Глава 3. Фундаментальные концепции естествознания

3.1. Термодинамика

Роль тепловых явлений в природе (движение, излучение, расширение). ô Вещественная теория теплоты: теплород. ô Корпускулярная теория теплоты: теплота – вид внутреннего движения частиц тела. ô Теплота есть форма и способ передачи энергии (Р. Клаузиус, Л. Больцман). ô Термодинамика – наука о тепловых явлениях в макросистемах. ô Законы термодинамики.

 

Современные представления об универсальности термодинамических свойств макросистем* определяются фундаментальностью наших представлений об энергии. Хотя, говоря об энергии, мы в состоянии только констатировать её присутствие во всех процессах, как чего-то неизменного, составляющего конечное основание, тем не менее, нам доступно понимание многообразия форм существования и передачи энергии, связанной с разнообразием форм движения. Одним из наиболее универсальных форм передачи энергии является тепловая форма, которая, в конечном счете, связывает через законы термодинамики в единую сеть всё многообразие поведения самых различных макросистем, выводя их на один общий уровень, характеризуемый термодинамическими свойствами макросистем.

3.1.1. Роль тепловых явлений в природе

Теплота не вещество, а средство или способ. Сегодня мы знаем, что никакого материального объекта, называемого теплотой, вообще не существует. Мы не можем «перелить» теплоту в сосуд или «перелить» её из одного куска металла в другой. Термин «теплота» характеризует способ передачи энергии. Теплота есть количество энергии, получаемой или отдаваемой системой при теплообмене (при неизменных внешних параметрах системы). Наряду с работой количество теплоты является мерой изменения внутренней энергии системы. При теплообмене внутренняя энергия системы меняется в результате прямых взаимодействий молекул системы с молекулами окружающих тел. Сообщить какому-то телу количество теплоты, то есть нагреть его, означает передать ему энергию строго определённым образом (используя разность температур между более и менее нагретыми телами). Охладить объект - это значит произвести действие обратное нагреванию, то есть отвести от него энергию, используя разность температур между охлаждаемым и более холодными телами. Теплота не одна из форм энергии, а название одного из способов передачи энергии[29].

Тепловые процессы в природе универсальны и проявляют себя через движение, излучение, расширение.

Тепловое движение представляет собой беспорядочное движение микрочастиц, из которых состоят все тела. Это особая форма движения, качественно отличная от обычного механического движения, при котором все части тела движутся упорядоченно. Наиболее убедительным экспериментальным доказательством теплового движения служит броуновское движение. Кинетическая* энергия теплового движения прямо пропорциональна абсолютной температуре[30].

Тепловое излучение является электромагнитным излучением, испускаемым веществом и возникающим за счёт его внутренней энергии. Тепловое излучение имеет сплошной спектр*, положение максимума которого зависит от степени нагретости вещества, то есть от температуры. С её повышением - максимум спектра излучения перемещается в область коротких длин волн. Тепловое излучение возникает в условиях детального равновесия в веществе для всех безызлучательных процессов. Это означает, что любой микроскопический процесс в равновесной системе протекает с той же скоростью, что и обратный ему. В равновесной системе микрочастицы меняют своё состояние (столкновение частиц, химические реакции). Чтобы равновесие сохранялось, наряду с таким микропроцессом должен осуществляться и обратный ему (обратимый процесс).

Обратимый процесс в термодинамике, - это процесс, который возможно осуществить в обратном направлении, последовательно повторяя в обратном порядке все промежуточные состояния прямого процесса. Обратимым процессом может быть только равновесный процесс. Реальные процессы, строго говоря, являются необратимыми. Принцип детального равновесия связывает характеристики прямого и обратного процессов. В общем случае системы тел различные точки которой имеют различные температуры тепловое излучение не находится в равновесии с веществом. Горячие тела испускают больше чем поглощают, а холодные - наоборот. Происходит перенос излучения от более горячих тел к более холодным.

Для поддержания стационарного состояния, при котором сохраняется распределение температуры в системе, необходим подвод теплоты к более горячим телам и отвод от более холодных. При полном термодинамическом равновесии все части системы тел имеют одну температуру и энергия теплового излучения, испускаемого каждым телом, компенсируется энергией поглощаемого этим телом излучения других тел. В этом случае тепловое излучение находится в термодинамическом равновесии с веществом и называется равновесным излучением.

Тепловое расширение связано с изменением размеров тела в процессе его нагревания. У газов оно обусловлено увеличением кинетической энергии частиц газа при его нагреве и совершением за счёт этой энергии работы против внешнего давления. У твёрдых тел и жидкостей тепловое расширение связано с несимметричностью тепловых колебаний атомов, благодаря чему межатомные расстояния с ростом температуры увеличиваются[31].

3.1.2. Вещественная теория теплоты.

В XVIII веке Д. Блейк провёл четкую грань между количеством тепла и температурой. Он определил то, что мы теперь называем «удельной теплоёмкостью», и построил теорию теплоты как некой жидкости, которая без потерь может перетекать из горячих тел в холодные. Эта «жидкость» вскоре была названа флогистоном или «теплородом».

Д. Блейк, изучая природу теплоты, установил, что различные виды вещества одним и тем же количеством теплоты нагреваются в разной степени. Это позволило ему выявить теплоемкость различных веществ, то есть определить количество теплоты, которое необходимо подвести к телу, чтобы повысить его температуру на один градус по Цельсию или Кельвину. Он установил, что при таянии льда и снега в течение определенного времени они поглощают тепло, не становясь при этом теплее. Это позволило ему обнаружить скрытое (латентное) состояние теплоты. Блейк понимал теплоту как некую материальную субстанцию («субстанцию теплоты»).

А. Лавуазье назвал ее теплородом. Попытки взвесить ее оказались неудачными, поэтому теплоту стали рассматривать как особого рода невесомую неуничтожаемую жидкость, способную перетекать от нагретых тел к холодным. Лавуазье считал, что подобная концепция была в полном соответствии с его идеей получения теплоты с помощью химических соединений. Увлечение этой концепцией оказалось столь велико, что кинетическая теория теплоты, в рамках которой теплота представлялась как определенный вид движения частиц, отступила на второй план, несмотря на то, что ее разделяли Ньютон, Гук, Бойль, Бернулли, Ломоносов.

Почему же концепция теплорода все-таки утвердилась? Для физического мышления XVIII века было характерно оперирование различными субстанциями - электрическими, магнитными, световыми, тепловыми. Свет, электричество, магнетизм, теплоту научились измерять. Это позволило уподобить невесомые феномены обычным массам и жидкостям, что способствовало развитию эксперимента и накоплению необходимых фактов. Иначе говоря, концепция невесомых жидкостей оказалась необходимым этапом в развитии физических концепций.

Нагревание тел означало наполнение пространства между атомами теплородом и увеличение его давления. Например, считалось, что между атомами воды, обладающей большой теплоёмкостью имеется много свободного места, а в свинце с его малой теплоёмкостью места для теплорода мало. Чтобы нагреть свинец нужно мало теплорода. Считалось, что теплород невесом, обладает наибольшей по сравнению с другими веществами упругостью, способностью проникать в мельчайшие поры тел и расширять их.

К 1800 г. теория теплорода казалась хорошо экспериментально обоснованной. Она позволяла легко разбираться в нагревании, охлаждении, плавлении, испарении. Но в XIX веке был открыт закон сохранения энергии. Была доказана эквивалентность количества теплоты и работы. Поэтому стало понятно, что теплота не вещество, именуемое теплородом, а форма энергии.

3.1.3. Корпускулярная теория теплоты

С 1840 г. теория теплорода подверглась ожесточённым нападкам. Появилось убеждение, что теплоту можно создавать за счёт механической энергии, хотя само понятие энергии было крайне неопределённым. В 40 годах Ю. Р. Майер, Д. Джоуль, Г. Гельмгольц независимо открыли закон сохранения и превращения энергии - основной закон теории тепловых явлений, известный как первое начало термодинамики. Исследования С. Карно, Р. Клаузиуса, У. Томсона привели к формированию представления о необратимости тепловых процессов в природе, так называемому второму началу термодинамики (закону энтропии).

В итоге в 1-й пол. XIX в. в связи с развитием теории тепловых машин (С. Карно) и установлением закона сохранения энергии возникла термодинамика: раздел физики, изучающий наиболее общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями. (Неравновесные процессы изучает термодинамика неравновесных процессов.). Основные этапы развития термодинамики связаны с именами Р. Клаузиуса и У. Томсона (формулировка второго начала термодинамики), Дж. Гиббса (метод термодинамических потенциалов), В. Нернста (третье начало термодинамики). Различают химическую термодинамику, техническую термодинамику и термодинамику различных физических явлений.

Термодинамика рассматривает явления, обусловленные совокупным действием огромного числа непрерывно движущихся молекул* и других частиц, из которых состоят окружающие нас тела. Благодаря огромному количеству этих частиц беспорядочное их движение приводит к независимости макроскопических свойств от начального положения этих частиц. Термодинамика изучает тепловую форму движения материи, закономерности которого проявляются не только в атомно-молекулярных совокупностях, но и в таких системах, как электромагнитное излучение. Термодинамика изучает свойства равновесных физических систем, исходя из трех основных законов, называемых законами (началами) термодинамики, и не использует явно информации о молекулярном строении вещества.

Необходимость иметь дело с очень большими совокупностями частиц ставит вопрос об их количественной оценке. Оценить число частиц в них можно с помощью числа Авогадро, равного 6·10²³,именно такое число атомов содержится в 12 г. углерода. Кажется странным, что наука научилась описывать свойства столь огромных систем, прежде чем смогла объяснить поведение отдельных атомов. Причина этого кроется в самой основе термодинамики: термодинамические свойства системы - это средние значения, соответствующие очень большим совокупностям частиц. С такими усреднёнными свойствами больших совокупностей частиц проще иметь дело, чем с отдельными частицами.

Энергия термодинамической системы равна сумме кинетических и потенциальных* энергий всех частиц. Отсюда ясно, что полная энергия сохраняется. Существует два вида движений частиц в сложных системах: движение может быть упорядоченным как, например, в летящем мяче, когда все частицы движутся «в ногу», или неупорядоченным, когда все частицы движутся хаотически. В термодинамике мы имеем дело с такими изменениями состояния, которые вызываются очень «мягкими» тепловыми воздействиями. Как правило, энергия, сообщаемая системе при нагревании, недостаточна для расщепления атома. Именно по этой причине термодинамика стала одной из первых областей научного исследования.

3.1.4. Законы термодинамики

Первое начало обычно кратко формулируется так: «Энергия сохраняется». Сохранение энергии, а не теплоты стало основным открытием 50 годов XIX века, совершённым во многом благодаря Кельвину (У Томсону) и Р. Клаузиусу. Оно пришло на смену понятию «силы». Можно принять, что энергия - это способность совершать работу.

Второе начало термодинамики устанавливает наличие в природе фундаментальной асимметрии*, то есть однонаправленности всех происходящих в ней самопроизвольных процессов. Это означает, что, хотя полное количество энергии должно сохраняться в любом процессе, распределение имеющейся энергии изменяется необратимым образом.

Раскроем смысл второго начала термодинамики, или так называемого закона энтропии. Любой пример, связанный с превращением энергии упорядоченного движения (электрических зарядов, кинетической энергии движения молота или автомобиля и т. д.) в тепло, то есть в энергию беспорядочного движения частиц вещества будет во всех случаях иметь дело с необратимыми процессами. Никто еще не видел, чтобы электрическая печь вдруг начала передавать в электросеть свою энергию, охлаждаясь при этом; охлаждая тормоза автомобиля, мы не приведем его в движение и т. д. Все это подтверждает, что очень легко создать беспорядок и очень трудно (или, во всяком случае, требует определенных затрат) создать порядок.

Энтропия, по существу, представляет собой меру этого беспорядка, и, следовательно, при необратимых процессах она всегда растет. При перемешивании горячей воды и холодной ее температура усредняется. Вся энергия распределяется равномерно между молекулами воды. При этом энтропия увеличивается, и мы получаем энергию, более равномерно распределенную и в форме, менее удобной для использования. То есть недостаточно иметь энергию, нужно, чтобы она была в форме, удобной для использования, и, следовательно, не «беспорядочная». Вода в море обладает огромными запасами энергии, которая, однако, соответствует беспорядочному движению и которую поэтому очень трудно использовать.

Существует способ обойти это непрерывное увеличение энтропии, и на нем основана почти вся наша современная техника. Второе начало термодинамики устанавливает общее возрастание энтропии, но вовсе не исключает ее локального уменьшения при еще большем увеличении в другом месте. В тепловой электростанции сжигается топливо и производится теплота, которая превращается затем в электрическую энергию, в высшей степени упорядоченную. На самом деле только третья или четвертая часть энергии горения превращается в электричество, в то время как остальная энергия по обыкновению идет на разогрев воды какой-нибудь реки.

Таким же образом в автомобильном двигателе внутреннего сгорания часть энергии бензина превращается в энергию движения, но гораздо больше ее рассеивается в окружающую среду через радиатор. Итак, общий беспорядок всегда усиливается. Достаточно оглядеться, чтобы понять, насколько активно человек занимается увеличением энтропии. Почти вся наша деятельность приводит к превращению энергии в формы, все менее приспособленные для использования, и к распределению все более низкой температуры среди возрастающего количества атомов.

Третье начало термодинамики характеризует свойства вещества при очень низких температурах. Оно утверждает невозможность охлаждения вещества до температуры абсолютного нуля. Это начало очевидным образом предполагает атомное строение вещества.

3.2. Молекулярно-кинетическая теория

(статистическая механика)

Основные положения молекулярно-кинетических представлений: хаотичное движение молекул, эмпирически подтверждаемое диффузией, броуновским движением, явлениями упругости и агрегатных состояний вещества. ô. Дискретность вещества. ô. Роль химии в исследовании вещества. Периодический закон химических элементов Д. И. Менделеева ô Закон сохранения энергии: полная энергия тела, закон сохранения массы вещества, закон сохранения полной массы системы.

 

Динамические законы (например, законы термодинамики) представляют собой первый, низший этап в процессе познания окружающего нас мира; статистические законы обеспечивают более совершенное отображение объективных связей в природе: они выражают следующий, более высокий этап познания.

Статистическая механика исходит из микроскопической заданности систем тел, заданности, которая складывается из двух моментов:

1. Фиксация термодинамических параметров системы, определяющих её макросостояние.

2. Задание свойств системы на атомистическом уровне.

Считается, что на атомистическом уровне известны все микроскопические характеристики системы, то есть массы и строение молекул, заряды и спины частиц, потенциалы взаимодействия их с внешним миром и друг с другом.

Статистическая механика при рассмотрении свойств термодинамических систем с самого начала опирается на молекулярное представление о строении физических систем, широко применяя методы теории вероятностей*.

3.2.1. Основные положения молекулярно-кинетических представлений

Первый этап развития молекулярно-кинетической теории связан с исследованием наиболее простой среды - газа. Д. Джоуль, Р. Клаузиус и др. вычислили средние значения скорости молекул, числа их столкновений в секунду, длины свободного пробега. Была получена зависимость давления газа от числа молекул в единице объёма. Температура стала рассматриваться как мера средней кинетической энергии молекул.

Второй этап связан с работами Дж. К. Максвелла. В 1859 г. он впервые ввёл понятие вероятности и сформулировал закон распределения молекул по скоростям, что привело к созданию статистической механики. Чрезвычайно велика роль Максвелла в разработке и становлении молекулярно-кинетической теории (современное название - статистическая механика). Максвелл первым высказал утверждение о статистическом характере законов природы. В 1866 им был открыт первый статистический закон распределения молекул по скоростям (Максвелла распределение). Кроме того, он рассчитал значения вязкости газов в зависимости от скоростей и длины свободного пробега молекул, вывел ряд соотношений термодинамики.

На основе этих исследований Людвиг Больцман построил кинетическую теорию газов и дал статистическое обоснование законов термодинамики. Ему удалось согласовать обратимое во времени движение отдельных молекул с необратимым характером макроскопических процессов. Термодинамическому равновесию системы соответствует максимум вероятности данного состояния. Необратимость процессов связана со стремлением систем к наиболее вероятному состоянию.

Обобщим, основные положения молекулярно-кинетической теории:

1. Все тела состоят из молекул.

2. Молекулы находятся в непрерывном тепловом (хаотическом) движении.

3. Между молекулами существуют силы притяжения и отталкивания.

Опытными подтверждениями этих положений служат такие явления как:

· Диффузия, которая представляет собой процесс проникновения молекул одного вещества в межмолекулярные промежутки другого вещества под действием теплового движения.

· Броуновское движение, представляющее хаотическое движение макроскопических частиц, взвешенных в газе или жидкости под действием тепловых ударов молекул жидкости или газа.

· Различные явления упругости и агрегатных состояний вещества.

3.2.2. Дискретность вещества

Вещество дискретно, то есть состоит из огромного количества мельчайших частиц. Таково общепринятое ныне следствие атомистического учения, возникшего ещё в античности, одним из современных аналогов которого является молекулярная теория. Она даёт ответ на вопрос о том, что происходит внутри тел, когда они плавятся, испаряются, меняется их температура и т. д. Молекула - общее название мельчайших частиц вещества, сохраняющих свои химические свойства. Молекулы отличаются друг от друга. Например, у паров металла и инертных газов они представляют собой отдельные атомы, у водорода, кислорода состоят из двух атомов и т. д. Молекулы сложных веществ состоят из различных атомов элементов, входящих в их состав.

Можно ли увидеть молекулу? Мы реагируем на свет, который представляет собой волны с очень малой длиной: несколько тысяч ангстрем (1 ангстрем «1А» равен 10^-8см). Они и создают видимое изображение. Например, с помощью сильного микроскопа можно увидеть бактерии размером от 10000 до 1000 ангстрем. Далее непосредственное зрительное восприятие обрывается - его ограничивает длина волны видимого света. Волны могут сделать видимыми препятствия, которые по своим размерам больше или порядка их длины. Длины световых волн, то есть воспринимаемого нашим глазом электромагнитного излучения, лежат в пределах от 7000А для красного до 4000А - для фиолетового. Попытки преодолеть это препятствие в области коротковолнового ультрафиолета с помощью фотоплёнки вместо глаза не привели к успеху, так как волны поглощались. Рентгеновские лучи тоже оказались недостаточно короткими, чтобы высветить структуру молекулы. Они проходят через вещество, но плохо фокусируются и дают размытую теневую картину. В лучшем случае они выявляют расположение атомов и расстояние между слоями в кристаллах.

Но изобретение электронного микроскопа позволило получать на фотоплёнке сильно увеличенное изображение молекул. В нём вместо света через исследуемый тонкий образец проходит пучок электронов, который затем фокусируется электрическими и магнитными полями. Длины электронных волн настолько меньше световых, что позволяют различать даже форму молекул. Конечно, надо помнить, что, в конечном счете, мы можем видеть только их увеличенное изображение, но не сами молекулы. Молекулы оказались состоящими из ещё более мелких частиц - атомов. В свою очередь атомы оказались сложными системами, состоящими из электронов и ядер, а сами ядра - состоящими из различных частиц.

Химия. Периодическая таблица химических

элементов Д. И. Менделеева [32]

Вещества и их взаимные превращения являются предметом изучения химии. Химия – это наука о веществах и законах, которым подчиняются их превращения. Слово «химия» получило широкое распространение с начала XVIII века. На многих языках оно имеет сходное звучание: chemistry ('кемистри) – на английском, сhemie (хе'ми) – на немецком. Корни «хем» или «хим» содержатся в соответствующих терминах и на многих других языках. Однако до сих пор не удалось установить, когда возникло слово «химия» и какой смысл в него первоначально вкладывался. Многие исследователи склоняются к тому, что это слово происходит от «Кеми» – «Черная страна». Так в древней Греции называли Египет, где зародилось «священное искусство химии». Это же слово относилось к цвету почвы в долине Нила. Смысл такого названия – «египетская наука». Однако в древнегреческом языке были другие близкие по звучанию слова. «Химос» или «хюмос» означало «сок»; это понятие встречается в рукописях, содержащих сведения по медицине и способам приготовления лекарств. «Хима» или «хюма» переводится как литье и относится к искусству выплавки металлов. «Хемевсис» означает «смешивание», являющееся важнейшей операцией большинства химических процессов. Термин «химия» в смысле «настаивание», «наливание» первым употребил греческий философ и естествоиспытатель Зосима Панополитанский на рубеже IV и V веков.

Современная химия – это фундаментальная система знаний, основанная на богатом экспериментальном материале и теоретических положениях. Химия занимает особое место среди естественных наук. На сегодняшний день известно более 20 миллионов химических веществ. Часть из них встречается в природе. Однако большинство химических веществ ранее вообще не существовало. Они были получены человеком в химических лабораториях. В этом состоит уникальность химии: она не довольствуется тем, что дано природой, а постоянно создает для себя все новые и новые объекты исследований.

Каждое из химических веществ имеет свое внутреннее строение и может претерпевать разнообразные превращения, то есть вступать в химические реакции. Эти два аспекта взаимосвязаны. Внутреннее строение определяет химические свойства, а по химическим свойствам можно судить о строении вещества. В то же время невозможно одновременно исследовать и строение и химические свойства вещества, поскольку в ходе химической реакции структура вещества неизбежно изменяется. Изучение строения и реакционной способности химических веществ, создание веществ и материалов с заранее заданными свойствами – основные задачи химической науки.

Уже в XVIII веке начала формироваться так называемая минеральная химия. Сейчас этот раздел химии мы называем неорганической химией – в отличие от органической химии, которая первоначально исследовала вещества, образующиеся в живых организмах. Позднее были выделены в самостоятельные разделы еще две важнейшие области химии – аналитическая и физическая химия.

Дать точное определение каждому из этих разделов очень сложно, хотя в целом разница между ними вполне очевидна. Так, невозможно кратко ответить на вопрос: что такое неорганическая химия. Одно из наиболее удачных, хотя и не совсем полных определений звучит так: неорганическая химия – это экспериментальное исследование и теоретическая интерпретация свойств и реакций всех элементов и всех их соединений, кроме большинства углеводородов и их соединений.

Основные задачи современной неорганической химии – изучение строения, свойств и химических реакций простых веществ и соединений, взаимосвязи строения со свойствами и реакционной способностью веществ, разработка методов синтеза и глубокой очистки веществ, общих методов получения неорганических материалов.

Теоретическую основу неорганической химии составляет учение о Периодическом законе, созданное русским ученым - энциклопедистом Дмитрием Ивановичем Менделеевым (1834–1907). Несмотря на то, что этому закону уже более 100 лет, он по-прежнему является важнейшим инструментом для объяснения свойств и реакций химических элементов и их соединений. Периодическая система химических элементов, получившая в бытовой речи название – таблица Менделеева, – изображена во всех учебниках химии и знакома практически каждому. Предпринималось много попыток создать новую, более совершенную форму таблицы. В научной литературе описано около 700 ее вариантов. Были найдены круговые, треугольные и спиральные варианты, а также трехмерные модификации в виде этажерки, цилиндра, платформы с двумя башнями, объемной спирали, взаимопересекающихся плоскостей и т. д. Но самый распространенный на сегодня вариант близок к тому, который в свое время предложил Д. И. Менделеев.

С точки зрения теории строения атома, элементы в периодической системе расположены в последовательности увеличения зарядов их ядер, Внутри каждого периода по мере возрастания зарядов ядер элементов последовательно изменяется структура внешних электронных уровней. С этим связан переход элементов от металлов к неметаллам. В периодах слева направо, с увеличением зарядов ядер элементов, усиливается притяжение электронов к ядру и происходит сжатие атома, т. е. уменьшение атомного радиуса элементов. Поэтому в начале каждого периода располагаются элементы, имеющие больший атомный радиус и меньшее число электронов на внешнем электронном слое. Чем больше атомный радиус, тем слабее притяжение электронов внешнего слоя и тем легче элементу отдавать электроны. Такая структура характерна для элементов - металлов, которые сравнительно легко отдают валентные электроны, но не могут принимать их дополнительно для достройки электронных оболочек внешнего уровня.

С увеличением атомного номера элементов увеличивается заряд ядра и число электронов во внешнем слое и уменьшается легкость отдачи электронов с этого слоя. Таким образом, внутри каждого периода с увеличением атомных номеров элементов наблюдается уменьшение металлических свойств элементов и возрастание неметаллических свойств (способность притягивать к себе электроны). Каждый период заканчивается инертным элементом, имеющим завершенную структуру внешнего электронного слоя (полный октет).

Устойчивость такого октета объясняет пассивность инертных элементов, что не позволяет причислить их к металлам или неметаллам. В группах расположены элементы, имеющие одинаковое строение внешнего электронного слоя, т. е. электронные аналоги. Номер группы указывает число электронов на внешней электронной оболочке атомов элементов данной группы. Элементы, находящиеся в одной группе проявляют близкие химические свойства. Однако и внутри группы свойства элементов изменяются. Это связано с тем, что внутри каждой группы сверху вниз у элементов увеличивается число электронных слоев, т. е. атомный радиус. Чем больше атомный радиус, тем дальше от ядра электроны внешнего слоя и тем слабее они удерживаются ядром.

Таким образом, в группах сверху вниз усиливаются металлические и уменьшаются неметаллические свойства. В периодической таблице группы делятся на два типа: 8 групп IA- VIIIA и 8 групп IB- VIIIB. Группа VIIIB состоит из триад. В группах IА и IIA находятся s-элементы, у них последним заполняется электронами s-подуровень внешнего уровня. Далее, согласно правилам Клечковского, для элементов с главным квантовым числом n= 2 и n= 3 (второй и третий период) происходит заполнение р- подуровня. Это р- элементы, они располагаются в группах IIIA- VIIIA. Для элементов IV и V периода после заполнения электронами s- подуровня энергетически более выгодно заполнение соответственно 3d- и 4d- поуровней, что и происходит у элементов групп IB- VIIIB.

Группы типа В расположены в порядке, указывающем число валентных электронов атомов элементов, так как у d- элементов валентными являются электроны не только внешнего уровня, но и заполняемого второго снаружи уровня. После полного заполнения d- электронами второго снаружи уровня, происходит заполнение р- подуровня последнего электронного уровня (группы IIIA- VIIIA).

У актиноидов и лантаноидов происходит заполнение электронами f- подуровня третьего снаружи энергетического уровня, что и обуславливает схожесть их химических свойств.

Как видно, с учетом заполнения электронами энергетических уровней, в периодической таблице с увеличением атомных номеров элементов наблюдается периодическое повторение строения внешних электронных слоев, что и обусловливает периодичность свойств химических элементов.

С электронной конфигурацией атома связаны такие его свойства, как энергия ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность, степень окисления.

v Энергия ионизации- это энергия, необходимая для отрыва наиболее слабосвязанного электрона от атома. Она выражается в электронвольтах. При отрыве электрона от атома образуется заряженная частица- ион. В данном случае ион будет иметь положительный заряд. Такие ионы называются катионами. Для элементов одного периода энергия ионизации возрастает слева направо с увеличением неметаллических свойств у элементов. В группах энергия ионизации уменьшается сверху вниз с увеличением металлических свойств.

v Сродство к электрону- это энергия, которая выделяется при присоединении к атому одного электрона Она также выражается в электронвольтах. При присоединении электрона к атому образуется отрицательно заряженный ион - анион. В периодах слева направо сродство к электрону увеличивается. Наибольшим сродством к электрону обладают галогены.

v Электроотрицательность - это способность атома притягивать к себе электроны в соединении. Притягиваемые электроны являются валентными, т. е. это электроны, которые участвуют в химической связи. Инертные (благородные) элементы не обладают электроотрицательностью. Наиболее электроотрицательным из элементов является фтор.

v Степень окисления- это формальный заряд атома в соединении, который возник бы, если бы все атомы в этом соединении были бы в виде ионов, а электроны смещены к наиболее электроотрицательному элементу. Номер группы в периодической системе численно равен положительной высшей степени окисления любого элемента данной группы в соединениях с кислородом.

Предмет изучения органической химии некогда ограничивался соединениями углерода, имеющими растительное и животное происхождение. В наше время органическая химия – это наука, изучающая природные и синтетические соединения углерода с другими элементами.

Ежегодно число синтезированных органических соединений возрастает на 250–300 тысяч. Оно превышает число известных неорганических соединений в десятки раз. Многообразие органических соединений определяется уникальной способностью атомов углерода соединяться друг с другом простыми и кратными связями, образовывать соединения с практически неограниченным числом атомов, связанных в цепи, циклы, каркасы, образовывать прочные связи почти со всеми химическими элементами.

Основным методом органической химии является синтез. Теория химического строения органических веществ базируется на положениях, впервые сформулированных русским химиком Александром Михайловичем Бутлеровым (1828–1886). В органической химии можно выделить области исследований соединений, относящихся к различным классам и имеющих различное происхождение: химия ароматических соединений, химия природных соединений, нефтехимия.

До сих пор ведутся споры, можно считать самостоятельным разделом химии аналитическую химию. Вряд ли они состоятельны. Анализ – важнейший метод химии. До первой половины XIX века именно аналитическая химия была основным разделом химии. Аналитическая химия – это наука об определении химического состава веществ и, в некоторой степени, химического строения соединений.

Родоначальником научной аналитической химии считают английского физика и химика Роберта Бойля (1627–1691), который первым ввел понятие «химический анализ». Без тщательного, точного анализа развитие химии невозможно. Любой синтез обязательно сопровождается анализом. Для современных технологий необходимы особо чистые вещества, а содержание ничтожных долей примесей в них можно определить лишь аналитическими методами.

Основная цель аналитической химии – обеспечить точность, высокую чувствительность, быстроту, избирательность анализа. Развитие аналитической химии привело к возникновению химической диагностики, позволяющей непрерывно определять различные характеристики протекающих процессов и образующихся веществ.

В аналитической химии широко стали использоваться физико-химические и физические методы. Физические методы изучения веществ и воздействия на них получили применение и в других областях химии. Это привело к формированию новых важных направлений химии, например, радиационной химии, плазмохимии. Химия экстремальных воздействий играет большую роль в получении новых материалов, например для электроники, или давно известных ценных материалов, например алмазов, сравнительно дешевым синтетическим путем.

На грани исследований физических и химических явлений возникла физическая химия. Изучение тепловых эффектов химических реакций породило термохимию. Химические процессы, протекающие под действием электрического тока, стали основой электрохимии. В основу современной физической химии легли также учения о растворах, о скоростях и механизмах химических реакций, о строении молекул и многие другие. Физическая химия – это наука об общих законах, определяющих строение и химические превращения веществ в различных условиях. Термин «физическая химия» принадлежит М. В. Ломоносову (1711–1765), который в 1752 году впервые прочитал студентам Петербургского университета курс этой науки.

Она исследует химические явления с помощью теоретических и экспериментальных методов физики. Физическая химия является основным теоретическим фундаментом современной химии. В последние годы все большее внимание уделяется углубленному анализу общих закономерностей химических превращений на молекулярном уровне; широкому использованию математического моделирования; изучению воздействия на химические процессы сверхвысоких и сверхнизких температур и давлений, радиации и магнитного поля.

Все больше стираются границы и между химией и другими естественными науками. Биохимия – б