Учебное пособие: Эволюция теоретических проблем химии

Вещества и их взаимные превращения являются предметом изучения химии. Химия – это наука о веществах и законах, которым подчиняются их превращения. Слово «химия» получило широкое распространение с начала XVIII века. На многих языках оно имеет сходное звучание: chemistry ('кемистри) – на английском, сhemie (хе'ми) – на немецком. Корни «хем» или «хим» содержатся в соответствующих терминах и на многих других языках. Однако до сих пор не удалось установить, когда возникло слово «химия» и какой смысл в него первоначально вкладывался. Многие исследователи склоняются к тому, что это слово происходит от «Кеми» – «Черная страна». Так в древней Греции называли Египет, где зародилось «священное искусство химии». Это же слово относилось к цвету почвы в долине Нила. Смысл такого названия – «египетская наука». Однако в древнегреческом языке были другие близкие по звучанию слова. «Химос» или «хюмос» означало «сок»; это понятие встречается в рукописях, содержащих сведения по медицине и способам приготовления лекарств. «Хима» или «хюма» переводится как литье и относится к искусству выплавки металлов. «Хемевсис» означает «смешивание», являющееся важнейшей операцией большинства химических процессов. Термин «химия» в смысле «настаивание», «наливание» первым употребил греческий философ и естествоиспытатель Зосима Панополитанский на рубеже IV и V веков.

Современная химия – это фундаментальная система знаний, основанная на богатом экспериментальном материале и теоретических положениях. Химия занимает особое место среди естественных наук. На сегодняшний день известно более 20 миллионов химических веществ. Часть из них встречается в природе. Однако большинство химических веществ ранее вообще не существовало. Они были получены человеком в химических лабораториях. В этом состоит уникальность химии: она не довольствуется тем, что дано природой, а постоянно создает для себя все новые и новые объекты исследований.

Каждое из химических веществ имеет свое внутреннее строение и может претерпевать разнообразные превращения, то есть вступать в химические реакции. Эти два аспекта взаимосвязаны. Внутреннее строение определяет химические свойства, а по химическим свойствам можно судить о строении вещества. В то же время невозможно одновременно исследовать и строение и химические свойства вещества, поскольку в ходе химической реакции структура вещества неизбежно изменяется. Изучение строения и реакционной способности химических веществ, создание веществ и материалов с заранее заданными свойствами – основные задачи химической науки.

Уже в XVIII веке начала формироваться так называемая минеральная химия. Сейчас этот раздел химии мы называем неорганической химией – в отличие от органической химии, которая первоначально исследовала вещества, образующиеся в живых организмах. Позднее были выделены в самостоятельные разделы еще две важнейшие области химии – аналитическая и физическая химия.

Дать точное определение каждому из этих разделов очень сложно, хотя в целом разница между ними вполне очевидна. Так, невозможно кратко ответить на вопрос: что такое неорганическая химия. Одно из наиболее удачных, хотя и не совсем полных определений звучит так: неорганическая химия – это экспериментальное исследование и теоретическая интерпретация свойств и реакций всех элементов и всех их соединений, кроме большинства углеводородов и их соединений.

Основные задачи современной неорганической химии – изучение строения, свойств и химических реакций простых веществ и соединений, взаимосвязи строения со свойствами и реакционной способностью веществ, разработка методов синтеза и глубокой очистки веществ, общих методов получения неорганических материалов.

Теоретическую основу неорганической химии составляет учение о Периодическом законе, созданное русским ученым - энциклопедистом Дмитрием Ивановичем Менделеевым (1834–1907). Несмотря на то, что этому закону уже более 100 лет, он по-прежнему является важнейшим инструментом для объяснения свойств и реакций химических элементов и их соединений. Периодическая система химических элементов, получившая в бытовой речи название – таблица Менделеева, – изображена во всех учебниках химии и знакома практически каждому. Предпринималось много попыток создать новую, более совершенную форму таблицы. В научной литературе описано около 700 ее вариантов. Были найдены круговые, треугольные и спиральные варианты, а также трехмерные модификации в виде этажерки, цилиндра, платформы с двумя башнями, объемной спирали, взаимопересекающихся плоскостей и т. д. Но самый распространенный на сегодня вариант близок к тому, который в свое время предложил Д. И. Менделеев.

С точки зрения теории строения атома, элементы в периодической системе расположены в последовательности увеличения зарядов их ядер, Внутри каждого периода по мере возрастания зарядов ядер элементов последовательно изменяется структура внешних электронных уровней. С этим связан переход элементов от металлов к неметаллам. В периодах слева направо, с увеличением зарядов ядер элементов, усиливается притяжение электронов к ядру и происходит сжатие атома, т. е. уменьшение атомного радиуса элементов. Поэтому в начале каждого периода располагаются элементы, имеющие больший атомный радиус и меньшее число электронов на внешнем электронном слое. Чем больше атомный радиус, тем слабее притяжение электронов внешнего слоя и тем легче элементу отдавать электроны. Такая структура характерна для элементов - металлов, которые сравнительно легко отдают валентные электроны, но не могут принимать их дополнительно для достройки электронных оболочек внешнего уровня.

С увеличением атомного номера элементов увеличивается заряд ядра и число электронов во внешнем слое и уменьшается легкость отдачи электронов с этого слоя. Таким образом, внутри каждого периода с увеличением атомных номеров элементов наблюдается уменьшение металлических свойств элементов и возрастание неметаллических свойств (способность притягивать к себе электроны). Каждый период заканчивается инертным элементом, имеющим завершенную структуру внешнего электронного слоя (полный октет).

Устойчивость такого октета объясняет пассивность инертных элементов, что не позволяет причислить их к металлам или неметаллам. В группах расположены элементы, имеющие одинаковое строение внешнего электронного слоя, т. е. электронные аналоги. Номер группы указывает число электронов на внешней электронной оболочке атомов элементов данной группы. Элементы, находящиеся в одной группе проявляют близкие химические свойства. Однако и внутри группы свойства элементов изменяются. Это связано с тем, что внутри каждой группы сверху вниз у элементов увеличивается число электронных слоев, т. е. атомный радиус. Чем больше атомный радиус, тем дальше от ядра электроны внешнего слоя и тем слабее они удерживаются ядром.

Таким образом, в группах сверху вниз усиливаются металлические и уменьшаются неметаллические свойства. В периодической таблице группы делятся на два типа: 8 групп IA- VIIIA и 8 групп IB- VIIIB. Группа VIIIB состоит из триад. В группах IА и IIA находятся s-элементы, у них последним заполняется электронами s-подуровень внешнего уровня. Далее, согласно правилам Клечковского, для элементов с главным квантовым числом n= 2 и n= 3 (второй и третий период) происходит заполнение р- подуровня. Это р- элементы, они располагаются в группах IIIA- VIIIA. Для элементов IV и V периода после заполнения электронами s- подуровня энергетически более выгодно заполнение соответственно 3d- и 4d- поуровней, что и происходит у элементов групп IB- VIIIB.

Группы типа В расположены в порядке, указывающем число валентных электронов атомов элементов, так как у d- элементов валентными являются электроны не только внешнего уровня, но и заполняемого второго снаружи уровня. После полного заполнения d- электронами второго снаружи уровня, происходит заполнение р- подуровня последнего электронного уровня (группы IIIA- VIIIA).

У актиноидов и лантаноидов происходит заполнение электронами f- подуровня третьего снаружи энергетического уровня, что и обуславливает схожесть их химических свойств.

Как видно, с учетом заполнения электронами энергетических уровней, в периодической таблице с увеличением атомных номеров элементов наблюдается периодическое повторение строения внешних электронных слоев, что и обусловливает периодичность свойств химических элементов.

С электронной конфигурацией атома связаны такие его свойства, как энергия ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность, степень окисления.

v   Энергия ионизации- это энергия, необходимая для отрыва наиболее слабосвязанного электрона от атома. Она выражается в электронвольтах. При отрыве электрона от атома образуется заряженная частица- ион. В данном случае ион будет иметь положительный заряд. Такие ионы называются катионами. Для элементов одного периода энергия ионизации возрастает слева направо с увеличением неметаллических свойств у элементов. В группах энергия ионизации уменьшается сверху вниз с увеличением металлических свойств.

v   Сродство к электрону- это энергия, которая выделяется при присоединении к атому одного электрона Она также выражается в электронвольтах. При присоединении электрона к атому образуется отрицательно заряженный ион - анион. В периодах слева направо сродство к электрону увеличивается. Наибольшим сродством к электрону обладают галогены.

v   Электроотрицательность - это способность атома притягивать к себе электроны в соединении. Притягиваемые электроны являются валентными, т. е. это электроны, которые участвуют в химической связи. Инертные (благородные) элементы не обладают электроотрицательностью. Наиболее электроотрицательным из элементов является фтор.

v   Степень окисления- это формальный заряд атома в соединении, который возник бы, если бы все атомы в этом соединении были бы в виде ионов, а электроны смещены к наиболее электроотрицательному элементу. Номер группы в периодической системе численно равен положительной высшей степени окисления любого элемента данной группы в соединениях с кислородом.

Предмет изучения органической химии некогда ограничивался соединениями углерода, имеющими растительное и животное происхождение. В наше время органическая химия – это наука, изучающая природные и синтетические соединения углерода с другими элементами.

Ежегодно число синтезированных органических соединений возрастает на 250–300 тысяч. Оно превышает число известных неорганических соединений в десятки раз. Многообразие органических соединений определяется уникальной способностью атомов углерода соединяться друг с другом простыми и кратными связями, образовывать соединения с практически неограниченным числом атомов, связанных в цепи, циклы, каркасы, образовывать прочные связи почти со всеми химическими элементами.

Основным методом органической химии является синтез. Теория химического строения органических веществ базируется на положениях, впервые сформулированных русским химиком Александром Михайловичем Бутлеровым (1828–1886). В органической химии можно выделить области исследований соединений, относящихся к различным классам и имеющих различное происхождение: химия ароматических соединений, химия природных соединений, нефтехимия.

До сих пор ведутся споры, можно считать самостоятельным разделом химии аналитическую химию. Вряд ли они состоятельны. Анализ – важнейший метод химии. До первой половины XIX века именно аналитическая химия была основным разделом химии. Аналитическая химия – это наука об определении химического состава веществ и, в некоторой степени, химического строения соединений.

Родоначальником научной аналитической химии считают английского физика и химика Роберта Бойля (1627–1691), который первым ввел понятие «химический анализ». Без тщательного, точного анализа развитие химии невозможно. Любой синтез обязательно сопровождается анализом. Для современных технологий необходимы особо чистые вещества, а содержание ничтожных долей примесей в них можно определить лишь аналитическими методами.

Основная цель аналитической химии – обеспечить точность, высокую чувствительность, быстроту, избирательность анализа. Развитие аналитической химии привело к возникновению химической диагностики, позволяющей непрерывно определять различные характеристики протекающих процессов и образующихся веществ.

В аналитической химии широко стали использоваться физико-химические и физические методы. Физические методы изучения веществ и воздействия на них получили применение и в других областях химии. Это привело к формированию новых важных направлений химии, например, радиационной химии, плазмохимии. Химия экстремальных воздействий играет большую роль в получении новых материалов, например для электроники, или давно известных ценных материалов, например алмазов, сравнительно дешевым синтетическим путем.

На грани исследований физических и химических явлений возникла физическая химия. Изучение тепловых эффектов химических реакций породило термохимию. Химические процессы, протекающие под действием электрического тока, стали основой электрохимии. В основу современной физической химии легли также учения о растворах, о скоростях и механизмах химических реакций, о строении молекул и многие другие. Физическая химия – это наука об общих законах, определяющих строение и химические превращения веществ в различных условиях. Термин «физическая химия» принадлежит М. В. Ломоносову (1711–1765), который в 1752 году впервые прочитал студентам Петербургского университета курс этой науки.

Она исследует химические явления с помощью теоретических и экспериментальных методов физики. Физическая химия является основным теоретическим фундаментом современной химии. В последние годы все большее внимание уделяется углубленному анализу общих закономерностей химических превращений на молекулярном уровне; широкому использованию математического моделирования; изучению воздействия на химические процессы сверхвысоких и сверхнизких температур и давлений, радиации и магнитного поля.

Все больше стираются границы и между химией и другими естественными науками. Биохимия – биологическая химия – изучает химический состав и структуру веществ, содержащихся в живых организмах; пути и способы регуляции их превращений; энергетическое обеспечение процессов, происходящих в клетке и в организме.

Становление биохимии как науки произошло на рубеже XIX и XX веков, хотя истоки биохимических знаний обнаружены еще в трудах ученых античного периода, а первые сведения о составе растительных и животных тканей начали появляться в средние века. В наши дни из биохимии уже выделились биоорганическая и бионеорганическая химия.

В начале XX века химик, минералог и кристаллограф Владимир Иванович Вернадский (1863–1945) разработал основы геохимии – науки о распространенности и миграции химических элементов на Земле. С одной стороны, геохимия широко использует достижения физики и химии, новейшие методы анализа и представления о строении вещества, с другой – огромный материал, накопленный геологическими науками, в частности, минералогией.

Наряду с физической химией возникла химическая физика, изучающая физические законы, которые управляют строением и превращениями химических веществ.

Особенности развития химии в ХХ веке во многом обусловлены достижениями физики в конце XIX века. Открытие рентгеновских лучей, радиоактивности, электрона и развитие квантовой теории привели к открытию радиоактивных элементов, новым представлениям о строении атома и природе химической связи. В ХХ веке было синтезировано 23 новых химических элемента, не найденных в природе, в том числе находящихся в Периодической системе после урана.

Дальнейшее развитие получил органический синтез. Во второй половине ХХ века искусственным путем были получены такие сложные природные вещества как хлорофилл и инсулин. Современная химия стала величайшей «производительной силой». Это выражается не только в многотоннажном производстве разнообразных химических продуктов. Стремительно растет число новых химических соединений, главным образом, органических.

Еженедельно в мире синтезируется не менее 10 тысяч новых веществ. Естественно, лишь немногие из них вызывают интерес и находят практическое применение, но ведь никто не знает, какое именно вещество понадобится завтра. Так что классическое определение химии может быть расширено: химики не только изучают вещества и их превращения, но и постоянное получают новые, ранее неизвестные. Постоянно разрабатываются новые химические материалы, необходимые для современной промышленности, техники, медицины и других сфер человеческой деятельности.

Список литературы

1.   Горелов А.А. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по гуманитарным специальностям. – М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС,  2002.

2.   Концепция современного естествознания: Под ред. профессора С.И. Самыгина. Изд. третье. Ростов н/Д: «Феникс», 2001 – 576 с.

3.   Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. Учебное пособие. М.,1999.