Природничонаукові знання про РЕЧОВИН
1. Хімія як наука. Коротка історична довідка. Проблеми і перспективи сучасної хімії
Згідно загальноприйнятим визначенням,
► хімія - це наука про речовини та їх перетворення, або, як варіант, наука про хімічні елементи і їх сполуках.
У цих визначеннях мається на увазі структурний рівень вивчення речовини і, так би мовити, «поділ повноважень» між фізикою і хімією. Фізика вивчає будову атома і світ елементарних частинок (атомний і нуклонів рівень мікросвіту), з одного боку, і прояв фізичних властивостей речовин, що перебувають у різних агрегатних станах, - з іншого (класичні механіка і електродинаміка, теплофізика як вивчення явищ макросвіту). Хімія ж розглядає процеси «збірки» молекул з атомів, традиційно звані «хімічними реакціями», а також прояв хімічних властивостей речовин, тобто здатність речовин вступати в хімічні реакції певного виду. Таким чином, структурний рівень речовини, досліджуваний у хімії, виявляється поміщеним між двома «фізичними» рівнями структури речовини, а «хімічні» явища відбуваються на кордоні мікросвіту і макросвіту.
Хімія - повноправний представник сімейства точних природних наук, тобто хімічне наукове знання сформовано з теорій, законів і закономірностей, формулювання яких виключають множинне тлумачення і які багаторазово підтверджені і перевірені на практиці. І, як для будь-якої природничої науки, для хімії мають велике значення перевірюваність, достовірність та відтворюваність результатів, доказовість знання, відповідність наукових теорій і спостережуваних фактів.
Хімія - раціональна наука, навіть гіпотези в хімії мають суто раціональний характер. Сучасна хімія щасливо уникнула того «нальоту» ірраціональності, який присутній у фізиці, біології, астрономії, особливо коли обговорюються питання походження Всесвіту, речовини і життя. Традиційно також слабка зв'язок хімії та філософії (протягом останніх 250-300 років після виключення алхімічних уявлень з хімії). І в дискусіях між ортодоксальними «матеріалістами» і «ідеалістами» хіміки завжди залишаються осторонь, а опоненти вдаються до різних аспектів хімічного знання для доказу своїх, часом протилежних за сутністю, доводів.
І хоча сучасна хімія має дуже мало спільного з алхімією середніх століть, а алхімічні тексти цікаві для нас, науковців XXI століття, з літературно-історичної, але ніяк не наукової точки зору, забавно, що свою назву «хімія» отримала саме від алхімії. Назва ж «алхімія» виходить, імовірно, від слова «Кемі»; країна Кемі (або Кемь) - одне із старовинних назв сучасного Єгипту, звідки, за середньовічним легендам, були родом перший алхіміки.
Хімія розвивалася і розвивається традиційно в двох напрямах - як фундаментальна наука (створення і вивчення теоретичних основ хімічного знання) і як наука прикладна (рішення практичних завдань застосування різних хімічних сполук). І якщо в XVIII-XIX ст. другий напрямок розвивався більш інтенсивно, обслуговуючи промислову революцію, а теоретичне спрямування змушене було «наздоганяти» у спробі пояснити і систематизувати швидко зростаючий обсяг хімічних знань, то все змінилося на рубежі XIX-XX ст. і особливо на початку XX ст. Великі відкриття у фізиці мікросвіту, що призвели до зміни парадигми природознавства, визначили розвиток теоретичної неорганічної та органічної хімії у світлі квантових уявлень. Таким чином було вдосконалено механізм пояснення хімічної будови і структури речовини, і надалі обидва напрямки хімічної науки розвивалися вже в тісній взаємодії, вирішуючи основну проблему сучасної хімії - отримання (синтез) речовини з заданими властивостями. Важливим етапом вирішення цього завдання є вирішення проблеми управління властивостями речовини. Хімія як наука не тільки про хімічний склад і структуру речовини, а й про хімічні процеси, розвивається в рамках парадигми сучасного природознавства - квантово-релятивістської механіки. Зокрема, існує фундаментальна хімічна наука - квантово-органічна хімія, яка вивчає механізми органічних реакцій з позиції квантових уявлень.
Однак поряд з квантовою хімією співіснує і класична хімія, наприклад хімія аналізу складу речовини і хімія промислового синтезу відомих продуктів, де для виконання рутинних процедур не обов'язково вдаватися до квантовим уявленням.
2. Хімічний елемент. Будова атома. Періодичний закон
Об'єкт вивчення хімічної науки, що лежить в основі всіх теоретичних уявлень про склад та структуру речовини, якесь просте початок, з якого збираються складні системи, так би мовити, елемент, - це атом в його сучасному визначенні.
► Атом - електронейтральна система взаємодіючих елементарних часток. Складові частини атома - ядро і електрони.
Електрон - справжня елементарна частинка, заряджена негативно. Ядро складається з частинок двох типів: позитивно заряджених протонів і не мають заряду нейтронів. Обидва типи частинок мають загальну назву «нуклони» і відносяться до класу адронів і, як і інші Андрон, у свою чергу самі складаються з елементарних часток - кварків, тому протон і нейтрон в строгому сенсі елементарними частинками не є. Протони і нейтрони характеризуються однаковою масою, рівною 1,67 · 10 - 24 г , Званої «атомної одиницею маси» (скорочено - а. А.о.м.); електрон ж набагато легше нуклонів, його маса дорівнює 0,00055 а. е. м. З цих даних зрозуміло, що найбільший внесок в масу атома вносять саме нуклони. Досить велика різноманітність елементів (і їх ізотопів) забезпечується наявністю частинок всього трьох типів, які беруть участь у створенні атомів.
► Хімічний елемент - це певний вид атомів, що характеризується однаковим зарядом ядра.
Встановлено, що чисельно заряд електрона (-1,6 · 10 -19 Кл) і протона (1,6 · 10 -19 Кл) рівні і мають назву «умовний одиничний заряд»; для дотримання правила електронейтральності атомів необхідно, щоб сума умовних одиничних зарядів була дорівнює нулю, тобто щоб кількості протонів і електронів в атомі були однакові. А от кількість нейтронів в ядрі атома, яке не впливає на сумарний заряд атома, може варіювати. Атоми одного і того ж елемента, які мають у ядрі різну кількість нейтронів і, відповідно, різну масу, називаються ізотопами.
Кожен елемент має свою назву та короткий стандартне позначення з однієї або двох букв латинського алфавіту (наприклад, С - від лат. Carbon - для вуглецю, Н - від лат. Hydrogen - для водню, Fe - отлат. Ferrum - для заліза). З цих знаків складається своєрідна мова хімії - хімічні формули, які зашифровують будова речовини; хімічні реакції теж пишуться з використанням хімічних формул. Спеціальні міжнародні конгреси ІЮПАК (International Union of Pure and Applied Chemistry) неодноразово збиралися протягом усього XX ст. для того, щоб привести до єдиного міжнародного стандарту хімічні формули та терміни. Тому хімікам різних країн не обов'язково вивчати іноземні мови, вони добре розуміють один одного за допомогою інтернаціональної мови хіміків.
В даний час відомо 110 елементів. Деякі елементи відомі з давніх часів (не в чистому вигляді, з можливими домішками, - наприклад, залізо, а також улюблені алхіміками ртуть, сірка), ще до того, як у XVII ст. відомий англійський вчений Роберт Бойль дав перше наукове визначення поняття «хімічний елемент». Відповідно до його визначення,
► Елемент - це просте тіло, межа хімічного розкладання речовини, що переходить без зміни з складу одного складного тіла до складу іншого.
Приблизно за 200 наступних років, до моменту відкриття Д. І. Менделєєвим його знаменитої Періодичної системи елементів, вчені володіли знаннями про 63 елементах. Порівняльний аналіз показував, що багато елементів володіють схожими фізичними і хімічними властивостями і їх можна об'єднувати в групи, створюючи тим самим класифікацію хімічних елементів. Необхідність у подібній класифікації як в зручному і ефективний метод пізнання властивостей речовини, а головне, передбачення властивостей відомих на той час і ще не відкритих елементів, стала нагальною до середини XIX ст.
Відкриття в 1869 р . великим російським ученим Дмитром Івановичем Менделєєвим періодичного закону та розробка Періодичної системи хімічних елементів, в якій сума знань про елементи була приведена в стрункий порядок, повністю вирішили це завдання.
Менделєєв вважав, що основою класифікації хімічних елементів є їх атомні ваги. Періодичний закон в його інтерпретації був сформульований так: «Властивості простих тіл, а також форми і властивості з'єднань елементів знаходяться в періодичній залежності від величини атомних ваг елементів». Менделєєв не тільки класифікував у своїй системі відомі на той час елементи, а й передбачив відкриття нових елементів, для яких він зарезервував певні місця у своїй Періодичної таблиці, причому не тільки передбачив відкриття, але й описав фізичні і хімічні властивості цих елементів. Всі передбачені Менделєєвим елементи були згодом відкриті різними вченими різних країн у XIX і ХХ ст. Серед них полоній і радій, відкриті П'єром і Марією Кюрі, радон, відкритий Ернстом Резерфордом, та ін Всі порожні місця в таблиці Менделєєва були заповнені, і зараз таблиця нарощується, продовжуючи заповнюватись новими трансурановими елементами, які утворюються в результаті ядерного синтезу в штучних умовах циклотронів, тобто прискорювачів елементарних частинок.
Періодичний закон і система Менделєєва представляли собою геніальне емпіричне узагальнення фактів, а їх фізичний зміст довгий час залишався незрозумілим. Відбувалося це тому, що вчені того часу не мали уявлення про складну структуру атома. Відкриття протона, нейтрона, електрона і інших елементарних частинок, відкриття ділення ядра атома, розробка квантової моделі атома Бора-Резерфорда і квантової фізики в цілому - все це наукові реалії ХХ ст.
На базі сучасних фундаментальних фізичних уявлень періодичний закон був сформульовано трохи інакше: «Властивості простих речовин, а також форми і властивості з'єднань елементів знаходяться в періодичній залежності від величини заряду ядра атома».
На закінчення слід сказати про ізотопи елементів. Як правило, ізотопи різних елементів не мають власних назв, а повторюють назва елемента; при цьому атомна маса даного ізотопу - його єдина відмінність від інших ізотопів цього ж елемента - відбивається за допомогою верхнього індексу в хімічній формулі елементи: наприклад, для ізотопів урану - 235 Ії 238 U. Єдиним винятком з правил номенклатури ізотопів є елемент № 1 - водень. Всі три відомих на цей момент ізотопу водню мають не тільки власні спеціальні хімічні символи, а й власну назву: 1 Н - протий, 2 D - дейтерій, 3 Т - тритій; при цьому ядро протію - це просто один протон, ядро дейтерію містить один протон і один нейтрон, ядро тритію - один протон і два нейтрони. З назвами ізотопів водню так історично склалося тому, що відносне розходження мас ізотопів водню, викликане додаванням одного нейтрона, є максимальним серед всіх хімічних елементів.
Всі ізотопи можна підрозділити на стабільні (стійкі), тобто не підвладні мимовільного розпаду ядер атомів на частини (розпад в такому випадку називається радіоактивним), і нестабільні (нестійкі) - радіоактивні, тобто схильні до радіоактивного розпаду. Більшість широко поширених в природі елементів складається з суміші двох або більшої кількості стабільних ізотопів: наприклад, 16 О, 12 С. З усіх елементів найбільше число стабільних ізотопів має олово (10 ізотопів), а, наприклад, алюміній існує в природі у вигляді тільки одного стабільного ізотопу - інші його відомі ізотопи нестійкі. Ядра нестабільних ізотопів мимовільно розпадаються, виділяючи при цьому α-частинки (двічі іонізованих атомів гелію, тобто два протони і два нейтрони) і β-частинки (електрони) до тих пір, поки не утворюється стабільний ізотоп іншого елемента: наприклад, розпад 238 U (радіоактивного урану) завершується утворенням 206 Pb (стабільного ізотопу свинцю). При вивченні ізотопів встановлено, що вони не розрізняються за хімічними властивостями, які, як нам відомо, визначаються зарядом їхніх ядер і не залежать від маси ядер.
3. Хімічна сполука, хімічний зв'язок
Різноманіття об'єктів, що вивчаються в рамках хімії, зовсім не вичерпується тільки елементами і ізотопами. Хімічні елементи об'єднуються в більш складні системи, звані хімічними сполуками. На рівні мікросвіту це описується як утворення з атомів більш складних (складених) часток - молекул.
► Молекула - це найменша електронейтральна сукупність атомів, що утворюють певну структуру за допомогою так званих хімічних зв'язків.
Хімічна зв'язок являє собою одне з фундаментальних фізичних взаємодій - електромагнітне. Можливість вступити в хімічну зв'язок атоми отримують за рахунок втрати своєї електронейтральності в результаті відриву одного або декількох електронів (позитивний заряд) або приєднання одного або декількох електронів (негативний заряд). Далі протилежно заряджені частинки - іони - притягаються до одного, нейтралізуючи свої заряди і утворюючи в результаті молекулу хімічної сполуки, що володіє властивістю електро-нейтральності. У даному прикладі розглянута так звана іонна хімічний зв'язок, що характеризується найвищою енергією зв'язку, можливої серед усіх її типів. Інші відомі типи хімічного зв'язку - ковалентний, донорно-акцепторні та ін - також пов'язані з електромагнітними взаємодіями; тільки в цих випадках відбувається не відрив електронів від атома, а їх якийсь зсув від нейтрального положення, в результаті чого також утворюється якийсь заряд.
► Процес утворення молекул з атомів називається хімічною реакцією.
Періодична система елементів визначає для кожного елемента:
♦ тип і заряд зарядженої частинки (іона);
♦ типи хімічних сполук, в які можуть вступати атоми даного елемента, тобто, по суті, хімічні формули молекул;
♦ типи хімічних зв'язків, які можуть реалізуватися в таких молекулах;
♦ типи хімічних реакцій, в які може вступати даний елемент.
Молекули можуть містити атоми тільки одного елемента, в цьому випадку такі речовини називаються простими. Численні приклади - існування чистих металів (особливо хімічно інертних дорогоцінних металів - золота, платини), інертних газів - неону, радону та ін У деяких простих речовин молекули складаються з двох і більше однакових атомів - це так звані двоатомні гази, наприклад кисню 2, галогени - гази фтор F 2 і хлор Cl 2, рідина бром Br 2, тверда речовина йод J 2. Молекула відомого газу озону містить три атоми кисню за формулою О 3, а молекула білого фосфору - чотири атома фосфору Р 4.
Речовини, молекули яких складаються з атомів різних елементів, називаються складними речовинами, або хімічними сполуками, наприклад: з'єднання різних елементів з киснем називаються оксидами, з фтором - фторидами, з хлором - хлоридами. Всі хімічні сполуки об'єднані в класи, і назви сполук різних класів визначається згідно з міжнародними стандартами номенклатури хімічних сполук ІЮПАК.
Традиційно хімічні сполуки поділяють на неорганічні - з'єднання всіх елементів Періодичної системи, і органічні - з'єднання вуглецю і деяких інших елементів, в яких атоми вуглецю з'єднані між собою в ланцюзі (відповідно оформилися фундаментальні напрямки хімічної науки - неорганічна та органічна хімія). Всього хімічних сполук на даний момент відомо кілька мільйонів, і їх кількість постійно зростає за рахунок синтезу нових органічних сполук.
В даний час відомо 110 елементів, а число утворених ними простих речовин - близько 400. Така відмінність пояснюється здатністю деяких елементів існувати у вигляді різних простих речовин, що відрізняються як за хімічними, так і за фізичними властивостями. Це явище отримало назву алотропія, а самі різні речовини - аллотропних модифікаціях. Властивістю утворювати алотропні модифікації мають як прості речовини, наприклад розглянуті вище з'єднання двоатомний кисень і озон трьохатомний (не менш відомий приклад - алотропія вуглецю С: вугілля, алмаз, графіт, шунгіт - хімічна формула всіх перерахованих сполук одна й та сама), так і складні з'єднання, наприклад численні алотропні форми оксиду кремнію (річковий пісок, мінерал кварц тощо) і оксиду алюмінію (глинозем і корунд).
1. Хімія як наука. Коротка історична довідка. Проблеми і перспективи сучасної хімії
Згідно загальноприйнятим визначенням,
► хімія - це наука про речовини та їх перетворення, або, як варіант, наука про хімічні елементи і їх сполуках.
У цих визначеннях мається на увазі структурний рівень вивчення речовини і, так би мовити, «поділ повноважень» між фізикою і хімією. Фізика вивчає будову атома і світ елементарних частинок (атомний і нуклонів рівень мікросвіту), з одного боку, і прояв фізичних властивостей речовин, що перебувають у різних агрегатних станах, - з іншого (класичні механіка і електродинаміка, теплофізика як вивчення явищ макросвіту). Хімія ж розглядає процеси «збірки» молекул з атомів, традиційно звані «хімічними реакціями», а також прояв хімічних властивостей речовин, тобто здатність речовин вступати в хімічні реакції певного виду. Таким чином, структурний рівень речовини, досліджуваний у хімії, виявляється поміщеним між двома «фізичними» рівнями структури речовини, а «хімічні» явища відбуваються на кордоні мікросвіту і макросвіту.
Хімія - повноправний представник сімейства точних природних наук, тобто хімічне наукове знання сформовано з теорій, законів і закономірностей, формулювання яких виключають множинне тлумачення і які багаторазово підтверджені і перевірені на практиці. І, як для будь-якої природничої науки, для хімії мають велике значення перевірюваність, достовірність та відтворюваність результатів, доказовість знання, відповідність наукових теорій і спостережуваних фактів.
Хімія - раціональна наука, навіть гіпотези в хімії мають суто раціональний характер. Сучасна хімія щасливо уникнула того «нальоту» ірраціональності, який присутній у фізиці, біології, астрономії, особливо коли обговорюються питання походження Всесвіту, речовини і життя. Традиційно також слабка зв'язок хімії та філософії (протягом останніх 250-300 років після виключення алхімічних уявлень з хімії). І в дискусіях між ортодоксальними «матеріалістами» і «ідеалістами» хіміки завжди залишаються осторонь, а опоненти вдаються до різних аспектів хімічного знання для доказу своїх, часом протилежних за сутністю, доводів.
І хоча сучасна хімія має дуже мало спільного з алхімією середніх століть, а алхімічні тексти цікаві для нас, науковців XXI століття, з літературно-історичної, але ніяк не наукової точки зору, забавно, що свою назву «хімія» отримала саме від алхімії. Назва ж «алхімія» виходить, імовірно, від слова «Кемі»; країна Кемі (або Кемь) - одне із старовинних назв сучасного Єгипту, звідки, за середньовічним легендам, були родом перший алхіміки.
Хімія розвивалася і розвивається традиційно в двох напрямах - як фундаментальна наука (створення і вивчення теоретичних основ хімічного знання) і як наука прикладна (рішення практичних завдань застосування різних хімічних сполук). І якщо в XVIII-XIX ст. другий напрямок розвивався більш інтенсивно, обслуговуючи промислову революцію, а теоретичне спрямування змушене було «наздоганяти» у спробі пояснити і систематизувати швидко зростаючий обсяг хімічних знань, то все змінилося на рубежі XIX-XX ст. і особливо на початку XX ст. Великі відкриття у фізиці мікросвіту, що призвели до зміни парадигми природознавства, визначили розвиток теоретичної неорганічної та органічної хімії у світлі квантових уявлень. Таким чином було вдосконалено механізм пояснення хімічної будови і структури речовини, і надалі обидва напрямки хімічної науки розвивалися вже в тісній взаємодії, вирішуючи основну проблему сучасної хімії - отримання (синтез) речовини з заданими властивостями. Важливим етапом вирішення цього завдання є вирішення проблеми управління властивостями речовини. Хімія як наука не тільки про хімічний склад і структуру речовини, а й про хімічні процеси, розвивається в рамках парадигми сучасного природознавства - квантово-релятивістської механіки. Зокрема, існує фундаментальна хімічна наука - квантово-органічна хімія, яка вивчає механізми органічних реакцій з позиції квантових уявлень.
Однак поряд з квантовою хімією співіснує і класична хімія, наприклад хімія аналізу складу речовини і хімія промислового синтезу відомих продуктів, де для виконання рутинних процедур не обов'язково вдаватися до квантовим уявленням.
2. Хімічний елемент. Будова атома. Періодичний закон
Об'єкт вивчення хімічної науки, що лежить в основі всіх теоретичних уявлень про склад та структуру речовини, якесь просте початок, з якого збираються складні системи, так би мовити, елемент, - це атом в його сучасному визначенні.
► Атом - електронейтральна система взаємодіючих елементарних часток. Складові частини атома - ядро і електрони.
Електрон - справжня елементарна частинка, заряджена негативно. Ядро складається з частинок двох типів: позитивно заряджених протонів і не мають заряду нейтронів. Обидва типи частинок мають загальну назву «нуклони» і відносяться до класу адронів і, як і інші Андрон, у свою чергу самі складаються з елементарних часток - кварків, тому протон і нейтрон в строгому сенсі елементарними частинками не є. Протони і нейтрони характеризуються однаковою масою, рівною 1,67 · 10 -
► Хімічний елемент - це певний вид атомів, що характеризується однаковим зарядом ядра.
Встановлено, що чисельно заряд електрона (-1,6 · 10 -19 Кл) і протона (1,6 · 10 -19 Кл) рівні і мають назву «умовний одиничний заряд»; для дотримання правила електронейтральності атомів необхідно, щоб сума умовних одиничних зарядів була дорівнює нулю, тобто щоб кількості протонів і електронів в атомі були однакові. А от кількість нейтронів в ядрі атома, яке не впливає на сумарний заряд атома, може варіювати. Атоми одного і того ж елемента, які мають у ядрі різну кількість нейтронів і, відповідно, різну масу, називаються ізотопами.
Кожен елемент має свою назву та короткий стандартне позначення з однієї або двох букв латинського алфавіту (наприклад, С - від лат. Carbon - для вуглецю, Н - від лат. Hydrogen - для водню, Fe - отлат. Ferrum - для заліза). З цих знаків складається своєрідна мова хімії - хімічні формули, які зашифровують будова речовини; хімічні реакції теж пишуться з використанням хімічних формул. Спеціальні міжнародні конгреси ІЮПАК (International Union of Pure and Applied Chemistry) неодноразово збиралися протягом усього XX ст. для того, щоб привести до єдиного міжнародного стандарту хімічні формули та терміни. Тому хімікам різних країн не обов'язково вивчати іноземні мови, вони добре розуміють один одного за допомогою інтернаціональної мови хіміків.
В даний час відомо 110 елементів. Деякі елементи відомі з давніх часів (не в чистому вигляді, з можливими домішками, - наприклад, залізо, а також улюблені алхіміками ртуть, сірка), ще до того, як у XVII ст. відомий англійський вчений Роберт Бойль дав перше наукове визначення поняття «хімічний елемент». Відповідно до його визначення,
► Елемент - це просте тіло, межа хімічного розкладання речовини, що переходить без зміни з складу одного складного тіла до складу іншого.
Приблизно за 200 наступних років, до моменту відкриття Д. І. Менделєєвим його знаменитої Періодичної системи елементів, вчені володіли знаннями про 63 елементах. Порівняльний аналіз показував, що багато елементів володіють схожими фізичними і хімічними властивостями і їх можна об'єднувати в групи, створюючи тим самим класифікацію хімічних елементів. Необхідність у подібній класифікації як в зручному і ефективний метод пізнання властивостей речовини, а головне, передбачення властивостей відомих на той час і ще не відкритих елементів, стала нагальною до середини XIX ст.
Відкриття в
Менделєєв вважав, що основою класифікації хімічних елементів є їх атомні ваги. Періодичний закон в його інтерпретації був сформульований так: «Властивості простих тіл, а також форми і властивості з'єднань елементів знаходяться в періодичній залежності від величини атомних ваг елементів». Менделєєв не тільки класифікував у своїй системі відомі на той час елементи, а й передбачив відкриття нових елементів, для яких він зарезервував певні місця у своїй Періодичної таблиці, причому не тільки передбачив відкриття, але й описав фізичні і хімічні властивості цих елементів. Всі передбачені Менделєєвим елементи були згодом відкриті різними вченими різних країн у XIX і ХХ ст. Серед них полоній і радій, відкриті П'єром і Марією Кюрі, радон, відкритий Ернстом Резерфордом, та ін Всі порожні місця в таблиці Менделєєва були заповнені, і зараз таблиця нарощується, продовжуючи заповнюватись новими трансурановими елементами, які утворюються в результаті ядерного синтезу в штучних умовах циклотронів, тобто прискорювачів елементарних частинок.
Періодичний закон і система Менделєєва представляли собою геніальне емпіричне узагальнення фактів, а їх фізичний зміст довгий час залишався незрозумілим. Відбувалося це тому, що вчені того часу не мали уявлення про складну структуру атома. Відкриття протона, нейтрона, електрона і інших елементарних частинок, відкриття ділення ядра атома, розробка квантової моделі атома Бора-Резерфорда і квантової фізики в цілому - все це наукові реалії ХХ ст.
На базі сучасних фундаментальних фізичних уявлень періодичний закон був сформульовано трохи інакше: «Властивості простих речовин, а також форми і властивості з'єднань елементів знаходяться в періодичній залежності від величини заряду ядра атома».
На закінчення слід сказати про ізотопи елементів. Як правило, ізотопи різних елементів не мають власних назв, а повторюють назва елемента; при цьому атомна маса даного ізотопу - його єдина відмінність від інших ізотопів цього ж елемента - відбивається за допомогою верхнього індексу в хімічній формулі елементи: наприклад, для ізотопів урану - 235 Ії 238 U. Єдиним винятком з правил номенклатури ізотопів є елемент № 1 - водень. Всі три відомих на цей момент ізотопу водню мають не тільки власні спеціальні хімічні символи, а й власну назву: 1 Н - протий, 2 D - дейтерій, 3 Т - тритій; при цьому ядро протію - це просто один протон, ядро дейтерію містить один протон і один нейтрон, ядро тритію - один протон і два нейтрони. З назвами ізотопів водню так історично склалося тому, що відносне розходження мас ізотопів водню, викликане додаванням одного нейтрона, є максимальним серед всіх хімічних елементів.
Всі ізотопи можна підрозділити на стабільні (стійкі), тобто не підвладні мимовільного розпаду ядер атомів на частини (розпад в такому випадку називається радіоактивним), і нестабільні (нестійкі) - радіоактивні, тобто схильні до радіоактивного розпаду. Більшість широко поширених в природі елементів складається з суміші двох або більшої кількості стабільних ізотопів: наприклад, 16 О, 12 С. З усіх елементів найбільше число стабільних ізотопів має олово (10 ізотопів), а, наприклад, алюміній існує в природі у вигляді тільки одного стабільного ізотопу - інші його відомі ізотопи нестійкі. Ядра нестабільних ізотопів мимовільно розпадаються, виділяючи при цьому α-частинки (двічі іонізованих атомів гелію, тобто два протони і два нейтрони) і β-частинки (електрони) до тих пір, поки не утворюється стабільний ізотоп іншого елемента: наприклад, розпад 238 U (радіоактивного урану) завершується утворенням 206 Pb (стабільного ізотопу свинцю). При вивченні ізотопів встановлено, що вони не розрізняються за хімічними властивостями, які, як нам відомо, визначаються зарядом їхніх ядер і не залежать від маси ядер.
3. Хімічна сполука, хімічний зв'язок
Різноманіття об'єктів, що вивчаються в рамках хімії, зовсім не вичерпується тільки елементами і ізотопами. Хімічні елементи об'єднуються в більш складні системи, звані хімічними сполуками. На рівні мікросвіту це описується як утворення з атомів більш складних (складених) часток - молекул.
► Молекула - це найменша електронейтральна сукупність атомів, що утворюють певну структуру за допомогою так званих хімічних зв'язків.
Хімічна зв'язок являє собою одне з фундаментальних фізичних взаємодій - електромагнітне. Можливість вступити в хімічну зв'язок атоми отримують за рахунок втрати своєї електронейтральності в результаті відриву одного або декількох електронів (позитивний заряд) або приєднання одного або декількох електронів (негативний заряд). Далі протилежно заряджені частинки - іони - притягаються до одного, нейтралізуючи свої заряди і утворюючи в результаті молекулу хімічної сполуки, що володіє властивістю електро-нейтральності. У даному прикладі розглянута так звана іонна хімічний зв'язок, що характеризується найвищою енергією зв'язку, можливої серед усіх її типів. Інші відомі типи хімічного зв'язку - ковалентний, донорно-акцепторні та ін - також пов'язані з електромагнітними взаємодіями; тільки в цих випадках відбувається не відрив електронів від атома, а їх якийсь зсув від нейтрального положення, в результаті чого також утворюється якийсь заряд.
► Процес утворення молекул з атомів називається хімічною реакцією.
Періодична система елементів визначає для кожного елемента:
♦ тип і заряд зарядженої частинки (іона);
♦ типи хімічних сполук, в які можуть вступати атоми даного елемента, тобто, по суті, хімічні формули молекул;
♦ типи хімічних зв'язків, які можуть реалізуватися в таких молекулах;
♦ типи хімічних реакцій, в які може вступати даний елемент.
Молекули можуть містити атоми тільки одного елемента, в цьому випадку такі речовини називаються простими. Численні приклади - існування чистих металів (особливо хімічно інертних дорогоцінних металів - золота, платини), інертних газів - неону, радону та ін У деяких простих речовин молекули складаються з двох і більше однакових атомів - це так звані двоатомні гази, наприклад кисню 2, галогени - гази фтор F 2 і хлор Cl 2, рідина бром Br 2, тверда речовина йод J 2. Молекула відомого газу озону містить три атоми кисню за формулою О 3, а молекула білого фосфору - чотири атома фосфору Р 4.
Речовини, молекули яких складаються з атомів різних елементів, називаються складними речовинами, або хімічними сполуками, наприклад: з'єднання різних елементів з киснем називаються оксидами, з фтором - фторидами, з хлором - хлоридами. Всі хімічні сполуки об'єднані в класи, і назви сполук різних класів визначається згідно з міжнародними стандартами номенклатури хімічних сполук ІЮПАК.
Традиційно хімічні сполуки поділяють на неорганічні - з'єднання всіх елементів Періодичної системи, і органічні - з'єднання вуглецю і деяких інших елементів, в яких атоми вуглецю з'єднані між собою в ланцюзі (відповідно оформилися фундаментальні напрямки хімічної науки - неорганічна та органічна хімія). Всього хімічних сполук на даний момент відомо кілька мільйонів, і їх кількість постійно зростає за рахунок синтезу нових органічних сполук.
В даний час відомо 110 елементів, а число утворених ними простих речовин - близько 400. Така відмінність пояснюється здатністю деяких елементів існувати у вигляді різних простих речовин, що відрізняються як за хімічними, так і за фізичними властивостями. Це явище отримало назву алотропія, а самі різні речовини - аллотропних модифікаціях. Властивістю утворювати алотропні модифікації мають як прості речовини, наприклад розглянуті вище з'єднання двоатомний кисень і озон трьохатомний (не менш відомий приклад - алотропія вуглецю С: вугілля, алмаз, графіт, шунгіт - хімічна формула всіх перерахованих сполук одна й та сама), так і складні з'єднання, наприклад численні алотропні форми оксиду кремнію (річковий пісок, мінерал кварц тощо) і оксиду алюмінію (глинозем і корунд).
4. Хімічна реакція, її швидкість, кінетика і каталіз, біокаталізатори
Для встановлення складу хімічних сполук дуже важливий закон сталості їхнього складу. Положення цього закону дозволили хімікам відокремлювати справжні хімічні сполуки від простих сумішей. Вперше в історії хімії цей закон був сформульований французьким хіміком Ж. Прустом на початку XIX ст.:
► Будь індивідуальне хімічне з'єднання має строго певним незмінним складом, міцним тяжінням складових частин і тим самим відрізняється від сумішей.
Теоретично закон сталості складу обгрунтував англійський натураліст Д. Дальтон у своєму знаменитому законі кратних відносин: «з'єднання складаються з атомів двох або декількох з'єднань, що утворюють певні поєднання один з одним». На його честь всі хімічні сполуки постійного складу (а їх переважна більшість серед речовин) називають Дальтоніди.
Закон сталості складу речовини використовував і Д. І. Менделєєв при розробці своєї періодичної системи - сталість складу з'єднань, які може утворювати даний елемент, випливає з його положення в періодичній таблиці Менделєєва. Подання про склад речовини - одне з концептуальних понять для хімії як природничої науки. Сталість складу хімічних сполук зумовлено фізичною природою хімічних зв'язків, що поєднують атоми в одну квантово-механічну систему - молекулу.
Необхідність вироблення суворих наукових принципів щодо складу речовини дозволила хімікам успішно розвинути строге наукове поняття хімічної реакції як процесу утворення нових хімічних сполук. У хімічній реакції беруть участь вихідні речовини, які реагують один з одним і з часом перетворюються на нові речовини, звані продуктами реакції. Із закону сталості складу речовини слід сталість не тільки складу молекул продуктів реакції, а й сталість кількісних співвідношень (масових часток) вихідних речовин.
► Стехиометрія - розділ хімії, в якому розглядаються масові або об'ємні відносини між реагують речовинами. Закони стехіометрії так само будуть правдою, як і будь-які інші природничонаукові закони; крім того, їх знання дуже корисно для прикладної хімії, тому що дозволяє кількісно розрахувати вихід хімічної реакції і необхідну кількість вихідних речовин.
Процес отримання нових хімічних сполук з урахуванням сте-хіометріческіх співвідношень звичайно записується у вигляді рівняння хімічної реакції, наприклад:
6HCL + 2HNO 3 = 3CL 2 + 2NO + 4H 2 O,
де
♦ хімічні формули ліворуч від знаку рівності позначають вихідні речовини;
♦ хімічні формули праворуч від знаку рівності позначають продукти реакції;
♦ цифри перед формулами хімічних сполук є так званими стехіометричні коефіцієнти; вони розкривають масові (або об'ємні) співвідношення речовин.
У рівнянні хімічної реакції знайшов своє відображення ще один фундаментальний закон природознавства - закон збереження речовини, відкритий нашим співвітчизником М. В. Ломоносовим і незалежно від нього - французом А. Л. Лавуазьє. Саме відповідно до цього закону і виходить математичний вираз - рівняння: маса певного елементу зліва від знаку рівності повинна бути дорівнює масі цього ж елемента праворуч від знаку рівності, а стехіометричні коефіцієнти зрівнюють (не тільки математичний, а й хімічний термін!) Дану реакцію.
Проникнення математичних понять, виразів, термінів (рівняння, коефіцієнти) в хімію, змішання термінологій означає, що на важливому історичному етапі формування хімії як науки (XVIII-XIX ст.) Вона розвивалася у відповідності з науковою парадигмою того часу - класичною механікою. Стосовно до хімії цю парадигма могла б бути виражена таким чином: будь-який закон природи можна представити у вигляді математичного співвідношення, що записується за участю хімічних формул.
Ще один цікавий випадок проникнення класичного ньютонівського підходу в хімію - поняття про швидкість хімічної реакції. Намагаючись отримати нові хімічні сполуки, вчені-хіміки різних епох неодноразово відзначали той факт, що деякі речовини реагують один з одним миттєво, часто з вибухом, а інші - повільно, протягом декількох годин (діб). Швидкості багатьох хімічних процесів були встановлені емпіричним шляхом. І для обчислення швидкості хімічних реакцій було використано ньютонівської уявлення про час як про що не залежить від властивостей речовини і простору простий тривалості. Процес хімічної реакції можна розглядати як процес зміни концентрацій початкових і кінцевих продуктів реакції, і, згідно з класичною механіці, для будь-якого процесу зміни (руху) у часі завжди можна розрахувати швидкість цієї зміни.
Сучасні квантові уявлення про хімічні процеси розглядають хімічну реакцію як перерозподіл електронів між статистично вірогідними енергетичними рівнями беруть участь молекул, створення міжмолекулярних проміжних реакційних комплексів та отримання нових продуктів як енергетично вигідних станів молекул. У рамках цих уявлень класична швидкість реакцій не має сенсу, тому що кожне нове енергетичне стан розглядається в рамках просторово-часового континууму і перебір енергетичних станів продовжується до досягнення найбільш енергетично вигідного. Тим не менш, класичні уявлення про хімічні процеси активно використовуються в сучасній хімії, особливо в прикладних областях хімії та в хімічних науках, що лежать «на стику» з біологією, - біохімії, молекулярної біології та ін
Закономірним етапом застосування знань про умови перебігу хімічних процесів став розвиток науки про те, як можна чинити на них вплив і ними керувати. Така наука отримала назву хімічної кінетики, в якому також знайшла відображення класична парадигма, адже кінетика - це наука про рух. Але в класичній кінетиці швидкість - векторна величина, тобто має напрям. Точно так само і в хімічній кінетиці має значення напрям хімічної реакції - розрізняють реакцію пряму, тобто таку, в результаті якої з вихідних речовин виходять продукти реакції, і реакцію зворотну, при якій відбувається розкладання продуктів з отриманням вихідних речовин. Так в хімічну кінетику було введено поняття про хімічний рівновазі - стані, коли швидкості прямої і зворотної реакції рівні між собою.
У рамках хімічної кінетики було зроблено чимало корисних відкриттів, які показують, як можна збільшувати швидкість хімічних процесів за рахунок підбору умов - підвищення температури реакції, тиску (якщо реакція протікає в газовій фазі), як можна зрушити хімічна рівновага в бік отримання корисних продуктів реакції, не містять залишків непрореагіровавшіх вихідних продуктів, і т. д.
Епохальним стало відкриття речовин, які при додаванні до реакційної суміші здатні збільшити швидкість реакції, при цьому залишаючись незмінними (не змінюючи свого складу). Ці речовини одержали назву каталізаторів, тобто прискорювачів, а їх застосування - каталіз. Зараз складно навіть перелічити всі хімічні промислові процеси, де застосовуються каталізатори, - настільки велике їх число, особливо в органічній хімії. Відомі приклади промислового каталізу - каталітичний крекінг нафтопродуктів з отриманням вуглеводнів, які застосовуються в якості палива (бензини, дизельне палива і т. д.), отримання твердого замінника вершкового масла - маргарину - з рідких рослинних масел і т. д.
Цікаво, що поряд з величезною кількістю реалізованих вченими прискорюваних штучними каталізаторами хімічних процесів існують природні каталізатори та природні каталітичні процеси. Приклад природного каталізу - процес корозії металевого заліза, «ржавеніе», тобто його окислення в природі з утворенням оксидів - іржі, відбувається під дією каталізатора води. У зв'язку з цим цікавий факт застосування речовин, що сповільнюють деякі небажані хімічні процеси, наприклад той же процес корозії металевого заліза. Ці речовини називаються інгібітори, тобто сповільнювачі. Легуючі добавки до сталей для захисту їх від корозії (одержання нержавіючих сталей) - ось приклад застосування інгібіторів у промисловості. Як і каталізатори, інгібітори бувають природного походження, наприклад інгібітори гниття - натуральні консерванти, які продукуються деякими рослинами.
Каталізатори та інгібітори відіграють велику роль у біологічних процесах. Відомі всім ферменти - біокаталізатори, тобто речовини, які прискорюють біохімічні процеси всередині організмів живих істот, причому живі істоти самостійно синтезують ці ферменти в різних органах і тканинах. Ферменти управляють всіма процесами метаболізму у всіх рослин і тварин, причому чим вище рівень організму, тим більша кількість ферментів використовується в ньому. На даний момент невідомо навіть приблизно загальна кількість ферментів людського організму, оцінне число - кілька тисяч.
Цікаві факти використання життєво важливих ферментів, які не може синтезувати людський організм, і тому вихідні речовини для внутрішнього синтезу ферментів - так звані коферменти - він, як гетеротрофний організм, отримує ззовні від рослин і тварин. Це всім відомі вітаміни, «речовини життя», необхідні людині протягом усього його життєвого циклу. Всередині людського організму вони трансформуються в ферменти. Згідно з уявленнями сучасної еволюційної хімії, роль природних каталізаторів дуже важлива в процесах еволюції неживої і живої матерії.
5. Взаємозв'язок хімічної будови і структури неорганічних і органічних сполук
Ізомерія та її види
Для опису хімічної сполуки часто буває важливим знання не тільки його складу, то є записи його хімічної формули, але й так званої структури. Говорячи про структуру речовини, хіміки завжди мають на увазі його молекулярну будову. Під терміном «структура» мається на увазі розташування в просторі атомів при утворенні молекули речовини. Для розуміння цього концептуального для хімії поняття важливо розглянути молекули з квантових позицій.
Згідно сучасним уявленням, структура молекул - це просторова і енергетична впорядкованість квантово-механічної системи, що складається з атомних ядер і електронів. Суть справи в тому, що електрони, реалізуючи статистичний набір станів поблизу власного атомного ядра при утворенні хімічного зв'язку, вступають у взаємодію з електронами і ядрами інших атомів і деякі до цього статистично доступні «місця» у просторі зайняти не можуть. Особливості фундаментального електромагнітного взаємодії декількох заряджених об'єктів мікросвіту призводять до того, що атоми в молекулах виявляються «локалізовані» в строго певних «місцях», положення в просторі яких можна розрахувати за допомогою математичного апарату квантової хімії.
У сучасній хімії розроблена система наочного зображення просторових структур молекул, яка дуже корисна як в процесі пізнання природи хімічних сполук, особливо в органічній хімії, так і для вирішення практичних завдань хімічного синтезу цих сполук. Початок вивченню структури органічних сполук було покладено в теорії будови органічних сполук, розробленої великим російським хіміком А. М. Бутлеров ( 1860 р .). Вивченням просторових структур хімічних сполук займається сучасна наука стереохімія, що є підрозділом органічної хімії.
З поняттям «просторова структура органічних сполук» нерозривно пов'язана одна з найцікавіших явищ природи нашої планети, аналогічне явищам радіоактивної ізотопії елементів і алотропія простих і складних неорганічних речовин. Як і в згаданих випадках, однією хімічною формулою органічної сполуки, тобто одному складом речовини, відповідають різні сполуки з різними фізичними або хімічними властивостями, і основна відмінність між ними укладено в різній просторовій структурі молекул цих сполук. Це явище називається ізомерією органічних сполук. Ізомери органічних сполук, незважаючи на те що мають однакові хімічні формули, називаються по-різному, і їх назви також відповідають суворої номенклатурі хімічних сполук. У стереохімії розглядається ізомерія різних видів - ізомерія граничних вуглеводнів, цістранс-ізомерія неграничних вуглеводнів, таутомерія кисневмісних органічних сполук (кетонів та альдегідів), оптична ізомерія і діастереомери складних органічних сполук.
А що ж неорганічні сполуки? Чи є в цьому класі хімічних сполук проблеми, пов'язані з просторовою структурою молекул? Так, є. Неорганічні сполуки (не всі) у твердому стані здатні утворювати надмолекулярні комплекси повторюваного складу і складної об'ємної просторової структури. Вони називаються кристалами. А структура кристалів, що характеризується високим ступенем впорядкованості, називається кристалічною структурою, або кристалічними гратами.
6. Еволюційна хімія - відбір хімічних елементів у Всесвіті
У XX ст. в світлі загальних еволюційних уявлень в природознавстві розвивається нова наука - еволюційна хімія, наука про самоорганізацію і саморозвиток хімічних систем. У рамках еволюційної хімії вивчаються процеси мимовільного синтезу нових хімічних сполук, які є більш складними і високоорганізованими продуктами в порівнянні з вихідними речовинами.
Початок цієї науки було покладено при розробці теорії біохімічної еволюції, що пояснює походження життя на Землі в результаті процесів, що підкоряються фізичним та хімічним законам. Першою стадією біохімічної еволюції вважається хімічна еволюція, або абіогенез, яка, згідно з цією теорією, протікала в три етапи. Перший етап - синтез низькомолекулярних органічних сполук з газів первинної атмосфери, другий етап - полімеризації мономерів з утворенням ланцюгів білків і нуклеїнових кислот; третій етап - освіта фазово-відокремлених систем органічних речовин, відокремлених від зовнішнього середовища мембранами. У процесі розвитку нашої планети відбувався відбір хімічних елементів у біотичних і абіотичних системах.
Основу живих систем складають лише 6 елементів, що одержали назву органогенов: вуглець, водень, кисень, азот, фосфор, сірка. Їх загальна вагова частка в організмі становить більше 97%. За ними слідують 11 елементів, які беруть участь у побудові багатьох фізіологічно важливих компонентів біосистем: натрій, калій, кальцій, магній, залізо, кремній, алюміній, хлор, мідь, цинк, кобальт. Їх вагова частка в організмі - 1,6%. Є ще 20 елементів, що беруть участь у побудові та функціонуванні окремих специфічних біосистем, частка яких становить 1%. Участь всіх інших елементів у побудові біосистем практично не зафіксовано. І в абіотичним середовищі є свідчення про відбір елементів. Більше 99% всіх природних сполук містять ті ж 17 елементів, на частку всіх інших припадає менше 1% з'єднань.
Якщо говорити про хімічну картині світу в цілому, враховуючи як природні, так і синтетичні продукти, то виявляється, що в даний час відомо близько 8 млн хімічних сполук. З них 96% - органічні сполуки, а на частку неорганічних сполук (4%) припадає лише близько 300 тис. простих і складних речовин. Більшу частину речовини у Всесвіті складають водень і гелій. Більш важкі елементи існують у Всесвіті в дуже малих кількостях: наприклад, наша зірка - Сонце - містить не більше 2% важких елементів.
7. Концептуальні системи хімічних знань
Підводячи підсумки даного розділу, присвяченого концептуальним засадам сучасної хімії, ми можемо виділити в розвитку хімії як природної науки чотири концептуальних етапу, причому кожен новий виникав на основі попереднього і включав його в себе в перетвореному вигляді.
1. Вчення про склад речовини пов'язане з дослідженням різних властивостей речовин залежно від їх хімічного складу, поняттям хімічного елемента і хімічної сполуки.
2. Структурна хімія - положення про те, що властивості речовин обумовлюються не тільки складом, а й структурою молекул.
3. Вчення про хімічні процеси пов'язане з дослідженням механізмів і умов протікання хімічних процесів, з поняттям про каталіз.
4. Еволюційна хімія вивчає процеси самоорганізації хімічних систем з позицій уявлень про загальне еволюційному процесі у Всесвіті і відборі хімічних елементів.
Список літератури:
· Азімов А. Коротка історія біології. Від алхімії до генетики: Пер. з англ. Л. А. Ігоревській. - М.: ЗАТ «Видавництво Центрполіграф», 2002
· Біологія: Енциклопедія / За ред. М. С. Гілярова. - М.: Велика Російська енциклопедія, 2003.
· Горелов А. А. Концепції сучасного природознавства. - М., 2003.
· Капко В. Б. Концепція сучасного природознавства. - М.: Логос, 2002.
Для встановлення складу хімічних сполук дуже важливий закон сталості їхнього складу. Положення цього закону дозволили хімікам відокремлювати справжні хімічні сполуки від простих сумішей. Вперше в історії хімії цей закон був сформульований французьким хіміком Ж. Прустом на початку XIX ст.:
► Будь індивідуальне хімічне з'єднання має строго певним незмінним складом, міцним тяжінням складових частин і тим самим відрізняється від сумішей.
Теоретично закон сталості складу обгрунтував англійський натураліст Д. Дальтон у своєму знаменитому законі кратних відносин: «з'єднання складаються з атомів двох або декількох з'єднань, що утворюють певні поєднання один з одним». На його честь всі хімічні сполуки постійного складу (а їх переважна більшість серед речовин) називають Дальтоніди.
Закон сталості складу речовини використовував і Д. І. Менделєєв при розробці своєї періодичної системи - сталість складу з'єднань, які може утворювати даний елемент, випливає з його положення в періодичній таблиці Менделєєва. Подання про склад речовини - одне з концептуальних понять для хімії як природничої науки. Сталість складу хімічних сполук зумовлено фізичною природою хімічних зв'язків, що поєднують атоми в одну квантово-механічну систему - молекулу.
Необхідність вироблення суворих наукових принципів щодо складу речовини дозволила хімікам успішно розвинути строге наукове поняття хімічної реакції як процесу утворення нових хімічних сполук. У хімічній реакції беруть участь вихідні речовини, які реагують один з одним і з часом перетворюються на нові речовини, звані продуктами реакції. Із закону сталості складу речовини слід сталість не тільки складу молекул продуктів реакції, а й сталість кількісних співвідношень (масових часток) вихідних речовин.
► Стехиометрія - розділ хімії, в якому розглядаються масові або об'ємні відносини між реагують речовинами. Закони стехіометрії так само будуть правдою, як і будь-які інші природничонаукові закони; крім того, їх знання дуже корисно для прикладної хімії, тому що дозволяє кількісно розрахувати вихід хімічної реакції і необхідну кількість вихідних речовин.
Процес отримання нових хімічних сполук з урахуванням сте-хіометріческіх співвідношень звичайно записується у вигляді рівняння хімічної реакції, наприклад:
6HCL + 2HNO 3 = 3CL 2 + 2NO + 4H 2 O,
де
♦ хімічні формули ліворуч від знаку рівності позначають вихідні речовини;
♦ хімічні формули праворуч від знаку рівності позначають продукти реакції;
♦ цифри перед формулами хімічних сполук є так званими стехіометричні коефіцієнти; вони розкривають масові (або об'ємні) співвідношення речовин.
У рівнянні хімічної реакції знайшов своє відображення ще один фундаментальний закон природознавства - закон збереження речовини, відкритий нашим співвітчизником М. В. Ломоносовим і незалежно від нього - французом А. Л. Лавуазьє. Саме відповідно до цього закону і виходить математичний вираз - рівняння: маса певного елементу зліва від знаку рівності повинна бути дорівнює масі цього ж елемента праворуч від знаку рівності, а стехіометричні коефіцієнти зрівнюють (не тільки математичний, а й хімічний термін!) Дану реакцію.
Проникнення математичних понять, виразів, термінів (рівняння, коефіцієнти) в хімію, змішання термінологій означає, що на важливому історичному етапі формування хімії як науки (XVIII-XIX ст.) Вона розвивалася у відповідності з науковою парадигмою того часу - класичною механікою. Стосовно до хімії цю парадигма могла б бути виражена таким чином: будь-який закон природи можна представити у вигляді математичного співвідношення, що записується за участю хімічних формул.
Ще один цікавий випадок проникнення класичного ньютонівського підходу в хімію - поняття про швидкість хімічної реакції. Намагаючись отримати нові хімічні сполуки, вчені-хіміки різних епох неодноразово відзначали той факт, що деякі речовини реагують один з одним миттєво, часто з вибухом, а інші - повільно, протягом декількох годин (діб). Швидкості багатьох хімічних процесів були встановлені емпіричним шляхом. І для обчислення швидкості хімічних реакцій було використано ньютонівської уявлення про час як про що не залежить від властивостей речовини і простору простий тривалості. Процес хімічної реакції можна розглядати як процес зміни концентрацій початкових і кінцевих продуктів реакції, і, згідно з класичною механіці, для будь-якого процесу зміни (руху) у часі завжди можна розрахувати швидкість цієї зміни.
Сучасні квантові уявлення про хімічні процеси розглядають хімічну реакцію як перерозподіл електронів між статистично вірогідними енергетичними рівнями беруть участь молекул, створення міжмолекулярних проміжних реакційних комплексів та отримання нових продуктів як енергетично вигідних станів молекул. У рамках цих уявлень класична швидкість реакцій не має сенсу, тому що кожне нове енергетичне стан розглядається в рамках просторово-часового континууму і перебір енергетичних станів продовжується до досягнення найбільш енергетично вигідного. Тим не менш, класичні уявлення про хімічні процеси активно використовуються в сучасній хімії, особливо в прикладних областях хімії та в хімічних науках, що лежать «на стику» з біологією, - біохімії, молекулярної біології та ін
Закономірним етапом застосування знань про умови перебігу хімічних процесів став розвиток науки про те, як можна чинити на них вплив і ними керувати. Така наука отримала назву хімічної кінетики, в якому також знайшла відображення класична парадигма, адже кінетика - це наука про рух. Але в класичній кінетиці швидкість - векторна величина, тобто має напрям. Точно так само і в хімічній кінетиці має значення напрям хімічної реакції - розрізняють реакцію пряму, тобто таку, в результаті якої з вихідних речовин виходять продукти реакції, і реакцію зворотну, при якій відбувається розкладання продуктів з отриманням вихідних речовин. Так в хімічну кінетику було введено поняття про хімічний рівновазі - стані, коли швидкості прямої і зворотної реакції рівні між собою.
У рамках хімічної кінетики було зроблено чимало корисних відкриттів, які показують, як можна збільшувати швидкість хімічних процесів за рахунок підбору умов - підвищення температури реакції, тиску (якщо реакція протікає в газовій фазі), як можна зрушити хімічна рівновага в бік отримання корисних продуктів реакції, не містять залишків непрореагіровавшіх вихідних продуктів, і т. д.
Епохальним стало відкриття речовин, які при додаванні до реакційної суміші здатні збільшити швидкість реакції, при цьому залишаючись незмінними (не змінюючи свого складу). Ці речовини одержали назву каталізаторів, тобто прискорювачів, а їх застосування - каталіз. Зараз складно навіть перелічити всі хімічні промислові процеси, де застосовуються каталізатори, - настільки велике їх число, особливо в органічній хімії. Відомі приклади промислового каталізу - каталітичний крекінг нафтопродуктів з отриманням вуглеводнів, які застосовуються в якості палива (бензини, дизельне палива і т. д.), отримання твердого замінника вершкового масла - маргарину - з рідких рослинних масел і т. д.
Цікаво, що поряд з величезною кількістю реалізованих вченими прискорюваних штучними каталізаторами хімічних процесів існують природні каталізатори та природні каталітичні процеси. Приклад природного каталізу - процес корозії металевого заліза, «ржавеніе», тобто його окислення в природі з утворенням оксидів - іржі, відбувається під дією каталізатора води. У зв'язку з цим цікавий факт застосування речовин, що сповільнюють деякі небажані хімічні процеси, наприклад той же процес корозії металевого заліза. Ці речовини називаються інгібітори, тобто сповільнювачі. Легуючі добавки до сталей для захисту їх від корозії (одержання нержавіючих сталей) - ось приклад застосування інгібіторів у промисловості. Як і каталізатори, інгібітори бувають природного походження, наприклад інгібітори гниття - натуральні консерванти, які продукуються деякими рослинами.
Каталізатори та інгібітори відіграють велику роль у біологічних процесах. Відомі всім ферменти - біокаталізатори, тобто речовини, які прискорюють біохімічні процеси всередині організмів живих істот, причому живі істоти самостійно синтезують ці ферменти в різних органах і тканинах. Ферменти управляють всіма процесами метаболізму у всіх рослин і тварин, причому чим вище рівень організму, тим більша кількість ферментів використовується в ньому. На даний момент невідомо навіть приблизно загальна кількість ферментів людського організму, оцінне число - кілька тисяч.
Цікаві факти використання життєво важливих ферментів, які не може синтезувати людський організм, і тому вихідні речовини для внутрішнього синтезу ферментів - так звані коферменти - він, як гетеротрофний організм, отримує ззовні від рослин і тварин. Це всім відомі вітаміни, «речовини життя», необхідні людині протягом усього його життєвого циклу. Всередині людського організму вони трансформуються в ферменти. Згідно з уявленнями сучасної еволюційної хімії, роль природних каталізаторів дуже важлива в процесах еволюції неживої і живої матерії.
5. Взаємозв'язок хімічної будови і структури неорганічних і органічних сполук
Ізомерія та її види
Для опису хімічної сполуки часто буває важливим знання не тільки його складу, то є записи його хімічної формули, але й так званої структури. Говорячи про структуру речовини, хіміки завжди мають на увазі його молекулярну будову. Під терміном «структура» мається на увазі розташування в просторі атомів при утворенні молекули речовини. Для розуміння цього концептуального для хімії поняття важливо розглянути молекули з квантових позицій.
Згідно сучасним уявленням, структура молекул - це просторова і енергетична впорядкованість квантово-механічної системи, що складається з атомних ядер і електронів. Суть справи в тому, що електрони, реалізуючи статистичний набір станів поблизу власного атомного ядра при утворенні хімічного зв'язку, вступають у взаємодію з електронами і ядрами інших атомів і деякі до цього статистично доступні «місця» у просторі зайняти не можуть. Особливості фундаментального електромагнітного взаємодії декількох заряджених об'єктів мікросвіту призводять до того, що атоми в молекулах виявляються «локалізовані» в строго певних «місцях», положення в просторі яких можна розрахувати за допомогою математичного апарату квантової хімії.
У сучасній хімії розроблена система наочного зображення просторових структур молекул, яка дуже корисна як в процесі пізнання природи хімічних сполук, особливо в органічній хімії, так і для вирішення практичних завдань хімічного синтезу цих сполук. Початок вивченню структури органічних сполук було покладено в теорії будови органічних сполук, розробленої великим російським хіміком А. М. Бутлеров (
З поняттям «просторова структура органічних сполук» нерозривно пов'язана одна з найцікавіших явищ природи нашої планети, аналогічне явищам радіоактивної ізотопії елементів і алотропія простих і складних неорганічних речовин. Як і в згаданих випадках, однією хімічною формулою органічної сполуки, тобто одному складом речовини, відповідають різні сполуки з різними фізичними або хімічними властивостями, і основна відмінність між ними укладено в різній просторовій структурі молекул цих сполук. Це явище називається ізомерією органічних сполук. Ізомери органічних сполук, незважаючи на те що мають однакові хімічні формули, називаються по-різному, і їх назви також відповідають суворої номенклатурі хімічних сполук. У стереохімії розглядається ізомерія різних видів - ізомерія граничних вуглеводнів, цістранс-ізомерія неграничних вуглеводнів, таутомерія кисневмісних органічних сполук (кетонів та альдегідів), оптична ізомерія і діастереомери складних органічних сполук.
А що ж неорганічні сполуки? Чи є в цьому класі хімічних сполук проблеми, пов'язані з просторовою структурою молекул? Так, є. Неорганічні сполуки (не всі) у твердому стані здатні утворювати надмолекулярні комплекси повторюваного складу і складної об'ємної просторової структури. Вони називаються кристалами. А структура кристалів, що характеризується високим ступенем впорядкованості, називається кристалічною структурою, або кристалічними гратами.
6. Еволюційна хімія - відбір хімічних елементів у Всесвіті
У XX ст. в світлі загальних еволюційних уявлень в природознавстві розвивається нова наука - еволюційна хімія, наука про самоорганізацію і саморозвиток хімічних систем. У рамках еволюційної хімії вивчаються процеси мимовільного синтезу нових хімічних сполук, які є більш складними і високоорганізованими продуктами в порівнянні з вихідними речовинами.
Початок цієї науки було покладено при розробці теорії біохімічної еволюції, що пояснює походження життя на Землі в результаті процесів, що підкоряються фізичним та хімічним законам. Першою стадією біохімічної еволюції вважається хімічна еволюція, або абіогенез, яка, згідно з цією теорією, протікала в три етапи. Перший етап - синтез низькомолекулярних органічних сполук з газів первинної атмосфери, другий етап - полімеризації мономерів з утворенням ланцюгів білків і нуклеїнових кислот; третій етап - освіта фазово-відокремлених систем органічних речовин, відокремлених від зовнішнього середовища мембранами. У процесі розвитку нашої планети відбувався відбір хімічних елементів у біотичних і абіотичних системах.
Основу живих систем складають лише 6 елементів, що одержали назву органогенов: вуглець, водень, кисень, азот, фосфор, сірка. Їх загальна вагова частка в організмі становить більше 97%. За ними слідують 11 елементів, які беруть участь у побудові багатьох фізіологічно важливих компонентів біосистем: натрій, калій, кальцій, магній, залізо, кремній, алюміній, хлор, мідь, цинк, кобальт. Їх вагова частка в організмі - 1,6%. Є ще 20 елементів, що беруть участь у побудові та функціонуванні окремих специфічних біосистем, частка яких становить 1%. Участь всіх інших елементів у побудові біосистем практично не зафіксовано. І в абіотичним середовищі є свідчення про відбір елементів. Більше 99% всіх природних сполук містять ті ж 17 елементів, на частку всіх інших припадає менше 1% з'єднань.
Якщо говорити про хімічну картині світу в цілому, враховуючи як природні, так і синтетичні продукти, то виявляється, що в даний час відомо близько 8 млн хімічних сполук. З них 96% - органічні сполуки, а на частку неорганічних сполук (4%) припадає лише близько 300 тис. простих і складних речовин. Більшу частину речовини у Всесвіті складають водень і гелій. Більш важкі елементи існують у Всесвіті в дуже малих кількостях: наприклад, наша зірка - Сонце - містить не більше 2% важких елементів.
7. Концептуальні системи хімічних знань
Підводячи підсумки даного розділу, присвяченого концептуальним засадам сучасної хімії, ми можемо виділити в розвитку хімії як природної науки чотири концептуальних етапу, причому кожен новий виникав на основі попереднього і включав його в себе в перетвореному вигляді.
1. Вчення про склад речовини пов'язане з дослідженням різних властивостей речовин залежно від їх хімічного складу, поняттям хімічного елемента і хімічної сполуки.
2. Структурна хімія - положення про те, що властивості речовин обумовлюються не тільки складом, а й структурою молекул.
3. Вчення про хімічні процеси пов'язане з дослідженням механізмів і умов протікання хімічних процесів, з поняттям про каталіз.
4. Еволюційна хімія вивчає процеси самоорганізації хімічних систем з позицій уявлень про загальне еволюційному процесі у Всесвіті і відборі хімічних елементів.
Список літератури:
· Азімов А. Коротка історія біології. Від алхімії до генетики: Пер. з англ. Л. А. Ігоревській. - М.: ЗАТ «Видавництво Центрполіграф», 2002
· Біологія: Енциклопедія / За ред. М. С. Гілярова. - М.: Велика Російська енциклопедія, 2003.
· Горелов А. А. Концепції сучасного природознавства. - М., 2003.
· Капко В. Б. Концепція сучасного природознавства. - М.: Логос, 2002.