В.В. Еремин, А.Я. Борщевский - Основы общей и физической химии, страница 3

Науки, изучающие природные явления, называют естественными. К ним относят, в первую очередь, физику, химию и биологию. Физика изучает наиболее общие свойства и законы движения объектов материального мира, химия — вещества, а биология — живые системы. Различие между естественными науками состоит, главным образом, в уровне (масштабе) изучаемых явлений. В окружающем нас мире довольно условно можно выделить четыре уровня организации Природы.

1. Крупномасштабная организация Вселенной — это астрономический уровень, расстояния от миллионов световых лет до миллионов километров. Взаимодействие галактик, звездных скоплений, звезд и отдельных планет вызвано, в первую очередь, гравитационным притяжением сверхмассивных тел. Внутренняя структура и свойства конкретных тел на этом уровне не играют, как правило, никакой роли— все определяется только массами и расстояниями. 2. Процессы, происходящие на отдельном небесном теле, образуют макроскопический уровень. Масштаб макроскопических явлений соизмерим с масштабом деятельности человека и составляет от сотен тысяч километров до миллиметров.

Вихри в атмосфере, волны в океане, разрушение горных пород, полет птиц— это примеры макроскопических явлений. Можно сказать, что макроскопический уровень — зто мир человека и окружающих его тел. 3, Внутренняя структура всех макроскопических тел определяется атомно-молекулярными процессами, которые составляют микроскопический уровень. Взаимодействия и превращения атомов и молекул, движения атомных ядер и электронов происходят под действием электрических сил на расстояниях от сотых долей до нескольких сотен нанометров (! нм = 10 Ям). Законы движения частиц на этом уровне определяются только электромагнитным взаимодействием.

4. Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Внутренняя структура протонов и нейтронов, их взаимодействие, а также взаимодействие других элементарных частиц определяются процессами, которые происходят на расстояниях менее 1О 1з м. Эти процессы включают электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия и образуют фундаментальный уровень организации Природы.

Фундаментальным его называют потому, что современное состояние и будущее Вселенной зависят от взаимодействий на этом уровне в первые мгновения после Большого Взрыва, в результате которого образовалась наша Вселенная. Процессы на сверхбольших и сверхмалых расстояниях изучают астрофизика и физика элементарных частиц. Макроскопическими процессами в живой природе занимается биология, в неживой — классическая физика. Явления, происходящие на микроскопическом, или атомно-молекулярном, уровне, — это предмет изучения современной химии.

Э йй Химия как наука. Место химии в системе познания лира 13 Основные физические величины, характеризующие химические объекты и возможность их превращения друг в друга, — время, расстояние (размер) н энергия. Сравним диапазоны изменения этих величин в химических и физических явлениях (табл.

!.1). Таблица 1.1. Масштабы химии н физики Физики изучают временной диапазон от начала расширения Вселенной до настоящего времени, что составляет более 50 порядков. Временные рамки химических реакций значительно уже — от 10 фс (самые быстрые элементарные реакции) до миллионов лет (реакции в горных породах), что составляет всего 27 порядков. Расстояния в физике изменяются от размеров элементарных частиц до радиуса наблюдаемой части Вселенной, т.е. в диапазоне больше 40 порядков, тогда как геометрический диапазон химии намного скромнее — от десятков пикометров (радиус самого маленького атома — атома водорода) до сотен метров (размер промышленных химических реакторов).

Наибольшая разница между химией и физикой проявляется в диапазоне энергий; в химических явлениях — это всего 4 порядка: от вращательных до электронных переходов, тогда как в наблюдаемых физических процессах энергия может доходить до 10зо эВ (космические лучи). Традиционная химия изучает явления, которые происходят на макроскопическом уровне (в лаборатории или в окружающем мире), и интерпретирует их на атомно-молекулярном уровне.

Известно, например, что сера горит на воздухе голубым пламенем, давая резкий запах. Это — макроскопическое явление, которое описывается химическим уравнением: 5+ О, = ЬОгн На атомно-молекулярном уровне горение серы описывается так: молекулы Оз взаимодействуют с молекулами серы на поверхности расплавленной серы и образуются молекулы 50ю при этом электронная плотность в молекулах перераспределяется таким образом, что разрываются связи Π— О и 5 †, и образуются новые связи 5 — О. Часть энергии химической реакции выделяется в виде электромагнитного излучения, которое придает цвет пламени.

Наконец, ощущение резкого запаха появляется за счет взаимодействия молекул ЬОа с определенными рецепторами нашего организма. Главные объекты исследования в химии — атомы, молекулы, ионы и всевозможные структуры, в которые атомы или молекулы могут соединяться, образуя связи друг с другом. Любой набор подобных объектов объединяют под общим названием «вещество».

В широком понимании вещество — это любой вид материи, обладающий собственной массой, например элементарные частицы. В химии понятие вещества более узкое: вещество — это любая совокупность атомов, молекул и ионов. Уровень современной экспериментальной техники таков, что позволяет !4 Гль 1. Основные понятая и законы химии изучать превращения отдельных молекул, поэтому можно считать, что даже одна- единственная молекула образует вещество, которое обладает химическими свойствами и способно превращаться в другие вещества. Химия — наука о веществах, их строении, свойствах и превращениях.

Превращения одних веществ в другие называют химическими реакциями. Основные понятия химии — «вещество» и «реакция». Все научные задачи, которые ставят перед собой химики, можно свести к следующим основным вопросам. !. Какие бывают вещества? Мир веществ очень богат и разнообразен — их известно более 60 млн и это количество постоянно растет. Описать вещество с точки зрения химии — это значит определить его качественный и количественный состав, изучить физические и химические свойства, охарактеризовать строение и разработать способы получения. 2.

Как устроены веи!ества? Строение вещества — предмет очень сложный и глубокий. Лаже самые простые молекулы (например, молекула воды) имеют весьма сложное строение, поскольку состоят из большого числа частиц (НзΠ— 3 ядра и !О электронов), а из физики известно, что взаимодействие всего трех частиц может привести к интересным и неожиданным эффектам. В первую очередь, для описания строения вещества необходимо охарактеризовать пространственное расположение атомных ядер — параметров кристаллической решетки для твердого вещества и равновесной ядерной конфигурации молекулы для жидких и газообразных веществ.

Ядра не фиксированы в пространстве — они совершают колебания около положения равновесия, а молекулы в газовой фазе вращаются относительно центра масс, поэтому понятие «строение» включает частоты колебаний ядер и вращения молекул. Кроме ядерного движения, есть еще электронное, так что для более полного описания строения вещества необходимо указать и параметры электронных состояний — ширины энергетических зон или энергии электронных переходов. Строение вещества определяют экспериментально, с помощью физических методов исследования — различных видов спектроскопии или рассеяния !электронов, нейтронов, рентгеновского излучения) (рис.

!.1). Косвенно о строении можно судить по свойствам вещества. Об этом — следующий вопрос. 3. Как связано строение веществ с их свойствами? Качественно на этот вопрос ответить легко. Так, вещества с ионным типом связи обычно довольно тугоплавки, многие из них хорошо растворимы в воде и являются электролитами. Напротив, вещества молекулярного строения при обычных условиях представляют собой газы, жидкости или летучие твердые вещества, многие из них имеют запах.

Если в веществе имеются водородные связи, это увеличивает температуры плавления и кипения. Так, вода НзО при обычных условиях — жидкость, а аналогичное водородное соединение серы Н»Ь вЂ” газ. Это связано с тем, что в воде есть прочные межмолекулярные связи, а в сероводороде — нет.

Одна из задач химии состоит в поиске количественных закономерностей, позволяющих по строению вещества предсказать его физические и химические свойства. Это связано с важнейшим практическим вопросом химии: 4. Как создать вещество с заданными свойствами? Этим веществом может быть катализатор, растворитель, пластмасса, проводник, фотоматериал, топливо, волокно, лекарственное средство и т.д. Химия как наука возникла, в первую оче- р1.1. Химия как наука. Место химии в системе познания мира 15 редь, из практических потребностей человечества, прикладной характер в ней час- то преобладает.

Не случайно, Нобелевский лауреат по химии Гарри Крото заявил: «Никто не сделал так много для улучшения условий жизни людей, как химики». И затем добавил: «Но их заслуги не оценены должным образом». ! Основная задача химии — создание вешеств с полезными свойствами. 5. Один из самых интересных вопросов химии — почему и как идут химические реакции? В принципе, на этот вопрос ответ получен в теоретической химии, мы кратко рассмотрим его в разделе «Химическая реакция», а подробно — во второй части книги, посвященной теоретической химии.