2015-04-01
1803
Детальное рассмотрение концептуальных систем химии выявило основные проблемы на каждом уровне. Так, при исследовании состава решались три главные проблемы:
– проблема химического элемента;
– проблема химического соединения;
– проблема вовлечения все большего числа химических элементов в производство новых материалов.
Первым положил начало представлениям о химическом элементе как о пределе химического разложения вещества, переходящем без изменения из одного сложного тела в другое, Р. Бойль. Однако химики в то время еще не знали ни одного химического элемента. В 1669 г. был открыт фосфор, в 1766 г. – водород. В 1772–1776 гг. одновременно в Швеции, Англии и Франции был открыт кислород.
Лавуазье принадлежит первая в истории попытка систематизации химических элементов на основе дальнейшей неразложимости тела, что привело к ошибке. Он включил в свою систему помимо известных элементов известь, магнезию, глинозем.
Ошибку исправил Д. И. Менделеев, доказав, что показателем химического элемента является его место в Периодической системе, определяемое по атомной массе. Дальнейшие уточнения показали, что порядковый номер обусловлен зарядом атомного ядра. Во времена Д. И. Менделеева было известно 62 элемента. В 1930-е годы Система элементов заканчивалась ураном (Z = 92). Затем элементы открывались путем физического синтеза атомных ядер (по 116-й).
Проблема химического соединения до недавнего времени была не столь острой, как проблема химического элемента. Были открыты вещества с постоянным составом (дальтониды) и с переменным составом (бертолиды). Однако применение в последнее время физических методов исследования вещества открыло физическую природу химизма, которая заключается во внутренних силах, объединяющих атомы в молекулу как единую квантово-механическую систему. Этими силами являются химические связи.
Химические связи – это обменное взаимодействие электронов, обобщение валентных электронов, «перекрывание электронных облаков». Классическое понятие молекулы в результате раскрытия физической сущности химической связи претерпело изменения. Молекулой по-прежнему можно называть наименьшую частицу вещества, способную определять его свойства и существовать самостоятельно. Но теперь в число молекул вошли и такие необычные квантово-механические системы, как ионные, атомные и металлические монокристаллы и полимеры, образованные за счет водородных связей.
Химическое соединение 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. Химическое соединение – понятие более широкое, чем сложное вещество, которое должно состоять из двух и более разных химических элементов. Химическое соединение может состоять и из одного элемента. Это молекулы Н2, Cl2, O2, графит, алмаз и другие кристаллиты без посторонних включений в их решетку в идеальном случае.
Природа щедро разбросала свои материальные ресурсы по нашей планете. Но чаще всего человек использует те вещества, запасы которых ограничены, и, наоборот, крайне слабо использует такие химические элементы и их соединения, сырьевые ресурсы которых почти безграничны. В самом деле, 98,6% массы физически доступного слоя Земли составляют всего 8 химических элементов: 47,0% – кислород, 27,5% – кремний, 8,8% – алюминий, 4,6% – железо, 3,6% – кальций, 2,6% – натрий, 2,5% – калий, 2,1% – магний. Как видно, железа почти в два раза меньше, чем алюминия. В то же время более 95% металлических изделий – конструкций, машин и механизмов, транспортных путей производится из железорудного сырья. Отсюда вытекают следующие проблемы:
1) приведение в соответствие практики использования химических элементов в производстве с их ресурсами в природе;
2) последовательная замена металлов различными видами керамики;
3) расширение производства элементоорганических соединений на базе органического синтеза.
