Становление и эволюция химии

     Теоретическую основу неорганической химии составляет учение о Периодическом законе, созданное  русским ученым - энциклопедистом  Дмитрием Ивановичем Менделеевым (1834-1907). Несмотря на то, что этому закону уже более 100 лет, он по-прежнему является важнейшим инструментом для объяснения свойств и реакций химических элементов и их соединений. Периодическая система химических элементов, получившая в бытовой речи название - таблица Менделеева, - изображена во всех учебниках химии и знакома практически каждому. Предпринималось много попыток создать новую, более совершенную форму таблицы. В научной литературе описано около 700 ее вариантов. Были найдены круговые, треугольные и спиральные варианты, а также трехмерные модификации в виде этажерки, цилиндра, платформы с двумя башнями, объемной спирали, взаимопересекающихся плоскостей и т. д. Но самый распространенный на сегодня вариант близок к тому, который в свое время предложил Д. И. Менделеев.

     С точки зрения теории строения атома, элементы в периодической системе расположены в последовательности увеличения зарядов их ядер, Внутри каждого периода по мере возрастания зарядов ядер элементов последовательно изменяется структура внешних электронных уровней. С этим связан переход элементов от металлов к неметаллам. В периодах слева направо, с увеличением зарядов ядер элементов, усиливается притяжение электронов к ядру и происходит сжатие атома, т. е. уменьшение атомного радиуса элементов. Поэтому в начале каждого периода располагаются элементы, имеющие больший атомный радиус и меньшее число электронов на внешнем электронном слое. Чем больше атомный радиус, тем слабее притяжение электронов внешнего слоя и тем легче элементу отдавать электроны. Такая структура характерна для элементов - металлов, которые сравнительно легко отдают валентные электроны, но не могут принимать их дополнительно для достройки электронных оболочек внешнего уровня.

     С увеличением атомного номера элементов  увеличивается заряд ядра и число  электронов во внешнем слое и уменьшается легкость отдачи электронов с этого слоя. Таким образом, внутри каждого периода с увеличением атомных номеров элементов наблюдается уменьшение металлических свойств элементов и возрастание неметаллических свойств (способность притягивать к себе электроны). Каждый период заканчивается инертным элементом, имеющим завершенную структуру внешнего электронного слоя (полный октет).

     Устойчивость  такого октета объясняет пассивность  инертных элементов, что не позволяет  причислить их к металлам или неметаллам. В группах расположены элементы, имеющие одинаковое строение внешнего электронного слоя, т. е. электронные аналоги. Номер группы указывает число электронов на внешней электронной оболочке атомов элементов данной группы. Элементы, находящиеся в одной группе проявляют близкие химические свойства. Однако и внутри группы свойства элементов изменяются. Это связано с тем, что внутри каждой группы сверху вниз у элементов увеличивается число электронных слоев, т. е. атомный радиус. Чем больше атомный радиус, тем дальше от ядра электроны внешнего слоя и тем слабее они удерживаются ядром.

     Таким образом, в группах сверху вниз усиливаются  металлические и уменьшаются  неметаллические свойства. В периодической  таблице группы делятся на два  типа: 8 групп IA- VIIIA и 8 групп IB- VIIIB. Группа VIIIB состоит из триад. В группах IА и IIA находятся s-элементы, у них последним заполняется электронами s-подуровень внешнего уровня. Далее, согласно правилам Клечковского, для элементов с главным квантовым числом n= 2 и n= 3 (второй и третий период) происходит заполнение р- подуровня. Это р- элементы, они располагаются в группах IIIA- VIIIA. Для элементов IV и V периода после заполнения электронами s- подуровня энергетически более выгодно заполнение соответственно 3d- и 4d- поуровней, что и происходит у элементов групп IB- VIIIB.

     Группы  типа В расположены в порядке, указывающем число валентных  электронов атомов элементов, так как  у d- элементов валентными являются электроны не только внешнего уровня, но и заполняемого второго снаружи уровня. После полного заполнения d- электронами второго снаружи уровня, происходит заполнение р- подуровня последнего электронного уровня (группы IIIA- VIIIA).

     У актиноидов и лантаноидов происходит заполнение электронами f- подуровня  третьего снаружи энергетического уровня, что и обуславливает схожесть их химических свойств.

     Как видно, с учетом заполнения электронами  энергетических уровней, в периодической  таблице с увеличением атомных  номеров элементов наблюдается  периодическое повторение строения внешних электронных слоев, что и обусловливает периодичность свойств химических элементов.

     С электронной конфигурацией атома  связаны такие его свойства, как  энергия ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность, степень окисления.

     Энергия ионизации - это энергия, необходимая для отрыва наиболее слабосвязанного электрона от атома. Она выражается в электронвольтах. При отрыве электрона от атома образуется заряженная частица- ион. В данном случае ион будет иметь положительный заряд. Такие ионы называются катионами. Для элементов одного периода энергия ионизации возрастает слева направо с увеличением неметаллических свойств у элементов. В группах энергия ионизации уменьшается сверху вниз с увеличением металлических свойств.

     Сродство  к электрону - это энергия, которая выделяется при присоединении к атому одного электрона Она также выражается в электронвольтах. При присоединении электрона к атому образуется отрицательно заряженный ион - анион. В периодах слева направо сродство к электрону увеличивается. Наибольшим сродством к электрону обладают галогены.

     Электроотрицательность - это способность атома притягивать  к себе электроны в соединении. Притягиваемые электроны являются валентными, т. е. это электроны, которые  участвуют в химической связи. Инертные (благородные) элементы не обладают электроотрицательностью. Наиболее электроотрицательным из элементов является фтор.

     Степень окисления - это формальный заряд  атома в соединении, который возник бы, если бы все атомы в этом соединении были бы в виде ионов, а электроны смещены к наиболее электроотрицательному элементу. Номер группы в периодической системе численно равен положительной высшей степени окисления любого элемента данной группы в соединениях с кислородом.

     Предмет изучения органической химии некогда ограничивался соединениями углерода, имеющими растительное и животное происхождение. В наше время органическая химия - это наука, изучающая природные и синтетические соединения углерода с другими элементами.

     Ежегодно  число синтезированных органических соединений возрастает на 250-300 тысяч. Оно превышает число известных неорганических соединений в десятки раз. Многообразие органических соединений определяется уникальной способностью атомов углерода соединяться друг с другом простыми и кратными связями, образовывать соединения с практически неограниченным числом атомов, связанных в цепи, циклы, каркасы, образовывать прочные связи почти со всеми химическими элементами.

     Основным  методом органической химии является синтез. Теория химического строения органических веществ базируется на положениях, впервые сформулированных русским химиком Александром Михайловичем Бутлеровым (1828-1886). В органической химии можно выделить области исследований соединений, относящихся к различным классам и имеющих различное происхождение: химия ароматических соединений, химия природных соединений, нефтехимия.

     До  сих пор ведутся споры, можно  считать самостоятельным разделом химии аналитическую химию. Вряд ли они состоятельны. Анализ - важнейший  метод химии. До первой половины XIX века именно аналитическая химия была основным разделом химии. Аналитическая химия - это наука об определении химического состава веществ и, в некоторой степени, химического строения соединений.

     Родоначальником научной аналитической химии  считают английского физика и химика Роберта Бойля (1627-1691), который первым ввел понятие «химический анализ». Без тщательного, точного анализа развитие химии невозможно. Любой синтез обязательно сопровождается анализом. Для современных технологий необходимы особо чистые вещества, а содержание ничтожных долей примесей в них можно определить лишь аналитическими методами.

     Основная  цель аналитической химии - обеспечить точность, высокую чувствительность, быстроту, избирательность анализа. Развитие аналитической химии привело к возникновению химической диагностики, позволяющей непрерывно определять различные характеристики протекающих процессов и образующихся веществ.

     В аналитической химии широко стали  использоваться физико-химические и  физические методы. Физические методы изучения веществ и воздействия на них получили применение и в других областях химии. Это привело к формированию новых важных направлений химии, например, радиационной химии, плазмохимии. Химия экстремальных воздействий играет большую роль в получении новых материалов, например для электроники, или давно известных ценных материалов, например алмазов, сравнительно дешевым синтетическим путем.

     На  грани исследований физических и  химических явлений возникла физическая химия. Изучение тепловых эффектов химических реакций породило термохимию. Химические процессы, протекающие под действием электрического тока, стали основой электрохимии. В основу современной физической химии легли также учения о растворах, о скоростях и механизмах химических реакций, о строении молекул и многие другие. Физическая химия - это наука об общих законах, определяющих строение и химические превращения веществ в различных условиях. Термин «физическая химия» принадлежит М. В. Ломоносову (1711-1765), который в 1752 году впервые прочитал студентам Петербургского университета курс этой науки.

     Она исследует химические явления с  помощью теоретических и экспериментальных  методов физики. Физическая химия  является основным теоретическим фундаментом  современной химии. В последние  годы все большее внимание уделяется углубленному анализу общих закономерностей химических превращений на молекулярном уровне; широкому использованию математического моделирования; изучению воздействия на химические процессы сверхвысоких и сверхнизких температур и давлений, радиации и магнитного поля.

     Все больше стираются границы и между  химией и другими естественными  науками. Биохимия - биологическая химия - изучает химический состав и структуру  веществ, содержащихся в живых организмах; пути и способы регуляции их превращений; энергетическое обеспечение процессов, происходящих в клетке и в организме.

     Становление биохимии как науки произошло  на рубеже XIX и XX веков, хотя истоки биохимических  знаний обнаружены еще в трудах ученых античного периода, а первые сведения о составе растительных и животных тканей начали появляться в средние века. В наши дни из биохимии уже выделились биоорганическая и бионеорганическая химия.

     В начале XX века химик, минералог и  кристаллограф Владимир Иванович Вернадский (1863-1945) разработал основы геохимии - науки о распространенности и миграции химических элементов на Земле. С одной стороны, геохимия широко использует достижения физики и химии, новейшие методы анализа и представления о строении вещества, с другой - огромный материал, накопленный геологическими науками, в частности, минералогией.

     Наряду  с физической химией возникла химическая физика, изучающая физические законы, которые управляют строением  и превращениями химических веществ.

     Особенности развития химии в ХХ веке во многом обусловлены достижениями физики в конце XIX века. Открытие рентгеновских лучей, радиоактивности, электрона и развитие квантовой теории привели к открытию радиоактивных элементов, новым представлениям о строении атома и природе химической связи. В ХХ веке было синтезировано 23 новых химических элемента, не найденных в природе, в том числе находящихся в Периодической системе после урана.

     Дальнейшее  развитие получил органический синтез. Во второй половине ХХ века искусственным  путем были получены такие сложные  природные вещества как хлорофилл и инсулин. Современная химия стала величайшей «производительной силой». Это выражается не только в многотоннажном производстве разнообразных химических продуктов. Стремительно растет число новых химических соединений, главным образом, органических.

     Еженедельно в мире синтезируется не менее 10 тысяч новых веществ. Естественно, лишь немногие из них вызывают интерес  и находят практическое применение, но ведь никто не знает, какое именно вещество понадобится завтра. Так что классическое определение химии может быть расширено: химики не только изучают вещества и их превращения, но и постоянное получают новые, ранее неизвестные. Постоянно разрабатываются новые химические материалы, необходимые для современной промышленности, техники, медицины и других сфер человеческой деятельности.