Концептуальные системы химии

Химия –наука у превращении веществ, которое сопровождается изменением их состава и строения.

Свойства вещества зависят от:

-элементарного и молекулярного состава;

-структуры молекул веществ

-термодинамических и кинетических условий, в которых находится вещество.

-уровней химической организации вещества.

Концептуальная система в химии — система взаимосвязанных теорий, объединённых общими фундаментальными принципами, понятиями, законами, методами и проблемами. Теорию концептуальных систем развития химии создал и развивал русский химик и философ В. И. Кузнецов совместно с другими химиками, историками науки, философами.

Выделяют четыре концептуальные системы:

-Учение о составе.

-Структурная химия.

-Учение о химическом процессе.

-Эволюционная химия.

Каждая концептуальная система химии включает несколько теорий, объединённых общими фундаментальными принципами, законами, методами и проблемами.

В развитии химии происходит не смена, а последовательное появление концептуальных систем.Развитие химии в настоящее время происходит параллельно как на каждом из четырех уровней, так и путем подъема с нижних уровней на высшие, то есть от одной концептуальной системы к другой.

Первая концептуальная система: Учение о составе

В рамках этого учения решались две основные проблемы: проблема химического элемента и проблема зависимости свойств вещества от его химического состава. Основной постулат учения о составе состоит в том, что свойства вещества определяются его составом, то есть тем, из каких химических элементов и в каком их соотношении образовано данное вещество. Объектом учения о составе является вещество как совокупность атомов.

Вторая концептуальная система: Структурная химия

Структурная химия, появление которой относят к первой половине XIX-го века, исходит из постулата, что свойства вещества определяются структурой молекул вещества, то есть не только составом, но и порядком соединения атомов между собой и их расположением в пространстве. Основным объектом структурной химии становится молекула как единое целое. С появлением второй концептуальной системы химия превращается из науки аналитической в науку синтетическую.

Третья концептуальная система: Учение о химическом процессе

Учение о химическом процессе, начало формирования которого относят ко второй половине XIX-го века, базируется на постулате, что свойства вещества определяются его составом, структурой и организацией системы, в которой это вещество находится. Зарождение новой концепции химии связано с появлением экспериментальных фактов, указывающие на невозможность объяснения химических реакций только на основе особенностей состава вещества и структуре его молекул. Свойства веществ в общем случае зависят и от концентрации реагентов, от внешних условий и окружающей среды, в которых находится система, и от наличия в системе веществ (катализаторов, растворителя, примесей, и т. п.), стехиометрически не участвующих в химической реакции. Предметом изучения в рамках этой концептуальной системы является вся химическая кинетическая система, для которой само вещество, его состав и структура его молекул рассматриваются как подсистема, как часть системы. Многие эмпирические понятия получают теоретическое обоснование в рамках статистической механики и термодинамики, химической термодинамики, химической кинетики и теории каталитических реакций. Создание учения о химическом процессе позволило решать вопросы управления химическими реакциями и процессами, создать новую химическую технологию.

Четвертая концептуальная система: Эволюционная химия

Четвертая концептуальная система, эволюционная химия, еще только формируется и связана с включением в химическую науку принципа историзма и понятия времени, с построением теории химической эволюции материи. Эволюционная химия изучает процессы самоорганизации вещества: от атомов и простейших молекул до живых организмов. Одним из первых открытий, которые относят к эволюционной химии, является эффект самосовершенствования катализаторов в реакциях, исследованный в работах американских химиков А. Гуотми и Р. Каннингем в 1958—1960 гг. В 1964—1969 гг. советский химик А. П. Руденко, учитывая это открытие, создал теорию саморазвития открытых каталитических систем. В работах немецкого химика М.Эйгена была развита теория гиперциклов, объясняющая объединение самовоспроизводящихся макромолекул в замкнутые автокаталитические химические циклы. Теория гиперциклов является биогенетической теорией химической эволюции и происхождения жизни. Нобелевский лауреат Жан-Мари Лен, основатель супрамолекулярной химии, ввёл понятие «самоорганизация» и «самосборка» для описания явлений упорядочения в супрамолекулярной химии. Супрамолекулярной самосборкой является процесс спонтанной ассоциации двух и более компонентов, приводящий к образованию супермолекул или полимолекулярных ансамблей, происходящий за счет нековалентных взаимодействий. Это процесс был описан при изучении спонтанного образования неорганических комплексов (двойных геликатов), протекающего как процесс самосборки. Наиболее известным проявлением самосборки в живой природе является самосборка молекул нуклеиновых кислот, матричный синтез белков.

29. Химическая связь и причины ее образования (молекулярная, ковалентная, ионная, металлическая)

При взаимодействии атомов, между ними может возникнуть химическая связь. В результате образуется устойчивая многоатомная система. Чем прочнее химическая связь, тем больше энергии нужно затратить для ее прочности.

Условием образования химических связей является уменьшение потенциальной энергии системы взаимодействующих атомов. При взаимодействии атомов, электроны которых имеют одинаково направленные спины, энергия возрастает. В этом случае химическая связь образоваться не может. Если спины разнонаправлены, то потенциальная энергия взаимодействия атомов изменяется по 2ой кривой.Д – величина энергии, которую нужно затратить на разрушение этого взаимодействия. Физической причиной понижения потенциальной энергии при уменьшении расстояния является притяжение электронов к ядрам обеих атомов. По типам связи все взаимодействия делят на межмолекулярную,ионную, ковалентную и металлическую. 1) Молекулярный тип связи образовался при переохлаждении некоторых газов и органических веществ. Межмолекулярные взаимодействия определяются силами Ван-дер-Ваальса. Основой силы В-д-В составляют Кулоновские силы взаимодействия между Кулонами и ядрами. Кулоновское взаимодействие зависит от расстояния между атомами, от ориентации молекул, от взаимодействия молекул. Силы Ван-дер-Ваальса не имеют направленного характера. Это означает, что взаимодействие направляется одинаково и с увеличением расстояния уменьшается. Более сильное межмолекулярное взаимодействие возникает,если одни из электронов водорода. Когда атом водорода связан с сильным электроотрицательным электроном, то электронная пара смещается к ядру электроотрицательного атома. Атом водорода при этом принимает положительный заряд. Водородная связь тем прочнее, чем электроотрицательность выше и тем меньше размеры атомов.

2)Ковалентный тип связи характерен для углерода,кремния, германия. Ковалентный тип связи обеспечивается электронами, имеющие противоположно направленные спины. Эта образовавшаяся электронная пара принадлежит 2ум атомам. Прочность связи тем больше, чем в большей степени перекрываются взаимодействующие электронные облака. Атомы электронов, которые имеют высокий потенциал ионизации и, вступая во взаимодействия, достраивают свою электронную оболочку электронами соседних атомов. Каждая межатомная связь осуществляется парой общих электронов. Ковалентная связь характеризуется жесткой направленностью, т.к. перекрывание облаков возможно только при взаимной ориентации этих систем. Различают 2 вида ковалентной связи : полярную (гетерополярную) и неполярную ( гомеополярную).В случае неполярной связи электронное облако распределяется в пространстве симметрично относительно ядер обоих атомов. В случае полярной связи электронное облако смещается к атому с большей электронной отрицательностью. Ковалентные кристаллы имеют высокую твердость, высокие температуры плавления и испарения.

3) Ионная связь возникает из-за электро статического взаимодействия противоположно заряж. Ионов. Ионны могут быть простыми (состоящие из одного атома) простые ионы облад. «+» зарядом, легче образуют из атомов элементов с низким потенциалом ионизации (Они расположены слева). Ионы так же бывают сложные, например анионы ОН, катионы NH4. Образованы отрицательно заряженных ионов характерны для атомов неметаллов, которые присоед. Примером Ионного типа связи может служить связь м/у щелочным металлом и галогенном.(Пр. NaCl) Ионная связь не имеет напрвления. Это объясняется тем, что электр. поле уменьшается с увеличением расстояния по одному и тому же закону. Во всех направлениях равнозначно сферичной симметрией. Ионная связь не обладает насыщаемостью. Каждый ион взаимод. не только с ближними, но и с теми которые расположены относительно далеко. Превращение атома в пожит. заряж. ион (и в отриц. зарядах) приводит к изменению их размеров., т.е. при образ. А-е=А+ размер уменьшается, при А+е=А- размер увеличивается

4 ) Металлический тип связи возникает из-за обобществления валентных электронов в большом числе атомов металла, имеющих малый потенциал ионизации. Металлическая связь не имеет направления. Свободное перемещение электронного газа определяет высокие электро и теплопроводящие свойства металлов. Энергия этой связи определяет свойства материалов (веществ).Температура плавления тем выше,чем связь прочнее и наоборот чем прочнее связь, тем выше температура плавления. Чем выше прочность связи, тем вещество прочнее. Чем выше прочность связи, тем вещество более упругое.