Химические процессы
Возникновение структурной химии означало, что появилась возможность для целенаправленного качественного преобразования веществ, создания схемы синтеза любых химических соединений, в том числе и ранее неизвестных.
Характер любого химического соединения зависит не только от качественного и количественного состава, но и от взаимного влияния атомов и строения молекулы.
Структура вещества и его свойства
Вещества, имеющие одинаковый состав, но разное строение, называют изомерами,а само явление — изомерией.Например, формулу С4Н8O имеет 21 вещество.
Для описания свойств веществ нужно знать не только состав, но и структуру соединения. Особую важность это имеет для органической химии. Электроны одного химического элемента, взаимодействуя с ядром и электронами другого химического элемента, оказываются строго локализованными (размещенными) в пространстве. Так как электрон – это электромагнитная волна с определенной областью распространения, то эта область имеет направление. То есть химическая связь образуется в определенном направлении в пространстве и задает пространственную ориентацию атомов.
Структура молекулы – пространственная и энергетическая упорядоченность системы, состоящей из атомных ядер и электронов.
С пространственной структурой молекулы связано важное явление в органической химии, называемое изомерией.
Изомеры – вещества, имеющие одинаковый состав, но разную структуру молекулы.
Структурная химия стала более высоким уровнем по отношению к учению о составе вещества. При этом химия из науки преимущественно аналитической превратилась в науку синтетическую. Главным достижением этого этапа развития химии стало установление связи между структурой молекул и реакционной способностью веществ.
Четыре основные состояния вещества - плазменное, газообразное, жидкое и твердое (перечисленные в порядке существования при понижении температуры), известны давно, однако на сегодня ученые выделяют еще два состояния – низкотемпературные конденсаты. Конденсат - новое состояние вещества при сверхнизких температурах - меньше 0.00000001 К (!!!), т.е. при температурах ниже температуры космического вакуума (в космосе температура около 3 К).
Покажем на конкретном примере твердого тела влияние атомной структуры на свойства материала. Для этого выберем простой одноатомный материал - углерод.
В твердом состоянии углерод может быть кристаллическим и аморфным и каждое его состояние имеет свое название.
1. Сажа - аморфный углерод в виде порошка тонкого помола (к настоящему времени установлено, что по своей структуре в саже, коксе, стеклообразном углероде и им подобных материалах углерод в разной степени приближается к графиту. Говоря о свойствах сажи, можно отметить, что электропроводность сажи равна нулю, т.е. сажа - электрический изолятор.
2. До начала 60-х годов считалось, что в природе существуют только две кристаллические формы чистого углерода, а именно трех- и двумерные полимеры, т.е. алмаз и графит. Структура графита характеризуется слоями; атомы в слоях сильно связаны друг с другом, в то время как межслоевые взаимодействия незначительны. Поэтому графит легко расщепляется по слоям, он - мягкий кристаллический материал. В отличие от сажи, графит - очень хороший проводник электричества.
3. Алмаз обладает кубической кристаллической структурой, построенной все из тех же самых атомов углерода. В отличие от графита, алмаз - твердый кристаллический материал (возможно, самый твердый). Такие свойства связаны с его структурой, поскольку все атомы равноудалены друг от друга и крепко “связаны” друг с другом/
4. В 1985 г. было открыто большое семейство сферообразных углеродных молекул – фуллеренов. Фуллерены - новый вид углерода. Это замкнутые молекулы типа С60, С70, С74..., в которых все атомы углерода находятся на “сферической” поверхности. В структуре фуллерена С60 (диаметр молекулы составляет около 1 нм) атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников или пятиугольников (в конденсированном (кристаллическом) состоянии фуллерены называются фуллеритами). Фулллерены были найдены в некоторых природных минералах, например, в карельском шунгите. На основе фуллерена были синтезированы новые классы веществ: например, при взаимодействии с металлами получены фуллериды.
Интересные свойства этих материалов связаны с “захватом внутрь” шара различных атомов - Na, K. Полученные фуллериды обладают сверхпроводимостью (при температурах 19-55 K), а при использовании металлов платиновой группы дополнительно проявляются ферромагнитные свойства. Интересным свойством фуллеренов при низких температурах и давлении является способность поглощать водород. В связи с этим возможно использовать фуллерены в качестве основы для производства аккумуляторных батарей. В капсуле фуллерена могут помещаться лекарственные препараты, которые будут избирательно доставляться к поврежденному органу или ткани/
5. Графитовые нанотрубки - новый вид углерода, получены в 1991 г. Углеродная нанотрубка может быть представлена как свернутая в виде цилиндра графитовая плоскость. Трубки могут быть одностенными и многостенными, если получены из нескольких графитовых слоев. Диаметр трубки колеблется от одного до нескольких десятков нанометров, а длина может доходить до нескольких сантиметров; обычно трубки заканчиваются полусферической головкой. Углеродные нанотрубки обладают уникальными механическими (очень прочные), электрическими и термическими свойствами (электропроводность и теплопроводность приближались или превышали показатели металлов).
6. Нобелевская премия в области физики 2010 года присуждена выходцам из России, работающим в Великобритании, Андре Гейму и Константину Новосёлову "за новаторские эксперименты по исследованию двумерного материала графена". В 2004 году они экспериментально доказали возможность получения особой формы углерода, представляющей собой лист толщиной в один атом, соединенных в двумерную кристаллическую решетку из правильных шестиугольников. Иными словами, графен - это один отдельный слой хорошо известного графита. Графен самый тонкий и самый прочный из известных материалов, с другой стороны он очень гибок, способен проявлять свойств как проводника (вспомним графит), так и полупроводника.
Современная структурная химия достигла больших результатов. Синтез новых органических веществ позволяет получить полезные и ценные материалы, отсутствующие в природе. Так, ежегодно в мире синтезируют тысячи килограммов аскорбиновой кислоты (витамина С), множество новых лекарств, среди которых — безвредные антибиотики, лекарства против гипертонии, язвенной болезни и др.
Самым последним достижением структурной химии является открытие совершенно нового класса металлорганических соединений, которые за свою двухслойную структуру получили название «сэндвичевых» соединений. Молекула этого вещества представляет собой две пластины из соединений водорода и углерода, между которыми находится атом какого-либо металла.
Исследования в области современной структурной химии идут по двум перспективным направлениям:
1) синтез кристаллов с максимальным приближением к идеальной решетке для получения материалов с высокими техническими показателями: максимальной прочностью, термической стойкостью, долговечностью в эксплуатации и др.;
2) создание кристаллов с заранее запрограммированными дефектами кристаллической решетки для производства материалов с заданными электрическими, магнитными и другими свойствами.
3. Общая характеристика растворов
Физические свойства воды совершенно аномальны. Самое удивительное из них — это способность ее при нормальных условиях быть жидкостью. Молекулы похожих на нее химических соединений (H2S или H2Se) намного тяжелее воды, но при этих условиях газообразны.
Тройная точка воды, т.е. равновесие воды, льда и пара, наблюдается при температуре 0,01 °С и давлении 611 Па (рис. 8.1). Переохлажденная вода, т. е. остающаяся в жидком состоянии ниже 0°С, ведет себя странно: с одной стороны, плотность ее уменьшается при понижении температуры, с другой — приближается к плотности льда
Необычайно велики пределы допустимых значений переохлаждения и перегрева воды: можно продержать ее в жидком состоянии при температуре от -40 до +200 °С.
В отличие от большинства других жидкостей при повышении температуры ее удельный объем уменьшается, а плотность увеличивается, достигая минимума (соответственно максимума) при 4 °С. В обычных жидкостях плотность всегда уменьшается с уменьшением температуры.
При замерзании объем воды увеличивается до 10 %. Плотность воды больше плотности льда. При плавлении кристаллов, когда регулярность упаковки ионов нарушается, плотность уменьшается на 2—4 %. Это свойство воды предохраняет водоемы от сплошного промерзания, спасая в них жизнь. Лед — плохой проводник теплоты.
Очень высока теплоемкость воды — при плавлении льда она увеличивается более чем вдвое. Поэтому моря и океаны являются гигантскими термостатами, сглаживая все колебания температуры воздуха. Кстати, эти же функции может выполнять и водяной пар в атмосфере. Отсутствие водяного пара в пустынях приводит к резким колебаниям ночной и дневной температур.
Вода – универсальный растворитель. Правило растворения – подобное растворяется в подобном.
Главное отличие воды — в водородных связях (рис. 8.2),
Молекула воды представляет собой маленький диполь, содержащий положительный и отрицательный заряды на полюсах. Если соединить прямыми линиями эпицентры положительных и отрицательных зарядов получится объемная геометрическая фигура - правильный тетраэдр
Комплекс молекул водысуществует в газообразном состоянии, в жидкой воде и во льду. Но, как установил Л. Полинг, лед не является кристаллом с полной упорядоченностью даже при О К. Структура льда достаточно рыхлая: каждая полость окружена шестью молекулами Н20, а каждая молекула — шестью полостями. Размер этих полостей таков, что в них может разместиться одна молекула, не нарушая каркаса водородных связей.
Вещество является кислотой, если оно диссоциирует в воде с образованием ионов водорода, и основанием, если способно в растворе присоединять ионы водорода или образовывать гидроксид ионы ОН. Кислотность или щелочность раствора характеризуется показателем рН, шкала которого охватывает значения от 0 до 14. Эта шкала логарифмическая, т.е. на ней отложены логарифмы концентрации водородных ионов. Кислотность раствора с рН 5 в 10 раз больше, чем с рН 6, и в 100 раз больше, чем с рН 7. Раствор с рН 6 содержит одну миллионную моля ионов водорода на 1 л, нейтральной среде соответствует рН 7, ниже идут более кислые среды, а выше — щелочные.
Химический процесс (от лат. processus— продвижение) представляет собой последовательную смену состояний вещества, представляющий собой непрерывное, единое движение. Процесс превращения одних веществ в другие вещества называется химической реакцией. Вант-Гофф, используя термодинамический подход, классифицировал химические реакции, а также сформулировал основные положения химической кинетики.
В каждой клетке идёт около 10 000 химических реакций.
Химические процессы подразделяются на:
гомо-и гетерогенные(в зависимости от агрегатного состояния реагирующих систем),
экзо-и эндотермические(в зависимости от количества выделяющейся и поглощаемой теплоты),
окислительно-восстановительные(в зависимости от изменения степени окисления вещества, связанной с переходом электронов от одних атомов (восстановитель) к другим атомам (окислитель).
Изучением скорости и особенностей протекания химических реакций занимается химическая кинетика.
На скорость химической реакции также влияют следующие условия и параметры:
1) природареагирующих веществ (например, щелочные металлы растворяются в воде с образованием щелочей и выделением водорода и реакция протекает при обычных условиях моментально, а цинк, железо и другие реагируют медленно и с образованием оксидов, а благородные металлы не реагируют вообще);
2) температура. При повышении температуры на каждые 10 °С скорость реакции увеличивается в 2-4 раза (правило Вант-Гоффа). Со многими веществами кислород начинает реагировать с заметной скоростью уже при обыкновенной температуре (медленное окисление). При повышении температуры начинается бурная реакция (горение);
3) концентрация.Для веществ в растворенном состоянии и газов скорость химических реакций зависит от концентрации реагирующих веществ. Горение веществ в чистом кислороде происходит интенсивнее, чем в воздухе, где концентрация кислорода почти в 5 раз меньше. Здесь справедлив закон действующих масс: при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ;
4)площадь поверхности реагирования.Для веществ в твердом состоянии скорость прямо пропорциональна поверхности реагирующих веществ. Железо и сера в твердом состоянии реагируют достаточно быстро лишь при предварительном измельчении и перемешивании: горение хвороста и полена;
5)катализатор.Скорость реакции зависит от катализаторов, веществ которые ускоряют химические реакции, но сами при этом не расходуются. В.Оствальд, исследуя условия химического равновесия, пришел к открытию явления катализа. Разложение бертолетовой соли и пероксида водорода ускоряется в присутствии оксида марганца (IV) и др.
Катализаторы бывают положительными, ускоряющими реакцию, и отрицательными (ингибиторы) — замедляющими ее. Каталитическое селективное ускорение химической реакции называется катализом и является приемом современной химической технологии (производство полимерных материалов, синтетического топлива и др.). Считается, что удельный вес каталитических процессов в химической промышленности достигает 80%.