Современная теоретическая химия

 

Современная теоретическая химия основана на общефизическом учении о строении материи, на достижениях квантовой механики и статистической физики. Современная химическая наука, опираясь на прочные теоретические основы, непрерывно расширяется вширь и вглубь. В частности, происходит открытие и изучение новых, качественно различных дискретных химических частиц. Так, еще в первой половине XIX в. при изучении электролиза были обнаружены особые электрически заряженные частицы, образованные из атомов и молекул, – ионы. Было выяснено, что ионы являются структурными единицами многих кристаллов, кристаллических решеток металлов, они существуют в атмосфере, в растворах и т.д.

В начале XX в. химики открыли радикалы как одну из активных форм химического вещества. Они образуются из молекул путем отщепления отдельных атомов или групп и содержат атомы элементов в необычном для них валентном состоянии, что связано с наличием одиночных (неспаренных) электронов, являющихся причиной их исключительной химической активности.

К своеобразным формам химического вещества относятся также макромолекулы. Они состоят из сотен и тысяч атомов и вследствие этого приобретают, в отличие от обычной молекулы, качественно новые свойства.

Характерный для новейшей химии, как и для всей науки XX в., процесс глубокой внутренней дифференциации в значительной степени связан с открытием этого качественного многообразия химических веществ. Их строение, превращения и свойства стали предметом изучения специальных химических наук: электрохимии, химической кинетики, химии полимеров, химии комплексных соединений, коллоидной химии, химии высокомолекулярных соединений и др.

Применение методов квантовой механики в химических исследованиях привело к возникновению квантовой химии. Был разработан метод молекулярных орбиталей, рассматривающий целостную электронную структуру молекулы. На его основе рассчитываются энергетические и электронные параметры молекул. Этот метод получил распространение и в теории органической химии.

Квантово-механические представления привели к появлению учения об абсолютных скоростях химических реакций, которое легло в основу химической кинетики.

Сильный толчок развитию неорганической химии дало проникновение в недра атома и изучение ядерных процессов. Поиски элементов, наиболее пригодных для расщепления в ядерных реакторах, способствовали исследованию малоизученных и синтезу новых элементов с помощью ядерных реакций. Ядерные превращения и сопутствующие им физико-химические явления стали объектами изучения ядерной химии и радиохимии. В связи с этим ученые занялись разработкой методики выделения и концентрации радиоактивных изотопов.

Влияние магнитных полей на химические процессы исследуют электрохимия и магнитохимия. Изучение взаимодействия вещества с плазмой дало начало плазмохимии. Химия полимеров изучает синтез и свойства высокомолекулярных соединений.

Больших успехов добилась органическая химия. Она сложилась в самостоятельную науку еще во второй половине XIX в., чему способствовало накопление большого эмпирического и теоретического материала о соединениях углерода и его производных. Определяющим фактором для всех органических соединений являются особенности валентного состояния углерода – способность его атомов связываться между собой как одинарной, так и двойной, тройной связями в длинные линейные и разветвленные цепи. Благодаря бесконечному многообразию форм сцепления углеродных атомов, наличию изомерии и гомологических рядов почти во всех классах органических соединений возможности получения этих соединений практически безграничны.

В современной химии накапливаются данные о химической эволюции вещества во Вселенной, что позволяет составить общую картину эволюции природы. На этом пути химия активно интегрируется с другими естественными науками, в результате чего появились геохимия, гидрохимия, химия атмосферы, биогеохимия. В перечисленных науках постепенно формируются представления о планетарных миграциях химических элементов. Биохимия изучает жизненные циклы, осуществляемые с участием белковых катализаторов – ферментов. Есть совсем новая наука – молекулярная психология, связывающая молекулярную биологию с наукой о поведении живых организмов.

Но самые тесные связи издавна связывают химию с физикой. Результатом становится возникновение все новых и новых смежных физико-химических отраслей знания. Огромное значение, которое имеет эта связь, требует специального рассмотрения вопроса о связи химии и физики.

Взаимосвязь химии с физикой

 

История взаимодействия химии и физики полна примеров обоюдного обмена идеями, объектами и методами исследования. На разных этапах своего развития физика «снабжала» химию понятиями и теоретическими концепциями, оказавшими сильное воздействие на развитие химии. При этом, чем больше усложнялись химические исследования, тем больше аппаратуры и методов физических расчетов проникало в химию. Необходимость измерения тепловых эффектов реакции, развитие спектрального и рентгеноструктурного анализа, изучение изотопов и радиоактивных элементов, кристаллических решеток веществ, молекулярных структур потребовали создания и привели к использованию сложнейших физических приборов – спектроскопов, масс-спектрографов, дифракционных решеток, электронных микроскопов и т.д.

Развитие современной науки подтвердило глубокую связь между физикой и химией. Они связаны между собой по происхождению. Связь эта носит генетический характер, т.е. образование атомов химических элементов, соединение их в молекулы вещества произошло на определенном этапе развития неорганического мира. Также эта связь основывается на общности строения конкретных видов материи, в том числе и молекул веществ, состоящих в конечном итоге из одних и тех же химических элементов, атомов и элементарных частиц. Химические процессы базируются на электромагнитном взаимодействии, изучаемом физикой. На основе периодического закона ныне осуществляется прогресс не только в химии, но и в ядерной физике, на стыке которых возникли химия изотопов и радиационная химия.

Физика и химия практически изучают одни и те же объекты, но только каждая наука видит в этих объектах свой предмет исследования. Так, молекула является объектом, изучаемым не только химией, но и молекулярной физикой. Химия изучает ее с точки зрения закономерностей образования, состава, химических свойств, связей, условий ее диссоциации на составляющие атомы. Молекулярная физика статически изучает поведение масс молекул, обусловливающее тепловые явления, различные агрегатные состояния, переходы из газообразной в жидкую и твердую фазу и обратно – свойства, не связанные с изменением состава молекул и их внутреннего химического строения.

Сопровождение каждой химической реакции механическим перемещением масс молекул реагентов, выделение или поглощение тепла за счет разрыва или образования связей в новых молекулах также убедительно свидетельствует о тесной связи химических и физических явлений. Так, энергетика химических процессов тесно связана с законами термодинамики, изложенными выше. Химические реакции, протекающие с выделением энергии (обычно в виде тепла и света), называются экзотермическими реакциями. Существуют также эндотермические реакции, протекающие с поглощением энергии. Все сказанное не противоречит законам термодинамики: в случае горения энергия высвобождается одновременно с уменьшением внутренней энергии системы. В эндотермических реакциях идет повышение внутренней энергии системы за счет притока тепла. Измеряя количество энергии, выделяющейся при реакции (тепловой эффект химической реакции), можно судить об изменении внутренней энергии системы. Он измеряется в килоджоулях на моль (кДж/моль).

Частным случаем первого начала термодинамики является закон Гесса. Он гласит, что тепловой эффект реакции зависит только от начального и конечного состояния вещества и не зависит от промежуточных стадий процесса.

Закон Гесса позволяет вычислить тепловой эффект реакции в тех случаях, когда его непосредственное измерение почему-либо неосуществимо.

С возникновением теории относительности, квантовой механики и учения об элементарных частицах раскрылись еще более глубокие связи между физикой и химией. Оказалось, что ключ к объяснению свойств химических соединений, самого механизма превращения веществ лежит в строении атомов, в квантово-механических процессах его элементарных частиц и особенно электронов его внешней оболочки. Именно новейшая физика блестяще решила такие вопросы химии, как природа химической связи, особенности химического строения молекул органических и неорганических соединений и т.д.

На стыке физики и химии возникла и успешно развивается физическая химия – сравнительно молодое направление, которое оформилась в конце XIX в. в результате успешных попыток количественного изучения физических свойств химических веществ и смесей, теоретического объяснения молекулярных структур. Экспериментальной и теоретической базой для этого послужили работы Д.И. Менделеева (открытие периодического закона), Я. Вант-Гоффа (термодинамика химических процессов), С. Аррениуса (теория электролитической диссоциации) и т.д. Предметом ее изучения стали общетеоретические вопросы, касающиеся строения и свойств молекул химических соединений, процессов превращения вещества в связи с взаимной обусловленностью их физическими свойствами, условия протекания химических реакций и совершающиеся при этом физические явления.

В первой половине XX в. на стыке химии и новых разделов физики (квантовой механики, электронной теории атомов и молекул) возникает пограничная наука, которую стали называть химической физикой. Она широко применила теоретические и экспериментальные методы новейшей физики к исследованию строения химических элементов и соединений, а также к изучению механизма химических реакций. Химическая физика изучает взаимосвязь и взаимопереход химической и субатомной форм движения материи.

Внутри физической химии к настоящему времени выделились и вполне сложились в качестве самостоятельных разделов, обладающих своими особыми методами и объектами исследования, электрохимия, учение о растворах, фотохимия, кристаллохимия. В начале XX в. в самостоятельную науку выделилась также выросшая в недрах физической химии коллоидная химия. Со второй половины XX в. в связи с интенсивной разработкой проблем ядерной энергетики возникла и получила большое развитие новейшая отрасль физической химии – химия высоких энергий: радиационная химия, изучающая реакции, протекающие под действием ионизирующего излучения, и химия изотопов.

Вообще физическая химия сейчас рассматривается как наиболее широкий общетеоретический фундамент всей химической науки. Многие ее теории имеют большое значение для развития как неорганической, так и органической химии. С возникновением физической химии изучение вещества стало осуществляться не только традиционными химическими методами исследования, не только с точки зрения его состава и свойств, но и со стороны структуры, термодинамики и кинетики химического процесса. Также во внимание стали браться связи и зависимости химического процесса от воздействия явлений, присущих другим формам движения материи (светового и радиационного облучения, светового и теплового воздействий и т.д.).

Таким образом, химия XX в. предстает перед нами как весьма многообразная и разветвленная система знаний, которая находится в процессе интенсивного развития. В основной своей массе развитие химии идет в виде узкоориентированных прикладных исследований, но вместе с тем сегодня развиваются и концептуальные направления фундаментального характера, определяющие статус и положение этой науки в системе современного естествознания. С некоторыми из этих положений мы познакомимся в следующей теме.

Вопросы для обсуждения

 

1. Какова основная цель и важнейшие идеи алхимии?

2. Насколько обоснованна алхимическая идея трансмутации элементов?

3. Что такое ятрохимия? В чем в чем ее схордство с алхимией и в чем их отличие?

4. Каким образом Лавуазье объяснил процессы дыхания в живом организме с помощью кислородной теории горения?

5. Кто ввел современные обозначения химических элементов?

6. От чего зависят свойства и реакционная способность химических элементов?

7. Какие химические элементы отличаются наибольшей активностью? Почему?

8. Чем отличаются старое и современное представление об атоме?

9. Что такое химическая связь? Как она связана с валентностью? Какие вы знаете виды химической связи?