Существуют самые разнообразные характеристики веществ: агрегатное состояние, цвет, запах, плотность, способность плавиться, температура плавления, способность разлагаться при нагревании, температура разложения, гигроскопичность (способность поглощать влагу), вязкость, способность взаимодействовать с другими веществами и многие другие. Важнейшие из этих характеристик – состав и строение. Именно от состава и строения вещества зависят все его остальные характеристики, в том числе и свойства.
Различают качественный состав и количественный состав вещества.
Чтобы описать качественный состав вещества, перечисляют, атомы каких элементов входят в состав этого вещества.
При описании количественного состава молекулярного вещества указывают атомы каких элементов и в каком количестве образуют молекулу данного вещества.
При описании количественного состава немолекулярного вещества указывают отношение числа атомов каждого из элементов, входящих в состав этого вещества.
Под строением вещества понимают а) последовательность соединения между собой атомов, образующих данное вещество; б) характер связей между ними и в) взаимное расположение атомов в пространстве.
Вещество остается самим собой, то есть химически неизменным, до тех пор, пока сохраняются неизменными состав и строение его молекул (для немолекулярных веществ – пока сохраняется его состав и характер связей между атомами).
Как и для других систем, среди характеристик веществ в особую группу выделяются свойства веществ, то есть их способность изменяться в результате взаимодействия с другими телами или веществами, а также в результате взаимодействия составных частей данного вещества.
Второй случай довольно редкий, поэтому свойства вещества можно определить как способность этого вещества определенным образом изменяться при каком-либо внешнем воздействии. А так как внешние воздействия могут быть самыми разнообразными (нагревание, сжатие, погружение в воду, смешивание с другим веществом и тому подобное) то и изменения они могут вызвать тоже различные. При нагревании твердое вещество может расплавиться, а может и разложиться без плавления, превратившись в другие вещества. Если вещество при нагревании плавится, то мы говорим, что оно обладает способностью плавиться. Это свойство данного вещества (оно проявляется, например, у серебра и отсутствует у целлюлозы). Также и жидкость при нагревании может закипеть, а может и не закипеть, а тоже разложиться. Это – способность кипеть (она проявляется, например, у воды и отсутствует у расплавленного полиэтилена). Погруженное в воду вещество может раствориться в ней, а может и не раствориться, это свойство – способность растворяться в воде. Бумага, поднесенная к огню, на воздухе загорается, а золотая проволока – нет, то есть бумага (вернее, целлюлоза) проявляет способность гореть на воздухе, а золотая проволока не обладает этим свойством. Различных свойств у веществ очень много.
Способность плавиться, способность кипеть, способность деформироваться и тому подобные свойства относятся к физическим свойствам вещества.
Физические свойства вещества – свойства, проявляемые веществом в процессах, при которых вещество остается химически неизменным.
Химические свойства вещества – свойства, проявляемые веществом в процессах, при которых оно превращается в другое или другие вещества.
Катализаторы и биокатализаторы
Катализа́тор — вещество, ускоряющее реакцию, но не входящее в состав продуктов реакции (Химическая энциклопедия). Количество катализатора, в отличие от других реагентов, после реакции не изменяется. Обеспечивая более быстрый путь для реакции, катализатор реагирует с исходным веществом, получившееся промежуточное соединение подвергается превращениям и в конце расщепляется на продукт и катализатор. Затем катализатор снова реагирует с исходным веществом, и этот каталитический цикл многократно (до миллиона раз) повторяется.
Многие реакции протекают очень медленно, если просто смешать реагирующие вещества, но их можно значительно ускорить путем введения некоторых других веществ называемых катализаторами. При реакции они не расходуются. При этом большее число молекул может преодолеть более низкий энергетический барьер, что приводит к увеличению скорости реакции. Он только ускоряет реакцию, которая может происходить и без него, но значительно медленнее.
Очень большое число катализаторов, называемых ферментами, содержится в живых тканях. Наиболее известные ферменты пищеварительной системы — птиалин, содержащийся в слюне, и пепсин, вырабатываемый поджелудочной железой. Оба эти фермента способствуют разрушению больших молекул, например, крахмала и белка, на более простые молекулы, которые могут непосредственно усваиваться клетками организма. Помимо сравнительно небольшого числа ферментов пищеварительной системы, существует большое количество других ферментов, принимающих участие в биохимических реакциях. Специфическое действие катализатора во многих случаях еще не выяснено. Поиск подходящего катализатора для каждой реакции обычно требует большой экспериментальной работы.
Биокатализаторы, то же, что ферменты,
Ферме́нты или энзи́мы (от лат. fermentum, греч. ζύμη, ἔνζυμον — дрожжи, закваска) — обычно белковые молекулы или молекулы РНК (рибозимы) или их комплексы, ускоряющие (катализирующие) химические реакции в живых системах. Реагенты в реакции, катализируемой ферментами, называются субстратами, а получающиеся вещества — продуктами. Ферменты специфичны к субстратам (АТФаза катализирует расщепление только АТФ, а киназа фосфорилазы фосфорилирует только фосфорилазу). Ферментативная активность может регулироваться активаторами и ингибиторами (активаторы — повышают, ингибиторы — понижают). Белковые ферменты синтезируются на рибосомах, а РНК — в ядре.
Термины «фермент» и «энзим» давно используют как синонимы (первый в основном в русской и немецкой научной литературе, второй — в англо- и франкоязычной).
Наука о ферментах называется энзимологией, а не ферментологией (чтобы не смешивать корни слов латинского и греческого языков).
Невозможность классического описания поведения электронов в атоме
Известно, что серьезная проблема в классической физике возникла при попытках описания атомных спектров излучения и поглощения. Эта задача привела к возникновению описания атома, основанного на постулатах квантовой механики. Вначале квантовая механика основывалась на постулатах Бора, а затем в качестве основного постулата было взято волновое уравнение Шредингера.
Из представленного здесь рассмотрения поведения электронов следует, что из-за переворота спина электрона возникают очень большие кратковременные силы, действующие на электрон. При перевороте спина электрон переходит на другую орбиту, излучая или поглощая при этом квант электромагнитного излучения на частоте ω=ε/ћ, где ε - энергия перехода. Однако конкретно орбиты электронов в атомах до сих пор не описаны. Имеются только некоторые идеи как их получить.
Организация электронных состояний атома в электронных оболочках
Электронная оболочка атома — область пространства вероятного местонахождения электронов, характеризующихся одинаковым значением главного квантового числа n и, как следствие, располагающихся на близких энергетических уровнях. Каждая электронная оболочка может иметь определенное максимальное число электронов.
Порядок заполнения электроннных оболочек (орбиталей с одинаковым значением главного квантового числа n) определяется правилом Клечковского, порядок заполнения электронами орбиталей в пределах одного подуровня (орбиталей с одинаковыми значениями главного квантового числа n и орбитального квантового числа l) определяется Правилом Хунда.
Электронные оболочки обозначаются буквами K, L, M, N, O, P, Q или цифрами от 1 до 7. Подуровни оболочек обозначаются буквами s, p, d, f, g, h, i или цифрами от 0 до 6. Электроны внешних оболочек обладают большей энергией, и, по сравнению с электронами внутренних оболочек, находятся дальше от ядра, что делает их более важными в анализе поведения атома в химических реакциях и в роли проводника, так как их связь с ядром слабее и легче разрывается.
Каждая оболочка состоит из одного или нескольких подуровней, каждый из которых состоит из атомных орбиталей. К примеру, первая оболочка (K) состоит из одного подуровня "1s". Вторая оболочка (L) состоит из двух подуровней, 2s и 2p. Третья оболочка - из "3s", "3p" и "3d". Возможные варианты подуровней оболочек приведены в следующей таблице:
Валентная оболочка - самая внешняя оболочка атома. Электроны этой оболочки зачастую неверно называют валентными электронами, т.е. электронами, определяющими поведение атома в химических реакциях. С точки зрения химической активности, наименее активными считаются атомы, в которых валентная оболочка окончательно заполнена (инертные газы). Наибольшей химической активностью обладают атомы, в которых валентная оболочка состоит всего из одного электрона (щелочные металлы), и атомы, в которых одного электрона не хватает для окончательного заполнения оболочки (галогены).
На самом деле всё немного иначе. Поведение атома в химических реакциях определяют электроны, обладающие большей энергией, т.е. те электроны, которые расположены дальше от ядра. Электроны внутренних подуровней оболочек имеют меньшую энергию, чем электроны внешних подуровней. Несмотря на то, что электроны подуровня оболочки 3d могут не принадлежать к т.н. валентной оболочке, они могут иметь энергию большую, чем электроны подуровня оболочки 4s, что делает их валентными электронами.