Химия - как система знаний о веществах и их превращениях

Современное определение химии следующее.

Химия - это наука, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения.

В настоящее время насчитывается около 10 млн. веществ. Из них 96 % - органические соединения. Около 300 тыс. составляют неорганические соединения.

Вещества делятся на простые и сложные. Простые вещества можно рассматривать как форму существования элементов в природе. Известно около 400 простых веществ, являющихся различными аллотропными формами 110 элементов. (Аллотропия - способность одного элемента существовать в виде различных простых веществ. Например, кислород и озон, графит и алмаз и др. Сложные вещества - форма существования соединений в природе.

Все известные на настоящий день вещества можно классифицировать в соответствии со следующей схемой.

Основная задача химии - создавать вещества с заранее заданными физическими, химическими, механическими свойствами, разрабатывать новые химические технологии и усовершенствовать старые. Эта задача может быть решена только на основе знаний способов управления свойствами веществ, на реализацию чего направлена научно-исследовательская деятельность. В настоящее время химия представляет собой высокоупорядоченную, постоянно развивающуюся систему знаний. Важнейшими теоретическими направлениями химической науки теснейшим образом связанными между собой являются: учение о строении вещества, учение о направленности химических процессов, учение о скорости и механизме химических процессов, учение о периодическом изменении свойств элементов и их соединений.

Вся история химии, все ее развитие является закономерным процессом способов решения ее основной задачи. В различные исторические эпохи задачи химии решались поразному.

Период алхимии характеризовался накоплением фактического материала о получении и свойствах веществ. Это был исторически закономерный подготовительный этап к возникновению химии как науки. Накопление химических знаний приводило к необходимости их классификации и систематизации. Основоположником системного подхода в химии стал Д.И.Менделеев.

Под Системой химии мы понимаем единую целостность всех хими­ческих знаний, которые появляются и существуют не порознь друг от друга, но в тесной взаимосвязи.

В настоящее время всю необозримую картину современной химии в состоянии объяснить четыре концептуальные системы химиче­ских знаний. Их можно показать следующим образом.

Рисунок показывает, что в развитии химии происходило по­следовательное появление концептуальных систем, причем каждая новая возникала на основе научных достижений предыдущей, опиралась на нее и включала ее в себя в преобразованном виде.

7.2 Проблема элементного и молекулярного состава

Преобразования в области производства, происшедшие в эпоху Возрождения, наряду с прогрессивными изменениями в экономической и политической жизни, вызвали коренные пре­образования и в области естествознания.

Первый по настоящему действенный способ решения проблемы химического элемента появился во второй половине XVII века в работах английского ученого Роберта Бойля. В книге “Химик-скептик” Бойль впервые дает правильное толкование понятию химического элемента, как предела химического разложения веществ.

Однако химики в то время еще не знали ни одного химического элемента. Фосфор был открыт в 1669 г. и повторно в 1680 г., кобальт - в 1735 г., ни­кель - в 1751 г., водород - в 1766 г., фтор - в 1771 г., азот — в 1772 г., хлор и марганец — в 1774 г. Кислород был открыт од­новременно в Швеции, Англии и Франции в 1772—1776 гг.

В этих условиях широкое распространение в химии получила теория флогистона, которая основана на убеждении, что все горючие вещества богаты особым горючим веществом - флогистоном, и чем больше флогистона содержит данное тело, тем более оно способно к горению. То, что остается после завершения горения, флогистон не содержит и поэтому гореть не может.

Открыв кислород и установив его роль в образовании ки­слот, оксидов и воды, Лавуазье отверг ложную теорию флогистона и создал принципиально новую кислородную теорию химии.

Благодаря работам Лавуазье, Ломоносова, Дальтона, Авогадро и др. ученых были обнаружены количественные соотношения в химии и открыты основные стехиометрические законы: закон сохранения массы веществ, закон постоянства состава, закон кратных отношений, закон эквивалентов, газовые законы.

В результате на первом Международном съезде химиков в Карслуэ (Германия, 1860 г.) были сформулированы и приняты основные положения атомно-молекулярной теории:

1. Все вещества состоят из молекул, которые находятся в непрерывном, самопроизвольном движении.

2. Все молекулы состоят из атомов. Атомы и молекулы находятся в непрерывном движении. Атомы представляют собой мельчайшие, далее недели­мые составные части молекул.

Таким образом, к концу 1860-х гг. утвердившимся и неос­поримым стало представление о существовании атомов и моле­кул. Была разработана стройная атомно-молекулярная теория, на которой базировалось естествознание того времени. Основной вклад в развитие этой теории внес М.В.Ломоносов.

В дальнейшем благодаря открытию периодического закона Менделеевым и экспериментальному подтверждению внутреннего строения атомов было дано новое современное определение химическому элементу.

Химический элемент - это определенный вид атомов, характеризуемых одинаковым зарядом ядра.

Во времена Менделеева было известно 62 элемента. В настоящее время их насчитывается 110.

Проблема химического соединения прежде всего заключается в природе химической связи между атомами. Классическое понятие молекулы претерпело изменения в результате раскрытия физической электронной сущности химической связи.

Молекула - это электронейтральная наименьшая совокупность атомов, образующих определенную структуру посредством химических связей.

В результате того, что физика открыла природу химизма как обменного взаимодействия электронов, химия стала принципи­ально по-новому решать и проблему химического соединения. Химическое соединение определяется как качественно определен­ное вещество, состоящее из одного или нескольких элементов, атомы которых за счет обменного взаимодействия (химической связи) объединены в частицы — молекулы, комплексы, моно­кристаллы или иные агрегаты.

Новые вещества широко вовлекаются в производство материалов используемых в производстве. 98,6% массы физически доступного слоя Земли составляют всего восемь химических элементов. Картина их рас­пределения представлена на рис.12. Широкая распространенность кремния (97% массы земной коры составляют силикаты) дает основание утверждать, что си­ликаты должны стать основным сырьем для производства прак­тически всех строительных материалов и керамики.

Металлы и керамика — два вида материалов, которые на 90% составляют материальную основу условий жизни человече­ства. Однако металл в про­изводстве обходится в сотни и тысячи раз дороже, чем керами­ка.

На основе современных достижений химии появились воз­можности замены металлов керамикой в различных областях человеческой деятельности.

7.3 Проблемы и решения на уровне структурной химии

Монопольное положение учения о влиянии только состава на свойства веществ продолжалось до 1820-30 годов. Бурное развитие органической химии и синтетических методов исследования, а также открытие стехиометрических законов и создание атомно-молекулярного учения послужило толчком развития структурных представлений - второй ступени концептуальной системы химических знаний.

Самые первые представления, которые легли в основу современной структурной химии, нашли отражение в работах Дальтона, Берцелиуса, Жерара.

Особенно сильное влияние на химиков оказали теория валентности Кекуле и его формульный схематизм. Этот ученый сформулировал основные положения теории валентности, обосновав наличие у углерода валентности равной четырем, у азота - трем, у кислорода - двум и у водорода - единице. Понятие структуры молекул, согласно Кекуле, сводился к построению наглядных формульных схем, которые могут служить конкретным указанием, как, из каких исходных реагентов следует получить целевой продукт. Однако формульный схематизм Кекуле не учитывал реакционную активность веществ.

Фундаментальная задача химии - изучение зависимости между химическим строением вещества и его свойствами была решена А.М.Бутлеровым в теории химического строения. Согласно этой теории свойства соединений определяются их количественным и качественным составом, последовательным порядком соединения между собой атомов, образующих молекулу, а также их взаимным влиянием. Гениальность Бутлерова состояла в том, что не отрицая физической структуры тел, он постоянно проводил мысль, что химическое строение - это не просто геометрическое расположение атомов в молекуле, а их химическое отношение и взаимовлияние.

Теория строения Бутлерова явилась революционным вкладом в обоснование естественнонаучных представлений о строении и свойствах материи. Она связала воедино познание свойств, состава и структуры химических тел. На ее основе в химии как центральная проблема стала выдвигаться теория химической связи.

Различают три основных типа химической связи: ковалентную, ионную и металлическую. Для описания химических свойств в молекулах в настоящее время получили применение две теории: метод валентных связен (ВС) и метод молекулярных орбиталей (МО). С позиции метода валентных связей, ковалентная связь осуществляется за счет образования электронных пар, в одинаковой мере принадлежащих обоим атомам. Она может осуществляться как между атомами одного и того же элемента, так между атомами разных элементов: H : Cl. Ковалентная связь тем прочнее, чем выше степень перекрывания электронных облаков. Степень перекрывания, в свою очередь, зависит от формы электронных облаков и способов их перекрывания.

Ионная связь образуется между атомами сильно отличающимися по электроотрицательности за счет электростатического притяжения между ионами.

Металлическая связь образуется между положительными ионами в кристаллах металлов за счет притяжения электронов, свободно перемещающихся по кристаллу.

Учение о химическом строении пронизывает не только органическую химию, но и такие современные разделы неорганической химии, как химия координационных соединений, неорганических полимеров, полупроводников и др.

Так было положено начало второму уровню развития хими­ческих знаний, который получил название “структурная химии”. На втором уровне своего развития химия превратилась из науки преимущественно аналитической в науку главным образом син­тетическую.

7.4 Проблемы и решения на уровне учения о химических процессах

Изумление успехами структурной химии было недолговеч­ным. Интенсивное развитие автомобильной промышленности, авиации, энергетики и приборостроения в первой половине XX века выдвинуло новые требования к производству матери­алов. Необходимо было получать высокооктановое моторное топливо, специальные синтетические каучуки, пластмассы, высокостойкие изоляторы, жаропрочные органические и неорганичес­кие полимеры, полупроводники. Для получения этих материалов способ решения основной проблемы химии, основанный на уче­нии о составе и структурных теориях, был явно недостаточен. Он не учитывал резкие изменения свойств вещества в результате влияния температуры, давления, растворителей и многих других факторов, воздействующих на направление и скорость химиче­ских процессов.

Под влиянием новых требований производства возник поэто­му следующий—третий способ решения основной проблемы химии, учитывающий всю сложность организации химических процессов в реакторах. Этот способ послужил основанием нового - третьего уровня химических знаний - учения о химических процессах. Химия становится наукой уже не только и не столько о веществах как законченных предметах, но наукой о процессах и механизмах изменения вещества. Благодаря этому она обеспечила многотоннажное производство синтетических материалов, заменяющих дерево и металл, в строительных работах, пищевое сырье в про­изводстве олифы, лаков, моющих средств и смазочных матери­алов.

Как было сказано выше, важнейшими теоретическими направлениями химической науки являются: учение о строении вещества, учение о направленности химических процессов, учение о скорости и механизме химических процессов, учение о периодическом изменении свойств элементов и их соединений.

Основными энергетическими величинами, характеризующими химические процессы, являются внутренняя энергия (U), энтальпия (H), энтропия (S) и энергия Гиббса (G). Эти термодинамические функции являются функциями состояния системы, то есть их изменение не зависит от пути процесса, а определяется только начальным и конечным состоянием системы.

Внутренняя энергия (U) характеризует общий запас энергии системы кроме потенциальной и кинетической энергии всей системы в целом. Она включает все виды энергии движения и взаимодействия частиц, составляющих систему: молекул, атомов, ядер, электронов. Например, вода в колбе на столе обладает внутренней и потенциальной энергией, при падении со стола имеет еще и кинетическую энергию, но вода в колбе, стоящей на полу, характеризуется только внутренней энергией.

Если в результате протекания химической реакции некоторая система поглотила теплоту Q и совершила работу А, то изменение внутренней энергии системы определяется как:

DU = Q - A

Т.е., сообщенное системе тепло Q расходуется на приращение внутренней энергии DU и на совершение работы А против внешних сил. Это уравнение представляет собой математическое выражение первого начала термодинамики или закона сохранения энергии.

Какая часть внутренней энергии расходуется на совершение работы, а какая превратится в теплоту, зависит только от способа проведения процесса. Большинство химических реакций протекает при постоянном давлении. Для таких процессов 1-е начало термодинамики примет вид:

Q_p =DH,

где Н - энтальпия. Энтальпия, как и внутренняя энергия, характеризует энергетическое состояние системы, но включает энергию, затрачиваемую на преодоление внешнего давления, т.е. работу расширения.

Т.о. тепловой эффект реакции, протекающей при постоянном давлении, определяется изменением энтальпии системы. Внутренняя энергия и энтальпия зависят от природы вещества, его структуры, агрегатного состояния, количества вещества, а также внешних условий - температуры и давления.

Реакции, протекающие с изменением энергии называются термохимическими. Процессы, протекающие с выделением теплоты, называются экзотермическими, а с поглощением теплоты - эндотермическими. В термохимических уравнениях обязательно указывается величина и знак теплового эффекта. Исторически сложились две системы знаков: термодинамическая и термохимическая. В термодинамике принято считать выделенную теплоту отрицательной, а поглощенную - положительной. В термохимии обратная система знаков.

Например, в реакции:

С _тв. + О_2газ. = СО_{2 газ.} + 393,5 кДж

выделяется 393,5 кДж тепла, т.е. эта реакция экзотермическая, а изменение энтальпии этой реакции DH = -393,5 кДж/моль.

Реакция разложения метана - эндотермическая:

СН_{4 газ.} = С _тв. + 2Н_{2 газ.} - 74,9 кДж

а изменение энтальпии DH = +74,9 кДж/моль.

Для расчетов тепловых эффектов химических реакций широко применяется основной закон термохимии, сформулированный в 1836 году Г.И.Гессом: тепловой эффект химического процесса зависит только от начального и конечного состояния системы и не зависит от пути протекания реакций, то есть от промежуточных стадий.

Например, для получения жидкой воды из газообразных водорода и кислорода существуют два пути:

1 путь - непосредственное образование воды из газообразных водорода и кислорода;

2 путь - проведение процесса в две стадии: получение газообразной воды, а затем ее конденсация (рис.14).

Для этих процессов DH р-ции = -285,8 кДж/моль, DH₁ = -241,8 кДж/моль, а теплота конденсации воды DH₂ = -44,0 кДж/моль. Из закона Гесса следует, что DH р-ции = DH₁ + DH₂.

Практическое значение закона Гесса состоит в том, что с его помощью можно вычислить тепловые эффекты тех реакций, для которых непосредственное определение DH связано с большими экспериментальными трудностями.

Если термодинамика позволяет определить направление протекания химических процессов, то химическая кинетика - это учение о скорости и механизме химических реакций.

К важнейшим факторам, влияющим на скорость химической реакции, относятся природа реагирующих веществ, их концентрация, температура, присутствие в системе катализаторов.

С увеличением концентрации реагирующих веществ и температуры скорость реакции увеличивается.

Сильное влияние на скорость реакции оказывают катализаторы. Катализаторы - вещества ускоряющие реакцию, вступающие в промежуточные реакции с исходными реагентами, но восстанавливающие свой состав в результате процесса. В общем случае любую каталитическую реакцию можно представить проходящей через промежуточный комплекс, в котором происходит перераспределение ослабленных химиче­ских связей.

                                                     кат.

                         А  С        А - - - С            А — С

                         ½ + ½ ®   ¦     ¦ ®

                В  D         B - - - D           B — D