Химические элементы, соединения, связи и реакции

В настоящее время изучение химических явлений базируется на квантовомеханических принципах описания микромира и имеет большое значение для описания явлений неживой и живой природы.

Возникновение химии как естественной науки в современном смысле этого слова приходится на конец XVII в., когда Р. Бойлем впервые было декларировано отделение химии от алхимии и выделение медицины в самостоятельную науку. Согласно Бойлю, химия вслед за физикой должна строиться как экспериментальная, а не умозрительная наука. В частности, он подверг критике представления античных философов о первоэлементах. По мнению Бойля, химия должна изучать «простые тела», которые можно выделить при разложении сложных веществ.

С конца XVIII в. и до XX в. химия развивалась в рамках атомной концепции строения вещества, согласно которой каждому из простых веществ-элементов соответствовал свой тип атомов, отличающихся химическими свойствами и массой. В этот период были открыты следующие важнейшие законы химии:

- закон сохранения массы в любых химических превращениях(открыт А. Лавуазье и М. Ломоносовым);
- закон постоянства состава, согласно которому в каждом сложном, т. е. разложимом на элементы, веществе независимо от способа его получения соотношение масс составляющих его элементов является величиной постоянной (открыт Л. Прустом);

- закон кратных отношений, согласно которому в случае образования различных веществ из одинаковых элементов масса одного элемента, приходящегося на единицу массы другого элемента, соотносятся между собой как небольшие целые числа (открыт Дж. Дальтоном). Все эти законы хорошо согласовывались с атомистической теорией вещества.

В 1869 г. Д. Менделеевым был открыт Периодический закон, согласно которому химические свойства элементов находятся в периодической зависимости от массы соответствующих атомов. Периодический закон может быть объяснен только в рамках квантовой механики, так как он является следствием квантовомеханического уравнения Шредингера и принципа Паули.

В настоящее время под химическим элементом понимается атом с определенным зарядом ядра. Периодичность свойств элементов обусловлена периодическим повторением конфигурации внешних электронных оболочек атомов. С положением элемента в системе связаны его химические и физические свойства. Величина заряда ядра определяет порядковый номер элемента в системе. Элементы, расположенные по возрастанию заряда, образуют 7 периодов. Внутри каждого периода наблюдается равномерный переход от активных металлов к Менее активным металлам, далее от слабоактивных неметаллов к очень активным неметаллам и, наконец, к неактивным (инертным) газам. В каждом периоде выделяют 8 групп элементов, которые имеют общие свойства. Свойства элементов внутри групп изменяются закономерно. Сейчас известно более 100 химических элементов.

Взаимодействия атомов друг с другом приводят к образованию молекул и молекулярных соединений. Такое взаимодействие называют химической связью элементов. Химическая связь возникает в силу того, что между атомами возникает сила притяжения, которая обусловлена электромагнитными взаимодействиями. Способность атомов соединяться с другими атомами в определенных соотношениях называется валентностью. Валентность определяется числом, которое показывает, сколько атомов водорода может быть присоединено к рассматриваемому атому. Относительная устойчивость химической связи обусловлена тем, что энергия образующейся системы-молекулы меньше суммарной энергии свободных атомов.

Благодаря химической связи оказываются возможными химические соединения. Под химическим соединением понимают уникальное вещество, в котором атомы одного (например, 0₂ — кислород) или различных (например, Н₂0 — вода) элементов соединены между собой химической связью. Сейчас известно более 5 млн химических соединений. Следует заметить, что наименьшими единицами многих веществ являются не атомы, а молекулы, т. е. группы атомов, связанные друг с другом. Чтобы понять природу вещества, следует знать не только строение атома, но и причину соединения атомов в молекулы — тип химической связи. Основные виды химической связи следующие: ковалентная, ионная, металлическая и водородная.

Свойства вещества зависят не только от его химического состава (вида атомов и молекул), но также от их взаимного расположения. Например, графит и алмаз имеют идентичный химический состав, но различаются именно структурой.

Важное место в химии принадлежит изучению химических реакций, или превращений одних веществ в другие. Сущность химических реакций состоит в образовании и разрушении молекул. Примером химической реакции может быть процесс горения угля в воздушной среде. В ходе этой реакции из угля (атомов углерода) и молекул кислорода образуется новое соединение — двуоксид углерода (углекислый газ): С + 0₂ = С0₂. Все химические реакции протекают с выделением или поглощением энергии, которая, как правило, выделяется или поглощается в виде теплоты. Реакции с выделением тепла называют экзотермическими, а с поглощением — эндотермическими.

Все химические реакции можно разделить на две группы: необратимые и обратимые реакции. Необратимые реакции протекают до полного расходования одного из реагентов. Обратимые реакции идут не до конца — ни один из реагентов не расходуется полностью. Примером обратимой реакции может служить синтез аммиака: N₂ + ЗН₂ <-> <-> 2NH_r. Смысл этой реакции состоит в том, что если смешать одну часть азота с тремя частями водорода, то можно получить смесь трех компонентов: азота, водорода и аммиака. Если же в те же самые условия поместить чистый аммиак, то через некоторое время можно обнаружить такую же смесь из трех компонентов и в тех же пропорциях.

Скорости химических реакций бывают разными и зависят от ряда факторов. Например, окисление меди на воздухе протекает годами, а разложение взрывчатых веществ происходит в доли секунды. К важнейшим факторам, определяющим скорость реакции, относятся природа реагирующих веществ, их концентрация, давление, температура и присутствие в системе катализаторов. Некоторые реакции, например рассмотренная нами выше реакция образования углекислого газа из углерода и кислорода, могут протекать только в процессе горения, т. е. для их осуществления необходима достаточно высокая температура.

Катализом называется изменение скорости химической реакции при воздействии особых веществ — катализаторов, которые хотя и участвуют в реакции, но не входят в состав ее продуктов. Действие катализаторов объясняется тем, что они снижают энергию активации реакции. Можно сказать, что в присутствии катализатора реакция проходит через другие промежуточные стадии, причем эти стадии энергетически более доступны. Разновидностью каталитических реакций являются автокаталитические реакции, т. е. такие, в которых для синтеза некоторого вещества требуется его присутствие в самом начале реакции. Примером автокатализа может быть реакция горения.