Реакционная способность веществ

Основные вопросы

Химический элемент. Периодический закон Д. И. Менделеева. Атом, электронное состояние атома, зависимость свойств атома от заряда ядра. Молекула как наименьшая структура, сохраняющая свойства вещества. Простые и сложные вещества. Учение о составе – первый уровень химического знания. Понятие о качественном и количественном составе вещества. Учение о строении веществ – второй уровень научного химического знания. Мономеры, полимеры.

Химическая форма движения: химический процесс. Учение о закономерностях химических процессов – третий уровень научного химического знания. Энергетика химических процессов. Тепловые (экзо- и эндотермические) процессы. Понятие о химической кинетике. Реакционная способность веществ. Факторы, влияющие на реакционную способность веществ. Закон действующих масс. Правило Вант–Гоффа. Энергия активации. Катализ. Состояние равновесия. Принцип
Ле–Шателье.

Эволюционная химия – четвертый уровень научного химического знания. Химические элементы – органогены. Атом углерода – главный элемент живого. Особенности органических биополимеров как высокомолекулярных соединений.

Методические указания

При изучении данного раздела следует понять, что в химии существует особый «химический взгляд» на природу, который не может быть сведен к физическому. Химия – наука о свойствах, составе и качественном превращении различных веществ, а также о механизмах этих превращений.

Следует разобраться, что выделение концептуальных уровней химического познания материи сформировано на основе зависимости свойств вещества от следующих составляющих:

– элементного и молекулярного состава;

– структуры его молекул;

– термодинамических и кинетических условий, в которых вещество находится в процессе химической реакции;

– уровнем химической организации вещества.

Изучение специфики химического движения материи начните с первого концептуального уровня - учения о составе вещества. Этот уровень можно назвать исследованием различных свойств и превращений веществ в зависимости от химического состава, определяемого химическими элементами. Уже с первых шагов химики на интуитивном и эмпирическом уровне поняли, что свойства простых веществ и химических соединений зависят от тех неизменных начал, которые впоследствии стали называть химическими элементами. Выявление и анализ этих элементов, раскрытие связи между ними и свойствами веществ охватывает значительный период в истории химии.

В рамках первого концептуального уровня были открыты сыгравшую огромную роль в дальнейшем развитии химии первые законы, относящиеся к составу вещества и количествах веществ, вступающих в реакцию. Ж. Пруст установил закон постоянства состава, согласно которому любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным, неизменным составом, независимо от способа его получения. Дж. Дальтон открывает закон кратных отношений: «вещества вступают в реакцию друг с другом в строго определенных количествах».

Дальтон вводит понятие чистого химического элемента, состоящего из одного вида атомов. Он же утверждал, что всякое индивидуальное вещество – простое или сложное – состоит из мельчайших частиц – молекул, которые, в свою очередь, образованы из атомов.

Следующий шаг в развитие идей атомистики делает Берцелиус.
С работами Берцелиуса тесно связано введение и употребление символов, предложенных им в 1814 г. для обозначения химических элементов. Все символы, формулы соединений, записи уравнений химических реакций, которыми мы пользуемся и сегодня, следует вести от Берцелиуса.

Логическим процессом завершения всего многовекового процесса возникновения и развития химии стал первый международный химический конгресс в сентябре 1860 г. в немецком городе Карлсруэ, на котором присутствовали все известные химики того времени. На конгрессе были сформулированы и приняты основополагающие принципы, теории и законы химии, которые не вызывали никаких сомнений у ученых. Тем самым химия заявила о себе де-факто как о самостоятельной науке. Но гораздо большее значение имели научные результаты и последствия конгресса.

Так, Д. И. Менделеева, присутствовавшего на конгрессе, заинтересовала некоторая путаница в определении понятий атомный вес, молекулярный вес, эквивалентный вес. Вернувшись в Россию после конгресса, Менделеев приступил к изучению элементов и обратил особое внимание на периодичность изменения свойств у элементов в порядке возрастания атомных весов, т. е. увидел систему. И в качестве системообразующего принципа он выбрал атомный вес, полагая, что тот является главной характеристикой всех элементов. Таким образом, в 1869 г.
Д. И. Менделеев представил миру свою периодическую систему химических элементов.

Дальнейшее развитие науки позволило уточнить, что свойства химических элементов зависят от заряда ядра атомов, определяемого числом протонов или соответственно электронов.

В настоящее время химическим элементом называют вещество, все атомы которого обладают одинаковым зарядом ядра, хотя и могут различаться по своей массе (изотопы). Молекулы являются носителями свойств вещества. Молекулы простых веществ образованы из одного вида атомов, молекулы сложных – из двух и более видов атомов. Свойства сложных молекул отличаются от свойств составляющих их частей. Важно подчеркнуть, что каким бы способом не было получено вещество, оно всегда будет обладать одними и теми же свойствами.

Далее перейдите к изучению второго концептуального уровня познания вещества с позиций химии. Этот уровень познания связан с исследованием структуры, то есть способа взаимодействия элементов в составе веществ и их соединений. В основе структурной химии лежит атомистика Дальтона, согласно которой любой химический индивид состоит из совокупности молекул, обладающих строго определенным составом.

В 1840 г. Ш. Ф. Жерар установил, что существовавшие к тому времени теории объединения атомов в молекулы являются неполными. Молекула, говорил он, является унитарной системой, в которой все атомы связаны друг с другом и влияют друг на друга, качественно преобразуя систему.

В 1852 г. Э. Франклин предложил теорию валентности, в соответствии с которой каждый атом обладал определенной способностью к насыщению или валентности.

Хотя разные ученые по-разному истолковывали характер взаимодействия между элементами химических систем, тем не менее, все они подчеркивали, что целостные свойства этих систем определяются именно специфическими особенностями взаимодействия между их элементами. Таким образом,в познании и использовании химических явлений необходимо было учитывать их структуру, то есть особый характер взаимодействия составных элементов реагирующих веществ.

Известный немецкий химик Ф. Кекуле стал связывать структуру с понятием валентности элемента, или числа единиц его химического сродства. На основе представлений о валентности или химическом сродстве возникает новая отрасль знаний – структурная химия.

Крупный шаг в эволюции понятия химическая структура связан с теорией химического строения А. М. Бутлерова. Он, хотя и признавал, что образование новых молекул из атомов происходит за счет их химического сродства, но и обращал особое внимание на степень напряжения или энергии, с которой они связываются друг с другом. Согласно современным представлениям структура молекул – это пространственная и энергетическая упорядоченность квантово-механической системы, состоящей из атомных ядер и электронов.

Именно поэтому новые идеи Бутлерова в свое время не только нашли широкое применение в практике химического синтеза (получение искусственного каучука, резины, искусственных анилиновых красителей, лекарственных препаратов и др.), но и получили прочное обоснование в современной квантовой химии.

Этот краткий экскурс в историю химии показывает, что эволюция понятия химической структуры осуществлялась в направлении, с одной стороны, анализа ее составных частей, с другой – установления характера физико-химического взаимодействия между ними. 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.

Следует понять, что появление третьего концептуального уровня химического познания связано с началом массового производства химических продуктов. Данный уровень представляет собой исследование внутренних механизмов и условий протекания химических процессов, таких как температура, давление, скорость протекания реакций и др.Все эти факторы оказывают громадное влияние на характер процессов и объем (выход) получаемых веществ.

Перед химической наукой встала принципиальная задача – научиться управлять химическими процессами. Оказалось, что некоторые процессы не удавалось осуществить, хотя теоретически они осуществимы, другие трудно остановить – реакции горения, взрыва, а часть из них трудно управляема, поскольку они самопроизвольно создают массу побочных продуктов.

Таким образом, стало понятно, что способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется не только их атомно-молекулярной структурой, но и условиями протекания химических реакций. В связи с этимученые стали разрабатывать методы управления химическими процессами.

Сегодня все методы управления химическими процессамиможно подразделить на термодинамические и кинетические:

– термодинамические условия, характеризующие зависимость процессов от температуры, давления и некоторых других факторов.

– кинетические условия, обеспечивающие максимальную скорость протекания процесса, например, наличие катализатора в системе, влияние растворителя, материала реактора и др.

В химии появился новый раздел – химическая кинетика – учение о скорости протекания химической реакции.

Для обратимых реакций в 1884 г Ле–Шателье сформировал принцип подвижного равновесия, на котором основан метод смещения равновесия в сторону образования целевых продуктов. Основными рычагами управления реакцией выступают температура, давление (для газов) и концентрация реагирующих веществ.

Также кинетика устанавливает зависимость протекания скорости реакции от следующих факторов:

– природы реагирующих веществ;

– концентрации реагирующих веществ;

– температуры;

– наличие катализатора.

Рассмотрите подробно, что увеличение концентрации (числа частиц в единице объема) реагирующих веществ приводит к более высокому значению вероятности столкновения между молекулами (закон действующих масс).

Повышение температуры реакции способствует преодолению энергетического барьера – разрыва старых связей в молекулах исходных веществ. Эмпирическое правило Вант–Гоффа: при повышении температуры на каждые десять градусов скорость реакции возрастает в
2-4 раза.

Изучите роль катализатора – вещества, которое участвует в реакции и увеличивает ее скорость за счет образования промежуточных низкоэнергетических комплексов с исходными реагентами, но в конце реакции остается в неизменном виде.

На основе учения о химических процессах созданы технологии высокотемпературного синтеза тугоплавких и керамических материалов, синтеза высокого и сверхвысокого давления, где одним из важных достижений стал синтез алмазов.

Также следует подробно остановиться на самом современном – четвертом концептуальном уровне познания веществ – эволюционной химии. На этом уровне мы встречаемся с простейшими проявлениями самоорганизации химических систем, их эволюции – этот уровень еще называют предтечой биологии.

Эволюционная химия связана с мечтой химиков – освоить опыт лаборатории живого организма и понять, как из неорганической материи возникает органическая и вместе с нею жизнь. Еще Берцелиус впервые установил, что основой лаборатории живого организма является катализ, а точнее биокатализ, где катализаторами являются особые вещества – ферменты, функционирующие только в рамках живых систем.

Тот факт, что катализ играл решающую роль в процессе перехода от химических систем к биологическим системам, то есть на предбиотической стадии эволюции, в настоящее время подтверждается многими данными и аргументами. Наиболее убедительны опыты по самоорганизации живых систем, которые наблюдали наши соотечественники Белоусов и Жаботинский. Такие реакции сопровождаются образованием специфических пространственных и временных структур за счет поступления новых и удаления использованных реагентов. На этом основании некоторые ученые напрямую связывают химическую эволюцию с самоорганизацией и саморазвитием каталитических систем.

Следует, однако, помнить, что переход к простейшим формам жизни предполагает также особый дифференцированный отбор лишь таких химических элементов и их соединений, которые являются основным строительным материалом для образования биологических систем. В связи с этим, достаточно отметить из более ста химических элементов, лишь 18 требуются для построения органических молекул - и лишь шесть, названных органогенами, служат основой для построения живых систем.

Такими органогенами является углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера. Они составляют примерно 98 % весовой доли живых организмов. Аналогично этому, из миллионов органических соединений в их построении участвуют лишь несколько сотен, а из ста аминокислот в состав белков входят только двадцать. Геохимические условия, т. е. распространенность элементов на Земле и даже в космосе также не играют сколько-нибудь существенной роли в отборе химических элементов при формировании биосистем.

В космосе наиболее широко распространены лишь два элемента – водород и гелий, на Земле – кремний, кислород, железо, алюминий, магний, кальций, натрий, никель, тогда как углерод – вещественная основа всего живого – занимает всего лишь 16 место. Из органогенов широко распространены только водород и кислород. Все это свидетельствует о том, что в ходе предбиотической эволюции происходил отбор тех органических структур, которые отличались особой активностью и своим содействием усилению действия каталитических систем. Отбор активных соединений происходил в природе из тех продуктов, которые получались относительно большим числом химических способов и обладали широким каталитическим спектром.

Каким образом проводилась та химическая подготовка, в результате которой из минимума химических элементов и минимума химических соединений образовался сложнейший высокоорганизованный комплекс – биосистема – это задачи эволюционной химии. Химику это важно знать для того, чтобы научиться у природы так легко и просто приспосабливать для своих нужд «менее организованные материалы», например, синтезировать сахар, получать другие стереоспецифические соединения и пр.

Итак, в живой природе мы встречаемся с весьма сложными процессами эволюции, связанными с упорядочением и самоорганизацией систем. Функциональный подход к проблеме предбиологической эволюции состоит в сосредоточении внимания на исследовании процессов самоорганизации материальных систем, на выявлении законов, которым подчиняются такие процессы. В сущности, подлинная самоорганизация, основанная на самообновлении, усовершенствовании и усложнении систем, встречается именно в живой природе.

Вопросы для самоконтроля

1. Дайте определения следующим понятиям, используемы при описании химической формы движения материи: химический элемент, молекула, простое и сложное вещество, химическое взаимодействие.

2. В чем сущность учения о составе вещества – первого концептуального уровня познания материи с позиций химии?

3. Почему структурная химия – как второй концептуальный уровень познания вещества – дала повод для оптимистических заявлений, что химики могут все?

4. Используя учение Ле–Шателье о смещении подвижного равновесия, ответьте, каким образом те или иные факторы могут повлиять на выход целевых продуктов?

5. Рассмотрите подробно, как такие факторы как природа реагирующих веществ, их концентрация, температура, присутствие катализатора могут влиять на скорость протекания химических процессов?

6. В чем сущность теории химической эволюции? Как объяснить сложные процессы эволюции в живой природе на основе возрастания степени упорядоченности и самоорганизации химических систем?