Химическое соединение, химическая связь

3. Химическое соединение, химическая связь

Многообразие объектов, изучаемых в рамках химии, вовсе не исчерпывается только элементами и изотопами. Химические элементы объединяются в более сложные системы, называемые химическими соединениями. На уровне микромира это описывается как образование из атомов более сложных (составных) частиц – молекул.

► Молекула – это электронейтральная наименьшая совокупность атомов, образующих определенную структуру посредством так называемых химических связей.

Химическая связь представляет собой одно из фундаментальных физических взаимодействий – электромагнитное. Возможность вступить в химическую связь атомы получают за счет потери своей электронейтральности в результате отрыва одного или нескольких электронов (положительный заряд) или присоединения одного или нескольких электронов (отрицательный заряд). Далее противоположно заряженные частицы – ионы – притягиваются к другу, нейтрализуя свои заряды и образуя в итоге молекулу химического соединения, обладающую свойством электро-нейтральности. В данном примере рассмотрена так называемая ионная химическая связь, характеризующаяся наивысшей энергией связи, возможной среди всех ее типов. Другие известные типы химической связи – ковалентная, донорно-акцепторная и др. – также связаны с электромагнитными взаимодействиями; только в этих случаях происходит не отрыв электронов от атома, а их некоторое смещение от нейтрального положения, в результате чего также образуется некий заряд.

► Процесс образования молекул из атомов называется химической реакцией.

Периодическая система элементов определяет для каждого элемента:

♦ тип и заряд заряженной частицы (иона);

♦ типы химических соединений, в которые могут вступать атомы данного элемента, то есть, по сути, химические формулы молекул;

♦ типы химических связей, которые могут реализоваться в таких молекулах;

♦ типы химических реакций, в которые может вступать данный элемент.

Молекулы могут содержать атомы только одного элемента, в этом случае такие вещества называются простыми. Многочисленные примеры – существование чистых металлов (особенно химически инертных драгоценных металлов – золота, платины), инертных газов – неона, радона и др. У некоторых простых веществ молекулы состоят из двух и более одинаковых атомов – это так называемые двухатомные газы, например кислородО₂, галогены – газы фтор F₂ и хлор Cl₂, жидкость бром Br₂, твердое вещество йод J₂. Молекула известного газа озона содержит три атома кислорода по формуле О₃, а молекула белого фосфора – четыре атома фосфора Р₄.

Вещества, молекулы которых состоят из атомов разных элементов, называются сложными веществами, или химическими соединениями, например: соединения разных элементов с кислородом называются оксидами, с фтором – фторидами, с хлором – хлоридами. Все химические соединения объединены в классы, и названия соединений разных классов определяется согласно международным стандартам номенклатуры химических соединений ИЮПАК.

Традиционно химические соединения подразделяют на неорганические – соединения всех элементов Периодической системы, и органические – соединения углерода и некоторых других элементов, в которых атомы углерода соединены между собой в цепи (соответственно оформились фундаментальные направления химической науки – неорганическая и органическая химия). Всего химических соединений на настоящий момент известно несколько миллионов, и их количество постоянно растет за счет синтеза новых органических соединений.

В настоящее время известно 110 элементов, а число образуемых ими простых веществ – около 400. Такое различие объясняется способностью некоторых элементов существовать в виде различных простых веществ, отличающихся как по химическим, так и по физическим свойствам. Это явление получило название аллотропии, а сами различные вещества – аллотропными модификациями. Свойством образовывать аллотропные модификации обладают как простые вещества, например рассмотренные выше соединения двухатомный кислород и трехатомный озон (не менее известный пример – аллотропия углерода С: уголь, алмаз, графит, шунгит – химическая формула всех перечисленных соединений одна и та же), так и сложные соединения, например многочисленные аллотропные формы оксида кремния (речной песок, минерал кварц и др.) и оксида алюминия (глинозем и корунд).

4. Химическая реакция, ее скорость, кинетика и катализ, биокатализаторы

Для установления состава химических соединений очень важен закон постоянства их состава. Положения этого закона позволили химикам отделять настоящие химические соединения от простых смесей. Впервые в истории химии этот закон был сформулирован французским химиком Ж. Прустом в начале XIX в.:

► Любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным неизменным составом, прочным притяжением составных частей и тем самым отличается от смесей.

Теоретически закон постоянства состава обосновал английский естествоиспытатель Д. Дальтон в своем знаменитом законе кратных отношений: «соединения состоят из атомов двух или нескольких соединений, образующих определенные сочетания друг с другом». В его честь все химические соединения постоянного состава (а их подавляющее большинство среди веществ) называют дальтонидами.

Закон постоянства состава вещества использовал и Д. И. Менделеев при разработке своей периодической системы – постоянство состава соединений, которые может образовывать данный элемент, следует из его положения в периодической таблице Менделеева. Представление о составе вещества – одно из концептуальных понятий для химии как естественной науки. Постоянство состава химических соединений обусловлено физической природой химических связей, объединяющих атомы в одну квантово-механическую систему – молекулу.

Необходимость выработки строгих научных принципов относительно состава вещества позволила химикам успешно развить строгое научное понятие химической реакции как процесса образования новых химических соединений. В химической реакции участвуют исходные вещества, которые реагируют друг с другом и с течением времени превращаются в новые вещества, называемые продуктами реакции. Из закона постоянства состава вещества следует постоянство не только состава молекул продуктов реакции, но и постоянство количественных соотношений (массовых долей) исходных веществ.

► Стехиометрия – раздел химии, в котором рассматриваются массовые или объемные отношения между реагирующими веществами. Законы стехиометрии так же непреложны, как и любые другие естественнонаучные законы; кроме того, их знание очень полезно для прикладной химии, потому что позволяет количественно рассчитать выход химической реакции и необходимое количество исходных веществ.

Процесс получения новых химических соединений с учетом сте-хиометрических соотношений обычно записывается в виде уравнения химической реакции, например:

6HCL + 2HNO₃ = 3CL₂ + 2NO + 4H₂O,

где

♦ химические формулы слева от знака равенства обозначают исходные вещества;

♦ химические формулы справа от знака равенства обозначают продукты реакции;

♦ цифры перед формулами химических соединений являются так называемыми стехиометрическими коэффициентами; они раскрывают массовые (или объемные) соотношения веществ.

В уравнении химической реакции нашел свое отражение еще один фундаментальный закон естествознания – закон сохранения вещества, открытый нашим соотечественником М. В. Ломоносовым и независимо от него – французом А. Л. Лавуазье. Именно в соответствии с этим законом и получается математическое выражение – уравнение: масса данного элемента слева от знака равенства должна быть равна массе этого же элемента справа от знака равенства, а стехиометрические коэффициенты уравнивают (не только математический, но и химический термин!) данную реакцию.

Проникновение математических понятий, выражений, терминов (уравнения, коэффициенты) в химию, смешение терминологий означает, что на важном историческом этапе формирования химии как науки (XVIII–XIX вв.) она развивалась в соответствии с научной парадигмой того времени – классической механикой. Применительно к химии эта парадигма могла бы быть выражена следующим образом: любой закон природы можно представить в виде математического соотношения, записываемого с участием химических формул.

Еще один интересный случай проникновения классического ньютоновского подхода в химию – понятие о скорости химической реакции. Пытаясь получить новые химические соединения, ученые-химики разных эпох неоднократно отмечали тот факт, что некоторые вещества реагируют друг с другом мгновенно, часто со взрывом, а другие – медленно, в течение нескольких часов (суток). Скорости многих химических процессов были установлены эмпирическим путем. И для вычисления скорости химических реакций было использовано ньютоновское представление о времени как о не зависящей от свойств вещества и пространства простой длительности. Процесс химической реакции можно рассматривать как процесс изменения концентраций начальных и конечных продуктов реакции, и, согласно классической механике, для любого процесса изменения (движения) во времени всегда можно рассчитать скорость этого изменения.

Современные квантовые представления о химических процессах рассматривают химическую реакцию как перераспределение электронов между статистически вероятными энергетическими уровнями участвующих молекул, создание межмолекулярных промежуточных реакционных комплексов и получение новых продуктов как энергетически выгодных состояний молекул. В рамках этих представлений классическая скорость реакций не имеет смысла, так как каждое новое энергетическое состояние рассматривается в рамках пространственно-временного континуума и перебор энергетических состояний продолжается до достижения наиболее энергетически выгодного. Тем не менее, классические представления о химических процессах активно используются в современной химии, особенно в прикладных областях химии и в химических науках, лежащих «на стыке» с биологией, – биохимии, молекулярной биологии и др.

Закономерным этапом применения знаний об условиях протекания химических процессов стало развитие науки о том, как можно оказывать на них влияние и ими управлять. Такая наука получила название химической кинетики, в котором также нашла отражение классическая парадигма, ведь кинетика – это наука о движении. Но в классической кинетике скорость – векторная величина, то есть имеет направление. Точно так же и в химической кинетике имеет значение направление химической реакции – различают реакцию прямую, то есть такую, в результате которой из исходных веществ получаются продукты реакции, и реакцию обратную, при которой происходит разложение продуктов с получением исходных веществ. Так в химическую кинетику было введено понятие о химическом равновесии – состоянии, когда скорости прямой и обратной реакции равны между собой.

В рамках химической кинетики было сделано немало полезных открытий, которые показывают, как можно увеличивать скорость химических процессов за счет подбора условий – повышения температуры реакции, давления (если реакция протекает в газовой фазе), как можно сдвинуть химическое равновесие в сторону получения полезных продуктов реакции, не содержащих остатков непрореагировавших исходных продуктов, и т. д.

Эпохальным стало открытие веществ, которые при добавлении к реакционной смеси способны увеличить скорость реакции, при этом оставаясь неизменными (не меняя своего состава). Эти вещества получили название катализаторов, то есть ускорителей, а их применение – катализ. Сейчас сложно даже перечислить все химические промышленные процессы, где применяются катализаторы, – столь велико их число, особенно в органической химии. Известные примеры промышленного катализа – каталитический крекинг нефтепродуктов с получением углеводородов, применяемых в качества топлива (бензины, дизельное топлива и т. д.), получение твердого заменителя сливочного масла – маргарина – из жидких растительных масел и т. д.

Интересно, что наряду с огромным количеством реализованных учеными ускоряемых искусственными катализаторами химических процессов существуют природные катализаторы и природные каталитические процессы. Пример природного катализа – процесс коррозии металлического железа, «ржавение», то есть его окисление в природе с образованием оксидов – ржавчины, происходит под действием катализатора воды. В связи с этим интересен факт применения веществ, замедляющих некоторые нежелательные химические процессы, например тот же процесс коррозии металлического железа. Эти вещества называются ингибиторы, то есть замедлители. Легирующие добавки к сталям для защиты их от коррозии (получение нержавеющих сталей) – вот пример применения ингибиторов в промышленности. Как и катализаторы, ингибиторы бывают природного происхождения, например ингибиторы гниения – натуральные консерванты, которые продуцируются некоторыми растениями.

Катализаторы и ингибиторы играют большую роль в биологических процессах. Известные всем ферменты – биокатализаторы, то есть вещества, которые ускоряют биохимические процессы внутри организмов живых существ, причем живые существа самостоятельно синтезируют эти ферменты в различных органах и тканях. Ферменты управляют всеми процессами метаболизма у всех растений и животных, причем чем выше уровень организма, тем большее количество ферментов используется в нем. На настоящий момент неизвестно даже приблизительно общее количество ферментов человеческого организма, оценочное число – несколько тысяч.

Интересны факты использования жизненно важных ферментов, которые не может синтезировать человеческий организм, и поэтому исходные вещества для внутреннего синтеза ферментов – так называемые коферменты – он, как гетеротрофный организм, получает извне от растений и животных. Это всем известные витамины, «вещества жизни», необходимые человеку на протяжении всего его жизненного цикла. Внутри человеческого организма они трансформируются в ферменты. Согласно представлениям современной эволюционной химии, роль природных катализаторов очень важна в процессах эволюции неживой и живой материи.