ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ЗАКОНЫ ХИМИИ

ХИМИЯ

Главная задача химии:

а) получение веществ с заданными
необходимыми свойствами во всех сферах народного хозяйства.

б) теоретическая задача исследование
генезиса (происхождения) свойств вещества.

Абсорбция, адсорбция – поглощение
вещества (жидкости или газа) всем объемом твердого тела (жидкости), его
поверхностным слоем.

Автокатализ – изменение скорости химической
реакции одним из веществ (катализатором), участвующим в этой реакции.

Атом – наименьшая часть химического
элемента, способная к самостоятельному существованию и являющаяся носителем его
свойств.

Валентность – способность атома
присоединять или заменять определенное число других атомов или атомных групп с
образованием химической связи.

Изомеры – химические соединения,
имеющие одинаковые молекулярную массу и состав, но различающиеся строением.

Изоморфизм – способность химических
элементов замещать друг друга в кристаллических соединениях, в результате чего
образуются кристаллы переменного состава, аналогичные по структуре.

Ион – электрически зараженные атом или
группа атомов, образовавшиеся в результате приобретения или потери избыточных
электронов.

Ионизация – превращение в ионы молекул
и атомов.

Катализ – изменение скорости химической
реакции вследствие действия катализатора.

Катализатор – вещество, изменяющее
скорость химической реакции и остающееся при этом неизменным.

Молекула – наименьшая частица вещества,
обладающая химическими свойствами этого вещества.

Радиоактивность – превращение
неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы другого элемента,
сопровождающееся испусканием некоторых частиц.

Реакционная способность – активность
отдельных химических связей, а также частей молекул.

Сублимация (лат. sublimare – возносить) – переход вещества из твердого состояния
в газообразное, минуя жидкую фазу.

Экзотермическая и эндотермическая
реакции – химические реакции, характеризующиеся выделением и поглощением
энергии в процессе их протекания.

«ХИМИЧЕСКИЙ
ВЗГЛЯД» НА ПРИРОДУ:

ИСТОКИ
И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ

Химия – очень древняя наука. Существует несколько
объяснений слова «химия». Согласно одной из имеющихся теорий, оно происходит от
древнего названия Египта – Kham и,
следовательно, должно означать «египетское искусство». Согласно другой теории,
слово «химия» произошло от греческого слова cumoz (сок растения) и означает «искусство выделения
соков». Этот сок может быть расплавленным металлом, так что при подобном
расширенном толковании данного термина в него приходится включать и искусство
металлургии.

Начиная с последних веков I тыс. до н.э. химия бурно развивалась в арабском мире,
а в первой половине нынешнего тысячелетия она получила широкое распространение
в Западной Европе. С одной стороны, развитие химии в этот период шло вслед за
развитием техники, однако, с другой стороны, она оставалась тесно связанной с
религиозно-философской мыслью. В тот период химия существовала главным образом
как алхимия.

В химии необходимо отметить, прежде
всего, существование особого «химического взгляда» на природу, который не может
быть сведен к физическому, несмотря на все успехи физической химии в нынешнем
столетии. То есть у химии давно были обнаружены качества некоторого особого
типа. Так, согласно известному химику А. А. Бутакову, химические реакции
«нельзя объяснить только действием сил электрического притяжения и
отталкивания. Их действием объясняется лишь физическая сторона химического процесса.
Химическая форма движения материи представляет собой процессы изменения частиц
вещества, которые, в конечном счете, определяются действием периодического
закона».

В химии используется подход индуктивный, гораздо менее
продуктивным здесь оказался дедуктивный
подход. При дедуктивном подходе
вся совокупность известных естественно-научных фактов (не только химических, но
и физических, биологических) представляется вытекающей из ряда основных
законов. Такой подход, как правило, оказывается достаточно эффективным в физике и там, где могут быть использованы
физические идеи (в химии). Индуктивный
подход – это движение в обратном направлении, когда на основе химической
фактологии выявляются более или менее общие закономерности (правила, законы), а
затем уже создаются обобщенные модели, составляющие основу современной
теоретической химии.

В химии могут быть выделены два
основных структурных стержня, которые связаны с основными этапами развития этой
науки и, кроме того, дают представление о взаимосвязях химии с другими
естественными науками.

Первый из этих стержней – получение
веществ с заданными (необходимыми) свойствами, что является в то же время и
главной задачей химии. Эта задача объединяет практически все химические знания,
которые представляются в виде теорий, законов, методов, технологических
инструкций и т.п. Она ближе к истокам химии и к конкретному производству
(металлургии, выделке кож и т.п.), которое и сформировало саму эту науку.

Вторым структурным стержнем химии
является теоретическая задача исследования генезиса (происхождения) свойств
вещества. Ее решение допускает различные уровни обобщения представлений о
химических веществах. В настоящее время выделяют четыре наиболее общих подхода:

1) исследование элементного и
молекулярного состава веществ;

2) исследование структуры молекул
веществ;

3) исследование термодинамических и
кинетических условий, обеспечивающих протекание химических процессов;

4) исследование природы реагентов
(катализаторов), процессов самоорганизации и эволюции химических соединений.

ОСНОВНЫЕ
ПРИНЦИПЫ И ЗАКОНЫ ХИМИИ

Рассматривая химию с точки зрения ее
становления, можно сказать, что в ее основе лежат два закона: сохранения массы
и постоянства состава.

Закон
сохранения массы может быть сформулирован еще так: полная масса замкнутой системы остается постоянной. Иными словами,
этот закон утверждает, что химические превращения не сопровождаются измеримым
увеличением или уменьшением массы участвующих в них веществ. Например, при
разложении воды ее исходная масса будет равна сумме массы водорода и массы
кислорода. Этот закон был установлен М. В. Ломоносовым и А. Лавуазье. Он может
быть сформулирован и так: вещество
нельзя ни создать из ничего, ни уничтожить.

Закон
постоянства состава гласит: всякое
химическое соединение, независимо от способа его получения, всегда содержит
определенные элементы в одинаковом весовом отношении. Он был установлен французским
химиком Ж. Прустом в 1800-1810 гг.

Однако рассмотренные законы не являются
универсальными законами химии. Последними следует считать периодический закон химических элементов и принцип Ле Шателье-Брауна.

Согласно
периодическому закону (в его современной форме), свойства химических элементов не являются случайными, а зависят от
электронного строения данного атома, они закономерно изменяются с изменением
атомного номера. Важным в периодическом законе является то, что эта
зависимость характеризуется строгой периодичностью, которая находит свое
выражение в повторяемости типичных свойств элементов.

Д. И. Менделееву в момент создания
периодической системы было известно 62 химических элемента, а в настоящее время
мы знаем уже 112. В 30-х гг. последним элементом этой системы был уран (U – девяносто второй элемент). Начиная с 40-х гг. новые
элементы открывали регулярно по нескольку элементов в десятилетие. В 1940–1945
гг. путем физического синтеза атомных ядер были открыты элементы с номера 93 по
96: нептуний, плутоний, америций кюрий. В 1949-1952 гг. стали известны берклий,
калифорний, эйнштейний, фермий, менделевий (с номерами от 97 по 101). В
последующие 40 лет были синтезированы элементы от 102-го по 109-й: нобелий,
лоуренсий, курчатовий, жилиотий, резерфордий, борий, ганий, мейтнерий. Как
правило, они носят имена выдающихся ученых-физиков или химиков. Например,
элементы № 108 и № 109 названы в честь Отто Гана и Лизы Мейтнер, открывших в 1935 г. реакцию
самопроизвольного деления урана. Следует отметить, что элементы со 102-го по
109-й крайне неустойчивы: период их полураспада составляет сотые и тысячные
доли секунды. Считается, что элементы после № 110 являются настолько
короткоживущими, что будут распадаться в момент их образования. Однако вполне
возможно, что при номерах 126, 164, 184 существуют островки стабильности,
означающие длительное существование элементов с этими номерами.

Принцип
Ле Шателье-Брауна имеет следующую формулировку: если на систему, находящуюся в термодинамическом равновесии,
воздействовать извне, изменяя какой-либо из параметров, определяющих положение
равновесия, то в системе усилится то из направлений процесса, которое ослабляет
влияние произведенного воздействия. Положение равновесия также сместится в
направлении ослабления эффекта внешнего воздействия.

Данный принцип признан в настоящее
время и далеко за пределами химии; он находит применение в различных науках,
вплоть до общественных.

 Важнейшие химические принципы могут быть
выявлены в связи с двумя важнейшими химическими понятиями. Первым из них
является понятие «моль». Выделение и осмысление этого понятия служит, с нашей
точки зрения, важнейшим достижением химии. Под
молем химического элемента понимается его весовое количество в граммах,
численно равное атомному весу этого элемента. Число атомов любого элемента
в одном моле равно 6,022·10²³. Это число – постоянная Авогадро. Она
характеризует химический мир и дистанцию, отделяющую его от отдельных атомов.
Моль входит в число семи основных единиц системы СИ как мера количества
структурных элементов. Закон Авогадро является одним из фундаментальных законов
химии.

Химическая связь осуществляется
обобществлением электронов. В зависимости от конкретного механизма этого
обобществления возникают связи различных типов. Представляется целесообразным
привести значение энергии для связей между различными элементами и для
различной кратности.

Энергия двойных и тройных связей больше
энергии одинарных связей, и, кроме того, становится понятным, почему углерод и
азот так распространены в окружающем нас мире: их двойные и тройные связи –
самые прочные.

Энергия, необходимая для разрыва
определенной связи, т.е. для расщепления молекулы на две части, ранее
соединявшиеся этой связью, называется энергией
диссоциации связи в молекуле. В двухатомных молекулах энергия связи и
энергия диссоциации связи совпадают. В многоатомных молекулах они могут быть
различными.

Химическая кинетика – такой же узловой
раздел химии, как и химическая связь. С этим разделом взаимодействуют все
направления, подходы и методы химии. Самопроизвольные химические реакции идут в
сторону образования более устойчивых соединений и сопровождаются выделением
энергии. Для различных типов реакций имеются формулы, описывающие протекание
процесса во времени. Имеются уравнения (С. Аррениуса), выражающие зависимость
скорости реакции от температуры. Для осуществления реакции каждая пара молекул
должна пройти через конфигурацию (активированный комплекс), промежуточную между
исходной и конечной. Катализатор уменьшает величину энергии активации и,
следовательно, увеличивает скорость как прямой, так и обратной реакции.

Реакции могут быть охарактеризованы
порядком реакции, формально представляющим собой показатель степени
концентрации этого вещества в кинетическом уравнении. Порядок реакции зависит
от ее механизма и может изменяться с изменением температуры и давления.
Важнейшим состоянием исследуемых реакций является состояние динамического
равновесия, при котором скорости прямой и обратной реакций уравновешиваются.
Это состояние характеризуется константной равновесия, которая в свою очередь
является комбинацией констант для отдельных этапов полной реакции.

Химическая эволюция вещества начинается
в момент начала расширения Вселенной. Этому моменту соответствует стадия
элементарных частиц, когда кинетическая энергия сталкивающихся ядер уже не
способна преодолеть барьер отталкивания между ними. В результате при
температуре приблизительно 10 тыс. градусов образуется многоярусная система,
окруженная электронной оболочкой, и первые соединения (CO, CH, HO, SiO). Затем при
температурах ниже 3-4 тыс. градусов начинается образование твердых тел, а при
возникновении некоторых оптимальных условий, соответствующих условиям появления
геосфер Земли, начинается биогенная стадия эволюции вещества.

ВОПРОСЫ
ДЛЯ СЕМИНАРОВ

1. Что Вам известно о возникновении
химической науки?

2. Перечислите основные разделы химии.

3. Каковы различия и особенности
физических и химических процессов?

4. Какие четыре уровня обобщения
представлений о химических веществах выделяются в современной химии?

5. Каковы основные принципы и законы
химии?

6. Каковы практические применения
достижений химии?

ОБЩИЕ
ВОПРОСЫ КО ВТОРОМУ РАЗДЕЛУ

1. Какие идеализированные понятия
используются в механике И. Ньютона?

2. Какие основные законы лежат в основе
механики Ньютона?

3. Что такое электромагнитное поле и
какими уравнениями оно описывается?

4. Каков физический смысл первого и
второго начал термодинамики?

5. Каковы основные методы современной
астрономии?

6. Что можно считать основными этапами
развития химии?

ЛИТЕРАТУРА

Азимов А. Вселенная/Пер. с англ. М.,
1969.

Дэвис П. Суперсила/Пер. с англ. М.,
1989.

Инфельд Л., Эйнштейн А. Эволюция физики.
М., 1965.

Мэрион Дж. Физика и физический мир/Пер.
с англ. М., 1975.

Орир Д. Физика: В 2 т./Пер. с англ. М., 1981.

Слейбо У., Парсонс Т. Общая химия/Пер.
с англ. М., 1979.

Шкловский И. С. Вселенная, жизнь,
разум. М., 1988.