СКЛАД РЕЧОВИНИ І ХІМІЧНІ СИСТЕМИ

У темряві повинні звертатися фізики, а особливо хіміки, не знаючи внутрішніх нечутливих частинок будови.

М. В. Ломоносов

В даний час хімічним елементом називають речовина, всі атоми якого мають однаковий зарядом ядра, хоча і разлічаютс по своїй масі, внаслідок чого атомні ваги елементів не виражаютс цілими числами.

Молекулою як і раніше називають найменшу частку речовини, яка визначає його властивості і може існувати самостійно. Однак до молекул тепер відносять також різноманітні інші квантово-механічні системи (іонні, атомні монокристали, полімери та інші макромолекули). Останнє особливо важливо для ясног розуміння структури з точки зору системного підходу, де під структурою розуміють впорядковану зв'язок і взаємодія між елементами системи, внаслідок чого і виникають нові цілісні її властивості. У такій хімічній системі, як молекула, саме специфічно характер взаємодії складових її атомів визначає властивостей молекули.

Хімія вивчає процеси перетворення молекул при взаємодіях і при впливі на них зовнішніх факторів (теплоти, світла, електричного струму, магнітного поля), під час яких утворюються нові хімічні зв'язки. Під хімічним зв'язком розуміється результат взаимодействи між атомами, що виражається в створенні певної конфігураци атомів, що відрізняє один тип молекули від іншого. Хімічні зв породжують взаємодія електронних оболонок атомів. Якщо атомна конфігурації підходять один до одного, виникає одна округла структура дещо більша, ніж до цього був кожен атом окремо. Так виходить насичена молекула, і приєднати до неї ще якийсь ато майже неможливо, тобто хімічні зв'язки відрізняються насиченістю З введенням поняття валентності нею стали пояснювати будову і хімічні властивості молекул. Найбільш поширені чотири види хімічно зв'язків: іонна, ковалентний, металева і воднева. Хімічний зв'язок, здійснювана за рахунок утворення спільних для взаімодействующі атомів електронних пар, називається ковалентним зв'язком. Хімічного зв'язку, в основі якої лежить електростатична взаємодія іонів називається іонної. Хімічна зв'язок, заснована на усуспільнення валентних електронів всіх атомів в кристалі, називається металевої хімічний зв'язок, обумовлена взаємодією полярних молекул однієї з яких є водень, називається водневої. Хімічно зв'язку можна розглядати з точки зору перетворення енергії: якщо пр створенні молекули її енергія менше, ніж сума енергій складових е ізольованих атомів, то вона може існувати, тобто її зв'язок стійка.

Кожна речовина характеризується певними фізичними і хімічними властивостями. Коли яке-небудь просте речовина вступає в хімічну реакцію і утворює нову речовину, то воно при цьому втрачає більшість своїх властивостей. Наприклад, залізо, з'єднуючись із сіркою, втрачає металевий блиск, ковкість, магнітні властивості та ін. Отже в сульфіді заліза немає заліза, яким ми знаємо його у вигляді простого речовини. Але так як з сульфіду заліза (Геб) за допомогою хімічних реакцій можна знову отримати металеве залізо, то кажуть, що у скла сульфіду заліза входить елемент залізо, розуміючи під цим той матеріал з якого складається металеве залізо. Точно так же водень (Н) У і кисень (О), що входять до складу води, містяться у воді не у вигляді газоподібних водню і кисню з їх характерними властивостями, а в вид елементів - водню і кисню. Якщо ж елементи знаходяться в «вільному стані», тобто не пов'язані хімічно ні з яким іншим елементом, то вони утворюють прості речовини.

Довгий час не робилося відмінності між елементом і простим речовиною. Поняття «елемент» в якості наукового терміну вперше використано Р. Бойл 1661 р З часів Бойля елементом вважали всяке просте речовина, яке можна отримати в результаті розкладання складних речовин, але яке не здатне до подальшого розкладання на ще більш прості речовини.

Першим був відкритий хімічний елемент фосфор в 1669 р, потім кобальт, нікель і ін. Відкриття французьким хіміком А. Л. Лавуазьє кисню і встановлення його ролі в освіті різних хімічно з'єднань дозволило відмовитися від колишніх уявлень про «вогненно матерії».

Численними експериментами М. В. Ломоносова також була спростована флогістону теорія окислення металу. Відповідно до цієї теорії процес окислення металу розглядався як реакція розкладання: У метал вважався складним речовиною, а окалина простим, тобто залізо - »В -» окалина + флогистон. М.В. Ломоносов, провівши експерименти в запаяних ретортах, встановив, що маса посудини з прожареним залізо не змінюється, якщо зважити, не розкриваючи його. Французький вчений А. Лавуазьє також показав, що горіння є реакція сполуки речовини з киснем повітря. Як відзначав Енгельс, Лавуазьє поставив на ноги нд хімію, яка в своїй флогистонной формі стояла на голові.

Початок XIX в. ознаменувалося відкриттям нових кількісних закономірностей. Розробка атомно-молекулярної теорії дозволила Дальтону висловити атомну гіпотезу і ввести в хімію поняття про відносне атомній вазі елементів і визначити атомні ваги деяких елементів. За Дальтону, елемент можна визначити як вид атомів, що характеризуються певним значенням атомного ваги, а прості речовин складаються з певного виду атомів, отже, прості речовин суть елементи. Плутанина була усунена пізніше, коли було встановлено що багато простих речовини освічені з молекул, а не з атомів Вперше Менделєєв в зв'язку з цим вказав на необхідність ясно розрізняти два поняття: елемент і проста речовина, або просте тіло. Есл простому (речовини) тілу відповідає поняття про частку, то елементу -про атомі. Вуглець є елемент, а вугілля, графіт і алмаз суть тіла прості.

Користуючись поняттям про хімічні елементи, можна сказати, що найважливіше завдання хімії полягає у вивченні властивостей елементів, в знаходженні загальних закономірностей в їх поведінці і у відносинах між собою. До середини XIX в. налічувалося вже 63 елемента, був накопичений досить багатий експериментальний матеріал, що стосується їх фізично і хімічних властивостей, і були встановлені групові загальні властивості Були зібрані відомості і про такі характеристики, як атомна маса елементів і їх валентність, тобто здатність утворювати різні форм сполук. Перш за все потрібно було вирішити основне питання: чи є хімічні елементи розрізненими, незалежними або він закономірно пов'язані між собою в єдину систему.

Перші спроби вирішення цього завдання ставляться до першій половині XIX ст. Доберейнером (1829 р) згрупував елементи в тріади, Одлінг (1857 г.) В розміщував 48 елементів в єдину таблицю з 13 груп подібних елементів де Шаркунтуа (1863 р), Ньюлендса розподілили 63 елемента в порядку зростання їх атомної маси, а німецьким хіміком Мейером була опублікована таблиця елементів, де були відсутні елементи: бор, алюміній і водень. Всього спроб класифікації було не менше п'ятдесяти, і все було по суті безуспішні. В основі невдач лежав метафізичний спосіб і мислення. Основоположником системного освоєння хімічних знані з'явився Д. І. Менделєєв. Він виходив з принципу, що будь-який точний знані представляє систему. Такий підхід дозволив йому в 1869 р відкрити періодичний закон і розробити Періодичну систему хімічних елементів, в якій основною характеристикою елементів є атомні ваги Диалектико-матеріалістичний підхід до систематизації елементів є основною причиною успіху Д.І. Менделєєва.

Періодична система елементів справила великий вплив на подальший розвиток хімії, вона стала могутнім знаряддям для подальших досліджень. На підставі періодичного закону Д. І. Менделєєв передбачив існування 12 нових елементів, причому для трьох з них (галій - Ga германій - Ge і скандій - Sc) описав докладно їх властивості. У течени півстоліття були виявлені в природі майже всі елементи, розташовані до урану. Дороговказом для пошуку і встановлення хімічно природи елементів з'явився періодичний закон і метод передбачення використаний Д.І. Менделєєвим. Періодичний закон і періодична система отримали своє повне підтвердження і подальший розвиток при встановленні будови атомів елементів. Періодичний зако став результатом системної упорядкованості хімічних знань. Сейча в хімії накопичені величезні фактичні дані про восьми мільйона індивідуальних хімічних сполук постійного складу і мільярдах сполук змінного складу.

Сучасна формулювання періодичного закону наступна: від величини позитивного заряду ядра атома залежать всі властивості елемента і його положення в періодичній системі. Теорія будови атом пояснює періодична зміна властивостей елементів при перехід від одного періоду до іншого: з ростом Z будова електронних оболоч атомів повторюється. Особливо це стосується зовнішніх енергетичних рівнів ній, на яких розташовані валентні електрони. В межах одного періоду зі збільшенням заряду ядра зовнішні шари заповнюються поступово, досягаючи своєї завершеності в атомах інертних газів. Ет послідовність повторюється в кожному періоді, внаслідок чого в ні спостерігається перехід від металів на початку періоду до неметалів і благородному газу в його кінці. У світлі теорії будови атома періодично закон отримав сучасну формулювання: властивості простих речовин а також форми і властивості з'єднань елементів знаходяться в періодичній залежності від величини заряду ядра атома.

Атомний вагу елемента визначається як середнє арифметичне величин мас ізотопів, з яких складається елемент. Атоми, обладающ однаковим зарядом ядра (і, отже, тотожними хімічними властивостями), але різним числом нейтронів, називають ізотопами Наприклад, хлор складається з двох ізотопів з масовими числами на 75,53% У з ізотопу 35 С1 і на 24,47% - з 37 С1, в результаті середня атомна мас хлору дорівнює 35,453. Відкриття ізотопів зажадало перегляду поняти хімічний елемент. Хімічний елемент - це вид атомів, що характеризується певною величиною позитивного заряду ядра. Існування хімічного елемента у вигляді кількох простих речовин називається аллотропией. Графіт, алмаз, вугілля - аллотропние видозміни елемента вуглецю.

З розвитком кількісних методів дослідження в хімії були накопичені експериментальні факти, узагальнення яких привело до відкриття так званих стехиометрических законів - закону сталості складу закону еквівалентів та закону кратних відносин. Саме ці закон сприяли остаточного затвердження в хімії атомно-молекулярного вчення. Основою хімічної науки є атомно-молекулярно вчення, закон збереження матерії, періодичний закон Д. І. Менделєєв і теорія хімічної будови.

Основні положення атомно-молекулярного вчення полягають в наступному:

  • 1. Речовини складаються з молекул; молекули різних речовин відрізняються хімічним складом, розмірами, фізичними і хімічними властивостями.
  • 2. Молекули перебувають у безперервному русі; між ними існує взаємне притягання і відштовхування. Швидкість руху молекулами залежить від агрегатного стану речовин.
  • 3. При фізичних явищах складу молекул залишається незмінним, пр хімічних - вони зазнають якісні і кількісні зміни і з одних молекул утворюються інші.
  • 4. Молекули складаються з атомів. Атоми характеризуються певними розмірами і масою. Властивості атомів одного і того ж елемент однакові і відрізняються від властивостей атомів інших елементів.

Маса атома, виражена в атомних одиницях маси (а.е.м.), називається відносною атомною масою. 1 а.е.м. = 1,667-10 -27 кг.

Елементи, з'єднуючись в різних кількісних співвідношеннях один з одним, утворюють хімічні сполуки - складні речовини. Що собою являє хімічна сполука? Чи володіє складна речовина змінним або постійним складом?

Відомий французький хімік Ш. Пруст на відміну від К. Бертолле вважав, що будь-яке хімічно чисте з'єднання незалежно від способу його отримання має цілком певний склад. Саме на цьому законі отримав назву закону сталості складу, він пояснив розрізни між хімічними сполуками і сумішами. Наприклад, С0 2 - вуглекислий газ можна отримати декількома способами: З + 0 2 - ^ С0 2 ; СаСОз -> В - »С0 2 + СаО, але в чистому С0 2 завжди міститься 27,29% С і 72,71% 0 по масі.

Багато елементів, з'єднуючись один з одним, можуть утворювати різні речовини, кожне з яких характеризується певним співвідношенням між масами цих елементів. Так, вуглець і кисень утворюють оксид вуглецю - СО і діоксид вуглецю - С0 2 . Вивчаючи подібні з'єднання, англійський учений Д. Дальтон встановив закон кратних відносин: Якщо два елементи утворюють один з одним кілька з'єднань то маси одного з елементів, що припадають в цих з'єднаннях на одн і ту ж масу іншого, відносяться між собою як невеликі числа.

Дальтон дотримувався атомної теорії будови речовини; вивчаючи властивості газів, відкрив закон парціальних тисків газів. Закон безпосередньо свідчив про те, що елементи входять до складу з'єднань лише певними порціями, що свідчить про безперервному будову речовини Розвиваючи атомно-молекулярну теорію, Дальтон ввів близьке до сучасного уявлення про атомах і про відносні атомних масах елементів. Але на відміну від закону збереження маси, справедливість которог повністю підтверджена відкриттями, зробленими після його встановлення закони сталості складу і кратних відносин виявилися не настільки загальними. У зв'язку з відкриттям ізотопів з'ясувалося, що співвідношення межд масами елементів, що входять до складу даної речовини, постійно лиш за умови сталості ізотопного складу цих елементів. Наприклад важка вода містить 20% (мас.) Водню, а звичайна вода - лише 11%.

На початку XX ст. (більш ніж через 100 років) російський вчений М.С. Кур-НАКів, вивчаючи сплави металів, відкрив з'єднання змінного складу, в яких на одиницю маси даного елемента може припадати різна маса іншого елемента. Для багатьох сполук змінного складу встановлені межі, в яких може змінюватися їх склад, і формул ТЮ 2 більш точно виражає свій склад у вигляді ТЮ { 9_ 2 0 Звичайно, таког роду формули вказують не на склад молекули (речовини мають атомну структуру), а лише відображають кордону складу речовини. Періодична система являє приклад упорядкованого кінцевого счетног безлічі хімічних елементів. А чи можна подібним чином впорядкувати безліч хімічних сполук, число яких хоч і велике але не безмежне. І ось виявилося, що речовини з однаковими сумами атомних номерів, молекулярних мас і плотностями мають надзвичайно близькими фізико-хімічними властивостями. Досить знат хімічний склад речовини і його щільність, щоб передбачити і все ег інші властивості. Н. С. Курнаков запропонував назвати сполуки - бертолоідамі в честь К. Бертолле, який вперше передбачив існування речовин змінного складу.

Таким чином, існує великий клас сполук, які не підкоряються стехиометрическим законам, тобто порушення законів пов'язано з цілком визначеним агрегатним станом речовини.

В принципі немає чіткої межі між сполуками постійного і змінного складу з точки зору сучасної фізики. З'єднання може бути утворено і з атомів одного хімічного елемента - проста речовина. Складне речовина утворена з атомів різної природи, тобто до складу молекули складних речовин входять різні елементи Вода утворена атомами водню і кисню, а речовина кислоро тільки з молекул одного елементу - кисню. Але один елемент кисень утворює два аллотропних видозміни простих речовин - кисень і озон, які відрізняються будовою, структурою, фізичним і хімічними властивостями.

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >