3.3. Учение о составе вещества

Учение о составе вещества охватывает три основные проблемы:

• Проблема химического элемента.
• Проблема химического соединения.
• Проблема вовлечения и применения всё большего числа химических элементов и соединений для производства новых материалов.

3.3.1. Проблема химического элемента

В ХVII в. Р. Бойль (1627-1691 гг.) дал первое научное определение понятия  “химический элемент”, как предельного “простого вещества”, получаемого при  химическом разложении веществ, переходящего без изменения  из состава одного сложного тела в состав другого. Однако само открытие химических элементов произошло значительно позже (фосфор был открыт только в 1669 г., кобальт – в 1735г., никель – в 1751 г., водород – в 1766г., фтор – в 1771 г., азот и кислород – в 1772 г. и т.д.)
А.А Лавуазье (1743 – 1794 гг.) сделал первую  попытку  в истории химии систематизации химических элементов.

Д.И. Менделеев (1834 – 1907 гг.) открыл периодический закон и разработал Периодическую систему  химических элементов (1889 г.). Он исходил из того, что основной характеристикой химических элементов являются их атомные массы. Дальнейшие уточнения  показали, что  место химического элемента в Периодической системе определяется  не атомной массой, а зарядом атомного ядра. В этой связи можно утверждать, что химический элемент – это совокупность атомов (изотопов), обладающих одинаковым зарядом ядра. Каждый химический элемент имеет определённую массу, представляющую собой среднее значение  масс всех его изотопов. Изотопы, с точки зрения радиационной химии – разновидности атомов данного химического элемента, обладающие одинаковым зарядом ядра, но различающиеся  массой. Во времена Д.И. Менделеева было известно 62 химических элемента, сейчас – более 114.

Периодический закон формулируется следующим образом: химические свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атома (порядкового номера). Исключение – изотопы водорода: протий, тритий, дейтерий, обладающие различными химическими свойствами. Атомом называется электронейтральная совокупность элементарных частиц, состоящая из ядра (образованного протонами и нейтронами) и электронов.

В настоящее время раскрыт физико-химический смысл периодического закона, и дано квантово-механическое объяснение строения атомов химических элементов на основе понятия электронной оболочки и принципа Паули.

3.3.2. Проблема химического соединения

Все химические соединения подразделяются на неорганические и органические. Особой проблемы понятия химического соединения до недавнего времени не существовало. Было общепринято, что следует относить к химическим соединениям, а что – к смесям.

В начале XIX в. Ж. Пруст (1754-1826гг.) сформулировал закон постоянства состава: любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определённым  неизменным составом, прочным притяжением составных частей (атомов) и тем отличается от смесей.

Теоретически закон постоянства  состава обосновал Д. Дальтон (1766-1844гг.). Возникла модель веществ постоянного состава – дальтониды. На основе идеи об атомистическом  строении вещества он утверждал, что химические соединения состоят из атомов двух или нескольких элементов, образующих определённые (он считал кратные) сочетания друг с другом. Возникла стехиометрическая модель химических соединений, а затем  и типологии молекул.

К.Л. Бертолле (1748-1822), внёсший совместно с А.А. Лавуазье значительный вклад в номенклатуру химических соединений, считал, что в химии огромная роль принадлежит веществам переменного состава – бертоллидам.

С конца XIX в. возобновились исследования, подвергающие сомнению абсолютизацию закона постоянства состава. Результаты исследований показали, что суть проблемы химических соединений состоит не столько в постоянстве состава, сколько в природе химических связей, объединяющих атомы в единую квантово-механическую систему – молекулу. Молекула представляет собой электронейтральную  наименьшую совокупность атомов, образующих определённую структуру посредством химических связей. Химические связи – это обменное взаимодействие  электронов, обобщение  валентных электронов, и “перекрывание электронных облаков”.

В результате открытия  физической природы химизма, как обменного взаимодействия электронов, химия по-новому стала решать проблему химического соединения, которое  определяется как качественно определённое  вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счёт обменного взаимодействия (химической связи) объединены в частицы (химические  корпускулы по меткому выражению М.В. Ломоносова) – молекулы, комплексы, монокристаллы или иные агрегаты (системы).

Произошло пересечение (“вложение” друг в друга) стехиометрической, атомно-молекулярной, геометрической и электронной моделей химии. С современной точки зрения, стехиометрическая модель означает использование химических формул и уравнений, атомно-молекулярная модель – описание химических реакций как внутри- и межмолекулярных перегруппировок атомов, геометрическая модель определяет язык структурных формул и геометрических молекулярных параметров, а электронная модель выводит реакционную способность веществ из электронного строения молекул. Эти модели “вложены” друг в друга: каждая последующая использует и детализирует постулаты предыдущих:

• На основании вышеизложенного можно дать определение химическим формулам и реакциям. Химическая формула отображает состав (структуру) вещества в виде химического соединения. Молекулярная формула указывает число атомов химического элемента в молекуле. Структурная (графическая) формула отражает порядок соединения атомов в молекуле и число связей между атомами. Химическая реакция отображает превращение веществ, сопровождающееся изменением их состава и (или) строения. Записывается схематически с помощью формул реагентов и продуктов реакции.
• В рамках современной электронной модели можно дать и краткую характеристику основным типам химических связей (см. схему 43)

Схема 43. Характерные особенности
основных типов химических связей.

3.3.3. Проблема вовлечения и применения
новых химических соединений

• Практическое решение этой проблемы в разработке новых химических технологий синтеза и катализа.
• Свойства вещества определяются его элементным и молекулярным составом, структурой его молекул, термодинамическими и кинетическими условиями, в которых вещество находится в процессе химической реакции, уровнем химической организации веществ.
• Все химические вещества можно разделить на органические, неорганические и смеси двух или нескольких веществ, гомогенные и гетерогенные смеси.

 

 

 







Назад| Содержание| Вперед