Химические системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

По дисциплине: Концепция современного естествознания

На тему: «Химические системы»

Выполнил: Керимханов Амир

Преподаватель: Демин С. А.



ХИМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА - совокупность микро и макро количеств веществ, способных воздействием внешних факторов (условий) к превращениям с образованием новых химических соединений.

Веществом называется отдельный вид материи, обладающий при данных условиях определенными физическими свойствами. Примеры вещества: кислород, вода, железо.

Простейшим носителем химических свойств служит атом (в том числе ионизированный) - система, состоящая из ядра и движущихся вокруг него (в его электрическом поле) электронов. В результате химического взаимодействия атомов образуются молекулы (радикалы, ионы, атомные кристаллы) -системы, состоящие из нескольких ядер, в общем поле которых движутся электроны. При химическом взаимодействии молекул одна конфигурация ядер и электронов разрушается и образуется новая. Акт химического взаимодействия состоит в образовании новых электронных (молекулярных) орбиталей.

АТОМ (от др.-греч. ?фпмпт -- неделимый, неразрезаемый) -- частица вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств.

Атом состоит из атомного ядра и электронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом. В некоторых случаях под атомами понимают только электронейтральные системы, в которых заряд ядра равен суммарному заряду электронов, тем самым противопоставляя их электрически заряженным ионам.

Ядро, несущее почти всю (более чем 99,9 %) массу атома, состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов, связанных между собой при помощи сильного взаимодействия. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: число протонов Z соответствует порядковому номеру атома в периодической системе Менделеева и определяет его принадлежность к некоторому химическому элементу, а число нейтронов N -- определённому изотопу этого элемента. Единственный стабильный атом, не содержащий нейтронов в ядре -- лёгкий водород (протий). Число Z также определяет суммарный положительный электрический заряд (Ze) атомного ядра и число электронов в нейтральном атоме, задающее его размер.

Понятие об атоме как о наименьшей неделимой части материи было впервые сформулировано древнеиндийскими и древнегреческими философами (см.: атомизм). В XVII и XVIII веках химикам удалось экспериментально подтвердить эту идею, показав, что некоторые вещества не могут быть подвергнуты дальнейшему расщеплению на составляющие элементы с помощью химических методов. Однако в конце XIX -- начале XX века физиками были открыты субатомные частицы и составная структура атома, и стало ясно, что атом в действительности не является неделимым.

На международном съезде химиков в Карлсруэ (Германия) в 1860 году были приняты определения понятий молекулы и атома. Атом -- наименьшая частица химического элемента, входящая в состав простых и сложных веществ.

Хотя слово атом в первоначальном значении обозначало частицу, которая не делится на меньшие части, согласно научным представлениям он состоит из более мелких частиц, называемых субатомными частицами. Атом состоит из электронов, протонов, все атомы, кроме водорода-1, содержат также нейтроны.

Электрон является самой лёгкой из составляющих атом частиц с массой 9,11·10?31 кг, отрицательным зарядом и размером, слишком малым для измерения современными методами. Протоны обладают положительным зарядом и в 1836 раз тяжелее электрона (1,6726·10?27 кг). Нейтроны не обладают электрическим зарядом и в 1839 раз тяжелее электрона (1,6749·10?27 кг).

При этом масса ядра меньше суммы масс составляющих его протонов и нейтронов из-за эффекта дефекта массы. Нейтроны и протоны имеют сравнимый размер, около 2,5·10?15 м, хотя размеры этих частиц определены плохо.

Электроны в атоме притягиваются к ядру, между электронами также действует кулоновское взаимодействие. Эти же силы удерживают электроны внутри потенциального барьера, окружающего ядро. Для того чтобы электрон смог преодолеть притяжение ядра, ему необходимо получить энергию от внешнего источника. Чем ближе электрон находится к ядру, тем больше энергии для этого необходимо.

Электронам, как и другим частицам, свойственен корпускулярно-волновой дуализм. Иногда говорят, что электрон движется по орбитали, что неверно. Состояние электронов описывается волновой функцией, квадрат модуля которой характеризует плотность вероятности нахождения частиц в данной точке пространства в данный момент времени, или, в общем случае, оператором плотности. Существует дискретный набор атомных орбиталей, которым соответствуют стационарные чистые состояния электронов в атоме.

Каждой орбитали соответствует свой уровень энергии. Электрон в атоме может перейти на уровень с большей энергией при столкновении данного атома с другим атомом, электроном, ионом, или же поглотив фотон соответствующей энергии. При переходе на более низкий уровень электрон отдает энергию путем излучения фотона, либо путем передачи энергии другому электрону (безызлучательный переход, удары второго рода). Как и в случае поглощения, при излучательном переходе энергия фотона равна разности энергий электрона на этих уровнях (см.: постулаты Бора). Частота испускаемого излучения н связана с энергией фотона E соотношением E = hн, где h -- постоянная Планка.

По определению, любые два атома с одним и тем же числом протонов в их ядрах относятся к одному химическому элементу. Атомы с одним и тем же количеством протонов, но разным количеством нейтронов называют изотопами данного элемента. Например, атомы водорода всегда содержат один протон, но существуют изотопы без нейтронов (водород-1, иногда также называемый протием -- наиболее распространённая форма), с одним нейтроном (дейтерий) и двумя нейтронами (тритий). Известные элементы составляют непрерывный натуральный ряд по числу протонов в ядре, начиная с атома водорода с одним протоном и заканчивая атомом унуноктия, в ядре которого 118 протонов. Все изотопы элементов периодической системы, начиная с номера 83 (висмут), радиоактивны.

Поскольку наибольший вклад в массу атома вносят протоны и нейтроны, суммарное число этих частиц называют массовым числом. Массу покоя атома часто выражают в атомных единицах массы (а. е. м.), которая также называется дальтоном (Да). Эта единица определяется как 1?12 часть массы покоя нейтрального атома углерода-12, которая приблизительно равна 1,66·10?24 г. Водород-1 -- наилегчайший изотоп водорода и атом с наименьшей массой, имеет атомный вес около 1,007825 а. е. м. Масса атома приблизительно равна произведению массового числа на атомную единицу массы. Самый тяжёлый стабильный изотоп -- свинец-208 с массой 207,9766521 а. е. м.

Так как массы даже самых тяжёлых атомов в обычных единицах (например, в граммах) очень малы, то в химии для измерения этих масс используют моли. В одном моле любого вещества по определению содержится одно и то же число атомов (примерно 6,022·1023). Это число (число Авогадро) выбрано таким образом, что если масса элемента равна 1 а. е. м., то моль атомов этого элемента будет иметь массу 1 г. Например, углерод имеет массу 12 а. е. м., поэтому 1 моль углерода весит 12 г

Атомы не имеют отчётливо выраженной внешней границы, поэтому их размеры определяются по расстоянию между ядрами соседних атомов, которые образовали химическую связь (ковалентный радиус) или по расстоянию до самой дальней из стабильных орбит электронов в электронной оболочке этого атома (радиус атома). Радиус зависит от положения атома в периодической системе, вида химической связи, числа ближайших атомов (координационного числа) и квантово-механического свойства, известного как спин. В периодической системе элементов размер атома увеличивается при движении сверху вниз по столбцу и уменьшается при движении по строке слева направо. Соответственно, самый маленький атом -- это атом гелия, имеющий радиус 32 пм, а самый большой -- атом цезия (225 пм). Эти размеры в тысячи раз меньше длины волны видимого света (400--700 нм), поэтому атомы нельзя увидеть в оптический микроскоп. Однако отдельные атомы можно наблюдать с помощью сканирующего туннельного микроскопа.

Малость атомов демонстрируют следующие примеры. Человеческий волос по толщине в миллион раз больше атома углерода. Одна капля воды содержит 2 секстиллиона (2·1021) атомов кислорода, и в два раза больше атомов водорода. Один карат алмаза с массой 0,2 г состоит из 10 секстиллионов атомов углерода. Если бы яблоко можно было увеличить до размеров Земли, то атомы достигли бы исходных размеров яблока.

Учёные из Харьковского физико-технического института представили первые в истории науки снимки атома. Для получения снимков учёные использовали электронный микроскоп, фиксирующий излучения и поля (field-emission electron microscope, FEEM). Физики последовательно разместили десятки атомов углерода в вакуумной камере и пропустили через них электрический разряд в 425 вольт. Излучение последнего атома в цепочке на фосфорный экран позволило получить изображение облака электронов вокруг ядра.

ИЗОТОПЫ -- разновидности одного и того же химического элемента, близкие по своим физико-химическим свойствам, но имеющие разную атомную массу. Название "изотопы" было предложено в 1912 английским радиохимиком Фредериком Содди, который образовал его из двух греческих слов: isos -- одинаковый и topos -- место. Изотопы занимают одно и то же место в клетке периодической системы элементов Менделеева.

Атом любого химического элемента состоит из положительно заряженного ядра и окружающего его облака отрицательно заряженных электронов (см.также АТОМА ЯДРО). Положение химического элемента в периодической системе Менделеева (его порядковый номер) определяется зарядом ядра его атомов. Изотопами называются поэтому разновидности одного и того же химического элемента, атомы которых имеют одинаковый заряд ядра (и, следовательно, практически одинаковые электронные оболочки), но отличаются значениями массы ядра. По образному выражению Ф.Содди, атомы изотопов одинаковы "снаружи", но различны "внутри".

В 1932 был открыт нейтрон -- частица, не имеющая заряда, с массой, близкой к массе ядра атома водорода -- протона, и создана протонно-нейтронная модель ядра. В результате в науке установилось окончательное современное определение понятия изотопов: изотопы -- это вещества, ядра атомов которых состоят из одинакового числа протонов и отличаются лишь числом нейтронов в ядре. Каждый изотоп принято обозначать набором символов , где X -- символ химического элемента, Z -- заряд ядра атома (число протонов), А -- массовое число изотопа (общее число нуклонов -- протонов и нейтронов в ядре, A = Z + N). Поскольку заряд ядра оказывается однозначно связанным с символом химического элемента, часто для сокращения используется просто обозначение AX.

Невозможность классического описания поведения электронов в атоме

Известно, что серьезная проблема в классической физике возникла при попытках описания атомных спектров излучения и поглощения. Эта задача привела к возникновению описания атома, основанного на постулатах квантовой механики. Вначале квантовая механика основывалась на постулатах Бора, а затем в качестве основного постулата было взято волновое уравнение Шредингера.

Из представленного здесь рассмотрения поведения электронов следует, что из-за переворота спина электрона возникают очень большие кратковременные силы, действующие на электрон. При перевороте спина электрон переходит на другую орбиту, излучая или поглощая при этом квант электромагнитного излучения на частоте щ=е/ћ, где е - энергия перехода. Однако конкретно орбиты электронов в атомах до сих пор не описаны. Имеются только некоторые идеи как их получить.

ДИСКРЕТНОСТЬ (от лат. discretus - разделенный, прерывистый) изменение состояние атома скачками

Очень важными были опыты Дж. Франка и Г. Герца, показавшие дискретность, т.е. квантование, энергии электрона в атоме.

На основе этих экспериментов была предложена модель строения атома, учитывающая вышеперечисленные открытия. Вот ее положения:

1. Атом состоит из ядра и электронов.

2. Ядро заряжено положительно, а электроны отрицательно.

3. Ядро состоит из протонов и нейтронов.

4. Протон является носителем элементарного положительного заряда, равного по значению (1,6*10-19 Кл), но противоположного по знаку заряду электрона. Нейтрон заряда не имеет. Таким образом, заряд ядра (Z) равен числу протонов. Z=Np.

5. Число протонов определяет порядковый номер элемента. Общее название протонов и нейтронов -- нуклоны.

6. Протоны и нейтроны имеют примерно одинаковые массы (mp=mn=1 а.е.м.). Масса атома определяется суммарным числом протонов и нейтронов, поскольку масса электрона в 2000 раз меньше массы протона. Сумма чисел протонов (Np) и нейтронов (N) определяет массовое число атома (А).

7. Электроны вращаются вокруг ядра. Число электронов равно числу протонов (атом электронейтрален).

Организация электронных состояний атома в электронных оболочках

Электронная оболочка атома -- область пространства вероятного местонахождения электронов, характеризующихся одинаковым значением главного квантового числа n и, как следствие, располагающихся на близких энергетических уровнях. Каждая электронная оболочка может иметь определенное максимальное число электронов.

Порядок заполнения электроннных оболочек (орбиталей с одинаковым значением главного квантового числа n) определяется правилом Клечковского, порядок заполнения электронами орбиталей в пределах одного подуровня (орбиталей с одинаковыми значениями главного квантового числа n и орбитального квантового числа l) определяется Правилом Хунда.

Электронные оболочки обозначаются буквами K, L, M, N, O, P, Q или цифрами от 1 до 7. Подуровни оболочек обозначаются буквами s, p, d, f, g, h, i или цифрами от 0 до 6. Электроны внешних оболочек обладают большей энергией, и, по сравнению с электронами внутренних оболочек, находятся дальше от ядра, что делает их более важными в анализе поведения атома в химических реакциях и в роли проводника, так как их связь с ядром слабее и легче разрывается.

Каждая оболочка состоит из одного или нескольких подуровней, каждый из которых состоит из атомных орбиталей. К примеру, первая оболочка (K) состоит из одного подуровня "1s". Вторая оболочка (L) состоит из двух подуровней, 2s и 2p. Третья оболочка - из "3s", "3p" и "3d". Возможные варианты подуровней оболочек приведены в следующей таблице:

Валентная оболочка - самая внешняя оболочка атома. Электроны этой оболочки зачастую неверно называют валентными электронами, т.е. электронами, определяющими поведение атома в химических реакциях. С точки зрения химической активности, наименее активными считаются атомы, в которых валентная оболочка окончательно заполнена (инертные газы). Наибольшей химической активностью обладают атомы, в которых валентная оболочка состоит всего из одного электрона (щелочные металлы), и атомы, в которых одного электрона не хватает для окончательного заполнения оболочки (галогены).

На самом деле всё немного иначе. Поведение атома в химических реакциях определяют электроны, обладающие большей энергией, т.е. те электроны, которые расположены дальше от ядра. Электроны внутренних подуровней оболочек имеют меньшую энергию, чем электроны внешних подуровней. Несмотря на то, что электроны подуровня оболочки 3d могут не принадлежать к т.н. валентной оболочке, они могут иметь энергию большую, чем электроны подуровня оболочки 4s, что делает их валентными электронами.

Переход электронов между электронными состояниями как основные атомные процессы(возбуждение и ионизация)

Модель атома сама по себе нейтральна.

ИОНИЗАЦИЯ -образование положит. и отрицат. ионов и свободных эл-нов из электрически нейтральных атомов и молекул.

ВОЗБУЖДЕНИЕ АТОМА И МОЛЕКУЛЫ - квантовый переход атома или молекулы с более низкого (напр., основного) уровня энергии на более высокий при поглощении ими фотонов (фотовозбуждение) или при столкновениях с электронами и др. частицами (возбуждение ударом).

Согласно принципам квантовой механики, атомы и молекулы устойчивы лишь в нек-рых стационарных состояниях, к-рым отвечают определ. значения энергии. Состояние с наинизшей энергией наз. основным, остальные -возбужденными. Изменение энергии атома при переходе из одного стационарного состояния в другое связано с изменением строения его электронной оболочки.

ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ-- совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра и числом протонов, совпадающим с порядковым (атомным) номером в таблице Менделеева. Каждый химический элемент имеет своё латинское название и химический символ, состоящий из одной или пары латинских букв, регламентированные ИЮПАК и приводятся, в частности, в таблице Периодической системы элементов Менделеева.

Формой существования химических элементов в свободном виде являются простые вещества (одноэлементные). Необходимо различать химические элементы (абстрактные объекты, описываемые через свои характеристики) и соответствующие им материальные объекты -- простые вещества (обладающие определёнными физико-химическими свойствами).

По состоянию на декабрь 2013 года известно 118 химических элементов (из них не все официально признаны).

Символы химических элементов используются как сокращения для названия элементов. В качестве символа обычно берут начальную букву названия элемента и в случае необходимости добавляют следующую или одну из следующих. Обычно это начальные буквы латинских названий элементов: Cu -- медь (cuprum), Ag -- серебро (argentum), Fe -- железо (ferrum), Au -- золото (aurum), Hg -- ртуть (hydrargirum). Такая система химических символов была предложена в 1811 г. шведским химиком Я. Берцелиусом. Временные символы элементов, использующиеся до официального утверждения их постоянных названий и символов, состоят из трёх букв, означающих латинские названия трёх цифр в десятичной записи их атомного номера (например, унуноктий -- 118-й элемент -- имеет временное обозначение Uuo). Используется также система обозначений по вышестоящим гомологам, описанная выше (Eka-Rn, Eka-Pb и т. п.).

Цифрами меньшего размера возле символа элемента обозначаются: слева вверху -- атомная масса, слева внизу -- порядковый номер, справа вверху -- заряд иона, справа внизу -- число атомов в молекуле

1 - обозначение химического элемента.

2 - русское название

3 - порядковый номер химического элемента, равный количеству протонов в атомном ядре

4 - атомная масса: среднее значение атомной массы устойчивых изотопов в земной коре или атомная масса наиболее долгоживущего изотопа (для радиоактивных элементов).

5 - распределение электронов по энергетическим уровням.

6 - электронная конфигурация.

Из химических элементов наиболее распространены в земной коре кислород и кремний. Эти элементы вместе с элементами алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний, водород и титан составляют более 99 % массы земной оболочки, так что на остальные элементы приходится менее 1 %. В морской воде, помимо кислорода и водорода -- составных частей самой воды, высокое содержание имеют такие элементы, как хлор, натрий, магний, сера, калий, бром и углерод. Массовое содержание элемента в земной коре называется кларковым числом или кларком элемента.

Содержание элементов в коре Земли отличается от содержания элементов в Земле, взятой как целое, поскольку химсоставы коры, мантии и ядра Земли различны. Так, ядро состоит в основном из железа и никеля. В свою очередь, содержания элементов в Солнечной системе и в целом во Вселенной также отличаются от земных. Наиболее распространённым элементом во Вселенной является водород, за ним идёт гелий. Исследование относительных распространённостей химических элементов и их изотопов в космосе является важным источником информации о процессах нуклеосинтеза и об эволюции Солнечной системы и небесных тел.

Большинство химических элементов (94 из известных 118) были найдены в природе (в земной коре), хотя некоторые из них были вначале получены искусственно (а именно: технеций Tc (порядковый номер 43), прометий Pm (61), астат At (85), а также трансурановые нептуний Np (93) и плутоний Pu (94); эти пять элементов после их искусственного создания были в исчезающе малых количествах обнаружены и в природе; они возникают как промежуточные ядра при радиоактивном распаде урана и тория, а также при захвате ураном нейтронов и последующем бета-распаде). Таким образом, в земной коре наличествуют (в очень разных концентрациях) все первые 94 элемента таблицы Менделеева.

Среди этих 94 химических элементов, обнаруженных в земной коре, большинство (83) является первичными, или примордиальными; они возникли при нуклеосинтезе в Галактике до образования Солнечной системы, и у этих элементов есть изотопы, которые являются либо стабильными, либо достаточно долгоживущими, чтобы не распасться за прошедшие с этого момента 4,567 млрд лет. Остальные 11 природных элементов (технеций, прометий, полоний, астат, радон, франций, радий, актиний, протактиний, нептуний и плутоний) являются радиогенными -- они не имеют настолько долгоживущих изотопов, поэтому все существующие в земной коре природные атомы этих элементов возникли при радиоактивном распаде других элементов. атом молекула катализатор электрон

Все элементы, следующие после плутония Pu (порядковый номер 94) в периодической системе Д.И.Менделеева, в земной коре полностью отсутствуют, хотя некоторые из них могут образовываться в космосе во время взрывов сверхновых[источник не указан 825 дней]. Периоды полураспада всех известных изотопов этих элементов малы по сравнению с временем существования Земли. Многолетние поиски гипотетических природных сверхтяжёлых элементов пока не дали результатов.

Большинство химических элементов, кроме нескольких самых лёгких, возникли во Вселенной главным образом в ходе звёздного нуклеосинтеза (элементы до железа -- в результате термоядерного синтеза, более тяжёлые элементы -- при последовательном захвате нейтронов ядрами атомов и последующем бета-распаде, а также в ряде других ядерных реакций). Легчайшие элементы (водород и гелий -- почти полностью, литий, бериллий и бор -- частично) образовались в первые три минуты после Большого взрыва (первичный нуклеосинтез).

Одним из главных источников особо тяжёлых элементов во Вселенной должны быть, согласно расчётам, слияния нейтронных звёзд, с выбросом значительных количеств этих элементов, которые впоследствии участвуют в образовании новых звёзд и их планет.

Химические вещества могут состоять как из одного химического элемента (простое вещество), так и из разных (сложное вещество или химическое соединение).

Химические элементы образуют около 500 простых веществ. Способность одного элемента существовать в виде различных простых веществ, отличающихся по свойствам, называется аллотропией.[16] В большинстве случаев названия простых веществ совпадают с названием соответствующих элементов (например, цинк, алюминий, хлор), однако в случае существования нескольких аллотропных модификаций названия простого вещества и элемента могут отличаться, например кислород (дикислород, O2) и озон (O3); алмаз, графит и ряд других аллотропных модификаций углерода существуют наряду с аморфными формами углерода.

В обычных условиях 11 элементов существуют в виде газообразных простых веществ (H, He, N, O, F, Ne, Cl, Ar, Kr, Xe, Rn), 2 -- жидкости (Br и Hg), остальные элементы образуют твёрдые тела.

МОЛЕКУЛА (новолат. molecula, уменьшительное от лат. moles -- масса) -- электрически нейтральная частица, образованная из двух или более связанных ковалентными связями атомов. В физике к молекулам причисляют также одноатомные молекулы, то есть свободные (химически не связанные) атомы (например, инертных газов, ртути и т. п.). Причисление к молекулам одноатомных молекул, то есть свободных атомов, например одноатомных газов, приводит к совмещению понятий «молекула» и «атом». Обычно подразумевается, что молекулы нейтральны (не несут электрических зарядов) и не несут неспаренных электронов (все валентности насыщены); заряженные молекулы называют ионами, молекулы с мультиплетностью, отличной от единицы (то есть с неспаренными электронами и ненасыщенными валентностями) -- радикалами.

Молекулы относительно высокой молекулярной массы, состоящие из повторяющихся низкомолекулярных фрагментов, называются макромолекулами.

С точки зрения квантовой механики молекула представляет собой систему не из атомов, а из электронов и атомных ядер, взаимодействующих между собой.

Особенности строения молекул определяют физические свойства вещества, состоящего из этих молекул.

К веществам, сохраняющим молекулярную структуру в твёрдом состоянии, относятся, например, вода, оксид углерода (IV), многие органические вещества. Они характеризуются низкими температурами плавления и кипения. Большинство же твёрдых (кристаллических) неорганических веществ состоят не из молекул, а из других частиц (ионов, атомов) и существуют в виде макротел (кристалл хлорида натрия, кусок меди и т. д.).

Состав молекул сложных веществ выражается при помощи химических формул.

В классической теории химического строения молекула рассматривается как наименьшая стабильная частица вещества, обладающая всеми его химическими свойствами.

Молекула данного вещества имеет постоянный состав, то есть одинаковое количество атомов, объединённых химическими связями, при этом химическая индивидуальность молекулы определяется именно совокупностью и конфигурацией химических связей, то есть валентными взаимодействиями между входящими в её состав атомами, обеспечивающими её стабильность и основные свойства в достаточно широком диапазоне внешних условий. Невалентные взаимодействия (например, водородные связи), которые зачастую могут существенно влиять на свойства молекул и вещества, образуемого ими, в качества критерия индивидуальности молекулы не учитываются.

Центральным положением классической теории является положение о химической связи, при этом допускается наличие не только двухцентровых связей, объединяющих пары атомов, но и наличие многоцентровых (обычно трёхцентровых, иногда -- четырёхцентровых) связей с «мостиковыми» атомами -- как, например, мостиковых атомов водорода в боранах, природа химической связи в классической теории не рассматривается -- учитываются лишь такие интегральные характеристики, как валентные углы, диэдральные углы (углы между плоскостями, образованными тройками ядер), длины связей и их энергии.

Таким образом, молекула в классической теории представляется динамической системой, в которой атомы рассматриваются как материальные точки и в которой атомы и связанные группы атомов могут совершать механические вращательные и колебательные движения относительно некоторой равновесной ядерной конфигурации, соответствующей минимуму энергии молекулы и рассматривается как система гармонических осцилляторов.

Молекула состоит из атомов, а если точнее, то из атомных ядер, окруженных определенным числом внутренних электронов, и внешних валентных электронов, образующих химические связи. Внутренние электроны атомов обычно не участвуют в образовании химических связей. Состав и строение молекул вещества не зависят от способа его получения.

Атомы объединяются в молекуле в большинстве случаев с помощью химических связей. Как правило, такая связь образуется одной, двумя или тремя парами электронов, находящихся в совместном владении двух атомов, образуя общее электронное облако, форма которого описывается типом гибридизации. Молекула может иметь положительно и отрицательно заряженные атомы (ионы).

Состав молекулы передается химическими формулами. Эмпирическая формула устанавливается на основе атомного соотношения элементов вещества и молекулярной массы.

Геометрическая структура молекулы определяется равновесным расположением атомных ядер. Энергия взаимодействия атомов зависит от расстояния между ядрами. На очень больших расстояниях эта энергия равна нулю. Если при сближении атомов образуется химическая связь, то атомы сильно притягиваются друг к другу (слабое притяжение наблюдается и без образования химической связи), при дальнейшем сближении начинают действовать электростатические силы отталкивания атомных ядер. Препятствием к сильному сближению атомов является также невозможность совмещения их внутренних электронных оболочек.

Каждому атому в определенном валентном состоянии в молекуле можно приписать определенный атомный, или ковалентный радиус (в случае ионной связи -- ионный радиус), который характеризует размеры электронной оболочки атома (иона) образующего химическую связь в молекуле. Размер электронной оболочки молекулы, является условной величиной. Существует вероятность (хотя и очень малая) найти электроны молекулы и на большем расстоянии от её атомного ядра. Практические размеры молекулы определяются равновесным расстоянием, на которое они могут быть сближены при плотной упаковке молекул в молекулярном кристалле и в жидкости. На больших расстояниях молекулы притягиваются друг к другу, на меньших -- отталкиваются. Размеры молекулы можно найти с помощью рентгеноструктурного анализа молекулярных кристаллов. Порядок величины этих размеров может быть определен из коэффициентов диффузии, теплопроводности и вязкости газов и с плотности вещества в конденсированном состоянии. Расстояние, на которое могут сблизиться валентно не связанные атомы одного и того же или разных молекул, может быть охарактеризована средними значениями так называемых ван дер ваальсовых радиусов (?).

Радиус Ван-дер-Ваальса существенно превышает ковалентный. Зная величины ван дер ваальсовых, ковалентных и ионных радиусов, можно построить наглядные модели молекул, которые бы отражали форму и размеры их электронных оболочек.

Ковалентные химические связи в молекуле расположены под определенными углами, которые зависят от состояния гибридизации атомных орбиталей. Так, для молекул насыщенных органических соединений характерно тетраэдральное (четырехгранное) расположение связей, образуемых атомом углерода, для молекул с двойной связью (С = С) -- плоское расположение атомов углерода, для молекул соединений с тройной связью (С є С) -- линейное расположение связей. Таким образом, многоатомная молекула имеет определенную конфигурацию в пространстве, то есть определенную геометрию расположения связей, которая не может быть изменена без их разрыва. Молекула характеризуется той или иной симметрией расположения атомов. Если молекула не имеет плоскости и центра симметрии, то она может существовать в двух конфигурациях, которые представляют собой зеркальные отражения друг друга (зеркальные антиподы, или стереоизомеры). Все важнейшие биологические функциональные вещества в живой природе существуют в форме одного определенного стереоизомера.

Молекулы, содержащие единичные связи, или сигма-связи, могут существовать в различных конформациях, возникающих при поворотах атомных групп вокруг единичных связей. Важные особенности макромолекул синтетических и биологических полимеров определяются именно их конформационными свойствами.

Электрические и оптические свойства молекул

Поведение вещества в электрическом поле определяется основными электрическими характеристиками молекул -- постоянным дипольным моментом и поляризуемостью.

Дипольный момент означает несовпадение «центров тяжести» положительных и отрицательных зарядов в молекуле (электрическую асимметрию молекулы). То есть молекулы, имеющие центр симметрии, например H2, лишены постоянного дипольного момента, и наоборот.

Поляризуемость -- это способность электронной оболочки любой молекулы перемещаться под действием электрического поля, в результате чего в молекуле образуется наведенный дипольный момент. Значение дипольного момента и поляризуемости находят экспериментально с помощью измерения диэлектрической проницаемости.

Оптические свойства вещества характеризуют его поведение в переменном электрическом поле световой волны и определяются поляризуемостью молекулы этого вещества. С поляризуемостью непосредственно связаны преломление и рассеяние света, оптическая активность и другие явления, изучаемые молекулярной оптикой.

Магнитные свойства молекул

Молекулы и макромолекулы подавляющего большинства химических соединений являются диамагнитными. Магнитная восприимчивость молекул (ч) для отдельных органических соединений может быть выражена как сумма значений ч для отдельных связей.

Молекулы, имеющие постоянный магнитный момент, является парамагнитными. К таковым относятся молекулы с нечётным количеством электронов на внешней оболочке (например, NO и любые свободные радикалы), молекулы, содержащие атомы с незаполненными внутренними оболочками (переходные металлы и т. д.). Магнитная восприимчивость парамагнитных веществ зависит от температуры, поскольку тепловое движение препятствует ориентации магнитных моментов в магнитном поле.

Вещества простые и сложные соединения. Понятие о качественном и количественном составе вещества

Веществом называется отдельный вид материи, обладающий при данных условиях определенными физическими свойствами. Примеры вещества: кислород, вода, железо.

Чистое вещество всегда однородно, смеси же могут быть однородными и неоднородными. Однородными называются смеси, в которых ни непосредственно, ни при помощи микроскопа нельзя обнаружить частиц этих веществ вследствие ничтожно малой их величины. Такими смесями являются смеси газов, многие жидкости, некоторые сплавы. В неоднородных смесях неоднородность можно обнаружить при помощи микроскопа или даже невооруженным глазом. Примерами неоднородных смесей могут служить различные горные породы, почва, пыльный воздух, мутная вода. Кровь, например, тоже относится к неоднородным смесям, и при рассмотрении в микроскоп можно увидеть, что она состоит из бесцветной жидкости, в которой плавают красные и белые тельца.

Химическая промышленность выпускает химические продукты, которые также содержат какое-то количество примесей. Для указания степени их чистоты существуют специальные обозначения, или квалификация:

технический (техн);

чистый (ч.);

чистый для анализа (ч.д.а.);

химически чистый (х.ч.);

особо чистый (о.ч.).

Продукт с квалификацией «техн» обычно содержит значительное количество примесей, «ч.» -- меньше, «ч.д.а.» -- значительно меньше, «х.ч.» -- меньше всего. С маркой «о.ч.» выпускаются лишь некоторые продукты. Допустимое содержание примесей в химическом продукте той или иной квалификации устанавливается государственными стандартами.

Ежедневно мы можем видеть, как вещества подвергаются различным изменениям, например, свинцовая пуля, ударившись о камень, нагревается так сильно, что свинец плавится, превращаясь в жидкость; стальной предмет, находящийся под действием влаги, покрывается ржавчиной; дрова в печи сгорают, оставляя кучку пепла, опавшие листья деревьев постепенно истлевают, превращаясь в перегной и т.д.

При плавлении свинцовой пули ее механическое движение переходит в тепловое, но этот переход не сопровождается химическим изменением свинца, так как твердый и жидкий свинец представляет одно и то же вещество. Но если тот же свинец в результате длительного нагревания на воздухе превращается в оксид свинца, то получается новое вещество с совершенно иными свойствами. Точно так же при гниении листьев, появлении ржавчины на стали, горении дров образуются совершенно новые вещества.

Химическими называются явления, при которых из одних веществ образуются другие, новые вещества, а наука, изучающая превращение вещества, называется химией. Она изучает состав и строение веществ, зависимость их свойств от состава и строения веществ, условия и пути превращения одних веществ в другие.

Химические изменения всегда сопровождаются изменениями физическими, поэтому химия и физика тесно связаны. Химия также тесно связана с биологией, так как биологические процессы сопровождаются непрерывными химическими превращениями. Однако каждая форма движения имеет свои особенности, и химические явления не сводятся к физическим процессам, а биологические -- к химическим и физическим.

Для того чтобы установить свойства вещества, нужно иметь его в чистом виде, но в чистом виде вещества в природе не встречаются. Природные вещества представляют из себя смеси, состоящие иногда из очень большого числа различных веществ. Так, например, природная вода всегда содержит растворенные в ней соли и газы. Иногда очень малое содержание примеси может привести к очень сильному изменению некоторых свойств вещества. Например, содержание в цинке лишь сотых долей железа или меди ускоряет его взаимодействие с соляной кислотой в сотни раз. Когда одно из веществ находится в смеси в преобладающем количестве, вся смесь обычно носит его название.

Вещество может состоять из одинаковых по составу и строению химических частиц - в этом случае его называют чистым, или индивидуальным, веществом. Если же частицы разные, то - смесью. Индивидуальное вещество - химическое вещество,состоящее из химических частиц, одинаковых по составу и строению.

(В настоящее время в химии нет общепринятого всеобъемлющего определения этого понятия)

Это относится как к молекулярным, так и к немолекулярным веществам. Например, молекулярное вещество " вода" состоит из одинаковых по составу и строению молекул воды, а немолекулярное вещество " поваренная соль" состоит из одинаковых по составу и строению кристалликов поваренной соли.

Большинство природных веществ представляет собой смеси. Например, воздух - смесь молекулярных веществ " азота" и " кислорода" с примесями других газов, а горная порода " гранит" - смесь немолекулярных веществ " кварца" , "полевого шпата" и " слюды" также с различными примесями.

Индивидуальные химические вещества часто называют просто веществами.

Химические вещества могут содержать атомы только одного химического элемента или атомы разных элементов. По этому признаку вещества делят на простые и сложные. Простое вещество - индивидуальное вещество,в состав которого входят атомы только одного элемента.

Например, простое вещество " кислород" состоит из двухатомных молекул кислорода, а в состав вещества " кислород" входят только атомы элемента кислорода. Другой пример: простое вещество " железо" состоит из кристаллов железа, а в состав вещества " железо" входят только атомы элемента железа. Исторически сложилось так, что обычно простое вещество имеет то же название, что и элемент, атомы которого входят в состав этого вещества.

Однако некоторые элементы образуют не одно, а несколько простых веществ. Например, элемент кислород образует два простых вещества: " кислород" , состоящий из двухатомных молекул, и " озон" , состоящий из трехатомных молекул. Элемент углерод образует два широко известных немолекулярных простых вещества: алмаз и графит. Такое явление называется аллотропией. Аллотропия - образование одним химическим элементом нескольких простых веществ.

Эти простые вещества называются аллотропными модификациями. Они одинаковы по качественному составу, но отличаются друг от друга строением. Сложное вещество - индивидуальное вещество,в состав которого входят атомы разных элементов

Так, сложное вещество " вода"состоит из молекул воды, которые, в свою очередь, состоят из атомов водорода и кислорода. Следовательно, атомы водорода и атомы кислорода входят в состав воды. Сложное вещество " кварц" состоит из кристаллов кварца, кристаллы кварца состоят из атомов кремния и атомов кислорода, то есть атомы кремния и атомы кислорода входят в состав кварца. Конечно, в состав сложного вещества могут входить атомы и более чем двух элементов.

Сложные вещества иначе называют соединениями.

Каждый из объектов материальной системы (кроме элементарных частиц) сам является системой, то есть состоит из других, более мелких, объектов, связанных между собой. Итак, любая система сама является сложным объектом, а почти все объекты представляют собой системы. Например, важная для химии система - молекула - состоит из атомов, связанных между собой химическими связями. Другой пример: атом. Он также представляет собой материальную систему, состоящую из атомного ядра и связанных с ним электронов .

Каждый объект можно более или менее подробно описать или охарактеризовать, то есть перечислить его характеристики.

В химии объектами являются, прежде всего, вещества. Химические вещества бывают самые разнообразные:жидкие и твердые, бесцветные и окрашенные, легкие и тяжелые, активные и инертные и так далее. Одно вещество от другого отличается по целому ряду признаков, которые, как вы знаете, называются характеристиками. Характеристика вещества - особенность, присущая данному веществу.

Существуют самые разнообразные характеристики веществ: агрегатное состояние, цвет, запах, плотность, способность плавиться, температура плавления, способность разлагаться при нагревании, температура разложения, гигроскопичность (способность поглощать влагу), вязкость, способность взаимодействовать с другими веществами и многие другие. Важнейшие из этих характеристик - состав и строение. Именно от состава и строения вещества зависят все его остальные характеристики, в том числе и свойства.

Различают качественный состав и количественный состав вещества.

Чтобы описать качественный состав вещества, перечисляют, атомы каких элементов входят в состав этого вещества.

При описании количественного состава молекулярного вещества указывают атомы каких элементов и в каком количестве образуют молекулу данного вещества.

При описании количественного состава немолекулярного вещества указывают отношение числа атомов каждого из элементов, входящих в состав этого вещества.

Под строением вещества понимают а) последовательность соединения между собой атомов, образующих данное вещество; б) характер связей между ними и в) взаимное расположение атомов в пространстве.

Вещество остается самим собой, то есть химически неизменным, до тех пор, пока сохраняются неизменными состав и строение его молекул (для немолекулярных веществ - пока сохраняется его состав и характер связей между атомами).

Как и для других систем, среди характеристик веществ в особую группу выделяются свойства веществ, то есть их способность изменяться в результате взаимодействия с другими телами или веществами, а также в результате взаимодействия составных частей данного вещества.

Второй случай довольно редкий, поэтому свойства вещества можно определить как способность этого вещества определенным образом изменяться при каком-либо внешнем воздействии. А так как внешние воздействия могут быть самыми разнообразными (нагревание, сжатие, погружение в воду, смешивание с другим веществом и тому подобное) то и изменения они могут вызвать тоже различные. При нагревании твердое вещество может расплавиться, а может и разложиться без плавления, превратившись в другие вещества. Если вещество при нагревании плавится, то мы говорим, что оно обладает способностью плавиться. Это свойство данного вещества (оно проявляется, например, у серебра и отсутствует у целлюлозы). Также и жидкость при нагревании может закипеть, а может и не закипеть, а тоже разложиться. Это - способность кипеть (она проявляется, например, у воды и отсутствует у расплавленного полиэтилена). Погруженное в воду вещество может раствориться в ней, а может и не раствориться, это свойство - способность растворяться в воде. Бумага, поднесенная к огню, на воздухе загорается, а золотая проволока - нет, то есть бумага (вернее, целлюлоза) проявляет способность гореть на воздухе, а золотая проволока не обладает этим свойством. Различных свойств у веществ очень много.

Способность плавиться, способность кипеть, способность деформироваться и тому подобные свойства относятся к физическим свойствам вещества.

Физические свойства вещества - свойства, проявляемые веществом в процессах, при которых вещество остается химически неизменным.

Химические свойства вещества - свойства, проявляемые веществом в процессах, при которых оно превращается в другое или другие вещества.

Катализаторы и биокатализаторы

Катализамтор -- вещество, ускоряющее реакцию, но не входящее в состав продуктов реакции (Химическая энциклопедия). Количество катализатора, в отличие от других реагентов, после реакции не изменяется. Обеспечивая более быстрый путь для реакции, катализатор реагирует с исходным веществом, получившееся промежуточное соединение подвергается превращениям и в конце расщепляется на продукт и катализатор. Затем катализатор снова реагирует с исходным веществом, и этот каталитический цикл многократно (до миллиона раз) повторяется.

Многие реакции протекают очень медленно, если просто смешать реагирующие вещества, но их можно значительно ускорить путем введения некоторых других веществ называемых катализаторами. При реакции они не расходуются. При этом большее число молекул может преодолеть более низкий энергетический барьер, что приводит к увеличению скорости реакции. Он только ускоряет реакцию, которая может происходить и без него, но значительно медленнее.

Очень большое число катализаторов, называемых ферментами, содержится в живых тканях. Наиболее известные ферменты пищеварительной системы -- птиалин, содержащийся в слюне, и пепсин, вырабатываемый поджелудочной железой. Оба эти фермента способствуют разрушению больших молекул, например, крахмала и белка, на более простые молекулы, которые могут непосредственно усваиваться клетками организма. Помимо сравнительно небольшого числа ферментов пищеварительной системы, существует большое количество других ферментов, принимающих участие в биохимических реакциях. Специфическое действие катализатора во многих случаях еще не выяснено. Поиск подходящего катализатора для каждой реакции обычно требует большой экспериментальной работы.

Биокатализаторы, то же, что ферменты,

Фермемнты или энзиммы (от лат. fermentum, греч. жэмз, ?нжхмпн -- дрожжи, закваска) -- обычно белковые молекулы или молекулы РНК (рибозимы) или их комплексы, ускоряющие (катализирующие) химические реакции в живых системах. Реагенты в реакции, катализируемой ферментами, называются субстратами, а получающиеся вещества -- продуктами. Ферменты специфичны к субстратам (АТФаза катализирует расщепление только АТФ, а киназа фосфорилазы фосфорилирует только фосфорилазу). Ферментативная активность может регулироваться активаторами и ингибиторами (активаторы -- повышают, ингибиторы -- понижают). Белковые ферменты синтезируются на рибосомах, а РНК -- в ядре.

Термины «фермент» и «энзим» давно используют как синонимы (первый в основном в русской и немецкой научной литературе, второй -- в англо- и франкоязычной).

Наука о ферментах называется энзимологией, а не ферментологией (чтобы не смешивать корни слов латинского и греческого языков).

Полимеры и мономеры

Полимеры - высокомолекулярные соединения, молекулы которых имеют линейное строение и состоят из большого числа повторяющихся комплексов. Полимеры - это гигантские химические молекулы, образуемые в результате последовательного присоединения к друг другу тысяч и десятков тысяч простых молекул , так называемых мономеров. В вытянутом состоянии такие молекулы представляют собой длинную нить толщиной в одну молекулу. Звенья полимерной цепи связаны очень прочно, поэтому полимеры очень прочные на разрыв. Максимальная прочность достигается когда все нити параллельны друг другу, обеспечивая равномерную нагрузку. Реализуется максимальная прочность путем вытягивания в нити. Чем больше длина молекулы, тем прочнее связь. В итоге получается, что мономеры - газы, а полимеры - твердые тела. Первые полимерные продукты были получены в конце 19 века, однако основные представления о свойствах и природе полимеров стали известны только к началу сороковых годов. Именно тогда сформировалось основное представление о синтезе полимеров, главное в котором - чистота исходных мономеров. Так как даже малые примеси приводят к прекращению процесса полимеризации. К началу сороковых годов были созданы основные полимерные вещества: полистирол, полихлорвинил, полиамиды, полиэфиры и так далее. В тридцатых годах под руководством С.В. Лебедева было начато производство синтетического каучука. В то же время были открыты кремнийорганические полимеры, которые являются хорошими диэлектриками

Мономемр (с греч. mono "один" и meros "часть") -- это небольшая молекула, которая может образовать химическую связь с другими мономерами и составить полимер.

Стоит отметить, что другие низкомолекулярные вещества принято называть димерами, тримерами, тетрамерами, пентамерами и т.д., если они, соответственно, состоят из 2, 3, 4, и 5-ти мономеров. Приставку олиго- (сахариды, меры, пептиды) добавляют в общем случае, когда полимер состоит из небольшого количества мономеров.

Мономеры могут быть как органическими, так и неорганическими.

Примерами органических мономеров могут служить молекулы углеводородов, такие, как алкены и арены. К примеру, полимеризация этена приводит к образованию такой широко известной пластмассы, как полиэтилен. Липиды также являются составленными из мономеров жирных кислот и глицерина. Также в промышленности широко используют акриловые мономеры -- акриловую кислоту, акриламид.

В результате полимеризации природных мономеров -- аминокислот, образуются белки. Мономеры глюкозы образуют различные полисахариды -- гликоген, крахмал

Характер любой системы, как известно, зависит не только от ее строения и состава ее элементов, но и от их взаимодействия. Именно такое взаимодействие определяет специфические, целостные свойства самой системы. Поэтому при исследовании разнообразных веществ и их реакционной способности ученым приходится заниматься и изучением их структур. Соответственно уровню достигнутых знаний менялись и представления о химической структуре веществ.



Вывод

Для формирования у современного человека естественнонаучного способа мышления, целостного мировоззрения необходимы и знания основных положений химии, как одной из важнейших наук, ее исторического развития и современного понимания роли химии для жизни и деятельности человека.

Роль развития химии как науки, в развитии естественнонаучных знаний - одна из ключевых ролей. Будучи составной частью в истории формирования общей естественнонаучной картины мира, история познания химических свойств вещества, история практического овладения им, тесно переплеталась с историей развития отношения человека с окружающим миром.

Люди всегда проявляли интерес к практической стороне развития химии, затем, на более поздних этапах становления химических знаний - к методологической стороне.

...