Что такое структура в химии
Эволюция понятия «структура» в химии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 09.00.08, кандидат философских наук Ахтямов, Андрей Алексеевич
Оглавление диссертации кандидат философских наук Ахтямов, Андрей Алексеевич
ГЛАВА II. СТРУКТУРА КАК ГЛАВНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА «УНИТАРНОЙ
2.1. Отрицание дуализма. Появление первых представле ний о системе почти в современном ее пони мании.
2.2. Этапы на пути к созданию унитарной системы.
2.3. Находился ли Жерар на позициях агностицизма и позитивизма
ГЛАВА III. СТРУКТУРА МОЛЕКУЛ В КЛАССИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ВАЛЕНТНОСТИ. ФОРМУЛЬНЫЙ СХЕМАТИЗМ КЕКУЛЕ КАК ОТРИЦАНИЕ ОТРИЦАНИЯ.
3.1. Формульный схематизм и его значение для органической химии
3.2. Величие автора и противоречивость его творчества
История развития химии этилена 2001 год, кандидат химических наук Кириченко, Ангелина Васильевна
Энергия химических связей: некоторые закономерности и методы расчета в атом-атомном представлении 2012 год, кандидат химических наук Папулова, Дарья Романовна
Особенности электронного строения силатранов и герматранов 2004 год, кандидат химических наук Василев, Иван Матьович
Структура и энергетика бета-дикетонов и их соединений с металлами 2011 год, доктор химических наук Белова, Наталья Витальевна
Механизмы ионно-молекулярных реакций карбениевых и силилиевых ионов, генерируемых ядерно-химическим методом 2007 год, доктор химических наук Игнатьев, Игорь Сергеевич
Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Эволюция понятия «структура» в химии»
Актуальность темы исследования.
Изучение эволюции понятия «структура» в философском плане вызвано двумя причинами. Во-первых,необходимостью распутать клубок противоречивых идей, существенно по-разному характеризующих историю развития структурных представлений в органической химии. Не только в истори-ко-научной, но даже в учебной литературе до сих пор существует путаница в освещении таких фундаментальных теорий в органической химии, как теория сложных радикалов И.Я. Берцелиуса (или дуалистическая теория), «унитарная» теория Ш.Жерара, теория химического строения А.М.Бутлерова и т.д. А.М.Бутлерову приписывается то, что до него сделано Ш.Жераром и А.Кекуле и не замечается то самое важное и главное, что составляет его истинный вклад в науку и что является действительным теоретическим фундаментом современной химии. Во-вторых, изучение эволюции понятия «структура» в химии вызвано необходимостью выяснить или, по крайней мере, уточнить адекватное содержание самого понятия «структура» в ряду общенаучных или системных понятий, несмотря на то, что по этому вопросу в литературе существует немало суждений философского характера.
Похожие диссертационные работы по специальности «Философия науки и техники», 09.00.08 шифр ВАК
Изучение механизма бимолекулярных реакций с участием фосфорсодержащих соединений методом функционала плотности 2008 год, кандидат физико-математических наук Савостина, Людмила Ивановна
Электронная структура селеноорганических соединений и их комплексов с различными типами электроноакцепторов: квантово-химические аспекты 2010 год, кандидат химических наук Маджидов, Тимур Исмаилович
Электронное строение и химическая связь в нанокластерах, нанотрубках и их композитах с участием s, p, d металлов 2005 год, кандидат физико-математических наук Ивановская, Виктория Валерьевна
Анализ особенностей взаимодействия аминов и ионов металлов с органическими реагентами на основе квантово-химических моделей 2004 год, кандидат химических наук Сударушкин, Сергей Константинович
Прогноз физико-химических свойств углеводородных систем на основе моделей «структура-свойство» для применения в нефтехимпереработке и органическом синтезе 2021 год, кандидат наук Аубекеров Тимур Мендбайулы
Заключение диссертации по теме «Философия науки и техники», Ахтямов, Андрей Алексеевич
В диссертации прослежена эволюция понятия «структура» в химии от Ломоносова до наших дней.
Эволюция понятия «структура» в химии представляет сложную и богатую по содержанию картину закономерного постепенного изменения взглядов на построение вещества в его дореакционном состоянии. Струкгурные теории химии сыграли выдающуюся роль в органическом синтезе сотен тысяч новых соединений. Но и у этих теорий есть свои пределы.
Дело в том, что даже очень четкие и ясные представления о структуре молекул не могут помочь в решении многих даже и относительно простых вопросов. Например, мы хорошо представляем себе строение метана, но не можем решить задачу окисления этого углеводорода до формальдегида:
2. Этими законами являются диалектические законы, из которых на первый план выступает закон отрицания отрицания, как бы выстраивающий последовательно ступени эволюции понятия структуры в химии.
— 117 тредставляет собой синтез теорий Берцелиуса, Жерара и Кекуле.
4. В диссертации особое внимание уделено проблеме системности, доказано, что первым, кто сформулировал по существу современное понятие системы был Жерар.
5. Проведены четкие границы между суммативным множеством (у Бер-делиуса) и системным (у Жерара).
6. Дано четкое определение аддитивного стиля мышления, т.е. мыш-аения в целых числах, присущего, в частности, Кекуле, и мышления, учи-гывающего непрерывность изменения энергии химических связей, присущего Бутлерову, что создает предпосылки для формирования общих представлений о единстве дискретности и непрерывности организации материи.
7. Показана ошибочность в оценках философских взглядов Жерара и теории химического строения Бутлерова.
Список литературы диссертационного исследования кандидат философских наук Ахтямов, Андрей Алексеевич, 1999 год
1. Быков Г.В. История классической теории химического строения. М.: Изд-во АН СССР, I960. 312с.
2. Мусабеков Ю.С. История органического синтеза в России. М.: Изд-во АН СССР, 1958. 287с.
3. Цветков Л.А. Органическая химия. М. : Просвещение, 1985. 208с.
4. Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г. Химия 10. М.: Просвещение, 1991. 160 с.
5. Кедров Б.М. Энгельс о химии. М.: Наука, 1971. 302с.
6. Кузнецов В.И.,Идлис Г.М.,Гутина В.Н. Естествознание. М.: Агар, 1996. 384с.
8. Овчинников Н.Ф. Структура и симметрия // Системные исследования.-М.: Наука, 1969. С. 18-26.
33. Кедров Б.М. Атомистика Дальтона. М. Л. Госхимиздат, 1949. 243с.
60. Марковников B.B. Об изомерии органических соединений. Казань. 1865. 107 с.
72. Кузнецов В.И.,Печенкин A.A. Формирование мировоззрения учащихся при изучении химии. М.: Просвещение. 1979. 151с.
74. Кузнецов В.И. К 150-летию со дня рождения А.М.Бутлерова // Журнал74
Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.
Digital Science & Education LP, 85 Great Portland Street, First Floor, London, United Kingdom, W1W 7LT
Структурная химия
Структурная химия — раздел, область химии, изучающая связь различных физических и физико-химических свойств различных веществ с их химическим строением и реакционной способностью. Структурная химия рассматривает не только геометрическое строение молекул; изучению подвергается следующее — длины химических связей, валентные углы, координационные числа, конформации и конфигурации молекул; эффекты их взаимного влияния, ароматичность.
Содержание
Способы изучения
Структурная химия базируется на следующих экспериментальных способах изучения веществ:
История развития науки
В 1857-м году, ученый Кекуле, исходя из теории валентности (под валентностью имелось в виду количество атомов водорода, соединенных с одним атомом элемента), смог предположить, что углерод четырехвалентен, исходя из этого он может соединиться с четырьмя другими атомами, образуя длинные цепи — прямые или разветвленные. Поэтому органические молекулы стали изображать не в виде комбинаций радикалов, а в виде структурных формул атомов и связей между ними. К 1860-му году трудами ученых Кекуле и Бутлерова была заложена основа структурной химии, которая позволяла объяснять свойства веществ, исходя из расположения атомов в их молекулах. Впоследствии, в 1874-м году, датский химик Якоб Вант-Гофф и французский химик Жозеф Ашиль Ле Бель распространили идею о расположении атомов в пространстве. Они считали, что молекулы представляют собой не плоские, а объемные структуры. Эта концепция позволяла объяснить многие известные явления, например пространственную изомерию, существование молекул одинакового состава, но с разными свойствами. Очень хорошо вписывались в нее данные Луи Пастера о изомерах винной кислоты.
К концу XIX века идеи структурной химии были подкреплены данными, полученными спектроскопическими методами. Эти методы позволяли получать информацию о строении молекул исходя из их спектров поглощения. К началу 20-го века концепция объемной организации молекул сложных органических и неорганических соединений была принята практически всеми учеными.
См. также
Литература
Ссылки
Полезное
Смотреть что такое «Структурная химия» в других словарях:
СТРУКТУРНАЯ ХИМИЯ — область химии, изучающая связь разл. физ. и физ. хим. св в в в с их хим. строением и реакц. способностью. В первую очередь С. х. рассматривает геом. строение молекул, описываемое такими осн. параметрами, как длины хим. связей, валентные углы,… … Химическая энциклопедия
Структурная формула — Структурная формула это разновидность химической формулы, графически описывающая расположение и порядок связи атомов в соединении, выраженное на плоскости[1]. Связи в структурных формулах обозначаются валентными черточками. Часто… … Википедия
Химия почв — Химия почв это раздел почвоведения, изучающий химические основы почвообразования и плодородия почв. Основой для решения этих вопросов служит исследование состава, свойств почв и протекающих в почвах процессов на ионно молекулярном и… … Википедия
Химия одноуглеродных молекул — (С1 химия) раздел химии, изучающей различные классы веществ, в состав молекулы которых входит только один атом углерода. Как отдельная отрасль знаний С1 химия появляется с развитием перспективных технологий получения углеродсодержащего сырья,… … Википедия
Химия полимеров — Эту статью следует викифицировать. Пожалуйста, оформите её согласно правилам оформления статей … Википедия
Химия — У этого термина существуют и другие значения, см. Химия (значения). Химия (от араб. کيمياء, произошедшего, предположительно, от египетского слова km.t (чёрный), откуда возникло также название Египта, чернозёма и свинца «черная… … Википедия
Химия окружающей среды — Не следует путать с Экологическая химия. Химия окружающей среды раздел химии, изучающий химические превращения, происходящие в окружающей природной среде. Основные сведения Химия окружающей среды включает в себя более узкие разделы химии,… … Википедия
Химия высокомолекулярных соединений — Химия полимеров один из перспективных и успешно развивающихся разделов химической науки. Делится на разделы: физическая химия полимеров, структурная и т. д. Благодаря успешному развитию химии полимеров создаются новые материалы, нашедшие… … Википедия
Структурная вязкость смеси — – величина вибровязкости смеси. [Терминологический словарь по бетону и железобетону. ФГУП «НИЦ «Строительство» НИИЖБ и м. А. А. Гвоздева, Москва, 2007 г. 110 стр.] Рубрика термина: Свойства бетона Рубрики энциклопедии: Абразивное… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов
ХИМИЯ — наука, изучающая строение в в и их превращения, сопровождающиеся изменением состава и(или) строения. Хим. св ва в в (их превращения; см. Реакции химические )определяются гл. обр. состоянием внеш. электронных оболочек атомов и молекул, образующих… … Химическая энциклопедия
Гусейханов М., Раджабов О. Концепции современного естествознания: Учебник
ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава 9. СОСТАВ, СТРУКТУРА И ВЗАИМОПРЕВРАЩЕНИЯ ВЕЩЕСТВ
Истинный химик должен уметь доказывать познанное. то есть давать ему объяснение.
М. В. Ломоносов
9.1. Концептуальные уровни познании веществ
Закономерности, происходящие в веществах, процессы их превращения, при которых происходит изменение их состава и структуры, изучает раздел естествознания — химия. Она занимается явлениями природы, сопровождающими химические изменения вещества, изучает причины и законы управления химическими процессами, а также рассматривает составные части вещества и их применение на практике. Отдельные химические процессы (получение металлов из руд, крашение тканей и др.) использовались еще на заре становления человеческой цивилизации. Позже, в III—IV вв., зародилась алхимия, задачей которой было превращение неблагородных металлов в благородные (золото, серебро). Начиная с эпохи Возрождения химические исследования все в большей мере стали использовать для практических целей (металлургия, стеклоделие, керамика, получение красок и т. д.).
Химию можно определить как науку, изучающую вещества и процессы их превращения, сопровождающиеся изменением состава и структуры. Химический процесс сопровождается изменением состава веществ, их структуры и обязательно энергетическими изменениями в реагирующей системе. Вследствие взаимосвязанности форм движения материи и их взаимопре-
197
вращаемости в результате химических реакций имеет место превращение химической энергии в теплоту, свет и проч. Химия нужна человечеству для того, чтобы из вещества природы получать по возможности все необходимое — металлы, цемент, бетон, керамику, фарфор, стекло, каучук, пластмассы, искусственные волокна, лекарства и многое другое.
Основой химической науки является атомно-молекулярное учение (АМУ), закон сохранения материи, периодический закон и теория строения вещества, учение о химическом процессе (кинетика). Химические процессы подчиняются всеобщим законам природы — закону сохранения массы вещества и закону сохранения энергии. Закон сохранения массы вещества открыли М. В. Ломоносов и А. Л. Лавуазье почти независимо друг от друга. Они далеко продвинули развитие химии тем, что при химических реакциях применили физические методы, в частности взвешивание. Закон сохранения массы в химических процессах можно сформулировать так: сумма масс исходных веществ (соединений) равна сумме масс продуктов химической реакции. Например, при разложении воды масса воды будет равна сумме массы водорода и массы кислорода. Из закона сохранения вещества вытекает, что вещество нельзя ни создать из ничего, ни уничтожить совсем. Количественным выражением закона сохранения массы веществ применительно к производственному химическому процессу является материальный баланс, в котором подтверждается, что масса веществ, поступивших на технологическую операцию, равна массе полученных веществ. Закон сохранения энергии действует во всех случаях и повсюду, где одна форма энергии переходит в другую.
Несмотря на обилие эмпирического материала о свойствах различных веществ и их соединений, особенностях протекания разнообразных реакций, в химии, до открытия в 1869 г. периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева не существовало той объединяющей концепции, с помощью которой можно было бы объяснить весь накопленный фактический материал. Было бы, однако, неправильно не учитывать той громадной исследовательской работы, которая привела к утверждению сис-
198
темного взгляда на химические знания. Развитие теоретических основ химии диктуется потребностью химического производства совершенствовать управление химическим процессом для получения веществ с заранее заданными свойствами.
Историю развития теоретических основ химии можно представить в виде следующих этапов.
В период зарождения химии как науки (вторая половина XVII в.) возникло первое концептуальное учение о составе. Объяснение свойств веществ связывалось с их составом, а изменением состава объяснялось химическое превращение. Последующее становление учения (концептуального уровня) о составе определило открытие стехиометрических законов (закона постоянства состава, закона эквивалентов и закона кратных отношений), развитие понятия химического элемента, представлений о валентности, периодическом законе и периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева, методах исследования состава соединений и др.
Второй концептуальный уровень развития химии связан с зарождением структурной химии (XIX в.). Было замечено, что огромное разнообразие веществ растительного и животного происхождения образовано весьма небольшим числом химических элементов (углерод, водород, кислород, азот и некоторые др.). К тому же при одинаковом составе вещества (изомеры) имеют разные свойства. Это означало, что свойства веществ зависят не только от состава, но и от структуры (А. М. Бутлеров разработал основные положения). Если при зарождении химии как науки главным направлением был химический анализ, то с появлением структурной химии стал органический синтез. Сегодня структурная химия строится на квантово-механических представлениях о химической связи, строении молекул и кристаллов, на методах исследования структуры веществ, изучении влияния структуры на свойства веществ и проч.
Третий уровень в развитии химии связан с возникновением (конец XIX в.) и развитием учения о химическом процессе — о его принципиальной возможности и условиях протекания. Это было вызвано резким возрастанием потребностей и масштабов
199
производства продуктов химической переработки нефтяного сырья. Учение о химическом процессе рассматривает энергетику химических процессов, химическое равновесие и условия его смещения, кинетику и механизмы реакций и т. д. Этот уровень познания представляет собой исследование внутренних механизмов и условий протекания химических процессов, таких как температура, давление, скорость протекания реакций и некоторые другие.
Наконец, четвертый концептуальный уровень является дальнейшим развитием предыдущего уровня, связанным с более глубоким изучением природы реагентов, участвующих в химических реакциях, а также с применением катализаторов, значительно ускоряющих скорость их протекания. На этом уровне мы встречаемся уже с простейшими явлениями самоорганизации, изучаемыми синергетикой.
В наши дни наблюдается новый уровень развития химии, который направлен на создание наиболее экономичного и экологически чистого безотходного химического производства, использование в промышленных масштабах закономерностей химических превращений живой природы.
Тридцатые годы ознаменовались следующим скачком — появлением теории молекулярных орбиталей (МО). Теория МО позволила успешно описать строение, электронное устройство многих органических соединений. Так, например, были выведены правила, позволяющие предсказать, будет ли еще не синтезированное соединение ароматическим. Концептуальные системы химии изображены на рис. 9.1, в котором вертикальная координата у представляет массив всей теоретической и эмпирической информации, накопленной со времен Бойля и до настоящего времени, а горизонтальная координата t— историческое время.
Как видно, в развитии химии происходит не смена, а строго закономерное последовательное появление концептуальных систем. При этом каждая вновь появляющаяся система не отрицает низлежащую предыдущую, а наоборот, опирается на нее и включает ее в себя в преобразованном виде. Так, например, учение о химических процессах предполагает наличие знаний о составе исходного сырья, о строении молекул исходных реа-
200
гентов и об их реакционной способности, потому что эти знания позволяют химику подобрать исходное сырье для получения целевого продукта. Но этих знаний недостаточно для того, чтобы осуществить химический процесс с максимальным экономическим эффектом и соблюдением экологических требований охраны окружающей среды. Для этого дополнительные знания дает учение о химических процессах — термодинамика, химическая кинетика, химическая технология.
9.2. Состав вещества и химические системы
Во тьме должны обращаться физики, а особливо химики, не зная внутренних, нечувствительных частиц строения.
М. В. Ломоносов
В настоящее время химическим элементом называют вещество, все атомы которого обладают одинаковым зарядом ядра,
201
хотя и различаются по своей массе, вследствие чего атомные веса элементов не выражаются целыми числами.
Молекулой по-прежнему называют наименьшую частицу вещества, которая определяет его свойства и может существовать самостоятельно. Однако к молекулам теперь относят также разнообразные другие квантово-механические системы (ионные, атомные монокристаллы, полимеры и другие макромолекулы). Последнее особенно важно для ясного понимания структуры с точки зрения системного подхода, где под структурой подразумевают упорядоченную связь и взаимодействие между элементами системы, благодаря которой и возникают новые целостные ее свойства. В такой химической системе, как молекула, именно специфический характер взаимодействия составляющих ее атомов определяет свойства молекулы.
Химия изучает процессы превращения молекул при взаимодействиях и при воздействии на них внешних факторов (теплоты, света, электрического тока, магнитного поля), во время которых образуются новые химические связи. Под химической связью понимается результат взаимодействия между атомами, выражающийся в создании определенной конфигурации атомов, отличающий один тип молекулы от другого. Химические связи порождают взаимодействие электронных оболочек атомов. Если атомные конфигурации подходят друг к другу, возникает одна округлая структура, несколько большая, чем до этого был каждый атом в отдельности. Так получается насыщенная молекула, и присоединить к ней еще какой-то атом почти невозможно, т. е. химические связи отличаются насыщенностью. С введением понятия валентности ею стали объяснять строение и химические свойства молекул. Наиболее распространены четыре вида химических связей: ионная, ковалентная, металлическая и водородная. Химическая связь, осуществляемая за счет образования общих для взаимодействующих атомов электронных пар, называется ковалентной связью. Химическая связь, в основе которой лежит электростатическое взаимодействие ионов, называется ионной. Химическая связь, основанная на обобществлении валентных электронов всех атомов в кристалле, называется
202
металлической. Химическая связь, обусловленная взаимодействием полярных молекул, одной из которых является водород, называется водородной. Химические связи можно рассматривать с точки зрения превращения энергии: если при создании молекулы ее энергия меньше, чем сумма энергий составляющих ее изолированных атомов, то она может существовать, т. е. ее связь устойчива.
Каждое вещество характеризуется определенными физическими и химическими свойствами. Когда какое-нибудь простое вещество вступает в химическую реакцию и образует новое вещество, то оно при этом теряет большинство своих свойств. Например, железо, соединяясь с серой, теряет металлический блеск, ковкость, магнитные свойства и др. Следовательно, в сульфиде железа нет железа, каким мы знаем его в виде простого вещества. Но так как из сульфида железа (FeS) при помощи химических реакций можно снова получить металлическое железо, то говорят что в состав сульфида железа входит элемент железо, понимая под этим тот материал, из которого состоит металлическое железо. Точно так же водород (Н) и кислород (О), входящие в состав воды, содержатся в воде не в виде газообразных водорода и кислорода с их характерными свойствами, а в виде элементов — водорода и кислорода. Если же элементы находятся в «свободном состоянии», т. е. не связаны химически ни с каким другим элементом, то они образуют простые вещества.
Долгое время не делалось различия между элементом и простым веществом. Понятие «элемент» в качестве научного термина впервые использовано Р. Бойлем в 1661 г. Со времен Бойля элементом считали всякое простое вещество, которое можно получить в результате разложения сложных веществ, но которое не способно к дальнейшему разложению на еще более простые вещества.
Также была опровергнута флогистонная теория окисления металла многочисленными экспериментами М. В. Ломоносова. Согласно этой теории процесс окисления металла рассматривался как реакция разложения: металл считался сложным веществом, а окалина простым, т. е. железо —» окалина + флогистон.
203
М. В. Ломоносов, проведя эксперименты в запаянных ретортах, установил, что масса сосуда с прокаленным железом не меняется, если взвесить, не вскрывая его. Французский ученый А. Лавуазье также показал, что горение есть реакция соединения вещества с кислородом воздуха. Лавуазье поставил на ноги всю химию, которая в своей флогистонной форме стояла на голове.
Начало XIX в. ознаменовалось открытием новых количественных закономерностей. Разработка атомно-молекулярной теории позволила Дальтону высказать атомную гипотезу и ввести в химию понятие об относительном атомном весе элементов и определить атомные веса некоторых элементов. По Дальтону, элемент можно определить как вид атомов, характеризующихся определенным значением атомного веса, а простые вещества состоят из определенного вида атомов, следовательно, простые вещества суть элементы. Путаница была устранена позже, когда было установлено, что многие простые вещества образованы из молекул, а не из атомов. Впервые Менделеев в связи с этим указал на необходимость ясно различать два понятия: элемент и простое вещество, или простое тело. Если простому веществу (телу) соответствует понятие о частице, то элементу — об атоме. Углерод есть элемент, а уголь, графит и алмаз суть тела простые.
Пользуясь понятием о химических элементах, можно сказать, что важнейшая задача химии состоит в изучении свойств элементов в отыскании общих закономерностей в их поведении и в отношении между собой. К середине XIX в. насчитывалось уже 63 элемента и был накоплен достаточно богатый экспериментальный материал, касающийся их физических и химических свойств, и были установлены групповые общие свойства. Были накоплены сведения и о таких характеристиках, как атомная масса элементов и их валентность, т. е. способность образовывать различные формы соединений. Прежде всего нужно было решить основной вопрос: являются ли химические элементы разрозненными, независимыми или они закономерно связаны между собой в единую систему.
204
Первые попытки решения этой задачи относятся к первой половине XIX в. Деберейнер (1829 г.) сгруппировал элементы в триады; Одлинг (1857 г.) разместил 48 элементов в единую таблицу из 13 групп сходственных элементов; Ньюлендс и де Шаркунтуа (1863 г.) распределили 63 элемента в порядке возрастания их атомной массы, была опубликована немецким химиком Л. Мейером таблица элементов, в которой отсутствовали бор, алюминий и водород. Всего попыток классификации было не менее пятидесяти, и все были по существу безуспешны. В основе неудач лежал метафизический способ их мышления. Наконец в 1869 г. Д. И. Менделеев предложил периодическую систематизацию свойств элементов.
Диалектико-материалистический подход к систематизации элементов является основной причиной успеха Д. И. Менделеева. Периодическая система элементов оказала большое влияние на последующее развитие химии, она явилась могучим орудием для дальнейших исследований. На основании периодического закона Д. И. Менделеев предсказал существование 12 новых элементов, причем для трех из них (галий — Ga, германий — Ge и скандий — Sc) описал подробно их свойства. В течение полувека были обнаружены в природе почти все элементы, расположенные до урана. Путеводной нитью для поиска и установления химической природы элементов явился периодический закон и метод предсказания, использованный Д. И. Менделеевым. Периодический закон и периодическая система получили свое полное подтверждение и дальнейшее развитие при установлении строения атомов элементов. Сейчас фактические данные в химии выросли в тысячи раз. Имеются сведения о 8 миллионах индивидуальных химических соединений постоянного состава и миллиардах соединений переменного состава.
Современная формулировка периодического закона следующая: от величины положительного заряда ядра атома зависят все свойства элемента и его положение в периодической системе. Теория строения атома объясняет периодическое изменение свойств элементов при переходе от одного периода к другому: с ростом Z строение электронных оболочек атомов повторяется.
205
Особенно это касается внешних энергетических уровней, на которых расположены валентные электроны. В пределах одного периода с увеличением заряда ядра наружные слои заполняются постепенно, достигая своей завершенности в атомах благородных газов. Эта последовательность повторяется в каждом периоде, вследствие чего в них наблюдается переход от металлов в начале периода к неметаллам и благородному газу в его конце. В свете теории строения атома периодический закон получил современную формулировку: свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атома.
Атомный вес элемента определяется как среднее арифметическое величин масс изотопов, из которых состоит элемент. Атомы, обладающие одинаковым зарядом ядра (и, следовательно, тождественными химическими свойствами), но разным числом нейтронов, называют изотопами. Например, хлор состоит из двух изотопов с массовыми числами на 75,53% из изотопа 35Сl и на 24,47% — из 37Сl, в результате средняя атомная масса хлора равна 35,453. Открытие изотопов потребовало пересмотра понятия «химический элемент». Химический элемент — это вид атомов, характеризующийся определенной величиной положительного заряда ядра. Существование химического элемента в виде нескольких простых веществ называется аллотропией. Графит, алмаз, уголь — аллотропные видоизменения элемента углерода.
С развитием количественных методов исследования в химии были накоплены экспериментальные факты, обобщение которых привело к открытию так называемых стехиометрических законов — закона постоянства состава, закона эквивалентов и закона кратных отношений. Именно эти законы способствовали окончательному утверждению в химии атомно-молекулярного учения. Основой химической науки являются атомно-молекулярное учение, закон сохранения материи, периодический закон Д. И. Менделеева и теория химического строения.
Основные положения атомно-молекулярного учения заключаются в следующем:
206
Масса атома, выраженная в атомных единицах массы (а.е.м.), называется относительной атомной массой. 1 а.е.м. = = 1,667 10-27кг.
Элементы, соединяясь в разных количественных соотношениях друг с другом, образуют химические соединения — сложные вещества. Что собой представляет химическое соединение? Обладает ли сложное вещество переменным или постоянным составом?
Известный французский химик Ж. Пруст в отличие от К. Бертолле считал, что любое химически чистое соединение независимо от способа его получения имеет вполне определенный состав. Именно на этом законе, получившем название закона постоянства состава, Ж. Пруст объяснил различие между химическими соединениями и смесями. Например СO2 (углекислый газ) можно получить несколькими способами:
но в чистом СO2 всегда содержится 27,29% С и 72,71% O2 по массе.
Многие элементы, соединяясь друг с другом, могут образовывать разные вещества, каждое из которых характеризуется
207
определенным соотношением между массами этих элементов. Так, углерод и кислород образуют оксид углерода — СО и С02—диоксид углерода. Изучая подобные соединения, английский ученый Д. Дальтон, установил закон кратных отношений: если два элемента образуют друг с другом несколько соединений, то массы одного из элементов, приходящиеся в этих соединениях на одну и ту же массу другого, относятся между собой как небольшие числа.
Дальтон придерживался атомной теории строения вещества; изучая свойства газов, открыл закон парциальных давлений газов. Закон непосредственно свидетельствовал о том, что элементы входят в состав соединений лишь определенными порциями, что свидетельствует о прерывном строении вещества. Развивая атомно-молекулярную теорию, Дальтон ввел близкое к современному представление об атомах и об относительных атомных массах элементов. Но в отличие от закона сохранения массы, справедливость которого полностью подтверждена открытиями, сделанными после его установления, законы постоянства состава и кратных отношений оказались не столь всеобщими. В связи с открытием изотопов выяснилось, что соотношение между массами элементов, входящих в состав данного вещества, постоянно лишь при условии постоянства изотопного состава этих элементов. Например, тяжелая вода содержит 20% (масс) водорода, а обычная вода лишь 11%.
В начале XX в. (более чем через 100 лет) русский ученый Н. С. Курнаков, изучая сплавы металлов, открыл соединения переменного состава, в которых на единицу массы данного элемента может приходиться различная масса другого элемента. Для многих соединений переменного состава установлены пределы, в которых может изменяться их состав, и формула TiO2 более точно выражает свой состав в виде TiO1.9_2.0. Конечно, такого рода формулы указывают не состав молекулы (вещества имеют атомную структуру), а лишь отражают границы состава вещества. Периодическая система представляет пример упорядоченного конечного счетного множества химических элементов. А можно ли подобным образом упорядочить множество химических соединений, число которых хоть и велико, но не безгранично? И вот
208
9.3. Структура вещества и его свойства
Надо было исследовать предметы, прежде чем можно было приступить к исследованию процессов. Надо сначала знать, что такое данный предмет, чтобы можно было заняться теми изменениями, которые с ним происходят.
Ф. Энгельс
Характер любого химического соединения зависит не только от качественного и количественного состава, но и от взаимного
209
влияния атомов и строения молекулы — мельчайшей химической системы.
Вещества, имеющие одинаковую молекулярную формулу, называют изомерами, а само явление — изомерией. Формулу С4Н8O имеет 21 вещество. Долгое время вплоть до XVIII в. химики не делали различия и между минеральными и органическими веществами. Именно явление изомерии заставляет, не довольствуясь установлением молекулярной формулы, идти дальше, выясняя детали внутреннего строения молекул органических веществ, структуру соединения. Структуру молекул органических соединений пытался объяснить шведский химик Й. Берцелиус в своей теории радикалов. В ней он наивно полагает, что структура молекул зависит от электрических зарядов в молекулах органических соединений.
На смену теории радикалов пришла теория типов французского ученого Ш. Жерара, которая рассматривала органические соединения как производные простейших веществ: водорода, воды, аммиака. Формулы получались сходные с современными, но в них вкладывалось содержание совершенно иное: формулы теории типов — это только формулы превращения. Внутреннее строение молекул считали непознаваемым, становясь на позицию агностицизма — философского учения, ставящего границы человеческому познанию. «Анархия» в химии пошла на убыль благодаря работам Э. Франкланда и Ф. Кекуля. В химии утвердилось понятие о валентности, в частности развилось представление о четырехвалентности углерода. Благодаря трудам С. Канниццаро была внесена ясность в вопрос об атомных и молекулярных массах, об эквивалентах.
Таким образом, к 1860 г. было достигнуто понимание фундаментальных понятий химии (атом, молекула, эквивалент, валентность), признана справедливость закона Авогадро. Все это способствовало развитию химии в области получения веществ с заранее заданными специфическими свойствами, что являлось крупным шагом вперед. Дальнейшее развитие теория строения находит в трудах русского ученого А. М. Бутлерова. Атомы в органических молекулах связаны друг с другом в определенном
210
9.4. Химические процессы
О значительнейших вещах не будем судить слишком быстро.
Гераклит
Химический процесс (от лат. processus— продвижение) представляет собой последовательную смену состояний вещества, тесную связь следующих друг за другом стадий развития, представляющую непрерывное, единое движение. Учение о химических процессах — это область науки, в которой существует наиболее глубокое взаимопроникновение физики, химии и биологии. Химические процессы подразделяются на: гомо- и гетерогенные (в зависимости от агрегатного состояния реагирующих систем), экзо- и эндотермические (в зависимости от количества выделяющейся и поглощаемой теплоты), окислительные, восстановительные (в зависимости от отношения к кислороду) и др.
Все процессы, которые протекают вокруг нас, можно объединить в три большие группы.
1. Самопроизвольные процессы, которые можно использо
вать для получения энергии или совершения работы. Условиями
протекания самопроизвольных процессов или законами термо
динамики, характеризуемыми их, являются: а) в изолированной
системе, т. е. в системе, для которой исключен любой материаль
ный или энергетический обмен с окружающей средой, сумма
всех видов энергии есть величина постоянная; б) изменение
энтальпии (тепловой эффект процесса, АН) зависит только от
вида и состояния исходных веществ и продуктов и не зависит
от пути перехода. Он носит название закона Гесса и сформули
рован им в 1840 г.
2. Процессы, для осуществления которых требуется затрата
энергии или совершение работы.
3. Самоорганизация химической системы, т. е. самопроиз
вольный процесс, проходящий без изменения энергетического
запаса системы, совершается только в направлении, при котором
213
порядок в системе увеличивается, т. е. где энтропия уменьшается.
Способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется не только их атомно-молекулярной структурой, но и условиями протекания химических реакций. Процесс превращения одних веществ в другие называется химической реакцией. К условиям протекания химических процессов относятся прежде всего термодинамические факторы, характеризующие зависимость реакций от температуры, давления и некоторых других условий. На скорость химической реакции также влияют следующие условия и параметры:
5) катализатор. Скорость реакции зависит от катализаторов, веществ которые ускоряют химические реакции, но сами при этом не расходуются. Разложение бертолетовой соли и пероксида водорода ускоряется в присутствии оксида марганца (IV) и др.
Для вступления в химическую реакцию необходимо преодолеть некоторый энергетический барьер, соответствующий энергии активации, возможность накопления которой сильно зависит от температуры. Многие реакции долгое время не могут закончиться. В таком случае говорят, что реакция достигла химического равновесия. Химическая система находится в состоянии равновесия, если выполняются следующие три условия:
Вант-Тофф, используя термодинамический подход, классифицировал химические реакции, а также сформулировал основные положения химической кинетики. Химическая кинетика изучает скорости протекания химических реакций. Ле Шателье сформулировал закон смещения химического равновесия в химических реакциях под влиянием внешних факторов — температуры, давления и др. Согласно принципу Ле Шателье, если на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, оказывается внешнее воздействие (изменяется температура, давление или концентрация), то положение равновесия химической реакции смещается в ту сторону, которая ослабляет данное воздействие.
Химические реакции классифицируют по изменению качества исходных веществ и продуктов реакции на следующие виды:
реакции соединения — реакции, при которых из нескольких веществ образуется одно вещество, более сложное, чем исходные;
реакции разложения — реакции, при которых из одного сложного вещества образуется несколько веществ;
реакции замещения — реакции, при которых атомы одного элемента замещают атом другого элемента в сложном веществе и при этом образуются два новых — простое и сложное;
реакции обмена — реакции, при которых реагирующие вещества обмениваются своими составными частями, в результате
215
чего из двух сложных веществ образуются два новых сложных вещества.
По тепловому эффекту химические реакции можно подразделить на экзотермические — с выделением теплоты и эндотермические — с поглощением теплоты. С учетом явления катализа реакции могут быть каталитические — с применением катализаторов и некаталитические — без применения катализаторов. По признаку обратимости реакции делят на обратимые и необратимые.
В. Оствальд, исследуя условия химического равновесия, пришел к открытию явления катализа. Оказалось, что в большой степени характер и особенно скорость реакций зависят от кинетических условий, которые определяются наличием катализаторов и других добавок к реагентам, а также влиянием растворителей, стенок реактора и иных условий. Явление катализа — селективного ускорения химических процессов в присутствии веществ (катализаторов), которые принимают участие в промежуточных процессах, но регенерируются в конце реакции, широко используется в промышленности, например фиксация азота и водорода, контактный способ производства серной кислоты и многие другие. Впервые синтез аммиака был осуществлен в 1918 г. на основе работ Габера, К. Боша и А. Митташа с помощью катализатора, представляющего собой металлическое железо с добавками окисей калия и алюминия, при температуре 450-550 °Си давлении 300-1000 атмосфер. В настоящее время большое внимание уделяют применению металлоорганических и металлокомплексных катализаторов, отличающихся высокими селективностью и избирательностью действия. Тот же самый процесс синтеза аммиака при использовании металлоорганического катализатора удалось осуществить при обычной температуре (18 °С) и нормальном атмосферном давлении, что открывает большие перспективы в производстве минеральных азотных удобрений. Особенно велика роль катализа в органическом синтезе. Крупнейшим успехом в этом направлении надо признать получение искусственного синтетического каучука из этилового спирта, осуществленное советским академиком С. В. Лебедевым в 20-х годах XX века.
216
Ферменты, или биокатализаторы, играют исключительную роль в биологических процессах и технологии веществ растительного и животного происхождения, а также в медицине. В настоящее время известно свыше 750 ферментов, и их число ежегодно увеличивается. Ферменты являются бифункциональными и полифункциональными катализаторами, так как здесь имеет место согласованное воздействие двух или нескольких групп катализаторов различной природы в составе активного центра фермента на поляризацию определенных связей субстрата. Эта же концепция лежит в основе каталитического действия фермента и теории кинетики действия ферментов. Главное отличие ферментов от других катализаторов заключается в исключительно высокой активности и ярко выраженной специфичности.
Самоорганизация химических систем в биологические, их единство и взаимосвязь подтверждает синтез органических соединений из неорганических. В 1824 г. немецкий химик Ф. Велер, ученик Берцелиуса, впервые получил из неорганического дициана N-C-C-N при нагревании его с водой щавелевую кислоту НООС-СООН — органическое соединение. Также было получено новое органическое вещество — мочевина (карбамид) из цианистого аммония. В 1854 г. во Франции М. Бертло синтетическим путем получил жир. Наибольшим успехом химии 50-60-х гг. XX в. явился первый синтез простых белков — гормона инсулина и фермента рибонуклерозы.
9.5. Эволюция химических систем и перспективы химии
Все наши значим — прошлые, настоящие и будущие — ничто по сравнению с тем, что мы никогда не узнаем.
К. Э. Циолковский
Под эволюцией химической системы понимают самопроизвольный синтез новых химических соединений, являющихся более сложными и более высокоорганизованными продуктами по
217
сравнению с исходными веществами. Химики сегодня пришли к выводу, что, используя те же принципы, на которых построена химия организмов, в будущем можно будет построить принципиально новую химию, новое управление химическими процессами, где начнут применять принципы синтеза себе подобных молекул. По принципу ферментов будут созданы катализаторы такой степени специфичности, что далеко превзойдут существующие в нашей промышленности. Хотя химия в настоящее время еще далека от решения этих проблем, но намечены следующие пути решения этой задачи:
Успехи химии экстремальных состояний, каталитической химии, в областях металлокомплексного катализа, модели-
218
рования биокатализаторов, химии и технологии иммобили-зированных систем, «нестационарной технологии», важным звеном которой должна стать теория саморазвития открытых каталитических систем, позволяют видеть в ближайшей перспективе богатейшие возможности развития новой химии. Эта новая химия уже теперь становится способной решать такие задачи, для реализации которых до сих пор еще не было предпосылок.
В частности, в области тяжелого органического синтеза это задачи: а) значительного ускорения химических превращений в мягких условиях за счет объединения в катализаторах будущего достоинств гетерогенного, гомогенного и металлоэнзимного катализа; б) достижение близкой к 100% селективности процессов;
в) осуществление новых важных энергетически затрудненных
процессов за счет сопряжения эндо- и экзотермических реакций;
г) существенной экономии углеводородного сырья и перехода от
нефти к углю как более распространенному сырьевому источни
ку. Химия теперь имеет реальные предпосылки и для решения
таких общих задач, как: а) моделирование и интенсификация
фотосинтеза; б) фотолиз воды с получением водорода как са
мого высокоэффективного топлива; в) промышленный синтез
широкого спектра органических продуктов, и в первую очередь
метанола, этанола, формальдегида и муравьиной кислоты, на
основе углекислого газа; г) промышленный синтез многочислен
ных фторматериалов.
Все это является залогом успешного претворения в жизнь задач по созданию малоотходных, безотходных и энергосберегающих промышленных процессов, рачительного использования каждого килограмма сырья и каждого киловатта энергии для производства необходимых материалов.
ВЫВОДЫ
1. Состав, структуру вещества и закономерности их взаимопревращений изучают в химии, которая является одним из разделов естествознания.
219
2. Основой химической науки является атомно-молекулярное
учение, закон сохранения материи, периодический закон, теория
строения вещества, учение о химическом процессе.