Тема 2. Роль химии в развитии общества

2.1. Система современного знания в области химии

Основные понятия и законы химии. Уровни организации материи, изучаемые в химии: атом, химический элемент, ион, молекула, химическое вещество. Периодический закон и его значение для современной науки

Все химические элементы упорядоченно расположены в периодической таблице. В 1869 Д. Менделеев впервые открыл, что некоторые свойства элементов периодически повторяются, а именно элементы в одной и той же колонке (группе) периодической таблицы имеют сходные свойства. Члены одной и той же группы в таблице имеют одно и то же число электронов на внешних оболочках их атомов и образуют связи одного и того же типа, обычно с одинаковой валентностью. Инертные газы с заполненной внешней электронной оболочкой вообще не образуют связей. Таким образом, периодическая таблица отражает глубокое понимание химической связи и химического поведения. Кроме того, она позволила предсказать существование новых элементов, многие из которых позже были открыты или синтезированы.

Химические вещества в природе: простые и сложные, органические и неорганические. Нефть и природный газ как источники органических веществ

Нефть и природный газ являются самыми важными первичными ископаемыми топливами. Первая скважина для добычи нефти была пробурена в середине 19 в. С изобретением автомобиля это углеводородное топливо стало применяться как источник бензина. С тех пор нефть и ее продукты используются в качестве топлив для получения тепла, для наземного, воздушного и морского транспорта, для тепловых электростанций и как источник нефтепродуктов и смазок. Нефть извлекают из пробуренных скважин, транспортируют трубопроводами или танкерами к нефтеперерабатывающим заводам и там превращают ее в топливо и продукты нефтехимии. Нефть и природный газ, добываемые главным образом в Саудовской Аравии, США и России, сегодня составляют около 60 % мирового энергопотребления. При современных скоростях потребления нефти ее известные запасы будут выработаны к середине 21 в.

С сырой нефтью обычно встречается природный газ – углеводород, состоящий главным образом из метана и этана. Природный газ добывается из скважин, затем его транспортируют либо в естественном газообразном состоянии по трубопроводам, либо после сжижения охлаждением танкерами. Сжиженный газ занимает примерно 1/600 объема газообразного продукта. Использование природного газа в качестве источника энергии постоянно растет.

Классификация и основные химические свойства органических и неорганических соединений

Органические соединения – это углеводороды. Благодаря способности атомов углерода образовывать химические связи друг с другом и с атомами большинства элементов число органических соединений очень велико и превышает 4 млн. Для них характерна способность к сложным и многообразным превращением, изучением которых и занимается органическая химия. Природные органические соединения, например нуклеиновые кислоты, белки, липиды, гормоны, витамины играют основную роль в построении и жизнедеятельности растительных и живых организмов.

Свойства органических соединений зависят от количества СН 2 -групп в углеродной цепи (например, метан СН 4 , этан С 2 Н 6 , пропан С 3 Н 8 и т.д.).

Неорганические соединения – это сплавы металлов, минералы, соли, кислоты, щелочи. Для синтезирования неорганических соединений применяются методы физического воздействия – сверхвысокие температуры и давления, ультразвук, вибрации, сильное световое излучение, магнитные поля, ударные волны и центробежные силы. Нередко применяются низкие и сверхнизкие температуры, сверхглубокий вакуум, исследование процессов в условиях невесомости.

Растворы водные и неводные.

Вода является прекрасным растворителем для многих веществ. Это обусловлено способностью ее молекул образовывать химические связи с другими молекулами. Широкое распространение находят и неводные растворители, например ацетонитрил или уксусная кислота.

В жидких растворах протекают многие химические реакции, в т.ч. технические и жизненно важные. Растворителем называется компонент, концентрация которого выше концентрации другого компонентов. Растворитель сохраняет свое состояние при образовании растворов. Температура кипения раствора выше температуры кипения растворителя, а температура замерзания раствора ниже температуры замерзания чистого растворителя.

Раствор, в котором устанавливается равновесие между растворением и образованием (осаждением, кристаллизацией) вещества, называется насыщенным, а концентрация такого раствора – растворимостью. На растворимость оказывает влияние природа растворителя. Для органических соединений вещество лучше растворяется в таких растворителях, которые химически ему подобны, например углеводороды в углеводородных растворителях.

Структура и уникальные свойства воды

Вода – самое простое химическое соединение и привычное вещество на Земле. Она сопровождает каждое мгновение нашей жизни. Но знаем ли мы, какую тайну хранит удивительная стихия, откуда она пришла, кто и зачем одарил ею нашу планету?

Вода – больше, чем физическая субстанция, с водой связана сама идея жизни. Нет ничего мягче и податливее, чем вода, но она точит камни и режет самые твердые породы. Вода обладает физическими свойствами, но ни один ученый не может объяснить, почему плотность воды при минусовой температуре увеличивается, а при плюсовой – уменьшается. Любое вещество при охлаждении сжимается, а вода, наоборот – расширяется. Находясь в порах и капиллярах, вода может создавать огромное давление. В зерне, например, в момент прорастания оно может достигать 400 атмосфер. Вот почему росток с легкостью пробивает асфальт.

До сих пор науке не известно, почему вода может находиться в трех состояниях, почему у воды самое высокое поверхностное натяжение, почему вода является самым мощным растворителем на Земле и каким образом вода может подниматься по стволам огромных деревьев, преодолевая давление в десятки атмосфер. Многочисленные эксперименты, проведенные в различных странах, привели к открытию, что у воды есть память; она воспринимает и запечатлевает любое воздействие, которое происходит в окружающем пространстве. Запечатлевая информацию, вода приобретает новые свойства, при этом ее химический состав (Н 2 О) остается прежним. Оказалось, что структура воды, т.е. как организованы молекулы, намного важнее, чем химический состав.

Наиболее сильный момент воздействия на воду – человеческие эмоции (положительные или отрицательные). Многочисленные исследования выявили, что волны любви, нежности, заботы объединяли молекулы в строгие, красивые сочетания (цветки) и, наоборот, страх, агрессия, ненависть создавали рваные, бесформенные соединения. Такие же четко направленные изменения происходят в структуре воды при воздействии на нее вначале музыки Баха, Моцарта, Бетховена, а затем тяжелого рока и подобных звуков, порожденных смутными душами.

Любовь повышает энергетику воды, структурирует ее, а агрессия – резко ее понижает. Вот почему структурированная вода для всего живого на Земле – величайшее благо. В Природе реки и ручьи текут по плавно изгибаемому руслу, бытовая же вода, преодолевая многочисленные прямые углы, теряет большую часть своей энергии. Водная структура организма каждого человека идентична структуре воды там, где он родился.

Во всех мировых религиях (христианство, ислам, иудаизм) принято перед принятием пищи читать молитву или освящать еду в религиозные праздники. Оказалось, частота колебания любой молитвы на любом языке равна 8 герц, что соответствует частоте колебания магнитного поля Земли. Отсюда совет – не садиться за стол с дурными мыслями и не принимать пищу в дурном состоянии (в этом случае она становится ядовитой), а для очищения лучше выпить воды. Тот, кто посылает негативные мысли, загрязняет свою собственную воду, из которой на 75-90 % состоит организм, негативно заряжает ее. Не поэтому ли больше всего совершается тяжких преступлений в тех областях, где люди чаще всего сквернословят.

В Японии провели опыты и определили, что вода отреагировала на слова религиозного содержания, образовав красивые, геометрически правильные кристаллы. Такая же реакция последовала, когда на лабораторные чашки с водой были нанесены слова: любовь, надежда, душа. Это означает, по заявлению японских ученых, что концепция нашей Природы совпадает с каждой религией. Однако при словах «я тебя ненавижу», «ты мне противен» получались безобразные, рваные соединения.

Многочисленные эксперименты по поиску слова, сильнее всего благодатно воздействуюшего на воду, показали, что оно не одно, а сочетание двух: любовь и благодарность.

На пресную воду приходится менее 1 % всех ее запасов. На Земле боле 1 млрд. людей не имеют доступа к безопасной питьевой воде. Если такое положение останется без изменений, то вода может стать причиной международных конфликтов. Сейчас воюют за нефть и газ, а будут воевать за воду. Вода все более приобретает статус основного ресурса, который начинает фигурировать в диалоге между странами.

Таким образом, сделаем два вывода. Во-первых, воду надо беречь как самое дорогое достояние Природы, во-вторых, в каждом из нас есть капля воды первозданного океана и каждое наше действие, мысль, слово, эмоция запоминается водой!

Водородный показатель (рН) как мера кислотности среды

Одним из главных показателей, от которого зависит наше здоровье, является кислотно-щелочное равновесие или водородный показатель (рН). Норма рН – 7,41. Даже незначительное снижение кислотно-щелочного равновесия в сторону закисления вызывает резкое падение активности внутриклеточных процессов. Органы и системы организма начинают работать с большим напряжением, ухудшается самочувствие, падает работоспособность. Иначе, чем больше в организме грязи, тем слабее работает иммунная система.

Животная пища окисляет, а растительная – ощелачивает организм до 80 %. Чем больше закислена среда организма, тем больше в ней активизируется патогенная микрофлора, грибы, вирусы. Помещенные в кислую среду, они начинают быстро развиваться, а помещенные в щелочную – гибнут. Вывод – есть больше овощей и фруктов и меньше животной пищи (мясо, рыба, яйца, молоко). Таким образом, рН служит критерием силы кислоты или основания. Отклонение рН от нормы значительно приводит к расстройству деятельности организма. Существенное влияние на урожайность оказывает рН почвы, на экологию водоема – рН воды.

Понятие о предельно-допустимой концентрации (ПДК)

Отходы промышленного производства загрязняют землю, воду и воздух. Максимальное количество вредного вещества в единице объема или массы, которое при ежедневном воздействии в течение неограниченного времени не вызывает каких-либо болезненных изменений в организме и неблагоприятных наследственных изменений у потомства, считается предельно-допустимой концентрацией (ПДК). Для каждого вещества законодательно установлен свой уровень ПДК, причем ПДК одного и того же вещества различны для разных объектов внешней среды. Например, для свинца и его органических соединений в воде водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения ПДК составляет 0, 005 мг/л, в воздухе производственных помещений – 0,01 мг/м 3 , а в атмосфере – 0,007 мг/м 3 .

Химико-аналитический контроль и диагностика состояния окружающей среды

Воздух – это смесь газов, из которых состоит атмосфера Земли. Наиболее важными являются азот (78 %) и кислород (21 %). В состав воздуха входят также в малых количествах аргон, неон, гелий, метан и другие газы. В переменных концентрациях присутствуют пары воды, озон и оксид углерода. Воздух также содержит следы аммиака и сульфида водорода. Все эти газы важны для поддержания жизни и здоровья человека. Пары воды – важный источник осадков. Оксид углерода (СО 2) необходим для фотосинтеза и инфракрасного излучения.

Озон в стратосфере (слой атмосферы, лежащий на высоте от 10 до 50 км, называемый озоновым слоем), является своеобразным экраном от солнечного ультрафиолетового излучения. Однако на уровне земли он является главной составляющей смога – аэрозоли из дыма, тумана и пыли, возникающего в атмосфере промышленных городов. Каждый из жителей, особенно больших городов, ощущает, насколько загрязнен воздух по причине автомобильного или индустриального характера.

Для уменьшения такого отрицательного воздействия на здоровье людей: ужесточаются требования к составу выхлопных газов автомобилей (повышается качество горючего и совершенствуется система сгорания топлива); переносятся промышленные предприятия за черту города; централизованно собираются промышленные и бытовые отходы и др.

Химия – наука о веществах, их свойствах, строении и взаимных превращениях.

Исторически химия возникла для получения человеком веществ, необходимых для его жизнедеятельности. Для решения этой задачи необходимо было научиться производить из одних веществ другие, т.е. осуществлять качественные их превращения. А поскольку качество – есть совокупность свойств веществ, то следовало узнать, от чего зависят эти свойства. Это и послужило причиной появления теоретической химии.

Предмет химии – химические элементы и их соединения, а также закономерности, которым подчиняются различные химические реакции.

Химические реакции – это процессы образования из простых по составу веществ более сложных, переход одних сложных веществ в другие и разложение сложных веществ на более простые по составу вещества.

Современная химия занимается получением веществ с заданными свойствами и выявлением способов управления свойствами вещества. В этом заключается основная проблема химии и системообразующее начало ее как науки.

По признаку изучаемых объектов (веществ) химию принято делить на неорганическую и органическую. Объяснением сущности химических явлений и установлением их общих закономерностей на основе физических принципов и экспериментальных данных занимается физическая химия, включающая квантовую химию, электрохимию, химическую термодинамику, химическую кинетику. Самостоятельными разделами являются также аналитическая и коллоидная химия.

Сочетание химии с другими смешными естественными науками представляют собой биохимия, геохимия, фотохимия и др.

Мы подчеркивали, что материя существует в двух физических формах – вещество и поле.

Вещества – это различные виды движущейся материи, масса покоя которых не равна нулю. Все вещества корпускулярны. Процессы, протекающие в химическом веществе или в смесях различных веществ, представляют собой химические реакции.

При протекании химических реакций всегда образуются новые вещества. Например, при нагревании магния (серебристо-белый металл) в молекулярном кислороде (бесцветный газ) образуется оксид магния (белый порошок):

Химические реакции всегда сопровождаются физическими эффектами: поглощением и выделением энергии, например, в виде теплопередачи, изменением агрегатного состояния реагентов, изменением окраски реакционной смеси и др. Именно по этим физическим эффектам часто судят о протекании химических реакций.

В химических процессах (химических реакциях) получаются новые вещества с отличными от реагентов свойствами, но никогда не образуются атомы новых элементов.

К условиям протекания химических процессов относятся прежде всего термодинамические факторы, характеризующие зависимость реакций от температуры, давления и некоторых других условий. В еще большей степени характер и особенно скорость реакций зависят от кинетических условий, которые определяются наличием катализаторов и других добавок к реакциям, а также влиянием растворителей и иных условий.

В химии различают простые и сложные вещества. Простые вещества состоят из атомов одного вида элемента, т.е. они одноэлементны. Сложные вещества состоят из атомов резных элементов, т.е. они многоэлементны. Сложные вещества иначе называются химическими соединениями. Этот термин означает, что вещества могут быть получены с помощью химических реакций соединения из простых веществ – химического синтеза или разделены на элементы в свободном виде (простые вещества) с помощью химических реакций разложения – химического анализа.

2Hg + O 2 = 2HgO

простые химическое

вещества соединение

2HgO = 2Hg + O 2

химическое простые

соединение вещества

Мельчайшие химические частицы, являющиеся пределом химического разложения любого вещества, являются атомы. Простое вещество (если оно не является одноатомным, как, например, гелий He) разлагается на атомы одного вида, сложное вещество – на атомы разных видов. Атомы неделимы химическим путём.

Масса атомов разных видов составляет порядка 10 -24 – 10 -22 г, размеры (диаметр) атомов колеблется в пределах 1*10 -10 - 5 *10 -10 м. Поэтому атомы считают мельчайшими химическими частицами.

Химический элемент – это вид атомов с определённым положительным зарядом ядра. Все химические элементы указаны в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева. Каждому элементу отвечает свой порядковый (атомный) номер в Периодической системе. Значение порядкового номера элемента и значение заряда ядра атома того же элемента совпадают. Значит, химический элемент – это совокупность атомов с одинаковым порядковым номером.

В Периодической системе химических элементов на сегодняшний день имеется 109 элементов с порядковыми номерами от 1 до 109. Из них в природе найдено 88. Такие элементы, как технеций Tc, прометий Pm, астат At и франций Fr с порядковыми номерами 43, 61, 85, 87 и все элементы, следующие за ураном U (порядковый номер 92), впервые получены искусственно.

Из химических элементов наиболее распространены в земной оболочке кислород и кремний. Эти элементы вместе с элементами алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний, водород и титан составляют более 99% массы земной оболочки (за земную оболочку принимается литосфера – твердая земная кора, распространяющаяся на глубину до 17км, гидросфера – вода морей и океанов и атмосфера – воздушная оболочка, распространяющаяся на высоту до 15км).

Химические соединения, состоящие из атомов не менее двух элементов, имеют в качестве наименьших составных частей молекулы – электрически нейтральные группы атомов, или ионы – электрически заряженные атомы или группы атомов. Большинство химических сложных веществ состоит не из молекул, а из ионов. Например, ионными соединениями являются все соли.

Пример. Хлорид натрия NaCl состоит из ионов Na + и Cl - .

Химические соединения образуются за счёт химических связей. Различают три основных типа химической связи: ковалентную, ионную и металлическую.

Ковалентная связь осуществляется за счет образования электронных пар, в одинаковой мере принадлежащих обоим атомам. Ионная связь представляет собой электростатическое притяжение между ионами, образованными путем полного смещения электронной пары к одному из атомов. Металлическая связь есть связь между положительными ионами в кристаллах металлов, осуществляемая за счёт притяжения электронов, свободно перемещающихся по кристаллу.

Химическая связь представляет собой такое взаимодействие, которое связывает отдельные атомы в молекулы, ионы, кристаллы, т.е. структурные уровни организации материи, которые изучает химическая наука.

Природа химической связи, согласно современным представлениям, объясняется взаимодействием электрических полей, создаваемых электронами и ядрами атомов, которые участвуют в образовании химического соединения.

Каждый химический элемент имеет свой символ. Символы химических элементов являются интернациональными обозначениями элементов. Они помещены в Периодическую систему элементов Д.И. Менделеева. Современные символы химических элементов ввёл в 1813г шведский химик Берцелиус.

Каждое вещество обозначается присущей только ему химической формулой.

Химическая формула – это изображение качественного и количественного состава вещества при помощи символов химических элементов, а также числовых, буквенных и других знаков. Например, формула H 2 O показывает, что вода включает элементы водород H и кислород O в соотношении их атомов 2:1.

Любая химическая реакция записывается в виде уравнения химической реакции, например,

2Na + Cl 2 = 2NaCl

Подбор коэффициентов в уравнении химической реакции основан на том, что сумме атомов каждого элемента не изменяется при протекании химической реакции.

Важнейшая особенность химических реакций связана с тем, что их протекание сопровождается изменениями энергии. Большая часть энергии, производимая в современном обществе, получается в ре­зультате химических реакций, главным образом при сгорании угля, нефтепродуктов и природного газа.

С целью оптимального осуществления хода химического процесса необходимо знать общие законы, определяющие превращения энергии при химическом взаимодействии веществ. Для установления взаимных связей между явлениями и обобщения экспериментального материала в практике химии широкое распространение нашел термодинамический метод. Прежде чем перейти к изложению основ химической термодинамики, постараемся дать определение исходных понятий и объекта приложения термодинамического метода - термодинамической системы.

Под системой понимают тело или группу тел, мысленно выделенных из окружающей среды. Представим себе, что требуется определить теплоту сгорания жидкого бензола. Опыт осуществляют в калориметрической бомбе, которую можно рассматривать как систему.

В зависимости от рассматриваемого явления система может быть сложной и различного размера, но всегда она должна состоять из большого числа частиц, т.е. быть макроскопической. Только для макроскопических систем можно оперировать такими понятиями, как температура, давление, теплота, и некоторыми другими. Исходя из характера взаимодействия различных систем с окружающей средой, их подразделяют на открытые, закрытые и изолированные системы.

Открытой системой называется система, которая может обмениваться с окружающей средой энергией и веществом. К открытой системе, например, можно отнести стакан с водным раствором сахара. В результате постепенного испарения воды из раствора в окружающую среду и теплообмена, будет изменяться как масса системы, так и ее энергия.

Закрытой системой называют систему, в которой отсутствует обмен веществом с окружающей средой, но возможен обмен энергией с ней. Примером такой системы может служить раствор сахара, помещенный в стакан, закрытый пробкой. Когда стакан закрыт пробкой, процесс в растворе будет осуществляться при постоянном объеме. Если температура раствора Т 1 будет отличаться от температуры T 2 окружающей среды, то при T 1 больше T 2 часть энергии от раствора будет передаваться в окружающую среду, и наоборот, при Т 1 меньше T 2 энергия системы будет увеличиваться за счет перехода какой-то части энергии из окружающей среды в раствор. Масса системы при этом изменяться не будет.

Изолированной системой называют такую, объем которой остается постоянным, и которая не обменивается энергией и веществом с окружающей средой. К этому типу систем можно будет отнести водный раствор сахара, помещенный в закрытый сосуд, стенки которого изготовлены из идеального теплоизоляционного материала. Понятие "изолированная система" является понятием идеальным (абстрактным), так как на практике не существует материала, который абсолютно не проводил бы теплоту.

Система может быть гомогенной (однородной) или гетерогенной (неоднородной).

Система называется гомогенной, если она состоит из одной фазы. Гетерогенная система обязательно содержит несколько фаз.

Совокупность всех химических и физических свойств системы называется состоянием системы. Обычно рассматривают те свойства. которые могут быть однозначно выражены через функции температуры. давления и концентрации веществ системы. Такие свойства называются термодинамическими (теплоемкость, внутренняя энергия, энтальпия и т. п.), они являются частью общих свойств (физических и химических) системы. Для полного описания состояния системы достаточно знать наименьшее число термодинамических свойств, которые наиболее легко определяются экспериментальным путем (давление Р, объем V, температура Т и концентрации (C 1) компонентов). Параметры состояния системы связаны между собой соотношением, которое называется уравнением состояния. Если система состоит из одного вещества и в качестве параметров выбраны давление, объем и температура, то уравнение состояния в общем виде можно записать так:

Для n моделей идеального газа уравнением состояния является уравнение Менделеева-Клапейрона:

Применяя основные понятия, рассмотрим энергетику химических процессов.

Во тьме должны обращаться физики, а особливо химики, не зная внутренних, нечувствительных частиц строения.

М. В. Ломоносов

В настоящее время химическим элементом называют вещество, все атомы которого обладают одинаковым зарядом ядра,

хотя и различаются по своей массе, вследствие чего атомные веса элементов не выражаются целыми числами.

Молекулой по-прежнему называют наименьшую частицу вещества, которая определяет его свойства и может существовать самостоятельно. Однако к молекулам теперь относят также разнообразные другие квантово-механические системы (ионные, атомные монокристаллы, полимеры и другие макромолекулы). Последнее особенно важно для ясного понимания структуры с точки зрения системного подхода, где под структурой подразумевают упорядоченную связь и взаимодействие между элементами системы, благодаря которой и возникают новые целостные ее свойства. В такой химической системе, как молекула, именно специфический характер взаимодействия составляющих ее атомов определяет свойства молекулы.

Химия изучает процессы превращения молекул при взаимодействиях и при воздействии на них внешних факторов (теплоты, света, электрического тока, магнитного поля), во время которых образуются новые химические связи. Под химической связью понимается результат взаимодействия между атомами, выражающийся в создании определенной конфигурации атомов, отличающий один тип молекулы от другого. Химические связи порождают взаимодействие электронных оболочек атомов. Если атомные конфигурации подходят друг к другу, возникает одна округлая структура, несколько большая, чем до этого был каждый атом в отдельности. Так получается насыщенная молекула, и присоединить к ней еще какой-то атом почти невозможно, т. е. химические связи отличаются насыщенностью. С введением понятия валентности ею стали объяснять строение и химические свойства молекул. Наиболее распространены четыре вида химических связей: ионная, ковалентная, металлическая и водородная. Химическая связь, осуществляемая за счет образования общих для взаимодействующих атомов электронных пар, называется ковалентной связью. Химическая связь, в основе которой лежит электростатическое взаимодействие ионов, называется ионной. Химическая связь, основанная на обобществлении валентных электронов всех атомов в кристалле, называется

металлической. Химическая связь, обусловленная взаимодействием полярных молекул, одной из которых является водород, называется водородной. Химические связи можно рассматривать с точки зрения превращения энергии: если при создании молекулы ее энергия меньше, чем сумма энергий составляющих ее изолированных атомов, то она может существовать, т. е. ее связь устойчива.

Каждое вещество характеризуется определенными физическими и химическими свойствами. Когда какое-нибудь простое вещество вступает в химическую реакцию и образует новое вещество, то оно при этом теряет большинство своих свойств. Например, железо, соединяясь с серой, теряет металлический блеск, ковкость, магнитные свойства и др. Следовательно, в сульфиде железа нет железа, каким мы знаем его в виде простого вещества. Но так как из сульфида железа (FeS) при помощи химических реакций можно снова получить металлическое железо, то говорят что в состав сульфида железа входит элемент железо, понимая под этим тот материал, из которого состоит металлическое железо. Точно так же водород (Н) и кислород (О), входящие в состав воды, содержатся в воде не в виде газообразных водорода и кислорода с их характерными свойствами, а в виде элементов - водорода и кислорода. Если же элементы находятся в "свободном состоянии", т. е. не связаны химически ни с каким другим элементом, то они образуют простые вещества.

Долгое время не делалось различия между элементом и простым веществом. Понятие "элемент" в качестве научного термина впервые использовано Р. Бойлем в 1661 г. Со времен Бойля элементом считали всякое простое вещество, которое можно получить в результате разложения сложных веществ, но которое не способно к дальнейшему разложению на еще более простые вещества.

Также была опровергнута флогистонная теория окисления металла многочисленными экспериментами М. В. Ломоносова. Согласно этой теории процесс окисления металла рассматривался как реакция разложения: металл считался сложным веществом, а окалина простым, т. е. железо -» окалина + флогистон.

М. В. Ломоносов, проведя эксперименты в запаянных ретортах, установил, что масса сосуда с прокаленным железом не меняется, если взвесить, не вскрывая его. Французский ученый А. Лавуазье также показал, что горение есть реакция соединения вещества с кислородом воздуха. Лавуазье поставил на ноги всю химию, которая в своей флогистонной форме стояла на голове.

Начало XIX в. ознаменовалось открытием новых количественных закономерностей. Разработка атомно-молекулярной теории позволила Дальтону высказать атомную гипотезу и ввести в химию понятие об относительном атомном весе элементов и определить атомные веса некоторых элементов. По Дальтону, элемент можно определить как вид атомов, характеризующихся определенным значением атомного веса, а простые вещества состоят из определенного вида атомов, следовательно, простые вещества суть элементы. Путаница была устранена позже, когда было установлено, что многие простые вещества образованы из молекул, а не из атомов. Впервые Менделеев в связи с этим указал на необходимость ясно различать два понятия: элемент и простое вещество, или простое тело. Если простому веществу (телу) соответствует понятие о частице, то элементу - об атоме. Углерод есть элемент, а уголь, графит и алмаз суть тела простые.

Пользуясь понятием о химических элементах, можно сказать, что важнейшая задача химии состоит в изучении свойств элементов в отыскании общих закономерностей в их поведении и в отношении между собой. К середине XIX в. насчитывалось уже 63 элемента и был накоплен достаточно богатый экспериментальный материал, касающийся их физических и химических свойств, и были установлены групповые общие свойства. Были накоплены сведения и о таких характеристиках, как атомная масса элементов и их валентность, т. е. способность образовывать различные формы соединений. Прежде всего нужно было решить основной вопрос: являются ли химические элементы разрозненными, независимыми или они закономерно связаны между собой в единую систему.

Первые попытки решения этой задачи относятся к первой половине XIX в. Деберейнер (1829 г.) сгруппировал элементы в триады; Одлинг (1857 г.) разместил 48 элементов в единую таблицу из 13 групп сходственных элементов; Ньюлендс и де Шаркунтуа (1863 г.) распределили 63 элемента в порядке возрастания их атомной массы, была опубликована немецким химиком Л. Мейером таблица элементов, в которой отсутствовали бор, алюминий и водород. Всего попыток классификации было не менее пятидесяти, и все были по существу безуспешны. В основе неудач лежал метафизический способ их мышления. Наконец в 1869 г. Д. И. Менделеев предложил периодическую систематизацию свойств элементов.

Диалектико-материалистический подход к систематизации элементов является основной причиной успеха Д. И. Менделеева. Периодическая система элементов оказала большое влияние на последующее развитие химии, она явилась могучим орудием для дальнейших исследований. На основании периодического закона Д. И. Менделеев предсказал существование 12 новых элементов, причем для трех из них (галий - Ga, германий - Ge и скандий - Sc) описал подробно их свойства. В течение полувека были обнаружены в природе почти все элементы, расположенные до урана. Путеводной нитью для поиска и установления химической природы элементов явился периодический закон и метод предсказания, использованный Д. И. Менделеевым. Периодический закон и периодическая система получили свое полное подтверждение и дальнейшее развитие при установлении строения атомов элементов. Сейчас фактические данные в химии выросли в тысячи раз. Имеются сведения о 8 миллионах индивидуальных химических соединений постоянного состава и миллиардах соединений переменного состава.

Современная формулировка периодического закона следующая: от величины положительного заряда ядра атома зависят все свойства элемента и его положение в периодической системе. Теория строения атома объясняет периодическое изменение свойств элементов при переходе от одного периода к другому: с ростом Z строение электронных оболочек атомов повторяется.

Особенно это касается внешних энергетических уровней, на которых расположены валентные электроны. В пределах одного периода с увеличением заряда ядра наружные слои заполняются постепенно, достигая своей завершенности в атомах благородных газов. Эта последовательность повторяется в каждом периоде, вследствие чего в них наблюдается переход от металлов в начале периода к неметаллам и благородному газу в его конце. В свете теории строения атома периодический закон получил современную формулировку: свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атома.

Атомный вес элемента определяется как среднее арифметическое величин масс изотопов, из которых состоит элемент. Атомы, обладающие одинаковым зарядом ядра (и, следовательно, тождественными химическими свойствами), но разным числом нейтронов, называют изотопами. Например, хлор состоит из двух изотопов с массовыми числами на 75,53% из изотопа 35 Сl и на 24,47% - из 37 Сl, в результате средняя атомная масса хлора равна 35,453. Открытие изотопов потребовало пересмотра понятия "химический элемент". Химический элемент - это вид атомов, характеризующийся определенной величиной положительного заряда ядра. Существование химического элемента в виде нескольких простых веществ называется аллотропией. Графит, алмаз, уголь - аллотропные видоизменения элемента углерода.

С развитием количественных методов исследования в химии были накоплены экспериментальные факты, обобщение которых привело к открытию так называемых стехиометрических законов - закона постоянства состава, закона эквивалентов и закона кратных отношений. Именно эти законы способствовали окончательному утверждению в химии атомно-молекулярного учения. Основой химической науки являются атомно-молекулярное учение, закон сохранения материи, периодический закон Д. И. Менделеева и теория химического строения.

Основные положения атомно-молекулярного учения заключаются в следующем:

1. Вещества состоят из молекул; молекулы различных веществ отличаются между собой химическим составом, размерами, физическими и химическими свойствами.

2. Молекулы находятся в непрерывном движении; между ними существует взаимное притяжение и отталкивание. Скорость движения молекул зависит от агрегатного состояния веществ.

3. При физических явлениях состав молекул остается неизменным, при химических - они претерпевают качественные и количественные изменения и из одних молекул образуются другие.

4. Молекулы состоят из атомов. Атомы характеризуются определенными размерами и массой. Свойства атомов одного и того же элемента одинаковы и отличаются от свойств атомов других элементов.

Масса атома, выраженная в атомных единицах массы (а.е.м.), называется относительной атомной массой. 1 а.е.м. = = 1,667 10 -27 кг.

Элементы, соединяясь в разных количественных соотношениях друг с другом, образуют химические соединения - сложные вещества. Что собой представляет химическое соединение? Обладает ли сложное вещество переменным или постоянным составом?

Известный французский химик Ж. Пруст в отличие от К. Бертолле считал, что любое химически чистое соединение независимо от способа его получения имеет вполне определенный состав. Именно на этом законе, получившем название закона постоянства состава, Ж. Пруст объяснил различие между химическими соединениями и смесями. Например СO 2 (углекислый газ) можно получить несколькими способами:

но в чистом СO 2 всегда содержится 27,29% С и 72,71% O 2 по массе.

Многие элементы, соединяясь друг с другом, могут образовывать разные вещества, каждое из которых характеризуется

определенным соотношением между массами этих элементов. Так, углерод и кислород образуют оксид углерода - СО и С0 2 -диоксид углерода. Изучая подобные соединения, английский ученый Д. Дальтон, установил закон кратных отношений: если два элемента образуют друг с другом несколько соединений, то массы одного из элементов, приходящиеся в этих соединениях на одну и ту же массу другого, относятся между собой как небольшие числа.

Дальтон придерживался атомной теории строения вещества; изучая свойства газов, открыл закон парциальных давлений газов. Закон непосредственно свидетельствовал о том, что элементы входят в состав соединений лишь определенными порциями, что свидетельствует о прерывном строении вещества. Развивая атомно-молекулярную теорию, Дальтон ввел близкое к современному представление об атомах и об относительных атомных массах элементов. Но в отличие от закона сохранения массы, справедливость которого полностью подтверждена открытиями, сделанными после его установления, законы постоянства состава и кратных отношений оказались не столь всеобщими. В связи с открытием изотопов выяснилось, что соотношение между массами элементов, входящих в состав данного вещества, постоянно лишь при условии постоянства изотопного состава этих элементов. Например, тяжелая вода содержит 20% (масс) водорода, а обычная вода лишь 11%.

В начале XX в. (более чем через 100 лет) русский ученый Н. С. Курнаков, изучая сплавы металлов, открыл соединения переменного состава, в которых на единицу массы данного элемента может приходиться различная масса другого элемента. Для многих соединений переменного состава установлены пределы, в которых может изменяться их состав, и формула TiO 2 более точно выражает свой состав в виде TiO 1. 9 _ 2.0 . Конечно, такого рода формулы указывают не состав молекулы (вещества имеют атомную структуру), а лишь отражают границы состава вещества. Периодическая система представляет пример упорядоченного конечного счетного множества химических элементов. А можно ли подобным образом упорядочить множество химических соединений, число которых хоть и велико, но не безгранично? И вот

оказалось, что вещества с одинаковыми суммами атомных номеров, молекулярных масс и плотностями обладают чрезвычайно близкими физико-химическими свойствами. Достаточно знать химический состав вещества и его плотность, чтобы предсказать и все его прочие свойства. Н. С. Курнаков предложил назвать соединения бертоллоидами в честь К. Бертолле, который впервые предсказал существование веществ переменного состава.

Таким образом, существует обширный класс соединений, не подчиняющихся стехиометрическим соединениям, законам, т. е. нарушение законов связано с вполне определенным агрегатным состоянием вещества.

В принципе, нет четкой границы между соединениями постоянного и переменного состава с точки зрения современной физики. Соединение может быть образовано и из атомов одного химического элемента - простое вещество. Сложное вещество образовано из атомов различной природы, т. е. в состав молекулы сложных веществ входят различные элементы. Вода образована атомами водорода и кислорода, а вещество кислород только из молекул одного элемента - кислорода. Но один элемент кислород образует два аллотропных видоизменения простых веществ кислород и озон, которые отличаются строением, структурой, физическими и химическими свойствами.