ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 14.08.2024
Просмотров: 14
Скачиваний: 0
ПРОБЛЕМА ХИМИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА
Концепция химического элемента появилась в химической науке в результате стремления человека обнаружить первоэлемент природы. Она просуществовала более двух тысяч лет. Однако лишь в XVII веке Р. Бойль положил начало современному представлению о химическом элементе как о простом теле, пределе химического разложения вещества, переходящем без изменения из состава одного сложного тела в другое. Тем не менее еще целый век химики делали ошибки в выделении химических элементов. Дело в том, что, сформулировав понятие химического элемента, химики еще не знали ни одного из них. Стремясь получить элементы в чистом виде, они пользовались считавшимся тогда универсальным методом прокаливания - окалину принимали за элемент. Так что известные тогда металлы - железо, медь, свинец - принимали за сложные тела, состоявшие из соответствующего элемента и универсального тела - флогистона. Тем не менее именно флогистонная теория, ложная по сути, оказалась двигателем многих исследований, приведших в конечном итоге к правильным выводам. Этот вывод был сделан Д.И. Менделеевым, доказавшим, что свойства химического элемента зависят от места данного элемента в периодической системе, определяемого зарядом ядра атома. В XX веке физика помогла установить сложную структуру атома любого химического элемента. Атом представляет собой единую квантово-механическую систему, состоящую из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки. Выяснены особенности строения электронных орбиталей атомов всех элементов и особая роль внешнего электронного уровня атома, от количества электронов в котором зависит реакционная способность элемента. Наиболее активными с химической точки зрения являются элементы, имеющие минимальную атомную массу и 6-7 электронов на внешнем электронном уровне (фтор, хлор, кислород): они стремятся достроить свою электронную оболочку, присоединив недостающее число электронов; а также металлы, обладающие большой атомной массой и имеющие 1 - 2 электрона на внешнем электронном уровне (барий, цезий), стремящиеся их отдать для его достройки. На этом основано понятие валентности - способности атома к образованию химической связи. Сегодня науке известно ПО химических элементов, но их удельное содержание в природе крайне неравномерно. Так, 98,6% массы физически доступного слоя Земли составляют всего восемь химических элементов: кислород (47%), кремний (27,5%), алюминий (8,8%), железо (4,6%), кальций (3,6%), натрий (2,6%), калий (2,5%), магний (2,1%). Однако используются эти элементы непропорционально. Например, железа в Земле содержится в два раза меньше, чем алюминия. Но сегодня более 95% всех металлических изделий изготовляются из железно-рудного сырья. Поэтому в современной химии концепция химического элемента выступает как проблема рационального использования химических элементов. Прежде всего исследования в этой области направлены на изучение и использование силикатов, которые составляют 97% массы земной коры. Отсюда вполне естественно убеждение ученых, что силикаты должны стать основным сырьем для производства всех строительных материалов и полуфабрикатов при изготовлении керамики, способной конкурировать с металлами. Внимание химиков к этим двум видам материалов не случайно: именно металлы и керамика составляют на 90% современную материально-техническую базу производства. В мире ежегодно производится около 600 млн. тонн металла - более 150 кг на каждого жителя планеты. Примерно столько же производится и керамики вместе с кирпичом. Однако изготовление металла обходится в сотни и тысячи раз дороже, чем керамики. Разница в их стоимости до недавнего времени никого особенно не волновала, так как каждый материал имел свое строго определенное назначение. Но сегодня благодаря химии все больше открывается возможностей для замены металла керамикой. Здесь существенными являются два обстоятельства: производство керамики намного легче в техническом отношении и выгоднее экономически, а, главное, керамика по своим показателям оказывается более подходящим конструкционным материалом по сравнению с металлом. Очевидное преимущество керамики состоит в том, что ее плотность на 40% ниже, чем плотность металлов, что позволяет, соответственно, снизить массу изготовляемых из керамики деталей. А при использовании в производстве керамики новых химических элементов - циркония, титана, бора, германия, хрома, молибдена, вольфрама и др. - можно получать керамические изделия с заранее заданными свойствами. Так, в последнее время была синтезирована огнеупорная, термостойкая, высокотвердая керамика с набором заданных электрофизических свойств. Впервые в мире в 60-х годах в нашей стране был получен сверхтвердый материал - гексанит-Р, представляющий собой одну из разновидностей нитрида бора с температурой плавления 3200 градусов по Цельсию и твердостью, близкой к твердости алмаза. У него отсутствует хрупкость, присущая керамике. Такая керамика производится методом прессования порошков с получением необходимых форм и размеров, что делает ненужной механическую обработку изделий. Еще одно преимущество керамики перед металлами - сверхпроводимость при температуре кипения азота(-195,8°С).Практическая реализация высоко температурной сверхпроводимости открывает огромные перспективы для создания сверхмощных двигателей и генераторов, транспортных систем на магнитной подушке, разработки сверхмощных электромагнитных ускорителей и т.п. Однако подлинный переворот в теории химических элементов произвела химия фторорганических соединений. Она открыла совершенно новый мир органических веществ. Дело в том, что фторуглероды обладают исключительной устойчивостью даже в очень агрессивных средах кислот и щелочей, особой поверхностной активностью, способностью поглощать кислород и перекиси. Поэтому изделия из фторуглерода принимаются в качестве материала для изготовления внутренних органов человека (например, сердечных клапанов, кровеносных сосудов и т.д.). Синтез уникальных материалов заставляет по-новому исследовать все химические элементы и накапливать данные для новых концепций химических элементов.
Реакционная способность веществ Число известных в природе и технике химических процессов очень велико. Одни из них, например, окисление бронзы на воздухе, протекают веками, другие — горение бензина — очень быстро. Разложение же взрывчатых веществ происходит в миллионные доли секунды. При промышленном производстве химических продуктов очень важно знать закономерности протекания реакций во времени, т. е. зависимость их скорости и выхода продукта от температуры, давления, концентрации реагентов и примесей. Изучением скорости и особенностей протекания химических реакций занимается химическая кинетика. Основополагающим для химической кинетики является представление о том, что исходные вещества, вступающие в химическую реакцию, чрезвычайно редко непосредственно превращаются в ее продукты. В большинстве случаев реакция проходит ряд последовательных и параллельных стадий, на которых образуются и расходуются промежуточные вещества. Число последовательных стадий может быть очень велико — в цепных реакциях их десятки и сотни тысяч. Время жизни промежуточных веществ весьма разнообразно: одни вполне стабильны, другие существуют в равновесном состоянии доли секунды. Изучение скорости протекания химических процессов показало, что химические реакции протекают тем быстрее, чем выше температура, давление и концентрация реагентов. На скорость некоторых химических реакций можно влиять присутствием небольшого количества определенных веществ, которые сами в реакции участия не принимают. Вещества эти называются катализаторами. Катализаторы бывают положительными, ускоряющими реакцию, и отрицательными — замедляющими ее. Каталитическое ускорение химической реакции называется катализом и является приемом современной химической технологии (производство полимерных материалов, синтетического топлива и др.). Считается, что удельный вес каталитических процессов в химической промышленности достигает 80%. Благодаря катализу существенно повысилась эффективность экономики химической промышленности, поскольку ускорение химических реакций заметно влияет на снижение издержек производства. металлы (Au, Pt) и инертные газы (Не, Ar, Kr, Xe) химически инертны, т. е. у них низкая Реакционная способность; щелочные металлы (Li, Na, К, Cs) и галогены (F, Cl, Вг, I) химически активны, т. е. обладают высокой Реакционная способность В органической химии насыщенные углеводороды характеризуются низкой Реакционная способность, для них возможны немногочисленные реакции (радикальное галогенирование и нитрование, дегидрирование, деструкция с разрывом С—С-связей и некоторые др.), происходящие в жёстких условиях (высокая температура, ультрафиолетовое облучение). Для галогенопроизводных насыщенных углеводородов уже возможны, кроме того, реакции дегидрогалогенирования, нуклеофильного замещения галогена, образования магнийорганических соединений и др., происходящие в мягких условиях. Наличие в молекуле двойных и тройных связей, функциональных групп (гидроксильной —ОН, карбоксильной —СООН, аминогруппы —NH2 и др.) приводит к дальнейшему увеличению Реакционная способность Количественно Реакционная способность выражают константами скоростей реакций (см. Кинетика химическая) или константами равновесия в случае обратимых процессов (см. Равновесие химическое). Современные представления о Реакционная способность основаны на электронной теории валентности (см. Валентность) и на рассмотрении распределения (и смещения под действием реагента) электронной плотности в молекуле. Электронные смещения качественно описываются в терминах индуктивных и мезомерных эффектов (см. Мезомерия), количественно — с применением квантовомеханических расчётов (см. Квантовая химия). Главный фактор, определяющий относительную Реакционная способность в ряду родственных соединений, — строение молекулы: характер заместителей, их электронное и пространственное влияние на реакционный центр (см. Пространственные затруднения), геометрия молекул (см. Конфигурация молекул, Конформация). Реакционная способность зависит и от условий реакции (природы среды, присутствия катализаторов или ингибиторов, давления, температуры, облучения и т.п.). Все эти факторы оказывают на скорость реакций различное, а иногда противоположное влияние в зависимости от механизма данной реакции. Количественная связь между константами скорости (или равновесия) в пределах одной реакционной серии может быть представлена корреляционными уравнениями, описывающими изменения констант в зависимости от изменения какого-либо параметра (например, эффекта заместителя — уравнение Гаммета — Тафта, полярности растворителя — уравнение Брёнстеда и т.п.). В зависимости от характера распределения электронной плотности в молекуле различают три основных типа химической связи: ковалентную, ионную и металлическую. Универсальный тип химической связи – ковалентная (гомеополярная) связь, которая возникает в результате обобществления валентных электронов парой соседних атомов. Эта связь является причиной сосуществования молекул простых газов (Н2, Сℓ2 и пр.), различных соединений (Н2О, NH3 и др.), многочисленных органических молекул (СН4, Н3С – СН3 и т. п.), а также атомных кристаллов (фосфор, сера, графит и др.). Если химическая связь осуществляется между двумя одинаковыми атомами, она называется неполярной (например, N2, О2, атомы полупроводников Ge, Si и др.), в противном случае – полярной (к примеру, НСℓ). В предельном случае полярности, когда электронные облака взаимодействующих атомов настолько разделены, что можно говорить об образовании катионов и анионов, имеет место ионная связь, которая осуществляется за счет кулоновского притяжения разноименно заряженных ионов (например, NaСℓ, CaF2, нитриты, сульфиты, фосфаты и другие соли металлов). По традиции к химическим связям относят также металлическую и водородную связи, хотя они отражают специфику химических объектов и агрегатных состояний, а не действующих сил. Реакционная способность веществ. Химические реакции Реакционная способность вещества – это его химическая активность. Примером является восстановительная способность, когда вещество отдает электроны, и окислительная способность, когда вещество присоединяет электроны. Восстановительной способностью обладают металлы, окислительной – неметаллы. Различают химические реакции замещения, разложения, соединения, обмена. Примеры химических реакций: а) реакция замещения: б) реакция разложения: при нагревании 2HgNO3+Fe=Fe(NO3)2+2Hg CaCO3 =t CaO + CO2 сложное простое г) реакция обмена: в) реакция соединения: HСℓ + KOH = KСℓ + H2O
S + O2 = SO2 сложное простое