Основные концепции химии

Тема 6. Основные концепции химии

Химия - наука о составе, внутреннем строении и превращении вещества, а также о механизмах этих превращений.

Основными задачами химии являются:

а) получение веществ с заданными свойствами;

б) выявление способов управления свойствами вещества.

В химии исторически сложились четыре уровня изучения вещества.

Появление первого концептуального уровня - учения о составе - относят ко второй половине XVII в.

Второй концептуальный уровень  - зарождение  структурной химии (XIX в.).

Третий уровень в развитии химии связан с возникновением и становлением учения о химическом процессе - об условиях протекания химических реакций (температура, давление, скорость протекания реакций) (конец XIX в.).

Четвертый концептуальный уровень – эволюционная химия - изучение вещества с позиции самоорганизации (ХХ век).

6.1. Учение о составе.

Научная химия ведет свое начало с XVII в., когда Р.Бойль и его единомышленники дали первое научное определение понятия «химический элемент». Он рассматривал химические элементы не как отвлеченные понятия, а как реально существующие вещества. Бойль считал, что химических элементов может быть много, тем самым нацеливая на их поиски в природе.

Разработка химических воззрений в ХIX веке началась с создания Дж.Дальтоном основ химической атомистики. Дальтон ввел фундаментально важное понятие - «атомный вес», первый количественный параметр, характеризующий атом.

В 1869-1871 годах Д.И.Менделеев расположил 62 известных к тому времени элемента в виде периодической таблицы, т.е. основоположником системного подхода в химии является Д.И.Менделеев.

Периодический закон Д.И.Менделеева был сформулирован в следующем виде:

«Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов».

Важной вехой в развитии периодического закона является создание в 1911 г. Э.Резерфордом атомной модели. Было получено физическое обоснование периодического закона: периодичность свойств химических элементов стала рассматриваться в зависимости от заряда ядра. В 1918-1921 гг. в работах Нильса Бора развиты представления о строении электронных оболочек в атомах. Кроме того в ХХ веке выяснилось, что при одинаковом ядерном заряде у атомов одного и того же элемента могут быть разные массы. Такие элементы стали называть изотопами. Термин «изотоп» в 1910 г. ввел английский радиохимик Фредерик Содди. Различают стабильные (устойчивые) и нестабильные (радиоактивные) изотопы.

В 30-е гг. XX в. таблице Менделеева имелось 88 элементов, а всего в ней было 92 клетки (элемент под номером 92 - уран). Получение трансурановых элементов с атомными номерами до 100-го стало возможным путем бомбардировки ядер изотопа урана-238 нейтронами в ядерном реакторе. С 1971 г., с появлением ускорителей, способных разогнать тяжелые ионы до высоких энергий, осуществляется синтез более тяжелых элементов.

В 2011 году в состав таблицы Менделеева внесены два элемента с 114-м и 116-м атомными номерами, названными флеровием и ливерморием. Сейчас науке известно 118 химических элементов: 113-й элемент таблицы Менделеева синтезирован учеными из института RIKEN. Право назвать элементы с атомными номерами 115, 117 и 118 закреплено за Российско-американской группой ученых из Объединенного института ядерных исследований в Дубне и Ливерморской национальной лаборатории в Калифорнии и Национальной лаборатории Ок-Ридж в Теннесси. Новые элементы пока имеют "временные" названия.

Распространенность химических элементов различна, и распределены они крайне неравномерно. Установлено, что в доступных геосферах 98,6% от общей массы приходится на долю всего восьми химических элементов: кислород - 49,5%, кремний -25,3%, алюминий - 7,5%, железо - 5,1%, кальций - 3,4%, натрий - 2,6%, калий - 2,4%, магний - 1,9%. Остальных элементов около 2%. Как видно, распространенность на Земле основы жизни - углерода- крайне низка, всего доля процента

Предполагается, что в будущем основными материалами, активно используемым человеком, станут элементоорганические соединения, в состав которых будут входить редко распространенные элементы, как цирконий, титан, германий, молибден и ряд редкоземельных элементов.