KSE5 (1153101), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Вследствие этого центрыотрицательных и положительных зарядов, вообще говоря, не совпадают. В результатесоздается мгновенный дипольный момент в атоме или молекуле, который своим электрическим полем поляризует соседний атом или молекулу, а это означает появлениевторого диполя. Взаимодействие диполей приводит к сближению атомов или молекул, врезультате электронные оболочки начинают перекрываться и взаимодействовать, чтоприводит к появлению сил отталкивания, компенсирующих силы притяжения. Это создаетусловия образования кристаллов из нейтральных атомов (например, из инертных газов)или неполяриын молекул.Водородная связь.
Атом водорода имеет только один электрон, следовательно, ондолжен обладать одной связью, позволяющей ему вступать в соединение лишь с какимлибо одним атомом другого сорта. Однако при некоторых условиях атом водорода можетбыть связан значительными силами притяжения одновременно с двумя атомами, образуятем самым так называемую водородную связь между ними. Принято считать, чтоводородная связь имеет в основном ионный характер, поскольку она возникает лишьмеждунаиболее электроотрицательными атомами, в частности между атомами фтора,кислорода и азота.
В предельном случае, когда водородная связь носит чисто ионныйхарактер, атом водорода теряет свой единственный электрон и, отдавая его одному издвух атомов молекулы, превращается в протон, который и осуществляет связь междуатомами. Малые размеры протона не позволяют ему иметь ближайшими соседями болеечем два атома; атомы столь сильно сближены, что на таком малом участке не могутпоместиться более двух атомов. Таким образом, водородная связь осуществляется толькомежду двумя атомами (рис. 5.4)Рис. 5.4.
Пример водородной связи между ионами фтора в HF2-, Показан предельныйслучай, когда связь осуществляется с помощью протонаВодородная связь является важнейшей формой взаимодействия между молекулами Н20и обусловливает вместе с электростатическим иритяжением электрических дипольныхмоментов удивительные физические свойства воды и льда. Водородная связь играетважную роль в химических и биологических процессах: обеспечивает полимеризациюфтористоводородных соединений, определяет размеры и геометрическую структурубелковых молекул, обусловливает отчасти возможность спаривания двух спиралеймолекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты).Благодаря химическим и физическим открытиям в области образования химическихсвязей классическое определение молекулы претерпело изменение.
Под молекулойпонимается наименьшая частица вещества, которая в состоянии определять его свойства ив то же время существовать самостоятельно. Представления о классах молекулрасширились. В них включают ионные системы, атомные и металлическиемонокристаллы и полимеры, образуемые посредством водородных связей ипредставляющие собой макромолекулы. Макромолекулы обладают молекулярнымстроением, хотя и не имеют строго постоянного состава.С открытием природы химизма как обменного взаимодействия электронов химикисовершенно по-другому стали рассматривать химическое соединение. «Это качественноопределенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов,атомы которых за счет обменного взаимодействия (химической связи) объединены вчастицы — молекулы, комплексы, монокристаллы или иные агрегаты.
"Химическоесоединение" — понятие более широкое, чем "сложное вещество", которое должносостоять из двух и более разных химических элементов. Химическое соединение можетсостоять и из одного элемента. Это молекулы Н2, 02, графит, алмаз и другие кристаллы безпосторонних включений в их решетку в идеальном случае».Современная квантовая теория не только объясняет строение и свойства атомов,молекул и известных веществ, образованных из них, но и позволяет на основематематического моделирования предсказать строение и свойства гипотетическивозможных, но еще не существующих в природе веществ. Это дает возможностьсокращать сроки разработки новых материалов с необходимыми свойствами и экономитьсредства за счет сокращения объема дорогостоящих натурных экспериментов.5.4.
Проблема производства новых материаловПроблема производства новых материалов связана с включением в их состав новыххимических элементов. Дело в том, что 98,7% массы слоя Земли, на котором осуществляет свою производственную деятельность человек, составляют восемь химическихэлементов: 47% приходится на кислород, 27,5% — кремний, 8,8% — алюминий, 4,6% —железо, 3,6% — кальций, 2,6%— натрий, 2,5% — калий, 2,1% — на магний. Однако этихимические элементы распределены неравномерно и так же неравномерно используются.Более 95% изделий из металла в своем составе содержат железо.
Такое избирательноепотребление ведет к дефициту этого металла. Поэтому стоит задача использования вчеловеческой деятельности и других химических элементов, способных заменить железо.Таким элементом, в частности, является кремний как наиболее распространенный в природе. Силикаты — соединения кремния с кислородом и другими элементами —составляют 97% массы земной коры. Исходя из этого, вполне естественно возникаетпроблема использования силикатов в качестве основного вида сырья во всех сферахчеловеческой деятельности — от строительства до машиностроения. Металлы икерамические изделия производятся почти в одинаковом количестве, но получениеметаллов обходится значительно дороже.Современные достижения химии позволили заменить металлы керамикой не только какболее экономичным, но во многих случаях и как более совершенным по сравнению сметаллами конструкционным материалом.
Более низкая плотность керамики (40%) даетвозможность снизить массу изготовляемых из нее предметов. Включение в производствокерамики новых химических элементов (титана, бора, хрома, вольфрама и др.) позволяетпроизводить материалы с заранее заданными специальными свойствами (огнеупорность,термостойкость, высокая твердость и т.п.).
В технологии производства такой керамикииспользуется прессование порошков, что позволяет получить изделия необходимойформы и исключить их дальнейшую обработку.В 1960-е гг. в нашей стране был получен сверхтвердый материал — гексанит-Р, однаиз кристаллических разновидностей нитрида бора с температурой плавления 3200 "С итвердостью почти такой же, как у алмаза. Этот материал помимо прочего обладаетповышенной вязкостью, что не присуще керамике.
Кроме того, получена керамика,обладающая сверхпроводимостью, что открывает новые возможности в электронике.Во второй половине XX в. в синтезе элементоорганических соединений сталииспользоваться все новые и новые химические элементы от алюминия до фтора. Одначасть таких соединений служит в качестве химических реагентов для лабораторныхисследований, а другая — для синтеза новейших материалов.5.5. Уровень структурной химииСтруктурная химия — это уровень развития химичес к и х знаний, на которомдоминирует понятие «структура», т.е. структура молекулы, макромолекулы,монокристалла.
«Структура — это устойчивая упорядоченность качественно неизменнойсистемы, каковой является молекула».С возникновением структурной химии у химической науки появились неизвестныеранее возможности целенаправленного качественного влияния на преобразованиевещества. Еще в 1857 г. немецкий химик Ф. А. Кекуле (1829—1896) показал, что углеродчетырехвалентен, и это дает возможность присоединить к нему до четырех элементоводновалентного водорода. Азот может присоединить до трех одновалентных элементов,кислород — до двух. Схема Кекуле натолкнула исследователей на понимание механизмаполучения новых химических соединений.
Русский химик А. М. Бутлеров (1828—1886)заметил, что в таких соединениях большую роль играет энергия, с которой веществасвязываются между собой. В настоящее время под структурой молекулы понимается ипространственная, и энергетическая упорядоченность.В 1860—1880-е гг. появился термин «органический синтез». Из каменноугольнойсмолы и аммиака были получены новые красители — фуксин, анилиновая соль, ализарин,а позднее — взрывчатые вещества и лекарственные препараты (аспирин и др.).Структурная химия дала повод для оптимистических заявлений, что химики могут все.Однако дальнейшее развитие химической науки и основанного на ее достиженияхпроизводства показало более точно возможности и пределы структурной химии. Науровне структурной химии не представлялось возможным получение этилена, ацетилена,бензола и других непредельных углеводородов из парафиновых. Многие реакции органического синтеза на основе структурной химии давали очень низкие выходы необходимогопродукта и большие отходы в виде побочных продуктов.
Вследствие этого их нельзя былоиспользовать в промышленном масштабе.Кроме того, в производстве на основе органического синтеза использовалосьдорогостоящее сельскохозяйственное сырье — зерно, жиры, молочные продукты. А самтехнологический процесс был многоэтапным и трудноуправляемым.В последнее время ученые открыли новую группу металлоорганических соединений сдвойной структурой, получивших название «сэндвичевых соединений». Это не что иное,как молекула, представляющая собой две пластины из соединений водорода и углерода,между которыми находится атом металла или атомы двух металлов. Пока эти соединенияпрактического применения не нашли, но сам факт их существования заставил химиковпересмотреть прежние взгляды на валентность и химические связи. Их рассматривают какдоказательство наличия электронно-ядерного взаимодействия молекул.Структурная химия неорганических соединений ищет пути получения кристаллов дляпроизводства высокопрочных материалов с заданными свойствами, обладающих термостойкостью, сопротивлением агрессивной среде и другими качествами,предъявляемыми современным уровнем развития науки и техники.
Решение этихвопросов наталкивается на различные препятствия. Выращивание, например, некоторыхкристаллов требует исключения условий гравитации, поэтому такие кристаллывыращивают в космосе на орбитальных станциях.В XXI в. ученые химики получили 10 Нобелевских премий за научные открытия.Некоторые из них дали жизнь новым научным направлениям. В 2002 г. Нобелевскуюпремию поделили Джон Фенн и Койчи Танака «За разработку методов идентификации иструктурного анализа биологических макромолекул и, в частности, за разработку методовмасс-спектрометрического анализа биологических макромолекул» и Курт Вютрих «Заразработку применения ЯМР-спектроскопии для определения трехмерной структурыбиологических макромолекул в растворе».
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
