Структура химического вещества

Размещено на http://www.allbest.ru/

Структура химических веществ

Содержание

Введение

Вклад ученых в изучении структуры вещества

Химические явления

Основные концептуальные системы химии

Проблема химического элемента

Проблема химического соединения

Химическая структура вещества

Образование химических структур и химическая связь

Сущность химического процесса

Этапы химической эволюции

Заключение

Список литературы

Введение

Характер любой системы, как известно, зависит не только от ее строения и состава ее элементов, но и от их взаимодействия. Именно такое взаимодействие определяет специфические, целостные свойства самой системы. Поэтому при исследовании разнообразных веществ и их реакционной способности ученым приходится заниматься и изучением их структур. Соответственно уровню достигнутых знаний менялись и представления о химической структуре веществ. Хотя разные ученые по-разному истолковывали характер взаимодействия элементов химических систем, тем не менее все они подчеркивали, что целостные свойства этих систем определяются именно специфическими особенностями взаимодействий их элементов.

В качестве первичной химической системы рассматривалась при этом молекула, и поэтому когда речь заходила о структуре веществ, то имелась в виду именно структура молекулы как наименьшей единицы вещества. Сами представления о структуре молекулы постепенно совершенствовались, уточнялись и конкретизировались, начиная от общих предположений отвлеченного характера и кончая гипотезами, обоснованными с помощью определенных химических экспериментов.

Вклад ученых в изучении структуры вещества

В изучении структуры вещества оказались важными работы Дж. Дальтона, который в 1803 г. показал, что химический индивид представляет собой совокупность молекул, обладающих строго определенным качественным и количественным составом. В 1830-е гг. Й.Я. Берцелиус выдвинул гипотезу, согласно которой молекула представляет собой не хаотическое нагромождение атомов, а определенную упорядоченность - объединение двух разноименно заряженных атомов или атомных групп (радикалов), способных к самостоятельному существованию. В 1840-х гг. Ш. Жерар сделал вывод, что модель Берцелиуса - достаточно редко отвечает действительности, а в общем случае молекула является единой неделимой системой. В этой системе все атомы химических элементов, входящих в нее, взаимодействуют и взаимно преобразуют друг друга.

В формировании идей структурой химии большую роль сыграла теория валентности Ф.А. Кекуле (1857). Он выдвинул идею о существовании четырех единиц сродства: у углерода четыре единицы сродства, у азота - три, у кислорода - две, у водорода - одна единица. Количество единиц сродства, присущее атому того или иного химического элемента, он назвал валентностью элемента. По представлениям Кекуле, объединение атомов в молекулу происходит путем присоединения свободных единиц сродства. Комбинируя атомы разных химических элементов с их единицами сродства, можно создавать структурные формулы любого химического соединения. Следовательно, возможен синтез любого химического соединения. Присущий формулам Кекуле схематизм наталкивал исследователей на попытки синтеза самых разнообразных веществ путем комбинирования всевозможных органических радикалов и бирадикалов типа СH, СН3, СОН, СН3 и т.д., которые можно получить посредством преобразования соответствующих молекул.

Теория химического строения A.M. Бутлерова добавила к представлениям Кекуле энергетическую оценку связей, показав их энергетическую неэквивалентность. Он доказал, что от количества сродства следует отличать его напряженность - большую или меньшую энергию, с которой она связывает вещества между собой, что является причиной активности одних веществ и пассивности других. Теория Бутлерова также указала на наличие активных центров и активных группировок в структуре молекулы, что способствовало активной деятельности химиков в направлении синтеза органических соединений.

Химические явления

Простейшим носителем химических свойств служит атом (в том числе ионизированный) - система, состоящая из ядра и движущихся вокруг него (в его электрическом поле) электронов. В результате химического взаимодействия атомов образуются молекулы (радикалы, ионы, атомные кристаллы) - системы, состоящие из нескольких ядер, в общем поле которых движутся электроны. При химическом взаимодействии молекул одна конфигурация ядер и электронов разрушается и образуется новая. Акт химического взаимодействия состоит в образовании новых электронных (молекулярных) орбиталей.

В химических реакциях участвуют не отдельные частицы, а их большие коллективы - вещества, причем химическое изменение сопровождается появлением новых химических индивидов, или химических веществ. Химическим индивидом обычно называют наименьшее количество вещества, повторением которого в пространстве можно воспроизвести данное вещество. Таким образом, химическими индивидами будут атомы в атомной решетке простого вещества (поэтому графит и алмаз, которые содержат атомы углерода С в своих кристаллических решетках, являются одним и тем же химическим индивидом) или группы атомов в составе сложного атомного вещества (SiC в решетке карбида кремния), молекулы в веществе молекулярного строения (H2О в воде), ионные пары или более сложные ионные комплексы в ионном веществе (NaCl в поваренной соли, Na2СО3 * 10H2O в кристаллической соде) и т.д. При таком определении изменение агрегатного состояния, полиморфный переход, механическое разрушение, образование некоторых растворов (например, газовых) нельзя назвать химическими явлениями.

Химические явления определяют развитие неживой и живой природы и отличаются от других, рассматриваемых в естествознании. Так, геолого- географические явления отличаются от химических участием во взаимодействии не веществ, а вещественных систем в литосфере, атмосфере, гидросфере и т.д., а также макромасштабами взаимодействий. Увеличение количества (массы) реагирующих участников процесса приводит к новым, отсутствующим в химии, закономерностям.

Изучение химических явлений требовалось человеку преимущественно для того, чтобы получать из природных веществ все необходимые ему материалы - металлы и керамику, известь и цемент, стекло и бетон, красители и фармацевтические препараты и т.д. Поэтому все химические знания объединяет главная задача - получение веществ с заданными свойствами (качеством). В различные исторические эпохи эта проблема решалась по-разному (история химии).

Основные концептуальные системы химии

При всем многообразии химических явлений выделяют четыре основные концептуальные системы. Эти системы появлялись последовательно во времени, причем каждая новая химическая концепция возникала на основе научных достижении предыдущей.

Первая химическая концепция - учение о составе - связана с исследованием свойств веществ в зависимости от их химического состава. В настоящее время в ее рамках рассматриваются проблемы периодичности, стехиометрии (соотношения между количествами вступивших в реакцию реагентов и образующихся продуктов), а также физико-химический анализ как основа изучения многокомпонентных систем на основе построения диаграмм состав-свойство.

В 1800-е годы, когда стало очевидным, что свойства веществ и их качественное разнообразие обусловливаются не только составом, но и структурой молекул, возникла концепция структурной химии, предполагающая исследование структуры, т.е. способа взаимодействия элементов. Эта концепция опирается на атомно-молекулярную концепцию строения вещества. Развитие современной структурной химии связано с познаниями в области квантово-механической теории строения атома, химической связи и строения вещества.

Третья концептуальная система - учение о химическом процессе - в 1950-е годы завершает свой этап становления. В основании ее лежит представление о химической кинетике и химической термодинамике, а в ее рамках исследуются внутренние механизмы и условия протекания химических процессов (скорости протекания процессов, температура, давление и т.п., влияние катализаторов, ингибиторов и пр.).

Идеи четвертой концептуальной системы - эволюционной химии - были сформулированы в 1970-х годах. Эта система находится в стадии становления. В центре ее внимания - открытые высокоорганизованные химические системы, развитие которых приводит к возникновению биологической формы движения. Эволюционная химия включает в себя учение об эволюционном катализе (теории саморазвития химических систем), а также теории биоорганической и бионеорганической химии.

Проблема химического элемента

Химический состав вещества рассматривается в рамках учения о составе, в котором обычно выделяют три основных проблемы: проблему химического элемента, проблему химического соединения, проблему вовлечения химических элементов в производство новых материалов.

В настоящее время под химическим элементом понимают совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Попытки систематизации химических элементов привели Д. И. Менделеева к созданию периодического закона. Современная формулировка этого закона звучит так: свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда их атомных ядер. Полное научное объяснение периодической системы элементов базируется на законах квантовой механики.

Проблема химического соединения

Под химическим соединением в настоящее время понимают индивидуальное вещество, в котором атомы одного (например, N2, Cl2) или различных (H2SO4, КСl) элементов соединены между собой химической связью. Сейчас известно свыше 5 млн. химических соединений. Состав химических соединений в огромном большинстве случаев подчиняется законам его постоянства и кратных отношений. Первый закон, гласит, что каждое химически чистое соединение независимо от способа и места его получения имеет один и тот же постоянный состав, причем отношения масс атомов элементов постоянны. В соответствии с законом кратных отношений, если два химических элемента образуют друг с другом более одного соединения, то массы одного элемента, приходящиеся на одну и ту же массу другого, относятся как целые числа, обычно небольшие.

Применение современных физических методов исследования вещества обнаружило физическую природу химизма, а именно: атомы объединяют в молекулы как единую квантово-механическую систему внутренние силы - химические связи, а они представляют собой проявление волновых свойств валентных электронов. Волновая природа электронов наделяет атомы их типичными свойствами. Наименьшими единицами многих веществ служат не атомы, а молекулы, т.е. группы атомов, тесно связанных друг с другом. Чтобы понять строение вещества, следует узнать не только строение атома, но и причину соединения атомов в молекулы - химическую связь.

Квантовая механика дала объяснение химической связи: она возникает между атомами в результате взаимодействия электронных конфигураций различных атомов, причем тогда, когда эти конфигурации хорошо подходят друг другу, как зубцы шестерни. Конфигурации смешиваются и переплетаются, когда атомы приведены в соприкосновение, вследствие чего появляются новые конфигурации. Если атомные конфигурации очень хорошо подходят друг другу, при их сближении возникает одна крупная единица, но только несколько большая и более компактная - насыщенная молекула, не присоединяющая других атомов. Например, два атома водорода, каждый с простейшей электронной конфигурацией, образуют молекулу водорода, в которой обе электронные конфигурации сливаются в одну эллиптическую.

В результате раскрытия физической сущности химической связи классическое понятие молекулы изменилось. Молекулой по-прежнему называют наименьшую частицу вещества, способную определять его свойства и существовать самостоятельно. Но теперь в число молекул включают и такие квантово-механические системы, как ионные, атомные и металлические монокристаллы и полимеры, образованные за счет водородных связей. Поэтому некоторые неорганические вещества (оксиды, хлориды, сульфиды, нитриды металлов) относят к веществам молекулярного строения, не имеющим постоянного состава (бертоллиды).

Дело в том, что реальные монокристаллы любых твердых веществ всегда имеют дефекты: вакантные узлы кристаллической решетки; атомы, попавшие в междоузлия; дислокации как отклонения от геометрических норм данной кристаллической решетки и т.д. Именно они становятся реакционными центрами при вхождении вещества в химические реакции.

Помимо химической связи, которая держит атомы связанными в молекулы, существуют межмолекулярные силы. Они слабее химической связи, но именно они определяют агрегатное состояние вещества. Когда две молекулы сближаются, электронные конфигурации каждой из них стремятся колебаться в унисон. Благодаря этому возникает притяжение (так называемые ван-дер-ваальсовы силы), сила которого зависит от типа движения электрона.

Химическая структура вещества

Развитие знания о химических явлениях позволило установить, что большое влияние на свойства вещества оказывает не только его химический состав, но и структура молекул - их взаимное расположение друг по отношению к другу (упорядоченность). Осознание этого стало началом структурной химии. Ключевым понятием данной концептуальной системы является "структура", точнее, структура молекулы реагента, в том числе, макромолекулы или монокристалла. Под структурой обычно понимают устойчивую упорядоченность качественно неизменной системы, каковой является молекула.

Относительно недавно был открыт новый класс металлоорганических соединений, которые за свою двухслойную структуру получили название "сэндвичевые соединения". Молекула этого соединения представляет собой две "пластины" из соединений водорода и углерода, между которыми находится атом какого-либо металла. Они сыграли важную роль в пересмотре представлений о валентности и химической связи. Их можно, рассматривать как наглядную демонстрацию наличия у молекул единой системы электронно-ядерного взаимодействия.

Другая группа вопросов в концептуальной системе структурной химии связана с проблемами структурной неорганической химии. По существу это проблемы химии твердого тела. В широком смысле их две:

· синтез кристаллов с максимальным приближением к идеальной решетке для получения материалов с высокой механической прочностью, термостойкостью и долговечностью в эксплуатации;

· создание методов синтеза кристаллов с запроектированными дефектами решетки, что позволит получить материалы с заданными электрофизическими и оптическими свойствами.

Образование химических структур и химическая связь

Образование различных химических структур имеет свои характерные особенности. Взаимодействуя, атомы соединяются друг с другом, образуя посредством химических связей двух- и многоатомные соединения - молекулы, радикалы, ионы и кристаллы.

Образование таких соединений приводит к выигрышу в энергии, так как в обычных условиях молекулярное состояние устойчивее, чем атомное. Химические связи имеют в основном электромагнитный характер - при их образовании происходит перераспределение электронной плотности связывающихся атомов.

Главные отличительные черты химической связи:

1) полная энергия многоатомной системы меньше энергии изолированных атомов или атомных фрагментов, из которых она образована;

2) электронная плотность в области химической связи существенно перераспределена по сравнению с простым наложением электронных плотностей несвязанных атомов или атомных фрагментов, сближенных на расстояние связи.

По характеру распределения электронной плотности связывающихся атомов обычно выделяют следующие основные типы связей:

· ковалентная связь, которая осуществляется парой электронов, общих для двух атомов, образующих связь. Атомы в молекуле могут быть соединены ковалентной связью: одинарной (Н2, Н3С-СН3), двойной (Н2С=СН2), тройной (N2, HC?CH) или полярной (НСl, Н3С-Сl) в зависимости от электроотрицательности;

· ионная связь, в основе которой - электростатическое взаимодействие между противоположно заряженными ионами, электрически заряженными частицами, которые образуются из атома (молекулы) в результате потери или присоединения одного или нескольких электронов. Положительно заряженные ионы называются катионами, отрицательно заряженные - анионами. Примеры ионной связи - молекулы NaCl, KF;

· металлическая связь, которая проявляется при взаимодействии атомов элементов, имеющих избыток свободных валентных орбиталей по отношению к числу валентных электронов; эту связь можно представить так: ионный кристаллический остов погружен в электронный газ - свободные электроны, которые непрерывно перемещаются между положительными ионами и компенсируют электростатическое отталкивание ионов, связывая их в твердое тело;

· координационная (донорно-акцепторная) связь характерна для комплексных соединений (гемоглобин, хлорофилл и др.), в молекулах которых выделяют центральный атом (комплексообразователь) и непосредственно связанные с ним молекулы или ионы (лиганды, обычно 4 или 6). Координационная связь обусловлена передачей электронной пары с заполненной орбитали донора на вакантную орбиталь центрального атома (акцептора) с образованием общей связывающей молекулярные орбитали. При этом центральный атом и лиганды образуют внутреннюю сферу. Внешнюю сферу составляют ионы, заряд которых компенсирует заряд внутренней сферы.

Помимо этого выделяют водородные связи и межмолекулярные взаимодействия. Водородная связь образуется в результате взаимодействия атома водорода, связанного ковалентной связью, с электроотрицательным атомом и неподеленной парой электронов другого атома. Атомы могут принадлежать как одной, так и разным молекулам. Водородная связь приводит к ассоциации одинаковых или различных молекул в комплексы; она во многом определяет свойства воды и льда, молекулярных кристаллов, структуру и свойства белков, нуклеиновых кислот и др.

Межмолекулярные взаимодействия электрической природы происходят между молекулами с насыщенными химическими связями. Впервые существование такого взаимодействия принял во внимание Я. Д. Ван-дер-Ваальс (1873) для объяснения свойств реальных газов и жидкостей.

В чистом виде перечисленные типы связей проявляются редко. В большинстве соединений имеет место наложение разных типов связей. При этом любая химическая связь образуется только тогда, когда сближение атомов приводит к уменьшению полной энергии системы.

Сущность химического процесса

Условия среды на Земле таковы, что молекулы непрерывно разрушаются и снова образуются. Одно из важнейших следствий образования молекул состоит в высвобождении энергии (термодинамика). Понятно, что для разрыва химической связи требуется некоторое количество энергии и такое же ее количество высвобождается при образовании связи. Таким образом, нужно затратить энергию, чтобы разделить молекулу на атомы, и энергия выделяется, когда атомы образуют молекулу. Эта энергия проявляется в различных формах, например в виде колебаний. Когда атомы соединяются, образующаяся молекула начинает колебаться в результате сильного столкновения атомов. Вообще, когда атомы образуют молекулу, энергия высвобождается и обычно проявляется в форме движения, что эквивалентно теплоте. В некоторых особых случаях энергия связи не превращается в теплоту: химические реакции присоединения происходят таким образом, что энергия, выигранная при образовании молекул, передается молекулам другого рода, т.е. энергия образования молекулы запасается в другой молекуле, а не растрачивается в виде теплоты.

Если бы температура Земли была значительно выше, например как температура поверхности Солнца, то многие молекулы никогда бы не образовались из-за слишком сильного теплового возбуждения (атомы не могли бы оставаться друг возле друга). Если бы температура Земли была гораздо ниже, молекулы, соединяясь, образовали бы твердые тела и кристаллы и никакие изменения не происходили. Но температура на Земле такова, что энергии достаточно для разрушения некоторых молекул, однако количество энергии не слишком велико, благодаря чему большинство соединений может существовать в течение какого-то времени. Создание и разрушение молекул сообщают постоянные изменения окружающей среде и создают тем самым возможность жизни.

Одно из важнейших следствий образования молекул состоит в высвобождении энергии. Этот процесс особенно нагляден при сжигании угля или других веществ. Горение любого типа связано с образованием новых молекул и, следовательно, с выделением тепловой энергии. Рассмотрим подробнее, как и почему высвобождается энергия при соединении атомов в молекулы. Понятно, что для разрыва химической связи требуется некоторое количество энергии и такое же ее количество высвобождается при образовании связи. Таким образом, нужно затратить энергию, чтобы разделить молекулу на атомы, и энергия выделяется, когда атомы образуют молекулу. Эта энергия проявляется в различных формах, например в виде колебаний. Когда атомы соединяются, образующаяся молекула начинает колебаться в результате сильного столкновения атомов. Вообще, когда атомы образуют молекулу, энергия высвобождается и обычно проявляется в форме движения, что эквивалентно теплоте.

В некоторых особых случаях энергия связи не превращается в теплоту: химические реакции присоединения происходят таким образом, что энергия, выигранная при образовании молекул, передается молекулам другого рода, т.е. энергия образования молекулы запасается в другой молекуле, а не растрачивается в виде теплоты. Этот случай важен для поддержания жизни.

Химические реакции, производящие энергию, всегда начинаются с превращения молекул со слабыми связями в молекулы с прочными связями; при этом высвобождается разница в энергиях сильной и слабой связи. Молекулы СО2 и воды имеют прочные связи; то же можно сказать о большинстве молекул, в которых атомы связаны с кислородом. Молекулы, содержащие углерод и водород, связаны слабо, они легко разрушаются и рекомбинируют, могут образовывать длинные цепи и способны объединяться в сложные структуры. Если их слабые связи превращаются в сильные связи с кислородом в результате какого-либо процесса, то выделяется энергия. Благодаря этим свойствам они играют важную роль в живой материи.

Этапы химической эволюции

Химическая эволюция - процесс необратимых изменений, приводящий к появлению новых химических соединений - продуктов, более сложных и высокоорганизованных по сравнению с исходными веществами. Эти процессы стали активно и целенаправленно исследовать в 1970-е годы в связи с изучением проблемы постоянно усложняющихся химических процессов до уровня, способствовавшего возникновению живого вещества на Земле. Интерес к этим процессам восходит к давним попыткам понять, как из неорганической материи возникает органическая, а далее и жизнь (биогенез).

Заключение

Простейшим носителем химических свойств служит атом (в том числе ионизированный) - система, состоящая из ядра и движущихся вокруг него (в его электрическом поле) электронов. В результате химического взаимодействия атомов образуются молекулы (радикалы, ионы, атомные кристаллы) - системы, состоящие из нескольких ядер, в общем поле которых движутся электроны. При химическом взаимодействии молекул одна конфигурация ядер и электронов разрушается и образуется новая. Акт химического взаимодействия состоит в образовании новых электронных (молекулярных) орбиталей.

Развитие знания о химических явлениях позволило установить, что большое влияние на свойства вещества оказывает не только его химический состав, но и структура молекул - их взаимное расположение друг по отношению к другу (упорядоченность). Осознание этого стало началом структурной химии. Ключевым понятием данной концептуальной системы является «структура», точнее, структура молекулы реагента, в том числе макромолекулы или монокристалла. Под структурой обычно понимают устойчивую упорядоченность качественно неизменной системы, которой является молекула.

Список литературы

1.Концепции современного естествознания. Бондарев В.П. М.: Альфа-М, 2003. -- 464 с

2.http://studentu-vuza.ru/kontseptsiya -sovremennogoestestvoznaniya/lektsii/himicheskie-protsessyi.html

3.Кузнецов В. И., Идлис Г. М., Гутина В. Н. Естествознание. - М.,1996, Гл. V-VIII.

Размещено на Allbest.ru