Файл: УМК КСЕ ФГОС-3 для студентов.doc

В 1963 г. начались открытия звездоподобных источников радиоизлучения – квазаров. Сейчас их открыто более тысячи. Квазары являются самыми удаленными наблюдаемыми объектами и, вероятно, представляют собой ядра первых возникших во Вселенной галактик.

Галактики распределены во Вселенной неравномерно, образуя скопления и сверхскопления. Однако и они также распределены неравномерно. Скопления и сверхскопления галактик образуют крупномасштабную ячеистую или сотовую структуру Вселенной, напоминающую пчелиные соты, губку, пену, пемзу. В стенках сот сосредоточены скопления и сверхскопления галактик, а в пространстве между стенками их крайне мало. В еще более крупном масштабе Вселенная однородна.

Концептуальные уровни химии. Учение о составе вещества

Химия – наука о веществах, их строении, свойствах и превращениях.

Предмет химии – превращения веществ на макроскопическом уровне и анализ этих превращений на микроскопическом, атомно-молекулярном уровне.

Исторически химия прошла четыре концептуальных уровня своего развития. Причем каждый последующий уровень включал в себя и дополнял предыдущий. Первый уровень связан с учением о составе вещества, второй – с развитием структурной химии, третий концептуальный уровень определяется становлением учения о химических процессах, четвертый современный уровень – эволюционная химия.

В конце 17 века зародилось учение о составе вещества. Это было сделано в работах английского ученого Р. Бойля. По Бойлю мельчайшие частицы вещества – атомы, могли соединяться, образуя более крупные частицы – кластеры (сейчас используется термин «молекула», введенный в 17 в. французским ученым П. Гассенди). Бойль утверждал, что свойства веществ зависят от того, из каких химических элементов они состоят. Химический элемент он трактовал как предел разложения вещества. В настоящее время химическим элементом называют вид атомов, имеющих определенный заряд ядра.

Развитием представлений о химических элементах явилось понятие о химических соединениях. Если в состав простых веществ входят атомы только одного элемента, то сложные вещества, или химические соединения, состоят из атомов нескольких элементов. Свойства соединений отличаются от свойств составляющих их элементов.

Расширение круга методов химического анализа и использование количественных методов измерения позволило определять числовые соотношения элементов в соединениях. В начале 19 века французский химик Ж. Пруст установил закон постоянства состава, согласно которому любое соединение содержит элементы в строго определенных массовых пропорциях независимо от способа его получения. Закон Пруста подтверждал гипотезу существования молекул.

В 1860 г. на первом международном съезде химиков были приняты правила написания химических формул и уравнений, а также определены понятия атома, молекулы и химического элемента. Так, атомом была названа наименьшая частица элемента в химических соединениях. А молекулой – наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами.

В 1869 г. Д.И. Менделеевым был открыт периодический закон химических элементов, который гласил: «Физические и химические свойства элементов, проявляющиеся в свойствах простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомной массы». На основании этого закона Менделеев упорядочил элементы в виде системы или таблицы и предсказал существование и свойства трех неизвестных в то время элементов, которые вскоре были открыты (галлий, скандий, германий). Эти открытия стали триумфом химической науки. Однако обосновать периодический закон в рамках научных знаний конца 19 века было невозможно в связи с отсутствием представлений о сложности строения атома. В 30-х годах 20 века с созданием атомной и ядерной физики, а также квантовой механики это обоснование появилось. Так, в частности, стало ясно, что свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра атома (порядкового номера элемента).

Развитие структурной химии

В 1772 г. А. Лавуазье удалось сжечь алмаз и получить углекислый газ, в результате чего выяснилось, что самый твердый кристалл на Земле по химическому составу ничем не отличается от мягкого графита. И тот и другой – чистый углерод. В 1840 г. Х. Шёнбейн установил, что свойства кислорода при искровом разряде в нем, а также получаемого при электролизе воды, отличаются от свойств обычного атмосферного кислорода, и связал эти отличия с образованием особого газа, названного им озоном. Так была открыта аллотропия – существование одного и того же химического элемента в виде двух или более простых веществ, различных по строению и, как следствие, по свойствам.

В 1823 г. Ю. Либих показал, что гремучее AgONC и циановокислое серебро AgNCO имеют один и тот же состав, но разные свойства. В 1830 г. Й.Я. Берцелиус ввел термин «изомерия» и выдвинул предположение, что различие в свойствах у изомеров, т.е., химических соединений, одинаковых по составу и молекулярной массе, обусловлены различным распределением атомов в молекуле.

Таким образом, в первой половине 19 века химикам стало ясно, что свойства веществ и их качественное многообразие обусловлено не только химическим составом, но и их структурой. Более полное объяснение изомерия получила во второй половине 19 века в трудах Бутлерова (структурная изомерия) и Я.Г. Вант-Гофа (пространственная изомерия). Структурная изомерия является результатом различного порядка связи атомов, а пространственная изомерия – различной пространственной конфигурации атомов.

Учение о химических процессах. Термодинамические и кинетические методы управления химическими реакциями

В 19 веке происходит интенсивное развитие учения о химических процессах, составившего третий концептуальный уровень химии.

Химической реакцией или химическим процессом называется процесс превращения веществ, который сопровождается изменением их состава и (или) строения. Можно дать и такое определение: химической реакцией называется процесс превращения исходных веществ (реагентов) в конечные вещества (продукты).

Концептуальным положением учения о химических процессах является идея о том, что способность к взаимодействию различных химических реагентов зависит не только от химического состава этих исходных веществ, но еще и от ряда факторов: температуры, давления, излучения, наличия растворителей, катализаторов и т.д. В связи с этим важнейшей задачей химии становится задача разработки методов управления химическими процессами с целью получения нужных продуктов реакций в необходимых количествах.

Методы управления химическими процессами можно разделить на термодинамические и кинетические.

Термодинамические методы оказывают влияние на направление протекания химических процессов. Дело в том, что в химических реакциях исходные вещества не всегда полностью превращаются в продукты реакции. Это происходит в связи с тем, что по мере накопления продуктов реакции могут возникнуть условия для протекания реакции в обратном направлении (такие реакции называются обратимыми).

В обратимых реакциях скорость прямой реакции по мере уменьшения концентрации исходных веществ уменьшается, а скорость обратной реакции по мере накопления продуктов реакции, наоборот, возрастает. В конце концов, наступает момент, когда скорости прямой и обратной реакций выравниваются. Состояние, при котором скорости прямой и обратной реакций равны, называется химическим равновесием.

Теоретически состояние химического равновесия при неизменных условиях может сохраняться бесконечно долго. Практически при изменении внешних условий (температуры, давления или концентрации реагентов) равновесие может смещаться в ту или иную сторону. В 1884 г. французский химик Ле Шателье сформулировал принцип, позволяющий выявить методы смещения равновесия в сторону конечных продуктов и получить оптимальный выход реакции.

Выходом реакции называется отношение количества получаемого в действительности продукта к тому количеству, которое получилось бы при протекании реакции до конца, т.е., если бы было израсходовано полностью хотя бы одно из исходных веществ. Очевидно, следует стремиться к максимально возможному выходу реакции. Однако при промышленном производстве конечных продуктов необходимо учитывать множество факторов, в том числе экономические, что может привести к тому, что выход реакции будет меньше. Поэтому и говорят об оптимальном выходе реакции.

Принцип Ле Шателье гласит, что внешнее воздействие (изменение концентрации, давления или температуры) на систему, находящуюся в состоянии равновесия, вызывает смещение равновесия в направлении, при котором частично компенсируются влияние этих воздействий. Например, при повышении температуры равновесие смещается в сторону эндотермической реакции, т.е. реакции, идущей с поглощением энергии, а при понижении температуры – в сторону экзотермической реакции (с выделением энергии). Поэтому, если, например, прямая реакция является эндотермической, то, повышая температуру, можно сместить равновесие в сторону образования конечных продуктов.

Если термодинамические методы позволяют смещать равновесие при химической реакции, то кинетические методы управляют скоростью протекания реакции. Изучением кинетических методов занимается химическая кинетика. Скорость реакции зависит от природы и состояния реагирующих веществ, а также от условий протекания реакции. Важнейшими из них являются концентрация, температура и наличие катализатора.

Зависимость скорости реакции от природы реагирующих веществ означает, что при одних и тех же условиях реакции с одними исходными веществами происходят быстро, а с другими – медленно, или не идут вообще. Так, например, реакция соединения газообразных водорода и фтора при комнатной температуре протекает взрывообразно, т.е., с большим выделением энергии за короткое время, что свидетельствует о большой скорости реакции. В то же время аналогичная реакция водорода с йодом при тех же условиях практически не идет.

Скорость реакции зависит и от агрегатного состояния реагирующих веществ. Так, реакции в газовой фазе в общем случае происходят быстрее, чем в растворах, а в растворах – быстрее, чем в твердой фазе.

Из общих соображений ясно, что с увеличением концентрации исходных веществ, скорость реакции должна увеличиваться, т.к. при этом увеличивается число молекул, которые могут участвовать в реакции в данный момент времени. С увеличением температуры скорость реакции также возрастает, т.к. с ростом средней кинетической энергии молекул реагирующих веществ увеличивается вероятность их химического превращения при столкновениях.