после открытия гелия (сначала на Солнце) появилась новая группа элементов в периодической системе – под названием, инертные газы (гелий, аргон, криптон, неон, ксенон).

Впериодической системе Д.И. Менделеева насчитывалось 62 элемента, в 1930-е гг. она заканчивалась ураном (Z = 92). В 1999 г. было сообщено об открытии 114-го элемента.

После опытов Резерфорда стала известна сложная структура атома: массивное

положительно заряженное ядро, окруженное отрицательно заряженными электронами, значительно боле легкими, чем ядро. Размер ядра – 10 –15м. В периодической таблице атому соответствует химический элемент с определенным атомным номером от 1 до 92. Существуют также и трансурановые элементы с номерами больше 92. Они имеют малые времени жизни и в природе при естественных условиях не встречаются.

Сведение качественных различий между атомами к количественным, позволило понять структуру периодического закона Менделеева и принципы систематизации атомов.

Применение в современной химической науке физических методов исследования вещества позволило выявить физическую природу химизма, т.е. внутренние силы, которые объединяют атомы в молекулы, представляющие собой прочную квантовомеханическую целостность. Такими силами оказались химические связи, проявляющие свойства валентных электронов. Электрон в таких случаях выглядит как электронное облако, располагающее в поле действия атомного ядра.

Соткрытием физиками природы химизма как обменного взаимодействия электронов химики совершенно по-другому стали рассматривать химическое соединение – оно стало более широким понятием. Это вещество, атомы которого за счет обменного взаимодействия (химической связи) объединены в частицы-молекулы, комплексы, монокристаллы или иные агрегаты. Химическое соединение может состоять

ииз одного элемента, например, Н2, О2, С (графит, алмаз). Понятие «молекула» было введено французским химиком П. Гассенди (1592-1655) именно как «соединение атомов».

На основе современных достижений химии появилась возможность замены металлов керамикой. В настоящее время в мире более 95% изделий из металла в своей основе содержит железо, такое его потребление ведет к дефициту (в земной коре доля железа составляет всего 4,6% , а кислорода и кремния - 47% и 27,5%. Поэтому стоит задача заменить железо наиболее распространенным кремнием.

Впоследние годы ученые открыли новую группу металлоорганических соединений

свойной структурой, из-за чего они получили название «сэндвичевых соединений». Молекулы такого соединения представляет собой две пластины из соединений водорода

иуглерода, между которыми находится атом металла или атомы двух металлов. Пока они практического применения не нашли, но рассматриваются как доказательство наличия электронно-ядерного взаимодействия у молекул.

Методы и концепции химии

Химические знания до определенного момента накапливались эмпирически. Но когда их стало много, назрела необходимость в классификации и систематизации.

76

Основоположником системного подхода в химии стал Д.И. Менделеев. Системный подход позволил ему в 1869 г. открыть периодический закон и разработать Периодическую систему химических элементов.

Его периодический закон сформулирован в следующем виде: свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов (в современной трактовке - от величины заряда ядра атома (порядкового номера).

Всю картину современной химии в состоянии объяснить четыре концептуальные системы химических знаний. Их можно показать следующим образом:

1.1660-е гг. Учение о составе.

2.1800-е гг. Структурная химия.

3.1950-е гг. Учение о химических процессах.

4.1970-е гг. Эволюционная химия.

Окачественном росте знаний в химии при переходе от одной концептуальной системы к другой можно судить на примере изготовления синтетического каучука. Сам факт его получения в промышленном масштабе был грандиозным успехом. Но такой каучук оказался очень дорогим. Еще в 1909 – 1913 гг. русский ученый С.В. Лебедев установил, что каучук может быть получен на основе бутадиена (дивинила), который в природе не существует. Но его получали из этилового спирта с 28% выходом. Спирт же получали из зерна, свеклы и картофеля. Таким образом, на уровне структурной химии было организовано производство синтетического каучука.

Сразработкой учения о химических процессах синтез каучука стали производить из дивинила, получаемого пиролизом нефти. Такое производство каучука функционирует и сегодня.

Но в настоящее время появилась возможность получать дивинил на четвертой – эволюционном уровне развития химии. В этом случае реакцию пиролиза нефтяного сырья осуществляют в условиях плазмы при температуре 4-5 тыс. град. Один небольшой реактор – плазмотрон диаметром 20 см и длиной 60 см, обслуживаемый одним человеком, способен заменить пиролизный завод.

Характеристика четырех концептуальных систем химии

1. Учение о составе решает три главные проблемы: проблему химического элемента, проблему химического соединения, проблему вовлечения все большего числа элементов в производство новых материалов. Первая проблема была решена Д.И. Менделеевым созданием Периодической системы элементов. Первым же кто дал представление о химическом элементе как «простом теле» или как о пределе химического разложения вещества Р. Бойль. А.Л. Лавуазье с открытием кислорода отвергает теорию флогистона («огненная материя»). Открытие физической природы химизма позволило рассмотреть химические связи – как обменное взаимодействие электронов, как «перекрывание электронных облаков». В результате этого химия стала по-новому решать и проблему химического соединения.

К особым видам химических соединений относятся макромолекулы. Они обычно состоят из большого числа атомов, до нескольких тысяч, и обладают качественно новыми свойствами, как это философски имеет место в соотношении целого и его частей. Органическими молекулами являются те, которые содержат углерод, образованные из него вещества также относят к органическим (1700 тысяч).

77

Начиная с середины 20-го в. новые химические элементы стали использоваться в синтезе элементоорганических соединений от алюминия до фтора.

2.С возникновением структурной химии появляется инструмент качественного преобразования веществ. В свое время на химиков оказала влияние теория валентности Ф.А. Кекуле и присущие его формулам схематизм. Теория химического строения А.М. Бутлерова способствовала активным действиям химиков. В 1860 – 1880 гг. синтезируют анилиновые красители - фуксин, анилиновую соль, ализарин; получают взрывчатые вещества – тринитротолуол, тринитрофенол; лекарственные вещества – аспирин и др. Но структурная химия не могла указать пути производства этилена, бензола и др. диеновых углеводородов. Как позже оказалось, все эти процессы легко осуществляются посредством химической кинетики и термодинамики.

Производство, основанное на основе органического синтеза, использовало дорогостоящее сырье сельскохозяйственного производства – зерно, жиры, молочные продукты.

Благодаря достижениям структурной химии был открыт новый класс металлоорганических соединений «сэндвичевые соединения». Их рассматривают как наглядную демонстрацию наличия у молекул единой системы электронно-ядерного взаимодействия.

Структурная неорганическая химия – это, по существу, химия твердого тела и физика твердого тела – занимается решением проблем получения сверхпрочных, сверхчистых, термостойких, с запрограммированными дефектами кристаллической решетки материалов. Решение одной из главных проблем нашли с переводом выращивания кристаллов в условиях невесомости на орбитальных станциях.

3.Учение о химических процессах – это область науки, в которой существует наиболее глубокое взаимопроникновение физики, химии и биологии. Методы управления химическими процессами (реакциями) подразделяются на термодинамические и кинетические, при которых ведущую роль играют те или иные катализаторы.

К примеру, реакция синтеза аммиака очень проста с точки зрения состава и структуры исходных элементов:

N2 + 3H2 = NH3.

Но эта реакция идет со смещением равновесия «влево», и для нее требуется особое термодинамическое управление. На протяжении столетия, с 1813 по 1913 гг., она не могла быть осуществлена, так как химия не знала способов управления такой реакцией. Открытие Я.Х. Вант-Гоффа и А.Л. Шателье позволило установить, что синтез аммиака происходит на поверхности твердого катализатора при сдвиге равновесия «вправо» за счет применения высоких давлений.

Одним из химических процессов органической химии является полимеризация – синтез макромолекул полимеров. Полимеры не имеют кристаллической структуры и состоят из большого числа повторяющихся звеньев – органических макромолекул. Термин «полимер» введен в 1833 г. шведским химиком Й.Я. Берцелиусом (1779-1848).

Термодинамические методы позволяют управлять химическими процессами только при их направленности в прямую или обратную сторону. Термодинамика не оперирует понятием времени. Функции управления скоростью химических процессов выполняет химическая кинетика. Она устанавливает зависимость химических процессов от

78