Учение о составе вещества

Химия и алхимия. Химия — это область естествознания и человеческой практики, связанная с химическими элементами и их комбинациями. Как наука она возникла вместе с наукой Нового времени. Однако химические знания, применяемые в различных ремеслах, возникли гораздо раньше.

Химия эволюционировала в рамках развивающихся концептуальных систем, каждая из которых включает в себя набор теорий, имеющих общие фундаментальные принципы, законы, методы и проблемы. Советский химик Владимир Иванович Кузнецов (1915—2005) выделял четыре концептуальные системы:

• • учение о составе вещества;
• • структурную химию;
• • учение о химическом процессе;
• • эволюционную химию.

При возникновении новой концептуальной системы предыдущие не отбрасываются, а продолжают свое развитие.

На всех этапах развития химии как науки она испытывает воздействие физики: сначала ньютоновской механики, затем термодинамики, атомной физики и квантовой механики.

Свою историю химия как наука ведет от алхимии, которая была неким магическим искусством, связанным с ремеслом. У нее была и некоторая теоретическая основа, позаимствованная у греков. Они считали, что все состоит из комбинации четырех элементов: земли, воздуха, воды и огня. На основе этих представлений алхимики сосредоточились на попытках получить совершенный металл (золото или серебро) из металлов несовершенных с помощью гипотетического вещества — философского камня, занимались созданием целительной панацеи — эликсира жизни, алкагеста — универсального растворителя, гомункула — искусственного человека и т. д. Но помимо тщетных попыток решения этих магических задач, алхимики сделали много полезного: получили разные вещества, создали разнообразные химические приборы, разработали операции с различными веществами.

Учение о составе вещества. Химия как наука начиналась с учения о составе вещества. Сначала следовало ответить на два основных вопроса: что такое химический элемент с точки зрения химии и как зависят свойства веществ от их химического состава? Для ответа на последний вопрос следовало знать, какие химические элементы и в каком количестве составляют изучаемое вещество. А для этого следовало знать, из каких элементарных частиц состоит вещество. Сначала таковым считались атомы, но позже было предположено, что наряду с ними следует учитывать и молекулы, которые состоят из атомов. В 1860 г. на Международном съезде химиков в г. Карлсруэ (Германия) было утверждено представление об организации веществ: атом — молекула — вещество. В рамках этой схемы химическое превращение есть формирование из атомов молекул, а далее — перестройка молекул.

Дальнейшим развитием воззрений на вещество было открытие электронов, определение их роли в создании молекул из атомов и их вклада в химические связи, а затем открытие радиоактивности и сопутствующих этому явлению превращения и делимости атомов.

Понятие о химических элементах. Вещество как совокупность атомов. Химический элемент — это объединение атомов, имеющих одинаковый ядерный заряд, соответствующий номеру элемента в таблице Менделеева. На начало 2014 г. известно 118 химических элементов. Правда, пока не все из них официально признаны.

Химические вещества могут состоять как из одного химического элемента (простое вещество), так и из разных (сложное вещество или химическое соединение).

Ряд химических элементов способны образовывать несколько простых веществ, различающихся по строению и свойствам. Такая способность химических элементов называется аллотропией, а простые вещества, образованные в результате аллотропии, называются аллотропными модификациями или формами. С учетом аллотропии химические элементы создают приблизительно 500 простых веществ.

При нормальных условиях 11 элементов существуют в виде газообразных простых веществ (Н, Не, N, О, F, Ne, Cl, Ar, Кг, Хе, Rn), два — жидкости (Вг и Hg), остальные элементы образуют твердые тела.

Химические связи и строение молекул. Наличие электронов в строении атомов позволило разобраться в роли последних в природе химических связей.

Различают четыре типа химических связей:

• • ковалентная связь, когда два атома обобществляют пару валентных электронов;
• • ионная связь, выражающаяся в кулоновском взаимодействии двух ионов с положительным и отрицательным зарядом;
• • металлическая связь, возникающая при взаимодействии ионов металла, заряженных положительно, с газом валентных электронов;
• • водородная связь — электростатическое взаимодействие между протоном одной молекулы и валентными электронами атома другой молекулы.

Химическая связь между элементарными химическими образованиями может возникнуть только тогда, когда полная энергия этого соединения меньше, чем сумма энергий от составляющих ее фрагментов. Разность между этими двумя энергиями называется энергией связи.