С увеличением концентрации реагирующих веществ и температуры скорость реакции увеличивается.
Сильное влияние на скорость реакции оказывают катализаторы. Катализаторы - вещества ускоряющие реакцию, вступающие в промежуточные реакции с исходными реагентами, но восстанавливающие свой состав в результате процесса. В общем случае любую каталитическую реакцию можно представить проходящей через промежуточный комплекс, в котором происходит перераспределение ослабленных химических связей.
кат.
А С А - - - С А — С
½ + ½ ® ¦ ¦ ®
В D B - - - D B — D
Принципиально необходимо, чтобы соединения реагентов с катализатором были непрочными и разрушались, высвобождая катализатор для новых контактов с реагентами. Применение катализаторов послужило основанием коренной ломки всей промышленности. Почти весь неорганический синтез ( производство кислот, оснований, солей) и большинство процессов органического синтеза базируется на катализе. 60-80 % всей химии основаны на каталитических процессах.
Знакомство с основными методами исследования—структурным, термодинамическим, кинетическим, позволяет более детально рассмотреть основные виды химических процессов.
Вещества, взаимодействую друг с другом, подвергаются различным изменениям и превращениям. Явления, при которых одни вещества превращаются в другие, отличающиеся от исходных составом и свойствами, и при этом не происходит изменения состава ядер атомов, называются химическими процессами (реакциями). Например, окисление природного топлива, восстановление металлов из руд, получение серной кислоты и др. При физических процессах изменяется форма или физическое состояние веществ или образуются новые вещества за счет изменения состава ядер атомов. Физические явления как и химические реакции, широко распространены: протекание электрического тока, распространение световых волн, ядерные превращения и т.д. Физические и химические процессы тесно связаны, так например, в гальваническом элементе в результате химической реакции возникает электрический ток, или при сгорании металлического магния выделяются теплота и свет.
Лауреат Нобелевской премии Н.Н.Семенов говорил, что химический процесс становится первой ступенью при восхождении от таких относительно простых физических объектов, как электроны, протоны, атомы, молекулы, к живой системе, потому что любая клетка живого организма по существу представляет собой своеобразный сложный реактор. Это - мост то объектов физики к объектам биологии.
7.5 Эволюционная химия как высший уровень развития
химических знаний
В 1960—1970-х годах появился следующий - четвертый и последний способ решения основной проблемы химии, который назван эволюционной химией. Под эволюционными проблемами в химии понимают процессы самопроизвольного (без участия человека) синтеза новых химических соединений, являющихся более сложными и высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами. В сущности речь идет об использовании химического опыта живой природы. Химический реактор на уровне эволюционной химии предстает как некое подобие живой системы, для которой характерны саморазвитие и определенные черты поведения.
Сегодня химики пришли к выводу, что, используя те же принципы, на которых построена химия организмов, в будущем (не повторяя в точности природу) можно будет построить принципиально новую химию, новое управление химическими процессами, где начнут применять принципы синтеза себе подобных молекул.
Итак, последовательное появление четырех способов решения основной проблемы химии приводит к последовательному появлению и сосуществованию четырех уровней развития химических знаний, или, как теперь их принято называть, четырех концептуальных систем.
Как видно, в развитии химии происходит не смена, а строю закономерное, последовательное появление концептуальных систем. При этом каждая вновь появляющаяся система не отрицает предыдущую, а наоборот опирается на нее и включает ее в себя в преобразованном виде. Так, например, учение о химических процессах предполагает наличие знаний о составе исходного сырья, о строении молекул исходных реагентов и об их реакционной способности, потому что эти знания позволяют химику подобрать исходное сырье для получения целевою продукта.
Развитие химических знаний уже на сегодняшний день позволяет надеяться на разрешение многих проблем, стоящих перед человечеством. Это прежде всего возможность значительного ускорения химических превращений в "мягких" условиях. Химия имеет реальные предпосылки для моделирования и интенсификации фотосинтеза: фотолиз воды с получением водорода как самого высокоэффективного и экологически чистого топлива; промышленный синтез на основе углекислого газа широкого спектра органических продуктов. Сегодня созрели условия для создания малоотходных, безотходных и энергосберегающих промышленных производств, рачительного использования каждого килограмма сырья и киловатта энергии для получения необходимых материалов.
7.6 Учение о периодическом изменении свойств элементов
Учение о периодичности относится к числу наиболее крупных естественнонаучных обобщений, притом чрезвычайно многоплановых. Выделяют три уровня развития учения о периодичности. Первый - химический - соответствует установлению зависимости периодического изменения свойств химических элементов от их атомной массы. Введение понятия об электронной периодичности подняли учение о периодическом изменении свойств на качественно новый второй уровень - электронный. Наконец, разработка ядерных моделей и попытки построения систематик изотопов привели к необходимости обсуждения проблемы периодичности на третьем - ядерном уровне.
Первоначально периодический закон имел следующую формулировку:
Свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных масс элементов.
Открытие электронной структуры атомов расширило и углубило содержание периодического закона и объяснило причину периодической изменяемости самых различных свойств элементов. Были выявлены ранее неизвестные новые свойства элементов, такие как ионизационный потенциал, сродство к электрону, электроотрицательность и другие. Было установлено, что от характера электронного строения и числа электронов в атомах зависит природа химической связи молекул, их форма и полярность.
С развитием квантовой химии периодический закон получил современную формулировку:
Свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины зарядов ядер их атомов.
Периодическая система состоит из семи периодов. Период - это последовательный рад элементов, в атомах которых происходит заполнение одинакового числа квантовых уровней. При этом число электронов совпадает со значением главного квантового числа внешнего уровня. Различие в последовательности заполнения квантовых слоев объясняет различие в длине периодов, которые соответственно содержат 2, 8, 8, 18, 18, 32 элемента. Элементы данного периода объединены в семейства: s-, p-, d-, f-. Периоды начинаются щелочными металлами, у которых на внешнем уровне содержится один электрон, и заканчиваются инертными газами, у которых устойчивая оболочка из 8 электронов.
Сочетание орбитального, магнитного и спинового квантовых чисел определяет положение элемента в определенной группе. В соответствие с максимальным количеством валентных электронов все элементы периодической системы подразделяются на 8 групп. Элементы, входящие в одну группу можно назвать электронными аналогами (строение их электронных оболочек аналогично), они обладают близкими физико-химическими свойствами. Группа - это вертикальный ряд элементов, объединенных по валентности. Группы подразделяются на подгруппы. Главные подгруппы включают s- и p-элементы, а побочные - d- и f-элементы. Поскольку элементы сходны по свойствам, но не тождественны, то при переходе от одного элемента к другому наблюдается не простое повторение, а закономерное изменение свойств.
Анализ электронной структуры атомов приводит к следующим выводам.
Электронная структура атома определяется зарядом ядра атома. По мере роста заряда ядра происходит периодическая повторяемость сходных электронных структур. Число электронных слоев в атоме элемента совпадает с номером периода, в котором располагается элемент.
Структурой электронных оболочек атомов объясняется периодичность свойств элементов. Физический смысл периодического закона состоит в следующем: Периодическое изменение свойств элементов по мере увеличения заряда ядра атомов обусловлено периодическим повторением аналогичных структур внешних электронных слоев.
Рассмотрим зависимость некоторых свойств атомов от строения их электронных оболочек. Остановимся, прежде всего, на закономерностях изменения атомных и ионных радиусов. Электронные облака не имеют резко очерченных границ. Поэтому понятие о размере атома не является строгим. Но если представить себе атомы в кристаллах простого вещества в виде соприкасающихся друг с другом шаров, то расстояние между центрами соседних шаров (т. е. между ядрами соседних атомов) можно принять равным удвоенному радиусу атома. Зависимость атомных радиусов от заряда ядра атома Z имеет периодический характер. В пределах одного периода с увеличением Z проявляется тенденция к уменьшению размеров атома, что особенно четко наблюдается в коротких периодах.
Это объясняется увеличивающимся притяжением электронов внешнего слоя к ядру по мере возрастания его заряда. С началом застройки нового электронного слоя, более удаленного от ядра, т. е. при переходе к следующему периоду, атомные радиусы возрастают. В результате в пределах подгруппы с возрастанием заряда ядра размеры атомов увеличиваются.