направления, внедряя результаты в жизнь. В частности, последствием важнейших технических изобретений Нового времени стал повышенный интерес к изучению процессов горения. Немецкий врач и исследователь Георг Шталь предложил теорию флогистона (от греческого слова «флогистос» - горючий, воспламеняющийся). Эта теория базировалась на убеждении, что горючие вещества богаты особым горючим веществом (флогистоном). Чем больше флогистона содержит данное тело, тем более оно способно к горению. После завершения процесса горения и выделения флогистона остаются другие составные части вещества. Такое понимание процесса горения позволило дать объяснение процессу превращения руд в металлы. Фактически это было первое теоретическое открытие в области химии. Шталь считал, что руда, в которой содержание флогистона незначительно, нагревается на древесном угле, богатом флогистоном. При этом флогистон переходит из древесного угля в руду, в результате чего древесный уголь превращается в бедную флогистоном золу, а руда – в металл, богатый флогистоном. С начала XVIII века флогистонная теория была повсеместно принята последователями. На вооружение исследователей был принят экспериментальный метод в качестве основного критерия научности теорий. В результате этого удалось окончательно вытеснить алхимию, лишив её ореола научности. В поисках флогистона учёные перебрали множество элементов. И хотя флогистонная теория оказалась ложной, она дала толчок множеству новых исследований и открытий. Среди них были точные количественные методы анализа вещества, а также открытие настоящих химических элементов – фосфора, кобальта, никеля, водорода, кислорода и других.

2. Научная химия.

Основы современной химии были заложены в XVII веке английским учёным Робертом Бойлем. Именно он превратил химию в науку. Он дал первое определение химического элемента (1661 год) и положил начало анализу как ведущему методу химии. Основываясь на результатах своих экспериментов, Бойль сделал важный вывод: качество и свойства вещества зависят от того, из каких химических элементов оно состоит.
Таким образом, была определена основная задача химии – разложение соединений на составные части и поиски чистых химических элементов. В результате к концу XVIII века было известно 18 химических элементов, а в XIX в. – 49.
Но подлинным отцом современной химии стал французский учёный Антуан - Лоран Лавуазье. Именно он систематизировал большой объём экспериментальных данных, накопленных в химии к концу XIII в. Процесс горения Лавуазье представлял как переход газа из руды в уголь. Он зафиксировал, что в герметичном сосуде после завершения горения происходит окисление металла, а также уменьшение количества воздуха на 1/5, причём оставшийся воздух горения уже не поддерживал. В результате был сделан вывод, что если учитывать все вещества, участвовавшие в химической реакции, то изменений в весе не будет никогда. Этот вывод, известный сегодня как закон сохранения массы Ломоносова – Лавуазье, стал основой для развития химии в XIX веке.
Открытие в 1774 году Пристли и Шееле кислорода позволило окончательно решить проблему горения. Лавуазье пришёл к выводу, что воздух является смесью двух газов. Тот газ, который составляет 1/5 воздуха и соединяется с горящими и ржавеющими предметами, переходит из руд в древесный уголь и необходим для жизни, он назвал кислородом, т.е. порождающим кислоты, т.к. ошибочно полагал, что кислород – компонент всех кислот. Второй газ, составляющий 4/5 воздуха, назвали азотом – безжизненным, т.к. он не поддерживал горения.
В 1767 году английский физик Кавендиш открыл водород. После этого Лавуазье показал, что продуктом горения водорода является вода. Так было доказано, что вода есть продукт соединения двух газов – водорода и кислорода. Объяснение состава воды стало решительным ударом по теории флогистона. Одним из первых Лавуазье стал анализировать органические соединения и обнаружил, что они состоят из водорода, углерода и кислорода. Он дал первые примеры органического анализа.
Проблема химического состава вещества была главной в развитии химии вплоть до 30-40-х годов XIX века. Огромную роль в решении этой задачи сыграли французский учёный Ж. Пруст и английский учёный Дж. Дальтон.
Ж. Пруст в 1801 году установил закон постоянства состава, согласно которому любое химическое соединение обладает строго определённым, неизменным составом – прочным притяжением составных частей (атомов) и тем самым отличается от смесей. Таким образом, Пруст сделал вывод, что всякое чистое вещество независимо от его происхождения и способа получения имеет один и тот же состав. Дж. Дальтон дал теоретическое обоснование закона Пруста. Он показал, что все вещества состоят из молекул, а все молекулы в свою очередь – из атомов, и что состав любого вещества можно представить как простую формулу типа АВ, АВ2, А2В3 и т.д., где символы А и В обозначают названия атомов, из которых состоит молекула. В 1803 году Дж. Дальтон сформулировал закон кратных отношений:
если определённое количество одного элемента вступает в соединение с другим элементом в нескольких весовых отношениях, то количества элементов соотносятся между собой как целые числа.
Он считал, что все атомы каждого отдельного элемента одинаковы и обладают определённым весом (атомным весом). В качестве условной единицы атомного веса Дальтон принял атомный вес водорода – самого лёгкого из всех элементов, а затем сопоставил с ним вес других элементов. Им была составлена первая таблица атомных весов.
Следующий шаг в развитии химической атомистики сделал И.Я. Берцелиус. В частности, в 1814 году он ввёл в употребление символы для обозначения химических элементов и химических реакций. Его система химической символики содействовала развитию химии. В качестве символа элемента принимается первая буква его латинского или греческого названия. В тех случаях, когда названия двух или более элементов начинались с одних и тех же букв, к ним добавлялась вторая буква названия. Система эта используется во всём мире до сих пор.
Ещё одним вкладом Берцелиуса в развитие химии является разделение им всех веществ на органические и неорганические. Вещества неживой природы могли выдержать жёсткую обработку, и именно их Берцелиус назвал неорганическими. А вещества живой или некогда живой материи такой обработки не выдерживали, и их он назвал органическими. Во многих своих проявлениях эти две группы веществ вели себя принципиально различным образом. Например, органические вещества при нагревании легко превращались в неорганические. Возможность обратного перехода была установлена гораздо позднее. В XIX веке в науке господствовал витализм – учение, рассматривающее жизнь как особое явление, подчиняющееся не законам природы, а влиянию особых сил. Поэтому утверждалось, что для превращения неорганических веществ в органические необходимо какое-то особое воздействие («жизненная сила»), которое проявлялось только внутри живой ткани.
В 1852 году английский химик Э. Франклин предложил теорию валентности, в соответствии с которой каждый атом обладает определённой способностью к насыщению (валентностью). Исходя из этой теории, немецкий химик Кекуле показал, что углерод четырёхвалентен и что его атомы могут соединяться друг с другом в цепи. Кекуле ввёл в оборот новый химический термин – фодство. Им он обозначил количество атомов водорода, которые могли заместить данный химический элемент. Число единиц фодства, присущее элементу, Кекуле назвал валентностью атома. В 1858 году он представил строение наиболее простых молекул. Стало ясно, что органические молекулы значительно больше и сложнее, чем неорганические. Структурные формулы нашли широкое применение в химии.
В 1861 году российский химик А.М. Бутлеров создал и обосновал теорию химического строения вещества, согласно которой свойства вещества определяются порядком связей атомов в молекулах и их взаимным влиянием.
Основоположником системного подхода в химии стал российский химик Д.И. Менделеев. Для характеристики всех химических элементов в качестве системообразующего принципа он выбрал атомный вес. Все элементы Менделеев разделил на периоды, поэтому его система получила название «периодической таблицы элементов». Первый период включал только водород, затем следовали два периода по семь элементов, а затем шли периоды, содержащие более семи элементов. Такая периодическая система элементов была яснее и нагляднее, чем график. Благодаря форме таблицы мировое сообщество отдало приоритет в открытии периодической таблицы именно Менделееву, хотя в то время многие учёные также систематизировали элементы, но в других формах.
Периодический закон позволил Менделееву предсказать существование новых, ещё не открытых элементов (в его время было известно всего 62 химических элемента), а также с большой точностью описать их свойства – атомную массу, удельный вес, теплоёмкость и пр. Уже вскоре были открыты элементы галлий, скандий и германий. Кроме того, периодический закон позволил Менделееву обнаружить ошибки в определении атомных масс некоторых известных элементов (уран, титан и др.).
Хотя классификация Менделеева была выдающимся научным достижением, получила широкое признание и стала подлинно научной системой, она не была идеальной и совершенной. К настоящему времени разработано более 200 её вариантов. По мере совершенствования периодическая таблица завоёвывала у химиков авторитет, так как объясняла многие факты, а главное, указала на наличие глубокой связи между различными элементами, выводила свойства химических элементов из их порядкового номера в таблице.

3. Современная теоретическая химия.

После того, как в 1911 г. Э. Резерфорд открыл атомные ядра и предложил планетарную модель атома, началась успешная разработка теории строения атома, появились новые представления об электрической природе химических сил. С этого момента атом стал считаться сложной квантовомеханической системой, состоящей из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки.
В 1913 г. Г. Мозли связал положение элемента в периодической системе с его рентгеновским излучением. Он сделал вывод о численном равенстве атомного номера химического элемента заряду атомного ядра этого элемента, а, следовательно, общему числу электронов в оболочке нейтрального атома. Ещё более глубокое понимание периодического закона было достигнуто после работ Н. Бора, который показал, что по мере перехода от элементов с меньшими порядковыми номерами к элементам с большими порядковыми номерами идёт заполнение электронами оболочек, все дальше расположенных от ядра. При этом периодически повторяется структура внешних электронных конфигураций, что и определяет периодичность химических и физических свойств элементов и их соединений.
Обнаружение изотопов – разновидностей одного химического элемента, отличающихся друг от друга атомными массами, показало окончательно, что не атомная масса (как полагал Менделеев), а заряд ядра определяет место элемента в периодической системе.
Получила своё объяснение валентность химических элементов. Оказалось, что она определяется числом электронов на внешней электронной оболочке, поэтому эти электроны стали называть валентными. В 1916 году появились первые теории химической связи – взаимного притяжения атомов, приводящего к образованию молекул. Было установлено, что существуют ковалентные неполярные, ковалентные полярные и ионные химические связи, отличающиеся характером физического взаимодействия частиц между собой.
Современная теоретическая химия основана на учении о строении вещества, базирующимся на достижениях квантовой механики и статической физики. Происходит открытие и изучение новых, качественно различных химических частиц. При изучении электролиза были обнаружены особые электрически заряженные частицы, состоящие из атомов и молекул, - ионы. Выяснено, что ионы являются структурными единицами многих кристаллов, они существуют в растворах, в атмосфере и т.п.
В начале XX века химики открыли радикалы как ещё одну форму химического вещества. Они образуются из молекул путём отщепления отдельных атомов или групп и содержат атомы элементов в валентном состоянии, обусловленном наличием одиночных электронов, что является причиной их исключительной химической активности.
К своеобразной форме химического вещества относятся также макромолекулы. Они состоят из сотен и тысяч атомов и в результате приобретают, в отличие от обычной молекулы, качественно новые свойства.
Характерный для современной химии процесс глубокой внутренней дифференциации в основном определён именно этим качественным многообразием химических веществ. Их строение, превращение и свойства стали предметом изучения специальных химических наук: электрохимии, химии полимеров, коллоидной химии, химии высокомолекулярных соединений и пр.
Применение методов квантовой механики в химических исследованиях привело к возникновению квантовой химии. Квантовомеханические представления привели к появлению учения об абсолютных скоростях химических реакций, которое легло в основу химической кинетики. Ядерные превращения и сопутствующие им физико-химические явления стали объектом изучения ядерной химии и радиохимии. Влияние магнитных полей на химические процессы исследуют электрохимия и магнитохимия. Изучение взаимодействия вещества с плазмой дало начало плазмохимии. Химия полимеров изучает синтез и свойства высокомолекулярных соединений.
Больших успехов добилась органическая химия. Она сложилась в самостоятельную науку ещё во второй половине XIX века, чему способствовало накопление большого эмпирического и теоретического материала о соединениях углерода и его производных. Главным фактором для всех органических соединений являются особенности валентного состояния углерода – способность его атомов связываться между собой как одинарной, так и двойной, тройной связями в длинные линейные и разветвлённые цепи. Благодаря этому возможности получения органических соединений практически безграничны.
В современной химии накапливаются данные о химической эволюции вещества во Вселенной, что позволяет сформировать общую картину эволюции природы. На этом пути происходит активная интеграция химии с другими естественными науками, прежде всего, с физикой, биологией, геологией и пр.

4. Энергетические эффекты и скорости химических реакций.

Развитие современной науки подтвердило глубокую естественную связь между химией и физикой. Они практически изучают одни и те же объекты, но только каждая наука видит в них свой предмет исследования. Сопровождение каждой химической реакции механическим перемещением молекул реагирующих веществ, выделением или поглощением тепла за счёт разрыва при образовании связей в новых молекулах убедительно свидетельствуют о тесной связи физических и химических явлений. В частности, энергетика химических процессов тесно связана с уже рассмотренными ранее законами термодинамики.
Химические реакции, протекающие с выделением энергии (обычно в виде тепла и света), называются экзотермическими реакциями.
Химические реакции, протекающие с поглощением энергии, называются эндотермическими реакциями.
При горении одновременно с выделением тепла происходит уменьшение внутренней энергии системы. В эндотермических реакциях происходит увеличение внутренней энергии системы за счёт притока тепла извне. Измеряя количество энергии, выделяющейся при реакции (тепловой эффект химической реакции), можно судить об изменении внутренней энергии системы. Тепловой эффект обычно измеряется в килоджоулях на моль (кДж/моль). Следствием первого закона термодинамики является закон Гесса:
тепловой эффект реакции зависит только от начального и конечного состояния вещества и не зависит от промежуточных стадий процесса.
Химические реакции протекают с разными скоростями. Свеча, находящаяся в воздухе, не вступает с ним во взаимодействие, но, если её зажечь, начинается реакция. Кусок железа ржавеет, т.е. реагирует с воздухом, очень медленно, а кусок белого фосфора на воздухе воспламеняется и т.д. Скорость реакции зависит от:
природы реагирующих веществ;
концентрации реагирующих веществ;
температуры.
Реакции, при которых не происходит перераспределения связей, обычно при комнатной температуре протекают быстро. Если же при реакции происходит разрыв связей, то они при комнатной температуре протекают медленно.
Во многих случаях при повышении концентрации реагирующих веществ скорость реакции возрастает. Это обусловлено тем, что число столкновений между частицами – атомами, молекулами или ионами – становится больше. А столкновение частиц – необходимое условие протекания химической реакции. Именно в результате столкновений происходит перегруппировка атомов и образование новых связей, в результате чего образуются новые вещества.
Температура заметно влияет на скорость химических реакций, т.к. её повышение увеличивает скорость движения реагирующих частиц и, следовательно, ведёт к увеличению числа их столкновений.
Многие реакции протекают очень медленно, если просто смешать реагирующие вещества, но их можно значительно ускорить путём введения некоторых других веществ, называемых катализаторами. При реакции они не расходуются. Катализатор только ускоряет реакцию, которая может происходить и без него, но значительно медленнее. Очень большое число катализаторов, называемых ферментами, содержится в живых тканях. Наиболее известные ферменты пищеварительной системы – птиалин, содержащийся в слюне, и пепсин, вырабатываемый поджелудочной железой. Оба эти фермента способствуют разрушению больших молекул, например, крахмала и белка, на более простые молекулы, которые уже могут непосредственно усваиваться клетками организма. Поиск подходящего катализатора для конкретной реакции требует большой экспериментальной работы.
Если свойства системы не изменяются по истечении определённого промежутка времени, то такое состояние систем называют равновесием. Равновесие характеризуется постоянством макроскопических свойств. Равновесие может осуществляться только в замкнутой системе, содержащей постоянное количество вещества при постоянной температур. Постоянство свойств обусловлено равновесием между двумя противоположными процессами, которые не прекращаются и после установления равновесия, - растворимостью и осаждением (прямой и обратной реакциями). При равновесии эти процессы взаимно уравновешиваются, поэтому никаких макроскопических изменений не наблюдается.
Факторами, влияющими на состояние равновесия, являются концентрация и температура. Равновесие достигается, когда скорости прямой и обратной реакций становятся одинаковыми. Так как катализатор оказывает одинаковое влияние на скорости прямой и обратной реакций, то он не изменяет состояния равновесия. А вот при изменении концентрации реагирующих веществ или температуры будет изменена равновесная концентрация и, соответственно, система придёт в движение. Предсказать, в каком направлении будет смещаться равновесие, можно с помощью принципа, впервые сформулированного в 1884 г. французским химиком А. Ле Шателье:
если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-либо из условий, определяющих равновесие, то равновесие смещается в том направлении, в каком эффект воздействия уменьшается.
Таким образом, можно отметить следующие характерные черты химических реакций:
Химические реакции протекают самопроизвольно в направлении достижения равновесия.
Фактором, определяющим состояние равновесия, является энергия. Равновесие стремится сместиться в сторону образования веществ с минимальной энергией.
Другим фактором, определяющим состояние равновесия, является температура, характеризующая беспорядочность движения частиц. Равновесие стремится сместиться в сторону максимальной беспорядочности движения.
Состояние равновесия определяется одновременно обоими факторами: минимальной энергией и максимальной беспорядочностью движения частиц.

5. Первая концепция химии.

С точки зрения современного состояния естествознания, можно выявить общие закономерности развития химического знания, описать его основные концептуальные системы.
Системообразующим началом химии является так называемая основная двуединая проблема химии:
получение веществ с заданными свойствами и выявление способов управления свойствами вещества.
Эта проблема не теряет своего значения и в наши дни. В разные исторические эпохи задача решалась по-разному. Важнейшей её особенностью является то, что она имеет всего четыре способа решения, обусловленных тем, от каких факторов зависят свойства вещества. А они зависят от четырёх факторов:
от элементного и молекулярного состава вещества;
от структуры молекул вещества;
от термодинамических и кинетических условий;
от уровня химической организации вещества.
Так как способы решения основной проблемы химии появлялись хронологически последовательно, то, соответственно, в истории химии можно выделить четыре последовательно сменявших друг друга этапа. На каждом этапе формировалась своя концептуальная система знаний. Концепции химии можно представить наглядно в виде схемы:
XVII век – учение о составе вещества;
XIX век – структурная химия;
до 60-х гг. XX века – учение о химических процессах;
с 60-х годов XX века – эволюционная химия.
При этом каждая новая система, или концепция, не отрицает предыдущую, а наоборот, опирается на неё и включает в себя в преобразованном виде.
Первый способ решения проблемы происхождения свойств вещества появился во второй половине XVII века в работах английского учёного Р. Бойля. Его исследования показали, что качества и свойства тел не имеют абсолютного характера и зависят от того, из каких химических элементов эти тела составлены. Наименьшими частичками вещества у Бойля были атомы, или, как он их называл, minima naturalia. Эти частицы могли связываться друг с другом, образуя более крупные соединения, - кластеры. В зависимости от объёма и формы кластеров, от того, находились ли они в движении или покоились, тела обладали теми или иными свойствами. Отметим, что сегодня вместо термина «кластер» используется понятие «молекула». Р. Бойль дал также в 1660 г. первое определение химического элемента, представляя его как простое тело, предел химического разложения вещества, переходящем без изменения из состава одного сложного тела в другое. Сейчас можно дать более точные определения этим основным понятиям. С точки зрения квантовой механики,
атом – сложная квантомеханическая система, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки;
химический элемент – все атомы, имеющие одинаковый заряд ядра.
Однако атомы с одинаковым зарядом ядра могут отличаться величиной атомной массы.
Изотопами называют разновидности химического элемента, у которых ядра атомов содержат одинаковое число протонов (т.е. имеют одинаковый заряд), но различное число нейтронов (т.е. отличаются массой).
Сам термин «изотоп» был введён в 1910 году Фредериком Содди, известным английским радиохимиком, лауреатом Нобелевской премии. В настоящее время выяснена особая роль внешнего электронного уровня атома, от количества электронов на котором зависит реакционная способность элемента – химическая активность вещества, учитывающая как разнообразие реакций, возможных для данного вещества, так и их скорость. Наиболее активными с химической точки зрения являются элементы, имеющие минимальную атомную массу и 6-7 электронов на внешнем электронном уровне (фтор, хлор, кислород). Это вызвано тем, что они стремятся достроить свою электронную оболочку путём присоединения недостающего числа электронов. Также большой реакционной способностью отличаются металлы, обладающие большой атомной массой и имеющие 1-2 электрона на внешнем электронном уровне, стремящиеся отдать их.
Первым был открыт химический элемент фосфор в 1669 г., потом кобальт, никель и др. Открытие кислорода Лавуазье позволило отказаться от теории «флогистона» и существенно продвинуться вперёд в идентификации элементов. Во времена Менделеева было известно всего 62 химических элемента. В 30-е годы XX века таблица Менделеева включала 88 элементов, а всего в ней было 92 клетки. Сегодня науке известны 110 химических элементов, и химиков продолжает волновать вопрос, сколько всего элементов в таблице Менделеева. Предполагается, что на первоначальной стадии развития Земли существовали трансурановые элементы с порядковыми номерами до 106 (номер урана – 92). Такие элементы имели небольшую продолжительность жизни по сравнению с возрастом Земли и поэтому полностью распались, не сохранившись до наших дней. Все трансурановые элементы, начиная с нептуния, были получены искусственным путём в ядерных реакторах. В настоящий момент химики предполагают, что возможные элементы с порядковыми номерами между 114 и 164 должны обладать неожиданно высокой стабильностью. Здесь не исключают получение изотопов с периодом полураспада 100 млн. лет. Предполагается, что свойства элементов с номерами 112-118 должны быть аналогичны свойствам элементов в ряду ртуть-радон. Если эти элементы будут получены, их можно будет использовать в промышленном производстве и в энергетике.
Распределение элементов в Земле крайне неравномерно. 98,6% массы физически доступного слоя Земли составляют всего восемь химических элементов: кислород (47%), кремний (27,5%), алюминий (8,8%), железо (4,6%), кальций (3,6%), натрий (2,6%), калий (2,5%), магний (2,1%). Но и эти элементы используются непропорционально. Например, железа содержится на Земле в два раза меньше алюминия, однако более 95% всех металлических изделий изготовляются из железорудного сырья. Поэтому в современной химии важнейшей задачей является рациональное использование имеющихся ресурсов. В последнее время возросла роль редких металлов – титана, рубидия, тантала и других. Использование редких металлов в качестве добавок позволяет намного улучшить свойства применяемых в промышленности материалов. Технический прогресс производства требует создания новых материалов, обладающих уникальными свойствами. Кроме того, в связи с истощением природных ресурсов возникает необходимость в замене старых традиционных материалов новыми и более доступными. Например, во второй половине XX века было налажено производство жаропрочного стекла, способного выдержать перепад температур до 1000 градусов Цельсия. Было получено стекло, которое можно обрабатывать как обычный металл. А композиционные материалы, изготовленные из химически обработанного стекла со слоями пластика, обладают прочностью металла (бронестекло). Производится огромное количество стекловолокнистых материалов, которые используются для армирования, отделки, склеивания, изолирования и т.п. Некоторые виды стекловолокна применяются в качестве светопровода, по которому можно передавать гигантское количество информации. Появились стёкла с полупроводниковыми свойствами.
Благодаря химии сейчас открывается всё больше возможностей для замены металлов керамикой. Очевидное преимущество керамики в том, что её плотность на 40% меньше, чем плотность металлов, что позволяет существенно снизить массу изделий. Ещё в 60-е годы XX века в нашей стране был получен сверхтвёрдый материал гексаний – одна из разновидностей нитрида бора с температурой плавления 3200 градусов Цельсия и твёрдостью, как у алмаза. В последние годы была синтезирована огнеупорная, термостойкая, кислотоустойчивая керамика с набором заданных электрофизических свойств.
Ещё одна революционная новация в химии – производство элементоорганических соединений. Это соединения, в состав которых входят как органические элементы (углерод, водород, азот, кислород), так и производные ряда других химических элементов (фтора, кремния, лития, цинка и т.д.). Химия кремнийорганических соединений лежит в основе производства полимеров, обладающих ценными свойствами и незаменимых в авиации и энергетике. Фторорганические соединения исключительно устойчивы даже в очень агрессивных средах кислот и щелочей и к тому же обладают особой поверхностной активностью, способностью поглощать кислород и перекиси, поэтому изделия из фторуглерода являются материалом для изготовления внутренних органов человека.
Сегодня на смену старым материалам во всех областях хозяйства приходят новые. Это связано с тем, что новые материалы более эффективны, кроме того, обостряется дефицит традиционных видов сырья (нефти, газа, металлов, древесины). Поэтому исследования учёных направлены на изучение и использование силикатов, составляющих 97% массы земной коры. Именно они должны стать основным сырьём для производства необходимых материалов.

6. Вторая концепция химии.

К середине XIX века в промышленности мануфактурное производство сменилось фабричным, опирающимся на машинную технику и широкую сырьевую базу. В химическом производстве стала преобладать переработка огромных количеств вещества растительного и животного происхождения. Их качественное разнообразие потрясающе велико – сотни тысяч различных соединений, состав которых, однако, крайне однообразен: в их состав входят несколько элементов – углерод, водород, кислород, сера, азот, фосфор. Объяснение такому широчайшему разнообразию органических соединений было найдено с помощью таких явлений, как изомерия и полимерия. Стало ясно, что свойства веществ обусловлены не только составом, но ещё и структурой молекул. Так было положено начало формированию новой химической системы знаний, получившей название «структурная химия». При этом химия из науки преимущественно аналитической превратилась в науку синтетическую. Главным достижением этого этапа стало установление связи между структурой молекул и реакционной способностью веществ.
Основы структурной химии были заложены ещё Дж. Дальтоном, который показал, что любое химическое вещество представляет собой совокупность молекул, состоящих из определённого количества атомов одного, двух или трёх химических элементов. Затем И. Берцелиус выдвинул идею, что молекула представляет собой не простое нагромождение атомов, а определённую структуру атомов, связанных между собой электростатическими силами. В 1857 году немецкий химик А. Кекуле предложил новый термин - сродство, которое обозначает количество атомов водорода, способных заместить данный химический элемент. При объединении атомов в молекулу происходит замыкание свободных единиц сродства. Таким образом, понятие «структура молекулы» свелось к построению наглядных схем типа

Н

Н С Н

Н

Рис. Структурная формула метана СН4.

Комбинируя атомы различных химических элементов с их единицами сродства, можно создать структурные формулы любого химического соединения. А это означает, что химик в принципе может создавать план синтеза любого химического соединения – как известного, так и ещё неоткрытого. Однако часто придуманная реакция, которая должна была привести к получению искомого вещества с нужной структурной формулой, не происходила. Это было обусловлено тем, что не учитывалась реакционная способность реагирующих веществ.
Поэтому важнейшим шагом в развитии структурной химии стало появление теории химического строения органических соединений российского химика А.М. Бутлерова. Бутлеров также считал, что образование молекул происходит за счёт замыкания свободных единиц сродства, но при этом он указывал на то, с какой энергией (большей или меньшей) это сродство связывает атомы. Другими словами, Бутлеров впервые обратил внимание на энергетическую неравноценность разных химических связей. Его теория показывала взаимное влияние атомов в структуре молекулы и этим объясняла химическую активность одних веществ и пассивность других.
В XX веке структурная химия получила дальнейшее развитие. В частности, уточнили понятие структуры, под которой стали понимать устойчивую упорядоченность качественно неизменной структуры. Было введено понятие атомной структуры – устойчивой совокупности ядра и окружающих его электронов, и молекулярной структуры – сочетания атомов, имеющих определённое расположение в пространстве и связанных друг с другом химической связью с помощью валентных электронов.
На основе достижений структурной химии стал бурно развиваться органический синтез. Сам термин появился в 60-80-е годы XIX века и стал обозначать область деятельности, связанную с производством новых веществ. Из каменноугольной смолы и аммиака были получены новые красители – фуксин, анилиновая соль, ализарин, позднее – взрывчатые вещества и лекарственные препараты. За вторую половину XIX века число органических соединений за счёт вновь синтезированных возросло с полумиллиона до двух миллионов. Современная структурная химия достигла больших успехов. Ежегодно в мире синтезируют тысячи килограммов аскорбиновой кислоты, множество новых лекарств, среди которых, например, антибиотики и т.д.
Одно из последних достижений структурной химии – открытие нового класса металлоорганических соединений, получивших название «сэндвичевых». Молекула такого вещества представляет собой две пластины из соединений водорода и углерода, между которыми находится атом какого-либо металла.
Однако развитие химии показало более точно возможности и пределы структурной химии. На её уровне не представлялось возможным получение этилена, ацетилена, бензола и других углеводородов из парафиновых углеводородов. Большое количество реакций синтеза, основанных лишь на принципах структурной химии, имеют очень низкий выход продукции или требуют дорогостоящее сырьё.
Исследования в области современной структурной химии идут по двум перспективным направлениям:
- синтез кристаллов с максимальным приближением к идеальной решётке для получения материалов с высокими техническими свойствами: максимальной прочностью, термостойкостью и т.п.;
- создание кристаллов с заранее запрограммированными дефектами для производства материалов с заданными электрическими, магнитными и другими свойствами.
Для решения таких сложных задач используются, например, орбитальные космические станции, для того, чтобы исключить влияние гравитации.

7. Третья концепция химии.

Под влиянием новых требований производства возник третий способ решения проблемы генезиса свойств, учитывающий всю сложность организации химических процессов в реакторах и обеспечивающий их экономическую целесообразность. Химия становится наукой о процессах и механизмах изменения вещества. Благодаря этому она обеспечила крупное производство синтетических материалов. Производство искусственных волокон, каучуков, этилового спирта, растворителей стало базироваться на нефтяном сырье, а производство азотных удобрений – на основе азота воздуха. Появились крупные нефтехимические производства с высокопроизводительными процессами.
Столь впечатляющие успехи были достигнуты на основе учения о химических процессах. В его основе лежат химическая термодинамика и кинетика. Одним из основоположников учения о химических процессах стал российский химик Н.Н. Семёнов – лауреат Нобелевской премии, основатель химической физики. В своей Нобелевской лекции 1965 года он заявил, что химический процесс – это то основное явление, которое отличает химию от физики, делает её более сложной наукой. Химический процесс становится первой ступенью при переходе от простых физических объектов (электрон, атом, молекула) к сложным, многоуровневым, живым системам.
Учение о химических процессах утверждает, что:
способность к взаимодействию различных реагирующих веществ определяется также условиями протекания химических реакций.
Эти условия могут оказывать воздействие на характер и результаты химических реакций. Поэтому важнейшей задачей для химиков стало умение управлять химическими процессами, добиваясь нужных результатов.
Методы управления химическими процессами можно подразделить на термодинамические и кинетические, среди которых ведущую роль играют каталитические методы. Термодинамические методы влияют на смещение химического равновесия реакции. Кинетические методы изменяют скорость протекания химической реакции.
Формирование химической термодинамики связано с работой голландского химика Я. Вант – Гоффа «Очерки по химической динамике» (1884 г.). В ней сформулированы первые законы, устанавливающие зависимость направления химической реакции от температуры и теплового эффекта реакции. Тогда же французский химик А. Ле – Шателье сформулировал свой принцип подвижного равновесия. Основными рычагами управления реакцией выступают температура, давление и концентрация реагирующих веществ. Однако термодинамические методы преимущественно влияют на направление химических процессов, но не на их скорость.
Управлением скоростью химических процессов занимается химическая кинетика, которая изучает зависимость протекания химических процессов от строения реагентов, их концентрации наличия катализаторов, материала и конструкции реактора и т.п.
Явление катализа было открыто ещё в 1812 г. российским химиком К.С. Кирхгофом.
Катализ – ускорение химической реакции в присутствии особых веществ – катализаторов, которые взаимодействуют с реагентами, но в реакции не расходуются и не входят в конечный состав продуктов.
Каталитические процессы подразделяются на:
- гетерогенный катализ 13 EMBED Equation.3 1415 химическая реакция взаимодействия жидких или газообразных реагентов идёт на поверхности твёрдого катализатора;
- гомогенный катализ 13 EMBED Equation.3 1415 химическая реакция идёт либо в газовой смеси, либо в жидкости, где растворены как катализатор, так и реагенты;
- электрокатализ 13 EMBED Equation.3 1415 реакция идёт на поверхности электрода в контакте с раствором и под воздействием электрического тока;
- фотокатализ 13 EMBED Equation.3 1415 реакция идёт на поверхности твёрдого тела или в растворе и стимулируется энергией поглощённого излучения.
Например, реакция получения аммиака N2+3H213 EMBED Equation.3 14152NH3 весьма проста по составу элементов и своей структуре. Однако, начиная с 1813 года в течение целого столетия химики не могли провести её в законченном виде, так как не были известны средства управления ею. Только в 1918 году на основе работ Габера, К. Боша и А. Митташа был осуществлён синтез аммиака с помощью катализатора, представляющего собой металлическое железо с добавками окисей калия и алюминия при температуре 450-55013 EMBED Equation.3 1415 и давлении 300-1000 атмосфер.
На современном этапе химия открыла множество эффективных катализаторов. Среди них ионообменные смолы, металлоорганические соединения, мембранные катализаторы. Каталитическими свойствами обладают многие химические элементы, но важнейшую роль играют металлы платиновой группы и редкоземельные металлы. Тот же самый процесс синтеза аммиака при использовании металлоорганического катализатора удалось осуществить при обычной температуре (1813 EMBED Equation.3 1415) и нормальном атмосферном давлении, что открыло большие перспективы в производстве минеральных азотных удобрений.
Сейчас исследования в области управления химическими процессами направлены на разработку таких проблем, как химия плазмы, радиационная химия, химия высоких давлений и температур.
Химия плазмы изучает химические процессы в низкотемпературной плазме при температурах от 1000 до 10 00013 EMBED Equation.3 1415. В 70-х годах XX века были созданы плазменные сталеплавильные печи, позволяющие получать самые высококачественные металлы. Плазмохимия позволяет синтезировать ранее неизвестные материалы, такие, как металлобетон, превосходящий по своим качествам обычный бетон в десятки и сотни раз.
Одним из самых молодых направлений в исследовании химических процессов является радиационная химия, которая зародилась во второй половине XX века. Предметом её разработок стали превращения веществ под воздействием ионизирующих излучений. В результате радиационно-химических реакций материалы получают повышенную термостойкость и твердость.
Ещё одна область развития учения о химических процессах - химия высоких (свыше 100 атмосфер) и сверхвысоких (свыше 1000 атмосфер) давлений. Одним из её важнейших достижений стал синтез алмазов. Он идёт при давлении 50 000 атмосфер и температуре 200013 EMBED Equation.3 1415. При этом графит кристаллизуется алмазы. Сейчас ежегодно производятся тонны синтетических алмазов, которые лишь незначительно отличаются от природных по своим свойствам. Эти алмазы используются в режущем и буровом оборудовании. Удалось синтезировать чёрные алмазы – карбонадо, которые твёрже природных и используются для обработки самих алмазов. Из нитрида бора при давлении 100 000 атмосфер и температуре 200013 EMBED Equation.3 1415синтезирован боразон – материал, используемый для сверления и шлифования деталей из чрезвычайно твёрдых материалов.

8. Четвёртая концепция химии.

В 60-70-е годы XX в. появился четвёртый способ решения основной проблемы химии, открывающий пути использования в производстве материалов самые высокоорганизованные химические системы, какие только возможны в наше время. Данная концепция получила название «эволюционная химия», так как предметом исследования являются эволюционные процессы в химии:
эволюционными процессами в химии называют процессы самопроизвольного (без участия человека) синтеза новых химических соединений, являющихся более сложными и высокоорганизованными по сравнению с исходными веществами.
Обычно эволюционную химию заслуженно считают предбиологией, наукой о самоорганизации и саморазвитии химических систем.
Химики давно пытались понять, каким образом из неорганической безжизненной материи возникает органическая как основа жизни на Земле. И.Я. Берцелиус первым установил, что основой живого является биокатализ, т.е. присутствие различных природных веществ в химической реакции, способных управлять ею, замедляя или ускоряя её протекание. Эти катализаторы в живых системах, названные ферментами, определены самой природой. Поэтому была сформулирована цель создания химии, основанной на каталитическом опыте живой природы. Необходимо было разработать новые принципы управления химическими системами, в которых будет применяться синтез себе подобных молекул, по принципу ферментов созданы катализаторы с таким разнообразием качеств, которые превзойдут всё существующее в промышленности до сих пор.
Фактически зарождение эволюционной химии произошло в 1960-х годах, когда были открыты случаи самоулучшения катализаторов в ходе реакции, тогда как обычно в процессе работы они дезактивировались, ухудшались и выбрасывались. Именно тогда химики обратили внимание на процессы самоорганизации в химических системах. Изучение таких процессов привело к формированию двух подходов к анализу систем6 субстратному и функциональному.
В рамках субстратного подхода было указано, что при переходе к простейшим формам жизни шёл особый отбор таких химических элементов и их соединений, которые стали основным строительным материалом для образования биологических систем. Эти элементы получили название органогенов. Их всего шесть: углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера. Их суммарная весовая доля в структуре живого организма составляет 97,4%. За ними следуют 12 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важных биологических систем: натрий, калий, кальций, магний, алюминий, железо, кремний, хлор, медь, цинк, кобальт, никель. Их весовая доля в организме составляет 1,6%. Кроме того, ещё 20 элементов участвуют в построении отдельных биосистем, причём их доля около 1%. Все остальные элементы в построении биосистем практически не участвуют. Общая картина мира также убедительно свидетельствует об отборе элементов. В настоящее время химической науке известно около 8 млн. химических соединений. Из них 96% составляют органические соединения, которые образованы на основе тех же 6-18 элементов. А из остальных 90 элементов природа создала всего лишь около 300 тысяч неорганических соединений. Таким образом, можно сделать вывод, что определяющими факторами в отборе химических элементов являются требования:
- способность образовывать прочные и, следовательно, энергоёмкие связи;
- эти связи должны быть лабильными (изменчивыми), способными к образованию новых разнообразных связей.
Именно органоген номер один – углерод – в наилучшем виде отвечает этим требованиям.
В результате эволюции также происходил тщательный отбор химических соединений. Из миллионов органических соединений в построении живого участвуют лишь несколько сотен. Из ста известных аминокислот в состав белков входит только 20. Лишь по четыре нуклеотида ДНК и РНК лежат в основе всех сложных нуклеиновых кислот, ответственных за наследственность и регуляцию белкового синтеза в живом организме.
Сегодня ясно, что в ходе эволюции отбирались те структуры, которые способствовали резкому повышению активности и селективности действия катализаторов.
В рамках функционального подхода при анализе процессов основное внимание уделяется выявлению законов, которым подчиняются процессы самоорганизации химических систем. В 1964 г. российский учёный А.П. Руденко выдвинул теорию саморазвития открытых каталитических систем. В течение нескольких лет она была преобразована в общую теорию химической эволюции и биогенеза. Сущность этой теории в том, что эволюционирующим элементом являются катализаторы, а не молекулы. Процесс саморазвития химических катализаторов двигался в сторону их совершенствования, шёл постоянный отбор все новых катализаторов с большей реактивной активностью. А.П. Руденко сформулировал основной закон химической эволюции:
эволюционные изменения катализатора происходят в том направлении, где проявляется его максимальная активность.
Саморазвитие, самоорганизация и самоусложнение каталитических систем происходят за счёт энергии базисной реакции. Поэтому эволюционируют каталитические системы с большей энергией.
Теория развития каталитических систем открывает следующие возможности:
- выявление этапов химической эволюции и классификация катализаторов по уровню их организации;
- описание пределов химической эволюции и перехода к биогенезу;
- формирование принципиально нового метода изучения катализа.
Решением этих задач занимается новая наука – нестационарная кинетика. Развитие химических знаний позволяет надеяться на разрешение многих проблем, которые встали перед человечеством в результате его практической деятельности. Предполагается за счёт освоения катализаторов будущего полное и безотходное использование всех видов углеводородного сырья, а не только нефти. Уже есть предпосылки для использования фторуглеродов.
Можно говорить также о появлении химической картины мира – взгляда на природу с точки зрения химии. Её содержанием является:
- знание эпохи о том, что представляют собой объекты живой и неживой природы со стороны их химического содержания, сюда также входит учение о многообразии частиц вещества и его химической организации;
- представление о происхождении всех основных типов природных объектов, их естественной эволюции;
- зависимость химических свойств природных объектов от их структуры;
- общие закономерности природных процессов как процессов химического движения – взаимодействия реагирующих веществ друг с другом и окружающей средой;
- знание о специфических объектах, синтезируемых в практической деятельности.



Контрольные вопросы:
1. Чем определяются химические свойства вещества?
2. В чем заключается основная задача химии?
3. Какие реакции называются экзотермическим?
4. Сформулируйте закон Гесса.
5. От каких факторов зависит скорость химической реакции?
6. Укажите основные характерные черты химических реакций.
7. В чем состоит принцип Ле Шателье?
8. Определите основное содержание первой химической концепции.
9. В чем сущность теории Бутлерова?
10. Какие существуют методы управления химическими процессами?
11. Какие вещества называют катализаторами?
12. Что такое катализ?
13. Какую роль играет катализ в эволюции химических систем?
14. Какие функции выполняют ферменты?


Примерные темы рефератов:
1. Основные проблемы современной химии.
2. Развитие учения о составе вещества.
3. Периодическая таблица элементов Менделеева и квантовая механика.
4. Катализ в химических процессах.
5. Достижения химии экстремальных состояний.
6. Химическая сущность процессов жизнедеятельности.


Тестовые задания:
1. Кто открыл закон постоянства состава:
1. Пруст.
2. Дальтон.
3. Менделеев.
4. Бертолле.

2. Кто установил закон кратных отношений?
1. Пруст.
2. Дальтон.
3. Менделеев.
4. Бертолле.

3. Чем характеризуются изотопы?
1. Числом протонов в ядре при данном числе нейтронов.
2. Числом нейтронов в ядре при данном числе протонов.
3. Числом протонов в ядре при данном числе электронов в атоме.
4. Числом нейтронов в ядре при данном числе электронов в атоме.

4. Изотопы кислорода-16 и кислорода-18 отличаются:
1. Массовым числом.
2. Зарядом ядра атома.
3. Числом протонов в ядре атома.
4. Числом нейтронов в ядре атома.

5. Какова роль катализа в химических реакциях?
1. Ускоряет процесс.
2. Замедляет процесс.
3. Останавливает процесс.
4. Не влияет на процесс.











13PAGE 15


13PAGE 142215





Приложенные файлы

  • doc file16.doc
    Размер файла: 165 kB Загрузок: 1