· Все вещества состоят из атомов.
· Атомы каждого вида (элемента) одинаковы между собой, но отличаются от атомов другого вида (элемента).
· При взаимодействии атомов образуются молекулы: гомоядерные (при взаимодействии атомов одного элемента) или гетероядерные (при взаимодействии атомов разных элементов).
· При физических явлениях молекулы сохраняются, а при химических – разрушаются. При химических реакциях атомы в отличие от молекул сохраняются.
· Химические реакции заключаются в образовании новых веществ из тех же самых, из которых состоят первоначальные вещества.
Дальнейшее развитие атомно-молекулярного учения стало возможным благодаря открытию Д.И. Менделеева в 1869 году периодического закона химических элементов и создания его табличного выражения – периодической системы. Оказалось, что периодичность изменения свойств химических элементов и их соединений, связаны с повторяющейся структурой электронных оболочек их атомов.
На рубеже XIX – XX веков в химии начали прослеживаться кризисные тенденции, поскольку подверглась сомнению истинность сложившейся атомно-молекулярной концепции, т.к. она не могла объяснить некоторые экспериментальные данные, полученные к концу XIX века. Открытие электрона, радиоактивность, по мнению многих химиков, разрушили основы объективного анализа химических процессов. Однако дальнейшее исследование сложного строения атома прояснило причину связи атомов друг с другом. Это – химическая связь, указывающая на действие электростатических сил между атомами. Это силы взаимодействия электрических зарядов, а их носители – электроны и ядра атомов. В образовании химической связи между атомами наиболее важны валентные электроны, которые расположены на внешней оболочке и связаны с ядром менее прочно. Различаются три основных типа химической связи: ковалентная, ионная и металлическая.
Химическая связь – это взаимодействие, связывающее отдельные атомы в молекулы, ионы, кристаллы. Они являются теми структурными уровнями организации материи, которые изучает химия. Энергия связи является важнейшей характеристикой химической связи, определяющей ее прочность. Количественно она оценивается при помощи энергии, которая затрачивается на ее разрыв. Вопрос об энергетике различных химических процессов, о степени превращения веществ в химических реакциях связан с применением в химии законов термодинамики. Химическая кинетика выявляет механизм реакции, качественные и количественные изменения химических процессов. Стало очевидным, что химическая картина мира оказалась много сложнее, чем это представлялось в XIX веке. Позиции атомно-молекулярной теории продолжали усиливаться в XX веке.
Таковы общие представления о предмете химии как науки и о круге ее проблем.
2. Основные этапы (концепции) развития химии
Химия должна ответить на вопрос, от чего зависят свойства вещества. Исторически сформировались четыре способа решения этого вопроса. Свойства вещества зависят
1) от его элементного и молекулярного состава (1660 гг.)
2) от структуры его молекул – структурная химия (1880 гг.)
3) от термодинамических и кинетических условий, в которых вещество находится в процессе химической реакции (1950 гг.)
4) от уровня химической организации вещества – эволюционная химия(1970 гг.).
До середины XVII века не был известен ни один химический элемент. Во второй половине ХVII в. в работах английского ученого Р. Бойля было доказано, что качества и свойства тела зависят от того, из каких материальных элементов тело составлено. С этого момента стали считать, что наименьшей частицей простого тела является молекула. После открытия ряда элементов первую попытку их классификации сделал Лавуазье, эта работа была успешно завершена в 1867 г. Д.И. Менделеевым.
В 1860 г. А.М. Бутлеровым была создана химическая теория строения вещества, которая положила начало структурной химии. Стало ясно, что свойства веществ и их качественное разнообразие обусловлены не только составом, но и структурой молекул. Появилось понятие «реакционная способность», в него включались представления о химической активности отдельных элементов молекулы – атомов, атомных групп и даже отдельных химических связей. В 1860-е годы появляется термин «органический синтез». Химия превратилась из науки главным образом аналитической в синтетическую. Этот период связан с развитием производства анилиновых красителей для текстильной промышленности, искусственного шелка, взрывчатых веществ, различных лекарств и др. Но этот этап был не долгим. Интенсивное развитие автомобилестроения, авиации, энергетики, приборостроения в первой половине ХХ в. выдвинули новые требования к производству материалов. Необходимо было получать высокооктановое моторное топливо, специальные синтетические каучуки, пластмассы, изоляторы, жаропрочные органические и неорганические полимеры, полупроводники. Для получения этих материалов имеющихся знаний было не достаточно. Нужно было исследовать изменения свойств веществ в результате влияния температуры, давления, растворителей и многих других факторов, воздействующих на направление и скорость химических процессов.
Химия становится наукой о процессах и механизмах изменения вещества. Она обеспечивает производство синтетических материалов, заменяющих дерево и металл в строительстве, пищевое сырье в производстве олифы, лаков, моющих средств и смазочных материалов. Многие материалы стали производиться из нефтяного сырья, а производство азотных удобрений – из азота и воздуха. Появились новые технологии.
В 60-70-е годы ХХ в. возник четвертый способ решения главного вопроса химии. Он открыл путь использования в производстве материалов самые высокоорганизованные химические системы, которые возможны в настоящее время. В основе этого способа лежит принцип использования таких условий, которые приводят к самосовершенствованию катализаторов химических реакций, т.е. к самоорганизации химических систем. (Это своеобразная биологизация химии). Возникает эволюционная химия. Ее считают предбиологией, т.е. наукой о самоорганизации и саморазвитии химических систем. Химия связывается с биологией. Долгое время эти две науки шли каждая своим путем, параллельно, чему способствовали представления о непроходимой грани между живым и неживым. Лишь открытие в ХХ в. микромира позволило увидеть практические возможности совместной работы над химическими проблемами учения о клетке; обусловленности биологических функций химическими реакциями. В то же время стало совершенно ясно, что нельзя сводить явления жизни к химическим реакциям (антиредукционизм). Специфика химических процессов в живых системах состоит в самосохранении, самовоспроизведении живой системы. В 60–е годы ХХ в. были открыты случаи самосовершенствования катализаторов в ходе реакции. Обычно они дезактивировались в процессе работы, ухудшались и выбрасывались. Исследования в области биокатализаторов ориентировались на естественный отбор каталитических структур, осуществляемый природой на пути эволюции от неорганической материи к органической. Результатом явилась информация об отборе химических элементов и структур, который оказался подобен биологической эволюции. Ныне известно более ста химических элементов. Большинство из них участвуют в жизнедеятельности организмов. Однако основу живых систем составляют только 6 элементов, получивших название органогенов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера. Общая весовая доля их в организме более 97%. За ними следуют 11 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важных компонентов биосистем: натрий, калий, кальций, магний, железо, кремний, алюминий, хлор, медь, цинк, кобальт. Их весовая доля в организме – 1,6 %.
3. Химические системы и процессы
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.