Концепции современного естествознания 4 (стр. 2 из 4)

Молекула – наименьшая структурная единица химического соединения, обладающая его главными химическими свойствами. Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, сложных – из разных атомов. Инертные газы (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон) находятся в одноатомном состоянии. Существует большое количество соединений, молекулы которых состоят из многих тысяч атомов (искусственные полимеры, белки, целлюлоза). Такие молекулы называются макромолекулами.

Как известно, химия изучает процессы превращения молекул при взаимодействиях и при воздействии на них внешних факторов (теплоты, света, электрического тока, магнитного поля), во время которых образуются новые химические связи. Под химической связью понимается результат взаимодействия между атомами, выражающийся в создании определенной конфигурации атомов, отличающих один тип молекулы от другого.

Рис. 1а «Ионная вязь» Рис. 1б «Ковалентная связь»

В молекуле выделяют два основных типа связей: ионную и ковалентную, а также водородную.

При ионной связи один атом отдает другому один или несколько электронов, и так каждый атом становится обладателем стабильного числа электронов. Например, у атома хлора для стабильности недостает одного электрона, а у атома натрия во внешней оболочке - только один электрон. Его принимает атом хлора, и тогда у натрия протонов становится больше, чем электронов. Атомы натрия и хлора, превратившись в положительно и отрицательно заряженные ионы, притягиваются друг к другу и образуют поваренную соль.

При ковалентной связи двух атомов возникает обобществленная пара электронов, по одному от каждого атома (пример – молекула водорода). Оба атома притягивают эту пару электронов с одинаковой силой, и электроны (или электронное облако) находятся большее время между ними. Если ковалентная связь образуется между атомами разных элементов, то электронное облако оказывается смещенным, т.е. большее время находится ближе к более притягивающему атому. Такую связь называют полярной, или электрически несимметричной (в последнем случае одна приближается к ионной).

Водородная связь названа так из-за атома водорода, который соединен ковалентной связью с другим атомом (например, кислорода или азота) так, что положительной оказывается водородная часть молекулы. Этот частично положительный водородный «край» притягивается третьим, отрицательно заряженным атомом (опять же кислорода или азота). Эта связь слабее, чем две предыдущие, но широко распространена в живой материи. Практически, можно сказать, что на ней держится мир живого.

Силы взаимодействия между атомами являются короткодействующими (радиус действия r ~10-9 м, размер атома ~ 10-10м). Причем одновременно действуют как силы притяжения, так и силы отталкивания, но они по-разному зависят от расстояния. При r = r0 – состояние устойчивого равновесия, на этом расстоянии и находятся атомы, образующие молекулу. Если увеличить r - увеличиваются силы притяжения и возвращают систему в исходное состояние. При r < r0 силы отталкивания также возвращают систему в состояние устойчивого равновесия.

Химические связи можно рассматривать с точки зрения превращения энергии: если при создании молекулы ее энергия меньше, чем сумма энергий составляющих ее атомов, то она может существовать, т.е. ее связь устойчива. Устойчивым считается состояние, в котором потенциальная энергия минимальна, поэтому при образовании молекулы атомы находятся в потенциальной яме, совершая небольшие тепловые колебания около положения равновесия (см. рис.2). Расстояние от вертикальной оси до дна ямы соответствует равновесию – на этом расстоянии находились бы молекулы, если бы прекратилось тепловое движение. Точки левее дна соответствуют отталкиванию, правые – притяжению. Крутизна кривой выражает силу взаимодействия между атомами: чем круче кривая, тем больше сила взаимодействия.

Для разных пар атомов различны не только расстояния от вертикальной оси до дна ямы, но и глубина ям. Действительно, для того, чтобы выбраться из ямы, нужна энергия, соответствующая глубине ямы. Поэтому глубину ямы можно назвать энергией связи частиц, или энергией ассоциации. Энергия, необходимая для разложения молекулы на атомы, называется энергией диссоциации. Она равна энергии ассоциации.

Насыщаемость молекул, т.е. способность присоединять атомы, определяет их постоянный состав для данного вещества и связана с валентностью – свойством атомов (или группы атомов) соединяться с некоторым числом других атомов. Величина валентности определяется числом атомов водорода (или другого одновалентного элемента), с которыми соединяется атом данного элемента.

Химические реакции – это основа химии. Одни реакции идут в обе стороны (тогда и стрелки в уравнении реакции рисуют в обе стороны), т.е. являются обратимыми, другие только в одну, третьи – вообще не идут. Здесь важно представлять, от чего зависит возможность осуществления реакции, т.е. перестройки химических связей. Ответ на этот вопрос дает термодинамика. Рассмотрим условия самопроизвольного развития химической реакции и условия ее возникновения. Допустим, вы прижгли ранку перекисью водорода (неустойчивое соединение), но обратной реакции не будет. Термодинамика объясняет это так: реакция пойдет только при уменьшении энергии веществ и увеличении энтропии¹. В самом деле, энтропия растет, так как в малой молекуле воды (она меньше, чем молекула перекиси водорода) расположение атомов менее упорядочено, чем в большой. Реакция возможна, если она сопровождается уменьшением величины свободной энергии

F = E – TS. (Пример с камнем: когда он падает в поле сил тяготения, его потенциальная энергия уменьшается – обратно он самопроизвольно не поднимется). В химических реакциях обязателен и учет изменения энтропии, так как возможность реакции еще не означает, что она самопроизвольно пойдет.

Развитие квантовой химии позволило рассмотреть на микро уровне протекание реакций, отдельные молекулы и их электронные структуры. Использование термодинамического подхода, описывающего не отдельные объекты, а систему в целом, позволяет глубже понять тенденции протекания реакций.

Свободные радикалы. В прошлом столетии только два типа частиц считали участвующими в химических реакциях: атомы и молекулы. В 1900 г. Мозес Гомберг

(Украина) обнаружил третью – свободный радикал. Он выделил некоторое соединение, способное вступать в реакции, и доказал, что оно представляет из себя половину молекулы (обозначается точкой над символом, например).

Подводя некоторый итог, можно сказать, что при химических превращениях на первый план выступают реакционная способность, энергетические и энтропийные возможности, каталитические и кинетические закономерности.

¹Понятие энтропии первоначально возникло в термодинамике. Это слово ввел еще в 19-м веке Клаузис для определения термодинамических циклов. В 1945 году Клод Шеннон ввел энтропию в теорию информации, ставшую основой кибернетики. Энтропия у него означала меру информации. Статистическая физика рассматривала энтропию как меру вероятности пребывания системы в данном состоянии

В общем случае, в химической системе имеют место как прямые, так и обратные реакции, причем большинство химических реакций не идут до конца. Здесь становится важным понятие равновесия между прямой и обратной реакциями. В какой-то момент их скорости сравняются, и в данной системе при данных условиях установится динамическое равновесие. Вывести систему из равновесия можно, только изменив условия согласно принципу, предложенному в 1884 г. Анри Луи Ле Шателье (1850-1936): «если в системе, находящейся в равновесии, изменить один из факторов равновесия. Например, увеличить давление, то произойдет реакция, сопровождающаяся уменьшением объема, и наоборот. Если же такие реакции происходят без изменения объема, то изменение давления не будет влиять на равновесие». Другая, современная формулировка этого принципа следующая:

Внешнее воздействие, которое выводит систему из термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, направленные на ослабление результатов такого воздействия.

Ле Шателье применял этот закон в промышленных условиях для оптимизации синтеза аммиака, производства стекла и цемента, выплавки металлов, получения взрывчатых веществ. Как оказалось, катализаторы не влияют на положение равновесия: они одинаково влияют на прямую и обратную реакции, ускоряют достижение равновесия, но не сдвигают его.

В настоящее время принцип Ле Шателье рассматривается как общий принцип стабильности, согласующий взаимосвязи между элементами Вселенной (Универсума), в своей расширенной трактовке он может быть распространен на живые системы, на социальные системы. Так, с появлением жизни возникает принцип отбора, основанный на стремлении живого сохранить свой гомеостаз, т.е. целостность и равновесие, как самого организма, так и популяции. Принцип Ле Шателье, таким образом, связан с глубокими основами мироздания.

Эволюционная химия вошла в науку и практику сравнительно недавно - в 50-60-х годах. Если биологи к тому времени широко использовали эволюционную теорию Дарвина, то химики не проявляли активного интереса к происхождению видов, составляющему сущность эволюционной теории. Не без оснований считалось, что получение любого нового химического вещества всегда было делом рук и достоянием разума человека: молекулы нового химического соединения конструировались по законам структурной химии из атомов и атомных групп, как здание строится из кирпичей или блоков. Живые же организмы подобным образом собрать нельзя. Но, несмотря на это, назревали эволюционные проблемы и для химических объектов, связанные с самопроизвольным (без участия человека) синтезом новых химических соединений - более сложных и высокоорганизованных продуктов по сравнению с исходными веществами. В этой связи эволюционную химию считают предтечей биологии - наукой о самоорганизации и саморазвитии химических систем.