Основные принципы и законы химии

3. Основные принципы и законы химии

Рассматривая химию с точки зрения ее становления, можно сказать, что в ее основе лежат два закона: сохранения массы и постоянства состава.

Закон сохранения массы может быть сформулирован еще так: полная масса замкнутой системы остается постоянной. Иными словами, этот закон утверждает, что химические превращения не сопровождаются измеримым увеличением или уменьшением массы участвующих в них веществ. Например, при разложении воды ее исходная масса будет равна сумме массы водорода и массы кислорода. Этот закон был установлен М.В. Ломоносовым и А. Лавуазье. Он может быть сформулирован и так: вещество нельзя ни создать из ничего, ни уничтожить.

Закон постоянства состава гласит: всякое химическое соединение, независимо от способа его получения, всегда содержит определенные элементы в одинаковом весовом отношении. Он был установлен французским химиком Ж. Прустом в 1800 – 1808 гг. и теоретически обобщен в 1800 – 1810 гг.

Однако рассмотренные законы не являются универсальными законами химии. Последними следует считать периодический закон химических элементов и принцип Ле Шателье-Брауна.

Согласно периодическому закону (в его современной форме), свойства химических элементов не являются случайными, а зависят от электронного строения данного атома, они закономерно изменяются с изменением атомного номера. Важным в периодическом законе является то, что эта зависимость характеризуется строгой периодичностью, которая находит свое выражение в повторяемости типичных свойств элементов.

Д.И. Менделееву в момент создания периодической системы было известно 62 химических элемента, а в настоящее время мы знаем уже 112. В 30-х гг. последним элементом этой системы был уран (U – девяносто второй элемент). Начиная с 40-х гг. новые элементы открывали регулярно по нескольку элементов в десятилетие. В 1940 – 1945 гг. путем физического синтеза атомных ядер были открыты элементы с номера 93 по 96: нептуний, плутоний, америций, кюрий. В 1949 – 1952 гг. стали известны берклий, калифорний, эйнштейний, фермий, менделевий (с номера от 97 по 101). В последующие 40 лет были синтезированы элементы от 102-го по 109-й: нобелий, лоуренсий, курчатовий, жолиотий, резерфордий, борий, ганий, мейтнерий. Как правило, они носят имена выдающихся ученых-физиков или химиков. Например, элементы № 108 и № 109 названы в честь Отто Гана и Лизы Мейтнер, открывших в 1935 г. реакцию самопроизвольного деления урана. Следует отметить, что элементы со 102-го по 109-й крайне неустойчивы: период их полураспада составляет сотые и тысячные доли секунды. Считается, что элементы после № 110 являются настолько короткоживущими, что будут распадаться в момент их образования. Однако вполне возможно, что при номерах 126, 164, 184 существуют островки стабильности, означающие длительное существование элементов с этими номерами.

Принцип Ле Шателье-Брауна имеет следующую формулировку: если на систему, находящуюся в термодинамическом равновесии, воздействовать извне, изменяя какой-либо из параметров, определяющих положение равновесия, то в системе усилия то из направлений процесса, которое ослабляет влияние произведенного воздействия. Положение равновесия также сместится в направлении ослабления эффекта внешнего воздействия.

Данный принцип признан в настоящее время и далеко за пределами химии; он находит применение в различных науках, вплоть до общественных.

Важнейшие химические принципы могут быть выявлены с связи с двумя важнейшими химическими понятиями. Первым из них является понятие «моль». Выделение и осмысление этого понятия служит, с нашей точки зрения, важнейшим достижением химии. Под молем химического элемента понимается его весовое количество в граммах, численно равное атомному весу этого элемента. Число атомов любого элемента в одном моле равно 6,022 10²³. Это число – постоянная Авогадро. Она характеризует химический мир и дистанцию, отделяющую его от отдельных атомов. Моль входит в число семи основных единиц системы СИ как мера количества структурных элементов. Закон Авогадро является одним из фундаментальных законов химии.

Второе важнейшее понятие – «красота (гармония) химии». Химия – очень красивая наука, причем красота здесь наглядна. В своей «Истории органической химии» известный химик П. Вальден ценный раздел посвятил тому, что он назвал художественным началом в синтетической химии. Это художественное начало проявляется в архитектонике молекул, в первую очередь в различных формах симметрии синтезируемых структур.

4. Химическая связь и химическая кинетика

Одним из центральных понятий химии служит понятие «химическая связь». Очень немногие элементы встречаются в природе в виде отдельных, свободных атомов одного сорта. Атомы большинства элементов становятся более устойчивыми при образовании химических связей с другими атомами. Соединения образуются при условии, что возникает энергетическое состояние с более низкой полной энергией; чем у непрореагировавших исходных атомов.

Химическая связь осуществляется обобществлением электронов. В зависимости от конкретного механизма этого обобществления возникает связи различных типов. Представляется целесообразным привести энергии для связей между различными элементами и для различной кратности. Это дает представление о механизмах, обеспечивающих устойчивость окружающего нас мира (см. табл. 1,2).

 

Таблица 1

Энергия связи для некоторых одинарных связей [кДж/моль]

Вид связи	Значение энергии	Вид связи	Значение энергии
Н – Н	436	P – P	217
С – С	344	N – Cl	200
N – O	175	Na – Na	75
S – Cl	277	S – S	266
Li – Li	111	P – Cl	317
O – O	143	K – K	55
Cl – Cl	243	O – Cl	210

 

Таблица 2

Энергия связи для некоторых кратных связей [кДж/моль]

Вид связи	Значение энергии	Вид связи	Значение энергии
С=С	615	P=P	490
С=О	725	O=O	402
С=N	890	C=C	812
N=N	418	C=N	615
C=S	477	N=N	946

Из этих таблиц наглядно видно, насколько энергия двойных и тройных связей больше энергии одинарных связей, и, кроме того, становится понятным, почему углерод и азот так распространены в окружающем нас мире: их двойные и тройные связи – самые прочные.

Энергия, необходимая для разрыва определенной связи, т.е. для расщепления молекулы на две части, ранее соединявшиеся этой связью, называется энергией диссоциации связи в молекуле. В двухатомных молекулах энергия связи и энергия диссоциации связи совпадают. В многоатомных молекулах они могут быть различными.

Химическая кинетика – такой же узловой раздел химии, как и химическая связь. С этим разделом взаимодействуют все направления, подходы и методы химии. Самопроизвольные химические реакции идут в сторону образования более устойчивых соединений и сопровождаются выделением энергии. Для различных типов реакций имеются формулы, описывающие протекание процесса во времени. Имеются уравнения (С. Аррениуса), выражающие зависимость скорости реакции от температуры. Для осуществления реакции каждая пара молекул должна пройти через конфигурацию (активированный комплекс), промежуточную между исходной и конечной. Катализатор уменьшает величину энергии активации и, следовательно, увеличивает скорость как прямой, так и обратной реакции.

Реакции могут быть охарактеризованы порядком реакции, формально представляющим собой показатель степени концентрации этого вещества в кинетическом уравнении. Порядок реакции зависит от ее механизма и может изменяться с изменением температуры и давления. Важнейшим состоянием исследуемых реакций является состояние динамического равновесия, при котором скорости прямой и обратной реакции уравновешиваются. Это состояние характеризуется константой равновесия, которая в свою очередь является комбинацией констант для отдельных этапов полной реакции.

Химическая эволюция вещества начинается в момент начала расширения Вселенной. Этому моменту соответствует стадия элементарных частиц, когда кинетическая энергия сталкивающихся ядер уже не способна преодолеть барьер отталкивания между ними. В результате при температуре приблизительно 10 тыс. градусов образуется многоярусная система, окруженная электронной оболочкой, и первые соединения (CO, CH, HO, SiO). Затем при температурах ниже 3 – 4 тыс. градусов начинается образование твердых тел, а при возникновении некоторых оптимальных условий, соответствующих условиям появления геосфер Земли, начинается биогенная стадия эволюции вещества.

Заключение

Природа как объект изучения естествознания сложна и многообразна в своих проявлениях: она непрерывно изменяется и находится в постоянном движении. Круг знаний о ней становится все шире, и область сопряжения его с безграничным полем незнания превращается в громадное размытое кольцо, усеянное научными идеями – зернами естествознания. Некоторые из них своими ростками пробьются в круг классических знаний и дадут жизнь новым идеям, новым естественнонаучным концепциям, другие же останутся лишь в истории развития науки. Их сменят затем более совершенные. Такова диалектика развития познания действительности.

После изучения того или иного предмета запоминается, как правило, основные идеи, при развитии которых создается наиболее полное представление о сущности предмета. Такие идеи для естествознания весьма удачно сформулировали в двадцати фразах современные американские физики Роберт Хейзен и Джеймс Трефил. Первые семь из них общие для естествознания, а остальные относятся к его отраслям. Вот эти великие научные истины.

·     Вселенная регулярна и предсказуема.

·     Все движения можно описать одним набором законов (имеются в виду три закона Ньютона).

·     Энергия не исчезает.

·     При всех превращениях энергия переходит из более полезных в менее полезные формы (первый и второй законы термодинамики).

·     Электричество и магнетизм – две стороны одной и той же силы.

·     Все состоит из атомов.

·     Все – материя, энергия, квантовые характеристики частиц – выступают дискретными величинами, и нельзя измерить ни одну из них, не изменив ее.

Вся химия – в двух фразах:

·     Атомы склеиваются электронным «клеем».

·     Поведение вещества зависит от того, какие атомы входят в его состав и как они расположены.

Физика, включая астрофизику и космологию:

·     Ядерная энергия выделяется при превращении массы в энергию.

·     Атомы, из которых состоит все, сами состоят из кварков и лептонов.

·     Звезды рождаются, живут и умирают, как и все остальные в мире.

·     Вселенная возникла в прошлом в определенный момент и с тех пор она расширяется.

·     Законы природы едины для любого наблюдается (резюме специальной и общей теории относительности).

Науки о Земле:

·     Поверхность Земли постоянно изменяется, и на ее лице нет ничего вечного.

·     Все процессы на земле происходят циклами.

Биология сводится к четырем фразам:

·     Все живое состоит из клеток, представляющих собой заводы жизни.

·     Все живое основано на генетическом коде.

·     Все формы появились в результате естественного отбора.

·     Все живое связано между собой (в этой фразе заключена суть всей экологии).

В основе естествознания лежит математика. Поэтому большинство математиков считают, что следовало бы добавить фразу о том, что Вселенная может быть описана математическими уравнениями.

О природе как о предмете естествознания можно говорить строгим научным языком. Про нее же можно сказать и простые слова, несущие глубокий смысл, как это сделал немецкий мыслитель и естествоиспытатель Иоганн Гете:

Природа! Окруженные и охваченные ею мы не можем ни выйти из нее, ни глубже в нее проникнуть. Напрошенная, нежданная, захватывает она нас в вихре своей пляски и несется с нами, пока, утомленные, мы не выпадем из рук ее.

Она вечно говорит с нами, но тайн своих не открывает. Мы постоянно действуем на нее, но нет у нас над ней никакой власти.

Она – единственный художник: из простейшего вещества творит она противоположнейшие произведения, без малейшего усилия, с величайшим совершенством и на все кладет какое-то нежное покрывало. Она беспрерывно думала и мыслит постоянно, но не как человек, а как природа. У нее собственный всеобъемлющий смысл, но никто его не подметит.

Нет числа ее детям. Ко всем она равно щедра, но у нее есть любимцы, которым много она расточает, много приносит в жертву. Великое она принимает под свой покров.

Жизнь – ее лучшее изобретение; смерть для нее средство для большей жизни.

Она окружает человека мраком и гонит его к свету.

Всякое ее деяние благо, ибо всякое необходимо; она медлит, чтобы к ней стремились; она спешит, чтобы ею не насытились.

У нее нет речей и языка, но она создает тысячи языков и сердец, которыми она говорит и чувствует.

Венец ее – любовь. Любовью только приближаться к ней.

Одним прикосновением уст к чаше любви искупает она целую жизнь страданий.

Она сурова и кротка, любит и ужасает, немощна и всемогуща.

Не вырвать у нее признания в любви, не выманить у нее подарка, разве добровольно она подарит.

Как она творит, так можно творить вечно.

Литература

1. Браун Т., Лемей Т.Ю. Химия – в центре наук. – Т. 1,2. – М.: Мир. 1983

2. Горелов А.А. Концепции современного естествознания. – М.: Центр, 2002.

3. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Учебник. – М.: ЮНИТИ, 1997.