На основе современных достижений химии появились возможности замены металлов керамикой в различных областях человеческой деятельности.
7.3 Проблемы и решения на уровне структурной химии
Монопольное положение учения о влиянии только состава на свойства веществ продолжалось до 1820-30 годов. Бурное развитие органической химии и синтетических методов исследования, а также открытие стехиометрических законов и создание атомно-молекулярного учения послужило толчком развития структурных представлений - второй ступени концептуальной системы химических знаний.
Самые первые представления, которые легли в основу современной структурной химии, нашли отражение в работах Дальтона, Берцелиуса, Жерара.
Особенно сильное влияние на химиков оказали теория валентности Кекуле и его формульный схематизм. Этот ученый сформулировал основные положения теории валентности, обосновав наличие у углерода валентности равной четырем, у азота - трем, у кислорода - двум и у водорода - единице. Понятие структуры молекул, согласно Кекуле, сводился к построению наглядных формульных схем, которые могут служить конкретным указанием, как, из каких исходных реагентов следует получить целевой продукт. Однако формульный схематизм Кекуле не учитывал реакционную активность веществ.
Фундаментальная задача химии - изучение зависимости между химическим строением вещества и его свойствами была решена А.М.Бутлеровым в теории химического строения. Согласно этой теории свойства соединений определяются их количественным и качественным составом, последовательным порядком соединения между собой атомов, образующих молекулу, а также их взаимным влиянием. Гениальность Бутлерова состояла в том, что не отрицая физической структуры тел, он постоянно проводил мысль, что химическое строение - это не просто геометрическое расположение атомов в молекуле, а их химическое отношение и взаимовлияние.
Теория строения Бутлерова явилась революционным вкладом в обоснование естественнонаучных представлений о строении и свойствах материи. Она связала воедино познание свойств, состава и структуры химических тел. На ее основе в химии как центральная проблема стала выдвигаться теория химической связи.
Различают три основных типа химической связи: ковалентную, ионную и металлическую. Для описания химических свойств в молекулах в настоящее время получили применение две теории: метод валентных связен (ВС) и метод молекулярных орбиталей (МО). С позиции метода валентных связей, ковалентная связь осуществляется за счет образования электронных пар, в одинаковой мере принадлежащих обоим атомам. Она может осуществляться как между атомами одного и того же элемента, так между атомами разных элементов: H : Cl. Ковалентная связь тем прочнее, чем выше степень перекрывания электронных облаков. Степень перекрывания, в свою очередь, зависит от формы электронных облаков и способов их перекрывания.
Ионная связь образуется между атомами сильно отличающимися по электроотрицательности за счет электростатического притяжения между ионами.
Металлическая связь образуется между положительными ионами в кристаллах металлов за счет притяжения электронов, свободно перемещающихся по кристаллу.
Учение о химическом строении пронизывает не только органическую химию, но и такие современные разделы неорганической химии, как химия координационных соединений, неорганических полимеров, полупроводников и др.
Так было положено начало второму уровню развития химических знаний, который получил название “структурная химии”. На втором уровне своего развития химия превратилась из науки преимущественно аналитической в науку главным образом синтетическую.
7.4 Проблемы и решения на уровне учения о химических процессах
Изумление успехами структурной химии было недолговечным. Интенсивное развитие автомобильной промышленности, авиации, энергетики и приборостроения в первой половине XX века выдвинуло новые требования к производству материалов. Необходимо было получать высокооктановое моторное топливо, специальные синтетические каучуки, пластмассы, высокостойкие изоляторы, жаропрочные органические и неорганические полимеры, полупроводники. Для получения этих материалов способ решения основной проблемы химии, основанный на учении о составе и структурных теориях, был явно недостаточен. Он не учитывал резкие изменения свойств вещества в результате влияния температуры, давления, растворителей и многих других факторов, воздействующих на направление и скорость химических процессов.
Под влиянием новых требований производства возник поэтому следующий—третий способ решения основной проблемы химии, учитывающий всю сложность организации химических процессов в реакторах. Этот способ послужил основанием нового - третьего уровня химических знаний - учения о химических процессах. Химия становится наукой уже не только и не столько о веществах как законченных предметах, но наукой о процессах и механизмах изменения вещества. Благодаря этому она обеспечила многотоннажное производство синтетических материалов, заменяющих дерево и металл, в строительных работах, пищевое сырье в производстве олифы, лаков, моющих средств и смазочных материалов.
Как было сказано выше, важнейшими теоретическими направлениями химической науки являются: учение о строении вещества, учение о направленности химических процессов, учение о скорости и механизме химических процессов, учение о периодическом изменении свойств элементов и их соединений.
Основными энергетическими величинами, характеризующими химические процессы, являются внутренняя энергия (U), энтальпия (H), энтропия (S) и энергия Гиббса (G). Эти термодинамические функции являются функциями состояния системы, то есть их изменение не зависит от пути процесса, а определяется только начальным и конечным состоянием системы.
Внутренняя энергия (U) характеризует общий запас энергии системы кроме потенциальной и кинетической энергии всей системы в целом. Она включает все виды энергии движения и взаимодействия частиц, составляющих систему: молекул, атомов, ядер, электронов. Например, вода в колбе на столе обладает внутренней и потенциальной энергией, при падении со стола имеет еще и кинетическую энергию, но вода в колбе, стоящей на полу, характеризуется только внутренней энергией.
Если в результате протекания химической реакции некоторая система поглотила теплоту Q и совершила работу А, то изменение внутренней энергии системы определяется как:
DU = Q - A
Т.е., сообщенное системе тепло Q расходуется на приращение внутренней энергии DU и на совершение работы А против внешних сил. Это уравнение представляет собой математическое выражение первого начала термодинамики или закона сохранения энергии.
Какая часть внутренней энергии расходуется на совершение работы, а какая превратится в теплоту, зависит только от способа проведения процесса. Большинство химических реакций протекает при постоянном давлении. Для таких процессов 1-е начало термодинамики примет вид:
Qp =DH,
где Н - энтальпия. Энтальпия, как и внутренняя энергия, характеризует энергетическое состояние системы, но включает энергию, затрачиваемую на преодоление внешнего давления, т.е. работу расширения.
Т.о. тепловой эффект реакции, протекающей при постоянном давлении, определяется изменением энтальпии системы. Внутренняя энергия и энтальпия зависят от природы вещества, его структуры, агрегатного состояния, количества вещества, а также внешних условий - температуры и давления.
Реакции, протекающие с изменением энергии называются термохимическими. Процессы, протекающие с выделением теплоты, называются экзотермическими, а с поглощением теплоты - эндотермическими. В термохимических уравнениях обязательно указывается величина и знак теплового эффекта. Исторически сложились две системы знаков: термодинамическая и термохимическая. В термодинамике принято считать выделенную теплоту отрицательной, а поглощенную - положительной. В термохимии обратная система знаков.
Например, в реакции:
С тв. + О2газ. = СО2 газ. + 393,5 кДж
выделяется 393,5 кДж тепла, т.е. эта реакция экзотермическая, а изменение энтальпии этой реакции DH = -393,5 кДж/моль.
Реакция разложения метана - эндотермическая:
СН4 газ. = С тв. + 2Н2 газ. - 74,9 кДж
а изменение энтальпии DH = +74,9 кДж/моль.
Для расчетов тепловых эффектов химических реакций широко применяется основной закон термохимии, сформулированный в 1836 году Г.И.Гессом: тепловой эффект химического процесса зависит только от начального и конечного состояния системы и не зависит от пути протекания реакций, то есть от промежуточных стадий.
Например, для получения жидкой воды из газообразных водорода и кислорода существуют два пути:
1 путь - непосредственное образование воды из газообразных водорода и кислорода;
2 путь - проведение процесса в две стадии: получение газообразной воды, а затем ее конденсация (рис.14).
Для этих процессов DH р-ции = -285,8 кДж/моль, DH1 = -241,8 кДж/моль, а теплота конденсации воды DH2 = -44,0 кДж/моль. Из закона Гесса следует, что DH р-ции = DH1 + DH2.
Практическое значение закона Гесса состоит в том, что с его помощью можно вычислить тепловые эффекты тех реакций, для которых непосредственное определение DH связано с большими экспериментальными трудностями.
Если термодинамика позволяет определить направление протекания химических процессов, то химическая кинетика - это учение о скорости и механизме химических реакций.
К важнейшим факторам, влияющим на скорость химической реакции, относятся природа реагирующих веществ, их концентрация, температура, присутствие в системе катализаторов.