Учение о составе вещества.

На этом уровне решались вопросы определения химического элемента, химического соединения и получения новых материалов на базе более широкого использования химических элементов.

Первое научное определение химического элемента, как «простого тела», сформулировал в XVII в. английский химик и физик Р. Бойль.Но в это время еще не было открыто ни одного из них. Первым был открыт химический элемент фосфор в 1669 г., потом кобальт, никель и другие.

Рис. 1. Основные концепции химической науки.

Но еще и в XVIII веке железо, медь и другие, известные в то время металлы, ученые рассматривали как сложные тела, а окалину, получающуюся при их нагревании - за простое тело. Но окалина – это оксид металла, сложное тело.

Ошибочное представление, существовавшее в XVIII веке, было связано с ложной гипотезой флогистона немецкого врача и химика Георга Шталя (1660 - 1734). Он считал, что металлы состоят из окалины и флогистона (от греч. flogizein - зажигать, гореть), особого невесомого вещества, которое при нагревании улетучивается и остается чистый элемент. В состав пчелиного воска и угля, по его мнению, входит преимущественно флогистон, который при горении улетучивается и в результате остается лишь немного золы.

Открытие французским химиком А. Л. Лавуазье кислорода и установление его роли в образовании различных химических соединений позволило отказаться от прежних представлений о флогистоне. Лавуазье впервые систематизировал химические элементы на базе имевшихся в XVIII в. знаний. Постепенно химики открывали все новые и новые химические элементы, описывали их свойства и реакционную способность и благодаря этому накопили огромный эмпирический материал, который необходимо было привести в определенную систему. Такие системы предлагались разными учеными, но были весьма несовершенными потому, что в качестве системообразующего фактора брались несущественные, второстепенные и даже чисто внешние признаки элементов.

Великая заслуга Д. И. Менделеева состоит в том, что, открыв в 1869 г. периодический закон, он заложил фундамент для построения подлинно научной системы химических элементов. В качестве системообразующего фактора он выбрал атомный вес. В соответствии с атомным весом он расположил химические элементы в систему и показал, что их свойства находятся в периодической зависимости от величины атомного веса. До системного подхода Менделеева учебники по химии были очень громоздки. Так, учебник химии Л.Ж. Тенара состоял из 7 томов по 1000 – 1200 страниц каждый.

Периодический закон Д. И. Менделеева сформулирован в следующем виде: «Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов».

Это обобщение давало новые представления об элементах, но в силу того, что еще не было известно строение атома, физический смысл его был недоступен. В современном представлении этот периодический закон выглядит следующим образом: «Свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атома (порядкового номера)». Например, элемент хлор имеет два изотопа[14], отличающиеся друг от друга по массе атома. Но оба они относятся к одному химическому элементу — хлору из-за одинакового заряда их ядер. Атомный же вес является средним арифметическим величин масс изотопов, из которых состоит элемент.

В Периодической системе Д.И. Менделеева насчитывалось 62 элемента, в 1930-е гг. она заканчивалась ураном (Z = 92). В 1999 г. было сообщено, что путем физического синтеза атомных ядер открыт 114-й элемент.

Длительное время химикам казалось очевидным, что именно относится к химическим соединениям, а что — к простым телам или смесям. Однако применение в последнее время физических методов исследования вещества позволило выявить физическую природу химизма, т.е. те внутренние силы, которые объединяют атомы в молекулы, представляющие собой прочную квантово-механическую целостность. Такими силами оказались химические связи.

Химическая связь является таким взаимодействием, которое связывает отдельные атомы в более сложные образования, в молекулы, ионы, кристаллы, т.е. в те структурные уровни организации материи, которые изучает химическая наука. Химические связи представляют собой обменное взаимодействие электронов с соответствующими характеристиками. Речь идет, прежде всего, об электронах, расположенных на внешней оболочке и связанных с ядром наименее прочно. Их назвали валентными электронами. В зависимости от характера взаимодействия между этими электронами выделяют типы связи.

Ковалентная связьосуществляется за счет образования электронных пар, в одинаковой мере принадлежащих обоим атомам.

Ионная связьпредставляет собой электростатическое притяжение между ионами, образованное за счет полного смещения электрической пары к одному из атомов, например, NaCl.

Металлическая связь — это связь между положительными ионами в кристаллах атомов металлов, образующаяся за счет притяжения электронов, но перемещающаяся по кристаллу в свободном виде.

Дальнейшее развитие науки позволило уточнить, что свойства химических элементов зависят от заряда ядра атомов, который определяется числом протонов или соответственно электронов. В настоящее время химическим элементом называют совокупность атомов с конкретным зарядом ядра Z, хотя и различающихся по своей массе, вследствие чего атомные веса элементов не всегда выражаются целыми числами.

Простое вещество – это форма существования химического элемента в свободном состоянии. Однако, к примеру, даже газообразный (не говоря уже о жидком и твердом агрегатном состоянии) водород существует в двух разновидностях, различающихся магнитной ориентацией ядер Н – ортоводород и параводород. Они различаются, к примеру, теплоемкостью. Существует также две разновидности газообразного и четыре – жидкого кислорода. Поэтому простых веществ насчитывается св. 500, в то время как химических элементов – чуть более ста.

С позиций атомизма решается также проблема химического соединения. Что считать смесью, а что химическим соединением? Обладает ли такое соединение постоянным или переменным составом?

Французский химик Жозеф Пруст (1754 – 1826) считал, что любое химическое соединение должно обладать вполне определенным, неизменным составом: «…природа дала химическому соединению постоянный состав и тем самым поставила его в совершенно особое положение по сравнению с раствором, сплавом и смесью»[15]. При этом состав химического соединения не зависит от способа его получения.

Впоследствии закон постоянства состава с позиций атомно-молекулярного учения обосновал выдающийся английский химик Джон Дальтон (1766 - 1844). Он ввел в науку понятие «атомный вес» и утверждал, что всякое вещество, простое или сложное, состоит из мельчайших частиц - молекул, которые в свою очередь образованы из атомов. Именно молекулы являются наименьшими частицами, обладающими свойствами вещества.

Долгое время сформулированный Прустом закон постоянства химического состава считался абсолютной истиной, хотя другой французский химик Клод Бертолле (1748 – 18232) указывал на существование соединений переменного состава в форме растворов и сплавов. Впоследствии были найдены более убедительные доказательства существования химических соединений переменного состава в школе известного русского физикохимика Николая Семеновича Курнакова (1860 - 1940). В честь К. Бертолле он назвал их бертоллидами. К ним он отнес те соединения, состав которых зависит от способа их получения. Например, соединения таких двух металлов, как марганец и медь, магний и серебро и других характеризуются переменным составом, но они составляют единые химические соединения. Со временем химики открыли другие соединения такого же переменного состава и пришли к выводу, что они отличаются от соединений постоянного состава тем, что не обладают специфическим молекулярным строением.

Поскольку выяснилось, что природа соединения, то есть характер связи атомов в его молекуле зависит от их химических связей, то расширилось и представление о молекуле. Молекулой по-прежнему называют наименьшую частицу вещества, которая определяет его свойства и может существовать самостоятельно. Однако к молекулам теперь относят также разнообразные другие квантово-механические системы (ионные, атомные монокристаллы, полимеры, возникающие на основе водородных связей, и другие макромолекулы). В них химическая связь осуществляется не только путем взаимодействия внешних, валентных электронов, но и ионов, радикалов и других компонентов. Они обладают молекулярным строением, хотя и не находятся в строго постоянном составе.

Таким образом, ныне исчезает резкое прежнее противопоставление химических соединений постоянного состава, обладающих специфическим молекулярным строением, и соединений переменного состава, лишенных этой специфики. Теряет также силу отождествление химического соединения с молекулой, состоящей из нескольких разных атомов химических элементов. В принципе молекула соединения может состоять и из двух или нескольких атомов одного элемента: это молекулы Н₂, О₂, графит, алмаз и другие кристаллы.

Ныне имеются сведения о 8 млн. индивидуальных химических соединений постоянного и миллиардах – переменного состава.

В рамках учения о составе и строении элементов важное место занимаетпроблема производства новых материалов.Речь идет о включении в их состав новых химических элементов. Дело в том, что 98,7% массы слоя Земли, на котором осуществляет свою производственную деятельность человек, составляют восемь химических элементов: 47,0% — кислород, 27,5% — кремний, 8,8% — алюминий, 4,6% — железо, 3,6% — кальций, 2,6% — натрий, 2,5% — калий, 2,1% — магний. Однако эти химические элементы распределены на Земле неравномерно и также неравномерно используются. Более 95% изделий из металла в своей основе содержат железо.Такое потребление ведет к дефициту железа. Поэтому стоит задача использовать для человеческой деятельности и другие химические элементы, способные заменить железо, в частности, наиболее распространенный кремний. Силикаты, различные соединения кремния с кислородом и другими элементами составляют 97% массы земной коры.

На основе современных достижений химии появилась возможность замены металлов керамикой не только как более экономичным продуктом, но во многих случаях и как более подходящим конструкционным материалом по сравнению с металлом. Более низкая плотность керамики (40%) дает возможность снизить массу изготовляемых из нее предметов. Включение в производство керамики новых химических элементов: титана, бора, хрома, вольфрама и других позволяет получать материалы с заранее заданными специальными свойствами (огнеупорность, термостойкость, высокая твердость и т.д.).

Во второй половине XX в. стали использоваться все новые и новые химические элементы в синтезе элементоорганических соединений от алюминия до фтора. Часть таких соединений служит в качестве химических реагентов для лабораторных исследований, а другая — для синтеза новейших материалов.

Около 10 лет назад насчитывалось более 1 млн. разновидностей продукции, выпускаемой химической промышленность. Ныне в химических лабораториях нашей планеты ежедневно синтезируется 200 – 250 новых химических соединений.