Современные концепции химии

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АТОМА:

1. Заряд ядра Z (равен числу протонов, каждый из которых несёт один элементарный положительный заряд – см. Приложение 3). Поскольку атом электронейтрален, число протонов равно числу электронов. При отдаче или присоединении атомом электронов образуются частицы с целочисленным зарядом – ИОНЫ (например, Na⁺, Ca²⁺, Cl^–, S^2–).

2. Массовое число М, равное суммарному количеству протонов и нейтронов: М=Z+N. Физически масса атома складывается из масс протонов и нейтронов (имеющих почти равные массы покоя – см. Приложение 3) и электронов, но на них приходится очень малая, порядка 0,1%, доля массы); Масса атома водорода почти соответствует АТОМНОЙ ЕДИНИЦЕ МАССЫ – а.е.м.

3. Число электронных (энергетических) уровней, совпадающее с номером периода, в котором данный химический элемент располагается в Периодической системе Д.И. Менделеева.

Вплоть до середины XIX века атомы считались неделимыми. Не рассматривая эволюцию представлений о строении атома, перейдём к современным положениям, основанным на орбитальной модели Н. Бора (Рис. 6) и квантовой модели Э. Шрёдингера.

В 20-е годы прошлого века на смену модели Н. Бора (в которой электроны «закреплены» на постоянных траекториях) пришла волновая модель электронной оболочки атома, которую предложил австрийский физик Э. Шредингер. К этому времени уже было установлено, что электрон имеет свойства не только частицы, но и волны. Шредингер применил к электрону-волне математические уравнения, описывающие движение волны в трехмерном пространстве. Однако с помощью этих уравнений он предложил рассчитывать не траекторию движения электронов внутри атома, а ВЕРОЯТНОСТЬ найти электрон-волну в некоторой точке вокруг ядра.

Рис. 6. Представления о строении атома (на примере атома водорода) [91]

Общее у волновой модели Шредингера и квантовой модели Бора в том, что электроны в атоме существуют на определенных уровнях, подуровнях и орбиталях. Но в волновой модели орбиталь – это пространство около ядра, в котором можно обнаружить заселивший ее электрон с вероятностью 95%.

Электроны способны под действием внешних воздействий переходить на более высокие уровни. Обратный переход, наоборот, протекает с выделением энергии (в виде электромагнитного излучения). В зависимости от частоты излучение может находиться в ультрафиолетовом или видимом диапазоне.

5.2. Что такое изотопы?

ИЗОТОП – набор атомов с постоянным зарядом ядра (т.е., принадлежащих к одному химическому элементу), но различающихся массовым числом. Разница масс изотопов объясняется неравным числом нейтронов в ядре.

Массы изотопов выражаются целыми числами, при этом единица массы соответствует массе одного протона. Большинство элементов Периодической системы Д.И. Менделеева имеют дробные значения атомных масс. Это объясняется тем, что в природе элементы представлены одновременно несколькими изотопами с разными массовыми числами.

Верхний индекс перед символом химического элемента обозначает массовое число, а нижний – заряд ядра. Например: ¹₁Н, ²₁Н, ³₁Н – изотопы водорода с массовыми числами 1, 2 и 3 соответственно.

Важным свойством ядер атомов является ВОЗМОЖНОСТЬ ПЕРЕХОДА ЯДЕР ОДНИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЯДРА ДРУГИХ в ходе ядерных реакций. Такие процессы происходят в одном из двух случаев:

· в процессе самопроизвольного деления ядер нестабильного (радиоактивного) изотопа;

· при бомбардировке ядер стабильных изотопов частицами высоких энергий.

В ПРИРОДЕ ВСТРЕЧАЮТСЯ КАК СТАБИЛЬНЫЕ (неограниченно устойчивые во времени), ТАК И РАДИОАКТИВНЫЕ изотопы. Основной характеристикой нестабильного изотопа является период полураспада Т_1/2 – время, за которое распадается 50% ядер. Данная величина может изменяться в очень широких пределах – от долей секунды до тысяч лет.

5.3. Какими процессами сопровождается образование атомных ядер?

Устойчивость атомных ядер (способность протонов и нейтронов к удерживанию в компактной структуре размером 10^–15…10^–14 м) обеспечивается за счёт слабого взаимодействия. Оно, в частности, препятствует взаимному электростатическому отталкиванию одноимённо заряженных протонов. При этом происходят следующие изменения:

1. НЕЙТРОН В СОСТАВЕ ЯДРА СТАНОВИТСЯ СТАБИЛЬНЫМ. В свободном же состоянии он неустойчив и самопроизвольно распадается на протон, электрон и нейтрино:

n⁰ → р⁺ + e^– + n_e

2. Образование ядра – энергетически выгодный процесс, он происходит с выделением энергии. Исходя из формулы А. Эйнштейна, связывающей массу и энергию, величина этой энергии пропорциональна изменению массы ядра относительно массы исходных частиц:

Е = mc², ΔЕ = Δmc²,

где с – скорость света в вакууме.

Как известно, при радиоактивном распаде выделяется энергия. При этом МАССА ЯДРА оказывается МЕНЬШЕ СУММЫ МАСС ЧАСТИЦ, его составляющих. Это явление получило название ДЕФЕКТА МАССЫ. Выделение энергии ΔЕ, сопровождающееся возникновением дефекта массы Δm на практике используется в ядерной энергетике.

При этом в абсолютном выражении изменение массы настолько мало, что при округлённом выражении в а.е.м. соблюдается постоянство суммы масс исходных частиц и продуктов ядерной реакции. Кроме того, соблюдается постоянство суммы их зарядов.

Цепные ядерные реакции в зависимости от условий протекания могут быть управляемыми и неуправляемыми. Первый случай соответствует процессам, протекающим в реакторах атомных электростанций. Второй случай соответствует принципу действия ядерного оружия, а также ситуации, когда управляемая реакция выходит из-под контроля (например, при аварии на АЭС).

Значительная энергия может выделяться не только в процессе самопроизвольного деления нестабильных ядер, но и при реакциях термоядерного синтеза. Сущность таких реакций состоит в объединении «лёгких» ядер (например, двух ядер водорода в ядро гелия и т.д.). Энергия, выделяемая при реакциях термоядерного синтеза, оказывается в тысячи раз больше, чем при самопроизвольном распаде нестабильных ядер.

5.4. Какое определение является наиболее корректным для молекул?

МОЛЕКУЛА (от лат. molecula – «масса») – НАИМЕНЬШАЯ СТРУКТУРНАЯ ЕДИНИЦА ВЕЩЕСТВА, сохраняющая его свойства. Это понятие применимо только к веществам молекулярного строения.

Структурными единицами молекул являются АТОМЫ (см. п. 5.1). Они взаимно удерживаются за счёт перекрывания своих внешних (валентных) электронных оболочек с образованием новых (молекулярных) орбиталей. При этом из неспаренных (одиночных) электронов отдельных атомов образуются пары. Вообще, одно из определений химии – НАУКА О ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ВНЕШНИХ ЭЛЕКТРОННЫХ ОБОЛОЧЕК АТОМОВ. В ходе химических реакций происходит рекомбинация (перегруппировка) атомов с образованием новых молекул.

Рассмотрим образование молекул простых веществ на примере водорода (Н₂), кислорода (О₂) и азота (N₂), атомы которых имеют соответственно по одному, два и три неспаренных электрона. При этом каждая валентная электронная пара схематически обозначается чертой.

Вещества, молекулы которых составлены из атомов разных элементов, называются сложными (например, углекислый газ СО₂, структурная формула О=С=О).

Важный параметр молекулы – её масса. Подобно массе атомов (см. п. 5.1), она для удобства выражается в относительных величинах – в атомных единицах массы (а.е.м.).

В химии широко используется понятие «МОЛЬ». 1 моль – такое количество вещества, которое содержит постоянное число (число Авогадро) структурных единиц (атомов, молекул, ионов). Масса 1 моля вещества (молярная масса), выраженная в г/моль, численно совпадает с молекулярной или атомной массой, выраженной в а.е.м.

5.5. Что такое состояние химического равновесия? Какие факторы влияют на его смещение?

Большинство процессов, протекающих в природе и рассматриваемых в физике и химии, являются обратимыми, т.е., они при некоторых условиях могут протекать как в прямом, так и в обратном направлении. Простейшим примером обратимых процессов является изменение агрегатного состояния вещества. Так, плавление (таяние) льда – процесс, обратный замерзанию (кристаллизации) жидкой воды. Следует отметить, что данные процессы являются физическими, а не химическими, т.к. в них не происходит изменения химической природы вещества (т.е., сами молекулы воды не претерпевают изменений).

Свойством обратимости обладают и химические реакции. Например, сгорание водорода с образованием воды – процесс, обратный реакции электролиза (разложения электрическим током) воды на газообразные водород и кислород:

2Н_{2 (г.)} + О_{2 (г.)} ↔ 2Н₂О _(ж.)

СОСТОЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ – такое состояние системы, при котором скорости прямого и обратного процессов равны. Равновесие может существовать только в замкнутой системе (содержащей постоянное количество вещества при постоянной температуре).

СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ (прямой или обратной) определяется как изменение концентрации вещества (исходного или продукта) в единицу времени. Т.е., чем быстрее вещество расходуется или образуется, тем выше скорость процесса:

v = ± dC / dt

ЗАКОН ДЕЙСТВУЮЩИХ МАСС устанавливает, что скорость реакции напрямую зависит от концентраций реагирующих веществ в данный момент времени. Для прямой реакции (сгорания Н₂) и для обратной реакции (разложения Н₂О) скорость выразится так:

v_прям. = К_прям.·[Н₂]²·[О₂];

v_обр. = К_обр.·[Н₂О]²

В случае равенства v _прям и v _обр. состояние равновесия описывается константой равновесия К_р:

[Н₂]²·[О₂]

К_р = –––––––––

[Н₂О]²

Зависимость скорости реакции от концентрации веществ (т.е. от числа реагирующих частиц в единице объёма) напрямую вытекает из хаотического характера движения молекул. Чем выше концентрация, тем больше вероятность результативного соударения молекул.

Влияние различных факторов на смещение равновесия устанавливает ПРИНЦИП Ле ШАТЕЛЬЕ: Если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, оказать внешнее воздействие, то РАВНОВЕСИЕ СМЕЩАЕТСЯ в направлении, которое противодействует этому изменению. Этот принцип часто понимается в более широком смысле; он используется и в других науках при описании равновесных процессов самой разной природы, например, в экологии и в общественных науках.

К факторам, влияющим на смещение равновесия, относятся КОНЦЕНТРАЦИИ (продуктов, реагентов) и ТЕМПЕРАТУРА системы. На смещение равновесия НЕ ВЛИЯЕТ НАЛИЧИЕ КАТАЛИЗАТОРОВ (веществ, способных увеличивать скорость реакций). Это объясняется тем, что катализаторы одновременно в равной степени ускоряют и прямой, и обратный процесс.

Принцип действия катализаторов состоит в том, что они понижают величину энергии активации (Е_А) – избыточной энергии, которую необходимо приложить к системе для того, чтобы реакция пошла в заданном направлении (Рис. 7). При этом чем выше оказывается выигрыш в энергии (DЕ), тем более эффективен катализатор.

Существуют также вещества, которые, напротив, замедляют ход тех или иных реакций. Такие вещества называются ИНГИБИТОРАМИ. Как нетрудно догадаться, сущность их действия состоит в увеличении энергии активации.

Рис. 7. Понижение DЕ величины энергии активации Е_А в присутствии катализатора

5.6. В чём сущность Периодического закона Д.И. Менделеева? По каким принципам построена Периодическая система химических элементов?

Периодический закон был сформулирован Д.И. Менделеевым в 1869 году. Учёный установил, что открытые к тому времени химические элементы образуют периодические последовательности при расположении в порядке увеличения атомных масс. Это позволило сгруппировать элементы по признаку схожести их химической природы (щелочные металлы, галогены, инертные газы и т.д.). Менделеевым была выстроена Периодическая система химических элементов (Рис. 8), которая по существу стала графическим отображением Периодического закона.

Позже, в начале ХХ в. на основе полученных к тому времени представлений об атомном ядре, электронах и квантах Н. Бор создал модель атома в соответствии с Периодической системой Д.И. Менделеева. Современная формулировка Периодического закона имеет следующий вид: свойства простых веществ и их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра атома.

В основе современной структуры Периодической системы лежит систематизация:

· В периодах (горизонтальных рядах) располагаются элементы с одинаковым числом электронных слоёв.

· В группах и подгруппах (вертикальных рядах) располагаются элементы с одинаковым строением внешних (валентных) электронных уровней.

Рис. 8. Один из способов представления Периодической системы Д.И. Менделеева (на примере программного продукта Periodic Library for Windows v1.8a)

5.7. Как известно, вода является уникальным химическим соединением, играющим исключительную роль в поддержании жизни на Земле. Какими свойствами воды это объясняется?

Вода (гидроксид водорода, Н₂О) имеет ряд уникальных химических особенностей, благодаря которым это вещество сыграло решающую роль в возникновении биологической жизни на Земле и её поддержании. Рассмотрим эти особенности.

1. Молекула воды имеет не прямолинейное (Н – О – Н), а угловое строение:

Н – О

\ Н

Этой особенностью объясняется такое свойство воды, как полярность и, как следствие, её высокая растворяющая способность по отношению к полярным соединениям (солям, кислотам) и биологически активным веществам. Данное свойство воды играет решающую роль в обеспечении процессов переноса питательных веществ и продуктов обмена в живых организмах.

2. Молекулы воды ассоциированы (взаимно связаны) друг с другом: в массиве они образуют друг с другом дополнительные силы притяжения за счёт водородных связей (показаны пунктиром):

… - - - Н – О - - - Н

\ Н - - - \ О – Н - - - …

Этой особенностью, а именно необходимостью затрат энергии на разрыв дополнительных связей, объясняются аномально высокие температуры плавления и кипения воды (соответственно 0°С и 100°С). Это намного выше, чем аналогичные характеристики водородных соединений других элементов – соседей кислорода по Периодической системе (например, СН₄ – метан, NH₃ – аммиак).

Данное свойство, наряду с высокой теплоёмкостью воды, способствует поддержанию температурного баланса, как в глобальном масштабе, так и внутри отдельно взятого организма. Вода – единственное вещество, которое на Земле присутствует одновременно В ТРЁХ АГРЕГАТНЫХ СОСТОЯНИЯХ – твёрдом, жидком и газообразном. Если бы на Земле не было водной оболочки (гидросферы), перепады температур на поверхности планеты достигали бы значительно более широких интервалов. Это привело бы к невозможности возникновения жизни.

3. Вода обладает высокой химической активностью. Этим обусловлено участие воды в качестве реагента, участвующего в биохимических реакциях.