Читать онлайн Общая и Неорганическая химия с примерами решения задач бесплатно

Михаил Иванович Бармин

ОБЩАЯ И НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ С ПРЕМЕРАМИ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Введение

Настоящее учебное пособие предназначено для абитуриентов, сдающих ЕГЭ в 2017 и последующих годах. В связи с обновлением большинства учебных пособий и учебников по общей и неорганической химии выпуск учебного пособия такого типа актуален. Данное пособие отличается от аналогичных изданий, например тем, что в конце его приводится как бы краткая аннотация лекций, что помогает, с одной стороны, запоминанию, с другой – помогает понять историю возникновения понятий и законов и внутри предметной связи. В этой книге есть решения типовых задач (тесты 27-29), что несомненно повысит качество преподавания. Суперполезно для студентов России, Белоруссии, Украины и всех знающих русский язык, более того полезно для студентов всех форм и типов образования не химических вузов. Будем рады предложениям и замечаниям.

Доцент, канд. хим. наук      М.И.Бармин

тел.: 588–73–45; e–

mihail-barmin2010@ya.ru

СТУДЕНТЫ И АБИТУРИЕНТЫ – НА ДИЕТУ!

Научно доказано: концентрация внимания, находчивость и даже творческие озарения – отнюдь не случайность. Все это вполне достижимо с помощью …еды.

Хотя мозг человека и составляет всего 2–3 процента от общей массы тела, но он очень любит «поесть». Представьте себе, что 20 процентов калорий, потребляемых вами в день «съедает» именно этот обжора. Соответственно рацион, можно сказать, определяет и умственные способности. Одни продукты стимулируют работоспособность, другие – быстроту мышления, третьи – концентрацию.

Лучшему запоминанию способствует морковь (она участвует в процессе обновления клеток мозга). Перед тем как что–либо учить, съешьте тарелочку тертой моркови с растительным маслом.

Любимый фрукт театральных звезд – ананас. Чтобы помнить наизусть огромные монологи, необходим витамин С, которого в нем много, а вот калорий очень мало. Стакан ананасового сока в день – вещь незаменимая. Хорош для улучшения памяти и авокадо. Достаточно половины в день.

Аромат острого перца стимулирует выделение «гормона счастья» – эндорфина. И чем острее перец, тем вы счастливее. Ягода менеджера – клубника, содержащийся в ней пектин снимает стресс. Секрет популярности бананов, возможно, в серотонине – это как раз то, чего не хватает мозгу для полного счастья. Ну и, конечно, витамины и кальций.

От нервозности вас избавит капуста: ешьте ее перед экзаменами и будьте спокойны. Ничто так не освежит вас и ваши знания, как лимон. Перед занятиями иностранным языком выпейте стакан лимонного сока. Черника – идеальный перекус между долгими и нудными занятиями. Она улучшает кровоснабжение мозга. Лучше всего – свежие ягоды, но их можно заменить и соком (не осветленным).

От перенапряжения и психической усталости лучшее средство – лук. Не меньше половины луковицы в день – и никакой усталости! Орехи – старое, испытанное средство в тех случаях, когда требуется выносливость (доклады, конференции, концерты, долгое время за рулем).

Имбирь очистит голову для новых идей. Кровь разжижается, течет быстрее и свободнее. Не заменим для журналистов, людей

творческих профессий. Чайная ложка свежего имбиря перед ответственным мероприятием – милое дело. Тмин – отец гениальных идей и молниеносных озарений. Его масла стимулируют всю нервную систему, что способствует творческому мышлению.

Если вы ждете от себя новых идей, выпейте чашечку тминного чая. Рецепт: 2 чайных должки молотых зерен тмина на чашку.

Для питания клеток мозга просто незаменима морская рыба. На смену знаменитому рыбьему жиру пришли менее противные на вкус капсулы. Их можно купить в аптеке, а глотать рекомендуется в стрессовых ситуациях или перед экзаменами.

Но сахара для повышения трудоспособности не ешьте: это не поможет. Для нормального функционирования нашему мозгу нужно очень много глюкозы. Чистый сахар быстро попадает в кровь и проясняет голову. Но в ответ на это организм выбрасывает инсулин – так называемый «пожиратель сахара», после чего «чудесная сила» сахара резко ослабевает, и через десять минут вы уже снова чувствуете себя усталым и разбитым. Намного лучше вместо чистого сахара есть продукты в которых он находится в сложных соединениях: хлеб грубого помола, орехи, рис, мюсли или сухофрукты. Они дольше расщепляются – вы вновь почувствуете себя бодрым.

По материалам прессы

Слова химии. Генетическая связь

КЛАСС НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Нетрадиционно представлена эта глава, т.к. десятилетия педагогической практики показывают, что химическая грамотность абитуриентов и студентов падает.

1.КЛАСИФИКАЦИЯ И НОМЕНКЛАТУРА ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Все химические соединения подразделяются на классы. Существуют также определенные правила их наименования.

Вещества подразделяются на простые и сложные. Простые вещества состоят из атомов одного элемента. Сложные вещества состоят из двух или нескольких атомов разных элементов.

Простые вещества делятся на металлы и неметаллы. Металлы отличаются характерным металлическим блеском, ковкостью, тягучестью, могут прокатываться в листы и проволоку, обладают очень хорошей тепло– и электропроводностью. При обычной температуре все металлы, кроме ртути, являются твердыми веществами (Na, Mg, Al, Mn, Ti). В химических реакциях металлы в нулевой степени окисления проявляют только восстановительные свойства.

Неметаллы не обладают металлическим блеском, хрупки, очень плохо проводят теплоту и электричество. При обычных условиях они являются или твердыми веществами (S, P, C), или газообразными (F₂ Cl₂, O₂, H₂), Br₂ – жидкость. В химических реакциях неметаллы могут проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства (исключение составляет F₂, фтор является только окислителем в реакциях с другими веществами).

Сложные вещества делятся на классы:

во-первых, по составу (бинарные, т.е. двухэлементные; многоэлементные; кислородосодержащие; азотосодержащие и т.д.);

во-вторых, по свойствам или функциям ( по кислотно-основным, окислительно-восстановительным).

К важнейшим бинарным соединениям относятся:

оксиды – соединения элемента с кислородом;

галогениды – соединения элемента с галогеном;

нитриды – соединения элемента с азотом;

карбиды – соединения элемента с углеродом;

сульфиды – соединения элемента с серой;

гидриды – соединения металла с водородом (соединения неметаллов с водородом не рассматривают как гидриды, их относят к классу бескислородных кислот).

в результате реакций обмена

Na₂CO₃ + SiO₂ = Na₂SiO₃ + CO₂↑

К классу гидроксидов относятся соединения, содержащие одну или несколько гидроксильных групп – ОН.

Гидроксиды в свою очередь делятся на основания, кислоты (кислородосодержащие, бескислородные) и амфотерные основания. Принадлежность гидроксида к основаниям или кислотам определяется прочностью связи между элементом и кислородом и кислородом и водородом.

Если в гидроксидах связь О – Н более полярная, чем связь О – Э, то при попадании в полярный растворитель эта связь будет еще больше поляризоваться и перейдет в ионную. При диссоциации образуется катион водорода и анион так называемого кислотного остатка. Такой гидроксид относят к классу кислот:

HNO₃ = H⁺ + NO₃^-      ,

Н⁺ протон, ион водорода, катион (положительно заряженный ион).

NO₃^- – нитрат ион, анион, кислотный остаток азотной кислоты.

Если же оказывается более полярной связь между элементом и кислородом, то в полярном растворителе при поляризации связи электронная плотность смещается в сторону кислорода и образуется гидроксильный анион (гидроксид ион) и катион элемента:

Согласно теории электролитической диссоциации к основаниям относятся электролиты, при распаде которых на ионы в качестве анионов образуются только гидроксид ионы.

KOH K⁺ + OH^-

С этой точки зрения, к основаниям относят гидроксиды металлов и гидроксид аммония (NH₄OH). Название таких оснований состоит из слова гидроксид и русского названия металла в родительном падеже (на пример гидроксид натрия NaOH). Если металл образует несколько оснований, то после названия указывается степень окисления металла в скобках римскими цифрами (на пример Fe(OH)₂, Fe(OH)₃: гидроксид железа II и III соответственно. Кроме того существует и традиционные названия, так гидроксид натрия NaOH называют едкий натр, каустическая сода; KOH называют едкий кали, Ca(OH)₂ – гашеная известь.

Основания бывают растворимые в воде, малорастворимые и практически нерастворимые. Растворимые в воде основания называют щелочами.

По числу гидроксогрупп определяют кислотность основания. Так NaOH, KOH однокислотные основания; Ca(OH)₂, Fe(OH)₂ – двухкислотные; Fe(OH)₃, Al(OH)₃ – трехкислотные.

Основания двух– и более кислотные диссоциируют ступенчато:

1 ступень Ca(OH)₂ CaOH¹⁺ + OH^1-

2 ступень CaOH¹⁺ Ca²⁺ + OH^1-

Получение оснований

Растворимые основания можно получить при взаимодействии щелочного (IА подгруппа) или щелочно-земельного (IIА подгруппа) металла с водой или оксида металла с водой:

2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂

Na₂O + H₂O = 2NaOH

Ca+2H₂O=Ca(OH)₂+H₂

2) Малорастворимые основания получаются при взаимодействии соли соответствующего катиона с растворимым основанием:

FeSO₄ + 2NaOH = Fe(OH)₂ + Na₂SO₄

Свойства оснований

Неорганические основания являются твердыми веществами, за исключением гидроксида аммония. Растворы оснований мыльные на ощупь, изменяют окраску индикатора фенолфталеина в малиновый цвет, а лакмуса – в синий.

Гидроксиды калия и натрия устойчивы к нагреванию. Большинство оснований разлагаются при нагревании на воду и соответствующий оксид

2.ОСНОВАНИЯ, КИСЛОТЫ, СОЛИ.

2.1Основания

По теории электролитической диссоциации к основаниям относятся электролиты, при электролитической диссоциации которых в качестве анионов образуются только гидроксид-ионы.

Кислотные оксиды взаимодействуют с основными оксидами и гидроксидами. В результате этого взаимодействия образуются соли:

SO₃ + CaO = CaSO₄

SO₃ + Ca(OH)₂ = CaSO₄ + H₂O

К амфотерным относят оксиды, которые могут проявлять свойства как основных оксидов, так и кислотных. То есть амфотерный оксид может взаимодействовать как с кислотой, так и с основанием. Амфотерные оксиды образуются некоторыми металлами в степени окисления +2 (BeO, ZnO, SnO, PbO) и почти всеми металлами в степени окисления +3 (Al₂O₃, Cr₂O₃).

ZnO + 2HCl = ZnCl₂ + H₂O

ZnO + 2NaOH = Na₂ZnO₂ + H₂O

цинкат натрия

Амфотерным оксидам соответствуют амфотерные гидроксиды.

Если металл может иметь несколько степеней окисления, то с повышением степени окисления основные свойства его оксидов будут убывать, а кислотные усиливаться. Так MnO основной оксид, MnO₂ амфотерный, а Mn₂O₇ кислотный.

Оксиды могут быть получены разными способами:

окисление простых веществ

4P + 5O₂ = 2P₂O₅

2Mg + O₂ = 2MgO

Cu + 4HNO₃ = Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O

конц.

C + 4HNO₃ = CO₂ + 4NO₂ + 2H₂O

конц.

окисление сложных веществ

CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O

разложение сложных веществ

CaCO3 = CaO + CO₂

2Cu(NO₃)₂ = 2CuO + 4NO₂ + O₂

Cu(OH)₂ = CuO + H₂O

2Fe(OH)₃ = Fe₂O₃ + 3H₂O

Все общие химические свойства оснований обусловлены наличием в них гидроксогрупп ОН^-:

основания взаимодействуют с кислотами (реакция нейтрализации):

KOH + HCl = KCl + H₂O

K⁺ + OH^- + H⁺ + Cl^- = K⁺ + Cl^- + H₂O

OH^- + H^- = H₂O

основания реагируют с кислотными оксидами с образоваием соли и воды:

2NaOH + CO₂ = Na₂CO₃ + H₂O

2Na + 2OH– + CO₂ = 2Na+ + CO₃^2- + H₂O

2OH^- + CO₂ = CO₃^2- + H₂O

растворимые основания реагируют с амфотерными оксидами и гидроксидами:

2NaOH + Al₂O₃ + 7H₂O =Na[Al(OH)₄(H₂O)]

NaOH + Al(OH)3 + 2H2O = Na[Al(OH)4(H2O)2]

растворимые основания реагирует с растворимыми солями с образованием нерастворимых оснований.

2KOH + CuSO₄ = Cu(OH)2 + K₂SO₄

2K⁺ + 2OH^- + Cu²⁺ + SO₄^2- = Cu(OH)₂ + 2K+ + SO₄^2-

2OH^- + Cu²⁺ = Cu(OH)₂

или

KOH + NH₄Cl = KCl + NH₄OH

K⁺ + OH^- + NH₄⁺ + Cl^- = K⁺ + Cl^- + NH₄OH

OH^– + NH₄⁺ = NH₄OH.

кислоты взаимодействуют с солями, если в результате реакции образуется или слабый электролит, или малорастворимое твердое, или газообразное вещество:

а) Na₂CO₃ + 2HCl = 2NaCl + H₂CO₃ H₂O

2Na⁺ + CO₃^2- + 2H⁺ + 2Cl^- = 2Na⁺ + 2Cl + H₂CO₃

CO₃^2- + 2H⁺ = H₂CO₃ CO₂

б) AgNO₃ + HCl = AgCl + HNO₃

Ag⁺ + NO₃^- + H⁺ + Cl^- = AgCl + H⁺ + NO₃^-

Ag⁺ + Cl^- = AgCl

Кроме того, существуют неорганические кислоты – сильные окислители: HNO₃, H₂SO₄ (концентрированная). Эти кислоты обладают особыми свойствами, которые определяются не катионами водорода, а высокой степенью окисления атомов элемента, образующего кислоту. Эти кислоты могут реагировать и с металлами, стоящими в ряду активности после водорода (кроме золота и платины) и с неметаллами. Подробно свойства этих кислот рассматриваются во II части учебника.

H₂S – сероводородная кислота.

Название кислородсодержащей кислоты зависит от степени окисления элемента, образующего кислоту. Если элемент образует кислоту в своей максимальной степени окисления, то к названию элемента добавляют окончание -ная или –вая и слово кислота:

H₂SiO₃ – кремниевая кислота,

H₂SO₄ – серная кислота.

Если элемент образует две кислоты, находясь в 2-х степенях окисления, то для кислоты с максимальной степенью окисления элемента в названии будет окончание –вая или –ная; а для минимальной степени окисления окончание –истая:

HNO₃ – азотная кислота, HNO₂ – азотистая кислота;

H₂SO₄ – серная кислота, H₂SO₃ – сернистая кислота.

Если же элемент образует более, чем две кислоты, находясь в разных степенях окисления, то по мере понижения степени окисления элемента, образующего кислоту суфиксы и окончания будут меняться в следующем порядке:

–вая, -ная

–новатая

–истая

–новатистая.

HClO₄ – хлорная кислота,

HClO₃ – хлорноватая кислота,

HClO₂ – хлористая кислота,

HClO – хлорноватистая кислота.

Некоторые элементы, находясь в одной и той же степени окисления, могут образовывать кислоты, различающиеся на группу (H₂O). В таком случае кислота с меньшим числом атомов кислорода и водорода называется мета-, а с большим орто– кислотой:

H₃PO₄ – ортофосфорная кислота,

HPO₃ – метафосфорная кислота,

Кроме этого, используют и традиционные названия:

HCl – соляная кислота, HF – плавиковая кислота.

По числу катионов водорода определяют основность кислоты: HNO₃ – одноосновная кислота, H₂SO₄ – двухосновная кислота, H₃PO₄ – трехосновная кислота. Двух– и более основные кислоты диссоциируют в водных растворах ступенчато.

Сила кислоты определяется как способность кислоты к электролитической диссоциации.

В периодической системе в периоде слева направо кислотные свойства гидроксидов элементов усиливаются.

      Если один и тот же элемент образует несколько кислот, то с уменьшением степени окисления элемента уменьшается сила кислоты, то есть способность отдавать протон. Все это объясняется электронным строением молекулы и взаимным влиянием атомов в молекуле. Чем больше полярность связи Н – О, тем легче происходит электролитическая диссоциация по типу кислоты. А эта связь тем полярнее, чем меньше разница электроотрицательностей кислорода и элемента, образующего кислоту. В случае, когда один и тот же элемент образует кислоты, находясь в разных степенях окисления, сильнее будет кислота, образованная элементом в большей степени окисления.

Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂

Zn + 2H⁺ + 2Cl^- = Zn²⁺ + 2Cl^- + H₂

Zn + 2H⁺ = Zn²⁺ + H₂

В качестве примера взаимодействия металлов с растворами кислот не следует брать такие активные металлы, как калий или натрий, так как эти металлы очень активны и будут реагировать с молекулами воды:

2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂

2Na + 2H₂O = 2Na⁺ + 2OH^- + H₂

и далее OH^– + H⁺ = H₂O

кислоты взаимодействуют с основными оксидами:

2HCl + CaO = CaCl₂ + H₂O

2H⁺ + Cl^- + CaO = Ca²⁺ + 2Cl^- + H₂O

2H⁺ + CaO = Ca²⁺ + H₂O

кислоты взаимодействуют с основаниями:

2HCl + Ca(OH)₂ = CaCl₂ + 2H₂O

2H⁺ + 2Cl^- + Ca²⁺ + 2OH^- = Ca²⁺ + 2Cl^- + 2H₂O

H⁺ + OH^- = H₂O

кислоты взаимодействуют с амфотерными оксидами:

6HCl + Al₂O₃ = 2AlCl₃ + 3H₂O

6H⁺ + 6Cl^- + Al₂O₃ = 2Al³⁺ + 6Cl^- + 3H₂O

6H⁺ + Al₂O₃ = 2Al³⁺ + 3H₂O

кислоты взаимодействуют с амфотерными гидроксидами:

3HCl + Al(OH)₃ = AlCl₃ + 3H₂O

3H⁺ + 3Cl^- + Al(OH)₃ = Al3⁺ +3Cl^- + 3H₂O

3H⁺ + Al(OH)₃ = Al³⁺ + 3H₂O

Свойства солей

Свойства солей уже определены в указанных выше реакциях 7-11.

Кроме этого, следует помнить о таком важном свойстве, как способность солей гидролизоваться. Именно благодаря этому свойству, растворы многих солей имеют кислую или щелочную среду. На первых ступенях гидролиза образуются кислые или основные соли.

Задачи и решения к теме «Классификация неорганических соединений»

1.Какие окисидиы могут взаимодействовать с водой:

а) Al₂O₃, б) N₂O₅, в) CO, г) CO₂, д) Na₂O ?

2.С какими веществами может взаимодействовать гидроксид Na:

а) BaO, б) Ca(OH)₂, в) SiO₂, г) P₂O₅, д) H₂SiO₃ ?

3.Какие из перечисленных соединений можно использовать, чтобы осуществить переход KHCO₃ K₂CO₃ :

а) NaOH, б) HNO₃, в) H₂O, г) CaO, д) Ca(OH)₂ ?

4.Какие вещества и в какой последовательности могут быть использованы для осуществления превращений Cu CuO Cu(NO₃)₂ Cu(OH)₂ :

а) HNO₃, б) O₂, в) KOH, г) KNO₃, д) H₂O ?

5.Напишите структурную формулу дигидрофосфата калия.

6.Напишите структурную формулу сульфита гидроксоцинка.

Решение

1.С водой взаимодействуют N₂O₅, CO и Na₂O.

Ответ: 2, 4, 5.

2.NaOH может взаимодействовать со следующими веществами:

SiO₂, P₂O₅ и H₂SiO₃.

Ответ: 3, 4, 5

Выбрать из приведенных кислот ортоугольную

H4C2O2

H2CO2

H2CO3

H4CO4

H2C2O4

Выбрать из преведенных соединений нитрит калия

K3N

KNO2

KN3

KNO3

K3NO4

Как назвать соединение (CuOH)₂SO₄

Кислая сернокислая медь

Сернокислая медь

Сернистокислая медь

Гидросульфат меди

Сульфат гидроксомеди

Часть I. Общая химия

Девиз: «ХИМИЯ И ЖИЗНЬ»

ЛЕКЦИЯ 1.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ХИМИИ

План лекции:

Введение (предмет химии, краткая история).

Роль химии.

Вещество – объект изучения.

Основные понятия.

Основные законы.

Химия – одна из фундаментальных естественных наук, знание которой необходимо для плодотворной творческой современного инженера любой специальности. Качество х-мических знаний приобретает особо важное значение в связи с необходимостью уменьшения энергозатрат, использования новых материалов и повышения надежности современной техники. Понимание химических законов помогает инженеру в решении экологических проблем. Изучение химии является частью задачи по формированию мировоззрения инженера и Человека.

Основной закон природы – закон вечности материи и ее движения. Химия изучает материальный мир и химическую форму движения материи.

Что же есть материя?

«Материя – есть философская категория для обозначения объективной реальности, которая дана человеку в ощущениях, которая копируется, фотографируется, отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них». (В. И. Ленин).

Материя первична, а сознание вторично. Движение – основная форма существования материи. Условно различают следующие формы движения материи:

– механическая

– физическая

– химическая

– биологическая

– социальная Пример взаимодействия всех форм:

Один человек толкает другого, а у того из-под ноги срывается и падает вниз камень, состоящий из атомов Ca, C, O которые находятся в минерале кальците (CaCO₃).

Более высокую по своей организации форму нельзя свести к более низкой, например физическую к химической.

Известны две формы существования материи: вещество и поле. Вещество – материальное образование, состоящее из материальных частиц, имеющих собственную массу. Поле – материальная среда, в которой осуществляется взаимодействие частиц.

Химия изучает первую форму существования материи – вещество. Химия – наука о превращении веществ. Изучает состав

строение веществ, зависимость свойств веществ от их состава

строения и пути превращения одних веществ в другие. Явления, при которых из одних веществ образуются другие,

называются химическими.

В развитии химии можно условно выделить следующие периоды:

I. Донаучная химия

Практическая и ремесленная химия

Алхимия. Открыто много новых веществ (в поисках «философского» камня) и методов очистки.

II. XVI век

Иатрохимия (врачебная химия) Парацельс, Агрикола

Теория «Флогистона» 1700 г. (Шталь) – особого вещества, удаляющегося при горении из соединений.

Аналитическая и пневматическая химия. Р.Бойль (XYII в.). – Химическая атомистика – (Бойль, Блэк, Пристли, Лавуазье).

III. Химическая революция 1748 г. – начало химии как науки.

Атомно-молекулярное учение М.В. Ломоносова.

Периодический закон и периодическая система элементов (1896 г.) Д.И. Менделеев.

Появление органической физической химии.

Развитие химии обусловлено тремя факторами:

а) социально-экономические условия развития общества; б) внутренние потребности самой науки; в) ученые – творцы науки, как сила, приводящая в движе

ние социальные законы развития общества.

Первыми металлами, на которые человек обратил внимание, были самородные медь и золото. Красноватую медь и желтоватое золото, отливающие красивым металлическим блеском, нельзя было не заметить среди тусклой серовато-коричневой породы.

Ударяя по кусочку металла, можно придать ему нужную форму. Это свойство металлов (ковкость) было обнаружено, безусловно, совершенно случайно. Человек начала изготавливать из металлических самородков различные украшения, стараясь подчеркнуть красоту металла.

Со временем выяснилось, что медь можно получить из камней определенного вида и что найти такие камни значительно проще, чем чистую самородную медь.

Можно представить, как это произошло. Загорелся лес, рос-ший на почве, в которой содержались какие-то голубоватые камню. Пришедшие на пепелище люди нашли в золе сверкающие шарики меди, и кто-то первый догадался, что, нагревая эти голубоватые камни на костре, можно получить медь.

Возможность получения меди окончательно установлена, по видимому, около 4000 г. до н.э., и скорее всего это случилось на Синайском полуострове или в горных областях Шумера территория современного Ирака.

А к 3000 г. до н.э. начали выплавлять значительно твердый металл, чем медь – бронзу – сплав меди и олова.

Получить железо из рудного камня, как получали медь, казалось невозможным, для этого необходимо более «жаркое пламя». Секрет плавки железа был открыт примерно в 1500 г. до н.э. в Малой Азии. Как было установлено, столь необходимое «жаркое пламя» может дать древесный уголь, если через горящий уголь продувать воздух.

Чистое железо не очень твердое. Однако в процессе плавки железо может вобрать в себя столько углерода из древесного угля, что в результате образуется поверхностный слой сплава желез и углерода, называемого сталью.

Расцвету древнегреческой философии предшествовали определенные успехи, достигнутые в прикладной химии. Египетские мастера занимались производством металлов, красителей, они научились бальзамированию.

Слово (XXX) произошло от греческого χυμος – сок растения, так что khemeia – это «искусство выделения соков». Сок, окотором идет речь, может быть и расплавленным металлом, так что может означать и «искусство металлургии».

В 600 г. до н.э. греческих ученых не интересовали способы получения тех или иных веществ и методы их практического использования. Их интересовала главным образом суть веществ и процессов. Они искали ответ на вопрос «почему»? Другими словами, древние греки первыми занялись тем, что сегодня называется химической теорией.

Эта теория начинается с Фалеса (640-546 гг. до н.э.). Фалес вероятно, задавал себе следующий вопрос. Если одно вещество может перейти в другое, как голубоватый камень (лазурит) переходит в красную медь, то какова же истинная природа вещества? Что представляет собой это вещество – камень или медь, или ни то и ни другое? Любое ли вещество переходит в другое вещество (хотя бы постепенно), и если любое, то не являются ли все вещества разными вариантами одного и того же основного вещества?

Оставалось решить, что же представляет собой это основное вещество, или элемент. Фалес решил, что этим элементом должна быть вода. Поскольку часть пространства между землей и небом, по наблюдениям человека, заполнена воздухом, то вполне можно было предположить, что воздух находится везде.

Размышления такого рода привели древнегреческого философа Анаксимена из Милета (585-525 г. до н.э.) к выводу, что поиск элемента необходимо связывать с поиском субстанции, для которой изменение наиболее характерно. Такой субстанцией Гераклиту, представлялся огонь – вечно меняющийся и все изменяющий.

Эмпедокл (490-430 г. до н.э.) подумал, почему не могут существовать четыре начала – огонь Гераклита, воздух Анаксимена, вода Фалеса и земля, которую в число начал ввел сам Эмпедокл?

Аристотель (384-322 гг. до н.э.) считал четыре элемента стихии не материальными субстанциями, а лишь носителями определенных качеств – теплоты, холода, сухости и влажности. Аристотель сделал еще один важный шаг. Каждый элемент он охарактеризовал определенным природным набором свойств. Так, огню присуще подниматься, а земле падать. Но свойства небесных тел отличались от свойств любого вещества темного

происхождения. Аристотель доказывал, что небеса состоят из «пятого элемента», который она называл эфир (от слова означающего «сиять», ибо характерное свойство небесных тел – сияние).

Другим важным вопросом, з-нимавшим греческих философов, был вопрос о делимости материи.

Камень, расколотый пополам или (XXX) в порядок, оставался тем же камнем, каждую крупинку которого можно было разделить на еще меньшие частички. До какого

предела можно проводить такое деление и существует ли вообще такой предел?

Левкипп (ок. 500-440 гг. до н.э.) первым задался вопросом, можно ли каждую часть материи, как бы мала она ни была, разделить на еще более мелкие части. Левкипп считал, что в итоге такого деления можно получить настолько малую частицу, что дальнейшее деление станет невозможным.

Демокрит (ок. 470-360 гг. до н.э.) развил эту мысль своего учителя. Он называл эти крошечные частички ατομος – «неделимые», и введенный им термин унаследовали и мы. Учение о том, что материя состоит из мельчайших частиц и что деление материи возможно лишь до известного предела, получило называние атомистики, или атомистической теории. Демокриту казалось, что атомы каждого элемента имеют особые размеры

форму, и что именно этим объясняются различия в свойствах элементов. Реальные вещества, которые мы видим и ощущаем, представляют собой соединения атомов различных элементов

изменив природу этого соединения, можно одно вещество превратить в другое.

Атомистическая теория оставалась не популярной в течение двух тысячелетий после Демокрита, о ней почти никто не вспоминал.

все-таки атомистическая концепция полностью не исчезла. Древнегреческий философ Эпикур (ок. 342-270 гг. до н.э.) использовал атомизм в своем учении. Одним из его приверженцев был древнеримский поэт Тит Лукреций Кар (ок. 95-55 гг. до н.э.). Он изложил атомистические взгляды Демокрита и Эпикура в поэме «О природе вещей».

Поэма Лукреция сохранились полностью и донесла атомистическое учение до тех дней, когда в борьбу вступили новые научные методы, которые и привели атомизм к окончательной победе.

Первым значительным представителем Греко-египетско-го khemeia, имя которого дошло до нас, был Бол из Менде (ок. 200 г. до н.э.), города в дельте Нила. В своих работах Болос использовал имя демокрита, и поэтому его называют «Болос-Де-мокрит», или иногда «Псело-Демокрит». Болос посвятил себя одной из важнейших задач khemeia – превращению одного металла в другой, и в частности превращению свинца или железа в золото (XXX).

Болос в своих работах приводил подробные описания методов получения золота, но это не было мошенничеством. Можно, например, сплавить медь с металлическим цинком и получить латунь – сплав желтого цвета, т.е. цвета золота. Для древних исследователей изготовление металла цвета золота и означало изготовление самого золота.

Приблизительно в 300 г. н.э. египтянин Зосиа написал энциклопедию – 28 книг, которые охватывали все знания по khemeia, собранные за предыдущие пять или шесть веков. Цен-ность этой энциклопедии не слишком велика. В ней можно найти любопытные сведения, в частности, о мышьяке. Зосима описал методы получения ацетата свинца: он указал, что у этого ядовитого соединения сладковатый вкус (называние «свинцовый сахар» дошло до наших дней).

Арабские халифы начали покровительствовать наукам, и в VIII-IX вв, появились первые арабские химики. Арабы преобразовали словов khemeia в al-khemeia. Европейцы позднее заимствовали это слово у арабов, и в результате в европейских языках, появились термины «алхимия» и «алхимик». Термин «алхимик» сейчас употребляют, когда говорят о периоде истории химии, охватывающем около двух тысячелетий, начиная с

300 г. и до 1600 г.

В 670 г. корабли арабского флота, осаждающего Константинополь (самый большой и сильный город христианского мира), были сожжены «греческим огнем» – химической смесью, образующей при горении сильное пламя, которое нельзя погасить водой. По преданию, эту смесь изготовил занимающийся khemeia Каллиний, который бежал из своего родного Египта.

После 650 г. развитие Греко-египетской алхимии полностью контролировалось арабами, и так продолжалось в течение пяти веков. Следы этого периода сохранились в ряде химических терминов с арабскими корнями: ХХХ (перегонный куб), ХХХ

(щелочь), alcohol (спирт), carbay (ХХХ бутыль), ХХХ (ХХХ),

ХХХ (цирконий) и др.

Самым талантливым и прославленным арабским алхи-миком был Джабир ибн Хайн (721-815), ставший известным в Европе позднее под именем Гебер. Он жил во времена наивыс-шего расцвета арабской империи (при Гарун аль-Рашиде, про-славленном в «Тысяче и одной ночи»). Многочисленные труды Джабира написаны достаточно понятным языком. Он описал нашатырный спирт и показал, как приготовить свинцовые бе-лила. Он перегонял уксус, чтобы получить уксусную кислоту

– самую сильную из известных в то время кислот. Ему удалось получить слабый раствор азотной кислоты.

Джабир изучал возможность трансмутации металлов, и эти его исследования показали сильнейшее влияние на последующие поколения алхимиков. Джабир полагал, что ртуть является особым металлом, так как благодаря своей жидкой форме она содержит очень мало примесей. Столь же необычными свойс-твами обладает и сера: она способна воспламеняться (и к тому же она желтая, как и золото). Джабир считал, что все остальные семь металлов образуются из смеси ртути и серы, «созревающей» в недрах земли. Труднее всего образуется золото – наиболее совершенный металл. Поэтому, чтобы получить золото, необходимо найти вещество, ускоряющее «созревание» золота.

Арабский алхимик АрРази (865-925), ставший известным в Европе под именем Разес, занимался медициной и алхимией. Он завоевал почти такую же известность, как и Джабир, описал методику приготовления гипса и способа наложения гипсовой повязки для фиксации сломанной кости, изучил и описал металлическую сурьму. Джабир рассматривал серу как принцип горючести, ртуть как принцип металличности, АрРази доба-вил к этим двум принципам третий – принцип твердости, или соль. Летучая ртуть и воспламеняющаяся сера образовывали твердые вещества только в присутствии третьего компонента

– соли.

Самым знаменитым врачом был бухарец Ибн-Сина (ок. 980-1037), гораздо более известный под латинизированным именемАвиценна. Авиценна единственный их алхимиков не верил в возможность получения золота из других металлов.

В 1096 г. начался первый крестовый поход: христиане начали отвоевывать у мусульман захваченные ими земли. В 1099 г. христиане завоевали Иерусалим. Почти два столетия на побережье Сирии просуществовало христианское государство. Произошло некоторое смешение культур, и горсточка христиан, возвратившихся в Европу, познакомила европейцев с достижениями арабской науки.

Европейцы узнали, что арабы – обладатели книжных сокро-вищ: переведенных ими трудов греческих ученых, например Аристотеля, и сочинений своих ученых, например Авиценны.

Несмотря на сопротивление арабов, не желавших передавать столь ценные труды своему заклятому смертельному врагу, на-чались попытки перевода этих трудов на латинский язык. Это-му начинанию всячески способствовал французский ученый Герберт (ок. 940-1003), который в 999 г. стал папой Сильвестрой

II.

Первым видным европейским алхимиком был Альберт Больштедский (ок. 1193-1280), более известный как Альбер-тус Магнус (Альберт Великий). Он тщательно изучил работы Аристотеля, и именно благодаря ему философия Аристотеля приобрела особе значение для ученых позднего средневековья и начала Нового Вермени. Альберт Великий в описаниях своих алхимических опытов дает настолько точную характеристику мышьяку, что ему иногда приписывают открытие этого вещес-тва, хотя, по крайней мере в примесях, мышьяк был известен алхимикам и до него.

Современником Альберта Великого был английский уче-ный монах Роджер Бэкон (1214-1292), который известен сегодня прежде всего благодаря своему четко выраженному убеждению, что залогом прогресса науки являются экспериментальная ра-бота и приложение к ней математических методов. Бэкон попытался написать всеобщую энциклопедию знаний и в своих работах дал первое описание пороха.

Сочинения средневековых алхимиков – испанского врача Арнольда из Виллановы (ок. 1240-1311) и Раймунда Луллия (1235-1313), современников Бэкона, пронизаны мистическим духом алхимии (правда, сомнительно, что они в действительности были авторами этих работ). Имя самого видного из средневековых алхимиков осталось неизвестным: он подписывал свои труды именем Джабира, арабского алхимика, жившего за шесть веков до него. Этот «Пссадо-Джабир) был, вероятно, ис-панцем и жил в XIV в. Псевдо-Джабир первым описал серную кислоту – одно из самых важных соединений сегодняшней хи-мии (после воды, воздуха, угля и нефти). Он также описал, как образуется сильная азотная кислота. Серную и сильную азот-ную кислоты получили из минералов, в то время как все ранее известные кислоты, например, уксусную кислоту, получила из веществ растительного происхождения.

Открытие сильные минеральных кислот было самым важным достижением химии после успешного получения железа из руды примерно за 3000 лет до того. Используя сильные минеральные кислоты, европейские химики смогли осуществить многое новые реакции и смогли растворить такие вещества, которые древние греки и арабы считали нерастворимыми (у греков и арабов самой сильной кислотой была уксусная).

Если бы золото перестало быть редким металлом, оно известно бы обесценивалось. Но, увы, такова человеческая природа

– открытие минеральных кислот не произвело впечатления, а поиски золота продолжались.

Шло время, и алхимия после многообещающего начала стала вырождаться в третий раз (первый раз у греков, второй – у арабов). Поиск золота стал делом многих мошенников, хотя и великие ученые даже в просвещенном XVII в. (например, Бойль и Ньютон) не смогли устоять от соблазна попытаться добиться успеха на этом поприще.

В этом же «веке открытий» немецкий изобретатель Иоганн Гуттенберг (ок. 1397-1468) изобрел первый печатный станок с подвижными литерами, собирая которые в текст можно было напечатать любую книгу. Впервые в истории стало возможным выпускать дешевые книги и в достаточном количестве. Одной из первых была напечатана поэма Лукреция, благодаря которой в Европе широко распространилось атомистическое учение. С изобретением книгопечатания непопулярные взгляды не исчезли только потому, что никто не хотел взять на себя труд по переписке таких книг.

Бауэр, более известный под именем Агриколы (что в пере-воде с латинского означает «крестьянин»), интересовался минералогией и ее возможной связью с медициной. В своей книге

«О металлургии» (De Re Metallica»), изданной в 1556 г., Агрикола систематизировал практические знания, почерпнутые им у современных ему рудокопов.

Эта книга, написанная понятным языком, с прекрасными иллюстрациями шахтных устройств сразу же стала популярной

считается классической работой и в наше время. Это самая значительная работа по химической технологии, появившаяся до 1700 г.; со времени ее издания минералогия была признана как наука.

Фон Гогенгейм вошел в историю под выбранным им самим именем Парацельс, т.е. «превосходящий Цельса». Цельс – древнеримский ученый, писавший о медицине. Его труды незадолго до того напечатанные, оказались (благодаря Парацельсу) предметом чрезмерного и необоснованного поклонения.

Парацельс, как и Авиценна, считал, что основная задача алхимии – не поиски путей получения золота, а изготовление лекарственных средств. До Парацельса в качестве таковых использовались преимущественно растительные препараты, но Парацельс сам не верил в эффективность лекарственных средств, приготовленных из минералов. Несмотря на свое негативное отношение к идее трансмутации, Парацельс был ал-химиком старой школы. Он принимал древнегреческое учение о четырех элементах-стихиях и учение арабов о трех элементах-принципах (ртуть, сера и соль), искал эликсир жизни (и даже утверждал, что нашел его). Парацельс был уверен, что он открыл металлический цинк.

Немецкий врач алхимик Андрей Либау (ок. 1540-1616), известный под латинизированным именем Либавна, опубликовал в 1597 г. «Алхимию» – первый в истории учебник химии.

Либавий первым описал приготовление соляной кислоты, тетрахлорила олова, сульфата аммония и «царской водки» (aqua regia) – смеси азотной и соляной кислот, получившей свое название из-за способности растворять золото. Либавий считал, что минеральные вещества можно опознать по форме крис-таллов, полученных после испарения раствора. Тем не менее он был уверен, что превращение металлов в золото возможно

открытие способа изготовления золота явится венцом химической науки, хотя и он соглашался с Парацельсом в том, что основная задача алхимии – служить медицине. В своем труде, написанным четким ясным языком, Либавий яростно атаковал

туманные теории, которые он называл «парацельсианскими». Наиболее видным представителем нового направления в химии был немецкий химик Иоганн Рудольф Глаубер (1604-1668). Врач по образованию, он занимался разработкой и совершенствованием методов получения соляной кислоты воздействием серной кислоты на поваренную соль. Тщательно изучив остаток, получаемый после отгонки кислот (сульфат натрия), Глаубер установил, что это вещество обладает сильным слабительным действием. Он называл это вещество «удивительной солью» (sal mirabile) и считая его панацеей, почти эликсиром жизни. Современники Глаубера называли эту соль глауберовой, и это название сохранилось до наших дней. Глаубер занялся изготовлением этой соли и ряда других, по его мнению цен-

ных лекарственных средств и достиг на этом поприще успеха.

XVII в. значение алхимии неуклонно уменьшалось, а в XVIII в. она постепенно стала тем, что мы сегодня называем химией.

Химическая наука в определенном отношении все-таки отставала от других областей знания. Значение количественных изменений и необходимость математической обработки данных были уяснены еще в древние времена.

Итальянский ученый Галилео Галилей (1561-1642), изучавший в 90-х годах XVI в. падение тел, первым показал необходимость тщательных изменений и математической обработки данных физического эксперимента. Результаты его работ почти столетие спустя привели в важным выводам английского уче-ного Исаака Ньютона (1642-1727).

химии переход от простого качественного описания к тща-тельному количественному измерению был осуществлен лишь столетие спустя, после открытий Ньютона. Ньютон оставался приверженцем алхимии и страстно искал рецепт превращения металла в золото.

Количественные методы Галилея и Ньютона очень трудно приложить к химии. Ведь для этого необходимо результаты хи-мических опытов представить таким образом, чтобы из можно было подвергнуть математической обработке. В своей работе фламандский врач Ян Баптист Ван Гельмонт (1579-1644) выра-щивал дерево в заранее отмеренном количестве почвы, куда сис-тематически добавлял воду, в систематически тщательно взвешивал дерево, применял измерение и в химии, и в биологии.

Ван Гельмон первым их химиков обратил внимание на пары, образующиеся в процессе некоторых реакций, и начал их изучать. В частности, он нашел, что на воздух похожи и пары, образующиеся при горении дерева, хотя ведут себя они несколько иначе. Ван Гельмон назвал эти пары «хаосом», но, согласно фламандскому фонетическому строю, это слово произносится как газ. Так называют воздухоподобные вещества и в наше время.

Газ, полученных при горении дерева и изученный им с осо-бой тщательностью, он называл «лесной газ» (gas sylvertre). Сегодня мы называем этот газ диоксидом углерода. При изучении газа как простейшей формы материи, впервые была использована техника точных изменений, т.е. количественного исследования явлений, которая и послужила столбовой дорогой в мир современной химии.

1643 г. итальянский физик Эванджелиста Торричелли (1608-1647) сумел доказать, что воздух оказывает давление. Торричелли доказал, что воздух может поддерживать столбик ртути выстой в 28 дюймов. Так был изобретен барометр. После этого открытия газы стали казаться менее загадочными. Как выяснилось, подобно жидкостям и твердым веществам, они имеют вес и от жидкостей и твердых веществ отличаются главным образом гораздо меньшей плотностью.

Немецкий физик Отто фон Герике (1602-1686) убедительно доказал, что атмосферный воздух имеет вес. Герике изобрел воздушный насос, при помощи которого воздух выкачивали из сосуда, так что давление воздуха снаружи сосуда становилось больше, чем внутри.

Ирландский химик Роберт Бойль (1627-1691) обнаружил, что объем данной массы воздуха обратно пропорционален давлению.

Французский химик Эдм Мариотт (1630-1684), независимо от Бойля открывший этот закон в 1676 г., особо подчеркивал, что такая зависимость объема от давления наблюдается только при постоянной температуре. По этой причине закон Бойля в континентальной Европе часто называют законом Мариотта.

отличие от твердых веществ и жидкостей воздух, как на-блюдали еще в древности, а Бойль в свое время наглядно дока-зал, легко сжимается. Объяснить это можно, только приняв, что воздух состоит из мельчайших атомов, разделенных пустым пространством. Сжатие воздуха пустого пространства между ними.

Если газы состоят из атомов, то вполне можно допустить, что жидкости и твердые вещества также состоят из атомов. Например, как испаряется вода? Если воду нагревают, она кипит, и при этом образуется пар. Водяной пар имеет физические свойства воздухоподобного вещества, и, следовательно, вполне естественно предположить, что он состоит из атомов. Но если вода состоит из атомов, будучи в газообразной форме, то почему она не может состоять из атомов, находясь в жидком или твердом (в виде льда) состоянии? А если это справедливо для воды, то почему не может быть справедливо для всех видом материи?

Впервые за свою двухтысячелетнюю историю атомизм начал завоевывать приверженцев, число которых быстро росло (например, к атомизму пришел Ньютон).

Ко времени начала научной деятельности Бойля термины «алхимия» и «алхимик» почти исчезли из научной литературы. Не удивительно, что Бойль опустил первый слог слова алхимик» в назывании своей книги «Химик-скептик» (The Sceptical Chymist»), опубликованный в 1661 г. С тех пор наука стала называться химией, а работающие в этой области – химиками.

Бойль не принимал утверждения древних философов, считавших, что элементы мироздания можно установить умозрительно. Установить, что предполагаемый элемент действительно является элементом, можно только с помощью эксперимента. Если вещество можно разложить на более простые компоненты, следовательно, оно не является элементом, а полученные более простые вещества могут представлять собой элементы или по крайней мере могут считаться таковыми до тех пор, пока химики не научатся разлагать и их на более простые вещества. Только в XX столетии стало возможным установить природу элементов не в условном плане.

Тот простой факт, что Бойль добивался эксперименталь-ного подхода к определению элементов (подхода, который в конечном счете и был принят), не означал, что он знал о су-ществовании различных элементов. Вполне могло оказаться, что экспериментальный подход подтвердил бы существование «греческих элементов»: огня, воздуха, воды и земли.

Бойль, например, был убежден в обоснованности воззрений алхимиков, считавших, что металлы не являются элементами и что одни металлы можно превратить в другие. Он считал, что

получив таким образом золото, удастся подтвердить атомную структуру материи.

Однако в этом Бойль ошибался: металлы оказались элементами. Один из элементов едва не открыл сам Бойль. В 1680 г. он выделил фосфор из мочи. Однако лет на десять до него то же самое сделал немецкий химик Хенник Бранд (? – после 1710 г.) которого иногда называют «последним алхимиком». Он открыл фосфор совершенно случайно во время поисков философского камня, который собирсля найти в моче. Правда, ряд литературных источников свидетельствует, что способ получения фосфора, вероятно, знали еще арабские алхимики XII в.

К числу открытий XVII в. имевших особе значение для развития химии, следует отнести открытие существования давления столба атмосферного воздуха, возможности использования этого давления и возможности создания вакуума.

Конструкция паровой машины была значительно усовершенствована шотландским механиком Джеймсом Уаттом (1736-1819), который и считается создателем универсальной паровой машины.

Появление паровой машины ознаменовало собой начало промышленной революции: человек получил машину, кото-рая, казалось могла переделать всю таяжелую работу на свете.

Не совсем обычное использование огня в паровой маши-не возродило у химиков интерес в процессу горения. Почему одни предметы горят, а другие не горят? Что представляет собой процесс горения? По представлениям древних греков все, что способно гореть, содержит в себе элемент огня, который в соответствующих условиях может высвобождаться. Алхимики придерживались примерно той же точки зрения, но считали, что

ХХХ

Нет страниц 19-22

ХХХ

«окалину» (оксид ртути). Пристли клал немного окалины

пробирку и нагревал ее, фокусируя на ней с помощью линзы солнечные лучи. Окалина при этом вновь превращалась в ртуть, и в верхней части пробирки появлялись блестящие шарики металла. При разложении окалины выделялся газ с весьма необычными свойствами. Горючие вещества горели в этом газе

быстрее и ярче, чем на воздухе. Тлеющая лучина, брошенная в сосуд с этим газом, вспыхивала ярким пламенем.

Пристли пытался объяснить это явление, используя теорию флогистона. Поскольку горючие вещества горели в этом газе весьма ярко, то они должны были очень легко выделять флогистон. Чем это объяснить? Как следует из теории флогистона, воздух легко поглощает флогистон, но до определенного предела, после чего горение прекращается. В открытом Пристли газе горение шло лучше, чем в воздухе, и он решил, что этот газ совсем не содержит флогистона, Пристли называл открытий им газ «дефлогистированным воздухом». (Однако через несколько лет его переименовали в кислород: этим названием мы пользуемся и сегодня.

«Дефлогистированный воздух» Пристли казался своего рода антиподом «флогистированного воздуха» Резерфорда. В последнем газе мыши умирали, тогда как в первом были весьма деятельными. Пристли сам попробовал подышать «дефлогис-тированным воздухом» и почувствовал при этом себя «легко и свободно».

Однако в открытии кислорода и Резерфорд и Пристли опередил шведский химик Карл Вильгельм Шееле (1742-1786) – представитель плеяды химиков, которые вывели Швецию в XVIII в. на передовые позиции науки.

Кронстедт (1722-1765) при изучении минералов впервые применил паяльную трубку. Это была длинная постепенно сужающаяся трубка, из узкого конца которой выходила струя сжатого воздуха.

Благодаря использованию новых технических приемов, подобных анализу в пламени паяльной трубки, химикам удалось накопить достаточно много данных о минералах. Исходя из этих данных, Кронстедт вполне справедливо полагал, что минералы следует классифицировать не только в соответствии с их внешним видом, но и в соответствии с их химической структурой. В 1758 г. он выпустил книгу «Система минералогии», в которой детально описал новую систему классификации.

Шведский минеролог Торберн Улаф Бергман (1735-1784) развил теорию, объясняющую, почему одно вещество реагирует с другим, но не реагирует с третьим. Он же предположил, что между двумя веществами существует «сродство» (affinities), и составил тщательно выверенные таблицы различных величин сродства. Эти таблицы пользовались широкой известностью при жизни их создателя и пережили его на несколько десятилетий.

Шееле открыл ряд кислот растительного и животного происхождения, в том числе винную, лимонную, бензойную, яб-лочную, щавелевую, галловую, молочную, мочевую, а также та-кие минеральные кислоты, как молибденовая и мышьяковая.

Шееле получил и изучил три сильно ядовитых газа: фторид водорода, сульфид водорода и цианид водорода. (Предполагают, что его ранняя смерть явилась результатом медленного отравления химикалиями, так как он имел обыкновение пробовать на вкус те вещества, с которыми работал).

Наиболее важные его открытия – получение кислорода и азота (соответственно в 1771 и 1772 гг.). Шееле получал кислород, нагревая вещества, непрочно его удерживающие. Он нагревал, тот самый красный оксид ртути, которым несколько лет спустя воспользовался Пристли.

Шееле подробно описал свои опыты по получению и столь же подробно описал свойства «огненного воздуха» (так он называл кислород), но из-за небрежности его издателя эти описа-ния не появлялись в печати до 1777 г.

К концу XVIII в. был накоплен большой экспериментальный материал, который необходимо было систематизировать в рамках единой теории. 5 июля 1748 г. М.В. Ломоносов впервые сформулировал закон сохранения материи и движения. В письме к Л.Эйлеру он писал: «Все встречающиеся в природе изменения происходят так, что если к чему-либо прибавилось, то это отнимается у чего-то другого. Так, сколько материи при-бавляется какому-либо телу, столько же теряется у другого… Так как это всеобщий закон природы: То он распространяется и на правила движения, столько же теряет он своего движения, сколько сообщает другому, им двинутому».

В 1756 г. М.В.Ломоносов, повторив опыт Р.Бойля, раньше А.Лавуазье высказал мысль, что увеличение массы металлов при обжигании следует приписать присоединению частиц воздуха И в отличие от своих современников он исключил «огненную материю» из числа химических агентов.

Создателем такой теории французский химик Антуан-Ло-ран Лавуазье (1743-1794). Лавуазье понял важность точного изменения. Первая значительная работа (1764 г.) быа посвящена изучению состава минерального гипса. Нагревая этот минерал, Лавуазье удалял из него воду и определял количество полученной таким образом воды.

Даже в 1770 г. ряд ученых придерживались старого опреде-ления элементов и утверждали, что трансмутация возможна, поскольку воду, например, при длительном нагревании можно превратить в землю.

Лавуазье решил проверить возможность превращения воды экспериментальным путем. С этой целью он в течение 101 дня кипятил воду в сосуде, в котором водяной пар конденсировался и возвращался обратно в колбу. Он взвешивал и сосуд и воду и до и после нагревания.

Осадок при этом действительно появился, но вес воды не изменился. Осадок образовывало выщелоченное стекло, осаждавшееся в виде твердых пластинок. Этот пример наглядно показывает. Что простое наблюдение может привести к ошибочным вывода, тогда как количественное измерение позволяет установить истинные причины явления.

Вопрос о том, что такое процесс горения, интересовал всех химиков XVIII в. В 1772 г. Лавуазье в складчину с другими химиками приобрел алмаз. Он поместил этот алмаз в закрытый сосуд и нагревал до тех пор, пока алмаз не исчез. При этом образовался углекислый газ. Таким образом было убедительно доказано, что алмаз состоит из углерода и, следовательно, ал-маз ближе всех других веществ к углю.

Лавуазье был не волне доволен полученными результатами. При соединении воздуха с металлом образовывалась окалина, а при соединении с деревом – газы. Но почему в таком взаимодействии участвовал не весь воздух, а только примерно пятая часть его?

В октябре 1774 г. Париж посетил Пристли и рассказал Лавуазье о своем открытии «дефлогистированного воздуха». Лавуазье в 1775 г. подготовил статью, в которой утверждал, что воздух является не простым веществом, а смесью двух газов. Одну пятую воздуха составляет «дефлогистированный воздух» Пристли (Лавуазье, к сожалению, оспаривал у Пристли честь открытия кислорода). И именно эта часть воздуха соединяется с горящими или ржавеющими предметами, переходит из руд в древесный уголь и необходима для жизни.

Второй газ, составляющий четыре пятых воздуха («флогис-тированный воздух» Резерфорда), был признан совершенно самостоятельным веществом. Этот газ не поддерживал горения, мыши в нем гибли. Лавуазье называл его азотом – безжизненным. Позднее азот был переименован в цитроген, что в переводе с латинского означает селитрообразующий, поскольку выяснилось, что азот является составной частью распространенного минерала селитры.

Лавуазье был убежден (и, надо сказать, совершенно справедливо), что жизнь поддерживается процессом, сходным с процессом горения: ибо мы вдыхаем воздух, богатый кислородом и бедный углекислым газом, а выдыхаем воздух, бедный кислородом и значительно обогащенный углекислым газом. Он и его коллега Пьер Симно де Лаплас (1749-1827), впоследствии известный астроном, попытались измерить количество вдыхаемого животным кислорода и выдыхаемого ими углекислого газа. Ре-зультаты оказались озадачивающими – часть вдыхаемого кис-лорода не превратилась в выдыхаемый углекислый газ.

Лавуазье, узнав об этом опыте, называл газ Квендиша водородом («образующим воду») и отметил, водород горит, соединяясь с кислородом, и, следовательно, вода является соединением водорода и кислорода. Лавуазье также полагал, что пищевая субстанция и живая ткань представляют собой множество различных соединений углерода и водорода, поэтому при вдыхании воздуха кислород расходуется на образование не только углекислого газа из углерода, но и воды из водорода. Таким образом Лавуазье объяснил, куда расходуется та часть кислород, которую он никак не мог учесть в своих первых опытах по изу-чению дыхания.

Русский химик Михаил Васильевич Ломоносов (1711-1765) еще в 1756 г., т.е. почти за двадцать лет до работ Лавуазье по горению, отказался от теории флогистона и предположил, что при горении вещества соединяются с частью воздуха. Ломоносов имел почти современные взгляды на теорию атомов и теорию теплоты. Опередив, таким образом, свое время почти на сто пятьдесят лет.

По названиям соединений, предложенных системой химической номенклатуры, можно было определить те элементы, из которых оно состоит. Например, оксид кальция состоит из кальция и кислорода. Четкая система приставок и суффиксов

была разработана таким образом, что стало возможным судить о соотношении входящих в состав веществ элементов. В то же время хлорат калия содержит больше кислорода, чем хлорит калия, в перхлорате калия содержание еще выше, тогда как хлорид калия совсем не содержит кислорода.

1789 г. Лавуазье опубликовал книгу «Элементарный курс химии». Это был первый учебник по химии в современном понимании. Лавуазье только в двух случаях допустил несомненные ошибки. Это касалось «света» и «теплорода» (тепла), которые, как стало очевидно спустя несколько десятилетий, представляют собой вовсе не материальные субстанции, а формы энергии.

Германии одним из первых приверженцев Лавуазье стал Мартин Генрих Клапорт (1743-1817). Среди немецких ученых считалось очень патриотичным придерживаться теории флогистона, поскольку автор теории Шталь был немцем. Поэтому выступление Клапорта в поддержку теории Лавуазье произвело сильное впечатление. Клапорт внес свой вклад в открытие элементов: в 1789 г. он открыл уран и цирконий.

Успех Лавуазье показал химикам, что применение количественных измерений может помочь понять суть химических реакций. Метод количественных измерений был использован, в частности, при исследовании кислот.

Реакции нейтрализации заинтересовали немецкого химика Иеремию Веньямина Рихтера (1762-1807). Он измерил точные количества различных кислот, необходимых для нейтрализации определенных количеств того или иного основания, и наоборот. Результаты измерений показали, что, проводя реакцию нейтрализации, нельзя пользоваться приемами повара, который в соответствии со своим вкусом может увеличить или уменьшить количество того или много компонента: в данном случае необходимы определенные и постоянные количества веществ.

Рихтер изложил свои взгляды в книге «Стехиометрия, или искусство измерения химических элементов».

Таким образом, Рихтеру принадлежит формулировка зако-на эквивалентов.

Бертолле придерживался второй точки зрения и считал, что соединение, состоящее из элементов Х и У, содержит большее количество Х, если при получении этого соединения использовался большой избыток Х.

Французский химик Жозеф Луи Пруст (1754-1826), который работал в Испании, придерживался противоположного мнения. С помощью тщательных анализов, Пруст в 1799 г. показал, например, что карбонат меди характеризуется определенным весовым соотношением меди, углерода и кислорода вне зависимости от того, каким способом эта соль получена в лаборатории или каким способом выделена из природных источников. Соединение всегда содержит 5,3 части меди, 4 части кислорода и 1 часть углерода.

Почему закон постоянства состава всегда должен быть справедлив? Почему какое-то соединение всегда должно содержать 4 части Х и 1 часть У, и почему оно не может содержать, напри-мер, 4,1 или 3,9 части Х и 1 часть У? Если допустить, что мате-рия является сплошной (а не дискретной), то понять это труд-но. Почему элементы не могут смешиваться в несколько иных пропорциях?

Если признать атомное строение материи, то из этого положения закон постоянства состава вытекает как естественное следствие. Более того, поскольку справедливость закона постоянства состава – неоспоримый факт, то, следовательно, атомы действительно являются неделимыми частицами.

Английский химик Джон Дальтон (1766-1814) первооткрыватель закона кратных отношений и создатель основ атомной теории. Он обнаружил, что два элемента могут соединяться друг с другом в различных соотношениях, но при этом каждая новая комбинация элементов представляет собой новое соединение.

В 1803 г. Дальтон обобщил результаты своих наблюдений и сформулировал важнейший закон химии – закон кратных отношений.

Если монооксид углерода образуется в результате сочетания одного атома углерода с одним атомом кислорода, то в этом соединении соотношение весовых частей углерода и кислорода должно быть равно 3:4. В диоксиде же углерода, состоящем из одного атома углерода и двух атомов кислорода, оно должно быть 3:8.

Поскольку было найдено, что элементы соединяются в кратных отношениях, следовательно, соединения различаются по составу на целые атомы. Разумеется, предполагаемые различия в составе и закон кратных отношений справедливы лишь при условии, что материя действительно состоит из крошечных неделимых атомов.

Выдвигая новую версию атомистической теории, опиравшуюся на законы постоянства состава и кратных отношений, Дальтон как дань уважения Демокриту сохранил термин «атом» и называл так считавшиеся в то время неделимыми мельчайшие частицы, составляющие материю.

В 1808 г. он опубликовал труд «Новая система химической философии», в которой изложил атомистическую теорию уже более подробно.

Атомистическая теория нанесла последний удар по бытовавшим еще представлениям о возможности взаимных переходов элементов-стихий. Стало очевидным, что различные металлы состоят из атомов различных видов, и, поскольку атомы считались в то время неделимыми и незаменяемыми, бесполезно было надеяться, что когда-нибудь удастся атом свинца превратить в атом золота.

Например, 1 часть (по весу) водорода соединяется с 8 частями кислорода, образуя воду. Если молекула воды состоит из одного атома водорода и одного атома кислорода, то, следовательно, атом кислорода в 8 раз тяжелее атома водорода. Если условно принять, как это и делал Дальтон, вес атома за 1, то вес атома кислорода при этом соответственно равен 8.

Рассуждая таким образом, Дальтон составил первую табли-цу атомных весов. Атомный вес – это не вес как сила и вовсе не масса, а число, выражающее отношение главным образом масс атомных ядер. Процесс взвешивания, имевший место при определении атомных весов, был процессом сравнения масс. Эта таблица, хотя, вероятно, и была самой важной работой Дальтона, в ряде аспектов оказалась совершенно ошибочной. Основное заблуждение дальтона заключалось в следующем. Он был твердо убежден, что при образовании молекулы атомы одного элемента соединяются с атомами другого элемента попарно. Исключения из этого правила Дальтон допускал лишь в крайних случаях.

Тем временем накапливались данные, свидетельствующие о том, что подобное сочетание атомов «один к одному» отнюдь не является правилом. Противоречие проявилось, в частности, при изучении воды, причем еще до того, как дальтон сформулировал свою атомную теорию.

Бенджамин Франклин (1706-1790), великий американский ученый, выдающийся государственный деятель и дипломат, в сороковых годах XVIII в. выдвинул новую гипотезу. Он предположил, что существует единый электрический флюид и что вид электрического заряда зависит от содержания этого флюида.

Франклин считал, что стекло содержит электрического флюида больше нормы и поэтому несет положительный заряд.

В 1800 г. итальянский физик Алессандр Вольта (1745-1827) сделал важное открытие. Он установил следующее: два куска металла (разделенные растворами, способными проводить электрический заряд) можно расположить таким образом, что по соединяющей их проволоке пойдет «ток электрических зарядов», или электрический ток.

Два английских химика – Уильям Николсон (153-1815) и Энтони Карлайл (1768-1840) продемонстрировали наличие такой обратной зависимости. Пропустив электрический ток через воду, они обнаружили, что на электропроводящих полосках металла опущенных в воду, появляются пузырьки газа. Как выяснилось, на одной из полосок выделялся водород, на другой – кислород.

Они впервые провели электролиз воды. Выделявшиеся по мере разложения воды водород и кислород они собирали в отдельные сосуды. Последующие измерения показали, что объем водорода вдвое превышает объем кислорода. Объем выделившегося водорода вдвое превысил объем кислорода, поэтому вполне естественно было предположить, что каждая молекула воды содержит два атома водорода и один атом кислорода, а не по одному атому каждого элемента, как считал Дальтон.

Результаты исследований Николсона и Карлайла были подкреплены работой французского химика Жозефа Луи Гей-Люссака (1778-1850), Гей-Люссак установил, что два объема водорода, соединяясь с одним объемов кислорода, образуют воду. Далее, он нашел, что когда газы образуют соединения, соотношение их объемов всегда представляет собой соотношение кратных чисел. В 1808 г. Гей-Люссак опубликовал сообщение об открытом им законе объемных отношений.

Используя этот закон, можно было также решить наконец, сколько атомов азота и водорода в аммиаке. После того, как было установлено, что в молекуле аммиака содержится один

атом азота и три (а не один) атом водорода, выяснилось, что атомная масса азота равна не примерно 5, а 14.

Первым, кто обратил внимание на необходимость предположения о том, что в газах равное число частиц занимает равнее объемы, был итальянский химик Амедео Авогадро (1776-1856). Поэтому предположение, выдвинутое им в 1811 г., получило название гипотезы Авогадро.

1818 г. французский химик Пьер Луи Дюлонг (1785-1838) и французский физик Алексис Терез Пти (1791-1820) определили атомный вес одного из таких элементов.

Атомный вес элемента (правда, только приблизительный) можно определить, измерив его теплоемкость. Этот метод ока-зался пригодным только для твердых элементов, да и то не для всех, и тем не менее это был шаг вперед.

Шведский химик Исис Якоб Берцелиус вслед за Далтоном внес особенно большой вклад в создание атомистической тиории. Примерно с 1807 г. Берцелиус вплотную занялся определением точного элементного состава различных соединений. Он представил столько доказательств, подтверждавших закон постоянства состава, что химики были вынуждены принять справедливость этого закона, а следовательно, и принять ато-мистическую теорию, которая непосредственно вытекала из закона постоянства состава.

Далее Берцелиус принялся за определение атомных весов более сложными и точными методами, которые были недоступны Дальтону. В этой свое работе Берцелиус использовал законы, открытые Дюлонгом и Пти, Митчерлихом и ГейЛюссаком (но подобно большинству своих современников, не воспользовался гипотезой Авгадро).

1826 г. Берцелиус опубликовал первую таблицу атомных весов. Приведенные в ней величины в основном совпадают (за исключением атомных весов двух-трех элементов) с принятыми в настоящее время. Эта таблица, опубликованная в издававшихся самим И.Берцелиусом «Годичных обзорах», вошла в историю химии как таблица 1826 г.

Существенное различие между таблицами Берцелиуса и Дальтона состоит в том, что величины, полученные Берцелиусом, в большинстве не были целыми числами.

своих расчетах Дальтон исходил из того, что атомный вес водорода равен 1, и поэтому атомные веса всех элементов

в таблице Дальтона представляют собой целые числа. Изучив составленную Дальтоном таблицу атомных весов, английский химик Уильям Праут (1785-1850) пришел в 1815-1816 гг. к мне-нию, что все элементы в конечном счете состоят из водорода и что атомные веса различных элементов различаются по той причине, что они состоят из равного числа атомов водорода. Эта точка зрения известна как гипотеза Праута.

Однако, таблица Берцелиуса, казалось, разрушила это привлекательное предположение (привлекательное потому, что, по-добно античным ученым, Праут сводил все возраставшее число элементов к одному основному веществу и, таким образом, как будто бы придавал Вселенной упорядоченность и симметрию). Однако, если принять атомный вес водорода («основы»), рав-ным 1, то атомный вес кислорода составит приблизительно 15,9 веса водорода, но едва ли можно согласиться с тем, что кисло-род состоит из 15 плюс еще 9/10 атома водорода.

следующем столетии таблицы атомных весов постоянно уточнялись, и все более очевидными становились выводы Бер-целиуса, считавшего, что атомные веса различных элементов не являются целыми числами, кратными атомному весу водорода.

шестидесятых годах XIXв. Бельгийский химик Жан Сер-вио Стас (1813-1891) определил атомные веса точнее, чем Берцелиус. В начале ХХ в. американский химик Теодор Уильям Ричардс (1868-1928), приняв все меры предосторожности (во многом надуманные), определил величины атомных весов с такой точностью, которая только возможна при использовании чисто химических методов. Исследования Стаса и Ричардса ответили на те вопросы, которые в работах Берцелиуса оставались нерешенными.

В то время, когда Ричардс проводил свои поразительно точные определения атомных весов, вновь встал вопрос о том, что следует понимать под атомных весом. И на этом этапе развития химии гипотезе Праута, как мы увидим далее, суждено было возродиться.

Поскольку, как выяснилось, атомные веса различных элементов взаимосвязаны не столь простым образом, как это ранее предполагалось, необходимо было выявить стандарт, исходя из которого можно было бы определить атомные веса элементов. Естественным казалось принять за единицу атомного веса атомные вес водорода, как это сделали Берцелиус и

Дальтон. Но при этом атомный вес кислорода выражался неудобным нецелым числом 15,9, а ведь именно кислород обычно использовался для определения соотношений элементов в различных соединениях.

Атомный вес кислорода округлили и приняли равным 16.000 (вместо 15,9). Таким образом, в качестве стандарта был принят атомный вес кислорода, равный 16, атомный вес водорода при этом оказался равным 1.008. Атомный вес кислорода служил стандартом вплоть до середины XX в.

После того, как атомистическая теория была принята, стало возможным изображать вещества в виде молекул, содержащих постоянное число атомов различных элементов. Вполне естественным было попытаться изобразить такие молекулы в виде набора маленьких кружков, представляющих собой атомы: при этом атомы каждого вида можно было изобразить кружками определенного типа.

Простым кружком Дальтон изображал атом кислорода; кружком с точкой посредине – атом водорода; кружком с вертикальной линией – атом азота; закрашенным черным кружком – атом углерода и т.д. Серу он изображал в виде кружка с буквой S, фосфор – в виде кружка с буквой P и т.д.

Берцелиус решил, что кружки излишни, достаточно лишь начальных букв. Он предложил, чтобы каждому элементу соответствовал свой особый знак, который был бы одновременно и символом элемента, и символом одиночного атома этого элемента, и в качестве такого знака предложил использовать начальную букву латинского названия элемента. В тех случаях, когда называния двух или более элементов начинались с одних и тех же начальных букв, добавлялась вторая буква названия. Так появились химические символы.

С помощью химических символов легко показать количество атомов в молекуле. Химические формулы можно объединять в химические уравнения. Чтобы уравнять правую и левую части, перед формулами исходных веществ и продуктов реакции ставят коэффициенты.

За полтора века прошедшие с того времени, когда Бойль ввел понятие «элемент», было открыто поразительно много веществ, отвечающих этому определению. Очень часто эти элементы входили в состав оксидов. В принципе под воздействием какого-либо элемента, обладающего более сильным сродством

к кислороду, атом (или атомы) кислорода может покинуть первый элемент и присоединиться ко второму. Этот метод оказал-ся эффективным. Причем часто роль второго, отнимающего кислород элемента и выполнял углерод.

Известь по своим свойствам похожа на оксид. Однако ни один из известных тогда элементов, вступая в реакцию с кислородом, не образует известь. Следовательно, известь является оксидом неизвестного элемента. Пытаясь выделить этот неизвестный элемент, известь нагревали на коксе, но при этом ничего не происходило. Ни одно другое химическое вещество также не могло «заставить» известь отдать кислород.

Английский химик Гемфри Дэви (1778-1829) решил, что если вещество нельзя разложить химическим путем, то, возможно, это удастся осуществить под воздействием электрического тока: ведь таким способом удалость разложить даже молекулу воды. Дэви только разложил воду и получил водород и кислород. Необходимо было прежде удалить воду. Однако через твердые вещества ему даже не удалось пропустить ток. Наконец, Дэви догадался расплавить соединения и пропустить ток через расплав.

6 октября 1807 г. Дэви пропустил ток через расплавленный поташ (карбонат калия) и получил маленькие шарики металла, который он назвал потассием (от английского – potaslt). Этот металл, впоследствии названный калием, оказался очень активным. Неделю спустя Дэви выделил из соды (карбоната натрия) содий (от английского – soda), впоследствии названный натрием. По своей активности, как выяснилось, натрий лишь незначительно уступает калию.

В 1808 г., пользуясь модифицированным вариантом метода Берцелиуса, Дэви выделил магний из магнезии, стронций из оксида стронция, барий из оксида бария и кальций из извести («кальций» – от латинских называний извести – calx. calcis).

Дэви также показал, что зеленоватый газ, который открыв

ший его Шееле считал оксидом, в действительности является χλωρος – желто-зеленый). Позднее Гей-Люссак сократил это

название до хлора. Дэви доказал, что соляная кислота, будучи сильной кислотой, не содержит атома кислорода в своей молекуле, и, таким образом, опроверг предположение Лавуазье, который рассматривал кислород как необходимый компонент всех кислот.

Работы Дэви по электролизу продолжил его помощник и ученик Майкл Фарадей (1791-1867), который впоследствии стал знаменитым ученым. Фарадей называл расщепление молекул под действием электрического тока электролизом. Фарадей назвал соединение или раствор, способный проводить электрический ток, электролитом; металлические стержни или пластины, помещенные в расплавленный металл или раствор, – электродами; электрод, несущий положительный заряд – ано-дом; электрод несущий отрицательный заряд – катодом.

Реально существующие частицы, благодаря которым элект-рический ток проходит через раствор или расплав, Фарадей на-зывал ионами (от греческого ιογ – идущий). Ионы, перемеща-ющиеся по направлению а аноду, он назвал анионами, ионы, перемещающиеся по направлению к катоду – катионами.

1832 г. Фарадей сформулировал следующие два закона электролиза: 1. Вес вещества, выделившегося на электроде во время электролиза, пропорционален количеству электричества, пропущенного через раствор. 2. Вес металла, выделенного данным количеством электричества, пропорционален эквивалентному весу этого металла.

Законы Фарадея, по мнению некоторых химиков, указывали на то, что электричество, как и материю, можно разложить на постоянные минимальные единицы, или, другими словами, на «атомы электричества».

Человек разделил вещества на две группы: горючие и негорючие.

Накопленные в XVIII столетии знания показали химиками, что судить о природе веществ, исходя только из их горючести или негорючести, нельзя. Вещества неживой природы могли выдерживать жесткую обработку, а вещества живой или некогда живой материи такой обработки не выдерживали. Вода кипела и снова конденсировалась в воду; железо или соль расправлялись, но остывая, возвращались в исходное состояние. В то же время, оливковое масло или сахар при нагревании (даже в условиях исключающих возможность горения) превращались в дым и гарь.

1807 г. Берцелиус предложил вещества, подобные оливковому маслу или сахару, которые типичны для живой природы, называть органическими. Вещества, подобные воде и соли, которые характерны для неживой природы, он называл неорганическими.

Химиков не переставало удивлять, что органические вещества при нагревании или каком-либо другом жестком воздействии легко превращаются в неорганические вещества. (Возможность обратного превращения, т.е. превращения неорганического ве-щества в органическое, была установлена несколько позднее). То время было временем господства витализма – учения, рассматривающего жизнь как особое явление, подчиняющееся не законам мироздания, а влиянию особых жизненных сил. За-щитником витализма веком раньше был Шталь, основатель те-ории флогистона. Сторонники витализма утверждали, что для превращения неорганических веществ в органические требуется какое-то особое воздействие («жизненная сила») которое прояв-ляется только внутри живой ткани. По этой причине неорганические соединения, например, воду, можно было найти повсюду

– в пределах и живого, и неживого мира, тогда как органические соединения, образующиеся под воздействием жизненной силы, можно найти только в живых тканях.

Первые сомнения в справедливости такого утверждения возникли после опубликования в 1828 г. работы Фридриха Велера (1800-1882), немецкого химика, ученика Берцелиуса. Ве-лера, в частности, интересовали цианиды и родственные им соединения.

Значение открытия Велера отрицать нельзя. Оно способствовало низвержению витализма и вдохновило химиков на попытки синтеза органического вещества: не будь этого открытия, химики направили бы свои усилия в другом направлении.

В 1845 г. Адольф Вильгельм Герман Кольбе (1818-1884), уче-ник Велера, успешно синтезировал уксусную кислоту, считав-шуюся в его время несомненно органическим веществом. Если синтез мочевины Велера породил сомнения относительно существования «жизненной силы», то синтез уксусной кислоты Кольбе позволил решить этот вопрос.

Французский химик Пьер Эжен К……..ен Бертло (1827-1907) в 50-е годы XIX в. синтезировал метиловый и этиловый спир-ты, Метан, бензол, ацетилен. Бертло «нарушил границу» между неорганической и органической химией, покончив с пресловутым «запретом». В дальнейшем такое «нарушение границ» ста-ло обычным.

Русский химик Константин Сигизмундович Кирхгоф (1764-1833) первым занялся детальным изучением этого вопроса. В

1812 г. ему удалось превратить крахмал, нагревая его с кислотой, сахар, который в последствии получил называние глюкозы.

1820 г. французский химик Анри Браконно (1780-1854) таким же способом обрабатывал желатину (продукт денатуриро-ванного белка) и получил глицин – азотсодержащую органи-ческую кислоту, относящуюся к той группе веществ, которые впоследствии были названы (Берцелиусом) аминокислотами. Глицин был первой из двадцати различных аминокислот, выделенных в следующем веке из природных белков.

Французский химик Мишель Эжен Шеврель (1786-1889) посвятил первую половину свой очень долгой творческой жизни изучению жиров. В 1809 г. он обрабатывал мыло (полученное нагреванием жира со щелочью) кислотой и выделил то, что мы теперь называем жирными кислотами. Позднее он показывал, что, превращаясь в мыло, жиры теряют глицерин.

Бертло в 1954 г. нагревая глицерин со стеариновой кислотой (одной из самых распространенных жирных кислот, полученных из жиров), получил молекулу, состоящую из остатка молекулы глицерина и трех остатков молекул стеариновой кислоты. Этот тристеарин, который оказался идентичен тристеарину, полученному из природных жиров, был самым сложным из синтезированных к тому времени аналогов природных продуктов.

Химик может синтезировать из продуктов неживой природы соединение, по всем своим свойствам являющееся органическим. Именно с синтезом аналогов природных продуктов связаны самые крупные достижения органической химии второй половины XIX и XX вв.

Роль химии в современном мире и ее будущее.

В атмосфере «хемифобии» надо полностью сознавать невозможность социального прогресса без развития химии и применения ее достижений для решения проблем энергетики, экологии, национальной обороны, здравоохранения, развития промышленности, сельского хозяйства.

Достаточно сказать, что 92% энергии, потребляемой сейчас обществом, мы получаем, осуществляя химические процессы. И если современная энергетика создает экологические проблемы, то виновата в этом не химия, а неграмотное или недобросовестное использование продуктов ее деятельности (хим. процессы, продукты, материалы).

Надо помнить, что химия – это не только ДДТ, дефолианты, нитраты и диоксины. Но и сахар и соль, воздух и валидол, молоко и магний, полиэтилен и пенициллин.

Все чем мы пользуемся, что носим, в чем живем, передвигаемся, чем играем, производится посредством управляемых хим. реакций.

Занятие химика – изобретение реакций, превращающих окружающие нас вещества в те, что служат удовлетворению наших нужд.

Нам необходимо иметь эффективное средство против болезни Паркинсона. Химики синтезируют карбидофу – соединение, отсутствующее в природе, но обладающее высокой терапевтической активностью.

Миллионы автомашин загрязняют атмосферу. Эту задачу отчасти помогает решить автомобильный каталитический конвертор выхлопных газов.

Сейчас насчитывается более 8 миллионов синтезированных соединений. Химия играет роль в решении проблем обеспечения людей продовольствием, одеждой и жильем, новых источников энергии, в создании возобновляемых заменителей истощающихся или редких материалов, в укреплении здоровья человека, в контроле за состоянием среды обитания и ее защите.

Поскольку все жизненные процессы вызываются хим. изменениями, знания о химических реакциях обеспечивают необходимый фундамент для постижения сущности жизни. Таким образом, химия вносит вклад в решение проблем универсальной философской значимости.

Трагедия в Бхопале (Индия) ярко показывает две стороны химии. Тысячи отравленных токсичными веществами, применяемыми для производства продуктов питания, ежегодно спасавших миллионы людей от голодной смерти.

IY.ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ХИМИИ

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ (фундаментальные) ЧАСТИЦЫ

Мельчайшие объекты материи, являющиеся составными элементами атомов вещества, или же объекты, преобразующиеся в эти элементы в процессе взаимодействия друг с другом.

На данном уровне развития научных представлений о строе-нии вещества им отводится роль первичных кирпичиков миро-здания. Считается, что все многообразие окружающего нас мира построено из ограниченного числа элементарных частиц.

Элементарные частицы делят на 3 класса:

I – ФОТОН – квант электромагнитного излучения;

II – ЛЕПТОНЫ – электронное (электронное нейтрино, электрон) семейство; мюонное (мюонное нейтрино, мюон) се-мейство;

III – АДРОНЫ – мезонное (пион, каон, мезон и др.) семейс-тво; барионное (протон, нейтрон, гигерон и т.д.) семейство.

настоящее время известно несколько сотен элементарных частиц и делаются попытки их построения из небольшого числа частиц (кварков).

химии наиболее значение имеют такие элементарные частицы, как электроны, протоны и нейтроны, из которых образованы атомы химических элементов.

Электрон – первая из открытых элементарных частиц, – носитель наименьшего электрического заряда (кванта электричества q= = 1,6 –10–19 Кл. Масса покоя 9,1–10–31 кг).

Характеристики некоторых элементарных частиц

Свойство

Электрон

Протон

Нейтрон

Масса покоя в М е

1

1836

1840

Заряд

–1

+1

0

Стабильность в свободном состоянии

стабильная

стабильная

нестабильная

АТОМНЫЕ ЧАСТИЦЫ

Атомная частица представляет собой систему взаимодействующих элементарных частиц, состоящую из ядра, образованного протонами и нейтронами, и электронов.

Под атомной частицей понимается не только изолирован-ный атом, но и производные от него: атомный (одноатомный) ион, атомный радикал, атомный ион-радикал, образующиеся вследствие ионизации или возбуждения атома и способные к самостоятельному существованию (опред. временем жизни частицы, которое можно измерить физическими методами) .

ИЗОЛИРОВАННЫЙ АТОМ не имеет заряда, однако он может иметь не спаренные электроны (атомный радикал).

АТОМНЫЙ ИОН (К⁺, S^2–) характеризуется наличием положительного или отрицательного заряда и образуется в результате удаления или присоединения электронов к атому.

АТОМНЫЙ РАДИКАЛ (Н, Cl) имеет не спаренные электро-ны в основном или возбужденном состоянии, а атомный ион– радикал (Cu^2+, V²⁺) – заряд и не спаренные электроны.

Атомная частица является низшим, исходным уровнем хим. организации материи. Следующий уровень усложнения частиц – образование из атомных частиц различных атомных ас-социатов.

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

Молекулярная частица представляет собой систему взаимодействующих элементарных частиц, состоящую из атомных ядер и окружающих их внутренних и валентных электронов. Она образуется вследствие взаимодействия атомных частиц. Образование хим. связей между атомными частицами осуществляется валентными электронами.

Под молекулярной частицей понимается наименьшая совокупность атомных частиц, химически связанных в определенном порядке, способная к самостоятельному существованию, т.е. обладающая устойчивой структурой.

В зависимости от наличия или отсутствия заряда и не спа-ренных электронов молекулярные частицы классифицируют на молекулы (отсутствуют заряд и не спаренные электроны), молекулярные ионы (имеется заряд, отсутствуют не спаренные электроны) NO₂^–, SO₄^2–, молекулярные радикалы или биради-калы (отсутствует заряд, имеется один или два не спаренных электрона), NO₂, O₂, молекулярные ион–радикады (имеется заряд и не спаренные электроны)

Молекула может переходить в свободно–радикальное состояние в результате возбуждения (воздействие света, теплоты и т.д.). В редких случаях такое возбуждение приводит к обратному процессу, когда бирадикал вследствие спаривания электронов превращается в молекулу O₂ h–v1 O₂. (Бирадикал превращается в синглетный молекулярный кислород).

Понятие молекулы в химии введено в связи с необходимостью отличить от ее атома. Оно должно отражать число атомов, их взаимное расположение и характер связи между ними (т.е. структуру), а также исключать характерные признаки других частиц.

формулировке понятия молекулы не следует указывать такой признак, как свойства, поскольку они зависят от внешних условий, растворителя, агрегатного состояния.

Кроме того, две полимерных молекулы о высокой, но различной степенью полимеризации могут практически не отличаться по химическим и даже физическим свойствам, однако, у них своя молекулярная структура и каждая молекула индивидуальное соединение.

ряде случаев нет смысла говорить о молекулах веществ в конденсированном состоянии (ионные, атомные кристаллы).

Молекула – это способная к самостоятельному существова-нию, нейтральная по заряду наименьшая совокупность атомов, связанных вследствие химического взаимодействия в опреде-ленном порядке (т.е. обладающая определенной структурой), не имеющая, как правило, не спаренных электронов.

ПРОДУКТЫ АССОЦИАЦИИ И АГРЕГАЦИИ

Дальнейшее усложнение химической организации материи идет по пути образования более сложной совокупности взаимодействующих атомных и молекулярных частиц (молекулярных ассоциатов и агрегатов) и их комбинаций.

Образование ассоциатов не изменяет фазового состава системы, а при образовании агрегатов возникает новая фаза (чаще всего твердая). Ассоциаты существуют в газообразном состоянии и в растворах (HCOOH)₂, (H₂F₂), агрегаты – в твердом [NaCl(тв.), Si(тв.)] или жидком (эмульсии) состоянии.

случае сильных (специфических) взаимодействий моле-кулярный ассоциат может рассматриваться как молекулярная частица, более сложная, чем исходные (NO²⁺ NO²⁺N₂O₄).

случаях слабых (неспецифических) взаимодействий мы имеем дело с молекулярным ассоциатом, характеризующимся наличием надмолекулярной структуры.

К атомно–молекулярным агрегатам относят молекулярные кристаллы (HgCl₂(тв.)), ионные кристаллы (NаС1(тв.)), атомные кристаллы (Si(тв.)).

Молекулярные кристаллы – это агрегаты, образующиеся из молекул в результате слабых межмолекулярных взаимодействий (нафталин, J₂). При нагревании они диссоциируют сравнительно легко на исходные молекулы. При увеличении размера молекул (красители, сахара, полисахариды) из-за большой энергии взаимодействия они не могут возгоняться без разложения.

Ионные кристаллы (ионные агрегаты) образуются из ионов вследствие сильных электростатических взаимодействий. Они плавятся и возгоняются, распадаясь на более простые частицы только при довольно высоких температурах. Под влиянием сольватации полярным растворителем агрегат теряет ионную структуру и переходит в раствор в виде стехиометрической смеси ионов, слабо взаимодействующих друг с другом.

Таким образом, усложнение частиц идет в направлении:

Элементарные частицы → Атомные частицы → Молекулярные частицы → Ассоциаты → Агрегаты

Под более сложными молекулярными частицами имеются

виду молекулярные ассоциаты второго и высших порядков (белки) из нескольких различных по природе надмолекулярных структур. ХХХ

По мере усложнения частиц происходит переход количества

качество, поэтому совокупность частиц отличается природой, свойствами, степенью связанности, прочностью.

Независимо от степени ассоциации или агрегации для них используются понятия: простые и сложные вещества, химические соединения, которые изображаются стехиометрической формулой вещества с указанием его модификации, агрегатного состояния, внешних условий, чистоты.

Химический элемент – вид атомов, характеризующийся определенной совокупностью свойств.

ОТНОСИТЕЛЬНОЙ М (молекулярной массой) простого или сложного вещества называется отношение массы его молекулы к 1/12 части массы атома 12С. 1/12 часть массы атома изотопа углерода 12С наз. А.Е.М.

Моль – количество вещества содержащее столько молекул, атомов, ионов, электронов или других структурных единиц, сколько содержится атомов в 12 г. изотопа углерода 12С.

Отношение массы m вещества к его количеству ν называется молярной массой вещества

M=m /ν [г/моль]

М=кMотн , к=1.

Отношение объема, занимаемого веществом, к его количес-тву называется молярным объемом вещества.

Y. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ

Атомно–молекулярное учение (М.В.Ломоносов, 1741г.) Корпускулярная теория.

I. Все вещества в природе состоят из частичек, физически неделимых и обладающих способностью взаимного сцепления.

II. Свойства веществ зависят от свойств этих элементов. (Мелкие элементы – атомы, корпускулы – молекулы).

III. Причина различия веществ не только в составе корпускул, но и в различном расположении элементов в корпускуле.

IV. Корпускулы движутся согласно законам механики. Так как изменения веществ обуславливаются движением корпускул, то химические превращения должны изучаться методами физики и математики.

Стехиометрия – раздел химии, в котором рассматриваются весовые и объемные отношения между реагирующими веществами.

XVIII–XIX вв. Основные стехиометрические законы.

Закон Дальтона

Р = P1+P2+P3+… , где Р – общее давление;      P1,2,3… –пар-

циальное давление газов

Закон Авогадро: в равных объемах разных газов при оди-наковых условиях (P,V) cодержится одинаковое число частиц (молекул или атомов)

Na –число Авогадро ; Na= 6,02–1023

При Н.У. 1моль любого газа занимает V=22,4л

mx = nMx = Д

m1 nM1 х/1

3. Mx = Дх/1M1

Закон Бойля–Мариотта Т – const

P1 V1 = P2V2

Закон Шарля и Гей–Люссака

P – const ;

V = T

V0      T0

Объединенный закон газового состояния для 1 моля газа

PV      P0V0

T = T0 = R

Т0=273,15К      V0=22,4 л P0=101325 Па=760мм рт.ст.

Уравнение Менделеева– Клапейрона(1874г.) PV= nRT = mМ *RT

Где R–универсальная газовая постоянная=8,31 Дж/моль К= 8,314 Па =0,082 атм л/(моль К) = 62360 мм рт.ст мл/(моль К)

Закон сохранения массы: Ломоносов(1748), Лавуазье(1774)

Σ m(продуктов) = Σ m (исходных)

«Что и где убыло, то именно в другом месте и присовокупиться должно, но в той же мере».

Закон простых объемных отношений

(Гей–Люссака, 1808г)

H2 + Cl2 = 2HCl

Объемы вступающих в реакцию газов относятся между собой и к объему образующихся продуктов как небольшие целые числа.

Закон эквивалентов

m1 = Э1

m2      Э2

Э(х)=f(х)М(х),

где f(x) – фактор Х, который показ., какая доля этой частицы устанавливает 1 новую хим. связь, например, для Al+3

f(x) = 1/3

Э(х)= M(x)/3

Массы веществ взаимодействуют пропорционально их эквивалентам, или один эквивалент одного вещества взаимодействует с одним эквивалентом другого вещества.

Закон постоянства состава 1801–1807г Пруст:

Всякое чистое в–во имеет количественный и качественный состав независимо от способов его получения.

Закон кратных соотношений 1803 г. Дальтон:

Если 2 элемента образуют между собой ряд соединений, то масса одного элемента, приходящаяся на одну и ту же массу другого элемента, относятся как небольшие целые числа.

Закон сохранения массы и энергии Эйнштейна (1905 г.)

Е=mc2,

m – масса – мера энергии, Е – мера движения вещества

Девиз: «АТОМ НЕИСЧЕРПАЕМ

ТАК ЖЕ КАК ВСЕЛЕННАЯ»

ЛЕКЦИЯ 2

СТРОЕНИЕ АТОМА

План лекции

1.Строение атома (история вопроса).

2.Значение теории Бора.

3.Энергетические состояния электрона в атоме.

Атом – в переводе с греческого – неделимый. Понятие введено Демокритом как мельчайший кирпичик мироздания (V век до н.э.). Считалось, что атомы неделимы, т.е. не содержат более простых составных частей и не могут превратиться в атом другого элемента.

В конце XIX века установлен ряд фактов, свидетельствую-+98.юбщих о сложном составе атома и о возможности их взаимопревращений.

1896 г. Явление радиоактивности (Р) (radius – луч, с латинского) обнаружил у соединений урана французский физик А.Беккерель.

Р – явление испускания некоторыми элементами излуче-ния, способного проникать через вещества, ионизировать воз-дух, вызывать почернение фотопластинок.

1897 г. Английский физик Дж.Дж.Томсон открыл электрон – элементарную частицу, обладающую наименьшим существую-щим в природе отрицательным электрическим зарядом 1,6–10 -19 Кл. Масса 9,1–10-28 г., в 2000 раз меньше атома водорода.

1898 г. Мария Кюри-Склодовская и Пьер Кюри в составе урановых руд открыли 2 новых радиоактивных элемента – ПОЛОНИЙ (Polonia –Польша) и радий, которые оказались более мощными источниками радиоактивного излучения, чем уран и торий. Супруги Кюри и Э.Резерфорд установили неоднородность радиоактивного излучения: под действием магнитного поля оно разделяется на три пучка один из которых не изменяет первоначального направления, а два другие отклоняются в противоположном направлении. Не отклоняющиеся –γ–лучи – жесткое электромагнитное излучение, сходное с рентгеновскими лучами и обладающие очень большой про-никающей способностью. Отклонение других пучков под действием магнитного поля говорили о наличии электрически заэхряженных частиц.

Противоположные направления отклонений говорят о раз-ных зарядах. β –лучи – поток быстро движущихся электронов, а α –лучи дважды ионизированные атомы Не²⁺.

Опытом Резерфорд доказал, что α-частицы – Не²⁺, и что при распаде образуется Rn –радон (RaНе²⁺ → Rn). Изучение радиоактивности подтвердило сложность состава атомов и возможность перехода из атома одного элемента в атомы другого элемента.

1903 г. Дж.Дж.Томсон – атом состоит из положительного за-ряда, равномерно распределенного по всему объему атома, и электронов колеблющихся внутри этого заряда.

Опыт Э.Резерфорда

И–источник α излучения; К–свинцовый кубик с каналом; Э–экран, – покрытый ZnS

Этот опыт заключался в бомбардировке тонкого слоя како-го-либо вещества, в частности, металлической фольги, пучком быстро движущихся α-частиц и наблюдении, в каком направлении α-частицы рассеиваются атомами.

Сущность опыта заключается в следующем. Кусочек радия, помещенный в камеру из свинца, испускает α-частицы. Не-большое отверстие в свинцовом блоке формирует пучок α-частиц. Этот пучок проходит затем через металлическую фольгу, и прослеживаются направления, в которых α-частицы продол-жают свое движение. Направление движение можно устано-вить, применяя экран, покрытый сульфидом цинка; при ударе α-частицы о такой экран на нем появляется вспышка.

Если бы атомы, бомбардируемые α-частицами, представ-ляли бы собой плотные образования, состоящие из переме-шанных положительных и отрицательных зарядов, то все они должны были бы в какой-то мере изменить направление своего движения. Однако в действительности большинство α-частиц проходит через фольгу без отклонения.

В одном из опытов α-частицы проходили через золотую фольгу толщиной 400 нм и проникали через 1000 слоев атомов, и всего лишь одна частица из 100000 отклонялась от первона-чального направления. Это частица отклонялась очень сильно, более чем на 90°. Когда брали фольгу вдвое толще, то оказыва-лось, что примерно вдвое большее число α-частиц отклонялось под большими углами, тогда как подавляющее большинство по-прежнему проходило через фольгу без отклонения.

Эти экспериментальные данные можно понять, если допустить, что большая часть массы атома сосредоточена в очень небольшом объеме, который Резерфорд назвал атомным ядром.

Если лишь одна частица из 100000 отклоняется при прохождении через фольгу, состоящую из 1000 слоев атомов, то примерно одна частица из 100000000 будет отклоняться при прохождении через 1 слой атомов. Исходя из этого, Резерфорд заключил, что тяжелое ядро имеет площадь поперечного се-чения, составляющую только 0,00000001 часть площади по-перечного сечения всего атома, а следовательно, диаметр ядра составляет всего лишь 10-5 диаметра атома.

Такая ядерная модель атома оказалась в противоречии с за-конами классической механики и электродинамики, поскольку система неподвижных зарядов не может находиться в устойчивом состоянии. Резерфорду пришлось отказаться от статической мо-дели атома и предположить, что электроны движутся вокруг ядра по искривленным траекториям. Но в этом случае электрон будет двигаться с ускорением, в связи с чем, согласно классической электродинамике, он должен непрерывно излучать электромагнитные (световые) волны. Процесс излучения сопровождается потерей энергии, так что электрон должен в конечном итоге упасть на ядро («смерть» электрона).

Выход из создавшегося положения был найден датским физиком Нильсом Бором в 1913 году путем введения предположений, противоречащих классическим представлениям. Он высказал два постулата:

Из бесконечного множества электронных орбит, возможных

точки зрения классической механики, осуществляется в действительности только некоторые дискретные орбиты. удовлетво-ряющие определенным квантовым условиям. Электрон, находящийся на одной из этих орбит, несмотря на то, что он движется с ускорением, не излучает электромагнитных волн.

2. Излучение испускается или поглощается в виде светового кванта энергии hv при переходе из одного стационарного состояния в другое. Величина светового кванта равна разности энергий тех стационарных состояний, между которыми совершаются квантовый скачок энергии электрона

hv = Ек – Еm

К этим двум постулатам Бор добавил квантовое условие:

J = m Vk rk = kh/2 ,

где Vr – скорость электрона на k-ой орбите, J – момент количества движения электрона, rk – радиус орбиты.

Эту планетарную модель Бора нельзя, конечно, считать серьезной теорией. Однако она хорошо согласуется с опытными данными для атома водорода, т.к. дала количественное объяснение спектра атома водорода, и это было большим успехом новых идей.

Существование дискретных энергетических уровней атома подтвердили опыты Герца в 1914 году.

Теория Нильса Бора позволяет вычислить возможные частоты излучения, способного испускаться или поглощаться атомом, т. е. рассчитывать спектр атома водорода.

ПОСТУЛАТЫ БОРА противоречат положениям классической механики и электродинамики. Электрон может вращаться по любым орбитам и должен излучать при движении по круговой орбите.

Расчет спектра простейшего атома – атома водорода, выполненный Бором, дал блестящие результаты: вычисленное положение спектральных линий в видимой части спектра превосходно совпало с их действительным местоположением в спектре. При этом оказалось, что эти линии соответствуют переходу электрона с более удаленных орбит на вторую от ядра орбиту.

На основе своей теории БОР предсказал существование и местоположение НЕИЗВЕСТНЫХ в то время спектральных серий водорода, находящихся в ультрафиолетовой и инфра-красной областях спектра и связанных с переходом электрона на ближайшую к ядру орбиту и на орбиты более удаленные от ядра, чем вторая.

Все эти серии были ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО обнаружены.

ПРОТИВОРЕЧИЯ:

Противоречия законам механики и электродинамики и в то же время использование их для расчета сил, действующих на электрон.

ГДЕ НАХОДИТСЯ ЭЛЕКТРОН В ПРОЦЕССЕ ПЕРЕХО-

ДА С ОДНОЙ ОРБИТЫ НА ДРУГУЮ?

3.ТАКИЕ (1 → 2) ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ СОСТОЯНИЯ ЗАПРЕЩАЮТСЯ ТЕОРИЕЙ, поскольку постулируется возможность пребывания электрона только на стационарных орбитах.

4. Не получено объяснений по поводу линейчатости и различий интенсивности линий в атомном спектре водорода.

Значение теории Бора

1. Нельзя переносить автоматически законы природы, справедливые для больших тел – объектов МАКРОМИРА, на ничтожно малые объекты МИКРОМИРА – атомы, электроны, фотоны.

ТЕОРИЯ ДОЖНА РАБОТАТЬ КАК ДЛЯ МАКРО ТАК И ДЛЯ МИКРООБЬЕКТОВ (принцип соответствия Н.Бора).

Эта задача была решена в 20-х годах ХХ в. – квантовой или волновой механикой.

Создание квантовой механики произошло на пути обобщения представления о корпускулярно-волновой двойственности фотона на все объекты микромира, и, прежде всего, на электроны.

Корпускулярные свойства фотона: Е=hv. Фотон – дискретное образование, имеющее волновые свойства: v=с/λ, E=hc/λ → объединяющее корпускулярные и волновые свойства фотона,

но E=mc2 → mc2 = hc/λ → λ = hc/c2m = h/cm → λ = h/p, где р-им-

пульс – количество движения.

1924 г. Луи де Бройль (Франция)– автор гипотезы о волновых свойствах материи, которая легла в основу квантовой механики, предположил, что корпускулярно-волновая двойственность присуща не только фотонам, но и электронам:

λ = h/mv – уравнение де Бройля.

Экспериментально в 1927 г. К.Д.Девиссоном и Л.Х.Джермером в США, Дж.П.Томсоном в Англии и П.С.Тарковским в СССР

независимо друг от друга установлено, что при взаимодействии пучка электронов с дифракционной решеткой (кристаллы металлов) наблюдается дифракционная картина. Электрон вы-ступал как волна длина которой совпадала с вычисленной по уравнению де Бройля.

1925 г. Эрвин Шредингер (Австрия) ПРЕДПОЛОЖИЛ, ЧТО СОСТОЯНИЕ движущегося в атоме электрона должно описываться известным в физике уравнением стоячей электромагнитной волны. Подставив в него уравнение связывающее энергию электрона с пространственными координатами и так называемой ВОЛНОВОЙ ФУНКЦИЕЙ ψ соответствующей амплитуде трехмерного волнового процесса. ψ – может принимать как (+) так и (–) значения, ψ2 – всегда (+).

Чем больше значение ψ2 в данной области пространства, тем выше вероятность того, что электрон проявит здесь свое действие, т.е. что его существование будет обнаружено в каком–либо физическом процессе, т.е. ВЕРОЯТНОСТЬ ОБНАРУЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОНА В НЕКОТОРОМ МАЛОМ ОБЪЕМЕ V выражается ψ2 V. ψ2 – плотность вероятности нахождения электрона в соответствующей области пространства – ОРБИТАЛЬ.

Электронное облако атома водорода. Схематическое изображение электрона, «размазанного» по всему объему атома так называемого электронного облака.

ПЛОТНОСТЬ ЭЛЕКТРОННОГО

ОБЛАКА ПРОПОРЦИОНАЛЬНА

КВАДРАТУ ВОЛНОВОЙ ФУНКЦИИ.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ

ЭЛЕКТРОНА В АТОМЕ

Для электрона, находящегося под действием сил притяжения к ЯДРУ, уравнение ШРЕДИНГЕРА имеет решения не прилюбых, а только определенных значениях энергии. Поэтому квантованность энергетических состояний электрона в атоме (т.е. первый постулат Бора) оказывается следствием присущих электрону волновых свойств и не требует особых постулатов.

Рассматривая как модель одномерный атом со стоячими волнами де Бройля найдем Е=mv2/2= h2n2/8ml2 и стоячая волна λ=2l/m λ=h/mv → V=hn/2ml

ДОПУСТИМЫЕ УРОВНИ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОНА ОПРЕДЕЛЯЮТСЯ ЗНАЧЕНИЕМ ЦЕЛОГО ЧИСЛА n, ПОЛУЧИВШЕГО НАЗВАНИЕ ГЛАВНОГО КВАНТОВОГО ЧИСЛА (N (n) = 1 – ∞, в пределах таблицы = 7).

Решение уравнения Шредингера для реального атома также приводит к выводу о квантованности энергетических состояний электрона в атоме. Становится ясным и вопрос о состоянии электрона при переходе из одного стационарного состояния в другое (второй постулат). При переходе из одного стационарного состояния в другое (во время перехода) длина волны будет иметь переменное значение, не отвечающее условию образования стоячей волны (неустойчивое состояние) и оно будет меняться до устойчивого состояния (стоячая волна), т.е. электрон окажется в новом состоянии.

В однородной модели атома положение электрона относительно ядра определяется одной координатой, а его состояние – значением главного квантового числа; в двухмерной – двумя – числами; в трехмерный –тремя квантовыми числами. В реальных атомах электрон обладает еще одной квантованной физической характеристикой – СПИНОМ.

Таким образом, для описания состояния электрон в реальном атоме необходимо указать значения 4-х квантовых чисел.

Энергия электрона может принимать только определенные значения – квантована. Энергия реального атома тоже.

N(n) – главное квантовое число – определяет возможные энергетические состояния электрона в атоме. Принимает зна-чения 1, 2, 3, … 7, ∞. Состояние электрона характеризующееся определенным значением N – энергетический уровень (номер периода).

N– определяет и размеры электронного облака. Большим размерам электронного облака соответствует более высокая энергия электрона в атоме и большее значение n. Электроны характеризующиеся одним и тем же значением n, образуют в

атоме электронного облака приблизительно одинаковых размеров; поэтому можно говорить о существовании ЭЛЕКТРОННЫХ СЛОЕВ ИЛИ ЭЛЕКТРОННЫХ ОБОЛОЧЕК

l – ОРБИТАЛЬНОЕ КВАНТОВОЕ ЧИСЛО (ПОБОЧНОЕ, АЗИМУТАЛЬНОЕ) ФОРМА ЭЛЕКТРОННОГО облака определяется l. l – квантовано и имеет целочисленное значение от 0 до n– 1. Физический смысл l – определяет значение орбитального момента количества движения электрона:

M=mVr      M ┴ плоскости V и r

В многоэлектронных атомах энергия электрона зависит и от l (кроме n), поэтому состояния электрона, характеризующиеся различными значениями l называются ЭНЕРГЕТИЧЕСКИ-

МИ ПОДУРОВНЯМИ

Орбитальное квантовое число l обозначается цифрами 1, 2,

3, 4, 5 (S P d f g h).

Соответственно S, P, d, f, g, h – электроны (или семейства). Электронное облако 1S –электрона обладает сферической

симметрией.

1s – электроны      2р – электроны      3d – электроны

ml – МАГНИТНОЕ КВАНТОВОЕ ЧИСЛО

Из уравнения Шредингера следует, что и ориентация электронного облака в пространстве не может быть произвольной: ml – определяется значениями +l, 0-l.

Всего 2l+1 значений магнитного квантового числа, т.е. 2l+1 возможных расположений электронного облака в пространстве.

СОСТОЯНИЕ ЭЛЕКТРОНА В АТОМЕ ХАРАКТЕРИЗУЮЩЕЕСЯ, ОПРЕДЕЛЕННЫМИ ЗНАЧЕНИЯМИ КВАНТОВЫХ ЧИСЕЛ n, l,m. т.е. определенными размерами, формой и ориентацией в пространстве Э. облака – атомная электронная орбиталь.

S – СПИНОВОЕ КВАНТОВОЕ ЧИСЛО

spin – кручение, вращение) характеризующее собственное состояние электрона. Значения +1/2, –1/2. Таким образом, зна-чения квантованы и различаются на 1. Упрощенно понимают как вращение вокруг собственной оси. Проекция собственного момента количества движения электрона на избранное направление (на ось Z) и называется СПИНОМ.

В многоэлектронных атомах на каждый электрон действует не только ядро, но и вcе остальные электроны. При этом электроны облака отдельных электронов как бы сливаются в одно общее многоэлектронное облако. Точное решение уравнения Шредингера для таких сложных систем недостижимо.

Электронная структура атомов и периодическая система.

ПРИНЦИП ПАУЛИ (ЗАПРЕТ ПАУЛИ). В атоме не может быть двух электронов, у которых все четыре квантовых числа были бы одинаковыми.

Из этого следует, что каждая атомная орбиталь, характеризующаяся определенными значениями n, l, m может быть занята не более чем двумя электронами, спины которых имеют противоположные знаки. Такие электроны – спаренные. l=0, m= 0. Следовательно на S –подуровне имеется всего 1 орбиталь (S) (квантовая ячейка).

По принципу Паули, при l=1(Р) m =+1, 0, – 1, по 2 эл. с разными спинами. Итого: 6 электронов.

l = 2

m = 5

по 2 = 10 электронов,

l = 3

m = 7

по 2 = 14 электронов,

l = 4

m = 9

по 2 = 18 электронов.

ПРАВИЛО ХУНДА.

Устойчивому состоянию атома соответствует такое распределение электронов в пределах энергетического подуровня, при котором абсолютное значение суммарного спина атома максимально.

ПЕРВОЕ ПРАВИЛО КЛЕЧКОВСКОГО.

При увеличении заряда ядра атома последовательное запол-нение электронных орбиталей происходит от орбиталей с меньшим значением суммы главного и орбитального квантовых чисел (n+l) к орбиталям с большим значением этой суммы.

ВТОРОЕ ПРАВИЛО КЛЕЧКОВСКОГО.

При одинаковых значениях n+l заполнение орбиталей происходит последовательно в направлении возрастания главного квантового числа

Правило Клечковского не для всех атомов описыва-

ет правильно электронную конфигурацию. Например 24Cr 1S22S22P63S23P64S23d4 (должно быть), 4S'3d5 (на самом деле).

Это явление называется «провал электронов» и объясняется тем, что более устойчивым атом является тогда, когда число ē на d-орбитали приближается к 5 или 10. В этом случае и происходит переход e c S – на d. –орбиталь.

Девиз: «ПЕРИОДИЧЕСКОМУ ЗАКОНУ

НЕ ГРОЗИТ РАЗРУШЕНИЕ, А ОБЕЩАЮТСЯ

ТОЛЬКО НАДСТРОЙКА И РАЗВИТИЕ». Д.И. Менделеев.

ЛЕКЦИЯ 3

ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИCTЕМА

ЭЛЕМЕНТОВ Д.И.МЕНДЕЛЕЕВА

План:

1. Открытие закона 2.  Структура таблицы

3.  Формирование закона 4.  Значение закона

I. Предпосылки открытия периодического закона. Попытки классификации химических элементов.

Периодический закон был открыт (сформулирован) в 1869 году Д.И. Менделеевым. К тому времени было уже известно более 60-ти химических элементов. По мере открытия новых элементов подтверждалась мысль о том, что многообразие окружающего мира обусловлено различными качественными и количественными сочетаниями химических элементов. Вполне закономерными были попытки исследователей выявить вза-имосвязь между химическими элементами как с качественной, так и с количественной стороны.

По мере накопления фактов об элементах возникла необходимость в их классификации. Вначале ученые пытались все химические элементы разделить на две группы – металлы и неметаллы (А.Лавуазье, Й.Я. Берцелиус). При изучении важнейших классов неорганических соединений выяснилось, что типичные металлы отличаются от типичных неметаллов не только по физическим, но и по химическим свойствам. Типичные металлы, как например кальций Ca, образуют основные оксиды, которым соответствуют основания:

2Ca + O₂ → 2CaO

металл основной оксид (кальций) (оксид кальция)

CaO + H₂O → Ca(OH)₂

основной оксид      основание

Неметаллы, например сера S, образуют кислотные оксиды, которым соответствуют кислоты:

2S + 3O₂ → 2SO₃

неметалл (сера) – кислотный оксид (оксид серы)

SO₃ + H₂O → H₂SO₄

кислотный оксид – кислота (серная)

Металлы, как правило, реагируют с кислотами, замещая в них атомы водорода H, с образованием солей. Для неметаллов реакция с кислотами нехарактерна.

Позже выяснилось, что классификация химических эле-ментов на металлы и неметаллы является неполной. Так как, существуют химические элементы, которые проявляют двойственную природу. Оксиды и гидроксиды этих элементов способны реагировать и с кислотами и со щелочами (такие оксиды

гидроксиды называются амфотерными)

1817 году немецкий химик И.В. Деберейнер на основе сходства некоторых элементов расположил их отдельными триадами (Li, Na, K и Ca, Sr, Ba). При этом он впервые обнаружил, что атомная масса среднего элемента равна среднеарифметической сумме атомных масс крайних. Эта работа была одной из первых по систематизации элементов в зависимости от атомной массы, признанной основной количественной характеристикой элемента.

Предшественники Д.И. Менделеева обнаружили группы элементов, сходных по химическим свойствам, причем разница между атомными массами родственных элементов в группе равна некоторой постоянной величине.

Однако эти авторы не пошли дальше установления частных закономерностей внутри групп. В одних случаях различные естественные группы сопоставлялись чисто эмпирически, в рамках единой таблицы, а в других делались попытки поиска конкретных закономерностей.

Работы предшественников подготовили почву для открытия Д.И. Менделеева.

II. Открытие периодического закона Д.И. Менделеевым, составление системы.

Как и предшественники, Д.И. Менделеев в качестве основной характеристики, однозначно определяющей химический элемент, выбрал атомную массу. Однако, Д.И. Менделеев искал закономерности в изменении атомных масс не только химичес-ки сходных элементов внутри одной естественной группы, но и между несходными элементами. Сопоставив крайне противоположные в химическом отношении, но близкие по величине атомной массы элементы таких групп, как щелочные металлы и галогены, и написав первые под вторыми, Д.И. Менделеев расположил под и над ними другие группы сходных элементов в порядке изменения их атомных масс. Оказалось, что элементы этих естественных групп образуют общий закономерный ряд, причем химические свойства элементов периодически повторяются. При этом обнаружилось, что распределение элементов по величине их атомной массы не только не противоречит их сходству, а наоборот, прямо на него указывает.

1 марта (18 февраля по старому стилю) 1869 года Д.И. Менделеев разослал химикам набросок периодической системы химических элементов под названием «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве». Эта дата считается датой построения периодической системы элементов.

При изучении свойств химических элементов Д.И. Менделеев уделял особое внимание характеру изменения этих свойств у элементов аналогов и сходных соединений, которые вели к количественной оценке изучаемых явлений.

К таким свойствам относились атомная масса, кристаллическая форма, плотность, атомный объем и форма соединений.

Первый вариант системы элементов позволил Д.И.Менделееву сделать основные выводы из нее:

свойства элементов, расположенных в соответствии с величиной атомной массы, изменяются периодически;

величина атомной массы определяет характер элемента;

элементы с малыми атомными массами типические, они наиболее распространены в природе, свойства их выражены резко;

можно ожидать открытия еще многих неизвестных простых тел (элементов);

можно иногда уточнять атомные массы элементов, на основе их аналогов;

по величине массы атомов могут быть найдены аналоги элементов. На основании этих выводов и сформулирован закон.

Открытие, сделанное Д.И. Менделеевым, стало лишь на-чалом разработки естественной системы химических эле-ментов. Был установлен главный принцип: физические и химические свойства простых веществ и соединений составляют периодическую функцию атомной массы всех элементов. Д.И. Менделеев так сформулировал закон:

«Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от их атомного веса».

Периодическая система является графическим (табличным) изображением периодического закона.

В 1870 году Менделеев публикует второй вариант системы элементов под названием «Естественная система элементов». По своей форме этот вариант значительно отличался от первого. Горизонтальные ряды элементов–аналогов первого варианта превратились здесь в вертикальные. Кроме того, произошло уплотнение, сдваивание родственных рядов и образовалось 8 групп элементов, чего не было в первом варианте системы. Номера групп указывали на высшую валент-ность по кислороду элементов трех рядов, которые включены в эти группы.

Шесть вертикальных столбцов первого варианта прооб-разы периодов – превратились в периоды, более близкие к современным. Теперь каждый период начинался щелочным металлом и заканчивался типичным неметаллом–галогеном. Второй вариант системы, конструктивно более современный, позволил Д.И. Менделееву предсказать существование 11-ти новых не открытых элементов. Эти элементы Менделеевым были названы «экабор», «экасилиций», «эка-алюминий» и т. д. «Эка» означает подобный, одно и то же. Таким путем Д.И. Менделеев обозначал элементы, которые по своим свойствам должны быть близки бору (B), алюминию (Al), кремнию (Si) и т.д. Уже при жизни Менделеева были открыты новые элементы, которые подтвердили истинность закона и укрепили его в науке. Это было началом триумфа периодического закона.

В 1875 году французский химик Лекок де Буабодран открыл элемент галий (Ga) – «экаалюминий», в 1879 году шведский химик Нильсон – скандий (Sc) – «экабор», в 1886 году немецкий химик Винклер – геманий(Ge) – «экасилиций».

III. Структура периодической системы. Зависимость свойств элементов от положения в системе.

Периодическому закону и периодической системе химических элементов посвящены многочисленные труды. Среди них множество исследований, посвященных вопросу о форме периодической системы элементов. В настоящее время известно несколько сотен вариантов изображения периодической систе-мы. Такое изобилие графических вариантов таблицы элементов является результатом стремления как можно полнее и точнее отразить в рамках таблицы периодическую повторяемость свойств химических элементов.

Короткая форма таблицы была разработана Д.И.Менделеевым в 1870 году и ее называют классической( первый вариант, пред-ложенный Менделеевым в 1869 году, имел длинную форму, то есть в ней периоды располагались одной строкой). Каждый из вариантов имеет свои преимущества и недостатки.

Так, существенный недостаток короткой формы – сочетание в одной группе несходных элементов. Недостатками длинной формы являются растянутость, некомпактность. В настоящее время чаще применяется короткая форма, как наиболее удобная.

В короткой форме таблицы каждый элемент, изображенный соответствующим символом, занимает определенную клетку. Когда говорят о расположении элемента в системе, прежде всего имеют в виду общую взаимосвязь между ним и окружающими его в системе элементами, а через них со всеми остальными элементами.

Каждая клетка – это занумерованное место элемента в системе, его координаты. Сами клетки получаются за счет пересечения горизонтальных и вертикальных граф или полос.

Периодическая система элементов основана на двух основных типах закономерностей:

закономерности, проявляющиеся в вертикальных рядах (группах);

закономерности, проявляющиеся в горизонтальных рядах(периодах) и связанные с последовательным увеличением порядкового номера.

Кроме того, существуют еще 2 диагональные закономерности, охватывающие как вертикальные, так и горизонтальные ряды.

Исходя из этих положений, можно увидеть, что любой элемент имеет свойства, промежуточные между свойствами двух его соседей по вертикали, горизонтали или по двум диагоналям.

Таким образом, каждый элемент сопоставим с восемью другими. Пересечение трех направлений: вертикального, горизонтального и диагонального, получило название «звездность». Этот термин введен советским академиком Ферсманом.

Горизонтальный ряд элементов, в котором имеет место законо-мерное изменение свойств элементов от типично металлических

типично неметаллическим и далее к благородным (инертным) газам, называется периодом.

Элементы в периодах, а также водородные и кислородные соединения, образованные ими имеют следующие свойства:

свойства простых веществ изменяются от металлических

неметаллическим

элементы (за исключением инертных газов) образуют водородные и кислородные соединения, физические свойства которых изменяются от твердых к газообразным.

LiH и NaH; BeH₂ и МgH₂ – твердые;

СH₄ и SiH₄; NH₃ и PH₃ – газообразные;

Li₂O и Na₂ O; BeO и MgO – твердые оксиды; CO₂; NO₂; SO₂ – газообразные оксиды;

• химические свойства водородных соединений изменяют-ся от восстановительных к окислительным; свойства оксидов и гидрооксидов изменяются от основных к кислотным через амфотерные.

Всего в таблице 7 периодов.

В 1-м периоде два элемента: Н (водород) и Не (гелий).

Во 2-м и 3-м периодах содержится по 8 элементов. Это малые периоды.

Затем следуют большие периоды: в 4-м и 5-м периодах – по 18 элементов, в 6-м – 32 элемента, а в 7-м (незавершенном) из-вестно 25 химических элементов.

малых периодах слава направо валентность в соединениях

кислородом (О2), как правило, возрастает от 1 до 8 (например, в 5-м периоде от рубидия Rb до рутения Ru). Затем происходит резкий скачок, и валентность в соединениях с кислородом уменьшается до 1 (серебро Ag), потом снова возрастает.

Таким образом, в том месте, где происходит резкий скачок в изменении валентности элементов, периоды, начиная с 4-го, разделили на два ряда – четный и нечетный.

Вертикальные графы, представляющие собой совокупность элементов, обладающих одинаковой валентностью в высших оксидах, называются группами.

Каждая группа состоит из 2–х подгрупп – главной и побочной. Следует учитывать, что в состав главных подгрупп входят элементы как малых, так и больших периодов, т. е. главные подгруппы начинаются с 1-го или со 2-го периода. В состав побочных подгрупп входят элементы только четных рядов больших периодов. Таким образом, символы элементов побочных подгрупп 1-й и 2-й группы смещены вправо, а всех остальных – влево. Для элементов, объединенных в одну и ту же группу, характерны следующие закономерности:

высшая валентность в соединениях с О2 (за некоторыми исключениями) соответствует номеру группы. Валентность элементов в соединениях с водородом (Н2) определяется разно-стью между числом 8 и номером группы;

в главной подгруппе (сверху вниз) с увеличением атомной массы усиливаются металлические свойства элементов и ослабевают неметаллические (в побочных подгруппах эта закономерность не всегда соблюдается).

Закономерности, характерные для групп и периодов, позволяют на основании положения элемента предсказать и его важнейшие свойства.

Все элементы периодической системы пронумерованы в том порядке, в каком они следуют друг за другом. Номера элементов называются порядковыми или атомными номерами.

Следует отметить, что в 6-м периоде за лантаном располагаются 14 элементов с порядковыми номерами 48–71, называемых лантаноидами («лантаноиды» – «подобные лантану», «актиноиды» – «подобные актинию»). Лантаноиды помещены отдельно внизу таблицы, а в клетке звездочкой указано на последовательность их расположения в системе: Ce – Lu (от церия до лютеция). Химические свойства лантаноидов очень сходны. Например, все они являются реакционноспособными металлами, реагируют с водой с образованием гидроксида и водорода. Из этого следует, что у лантаноидов сильно выражена горизонтальная аналогия.

В 7-м периоде 14 элементов с порядковыми номерами 90–103 составляют семейство актиноидов. Их также помещают отдельно – под лантаноидами, а в соответствующей клетке двумя звездочками указано на последовательность их расположения в системе: Th – Lr (от тория до лоуренсия).

Однако в отличие от лантаноидов, горизонтальная аналогия у актиноидов выражена слабо. Они в своих соединениях проявляют больше различных степеней окисления. Например, степень окисления актиния +3, а урана +3, +4, +5 и +6. Изучение химических свойств актиноидов крайне сложно вследствие неустойчивости их ядер.

IY. Современная формулировка периодического закона, объяснение явления периодичности с точки зрения теории строения атома.

Периодический закон Д.И. Менделеева и высказанные на его основе гипотезы явились стимулом к выяснению строения атома.

В начале ХХ века была создана теория строения атома, на основе которой периодический закон Д.И. Менделеева формулируется так:

«Свойства химических элементов и образуемых ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атомов этих элементов».

Было выяснено, что порядковый номер химического элемента совпадает с зарядом ядра его атома.

На основе знания теории строения атома сущность явления периодичности объясняется тем, что с возрастанием заряда ядра атомов элементов наблюдается периодическая повторяемость элементов с одинаковым числом валентных элементов, чем объясняется периодическая повторяемость свойств химических элементов и их соединений.

Расположение электронов объясняется теорией строения атомного ядра. В свете учения о строении атомного ядра следует объяснить положение водорода в периодической системе. Атом водорода имеет один внешний электрон, который он может отдавать атомам других элементов. Подобное свойство проявляют атомы всех элементов, начинающих период: Li, Na, K, Pb, Cs, Fr. Поэтому водород Н, проявляющий металлические свойства (отдача электронов), должен находиться в главной подгруппе 1-й группы.

С другой стороны, поскольку на первом уровне от ядра может 2 электрона, водород может принимать один электрон подобно тому, как принимает его каждый атом галогенов:

+ е = Н–

этом случае водород проявляет неметаллические свойства

должен находиться в главной подгруппе VII группы. Двойс-твенность в химическом поведении водорода дает возможность отнести его прежде всего к главной подгруппе I группы и затем к главной подгруппе VII группы (в этом случае символ элемен-та заключается в скобки). Однако часто водород ставят только в I группе, поскольку он начинает период.

Y. Значение периодического закона и периодической системы химических элементов, применение ее для выяснения физических и химических свойств элементов, получения новых элементов.

Периодический закон Д.И. Менделеева имеет исключительно большое значение. Он положил начало современной химии, сделал ее единой, целостной наукой. Элементы стали рассматриваться во взаимосвязи, в зависимости от того, какое место они занимают в периодической системе. Как указывал Н. Д. Зелинский, периодический закон явился «открытием взаимной связи всех атомов мироздания».

Химия перестала быть описательной наукой. С открытием периодического закона в ней стало возможным научное предвидение. Появилась возможность предсказывать и описывать новые элементы и их соединения.

На основе закона Д.И. Менделеева были заполнены все клетки его системы от элемента с Z=1 до Z=92, а также открыты трансурановые элементы. И сегодня этот закон служит ориентиром для открытия или искусственного создания новых химических элементов (ивзестно 116 элементов).

Периодический закон послужил основой для исправления атомных масс элементов. У 20 элементов Д.И. Менделеевым были исправлены атомные массы, после чего эти элементы заняли свои места в периодической системе.

На основе периодического закона и периодической системы быстро развивалось учение о строении атома. Оно вскрыло физический смысл периодического закона и объяснило положение элементов в периодической системе.

Учение о строении атома привело к открытию атомной энергии и использованию ее для нужд человека. Можно без преувеличения сказать, что периодический закон является первоисточником всех открытий химии и физики ХХ века. Он сыграл выдающуюся роль в развитии других, смежных с химией естественных наук.

Периодический закон и система элементов лежат в основе решения современных задач химической науки и промышленности. С учетом периодической системы элементов Д.И. Менделеева ведутся работы по получению новых полимерных и полупроводниковых материалов, жаропрочных сплавов, веществ с заданными свойствами, по использованию ядерной энергии, исследуются недра Земли и Вселенная.

Девиз: «ВЗАИМОДЕЙСТВУЮТ

АНТИПОДЫ»

ЛЕКЦИЯ 4

ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

План лекции:

Теории Косселя и Льюиса.

Метод валентных связей (ВС) и молекулярных орбиталей

(МО).

Свойства связей.

Металлическая связь.

Водородная связь.

Вопрос о химической связи является одним из фундаментальных в химии. Первая теория – Берцелиуса – электростатическая. Вещества связаны посредством притяжения разноименно заряженных частиц.

Однако, не все химические соединения можно объяснить с позиций этой теории: H₂, Cl₂ и т.д. (H⁺,H ^–). Органические соединения также не укладывались в рамки этой теории.

Теории, базирующиеся на электронном строении были предложены Косселем и Льюисом.

Положения. При формировании электронных оболочек в конце каждого периода реализуется устойчивая s2 и s2p6 кон-фигурация, поэтому атомы стремятся создать устойчивые 2-х или 8-и электронные оболочки.

ТЕОРИЯ