4.2.Структура вещества и химические системы

Характер любой системы зависит не только от состава и строения ее элементов, но и от их взаимодействия. Именно характер взаимодействия определяет специфические, целостные свойства самой системы. Поэтому при исследовании различных веществ химикам пришлось заниматься и изучением их структур.

Второй концептуальный уровень системы химических знаний связан с исследованием структуры – структурной химией. Наименьшей функцией вещества является молекула, поэтому в первую очередь химики заинтересовались структурой молекулы. Еще шведский химик Й. Берцелиус в начале XIX в. предполагал, что структура молекулы возникает благодаря взаимодействию разноименно заряженных атомов. Позже французский химик Ш. Жерар подчеркивал, что при образовании молекулы атомы не просто взаимодействуют друг с другом, но и преобразуют друг друга. В результате возникает новая система. Однако представления Берцелиуса и Жерара не содержали практических указаний по синтезу новых соединений и получению веществ с заранее заданными свойствами.

Первую попытку раскрыть структуры молекул и синтеза новых веществ предпринял немецкий химик Ф. Кекуле. Он стал связывать структуру молекул с понятием валентности элемента, которая характеризует способность атомов соединяться друг с другом в определенных соотношениях. Валентность – это способность атомов образовывать химические связи. На этой основе возникли структурные формулы, которыми пользуются в органической химии. В этих формулах элементы связывались друг с другом по их валентности. Комбинируя атомы различных химических элементов по их валентности, можно прогнозировать получение различных химических соединений. Таким путем можно было управлять процессом синтеза различных веществ с заданными свойствами, а именно это составляет важнейшую задачу химической науки. Структурные формулы более громоздки, чем буквенные, но зато дают представление не только о природе и числе атомов, но и об их расположении и связях.

Дальнейший шаг эволюции понятия химической структуры связан с теорией химического строения А. Бутлерова, который признавал, что образование новых молекул из атомов происходит за счет их химического сродства (валентности), но обращал особое внимание на энергию связи атомов в молекуле. Идеи Бутлерова нашли широкое применение в органическом синтезе, позже они получили обоснование в квантовой механике.

С открытием сложного строения атома стала ясна причина связи атомов друг с другом. Она получила название химической связи. Между атомами действуют электростатические силы, т.е. силы взаимодействия электрических зарядов, носителями которых являются электроны и ядра.

В образовании химической связи между атомами главную роль играют электроны, расположенные на внешней электронной оболочке и связанные с ядром наименее прочно, так называемые валентные электроны. Валентность можно рассматривать как способность атома отдавать или присоединять определенное число электронов. Номер группы в периодической системе элементов соответствует высшей положительной валентности элемента.

Химическая связь осуществляется путем перехода нескольких электронов одного атома к другому атому, либо обобществлением электронов группой атомов. Химическая связь обусловлена электромагнитным взаимодействием и подчиняется законам квантовой механики. В зависимости от характера распределения плотности электронов между взаимодействующими атомами различают три основных типа химический связи: ковалентную, ионную и металлическую.

Ковалентная связь осуществляется за счет образования электронных пар, в одинаковой мере принадлежащих обоим атомам. Ковалентная связь является причиной существования молекул простых газов: водорода, хлора, кислорода, азота, а также многих соединений – воды, аммиака и пр. При объединении одинаковых атомов электронное облако, осуществляющее ковалентную связь, будет симметрично распределено в пространстве. Такая ковалентная связь называется неполярной. Если же двухатомная молекула состоит из различных атомов, то общее электронное облако будет смещено в сторону одного из атомов. Эта ковалентная связь называется полярной. Способность атома оттягивать к себе общую пару электронов называется электроотрицательностью. Наибольшая электроотрицательность характерна для фтора, далее идут кислород, азот, хлор и др.

Ионная связь характерна для соединений. Молекулы которых представляют собой совокупность положительного и отрицательного ионов. Такие ионы связаны силами электростатического притяжения между ними.

Металлическая связь характерна для чистых металлов и их соединений. Она связана с наличием электронов проводимости, свободно перемещающимися по кристаллической решетке. Эти электроны электрически взаимодействуют с положительно заряженными ионами металла, обеспечивая связь между ними.

Химическая связь представляет собой такое взаимодействие, которое связывает отдельные атомы в молекулы, ионы, кристаллы, т.е. структурные уровни организации материи, которые изучает химическая наука.

Природа химической связи по современным представлениям объясняется взаимодействием электрических полей, создаваемых электронами и ядрами атомов, которые участвуют в образовании химического соединения.

Важнейшая характеристика химической связи, определяющей ее прочность, является энергия связи. Количественно она оценивается величиной энергии, затрачиваемой на ее разрыв. Устойчивость связи объясняется тем, что энергия образующейся системы (молекулы) становится меньше суммарной энергии свободных атомов. Разность этих энергий представляет собой энергию химической связи.

Таким образом, применение физических методов исследования вещества открыло физическую природу химизма, которая заключается во внутренних силах, объединяющих атомы в молекулы как единую квантово-механическую систему. Химические связи являются проявлением волновых свойств валентных электронов. Химические связи – это обменное взаимодействие электронов, обобщение валентных электронов, перекрывание электронных облаков. Классическое понятие молекулы в результате раскрытия физической сущности химической связи претерпело изменения. Молекулой по-прежнему можно назвать наименьшую частицу вещества, способную определять его свойства и существовать самостоятельно. Но теперь в число молекул вошли и такие необычные квантово-механические системы, как ионные, атомные и металлические монокристаллы и полимеры, образованные за счет водородных связей. При водородной связи атом водорода соединен ковалентной связью с другим атомом ( кислорода или азота ) так, что положительно заряженной оказывается водородная часть молекулы. Этот частично положительный край молекулы притягивается третьим отрицательно заряженным атомом. Эта связь слабее ковалентной, но широко распространена в живой материи. В результате того, что физика открыла природу химизма как обменного взаимодействия электронов, химия стала по-новому решать проблему химического соединения. Химическое соединение определяется как качественно определенное вещество, состоящее из одного или нескольких элементов, атомы которых за счет обменного взаимодействия объединены в частицы – молекулы, комплексы, монокристаллы и иные агрегаты.