Тема 6. Основы химической картины мира

Развитие химии представляет собой процесс становления и смены концептуальных систем, причем каждая новая возникала на основе предыдущей и включала ее в себя в преобразованном виде:

1 уровень. Учение о составе вещества (XVII в): связан с исследованием различных свойств веществ в зависимости от их химического состава, определяемого их элементами.

Учение о составе вещества охватывает три проблемы:

1.1 проблему химического элемента.

1.1.1 В XVII веке Р. Бойль (1627-1691) дал первое научное определение понятия «химический элемент». Содержание этого понятия определялось общими представлениями о химическом элементе как простом теле, пределе химического разложения вещества, переходящем без изменения из состава одного сложного тела в состав другого. Результата исследований Р. Бойля показали, что свойства и качества тел зависят от того, из каких элементов они состоят.

1.1.2 А.А. Лавуазье (1743-1794) сделал первую попытку в истории химии систематизации химических элементов.

1.1.3 Д.И. Менделеев (1834-1907) открыл периодический закон и разработал периодическую систему химических элементов. Он исходил из того, что основной характеристикой элементов являются их атомные веса. Дальнейшие исследования показали, что место элемента в периодической системе определяется не атомной массой, а зарядом атомного ядра.

1.1.4 В настоящее время раскрыт физический смысл периодического закона и дано квантово-механическое обоснование строения атомов химических элемнтов.

1.2 проблему химического соединения.

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

1.2.2. Теоретически закон постоянства состава обосновал Д. Дальтон (1766-1844). На основе идеи об атомистическом строении вещества он утверждал, что соединения состоят из атомов двух или нескольких элементов, образующих определенные сочетания друг с другом (закон кратных отношений). В смесях отсутствуют тесные взаимодействия между атомами, которые характерны для соединений.

1.2.3 С конца XIX века возобновились исследования, подвергавшие сомнению абсолютизацию закона постоянства состава. Результаты исследований показали, что суть проблемы химических соединений состоит не столько в постоянстве химического состава, сколько в физической природе химических связей, объединяющих атомы в единую квантово-механическую систему – молекулу. Химические связи – это обменное взаимодействие электронов, обобщение валентных электронов и «перекрывание электронных облаков».

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

1.3 проблему вовлечения и применения все большего числа химических элементов для производства новых материалов: практическое решение этой проблемы заключается в разработке новых химических технологий.

2 уровень. Структурная химия (XIX век): предполагает исследование структуры, т.е. способа взаимодействия элементов вещества, т.к. свойства веществ, их качественное разнообразие обусловливаются не только составом, но и структурой молекул.

2.1 В основе структурной химии лежит химическая атомистика Д. Дальтона, согласно которой любой химический индивид состоит из молекул, обладающих строго количественным и качественным составом.

2.2 Более конкретные представления о структуре молекул содержатся в теории Й. Берцелиуса (1779-1848), согласно которой структура молекулы возникает благодаря взаимодействию разноименно заряженных атомов или атомных групп. Дополняя это представление, Ш. Жерар (1816-1856) отмечал, что при образовании структур различные атомы не просто взаимодействуют, но известным образом преобразуют друг друга, так что в результате возникает определенная целостность (система).

2.3 Ф. Кекуле (1829-1896) предпринял попытку раскрыть структуры молекулы и синтезировать новые вещества. Он связал структуру с понятием валентности и элемента или числа единиц его сродства. На этой основе и возникли структурные формулы органической химии. Комбинируя атомы различных химических элементов по их валентности, можно прогнозировать получение различных химических соединений в зависимости от исходных реагентов, т.е. управлять процессом синтеза различных веществ с заданными свойствами.

2.4 В 1860-1880 гг. появился термин «органический синтез». В это время были синтезированы на основе простейших углеводородов анилиновые красители. Затем были получены новые вещества (лекарственные препараты, взрывчатые вещества и т.д.).

2.5 Следующая ступень эволюции понятия химической структуры связана с теорией химического строения А.М. Бутлерова (1828-1886).

2.6 Эволюция понятия химической структуры в истории химии осуществлялась в двух направлениях: анализа ее составных частей (элементов) и установления характера физико-химического взаимодействия между ними.

2.7 По современным представлениям, структура молекул – это пространственная и энергетическая упорядоченность квантово-механической системы, состоящей из атомных ядер и электронов.

2.8 Проблемы структурной неорганической химии – это, по существу, проблемы химии твердого тела, а именно: поиск путей синтеза кристаллов с максимальным приближением к идеальной решетке для получения материалов с высокой механической прочностью, термической стойкостью и долговечностью; получение кристаллов, содержащих запроектированные дефекты решетки, на основе которых могут быть созданы материалы с заданными электрофизическими и оптическими свойствами.

3 уровень. Учение о химических процессах (ХХ век): связан с исследованием внутренних механизмов и условий протекания химических процессов (скорость протекания процессов, температура, давление и т.п.). Химия становится не столько наукой о веществах, сколько наукой о процессах и механизмах изменения вещества.

Современное учение о химических процессах – наглядный пример глубокой взаимосвязи физических, химических и биологических знаний. В основе данного учения лежит химическая термодинамика и кинетика - традиционные области физической химии.

Основы учения о химических процессах.

3.1 способность к взаимодействию у различных реагентов определяется не только их атомно-молекулярной структурой, но и условиями протекания химических реакций.

3.2 К условиям протекания химических процессов относятся термодинамические (характеризующие зависимость реакций от температуры, давления и т.п.) и кинетические факторы.

3.3 Термодинамические факторы влияют преимущественно на направленность химических процессов. Способы управления скоростью химических процессов и механизмы их протекания рассматривает химическая кинетика. Она устанавливает зависимость протекания химических процессов от множества структурно-кинетических факторов: строения исходных реагентов; их концентрации; наличия в реакционной среде катализаторов (или ингибиторов) и других добавок; способов смешивания реагентов; материала и конструкции реактора и т.п. Влияние такого типа факторов на ход химических реакций может быть сведено и к катализу, т.е. положительному воздействию на химический процесс, и к ингибированию, сдерживающему процесс.

3.4 Катализ – это процесс изменения скорости или возбуждения химической реакции веществами-катализаторами, которые участвуют в реакции, но не входят в состав конечных продуктов. Вещества, замедляющие химическую реакцию, называют ингибиторами.

3.5 Катализ играет решающую роль в процессе перехода от химических систем к биологическим.

4 уровень. Эволюционная химия (вторая половина ХХ века): представляет собой дальнейшее развитие предыдущего уровня, предполагает более глубокое изучение природы и условий протекания химических процессов (применение катализаторов и т.п.). На этом уровне наблюдается самоорганизация химических систем.

4.1 Под эволюционными проблемами в химии понимают процессы самопроизвольного синтеза новых химических соединений, являющихся более сложными и высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами. Поэтому эволюционную химию – науку о самоорганизации и саморазвитии химических систем – считают предтечей биологии.

4.2 Все процессы, происходящие в живом организме, можно изложить на языке химии в идее конкретных химических процессов.

4.3 Основой исключительной эффективности биологических процессов является биокатализ. Поэтому новая химия должна основываться на каталитическом опыте живой природы.

4.4 Для освоения каталитического опыта живой природы перспективным направлением являются исследования, ориентированные на применение принципов биокатализа в химии и химической технологии, что предполагает изучение закономерностей живой природы, в том числе и опыта формирования фермента, клетки, организма. Здесь и заложены основы эволюционной химии, предполагающей пути новых химических технологий, способных стать аналогами живых систем.

4.5 Эволюционная химия – это новое управление химическими процессами, предполагающее применение принципов синтеза себе подобных молекул. По принципу ферментов создадутся катализаторы с таким разнообразием качеств, которые далеко превзойдут катализаторы, существующие в химической промышленности.

4.6 Возникновению эволюционной химии способствовали исследования в области моделирования биокатализаторов и реально ощутимые успехи «нестационарной кинетики» или динамики химических систем.

4.7 Ведущее положение в развитии нестационарной кинетики занимает теория самоорганизации открытых каталитических систем, способствующая существенному улучшению свойств катализаторов.

4.8 Перспектива развития новой химии – это создание малоотходных, безотходных и энергосберегающих промышленных технологий.

План семинара

1. Формирование концептуальных систем химического знания.

2. Современное представление о химической связи. Типы химических связей.

3. Общие представления об энергетике, кинетике и направленности химического процесса. Реакционная способность вещества.

4. Роль химии в современном обществе.

Примерные вопросы для повторения и самопроверки

1. Что изучает химия и какие методы она использует?

2. Чем определяются химические свойства вещества?

3. Какая связь существует между атомным весом и зарядом ядра?

4. От чего зависит динамика химических процессов?

5. Что такое химический элемент, простое вещество, химическое соединение?

6. Укажите различие формулировки Периодического закона, данной В.И. Менделеевым, и современной интерпретации этого закона?

7. Что такое катализаторы и ингибиторы химических реакций? Дать определение и привести примеры природных и искусственных катализаторов и ингибиторов.

8. Что такое химическая связь? Чем она обусловлена?

9. Приведите классификацию типов химических связей.