4. Химическая связь и химическая кинетика
Одним из центральных понятий химии служит понятие «химическая связь». Очень немногие элементы встречаются в природе в виде отдельных, свободных атомов одного сорта. Атомы большинства элементов становятся более устойчивыми при образовании химических связей с другими атомами. Соединения образуются при условии, что возникает энергетическое состояние с более низкой полной энергией; чем у непрореагировавших исходных атомов.
Химическая связь осуществляется обобществлением электронов. В зависимости от конкретного механизма этого обобществления возникает связи различных типов. Представляется целесообразным привести энергии для связей между различными элементами и для различной кратности. Это дает представление о механизмах, обеспечивающих устойчивость окружающего нас мира (см. табл. 1,2).
Таблица 1
Энергия связи для некоторых одинарных связей [кДж/моль]
| Вид связи | Значение энергии | Вид связи | Значение энергии |
| Н – Н | 436 | P – P | 217 |
| С – С | 344 | N – Cl | 200 |
| N – O | 175 | Na – Na | 75 |
| S – Cl | 277 | S – S | 266 |
| Li – Li | 111 | P – Cl | 317 |
| O – O | 143 | K – K | 55 |
| Cl – Cl | 243 | O – Cl | 210 |
Таблица 2
Энергия связи для некоторых кратных связей [кДж/моль]
| Вид связи | Значение энергии | Вид связи | Значение энергии |
| С=С | 615 | P=P | 490 |
| С=О | 725 | O=O | 402 |
| С=N | 890 | C=C | 812 |
| N=N | 418 | C=N | 615 |
| C=S | 477 | N=N | 946 |
Из этих таблиц наглядно видно, насколько энергия двойных и тройных связей больше энергии одинарных связей, и, кроме того, становится понятным, почему углерод и азот так распространены в окружающем нас мире: их двойные и тройные связи – самые прочные.
Энергия, необходимая для разрыва определенной связи, т.е. для расщепления молекулы на две части, ранее соединявшиеся этой связью, называется энергией диссоциации связи в молекуле. В двухатомных молекулах энергия связи и энергия диссоциации связи совпадают. В многоатомных молекулах они могут быть различными.
Химическая кинетика – такой же узловой раздел химии, как и химическая связь. С этим разделом взаимодействуют все направления, подходы и методы химии. Самопроизвольные химические реакции идут в сторону образования более устойчивых соединений и сопровождаются выделением энергии. Для различных типов реакций имеются формулы, описывающие протекание процесса во времени. Имеются уравнения (С. Аррениуса), выражающие зависимость скорости реакции от температуры. Для осуществления реакции каждая пара молекул должна пройти через конфигурацию (активированный комплекс), промежуточную между исходной и конечной. Катализатор уменьшает величину энергии активации и, следовательно, увеличивает скорость как прямой, так и обратной реакции.
Реакции могут быть охарактеризованы порядком реакции, формально представляющим собой показатель степени концентрации этого вещества в кинетическом уравнении. Порядок реакции зависит от ее механизма и может изменяться с изменением температуры и давления. Важнейшим состоянием исследуемых реакций является состояние динамического равновесия, при котором скорости прямой и обратной реакции уравновешиваются. Это состояние характеризуется константой равновесия, которая в свою очередь является комбинацией констант для отдельных этапов полной реакции.
Химическая эволюция вещества начинается в момент начала расширения Вселенной. Этому моменту соответствует стадия элементарных частиц, когда кинетическая энергия сталкивающихся ядер уже не способна преодолеть барьер отталкивания между ними. В результате при температуре приблизительно 10 тыс. градусов образуется многоярусная система, окруженная электронной оболочкой, и первые соединения (CO, CH, HO, SiO). Затем при температурах ниже 3 – 4 тыс. градусов начинается образование твердых тел, а при возникновении некоторых оптимальных условий, соответствующих условиям появления геосфер Земли, начинается биогенная стадия эволюции вещества.
Заключение
Природа как объект изучения естествознания сложна и многообразна в своих проявлениях: она непрерывно изменяется и находится в постоянном движении. Круг знаний о ней становится все шире, и область сопряжения его с безграничным полем незнания превращается в громадное размытое кольцо, усеянное научными идеями – зернами естествознания. Некоторые из них своими ростками пробьются в круг классических знаний и дадут жизнь новым идеям, новым естественнонаучным концепциям, другие же останутся лишь в истории развития науки. Их сменят затем более совершенные. Такова диалектика развития познания действительности.
После изучения того или иного предмета запоминается, как правило, основные идеи, при развитии которых создается наиболее полное представление о сущности предмета. Такие идеи для естествознания весьма удачно сформулировали в двадцати фразах современные американские физики Роберт Хейзен и Джеймс Трефил. Первые семь из них общие для естествознания, а остальные относятся к его отраслям. Вот эти великиенаучные истины.
· Вселенная регулярна и предсказуема.
· Все движения можно описать одним набором законов (имеются в виду три закона Ньютона).
· Энергия не исчезает.
· При всех превращениях энергия переходит из более полезных в менее полезные формы (первый и второй законы термодинамики).
· Электричество и магнетизм – две стороны одной и той же силы.
· Все состоит из атомов.
· Все – материя, энергия, квантовые характеристики частиц – выступают дискретными величинами, и нельзя измерить ни одну из них, не изменив ее.
Вся химия – в двух фразах:
· Атомы склеиваются электронным «клеем».
· Поведение вещества зависит от того, какие атомы входят в его состав и как они расположены.
Физика, включая астрофизику и космологию:
· Ядерная энергия выделяется при превращении массы в энергию.
· Атомы, из которых состоит все, сами состоят из кварков и лептонов.
· Звезды рождаются, живут и умирают, как и все остальные в мире.
· Вселенная возникла в прошлом в определенный момент и с тех пор она расширяется.
· Законы природы едины для любого наблюдается (резюме специальной и общей теории относительности).
Науки о Земле:
· Поверхность Земли постоянно изменяется, и на ее лице нет ничего вечного.
· Все процессы на земле происходят циклами.
Биология сводится к четырем фразам:
· Все живое состоит из клеток, представляющих собой заводы жизни.
· Все живое основано на генетическом коде.
· Все формы появились в результате естественного отбора.
· Все живое связано между собой (в этой фразе заключена суть всей экологии).
В основе естествознания лежит математика. Поэтому большинство математиков считают, что следовало бы добавить фразу о том, что Вселенная может быть описана математическими уравнениями.
О природе как о предмете естествознания можно говорить строгим научным языком. Про нее же можно сказать и простые слова, несущие глубокий смысл, как это сделал немецкий мыслитель и естествоиспытатель Иоганн Гете:
Природа! Окруженные и охваченные ею мы не можем ни выйти из нее, ни глубже в нее проникнуть. Напрошенная, нежданная, захватывает она нас в вихре своей пляски и несется с нами, пока, утомленные, мы не выпадем из рук ее.
Она вечно говорит с нами, но тайн своих не открывает. Мы постоянно действуем на нее, но нет у нас над ней никакой власти.
Она – единственный художник: из простейшего вещества творит она противоположнейшие произведения, без малейшего усилия, с величайшим совершенством и на все кладет какое-то нежное покрывало. Она беспрерывно думала и мыслит постоянно, но не как человек, а как природа. У нее собственный всеобъемлющий смысл, но никто его не подметит.
Нет числа ее детям. Ко всем она равно щедра, но у нее есть любимцы, которым много она расточает, много приносит в жертву. Великое она принимает под свой покров.
Жизнь – ее лучшее изобретение; смерть для нее средство для большей жизни.
Она окружает человека мраком и гонит его к свету.
Всякое ее деяние благо, ибо всякое необходимо; она медлит, чтобы к ней стремились; она спешит, чтобы ею не насытились.
У нее нет речей и языка, но она создает тысячи языков и сердец, которыми она говорит и чувствует.
Венец ее – любовь. Любовью только приближаться к ней.
Одним прикосновением уст к чаше любви искупает она целую жизнь страданий.
Она сурова и кротка, любит и ужасает, немощна и всемогуща.
Не вырвать у нее признания в любви, не выманить у нее подарка, разве добровольно она подарит.
Как она творит, так можно творить вечно.
Литература
1. Браун Т., Лемей Т.Ю. Химия – в центре наук. – Т. 1,2. – М.: Мир. 1983
2. Горелов А.А. Концепции современного естествознания. – М.: Центр, 2002.
3. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Учебник. – М.: ЮНИТИ, 1997.