|
|
|
|
Провести четкую границу между физическими и химическими методами невозможно: например, нагревание минерала похоже на физический процесс, но оно же может привести и к химическим изменениям.
Химический синтез представляет собой целенаправленное получение сложных веществ из более простых. Он основывается на знании их молекулярного строения и реакционной способности последних. Посредством синтеза создаются многие вещества.
Например, проводя разложение электролизом поваренной соли с целью ее анализа неоднократно и с разными количествами, можно установить, что при этом всегда натрий и хлор выделяются в одинаковой пропорции - 46:71. Следовательно, и в составе молекулы поваренной соли эти элементы находятся в такой же пропорции. Так как массы атомов* натрия и хлора находятся также в соотношении 46:71, то, следовательно, каждая молекула поваренной соли состоит из одного атома натрия и одного атома хлора.
Можно приготовить еще более тонкие смеси различных веществ, например, растворяя поваренную соль в воде, сливая вместе воду и спирт или сплавляя цинк и медь для получения латуни. Это - молекулярные смеси. В отличие от грубых и даже тонких смесей их нельзя рассортировать вручную. Кстати говоря, воздух тоже представляет собой смесь. Это - смесь азота, кислорода, углекислого газа, гелия и некоторых благородных газов.
Соединения в любом количестве, вплоть до последней молекулы, однородны по составу. В них атомы одного или нескольких элементов соединены между собой тем или иным видом химической связи. В преобладающем большинстве случаев химические соединения подчинены законам постоянства состава и кратных отношений. В настоящее время известно свыше трех миллионов химических соединений.
Если попытаться разложить, например, поваренную соль на более простые вещества, то такие методы, как нагревание или охлаждение, не дадут существенных результатов. Только электролиз расплавленной соли превращает ее в газообразный хлор и натрий. Электролиз же превращает в газ воду. Понятно, что этот газ состоит из кислорода и водорода.
Признанию многих веществ элементами, как правило, предшествовали многочисленные попытки расщепить их на более простые составляющие. Но такие вещества, как золото, серебро, свинец, считались элементами даже еще у алхимиков. Значительно позже было установлено, что азот и кислород, содержащиеся в воздухе, не поддаются дальнейшему разложению при действии на них другими и, следовательно, также являются элементами. Но оказалось, что углекислый газ можно разложить на газообразный кислород и черную сажу (или даже алмаз), и что он легко синтезируется из них же (при сгорании углерода). Долгое время считалась элементом вода. Впервые на кислород и водород ее расщепил Г.Кавендиш. В настоящее время вопрос об отнесении вещества к числу химических элементом решается по результатам измерения частот его спектральных линий.
Превращения одних веществ в другие, отличные по химическому составу и строению, называются химическими реакциями. Последние характеризуются соотношением участвующих в них веществ, степенью превращения, константами скорости и равновесия, энергией активации, тепловым эффектом. В процессе химических реакций происходит обмен электронами между атомами, что и приводит, в конце концов, к превращению одних веществ в другие.Химические реакции классифицируют по числу молекул, участвующих в элементарном акте (моно- или бимолекулярные реакции), кинетическому механизму (последовательные, параллельные, сопряженные), характеру химического процесса (разложение, окисление, полимеризация), типам частиц, участвующих в превращении (ионные, радикальные, молекулярные), фазовому состоянию реагирующей системы (газо-, жидко- и твердофазные), области протекания реакции (гомогенные - в объеме фазы, гетерогенные - на поверхности раздела фаз).
Если добавить в раствор угольной кислоты поваренную соль (хлористый натрий), то образуется сложная смесь. В подобных растворах вещества расщепляются электролизом на электрически заряженные атомы или группы атомов, называемые ионами. В полученной смеси присутствуют положительные ионы натрия, отрицательные ионы хлора, положительные ионы водорода и отрицательные ионы радикала CO3. Нельзя сказать, что там есть хлористый натрий и угольная кислота или соляная кислота и карбонат натрия, или даже смесь всех четырех веществ: каждая из комбинаций то объединяется, то расщепляется снова, так что все молекулы находятся в неустойчивом состоянии. Для того, чтобы расстроить установившееся равновесие необходимо удалить из раствора какое-либо вещество. Однако сделать это нелегко поскольку все они растворены в воде.
Но, взяв мел в качестве исходного сырья, можно разложить его на углекислый газ и известь (окись кальция). Для этого необходимо воспользоваться прокаливанием, и тогда каждые 100 г мела дадут 56 г извести и 44 г углекислого газа. Именно так получают на практике известь, которая широко используется в сельском хозяйстве и химической промышленности.
При проектировании и исследовании химических реакций используют уравнения, показывающие, как атомы элементов соединяются или замещают друг друга. Например, химическое превращение, происходящее при сжигании угля выражается уравнением
Оно говорит о том, что при соединении одного атома углерода С с молекулой кислорода O2, содержащей два атома, образуется одна молекула углекислого газа CO2.
Превращение углекислого газа в угольную кислоту выражается уравнением
которое означает, что при растворении углекислого газа в воде одна молекула газа CO2 соединяется с одной молекулой воды H2O и образует при этом одну молекулу угольной кислоты H2CO3.
Как было отмечено выше, угольная кислота представляет собой непрочное химическое соединение: она расщепляется на ионы водорода H+ и отрицательные радикалы CO3--. Эта реакция выражается уравнением
Реакция, происходящая при смешивании растворов углекислого натрия Na2CO3 и хлористого кальция CaCl2 описывается уравнением
которое говорит о том, что при таком смешивании в осадок выпадает мел CaCO3.
Если мел CaCO3 прокалить, то он превращается в известь CaO и углекислый газ CO2. Это выражается уравнением
Здесь стрелки, направленные в обе стороны, показывают что реакция может идти в любом направлении в зависимости от температуры.
Растворяясь в воде, известь образует раствор гидроокиси кальция:
Полученная известковая вода реагирует с продуваемым через нее углекислым газом следующим образом:
в результате чего в осадок выпадает опять-таки мел CaCO3.
Главным объектом химии являются вещества и их превращения. К числу основополагающих обобщений химии относятся атомно-молекулярная теория, закон сохранения массы и энергии, Периодическая система, теория химического строения.
Химией молекул продолжает оставаться современная органическая химия. Даже в твердом состоянии в узлах кристаллической решетки органических веществ находятся молекулы, т.е. они имеют молекулярную структуру. Однако для неорганических соединений молекулярная форма существования вещества характерна лишь для газо- и парообразного состояния. Подавляющее большинство твердых неорганических веществ не имеет молекулярной структуры, существует в виде макротел (например, куска меди, кристалла поваренной соли, друзы кварца). Твердые тела молекулярной структуры среди неорганических веществ (например, кристаллический йод, твердый диоксид углерода) скорее являются исключениями.
Несмотря на то что еще в 1760 г. М.В.Ломоносов* сформулировал, по существу, единый закон сохранения массы и энергии, до начала XX в. закон сохранения массы и закон сохранения энергии обычно рассматривались независимо друг от друга. Химия имела дело в основном с первым законом, а физика - со вторым. В 1905 г. основоположник современной физики А.Эйнштейн* показал, что между массой и энергией существует взаимосвязь, количественно выражаемая уравнением
где E - энергия; m - масса; c - скорость света в вакууме.
Вследствие исключительно большой величины квадрата скорости света очень малые изменения массы ведут к колоссальному изменению энергии. Так, из последней формулы следует, что 1 кДж соответствует изменению массы 2*10-13 кг. Если считать тепловые эффекты составляют порядка сотен килоджоулей, то соответствующие изменения массы имеют порядок 10-11 - 10-12 кг. Это изменение массы лежит за пределами чувствительности современных весов. Поэтому изменением массы вследствие энергетических эффектов обычно пренебрегают. Но ядерная химия и энергетика имеют дело с явлениями, в которых энергия измеряется миллионами и миллиардами килоджоулей. Здесь изменением массы в связи с изменением энергии пренебрегать нельзя.
Неорганическая химия изучает свойства элементов, выявляет общие закономерности химического взаимодействия между ними. Самой важной из этих закономерностей является Периодический закон и его табличное выражение - Периодическая система. Физический смысл Периодического закона вскрыл учение о строении атома. Оказалось, что периодичность изменения свойств химических элементов и их соединений связана с повторяющейся структурой электронных оболочек их атомов, химические и некоторые физические свойства элементов зависят от структуры электронных оболочек и особенно их наружных слоев.
Периодический закон и Периодическая система продолжают развиваться и уточняться. В частности, в настоящее время Периодический закон формулируется следующим образом: свойства элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра их атомов.
Важнейшим за последние годы событием в развитии Периодической системы явилось упразднение в ней нулевой группы. Она была введена Д.И.Менделеевым для объединения элементов, которые назывались в то время инертными газами. Открытие валентно-химических соединений ксенона и его аналогов, изучение их химических свойств показало, что благородные газы являются элементами главной подгруппы VIII группы Периодической системы.
Фундаментальной задачей химии является изучение зависимости между химическим строением вещества и его свойствами. Последние, как теперь известно, зависят прежде всего от его химического строения. Сравнительно недавно считалось, что свойства вещества определяются его качественным и количественным составом. Выдающийся русский ученый А.М.Бутлеров* установил, что "химическая натура сложной частицы определяется натурой элементарных составных частиц, количеством их и химическим строением". Это положение является фундаментальным законом химии. И в современной формулировке утверждает, что свойства молекулы определяются природой составляющих ее атомов, их количеством и химическим строением молекулы.
Применение к проблемам структуры вещества квантовой механики подняло теорию химического строения на новую ступень. Но А.М.Бутлеров это предвидел, утверждая: "Само собой разумеется, что, когда мы будем знать ближе натуру химической энергии, самый род атомного движения, - когда законы механики получат и здесь приложение, - тогда учение о химическом строении падет, ... чтобы войти в измененном виде в круг новых и более широких воззрений". Это означает, что автор теории химического строения предвидел приложение механики атомного мира (т.е. квантовой механики) к его теории. Таким образом, теория А.М.Бутлерова не пала, а превратилась в фундамент современной химии.
До этого считалось, что химические реакции протекают необратимо, что никаких колебательных процессов в однородных растворах (а именно их исследовал Б.П.Белоусов* ) быть не может.
Почти одновременно с работами Б.П.Белоусова* англичанин математик А.Тьюринг построил математическую модель химической реакции, при которой в растворе должны образовываться устойчивые составляющие промежуточных продуктов. Стало ясно, что Белоусов экспериментально изучал явление, встречающееся в природе, но пока что неисследованное.
В 1959 г. специалистам стал ясно, что Б.П.Белоусовым* сделано открытие величайшей важности и жаль, что первая информация о нем была опубликована в 1958 году всего лишь в "Сборнике рефератов по радиационной медицине". А ведь это было знаменательнейшее открытие экспериментальной химии середины XX столетия. Автор этого открытия не мог даже догадываться, что его работы станут толчком к развитию принципиально новой области науки - синергетики. так как в дальнейшем в исследование периодически действующих реакций огромный вклад внес наш соотечественник - биофизик А.М.Жаботинский, - то в настоящее время их часто называют реакциями Белоусова-Жаботинского.