Грушевицкая Садохин КСЕ Учебник. Учебное пособие для студентов дневного и заочного
 Скачать 3.37 Mb.
|
ТЕМА 18 СОВРЕМЕННЫЕ КОНЦЕПЦИИ ХИМИИДо конца XIX века химия в основном была единой целостной наукой. Внутреннее ее деление на органическую и неорганическую не нарушало этого единства. Но последовавшие вскоре многочисленные открытия как в самой химии, так и в биологии, физике положили начало быстрой ее дифференциации. Современная химическая наука, опираясь на прочные теоретические основы, непрерывно развивается вширь и вглубь. В частности, происходит открытие и изучение новых, качественно различных дискретных химических частиц. Так, еще в первой половине XIX века при изучении электролиза были обнаружены ионы - особые частицы, образованные из атомов и молекул, но электрически заряженные. Ионы являются структурными единицами многих кристаллов, кристаллических решеток металлов, они существуют в атмосфере, в растворах и т.д. В начале XX века химики открыли радикалы как одну из активных форм химического вещества. Они образуются из молекул путем отщепления отдельных атомов или групп и содержат атомы элементов в необычном для них валентном состоянии, что связано с наличием одиночных (неспаренных) электронов, объясняющих их исключительную химическую активность. К особым формам химического вещества относятся также макромолекулы. Они состоят из сотен и тысяч атомов и вследствие этого приобретают в отличие от обычной молекулы качественно новые свойства. Характерный для новейшей химии, как и для всей науки XX века, процесс глубокой внутренней дифференциации в значительной степени связан с открытием этого качественного многообразия химических веществ. Их строение, превращения и свойства стали предметом изучения специальных разделов химии: электрохимии, химической кинетики, химии полимеров, химии комплексных соединений, коллоидной химии, химии высокомолекулярных соединений. Уже к началу XX века внутри самой химии четко различаются общая и неорганическая химия и органическая химия. Предметом изучения общей и тесно связанной с ней неорганической химии стали химические элементы, образуемые ими простейшие неорганические соединения и их общие законы (прежде всего периодический закон Д.И. Менделеева). Сильный толчок развитию неорганической химии дали проникновение в недра атома и изучение ядерных процессов. Поиски элементов, наиболее пригодных для расщепления в ядерных реакторах, способствовали исследованию малоизученных и синтезу новых элементов с помощью ядерных реакций. Изучением их свойств, а также физико-химических основ и химических свойств радиоактивных изотопов, методикой их выделения и концентрации занялась радиохимия, возникшая во второй четверти XX века. Органическая химия окончательно сложилась в самостоятельную науку во второй половине XIX века. Этому способствовало получение большого эмпирического и теоретического материала о соединениях углерода и его производных. Определяющим фактором для всех органических соединений являются особенности валентного состояния углерода - способность его атомов связываться между собой как одинарной, так и двойной, тройной связью в длинные линейные и разветвленные цепи. Благодаря бесконечному многообразию форм сцепления углеродных атомов, наличию изомерии и гомологических рядов почти во всех классах органических соединений возможности получения этих соединений практически безграничны. В XX веке многие разделы органической химии стали постепенно превращаться в большие, относительно самостоятельные ветви со своими объектами изучения. Так появились: химия элементоорганических соединений, химия полимеров, химия высокомолекулярных соединений, химия антибиотиков, красителей, душистых соединений, фармакохимия и т.д. В конце прошлого века возникает химия металлоорганических соединений, то есть соединений, содержащих одну (или более) прямую связь металла с углеродом. До конца века были открыты органические соединения ртути, кадмия, цинка, свинца и др. В настоящее время получены углеродистые соединения с большей частью не только металлов, но и неметаллов (фосфор, бор, кремний, мышьяк и т.д.). Теперь эту область химии стали называть химией элементоорганических соединений, она находится на стыке органической и неорганической химии. Самостоятельной областью химии является наука о методах определения состава вещества аналитическая химия. Ее основная задача - определение химических элементов или их соединений, входящих в состав исследуемого вещества, - решается путем анализа. Без современных методов анализа был бы невозможен синтез новых химических соединений, постоянный эффективный контроль за ходом технологического процесса и качеством получаемых продуктов. Помимо процессов дифференциации самой химической науки, в настоящее время идут и интеграционные процессы химии с другими отраслями естествознания. Особенно интенсивно развиваются взаимосвязи между физикой и химией. Этот процесс сопровождается возникновением все новых и новых смежных физико-химических отраслей знания. История взаимодействия химии и физики полна примеров обмена идеями, объектами и методами исследования. На разных этапах своего развития физика снабжала химию понятиями и теоретическими концепциями, оказавшими сильное воздействие на развитие химии. При этом чем больше усложнялись химические исследования, тем больше аппаратура и методы расчетов физики проникали в химию. Необходимость измерения тепловых эффектов реакции, развитие спектрального и рентгеноструктурного анализа, изучение изотопов и радиоактивных химических элементов, кристаллических решеток вещества, молекулярных структур потребовали создания и привели к использованию сложнейших физических приборов -спектроскопов, масс-спектрографов, дифракционных решеток, электронных микроскопов и т.д. Развитие современной науки подтвердило глубокую связь между физикой и химией. Связь эта носит генетический характер, то есть образование атомов химических элементов, соединение их в молекулы вещества произошло на определенном этапе развития неорганического мира. Также эта связь основывается на общности строения конкретных видов материи, в том числе и молекул веществ, состоящих в конечном итоге из одних и тех же химических элементов, атомов и элементарных частиц. Возникновение химической формулы движения в природе вызвало дальнейшее развитие представлений об электромагнитном взаимодействии, изучаемом физикой. На основе периодического закона ныне осуществляется прогресс не только в химии, но и в ядерной физике, на границе которой возникли такие смешанные физико-химические теории, как химия изотопов, радиационная химия. Физика и химия изучают практически одни и те же объекты, но только каждая из них видит в этих объектах свою сторону, свой предмет изучения. Так, молекула является предметом изучения не только химии, но и молекулярной физики. Если первая изучает ее с точки зрения закономерностей образования, состава, химических свойств, связей, условий ее диссоциации на составляющие атомы, то последняя статистически изучает поведение масс молекул, обусловливающее тепловые явления, различные агрегатные состояния, переходы из газообразной в жидкую и твердую фазы и обратно, - явления, не связанные с изменением состава молекул и их внутреннего химического строения. Сопровождение каждой химической реакции механическим перемещением масс молекул реагентов, выделение или поглощение тепла за счет разрыва или образования связей в новых молекулах убедительно свидетельствуют о тесной связи химических и физических явлений. Так, энергетика химических процессов тесно связана с законами термодинамики, изложенными выше. Химические реакции, протекающие с выделением энергии - обычно в виде тепла и света, называются экзотермическими. Существуют также эндотермические реакции, протекающие с поглощением энергии. Все сказанное не противоречит законам термодинамики: в случае горения энергия высвобождается одновременно с уменьшением внутренней энергии системы. В эндотермических реакциях идет повышение внутренней энергии системы за счет притока тепла. Измеряя количество энергии, выделяющейся при реакции (тепловой эффект химической реакции), можно судить об изменении внутренней энергии системы. Он измеряется в килоджоулях на моль (кДж/моль). Частным случаем первого начала термодинамики является закон Гесса. Он гласит, что тепловой эффект реакции зависит только от начального и конечного состояния веществ и не зависит от промежуточных стадий процесса. Закон Гесса позволяет вычислить тепловой эффект реакции в тех случаях, когда его непосредственное измерение почему-либо неосуществимо. С возникновением теории относительности, квантовой механики и учения об элементарных частицах раскрылись еще более глубокие связи между физикой и химией. Оказалось, что ключ к объяснению существа свойств химических соединений, самого механизма превращения веществ лежит в строении атомов, в квантово-механических процессах его элементарных частиц и особенно электронов внешней оболочки. Именно новейшая физика блестяще решила такие вопросы химии, как природа химической связи, особенности химического строения молекул органических и неорганических соединений и т.д. В области соприкосновения физики и химии возник и успешно развивается сравнительно молодой из основных разделов химии - физическая химия, которая оформилась в конце XIX века в результате успешных попыток количественного изучения физических свойств химических веществ и смесей, теоретического объяснения молекулярных структур. Экспериментальной и теоретической базой для этого послужили работы Д.И. Менделеева (открытие периодического закона), Вант-Гоффа (термодинамика химических процессов), С. Аррениуса (теория электролитической диссоциации) и т.д. Предметом ее изучения стали общетеоретические вопросы, касающиеся строения и свойств молекул химических соединений, процессов превращения веществ в связи с взаимной обусловленностью их физическими свойствами, изучение условий протекания химических реакций и совершающихся при этом физических явлений. Ныне это разносторонне разветвленная наука, тесно связывающая физику и химию. Внутри физической химии к настоящему времени выделились и вполне сложились в качестве самостоятельных разделов, обладающих своими особыми методами и объектами исследования, электрохимия, учение о растворах, фотохимия, кристаллохимия. В начале XX века выделилась также в самостоятельную науку выросшая в недрах физической химии коллоидная химия. Со второй половины XX века в связи с интенсивной разработкой проблем ядерной энергии возникла и получила большое развитие новейшая отрасль физической химии - химия высоких энергий, радиационная химия (предметом ее изучения являются реакции, протекающие под действием ионизирующего излучения), химия изотопов. Вообще физическая химия рассматривается сейчас как наиболее широкий общетеоретический фундамент всей химической науки. Многие ее учения и теории имеют большое значение для развития неорганической и особенно органической химии. С возникновением физической химии изучение вещества стало осуществляться не только традиционными химическими методами исследования, не только с точки зрения его состава и свойств, но и со стороны структуры, термодинамики и кинетики химического процесса, а также со стороны связи и зависимости последнего от воздействия явлений, присущих другим формам движения (световое и радиационное облучение, световое и тепловое воздействие и т.д.). В первой половине XX века возникает пограничная между химией и новыми разделами физики (квантовая механика, электронная теория атомов и молекул) наука, которую стали позднее называть химической физикой. Она широко применила теоретические и экспериментальные методы новейшей физики к исследованию строения химических элементов и соединений и особенно механизма реакций. Химическая физика изучает взаимосвязь и взаимопереход химической и субатомной форм движения материи. Постоянно расширяющиеся связи химии и физики привели целый ряд ученых к идее координации и субординации этих наук. Таким образом, химия XX века предстает перед нами как весьма многообразная и разветвленная система знаний, которая находится в процессе интенсивного развития. В основной своей массе развитие химии идет в виде узкоориентированных прикладных исследований, но вместе с ними сегодня развиваются и концептуальные направления фундаментального характера, которые и определяют статус и положение этой науки в системе современного естествознания. К числу таких концептуальных направлений развития современной химии следует отнести: проблему химического элемента, исследование структуры химических соединений, учение о химических процессах и эволюционную химию. ПРОБЛЕМА ХИМИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА Концепция химического элемента появилась в химической науке в результате стремления человека обнаружить первоэлемент природы. Она просуществовала более двух тысяч лет. Однако лишь в XVII веке Р. Бойль положил начало современному представлению о химическом элементе как о простом теле, пределе химического разложения вещества, переходящем без изменения из состава одного сложного тела в другое. Тем не менее еще целый век химики делали ошибки в выделении химических элементов. Дело в том, что, сформулировав понятие химического элемента, химики еще не знали ни одного из них. Стремясь получить элементы в чистом виде, они пользовались считавшимся тогда универсальным методом прокаливания - окалину принимали за элемент. Так что известные тогда металлы - железо, медь, свинец - принимали за сложные тела, состоявшие из соответствующего элемента и универсального тела - флогистона. Тем не менее именно флогистонная теория, ложная по сути, оказалась двигателем многих исследований, приведших в конечном итоге к правильным выводам. Этот вывод был сделан Д.И. Менделеевым, доказавшим, что свойства химического элемента зависят от места данного элемента в периодической системе, определяемого зарядом ядра атома. В XX веке физика помогла установить сложную структуру атома любого химического элемента. Атом представляет собой единую квантово-механическую систему, состоящую из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки. Выяснены особенности строения электронных орбиталей атомов всех элементов и особая роль внешнего электронного уровня атома, от количества электронов в котором зависит реакционная способность элемента. Наиболее активными с химической точки зрения являются элементы, имеющие минимальную атомную массу и 6-7 электронов на внешнем электронном уровне (фтор, хлор, кислород): они стремятся достроить свою электронную оболочку, присоединив недостающее число электронов; а также металлы, обладающие большой атомной массой и имеющие 1 - 2 электрона на внешнем электронном уровне (барий, цезий), стремящиеся их отдать для его достройки. На этом основано понятие валентности - способности атома к образованию химической связи. Сегодня науке известно 110 химических элементов, но их удельное содержание в природе крайне неравномерно. Так, 98,6% массы физически доступного слоя Земли составляют всего восемь химических элементов: кислород (47%), кремний (27,5%), алюминий (8,8%), железо (4,6%), кальций (3,6%), натрий (2,6%), калий (2,5%), магний (2,1%). Однако используются эти элементы непропорционально. Например, железа в Земле содержится в два раза меньше, чем алюминия. Но сегодня более 95% всех металлических изделий изготовляются из железно-рудного сырья. Поэтому в современной химии концепция химического элемента выступает как проблема рационального использования химических элементов. Прежде всего исследования в этой области направлены на изучение и использование силикатов, которые составляют 97% массы земной коры. Отсюда вполне естественно убеждение ученых, что силикаты должны стать основным сырьем для производства всех строительных материалов и полуфабрикатов при изготовлении керамики, способной конкурировать с металлами. Внимание химиков к этим двум видам материалов не случайно: именно металлы и керамика составляют на 90% современную материально-техническую базу производства. В мире ежегодно производится около 600 млн. тонн металла - более 150 кг на каждого жителя планеты. Примерно столько же производится и керамики вместе с кирпичом. Однако изготовление металла обходится в сотни и тысячи раз дороже, чем керамики. Разница в их стоимости до недавнего времени никого особенно не волновала, так как каждый материал имел свое строго определенное назначение. Но сегодня благодаря химии все больше открывается возможностей для замены металла керамикой. Здесь существенными являются два обстоятельства: производство керамики намного легче в техническом отношении и выгоднее экономически, а, главное, керамика по своим показателям оказывается более подходящим конструкционным материалом по сравнению с металлом. Очевидное преимущество керамики состоит в том, что ее плотность на 40% ниже, чем плотность металлов, что позволяет, соответственно, снизить массу изготовляемых из керамики деталей. А при использовании в производстве керамики новых химических элементов - циркония, титана, бора, германия, хрома, молибдена, вольфрама и др. - можно получать керамические изделия с заранее заданными свойствами. Так, в последнее время была синтезирована огнеупорная, термостойкая, высокотвердая керамика с набором заданных электрофизических свойств. Впервые в мире в 60-х годах в нашей стране был получен сверхтвердый материал - гексанит-Р, представляющий собой одну из разновидностей нитрида бора с температурой плавления 3200 градусов по Цельсию и твердостью, близкой к твердости алмаза. У него отсутствует хрупкость, присущая керамике. Такая керамика производится методом прессования порошков с получением необходимых форм и размеров, что делает ненужной механическую обработку изделий. , Еще одно преимущество керамики перед металлами - сверхпроводимость при температуре кипения азота (- 195,8° С). Практическая реализация высокотемпературной сверхпроводимости открывает огромные перспективы для создания сверхмощных двигателей и генераторов, транспортных систем на магнитной подушке, разработки сверхмощных электромагнитных ускорителей и т.п. Однако подлинный переворот в теории химических элементов произвела химия фторорганических соединений. Она открыла совершенно новый мир органических веществ. Дело в том, что фторуглероды обладают исключительной устойчивостью даже в очень агрессивных средах кислот и щелочей, особой поверхностной активностью, способностью поглощать кислород и перекиси. Поэтому изделия из фторуглерода принимаются в качестве материала для изготовления внутренних органов человека (например, сердечных клапанов, кровеносных сосудов и т.д.). Синтез уникальных материалов заставляет по-новому исследовать все химические элементы и накапливать данные для новых концепций химических элементов. |