следующий важный этап развития периодичного закона (1912 г.) связан с работами Мозли, которые показали, что истинной основой этого закона являются не атомные веса, а (+) заряды ядер атомов, численно выражаемые (в единицах заряда электронов) атомными номерами соответствующих элементов.

    Контрольные вопросы

 

    1. Опишите иерархию организации  материи, которая существует в  природе.

    2. Назовите основной принцип, по  которому Менделеев строил периодическую  систему химических элементов?

    3. В чем причина периодических  изменений физических и химических свойств элементов?

    4. Какие электроны называются валентными?       
 

    Лекция  №9 

    Тема: Уровни развития химических знаний

    (с. 92 -4 /1/; с. 184 - 196 /2/, с. 48-50 Ю) . 

• Учение  о составе вещества.
• Основные законы химии: а) Пруста; б) Дальтона; в) Авогадро.

 

    Учение  о составе вещества 

    На  каждом из четырех исторических этапов «добычи» химических знаний возникали  свои задачи, которые требовали решения. Методы и способы их решения не всегда были гладкими и достоверными. Пути исследования ученых часто были запутаны и не просты, чем-то напоминали лабиринт, в котором можно легко заблудиться. Сколько было выдвинуто химиками ложных гипотез, которые в дальнейшем были опровергнуты! Природа не торопилась раскрывать свои тайны, ставя исследователей в тупик на каждом историческом этапе ее познания.

    Рассмотри основные проблемы, стоявшие перед учеными на самом первом этапе – этапе изучения состава вещества.

1. Проблема химического элемента.
2. Проблема химического соединения.
3. Проблема создания новых материалов, в состав которых входят вновь открываемые химические элементы.

    Решение проблемы химического  элемента

    Исторические  корни решения этой проблемы уходят в глубокую древность. В Древней  Греции возникают первые атомистические теории о строении мира и в противовес им – представления об элементах; свойствах и  элементах, - качествах, подхваченных позже ложными учениями алхимиков. Как мы уже знаем, именно Р. Бойль положил начало современному представлению о химическом элементе как о «простом» теле или как о пределе химического разложения вещества. Казалось, что теперь химия превратилась в настоящую науку, положив конец всем алхимическим заблуждениям, но, увы, радость химиков была преждевременной! Дальше их ждали ошибки.

    Дело  в том, что химики, стремясь получить «простые вещества», пользовались при  этом самым распространенным методом – прокаливанием «сложных веществ». Прокаливание же приводило к окалине, которую и принимали за новый элемент. Соответственно, металлы – железо, например, принимали за сложные тела, состоящие из соответствующего элемента и универсального «невесомого тела» - флогистона (флогистос – греч. зажженный). Теория флогистона (ложная по своей сути) была первой научной химической теорией и послужила толчком к множеству исследований. В 1680 – 1760 гг. появились точные количественные методы анализа вещества, а они, в свою очередь, способствовали открытию истинных химических элементов. В это время были открыты фосфор, кобальт, никель, водород, фтор, азот, хлор и марганец. 

    Основные  законы химии: а) Пруста; б) Дальтона; в) Авогадро 

    Мир помнит о вкладе Лавуазье в решение проблемы химического элемента, но он помнит и о работах другого французского химика Ж. Пруста, который в 1801 – 1808 гг. установил закон постоянства состава, согласно которому любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным, неизменным составом – прочным притяжением составных частей (атомов) и тем самым отличается от смесей.

    Закон постоянства состава  Пруста (1801 -  1808 гг). Всякое  чистое вещество независимо от его происхождения и способа получения имеет один и тот же состав.

    Закон кратных отношений  Дж. Дальтона

    Теоретическое обоснование закона Пруста было дано англичанином Дж. Дальтоном, являющимся автором другого основополагающего  закона в учении о составе веществ  – закона кратных отношений. Он показал, что все вещества состоят из молекул, а все молекулы в свою очередь, - из атомов, и что состав любого вещества можно представить себе как простую формулу типа АВ, АВ₂, А₂В₃ и т.д., где символы А и В обозначают названия двух атомов, из которых состоит молекула. Согласно этому закону эквивалентов «составные части молекулы» - атомы А и В могут замещаться на другие атомы С и D, например, согласно реакциям:

    АВ + С → АС +  В или А₂В₃ + 3D → A₂D₃ + 3В

    Итак, дадим точную формулировку закону кратных  отношений.

    Закон кратных отношений Дальтона (1803 г): Если определенное количество одного элемента вступает в соединение с другим элементом в нескольких весовых отношениях, то количество второго элемента относятся между собой как целые числа.

    Состав  химического соединения может быть только постоянным. В дальнейшем благодаря трудам Н.Я. Берцелиуса, Д.Л. Гей-Люссака, Ю. Либиха и других ученых, закон постоянства состава вещества был окончательно утвержден и стал одним из основополагающих законов химии.

    Закон А. Авогадро о постоянстве  количества молекул в данном объеме.

    Молекулярная  теория строения вещества позволила  по-новому взглянуть на процессы, происходящие в газовой фазе и дала начало науке, стоящей на стыке физики и химии  – молекулярной физике. Настоящей  сенсацией стало открытие закона Авогадро в 1811 г. Итальянский ученый Амадео Авогадро (1776 – 1856) установил, что при одинаковых физических условиях (давлении и температуре) равные объемы различных газов содержат равное число молекул. Другими словами, это означает, что грамм-молекула любого газа при одинаковой температуре и давлении занимает один и тот же объем. Он даже смог рассчитать этот объем для стандартных  физических условий. При давлении 760 мм рт. столба и при температуре 0⁰С он был равен 22,4 л, точнее 22,414 л. В этом объеме при названных условиях находится 6,023 · 10²³ молекул газообразного вещества (число Авогадро). Однако развитие химии и изучение все большего числа соединений приводили химиков к мысли, что наряду с веществами, имеющими определенный состав, существуют еще и соединения переменного состава – и это явилось причиной пересмотра представлений о молекуле в целом. Молекулой, как и прежде, продолжали называть наименьшую частицу вещества, способную определять его свойства и существовать самостоятельно, но теперь к молекулам стали относить и такие необычные квантово-механические системы, как ионные, атомные и металлические монокристаллы, а также полимеры, образованные за счет водородных связей. В результате применения физических методов исследования вещества стало ясно, что свойства реального тела определяются не столько тем, постоянен или не постоянен состав химического соединения, а скорее физической природой химизма, т.е. природой тех сил, которые заставляют несколько атомов объединяться в одну молекулу.

    Поэтому теперь под химическим соединением понимают определенное вещество, за счет взаимодействия друг с другом объединенные в частицу, обладающую  устойчивой структурой – молекулу, комплекс, монокристалл или иной агрегат. Это молекулы водорода, хлора, графита, алмаза и т.д.

    Особое  положение в ряду молекулярных частиц занимают макромолекулы полимеров. Они содержат большое число повторяющихся, химически связанных друг с другом в единое целое структурных единиц – фрагментов мономерных молекул, обладающих одинаковыми химическими свойствами.

    Дальнейшее  усложнение химической организации  материи идет по пути образования  более сложной совокупности взаимодействующих  атомных и молекулярных частиц, так  называемых молекулярных ассоциатов и  агрегатов, а также их комбинации. При образовании агрегатов изменяется фазовое состояние системы, чего не происходит при образовании ассоциатов. Напомним, что фазовое состояние – это основное физическое состояние, в котором может существовать любое вещество (газ, жидкость, твердое тело). 
 
 

    Схема усложнения частиц вещества

    

      
 
 

    Контрольные вопросы

 

1. В чем состоит  задача химии?
2. Какие основные факторы влияют на свойства получаемых веществ?
3. Что в настоящее время понимается под химическим соединением?

 
 

    Лекция  №10 

    Тема: Структурная химия

    (с. 94 - 114 /1/; с. 199-207 /2/)  

• Учение  о химических процессах.
• Методы управления химическим процессом.

 

    Учение  о химических процессах – это  такая область науки, в которой  существует наиболее глубокое взаимопроникновение  физики, химии и биологии. В основе этого учения находятся химическая термодинамика и кинетика, поэтому все это учение о химических процессах в равной степени относится как к химии, так и к физике. Основоположник этого учения лауреат Нобелевской премии Н.Н. Семенов говорил о том, что «химический процесс есть то основное явление, которое отличает химию от физики, делает первую более сложной наукой». И действительно, химические процессы являются как бы первой ступенькой при восхождении от таких относительно «простых» понятий как электрон, протон, атом к сложным, многоуровневым живым системам. В этом смысле химия является как бы мостиком, перекинутым от пунктуальной царицы наук, имеющей на все свое объяснение, от ее Величества Физики к многогранной, динамичной, имеющей многоуровневую организацию Биологии. Физика, объясняя химические процессы на своем языке, по сути закладывает научный фундамент и для биологии, так как в основе жизнедеятельности любого живого организма лежат биохимические процессы.

    Существует  большое количество решаемых проблем в связи с созданием учения о химических процессах. Подробное их описание можно найти в любом современном учебнике по физической химии. Но, пожалуй, одной из самых основных проблем является задача создания методов, позволяющих управлять химическими процессами. Действительно, если бы эта задача была бы полностью решена, можно себе представить как прекрасно жилось бы химикам на производстве, -  все заранее известно: бери вещества в нужном соотношении, создавай соответствующие физические условия в химическом реакторе (температуру, давление и т.п.) и жди высоких результатов выхода химического продукта. Но на самом деле задача эта достаточно сложная. Большинство химических реакций – «строптивые кони», они находятся во власти стихии. Вспомните, например, реакцию взрыва или горения, которые так сложно остановить! Но существуют и такие реакции, которые просто не хотят «идти» сами по себе и химикам приходится стимулировать их осуществление.

    Какими  же методами пользуются химики для  того, чтобы управлять химическими процессами? В самом общем виде все методы управления можно подразделить на две большие группы: термодинамические и кинетические. Первая группа – термодинамические методы – это методы, влияющие на смещение химического равновесия реакции; вторая группа – кинетические методы – это методы, влияющие на скорость протекания реакции.

    На  скорость химической реакции может  влиять очень многое, даже стенки сосуда, в котором протекает реакция.

    Контрольные вопросы

 

1. Что следует  понимать под атомной и молекулярной структурой?
2. В чем сущность современных представлений о строении атома?
3. Из каких частей состоят макромолекулы полимеров?
4. Основные типы химических связей.
5. Какими уникальными свойствами обладают керамические изделия?

 

      
 
 
 

влияют 

на 
 
 
 
 

      Лекция  №11 

    Тема: Эволюционная химия

    (с. 153-155 /1/; с. 239-247 /2/)