Тема 8. Современные химические концепции.

Понятие «химический элемент» и «химическое соединение». Учение о химических процессах. Основные концептуальные системы химии. Проблема химического элемента. Проблема химического соединения. Физическая сущность химической связи. Химическая структура вещества. Образование химических структур. Принципы управления химическим процессом. Этапы химической эволюции. Проблема самоорганизации химических систем. Химия и современная технология.

 

Фундаментальными основами химии стали квантовая механика, атомная физика, термодинамика, статическая физика, а также физическая кинетика. На основе физики построена теоретическая химия. На химическом уровне мы имеем дело с очень большим числом частиц, участвующих в квантово-механических процессах обмена электронами (химических реакциях). Развитие современной химии, ее основные концепции оказались тесно связанными не только с физикой, но и с другими естественными науками, особенно с биологией. Современный этап развития химии связан с использованием в ней принципов химизма живой природы.

Понятие «химический элемент» и «химическое соединение» с точки зрения современности.

Химический элемент - это «кирпичик» вещества. Периодический закон Д.И. Менделеева сформулировал зависимость свойств химических элементов от атомной массы, признаком элемента стало его место в периодической системе, определяемое атомной массой. Физика помогла составить представление об атоме, как о сложной квантово-механической системе, раскрыла смысл периодического закона на основе строения электронных орбит всех элементов. Современное определение химического элемента - это вид атомов с одинаковым зарядом ядра, т.е. совокупность изотопов. А химическое соединение - это вещество, атомы которого за счет химических связей объединены в молекулы, макромолекулы, монокристаллы или иные квантово-механические системы, т.е. главной стала физическая природа сил, соединяющая атомы в молекулы, обусловленная волновыми свойствами валентных электронов.

Учение о химических процессах.

Учение о химических процессах является областью глубокого взаимопроникновения физики, химии и биологии. В основе этого учения находится химическая термодинамика и кинетика, которые в равной степени относятся и к химии, и к физике.

Предметом изучения являются условия протекания химических реакций, такие факторы как температура, давление и др.

Живая клетка, исследуемая биологической наукой, представляет собой микроскопический химический реактор, в котором происходят превращения, изучаемые химией. Изучая эти процессы, современная химия перенимает у живой природы опыт, необходимый для получения новых веществ и материалов.

Основой химии живого являются каталитические химические реакции. Большинство современных химических технологий реализуется с использованием катализаторов - веществ, которые увеличивают скорость реакции, не расходуясь в ней.

Простейшим носителем химических свойств служит атом (в том числе ионизированный) – система, состоящая из ядра и движущихся вокруг него (в его электрическом поле) электронов. В результате химического взаимодействия атомов образуются молекулы (радикалы, ионы, атомные кристаллы) – системы, состоящие из нескольких ядер, в общем поле которых движутся электроны. При химическом взаимодействии молекул одна конфигурация ядер и электронов разрушается и образуется новая. Акт химического взаимодействия состоит в образовании новых электронных (молекулярных) орбиталей.

В химических реакциях участвуют не отдельные частицы, а их большие коллективы – вещества, причем химическое изменение сопровождается появлением новых химических индивидов, или химических веществ. Химическим индивидом обычно называют наименьшее количество вещества, повторением которого в пространстве можно воспроизвести данное вещество. Таким образом, химическими индивидами будут атомы в атомной решетке простого вещества (поэтому графит и алмаз, которые содержат атомы углерода С в своих кристаллических решетках, являются одним и тем же химическим индивидом) или группы атомов в составе сложного атомного вещества (SiC в решетке карбида кремния), молекулы в веществе молекулярного строения (H₂О в воде), ионные пары или более сложные ионные комплексы в ионном веществе (NaCl в поваренной соли, Na₂СО₃ • 10H₂O в кристаллической соде) и т.д. При таком определении изменение агрегатного состояния, полиморфный переход, механическое разрушение, образование некоторых растворов (например, газовых) нельзя назвать химическими явлениями.

Химические явления определяют развитие неживой и живой природы и отличаются от других, рассматриваемых в естествознании. Так, геолого-географические явления отличаются от химических участием во взаимодействии не веществ, а вещественных систем в литосфере, атмосфере, гидросфере и т.д., а также макромасштабами взаимодействий. Увеличение количества (массы) реагирующих участников процесса приводит к новым, отсутствующим в химии, закономерностям.

Основные концептуальные системы химии.

При всем многообразии химических явлений выделяют четыре основные концептуальные системы. Эти системы появлялись последовательно во времени, причем каждая новая химическая концепция возникала на основе научных достижении предыдущей.

Первая химическая концепция – учение о составе – связана с исследованием свойств веществ в зависимости от их химического состава. В настоящее время в ее рамках рассматриваются проблемы периодичности, стехиометрии (соотношения между количествами вступивших в реакцию реагентов и образующихся продуктов), а также физико-химический анализ как основа изучения многокомпонентных систем на основе построения диаграмм состав-свойство.

В 1800-е годы, когда стало очевидным, что свойства веществ и их качественное разнообразие обусловливаются не только составом, но и структурой молекул, возникла концепция структурной химии, предполагающая исследование структуры, т.е. способа взаимодействия элементов. Эта концепция опирается на атомно-молекулярную концепцию строения вещества. Развитие современной структурной химии связано с познаниями в области квантово-механической теории строения атома, химической связи и строения вещества.

Третья концептуальная система – учение о химическом процессе – в 1950-е годы завершает свой этап становления. В основании ее лежит представление о химической кинетике и химической термодинамике, а в ее рамках исследуются внутренние механизмы и условия протекания химических процессов (скорости протекания процессов, температура, давление и т.п., влияние катализаторов, ингибиторов и пр.).

Идеи четвертой концептуальной системы – эволюционной химии – были сформулированы в 1970-х годах. Эта система находится в стадии становления. В центре ее внимания – открытые высокоорганизованные химические системы, развитие которых приводит к возникновению биологической формы движения. Эволюционная химия включает в себя учение об эволюционном катализе (теории саморазвития химических систем), а также теории биоорганической и бионеорганической химии.

Проблема химического элемента.

Химический состав вещества рассматривается в рамках учения о составе, в котором обычно выделяют три основных проблемы: проблему химического элемента, проблему химического соединения, проблему вовлечения химических элементов в производство новых материалов. В настоящее время под химическим элементом понимают совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Попытки систематизации химических элементов привели Д. И. Менделеева к созданию периодического закона. Современная формулировка этого закона звучит так: свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда их атомных ядер. Полное научное объяснение периодической системы элементов базируется на законах квантовой механики.

Проблема химического соединения.

Под химическим соединением в настоящее время понимают индивидуальное вещество, в котором атомы одного (например, N₂, Cl₂) или различных (H₂SO₄, КСl) элементов соединены между собой химической связью. Сейчас известно свыше 5 млн. химических соединений. Состав химических соединений в огромном большинстве случаев подчиняется законам его постоянства и кратных отношений. Первый закон, гласит, что каждое химически чистое соединение независимо от способа и места его получения имеет один и тот же постоянный состав, причем отношения масс атомов элементов постоянны. В соответствии с законом кратных отношений, если два химических элемента образуют друг с другом более одного соединения, то массы одного элемента, приходящиеся на одну и ту же массу другого, относятся как целые числа, обычно небольшие.

Применение современных физических методов исследования вещества обнаружило физическую природу химизма, а именно: атомы объединяют в молекулы как единую квантово-механическую систему внутренние силы – химические связи, а они представляют собой проявление волновых свойств валентных электронов. Волновая природа электронов наделяет атомы их типичными свойствами. Наименьшими единицами многих веществ служат не атомы, а молекулы, т.е. группы атомов, тесно связанных друг с другом. Чтобы понять строение вещества, следует узнать не только строение атома, но и причину соединения атомов в молекулы – химическую связь.

Квантовая механика дала объяснение химической связи: она возникает между атомами в результате взаимодействия электронных конфигураций различных атомов, причем тогда, когда эти конфигурации хорошо подходят друг другу, как зубцы шестерни. Конфигурации смешиваются и переплетаются, когда атомы приведены в соприкосновение, вследствие чего появляются новые конфигурации. Если атомные конфигурации очень хорошо подходят друг другу, при их сближении возникает одна крупная единица, но только несколько большая и более компактная – насыщенная молекула, не присоединяющая других атомов. Например, два атома водорода, каждый с простейшей электронной конфигурацией, образуют молекулу водорода, в которой обе электронные конфигурации сливаются в одну эллиптическую.

В результате раскрытия физической сущности химической связи классическое понятие молекулы изменилось. Молекулой по-прежнему называют наименьшую частицу вещества, способную определять его свойства и существовать самостоятельно. Но теперь в число молекул включают и такие квантово-механические системы, как ионные, атомные и металлические монокристаллы и полимеры, образованные за счет водородных связей. Поэтому некоторые неорганические вещества (оксиды, хлориды, сульфиды, нитриды металлов) относят к веществам молекулярного строения, не имеющим постоянного состава. Дело в том, что реальные монокристаллы любых твердых веществ всегда имеют дефекты: вакантные узлы кристаллической решетки; атомы, попавшие в междоузлия; дислокации как отклонения от геометрических норм данной кристаллической решетки и т.д. Именно они становятся реакционными центрами при вхождении вещества в химические реакции.

Помимо химической связи, которая держит атомы связанными в молекулы, существуют межмолекулярные силы. Они слабее химической связи, но именно они определяют агрегатное состояние вещества. Когда две молекулы сближаются, электронные конфигурации каждой из них стремятся колебаться в унисон. Благодаря этому возникает притяжение (так называемые ван-дер-ваальсовы силы), сила которого зависит от типа движения электрона.

Химическая структура вещества.

Развитие знания о химических явлениях позволило установить, что большое влияние на свойства вещества оказывает не только его химический состав, но и структура молекул – их взаимное расположение друг по отношению к другу (упорядоченность). Осознание этого стало началом структурной химии. Ключевым понятием данной концептуальной системы является "структура", точнее, структура молекулы реагента, в том числе, макромолекулы или монокристалла. Под структурой обычно понимают устойчивую упорядоченность качественно неизменной системы, каковой является молекула.

Относительно недавно был открыт новый класс металлоорганических соединений, которые за свою двухслойную структуру получили название "сэндвичевые соединения". Молекула этого соединения представляет собой две "пластины" из соединений водорода и углерода, между которыми находится атом какого-либо металла. Они сыграли важную роль в пересмотре представлений о валентности и химической связи. Их можно, рассматривать как наглядную демонстрацию наличия у молекул единой системы электронно-ядерного взаимодействия.

Другая группа вопросов в концептуальной системе структурной химии связана с проблемами структурной неорганической химии. По существу это проблемы химии твердого тела. В широком смысле их две:

· синтез кристаллов с максимальным приближением к идеальной решетке для получения материалов с высокой механической прочностью, термостойкостью и долговечностью в эксплуатации;

· создание методов синтеза кристаллов с запроектированными дефектами решетки, что позволит получить материалы с заданными электрофизическими и оптическими свойствами.

Образование химических структур и химическая связь

Образование различных химических структур имеет свои характерные особенности. Взаимодействуя, атомы соединяются друг с другом, образуя посредством химических связей двух- и многоатомные соединения – молекулы, радикалы, ионы и кристаллы. Образование таких соединений приводит к выигрышу в энергии, так как в обычных условиях молекулярное состояние устойчивее, чем атомное. Химические связи имеют в основном электромагнитный характер – при их образовании происходит перераспределение электронной плотности связывающихся атомов.

Главные отличительные черты химической связи:

1) полная энергия многоатомной системы меньше энергии изолированных атомов или атомных фрагментов, из которых она образована;

2) электронная плотность в области химической связи существенно перераспределена по сравнению с простым наложением электронных плотностей несвязанных атомов или атомных фрагментов, сближенных на расстояние связи.

По характеру распределения электронной плотности связывающихся атомов обычно выделяют следующие основные типы связей:

· ковалентная связь, которая осуществляется парой электронов, общих для двух атомов, образующих связь. Атомы в молекуле могут быть соединены ковалентной связью: одинарной (Н₂, Н₃С-СН₃), двойной (Н₂С=СН₂), тройной (N₂, HC≡CH) или полярной (НСl, Н₃С-Сl) в зависимости от электроотрицательности;

· ионная связь, в основе которой – электростатическое взаимодействие между противоположно заряженными ионами, электрически заряженными частицами, которые образуются из атома (молекулы) в результате потери или присоединения одного или нескольких электронов. Положительно заряженные ионы называются катионами, отрицательно заряженные – анионами. Примеры ионной связи – молекулы NaCl, KF;

· металлическая связь, которая проявляется при взаимодействии атомов элементов, имеющих избыток свободных валентных орбиталей по отношению к числу валентных электронов; эту связь можно представить так: ионный кристаллический остов погружен в электронный газ – свободные электроны, которые непрерывно перемещаются между положительными ионами и компенсируют электростатическое отталкивание ионов, связывая их в твердое тело;

· координационная (донорно-акцепторная) связь характерна для комплексных соединений (гемоглобин, хлорофилл и др.), в молекулах которых выделяют центральный атом (комплексообразователь) и непосредственно связанные с ним молекулы или ионы (лиганды, обычно 4 или 6). Координационная связь обусловлена передачей электронной пары с заполненной орбитали донора на вакантную орбиталь центрального атома (акцептора) с образованием общей связывающей молекулярные орбитали. При этом центральный атом и лиганды образуют внутреннюю сферу. Внешнюю сферу составляют ионы, заряд которых компенсирует заряд внутренней сферы.

Помимо этого выделяют водородные связи и межмолекулярные взаимодействия. Водородная связь образуется в результате взаимодействия атома водорода, связанного ковалентной связью, с электроотрицательным атомом и неподеленной парой электронов другого атома. Атомы могут принадлежать как одной, так и разным молекулам. Водородная связь приводит к ассоциации одинаковых или различных молекул в комплексы; она во многом определяет свойства воды и льда, молекулярных кристаллов, структуру и свойства белков, нуклеиновых кислот и др.

Межмолекулярные взаимодействия электрической природы происходят между молекулами с насыщенными химическими связями. Впервые существование такого взаимодействия принял во внимание Я. Д. Ван-дер-Ваальс (1873) для объяснения свойств реальных газов и жидкостей.

В чистом виде перечисленные типы связей проявляются редко. В большинстве соединений имеет место наложение разных типов связей. При этом любая химическая связь образуется только тогда, когда сближение атомов приводит к уменьшению полной энергии системы.

Сущность химического процесса

Условия среды на Земле таковы, что молекулы непрерывно разрушаются и снова образуются. Одно из важнейших следствий образования молекул состоит в высвобождении энергии (термодинамика). Понятно, что для разрыва химической связи требуется некоторое количество энергии и такое же ее количество высвобождается при образовании связи. Таким образом, нужно затратить энергию, чтобы разделить молекулу на атомы, и энергия выделяется, когда атомы образуют молекулу. Эта энергия проявляется в различных формах, например в виде колебаний. Когда атомы соединяются, образующаяся молекула начинает колебаться в результате сильного столкновения атомов. Вообще, когда атомы образуют молекулу, энергия высвобождается и обычно проявляется в форме движения, что эквивалентно теплоте. В некоторых особых случаях энергия связи не превращается в теплоту: химические реакции присоединения происходят таким образом, что энергия, выигранная при образовании молекул, передается молекулам другого рода, т.е. энергия образования молекулы запасается в другой молекуле, а не растрачивается в виде теплоты.

Если бы температура Земли была значительно выше, например как температура поверхности Солнца, то многие молекулы никогда бы не образовались из-за слишком сильного теплового возбуждения (атомы не могли бы оставаться друг возле друга). Если бы температура Земли была гораздо ниже, молекулы, соединяясь, образовали бы твердые тела и кристаллы и никакие изменения не происходили. Но температура на Земле такова, что энергии достаточно для разрушения некоторых молекул, однако количество энергии не слишком велико, благодаря чему большинство соединений может существовать в течение какого-то времени. Создание и разрушение молекул сообщают постоянные изменения окружающей среде и создают тем самым возможность жизни.

Одно из важнейших следствий образования молекул состоит в высвобождении энергии. Этот процесс особенно нагляден при сжигании угля или других веществ. Горение любого типа связано с образованием новых молекул и, следовательно, с выделением тепловой энергии. Рассмотрим подробнее, как и почему высвобождается энергия при соединении атомов в молекулы. Понятно, что для разрыва химической связи требуется некоторое количество энергии и такое же ее количество высвобождается при образовании связи. Таким образом, нужно затратить энергию, чтобы разделить молекулу на атомы, и энергия выделяется, когда атомы образуют молекулу. Эта энергия проявляется в различных формах, например в виде колебаний. Когда атомы соединяются, образующаяся молекула начинает колебаться в результате сильного столкновения атомов. Вообще, когда атомы образуют молекулу, энергия высвобождается и обычно проявляется в форме движения, что эквивалентно теплоте. В некоторых особых случаях энергия связи не превращается в теплоту: химические реакции присоединения происходят таким образом, что энергия, выигранная при образовании молекул, передается молекулам другого рода, т.е. энергия образования молекулы запасается в другой молекуле, а не растрачивается в виде теплоты. Этот случай важен для поддержания жизни.

Химические реакции, производящие энергию, всегда начинаются с превращения молекул со слабыми связями в молекулы с прочными связями; при этом высвобождается разница в энергиях сильной и слабой связи. Молекулы СО₂ и воды имеют прочные связи; то же можно сказать о большинстве молекул, в которых атомы связаны с кислородом. Молекулы, содержащие углерод и водород, связаны слабо, они легко разрушаются и рекомбинируют, могут образовывать длинные цепи и способны объединяться в сложные структуры. Если их слабые связи превращаются в сильные связи с кислородом в результате какого-либо процесса, то выделяется энергия. Благодаря этим свойствам они играют важную роль в живой материи.

Принципы управления химическим процессом.

Основная проблема в учении о химических процессах связана с тем, что многие химические реакции были и остаются трудноуправляемыми. Одни из них пока не удается осуществить, хотя в принципе они выполнимы. Другие сложно остановить, например реакцию горения и взрывы. Трудности управления третьими обусловлены тем, что в их процессе самопроизвольно создается множество непредвиденных ответвлений с образованием побочных продуктов. Суть проблемы заключается в следующем. Каждая химическая реакция обратима и представляет собой перераспределение химических связей. Обратимость служит основанием равновесия между прямой и обратной реакциями. Однако на практике равновесие смещается в ту или иную сторону в зависимости от природы реагентов и условий процесса. Реакции, в которых равновесие смещено "вправо" – в сторону образования целевых продуктов, обычно не требуют особых средств управления. Таковы реакции кислотно-основного взаимодействия, или нейтрализации, а также реакции, сопровождающиеся удалением готовых продуктов в виде газов или осадков. Однако немало реакций происходит со смещением равновесия "влево". Среди основных методов управления ими выделяют термодинамические и кинетические (в первую очередь каталитические).

Основными рычагами управления реакцией служат температура, давление и концентрации реагирующих веществ. Кинетические (в первую очередь каталитические) методы дают возможность влиять и на скорость химических процессов. С их помощью удается добиться изменения хода процессов при изменении структурно-кинетических факторов: строения исходных реагентов, их концентрации, наличия в реакторе катализаторов (веществ, ускоряющих химические реакции), ингибиторов (веществ, замедляющих реакции) и других добавок, способов смешения реагентов, материала и конструкции реакторов и т.д.

К наиболее важным кинетическим методам относится ускорение химической реакции в присутствии катализаторов – катализ (от греч. katalysis – разрушение). Катализаторы (синтетические алюмосиликаты, металлы платиновой группы, серебро, никель и др.) взаимодействуют с реагентами, но в реакции не расходуются и не входят в состав продуктов. Каталитические реакции являются основой многих химико-технологических процессов (например, производства серной кислоты, некоторых полимеров, аммиака). Большинство процессов, происходящих в живых организмах, также являются каталитическими (или ферментативными, так как биологические катализаторы называются ферментами).

Этапы химической эволюции.

Химическая эволюция – процесс необратимых изменений, приводящий к появлению новых химических соединений – продуктов, более сложных и высокоорганизованных по сравнению с исходными веществами. Эти процессы стали активно и целенаправленно исследовать в 1970-е годы в связи с изучением проблемы постоянно усложняющихся химических процессов до уровня, способствовавшего возникновению живого вещества на Земле. Интерес к этим процессам восходит к давним попыткам понять, как из неорганической материи возникает органическая, а далее и жизнь.

Проблема самоорганизации химических систем.

Выделяют субстратный и функциональный подходы к решению проблем самоорганизации предбиологических химических систем в биологические. Результатом субстратного подхода к проблеме биогенеза является накопленная информация об отборе химических элементов и структур.

Развитие химических знаний позволяет надеяться на разрешение многих проблем, стоящих перед человечеством: значительное ускорение химических превращений в "мягких" условиях; осуществление новых, энергетически затрудненных процессов путем сопряжения эндо- и экзотермических реакций; возможность экономии углеводородного сырья и переход от нефти к углю – более распространенному сырьевому источнику. Химия имеет реальные предпосылки для моделирования и интенсификации фотосинтеза; фотолиза воды с получением водорода как самого высокоэффективного и экологически чистого топлива; промышленного синтеза на основе углекислого газа широкого спектра органических продуктов, в первую очередь метанола, этанола, формальдегида и муравьиной кислоты; промышленного синтеза многочисленных полимеров. Сегодня созрели условия для создания малоотходных и энергосберегающих промышленных производств.

В современной химии получило развитие направление, принципом которого является энергетическая активация реагента (т.е. подача энергии извне) до состояния полного разрыва исходных связей. Это химия экстремальных состояний, использующая высокие температуры, большие давления, излучения с большой величиной энергии кванта. Например, плазмохимия - химия на основе плазменного состоянии реагентов, элионные технологии - активация процесса достигается за счет направленных электронных или ионных пучков.

Эффективность технологии на основе химии экспериментальных состояний очень высока. Они характеризуются энергосбережением, высокой производительностью, высокой автоматизацией и простотой управления технологическим процессом, а также небольшим размером технологических установок. Химия как наука тесно связана с химией как производством. Основная цель современной химии, вокруг которой строится вся исследовательская работа, заключается в исследовании генезиса (происхождения) свойств веществ и разработки на этой основе методов получения веществ с заранее заданными свойствами.

 

Вопросы к семинару 1:

1. Понятие химического элемента.

2. Химические соединения

3. Виды химической связи.

4. Химическая реакция.

5. Химические процессы.

 

Вопросы к семинару 2:

1. Современные разделы химической науки.

2. Специфика современных средств управления химическими процессами.

3. Основные виды катализа.

4. Виды перспективных материалов.

Дополнительная литература:

Азимов А. Краткая история химии. Развитие идей и представлений в химии. М., 1983.

Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. М., 1965.