Развитие учения о строении вещества

Развитие учения о строении вещества

В основе структурной  химии лежит химическая атомистика Дж. Дальтона, согласно которой любой  химический индивид стоит из совокупности молекул, обладающих строго определенным качественным и количественным составом. Более конкретные представления  о структуре молекул содержатся в теории Берцелиуса, который пытался  ответить на вопрос: существует ли какая-либо упорядоченность в объединении  атомов в молекуле или они объединяются произвольно. И. Берцелиус выдвинул гипотезу, согласно которой все атомы  химических элементов обладают различной  электроотрицательностью в зависимости места, которое они занимают в ряду элементов с убывающей электроотрицательностью. Атом каждого элемента несет два заряда: положительный и отрицательный, но в зависимости от места в ряду один из зарядов больше. Объединение атомов в молекулу приводит к частичной нейтрализации зарядов.

Полная нейтрализация  невозможна из-за неравенства зарядов. Поэтому молекулы каждого соединения обладают также избыточным зарядом  и склонны к образованию более  сложных молекул в виде комплексов.

Таким образом, по Берцелиусу, молекула представляет собой  объединение двух разноименно заряженных атомов или атомных групп-радикалов. В этом заключается содержание понятия  ”структура" по Берцелиусу.                         

Французский химик  Ш. Жерар (1816-1856) показал, что структурные представления Берцелиуса соответствуют действительности только в ряде случаев. Молекула является единой неделимой и унитарной системой, в которой все атомы всех элементов взаимодействуют — взаимно преобразуются, в этом сущность "структуры" по Жерару.

Комбинируя атомы  разных химических элементов, можно  создать структурные формулы  любого химического соединения.

Таким образом можно  создавать схему синтеза любого химического соединения, в том  числе и неизвестного. Однако в  некоторых случаях, хотя формульная схема составлена правильно, химическая реакция может не осуществиться. Поэтому нужно учитывать не только методику составления формул, но и  химическую активность реагентов, которая  лежит в основе теории химического  строения Бутлерова.

Крупным шагом в  развитии представлений о строении молекул явилась теория химического  строения, выдвинутая в 1861 г. выдающимся русским химиком А. М. Бутлеровым.

Основу теории, разработанной А. М. Бутлеровым, составляют следующие положения:

1. Атомы в молекулах  соединены друг с другом в  определенной последовательности. Изменение этой последовательности  приводит к образованию нового  вещества с новыми свойствами.

2. Соединение атомов  происходит в соответствии с  их валентностью.

3. Свойства веществ  зависят не только от их  состава, но и от их «химического  строения», т. е. от порядка  соединения атомов в молекулах  и характера их взаимного влияния.  Наиболее сильно влияют друг  на друга атомы, непосредственно  связанные между собой. Теория  химического строения Бутлерова  сочетается с широкими теоретическими  обобщениями и научным предвидением. Бутлеров был убежден в возможности выразить формулами строения молекул химических соединений и притом сделать это путем изучения их химических превращений.

В 30-е годы нашего века теория Бутлерова нашла физическое квантово-механическое обоснование. Согласно современным представлениям структура  молекул — это пространственная и энергетическая упорядоченность  квантово-механической системы, состоящей  из атомных ядер и электронов.

Структурная химия  охватывает и неорганические материалы. В структурной неорганической химии  можно выделить два перспективных  направления:

• синтез кристаллов с максимальным приближением к идеальной  решетке для получения материалов с высокими техническими показателями: максимальной прочностью, термической  стойкостью, долговечностью в эксплуатации и др.;

• создание кристаллов с заранее запрограммированными дефектами для производства материалов с заданными электрическими, магнитными, оптическими и другими свойствами.

Исследования последнего времени направлены на разработку эффективных  технологий синтеза не только органических, но и неорганических материалов.

Многообразие химических систем.

Системой в химии  принято называть рассматриваемое  вещество или совокупность веществ. При этом системе противопоставляется  внешняя среда—вещества, окружающие систему. Обычно система физически  отграничена от среды.

Различают гомогенные и гетерогенные системы. Гомогенной называется система, состоящая из одной  фазы, гетерогенной—система, состоящая  из нескольких фаз. Фазой называется часть системы, отделенная от других ее частей поверхностью раздела, при  переходе через которую свойства изменяются скачком.

Примером гомогенной системы может служить любая  газовая смесь (все газы при не очень высоких давлениях неограниченно  растворяются друг в друге), хотя бы смесь азота с кислородом. Другим примером гомогенной системы может  служить раствор нескольких веществ  в одном растворителе, например раствор  хлорида натрия, сульфата магния, азота  и кислорода в воде. В каждом из этих двух случаев система состоит  только из одной фазы, из газовой  фазы в первом примере и из водного  раствора во втором. В качестве примеров гетерогенных систем можно привести следующие системы: вода со льдом, насыщенный раствор с осадком, уголь и  сера в атмосфере воздуха. В последнем  случае система состоит из трех фаз: двух твердых и одной газовой.

Если реакция  протекает в гомогенной системе, то она идет во всем объеме этой системы.

Если реакция  протекает между веществами, образующими  гетерогенную систему, то она может  идти только на поверхности раздела  фаз, образующих систему. Скорость гомогенной реакции и скорость гетерогенной реакции определяются различно.

Скоростью гомогенной реакции называется количество вещества, вступающего в реакцию или  образующегося при реакции за единицу времени в единице  объема системы.

Скоростью гетерогенной реакции называется количество вещества, вступающего в реакцию или  образующегося при реакции за единицу времени на единице площади  поверхности фазы .

Неорганические  и органические соединения.

Соединения углерода (за исключением некоторых наиболее простых) издавна получили название органических соединении, так как  в природе они встречаются  почти исключительно в организмах хвойных и растений, принимают  участие в жизненных процессах  или же являются продуктами жизнедеятельности  или распада организмов. В отличие  от органических соединений, такие  вещества, как песок, глина, различные  минералы, вода, оксиды углерода: угольная кислота, ее соли и другие, встречающиеся  в  неживой природе, получили название неорганических или минеральных веществ.

Деление веществ  на органические и неорганические возникло вследствие своеобразия органических соединений, обладающих специфическими свойствами. Долгое время считалось, что углеродосодержащие вещества, образующиеся в организмах, в принципе невозможно получать путем синтеза из неорганических соединений.

Органическая химия  — химия углеводородов и их производных. Особенность органической химии связана с исключительными  свойствами атома углерода и его  способностью образовывать химические связи и геометрические структуры, обладающие гораздо большим разнообразием, чем структуры и связи других элементов.

Связь между атомами  в молекулах органических веществ  — ковалентная. Этим объясняется  отсутствие электролитических свойств  многих органических веществ.

Органические соединения содержат простые (одинарные) связи  между атомами углерода С—С и  атомами углерода и водорода С—Н, которые близки друг другу прочности. Поэтому органические вещества взаимодействуют  друг с другом с большим трудом или вообще взаимодействуют.                               

Органические вещества, как правило, молекулярного строения, поэтому они имеют низкие температуры  плавления. Все органические вещества горючи и легко разлагаются при  нагревании.Важной особенностью органических соединений является изомерия. Этим объясняется различие свойств веществ, имеющих одинаковый состав и молекулярную массу.

С развитием синтеза  органических соединений была уничтожена грань, отделяющая эти соединения от неорганических, однако название «органические  соединения» сохранилось. Большинство  известных в настоящее время  соединений углерода в организмах даже не встречаются, а получены искусственным  путем.

При подготовке этой работы были использованы материалы  с сайта http://www.studentu.ru

 

 

 

 

Первый этап развития химии - учение о составе вещества. 
 
Заложен в работах английского ученого Р. Бойля, который доказал, что свойства тел зависят от того, из каких частиц эти тела составлены. Р. Бойль, что явилось первым уровнем химических знаний и отражено в законе «постоянства состава вещества» Ж. Пруста (1801-1808 гг): «Всякое чистое вещество независимо от его происхождения и способа получения имеет од и тот же состав». 
 
Теоретическое обоснование закона Пруста было дано англичанином Дж. Дальтоном (1803 г.), который открыл закон кратных отношений : «Если определенное количество одного элемента вступает в соединение с другим элементом в нескольких весовых отношениях, то количества второго элемента относятся между собой как целые числа». 
 
В XVII столетии возник интерес химии к процессу горения. Итогом этих исследований стала теория флогистона, основанная на утверждении, что все горючие вещества богаты особым горючим веществом - флогистоном. 
 
В 1680-1760 гг. открыты фосфор, кобальт, никель, водород, фтор, азот, хлор и марганец. В 1772-1776 гг. открыт кислород и А.Л. Лавуазье установил роль кислорода в образовании кислот, оксидов и воды, опроверг теорию флогистона и создал принципиально новую теорию химии В XVIII в. Лавуазье, открыл закон сохранения массы: «Масса веществ никогда не создается и не уничтожается, а лишь переходит от одного вещества к другому». Продолжая исследования, Лавуазье установил, что в состав воздуха входит кислород и азот, Генри Кэвендиш доказал, что вода - это соединение водорода и кислорода. 
 
Важный этап в развитии химии связан с именем Якоба Берцелиуса, который предположил существование частиц (молекул), образованных из двух или более атомов и способных перестраиваться при химических реакциях. Заслугой Берцелиуса является введение химической символики, позволяющей обозначать не только элементы, но и химические реакции 
 
1869 г. Д. И. Менделеев разработал основные положения учения о периодичности, сформулировал периодический закон и предложил короткую форму периодической системы элементов, это открытие стало выдающимся событием в химии, приведя ее в состояние стройной систематизированной науки. 
 
До середины XIX в. развитие химии происходило беспорядочно и хаотически: открывались и описывались новые химические элементы, химические реакции, благодаря чему накопился огромный эмпирический материал, который был систематизирован в 1860 г. на первом международном химическом конгресс, где были сформулированы и приняты основополагающие принципы, теории и законы химии, к заявившие о химии, как самостоятельной науке. 
 
^ Учение о составе веществ является первым уровнем химических знаний. До 20-30-х гг. XIX в. вся химия не выходила за пределы этого подхода. Но постепенно рамки состава (свойств) - стали тесны химии, и во второй половине XIX в. главенствующую роль в химии постепенно приобрело понятие «структура», ориентированное, что и отражено непосредственно в самом понятии, на структуру молекулы реагента. 
 
Химическим соединением называется атомно-молекулярная система, обладающая следующими признаками: 
 
1) содержанием большего числа атомов ограниченного числа «сортов»; 
 
2) каждому сорту атомов соответствует определенная координация постоянных, определяющих индивидуальность химического соединения, распределение атомов по сортам (состав); 
 
3) способностью существовать в виде одного или нескольких химических веществ. 
 
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, когда еще не было открыто ни одного из них, сформулировал английский химик и физик Р. Бойль. Первым был открыт химический элемент фосфор в 1669 г., потом кобальт, никель и другие. 
 
Открытие французским химиком А. Л. Лавуазье кислорода и установление его роли в образовании различных химических соединений позволило отказаться от прежних представлений об «огненной материи» (флогистоне). 
 
В Периодической системе Д.И. Менделеева насчитывалось 62 элемента, в 1930-е гг. она заканчивалась ураном. В 1999 г. было сообщено, что путем физического синтеза атомных ядер открыт 114-й элемент. 
 
Вопросы, связанные с химическими соединениями, длительное время не вызывали споров в среде химиков. Казалось очевидным, что именно относится к химическим соединениям, а что - к простым телам или смесям. 
 
В результате химических и физических открытий претерпело изменение классическое определение молекулы. 
 
Молекула понимается как наименьшая частица вещества, которая в состоянии определять его свойства и в то же время может существовать самостоятельно. Представления о классе молекул расширились, в него включают ионные системы, атомные и металлические монокристаллы и полимеры, образующиеся на основе водородных связей и представляющие собой уже макромолекулы. Они обладают молекулярным строением, хотя и не находятся в строго постоянном составе. 
 
С открытием физиками природы химизма как обменного взаимодействия электронов химики совершенно по-другому стали рассматривать химическое соединение. 
 
«Это качественно определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет обменного взаимодействия (химической связи) объединены в частицы-молекулы, комплексы, монокристаллы или иные агрегаты. 
 
Химическое соединение - понятие более широкое, чем «сложное вещество», которое должно состоять из двух и более разных химических элементов. Химическое соединение может состоять и из одного элемента. Это О2, графит, алмаз и другие кристаллы без посторонних включений в их решетку в идеальном случае».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Учение о составе вещества

Первое научное  определение химического элемента, когдаещё не было открыто ни одного из них, сформулировал английский химик и физик Р. Бойль. Первым был открыт химический элемент фосфор в 1669 г., потом кобальт, никель и другие. Открытие французским химиком А.Л. Лавуазье кислорода и установление его роли в образовании различных химических соединений позволило отказаться от прежних представлений об “огненной материи” (флогистоне). Лавуазье впервые систематизировал химические элементы на базе имевшихся в XVIII в. знаний. Эта систематизация оказалась ошибочной и в дальнейшем была усовершенствована Д.И. Менделеевым. Система Лавуазье определяла место элемента по атомной массе. В настоящее время место химического элемента определяют по заряду атомного ядра, который отражает индивидуальные свойства элемента. Например, элемент хлор имеет два изотопа (две разновидности), отличающиеся друг от друга по массе атома. Но оба они относятся к одному химическому элементу - хлору из –за одинакового заряда их ядер.

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

В результате химических и физических открытий претерпело изменение  классическое определение молекулы. Молекула понимается как наименьшая частица вещества, которая в состоянии  определять его свойства и в то же время может существовать самостоятельно. Представления о классе молекул  расширились, в него включают ионные системы, атомные и металлические  монокристаллы и полимеры, образующиеся на основе водородных связей и представляющие собой уже макромолекулы. Они  обладают молекулярным строением, хотя и не находятся в строго постоянном составе. На основе современных достижений химии появилась возможность  замены металлов керамикой не только как более экономичным продуктом, но и во многих случаях и как  более подходящим конструкционным  материалом по сравнению с металлом. Более низкая плотность керамики (40%) даёт возможность снизить массу  изготовляемых из неё 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  твёрдость и т.д.)