Концепции современного естествознания

     10.3. Периодическая система  химических элементов  Д.И. Менделеева  и её современный  вид

     Менделеев в 1869 году открыл периодический закон химических элементов – «опыт системы элементов, основанный на их атомном весе и химическом сходстве».

     После великих открытий в физике в начале XX века стало понятно, что в периодической системе:

• элементы располагаются в порядке возрастания заряда ядра;
• в каждой группе (по вертикали) располагаются элементы с одинаковым числом электронов, расположенных на внешней оболочке – валентных электронов;
• в каждом периоде (по горизонтали) располагаются элементы с одинаковым числом электронных оболочек.

     До 30-х годов нашего столетия эта  система состояла из 88 элементов. С  учетом свободных клеток с номерами 43 (технеций), 61 (прометий), 85 (астат) и 87 (франций), в ней было всего 92 места. Элемент с атомным номером 92 –  это уран.

     В 1940 г. был получен первый трансурановый  элемент – нептуний, а за три  года до этого открыт первый искусственный  элемент – технеций. Затем в  лабораторных условиях были зарегистрированы ещё 15 трансурановых элементов с  атомными номерами до 107.

     Международный союз чистой и прикладной химии в 1997 г. узаконил названия резерфордий, дубний, сибортий, борий, хассий и мейтнерий. В феврале 1999 г. появилось сообщение о том, что ученые из Объединенного института ядерных исследований в Дубне открыли выходящий за пределы периодической таблицы Менделеева новый химический элемент с периодом полураспада намного большим, чем у открытых в последнее время сверхтяжелых элементов.

     Современная теория позволяет с вполне определенной вероятностью рассчитать стабильность сверхтяжелых элементов, а также предсказать наиболее вероятные их физические и химические свойства. Из подобных расчетов следует, что элементы с атомными номерами 114 и 164 должны обладать неожиданно высокой стабильностью.   

 

      10.4. Виды химической  связи

     Лишь немногие химические элементы (благородные газы) в обычных условиях находятся в состоянии одноатомного газа. Атомы остальных элементов входят в состав молекул или кристаллических решеток, образуемых совокупностью атомов.

     Следовательно, существует причина, по которой атомы «связываются друг с другом». Эта причина получила название: «химическая связь». Она обусловлена тем, что между атомами существуют электростатические силы взаимодействия электрических зарядов, носителями которых являются валентные электроны и ядра атомов.

     В зависимости от характера распределения  электронной плотности в молекуле различают три основных типа химической связи: ковалентную, ионную и металлическую.

     Универсальный тип химической связи – ковалентная (гомеополярная) связь, которая возникает в результате обобществления валентных электронов парой соседних атомов. Эта связь является причиной сосуществования молекул простых газов (Н₂, Сℓ₂ и пр.), различных соединений (Н₂О, NH₃ и др.), многочисленных органических молекул (СН₄, Н₃С – СН₃ и т. п.), а также атомных кристаллов (фосфор, сера, графит и др.). Если химическая связь осуществляется между двумя одинаковыми атомами, она называется неполярной (например, N₂, О₂, атомы полупроводников Ge, Si и др.), в противном случае – полярной (к примеру, НСℓ).

        В предельном случае полярности, когда электронные облака взаимодействующих  атомов настолько разделены, что  можно говорить об образовании  катионов и анионов, имеет место  ионная связь, которая осуществляется за счет кулоновского притяжения разноименно заряженных ионов (например, NaСℓ, CaF₂, нитриты, сульфиты, фосфаты и другие соли металлов).

     По  традиции к химическим связям относят  также металлическую и водородную связи, хотя они отражают специфику  химических объектов и агрегатных состояний, а не действующих сил.

     10.5. Реакционная способность  веществ. Химические  реакции

     Реакционная способность вещества – это его химическая активность. Примером является восстановительная способность, когда вещество отдает электроны, и окислительная способность, когда вещество присоединяет электроны. Восстановительной способностью обладают металлы, окислительной – неметаллы.

     Различают химические реакции замещения, разложения, соединения, обмена.

     Примеры химических реакций:

     а) реакция замещения:                 б) реакция разложения: при нагревании                                                                                                           

     2HgNO₃+Fe=Fe(NO₃)₂+2Hg                      CaCO_{3 =}^t CaO + CO₂

     сложное     простое                                    г) реакция обмена: 

     в) реакция соединения:                             HСℓ + KOH = KСℓ + H₂O

     S + O₂ = SO₂                                                сложное    простое

     Скорость  химических реакций. Современный катализ

     Скорость  химических реакций определяется количеством вещества, прореагировавшего в единицу времени в единице объема. Скорость реакции зависит от природы реагирующих веществ и условий, в которых реакция протекает. Важнейшим из них является концентрация, температура и присутствие катализатора. Катализатор – это вещество, изменяющее скорость химической реакции, но которое не входит в состав конечных продуктов. Катализ – ускорение химической реакции в присутствии катализаторов.

       Каталитические процессы можно  классифицировать с учетом их  физической и химической природы. В гетерогенном катализе химическая реакция совершается в поверхностных слоях на границе раздела твердого тела и газообразной или жидкой смеси реагентов. Гомогенный катализ происходит либо в газовой смеси, либо в жидкости, где растворены как катализатор, так и реагенты. В электрокатализе реакция протекает на поверхности электрода в контакте с раствором и под действием электрического тока. При этом, в отличие от гетерогенного катализа здесь есть возможность управлять процессом при изменение силы электрического тока. В фотокатализе химическая реакция может происходить на поверхности твердого тела (в том числе и на поверхности электрода) или в жидком растворе и стимулирует её энергия поглощенного излучения. Ферментативному катализу присущи свойства как гетерогенного, так и гомогенного катализа. Ферменты – большие белковые структуры способные удерживать молекулы реагента в ожидании реакции. Кроме того, фермент собирает подходящее химическое окружение, катализирующее нужную реакцию.

     Обратимые и необратимые химические реакции

     Реакция называется необратимой, если в результате образуются газ, осадок или слабодиссицирующие вещество, например, вода. Например, реакция: HСℓ + NaOH = NaСℓ + H₂O.

     Химическая  реакция не всегда «доходит до конца», другими словами, исходные вещества не всегда полностью превращаются в продукты реакции. Это происходит потому, что по мере накопления продуктов реакции могут создаваться условия для протекания реакции в противоположенном направлении.

     Химические  реакции, которые могут идти и в противоположенных направлениях, называются обратимыми. Например, реакция получения аммиака:            N₂(t) + 3H₂(t) 2NH₃

     Состояние, в котором скорость обратной реакции  становится равной скорости прямой реакции, называется химическим равновесием.

 

      Принцип Ле Шателье

     Состояния химического равновесия при неизменных внешних условиях могут сохраняться  бесконечно долго. В реальной действительности при изменении температуры, давления или концентрации реагентов «равновесие» может сместиться в ту или иную сторону.

     Согласно  принципу Ле Шателье внешнее воздействие на систему, находящуюся в равновесии, приводит к смещению этого равновесия в направлении, при котором эффект произведенного воздействия ослабляется. Таким образом, внешнее воздействие на систему изменяет соотношение между скоростями прямого и обратного процесса, благопрепятствуя тому из них, который противодействует внешнему влиянию. Например, в реакции получения аммиака, чтобы увеличить выход продукта (аммиака) надо увеличить давление. При этом равновесие нарушается – увеличивается скорость прямой реакции.

     Тепловой  эффект реакции

     Для каждого химического соединения теплота разложения равна теплоте  его образования, но имеет противоположенный  знак. Так при разложении 1 моля метана на углерод и водород поглощается 49 кДж теплоты:

     CH₄ C + 2H₂ – 49 кДж;

А при  соединении углерода и водорода выделяется 49 кДж теплоты:

     C + 2H₂ CH₄ + 49 кДж.

     10.6. Методы качественного  и количественного  анализа

     Определение характеристик атомных и молекулярных частиц (их структуры и состава) в  аналитической химии называют качественным анализом, а измерение их относительного содержания – количественным анализом. Новые методы качественного и количественного анализа основываются на последних достижениях различных областей естествознания и в первую очередь физики. Методы аналитической химии широко применяются во многих отраслях: в химии, медицине, сельском хозяйстве, геологии, экологии и т. п.

     Для анализа и идентификации структуры сложных молекул, объединяющих большое количество атомов с различными взаимными связями, широко применяются основанные на физических принципах экспериментальные методы ядерного, магнитного резонанса, оптической спектроскопии, масс-спектроскопии, рентгеноструктурного анализа, нейтронографии и др.

     Метод ядерного магнитного резонанса основан на анализе резонансного поглощения электромагнитных волн. Данный метод – один из важнейших в различных областях естествознания и особенно в химии.

     Оптическая спектроскопия позволяет анализировать спектр излучения вещества, находящегося в различных агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Спектральный анализ – физический метод качественного и количественного определения состава вещества по его оптическому спектру излучения.

       В масс-спектроскопии исследуемое вещество вначале превращается в газовую фазу, затем газ ионизируется и ионы ускоряются электрическим полем до заданной кинетической энергии. Масса частиц может быть определена двумя способами: измерением радиуса кривизны траектории иона и измерением времени пролета им заданного расстояния. Масс-спектроскопия широко применяется для анализа химических элементов, определения изотопного состава и строения молекул в таких областях, как производство интегральных схем, металлургия, ядерная, нефтяная и фармацевтическая промышленность. Сочетание хроматографа с масс-спектрометром – лучший аналитический прибор для работы со сложными смесями, позволяющий решать разнообразные задачи химии, экологии, криминалистики и других наук.

     Современные электрохимические методы в сочетании с высокочувствительной аппаратурой открывают новые возможности для исследования структуры и функций живой клетки: с помощью электродов, площадь которых составляет всего лишь несколько микрометров, можно регистрировать процессы, происходящие внутри клетки.

     Один  из наиболее распространенных методов  исследования молекулярных структур –  рентгеноструктурный анализ, основанный на явлении дифракции. Рентгеноструктурный анализ дополняет нейтронография; для неё необходимы потоки нейтронов, которые формируются с применением радиоактивных изотопов, что несколько ограничивает применение данного метода. Отличительная особенность нейтронографии – высокая точность определения относительного расстояния между атомами. Она успешно применяется при определении структур сверхполупроводников, рибосом и других сложных молекулярных образований.