Интенсивное развитие химии в XX веке, характеризующееся разработкой принципиально новых научных направлений и технологических процессов, синтезом ранее неизвестных типов химических соединений, новыми условиями осуществления химических реакций (в плазме, твердой фазе, неводных и смешанных растворителей), способствовало пересмотру и систематизации фундаментальных химических представлений с позиции современного естествознания.
Значительно обогатились знания об уровнях химической организации материи. Низшим исходным уровнем химической организации материи является атом. Атом - система взаимодействующих элементарных частиц, состоящая из ядра (образованного протонами и нейтронами) и электронов. Атомы образуются при взаимодействии только трех типов элементарных частиц, но при этом возникает большой набор самых разнообразных устойчивых (или неустойчивых) систем. Весь образовавшийся ансамбль подразделяется на совокупность, в каждую из которых входят только атомы, характеризующиеся одним и тем же зарядом ядра. Эти совокупности называются химическими элементами.
Следующим, более высоким уровнем химической организации материи после атома, является молекула. Молекула - нейтральная по заряду наименьшая совокупность атомов, связанных, вследствие химического взаимодействия, в определенном порядке (т.е. обладающая определенной структурой), не имеющая, как правило, не спаренных электронов и способная к самостоятельному существованию. Молекулы могут состоять как из атомов одного и того же элемента - гомоатомные или гомоядерные, так и из атомов различных элементов - гетероатомные или гетероядерные.
Дальнейшее усложнение химической организации материи происходит при взаимодействии атомных и молекулярных частиц, ведущем к образованию более сложных совокупностей - молекулярных ассоциаций и агрегатов. Важно отметить, что ассоциаты существуют главным образом в газообразном или жидком состояниях, а агрегаты - в твердом.
В XX веке продолжает уточняться периодический закон химических элементов. В настоящее время он формулируется следующим образом: свойства элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра их атомов.
Продолжает развиваться и периодическая система. Была упразднена введенная Д.И. Менделеевым нулевая группа. Изучение химических свойств благородных газов, показало, что они являются элементами главной подгруппы VIII группы периодической системы.
Понятие вещества как вида материи, характеризующегося массой покоя, перестало удовлетворять современных химиков. Сейчас вещество, с точки зрения химии, это определенная совокупность атомных и молекулярных частиц, их ассоциатов и агрегатов, находящихся в любом из трех агрегатных состояний. Простые вещества - это вещества, состоящие из атомов одного и того же элемента, а сложные вещества образуются при химическом взаимодействии атомов разных химических элементов. Природа сложных веществ - химических соединений - зависит от химической связи. Широта понятия химической связи не позволяет дать его четкого определения. Можно ограничиться следующим: под химической связью понимается такой вид взаимодействия между атомно-молекулярными частицами, который обусловлен совместным использованием их электронов. При этом имеется в виду, что такое обобществление электронов взаимодействующими частицами может изменяться в широких пределах.
Важной количественной характеристикой, показывающей число взаимодействующих между собой атомов в образовавшейся молекуле, является валентность. Это понятие возникло в химии более 100 лет. Им обозначили свойство атомов одного элемента присоединять определенное число атомов других элементов. Современные представления о строении атома связывают валентность с числом неспаренных элементов, благодаря которым осуществляется связь между атомами.
Современная теория химической связи дает удовлетворительные ответы на следующие вопросы:
Почему и каким образом из свободных атомов образуются молекулы?
Почему атомы соединяются друг с другом в определенных соотношениях?
Каковы эти соотношения для различных химических элементов?
Какова геометрическая форма молекул и как она связана с электронной структурой составляющих ее атомов?
Связь атомов посредством электронных пар называют ковалентной связью. Разновидность ковалентной связи, образованной атомами, называют неполярной, а образованной двумя разными атомами - полярной или поляризованной.
Ионной называют химическую связь между ионами - заряженными частицами, в которые превращаются атомы в результате отдачи или присоединения электронов. Вещества, образованные из ионов, называются ионными соединениями.
Металлическая связь проявляется при взаимодействии атомов элементов, имеющих избыток свободных валентных орбиталей по отношению к числу валентных электронов.
Водородная связь обусловлена дополнительным взаимодействием между ковалентно связанным атомам водорода одной молекулы и электроотрицательным атомом той же самой или другой молекулы.
Учение о химических связях составляют основу современной теории химического строения. Согласно ей, химическое строение - это не только порядок элементарной связи атомов и их взаимное влияние в веществе, но и направление, и прочность связей, межатомные расстояния, распределение плотности электронного облака, эффективные заряды атомов и т.п.
В XX веке химия все более становилась наукой уже не только и не столько о веществах как законченных предметах, сколько наукой о процессах и механизмах изменения веществ. Химические процессы представляют собой сложнейшие явления, как в неживой, так и в живой природе. Они протекают в форме взаимодействия двух или нескольких веществ, приводящего к образованию новых веществ. Склонность вещества вступать в те или иные химические взаимодействия называется его реакционной способностью, о которой судят по числу и разнообразию характерных для данного вещества превращений. Суть этой способности можно понять с точки зрения активности химических элементов. Наиболее активными являются неметаллы с минимальной атомной массой и имеющие во внешней оболочке 6 или 7 электронов. В качестве примера можно привести кислород: ведь в нем горит даже железо. Что касается металлов, то наиболее активными из них являются элементы, принадлежащие I и II группам таблицы Менделеева, имеющие на внешнем уровне соответственно 1 и 2 валентных электрона и большую атомную массу. Например, барий легко разлагает воду даже при комнатной температуре, а соприкосновение цезия с водой очень часто приводит к взрыву. В то же время элементы с полностью укомплектованной оболочкой являются неактивными (например, инертные газы: неон, аргон, криптон, ксенон).
Описание и объяснение химических процессов - задача одного из важнейших разделов химии, называемого химической кинетикой. Обычно эту общую задачу подразделяют на две более конкретные:
1. Выявление механизма реакции - установление элементарных стадий процесса и последовательности их протекания (качественные изменения);
2. Количественное описание химической реакции - установление строгих соотношений, которые бы удовлетворительно предсказывали изменение количества исходных реагентов и продуктов по мере протекания реакции.
Для понимания основных закономерностей осуществления химического процесса необходимо изучение механизма его протекания. Исходные вещества, вступающие в химическую реакцию, чрезвычайно редко непосредственно превращаются в ее продукты. В большинстве случаев реакция проходит ряд последовательных и параллельных стадий, на которых образуются и расходуются промежуточные вещества. Число промежуточных стадий может быть очень велико - в цепных реакциях их десятки и сотни тысяч. Время существования промежуточных веществ весьма разнообразно: одни вполне стабильны, другие существуют в равновесном состоянии несколько секунд.
Накопление информации о механизме отдельных химических реакций позволит проводить их классификацию, и будет способствовать в дальнейшем созданию общей теории осуществления того или иного типа химической реакции. С другой стороны, выявление механизма конкретной химической реакции позволяет решать важную практическую задачу - выделение наиболее медленной элементарной стадии, которую принято называть лимитирующей, т.е. определяющей скорость всего химического процесса в целом.
Рассматривая механизм химических реакций, следует, прежде всего, иметь в виду, что характер взаимодействия существенно зависит от агрегатного состояния реагентов и продуктов. Реагенты и продукты, вместе взятые, образуют так называемую физико-химическую систему.
Совокупность однородных частей системы, обладающих одинаковым химическим составом и свойствами и отделенных от остальных частей системы поверхностью раздела, называют фазой. Системы, состоящие из одной фазы, называют гомогенными, а системы, содержащие несколько фаз - гетерогенными.
Определение механизма химической реакции является специальной задачей химической кинетики, которую решают, используя современные физико-химические методы исследования.
4. Реакционная способность веществ
Основным понятием в химической кинетике является понятие скорости реакции. В природе и в промышленности протекает огромное количество химических процессов. Одни протекают веками, другие очень быстро.
Скорость химической реакции определяется изменением концентрация реагирующих веществ в единицу времени. Она зависит от многих факторов и включает природу реагентов, концентрацию реагирующих веществ и температуру, наличие катализаторов, состояние кристаллической решетки твердых реагентов и продуктов, если такие имеются в системе.
Быстрее протекает та реакция, в которой взаимодействует меньше ионов. Скорость реакции увеличивается также в случае увеличения числа частиц реагирующих веществ, приводящего к более частым их столкновениям. Влияние концентрации реагентов на скорость химического взаимодействия выражается основным законом химической кинетики - законом действующих масс. Этот закон распространяется на газовые смеси и растворы, но он не применим к реакциям твердых веществ.
Для реакций с участием твердых веществ скорость взаимодействия очень чувствительна к степени смешения реагентов и состоянию их кристаллической решетки, так как любые нарушения в этой решетке вызывают увеличение реакционной способности твердых тел.
Многочисленные опыты показывают, что при повышении температуры в арифметической прогрессии скорость большинства химических реакций возрастает в геометрической прогрессии. С первого взгляда может показаться, что высокая температурная чувствительность скорости реакции связана с увеличением числа молекулярных столкновений. Однако это не так. Согласно расчетам, общее число столкновений молекул при повышении температуры на десять градусов возрастает только на 1,6 %, а число прореагировавших молекул возрастает на 200 - 400 %.
Чтобы объяснить наблюдаемые расхождения, С. Аррениус предположил, что влияние температуры сводится главным образом к увеличению числа активных молекул, т.е. молекул, столкновение которых приводит к образованию продукта (эффективного столкновения). Согласно С. Аррениусу, доля эффективных столкновений, равная отношению их числа к общему числу столкновений (n), изменяется с температурой.
Одно из наиболее эффективных средств воздействия на скорость протекания химических процессов - использование катализаторов. Напомним, что катализаторы - это вещества, которые изменяют скорость реакции, а сами к концу процесса остаются неизменными как по составу, так и по массе. Иначе говоря, в момент самой реакции катализатор активно участвует в химическом процессе, как и реагенты. Но к концу реакции между ними возникает принципиальное отличие - реагенты изменяют свой химический состав, превращаясь в продукты, а катализатор выделяется в первоначальном виде. Чаще всего роль катализатора заключается в увеличении скорости реакции, хотя некоторые катализаторы не ускоряют, а замедляют химический процесс. Явление ускорения химических реакций благодаря присутствию катализаторов, носит название катализа, а замедление - ингибирования.
Существуют два вида катализа - гомогенный и гетерогенный. При гомогенном катализе реагенты, продукты и катализатор составляют одну фазу (газовую или жидкую). В этом случае отсутствует поверхность раздела между катализатором и реагентами.
Особенность гетерогенного катализа состоит в том, что катализаторы (обычно твердые вещества) находятся в ином фазовом состоянии, чем реагенты и индукторы реакции. Реакция развивается на поверхности твердого тела, которая всегда имеет много дефектов, в том числе свободные электронные пары, не участвующие в образовании связи. Молекулы реагентов легко взаимодействуют с этими электронами и благодаря образующимся связям легко удерживаются на поверхности катализатора. В результате некоторые связи внутри адсорбированных молекул настолько ослабевают, что молекулы либо разрушаются, либо превращаются в активные радикалы. Каталитическая активность твердого вещества тем выше, чем лучше реагенты адсорбируются на его поверхности, и чем слабее продукты реакции удерживают его. При этом важно, чтобы, изменяя энергетическое состояние молекул реагента, катализатор сам не образовывал с ними прочных химических связей.
Согласно современным воззрениям, каталитическая активность твердого тела обусловлена не всей поверхностью, а лишь отдельными ее частями, называемыми ее активными центрами. Их природа пока точно не установлена. Как правило, химики стремятся получать твердый катализатор с максимально большой поверхностью. Однако площадь сама по себе еще не определяет эффективность катализатора. Более важно - состояние поверхности, т.е. число активных центров на единицу поверхности.
В 1960 году были открыты случаи самосовершенствования катализаторов в ходе реакции, тогда как обычно катализаторы в ходе их работы дезактивизировались, ухудшались и выбрасывались. В 1964 году отечественный химик А.П. Руденко выдвинул теорию химической эволюции, напрямую связанную с процессами самосовершенствования катализаторов.
Для современной картины мира, пронизанной идеей развития, идея эволюции может показаться достаточно тривиальной. Однако в познании неживой природы проследить генетическую цепочку становления, возникновения, функционирования и гибели отдельных форм и образований на фоне «глобального эволюционизма» - задача не простая. Для химиков эволюция не исчерпывается возникновением и распадом межатомных, молекулярных структур. Химический процесс приводит к постепенному усложнению вещественной структуры космоса, к обогащению энергетических связей. В то же время он, как верно подметил Гегель, отягощен разрывами, подчас длительными остановками развития.
Появление идеи химической эволюции было подготовлено большими успехами в области изучения механизма химических превращений, развитием химической кинетики. В 1951 году Б.П. Белоусов открыл гомогенную периодическую химическую реакцию - окисление лимонной кислоты броматом при катализаторе ионами церия в сернокислой среде. Вопреки вековому опыту химиков, количество вещества, вступающего в реакцию, не убывало, не оставалось равновесным, а колебалось. Явно неживая химическая смесь проявила как бы способность к самоорганизации. До сих пор химики утверждали: никаких колебательных процессов в однородных растворах быть не может. Однако в последние годы накоплено достаточно фактов, свидетельствующих о множестве колебательных явлений типа реакции Белоусова. Такие реакции сопровождаются образованием специфических пространственных и временных структур за счет появления новых и удаления использованных химических реагентов. Однако в отличие от самоорганизации других открытых систем в указанных химических реакциях, важное значение приобретают каталитические процессы. Роль этих процессов усиливается по мере усложнения состава и структуры химических систем. Химическая эволюция если не целиком, то в значительной мере связана с процессами самоорганизации каталитических систем.
Таким образом, химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем и, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы. Орудием отбора наиболее прогрессивных эволюционных изменений является базисная реакция.
В настоящее время химические процессы исследуются такими отраслями как химия плазмы, реакционная химия, химия высоких давлений и температур. Анализ химических процессов выходит на фундаментальный теоретический уровень. В результате развития квантовой химии многие проблемы механизма реакции решаются на основании теоретических расчетов.
5. Проблемы самоорганизации в современной химии
Понятие самоорганизации имеет в эволюционной химии большое значение. Сложились два подхода к решению проблем самоорганизации предбиологических систем: субстратный и функциональный. Субстратный подход позволил получить информацию об отборе химических элементов и структур, который происходил в процессе самоорганизации предбиологических систем. На Земле из органогенов наиболее распространены только кислород и водород, распространенность других очень мала. В космосе господствуют два элемента - водород и гелий. Существенную роль в отборе химических элементов, способных к образованию прочных энергоемких связей, в первую очередь, сыграл углерод, который вмещает и удерживает внутри себя самые редкие химические противоположности, а также обладающие лабильностью органогены - азот, фосфор и сера, и элементы, которые являются центрами ферментов - железо и магний.
В ходе эволюции наряду с отбором химических элементов для биосистем осуществлялся также отбор химических соединений. Из небольшого числа органических веществ природа создала огромный мир растений и животных. Химики считают, что когда период химической подготовки сменился периодом биологической эволюции, химическая эволюция остановилась. Им очень важно понять, как происходила эта химическая подготовка, чтобы научиться у природы из менее организованных материалов создавать более организованные.
Функциональный подход к проблеме предбиологической эволюции характеризуется исследованием самоорганизации материальных систем, выявлением механизмов этих процессов. Такой подход преимущественно используется физиками и математиками, они рассматривают эволюционные процессы с позиций кибернетики. Многие из них утверждают, что для функционирования механизмов самоорганизации природа систем никакой особой роли не играет: живые системы, даже интеллект, можно смоделировать и из металла.
Тот факт, что катализ сыграл решающую роль в процессе перехода от химических систем к биологическим, в настоящее время подтверждается многими данными. Наиболее убедительные результаты, как мы уже видели, связаны с опытами по самоорганизации химических систем, которые проводили Б.П. Белоусов и А.М. Жаботинский. Эти реакции сопровождаются образованием новых структур, причем важное значение в них приобретают каталитические процессы, роль которых усиливается по мере усложнения структуры химических систем.
Основные понятия темы:
Атом - система взаимодействующих элементарных частиц, состоящая из ядра и электронов.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26
