Другий рівень хімічного знання. Структурна хімія

План лекції:

1. Предмет хімії.

2. Основні поняття та закони класичної хімії.

3. Систематизація хімічних елементів. Періодичний закон Д.І.Менделєєва

4. Особливості розвитку хімії межі ХIХ-ХХ ст.

5. Розвиток хімічного атомізму першій половині XX в. Квантовий рівень хімії

6. Концепція хімічної еволюції

Предмет хімії

Хімія - наука, що вивчає перетворення речовин, що супроводжуються змінами їх складу та будови.

Процес перетворення речовини у традиційної хімії лише на рівні атомів і молекул, а новітньої квантової хімії – лише на рівні валентних електронів взаємодіючих частинок. Тому хімія тісно пов'язана зі сферою фізичного знання, особливо термодинамікою, електродинамікою та квантовою механікою. Тому висувається теза, що у теоретичному відношенні хімія може бути зведена до фізики. Однак розвиток хімічної науки свідчить про те, що хімія досить відокремлений науковий напрямок, що розвивається в даний час набагато швидше фізики. Особливого значення має прикладна спрямованість хімії.

Основні поняття та закони класичної хімії

Хімічна система – складна структура, що включає крім речовин, що безпосередньо беруть участь у процесі, речовини, які чинять той чи інший вплив на хімічну реакцію. Йдеться про інгібітори та каталізатори. Інгібітори – сполуки, що уповільнюють динаміку хімічної реакції. Навпаки, каталізатори – сполуки, що прискорюють перебіг хімічної реакції.

Хімічну взаємодію здійснюють електрони атомів, що мають найбільшу енергію. Виявляються кілька типів хімічної взаємодії.

На рівні атомів існує три типи хімічного зв'язку:

Ковалентний зв'язок, коли валентні електрони належать всім атомам молекули (двохатомна молекула з однаковими ядрами - Н 2, О 2 та ін);

Іонний зв'язок, коли відбувається повне перенесення валентного електрона з одного атома на інший (NaCl, KCl та ін.);

Металевий зв'язок, характерний для сполук металів.

На рівні молекул виділяють два типи хімічного зв'язку:

- «Ван-дер-ваальсова» зв'язок, що діє між електрично-нейтральними молекулами, а також атомами;

Водневий зв'язок, утворений поляризованим воднем та молекулою з електронегативним атомом.

Переважна частина відомих хімічних речовин здатні брати участь у реакціях, тобто. мають реакційну здатність або швидкість хімічної реакції. Однак реакційна здатність конкретних хімічних речовин залежить від властивостей сполук, що вступають у хімічний процес, від зовнішніх умов, у яких відбувається реакція (температура, тиск, каталізаторів).

Отже, швидкість хімічних процесів має значення. Основні фактори, що впливають на неї, це концентрація речовин, що реагують, температура, наявність каталізатора.

Вплив концентрації.Збільшення концентрації взаємодіючих речовин – одне із найпоширеніших прийомів інтенсифікації процесу. Залежність швидкості хімічних реакцій від концентрації визначається законом впливу мас. Відповідно до цього закону швидкість хімічної реакції прямо пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин у ступені, що дорівнює стехіометричному коефіцієнту, що стоїть перед формулою речовини в рівнянні реакції:

v = K C a n C b m , (15)

де До- Константа швидкості реакції; C aі C b- Концентрації речовин аі b, що беруть участь у хімічній реакції; nі m- Стехіометричні коефіцієнти.

Константа швидкості реакціїчисельно дорівнює швидкості реакції при концентрації реагуючих речовин, що дорівнює одиниці. Вона залежить від природи речовин, що реагують, температури, наявності каталізаторів і не залежить від концентрації цих речовин. Для визначення цих констант виведені відповідні формули, що базуються на експериментальних даних.

Вплив температури.Відомо, що з підвищенням температури швидкість реакції зростає, що пов'язано із збільшенням константи швидкості реакції. Згідно правилу Вант-Гоффапідвищення температури на 10 про Збільшує швидкість реакції в 2-4 рази. Це наближене правило і застосовно до реакцій, що протікають в інтервалі температур від 0 до 300 про С.

Характер впливу температури та концентрації реагуючих речовин на швидкість хімічних реакцій можна пояснити теорією активних зіткнень. Молекули, що мають певну енергію, надмірну в порівнянні з середньою, здатною розірвати хімічні зв'язки, називаються активними.Надмірна енергія при цьому називається енергією активаціїі залежить від природи речовин, що вступають у реакцію. При підвищенні температури кількість активних молекул збільшується, кількість зіткнень між ними зростає, внаслідок чого зростає швидкість реакції. Зі збільшенням концентрації реагуючих речовин загальна кількість зіткнень, у тому числі ефективних, також зросте, в результаті збільшується швидкість реакції.

Вплив каталізатора.Каталізатор - це речовина, яка, фактично не вступаючи в хімічну реакцію, різко змінює її швидкість. У присутності каталізатора реакції прискорюються в тисячі разів, можуть протікати за більш низьких температур, що економічно вигідно.

Каталізаторами переважно служать метали у чистому вигляді (нікель, кобальт, залізо, платина), у вигляді оксидів або солей (оксиди ванадію, алюмінію, сполуки заліза, магнію, кальцію, міді тощо). Неорганічні каталізатори термостабільні і реакція з ними протікають при порівняно високих температурах.

До каталізаторів також відносяться речовини біологічного походження: вітаміни, що прискорюють хімічні процеси у тисячі десятки тисяч разів, а також ферменти, що прискорюють ці процеси у мільйони разів.

Перелічимо основні закони класичної хімії.

1. Закони стехіометрії. Це вчення про кількісні співвідношення між речовинами, що вступають у хімічну реакцію. Воно включає систему законів, і навіть правил складання хімічних формул і рівнянь.

2. Закон про сталість складу хімічно індивідуальних речовин. Його суть полягає в тому, що хімічно чиста сполука має однаковий склад незалежно від способів її одержання. Наприклад, чиста кухонна сіль має однаковий хімічний склад у всьому світі.

3. Закон пропорційності. Вагові кількості речовин; що беруть участь у тотожному хімічному процесі, завжди визначені. Скажімо, для нейтралізації конкретної кількості кислоти потрібна цілком певна кількість лугу.

4. Закон простих кратних відносин. При переході від одного з'єднання до іншого, що складається з тих самих елементів склад змінюється стрибками. У процесі, наприклад, сполук азоту і кисню виходить якісно нова речовина (окис азоту), що має індивідуальні властивості.

5. Закони (теорія) хімічної будови речовини. Встановлюються закономірності структури органічних сполук.

6. Теорія радикалів. Одна з перших теорій органічної хімії. Її засновник шведський хімік Й. Берцеліус (1779-1848) вважав, що лише неорганічні речовини підпорядковуються законам хімічної атомістики. Саме ця обставина і зумовлює різницю між неорганічними та органічними речовинами. Одержання сечовини (органічної речовини) з ціано-кислого амонію (неорганічної речовини) німецьким хіміком Ф. Велером (1800-1882) показало, по-перше, можливість штучно-синтетичного приготування органічної речовини. А по-друге, відсутність «вододілу» між сполуками органічного та неорганічного типу.

7. Теорія типів. Французький хімік Ш. Жерар (1816–1856) заклав основи органічної хімії. Його роботи стосувалися трьох напрямів досліджень, а саме: критика «теорії радикалів» та створення «теорії типів» в органічній хімії; розробка загальної класифікації органічних речовин; обґрунтування молекулярної теорії у хімії. Відповідно до теорії типів, для органічних сполук властиво не існування постійних радикалів, а наявність кількох характерних типів сполук (тип води, водню, аміаку та інших.). Органічне речовина утворюється в результаті заміщення в молекулі певного типу одного або декількох атомів на інші групи атомів.

8. Теорія хімічної будови. Значний внесок у вивчення органічних речовин зробив російський хімік А. Бутлеров (1828-1886), який створив і обгрунтував теорію хімічної будови. У межах сутність органічних сполук визначається не наявністю «радикалів» чи «типів», а хімічною будовою молекул. У цьому хімічні властивості речовини перебувають у безпосередньої залежність від будови його молекул. Істинність теорії підтверджувалася існуванням ізомерів - речовин, що мають однаковий склад, але різну структуру, отже, різні властивості. Пізніше теорія хімічної будови була доповнена квантово-механічними уявленнями.

9. Періодичний закон хімічних елементів. Відкритий Д. Менделєєвим (1834-1907). Періодичний закон хімічних елементів зумовив раціоналізацію значного емпіричного матеріалу, накопиченого хімією.

склад атома.

Атом складається з атомного ядраі електронної оболонки.

Ядро атома складається з протонів ( p +) та нейтронів ( n 0). Більшість атомів водню ядро ​​складається з одного протона.

Число протонів N(p +) дорівнює заряду ядра ( Z) та порядковому номеру елемента в природному ряді елементів (і в періодичній системі елементів).

N(p +) = Z

Сума числа нейтронів N(n 0), що позначається просто літерою N, і числа протонів Zназивається масовим числомі позначається буквою А.

A = Z + N

Електронна оболонка атома складається з електронів, що рухаються навколо ядра ( е -).

Число електронів N(e-) в електронній оболонці нейтрального атома дорівнює числу протонів Zу його ядрі.

Маса протона приблизно дорівнює масі нейтрону і в 1840 разів більша за масу електрона, тому маса атома практично дорівнює масі ядра.

Форма атома – сферична. Радіус ядра приблизно в 100000 разів менший за радіус атома.

Хімічний елемент- Вид атомів (сукупність атомів) з однаковим зарядом ядра (з однаковим числом протонів в ядрі).

Ізотоп- Сукупність атомів одного елемента з однаковим числом нейтронів в ядрі (або вид атомів з однаковим числом протонів і однаковим числом нейтронів в ядрі).

Різні ізотопи відрізняються один від одного числом нейтронів у ядрах їх атомів.

Позначення окремого атома або ізотопу: (Е - символ елемента), наприклад: .

Будова електронної оболонки атома

Атомна орбіталь- Стан електрона в атомі. Умовне позначення орбіталі - . Кожній орбіталі відповідає електронна хмара.

Орбіталі реальних атомів в основному (незбудженому) стані бувають чотирьох типів: s, p, dі f.

Електронна хмара- Частина простору, в якій електрон можна виявити з ймовірністю 90 (або більше) відсотків.

Примітка: іноді поняття "атомна орбіталь" та "електронна хмара" не розрізняють, називаючи і те, й інше "атомною орбіталлю"

Електронна оболонка атома шарувата. Електронний шарутворений електронними хмарами однакового розміру. Орбіталі одного шару утворюють електронний ("енергетичний") рівеньїх енергії однакові в атома водню, але розрізняються в інших атомів.

Однотипні орбіталі одного рівня групуються в електронні (енергетичні)підрівні:
s-підрівень (складається з однієї s-орбіталі), умовне позначення - .
p-підрівень (складається з трьох p
d-підрівень (складається з п'яти d-орбіталей), умовне позначення - .
f-підрівень (складається з семи f-орбіталей), умовне позначення - .

Енергії орбіталей одного підрівня однакові.

При позначенні підрівнів до символу підрівня додається номер шару (електронного рівня), наприклад: 2 s, 3p, 5dозначає s-підрівень другого рівня, p-підрівень третього рівня, d-Підрівень п'ятого рівня.

Загальна кількість підрівнів на одному рівні дорівнює номеру рівня n. Загальна кількість орбіталей на одному рівні дорівнює n 2 . Відповідно до цього, загальна кількість хмар в одному шарі так само n 2 .

Позначення: - вільна орбіталь (без електронів); - орбіталь з неспареним електроном; - орбіталь з електронною парою (з двома електронами).

Порядок заповнення електронами орбіталей атома визначається трьома законами природи (формулювання дано спрощено):

1. Принцип найменшої енергії – електрони заповнюють орбіталі у порядку зростання енергії орбіталей.

2. Принцип Паулі - на одній орбіталі не може бути більше двох електронів.

3. Правило Хунда - у межах рівня електрони спочатку заповнюють вільні орбіталі (по одному), і лише після цього утворюють електронні пари.

Загальна кількість електронів на електронному рівні (або в електронному шарі) дорівнює 2 n 2 .

Розподіл підрівнів за енергіями виражається поруч (у прядці збільшення енергії):

1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p ...

Наочно ця послідовність виражається енергетичною діаграмою:

Розподіл електронів атома за рівнями, підрівнями та орбіталями (електронна конфігурація атома) може бути зображена у вигляді електронної формули, енергетичної діаграми або, спрощено, у вигляді схеми електронних шарів ("електронна схема").

Приклади електронної будови атомів:

Валентні електрони- електрони атома, які можуть брати участь у освіті хімічних зв'язків. У будь-якого атома це все зовнішні електрони плюс ті зовнішні електрони, енергія яких більша, ніж у зовнішніх. Наприклад: у атома Ca зовнішні електрони - 4 s 2, вони ж і валентні; у атома Fe зовнішні електрони - 4 s 2 , але має 3 d 6, отже у атома заліза 8 ​​валентних електронів. Валентна електронна формула атома кальцію - 4 s 2 , а атома заліза - 4 s 2 3d 6 .

Періодична система хімічних елементів Д. І. Менделєєва
(природна система хімічних елементів)

Періодичний закон хімічних елементів(сучасне формулювання): властивості хімічних елементів, а також простих та складних речовин, що ними утворюються, знаходяться в періодичній залежності від значення заряду з атомних ядер.

Періодична система- графічне вираження періодичного закону.

Природний ряд хімічних елементів- ряд хімічних елементів, збудованих за зростанням кількості протонів в ядрах їх атомів, або, що те саме, щодо зростання зарядів ядер цих атомів. Порядковий номер елемента у цьому ряду дорівнює числу протонів у ядрі будь-якого атома цього елемента.

Таблиця хімічних елементів будується шляхом "розрізання" природного ряду хімічних елементів на періоди(горизонтальні рядки таблиці) та об'єднання у групи (вертикальні стовпці таблиці) елементів, зі схожою електронною будовою атомів.

Залежно від способу об'єднання елементів у групи таблиця може бути довгооперіодний(у групи зібрані елементи з однаковим числом та типом валентних електронів) та короткоперіодний(У групи зібрані елементи з однаковим числом валентних електронів).

Групи короткоперіодної таблиці поділяються на підгрупи ( головніі побічні), що збігаються з групами довгооперіодної таблиці.

У всіх атомів елементів одного періоду однакова кількість електронних шарів дорівнює номеру періоду.

Число елементів у періодах: 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32. Більшість елементів восьмого періоду отримані штучно, останні елементи цього періоду ще не синтезовані. Всі періоди, крім першого, починаються з елемента, що утворює лужний метал (Li, Na, K і т. д.), а закінчуються елементом, що утворює благородний газ (He, Ne, Ar, Kr і т. д.).

У короткоперіодній таблиці - вісім груп, кожна з яких поділяється на дві підгрупи (головну та побічну), у довгооперіодній таблиці - шістнадцять груп, що нумеруються римськими цифрами з літерами А або В, наприклад: IA, IIIB, VIA, VIIB. Група IA довгооперіодної таблиці відповідає головній підгрупі першої групи короткоперіодної таблиці; група VIIB - побічну підгрупу сьомої групи: решта - аналогічно.

Характеристики хімічних елементів закономірно змінюються у групах та періодах.

У періодах (зі збільшенням порядкового номера)

• збільшується заряд ядра,
• збільшується кількість зовнішніх електронів,
• зменшується радіус атомів,
• збільшується міцність зв'язку електронів з ядром (енергія іонізації),
• збільшується електронегативність,
• посилюються окисні властивості простих речовин ("неметалевість"),
• слабшають відновлювальні властивості простих речовин ("металічність"),
• слабшає основний характер гідроксидів та відповідних оксидів,
• зростає кислотний характер гідроксидів та відповідних оксидів.

У групах (зі збільшенням порядкового номера)

• збільшується заряд ядра,
• збільшується радіус атомів (тільки в А-групах),
• зменшується міцність зв'язку електронів з ядром (енергія іонізації; тільки в А-групах),
• зменшується електронегативність (тільки в А-групах),
• слабшають окисні властивості простих речовин ("неметалевість"; тільки в А-групах),
• посилюються відновлювальні властивості простих речовин ("металічність"; тільки в А-групах),
• зростає основний характер гідроксидів та відповідних оксидів (тільки в А-групах),
• слабшає кислотний характер гідроксидів та відповідних оксидів (тільки в А-групах),
• знижується стійкість водневих сполук (підвищується їхня відновна активність; тільки в А-групах).

Завдання та тести на тему "Тема 9. "Будова атома. Періодичний закон та періодична система хімічних елементів Д. І. Менделєєва (ПСХЕ)"."

• Періодичний закон - Періодичний закон та будова атомів 8–9 клас
  Ви повинні знати: закони заповнення орбіталей електронами (принцип найменшої енергії, принцип Паулі, правило Хунда), структуру періодичної системи елементів.

  Ви повинні вміти: визначати склад атома за положенням елемента в періодичній системі, і, навпаки, знаходити елемент у періодичній системі, знаючи його склад; зображати схему будови, електронну конфігурацію атома, іона, і, навпаки, визначати за схемою та електронною конфігурацією положення хімічного елемента в ПСХЕ; давати характеристику елемента та утворюваних ним речовин за його становищем у ПСХЕ; визначати зміни радіусу атомів, властивостей хімічних елементів та утворених ними речовин у межах одного періоду та однієї головної підгрупи періодичної системи.

  приклад 1.Визначте кількість орбіталей третьому електронному рівні. Які це орбіталі?
  Для визначення кількості орбіталей скористаємося формулою Nорбіталей = n 2 , де n- Номер рівня. Nорбіталей = 3 2 = 9. Одна 3 s-, три 3 p- і п'ять 3 d-орбіталей.

  приклад 2.Визначте, у якого атома елемента електронна формула 1 s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 .
  Щоб визначити, який це елемент, треба з'ясувати його порядковий номер, який дорівнює сумарному числу електронів атома. В даному випадку: 2+2+6+2+1=13. Це алюміній.

  Переконавшись, що все необхідне засвоєно, переходьте до виконання завдань. Бажаємо успіхів.

  
  Рекомендована література:
  • О. С. Габрієлян та ін. Хімія 11 кл. М., Дрофа, 2002;
  • Р. Е. Рудзітіс, Ф. Г. Фельдман. Хімія 11 кл. М., Просвітництво, 2001.

Ми з'ясували, що серце атома – це його ядро. Навколо нього розташовуються електрони. Вони не можуть бути нерухомими, тому що негайно впали на ядро.

На початку XX ст. була прийнята планетарна модель будови атома, згідно з якою навколо дуже малого за розмірами позитивного ядра рухаються електрони, подібно до того, як обертаються планети навколо Сонця. Подальші дослідження показали, що будова атома значно складніша. Проблема будови атома залишається актуальною й у сучасної науки.

Елементарні частинки, атом, молекула - все це об'єкти мікросвіту, який ми не спостерігаємо. У ньому діють інші закони, ніж у макросвіті, об'єкти якого ми можемо спостерігати чи безпосередньо, чи з допомогою приладів (мікроскоп, телескоп тощо. буд.). Тому, обговорюючи далі будову електронних оболонок атомів, будемо розуміти, що ми створюємо своє уявлення (модель), яке значною мірою відповідає сучасним поглядам, хоч і не є таким самим, як у вченого-хіміка. Наша модель спрощена.

Електрони, рухаючись навколо ядра атома, утворюють разом його електронну оболонку. Число електронів в оболонці атома дорівнює, як ви вже знаєте, числу протонів в ядрі атома йому відповідає порядковий, або атомний, номер елемента в таблиці Д. І. Менделєєва. Так, електронна оболонка атома водню складається з одного електрона, хлору - із сімнадцяти, золота - із сімдесяти дев'яти.

Як же рухаються електрони? Хаотично, подібно до мошок навколо лампочки, що горить? Чи в якомусь певному порядку? Виявляється, саме у певному порядку.

Електрони в атомі відрізняються своєю енергією. Як показують досліди, одні з них притягуються до ядра сильніше, інші – слабші. Головна причина цього полягає у різному видаленні електронів від ядра атома. Чим ближче електрони до ядра, тим вони міцніше пов'язані з ним та їх важче вирвати з електронної оболонки, а ось чим далі вони від ядер, тим легше їх відірвати. Вочевидь, що з віддалення від ядра атома запас енергії електрона (Е) збільшується (рис. 38).

Мал. 38.
Максимальна кількість електронів на енергетичному рівні

Електрони, що рухаються поблизу ядра, як би загороджують (екранують) ядро ​​від інших електронів, які притягуються до ядра слабше і рухаються на більшій відстані від нього. Так утворюються електронні шари електронної оболонці атома. Кожен електронний шар складається з електронів із близькими значеннями енергії,

тому електронні верстви називають ще енергетичними рівнями. Далі ми так і говоритимемо: "Електрон знаходиться на певному енергетичному рівні".

Число заповнюваних електронами енергетичних рівнів в атомі дорівнює номеру періоду в таблиці Д. І. Менделєєва, в якому знаходиться хімічний елемент. Отже, електронна оболонка атомів 1-го періоду містить один енергетичний рівень, 2-го періоду - два, 3-го - три і т. д. Наприклад, в атомі азоту вона складається з двох енергетичних рівнів, а в атомі магнію - з трьох :

Максимальне (найбільше) число електронів, що знаходяться на енергетичному рівні, можна визначити за формулою: 2n 2 де n - номер рівня. Отже, перший енергетичний рівень заповнений за наявності ньому двох електронів (2×1 2 = 2); другий – за наявності восьми електронів (2×2 2 = 8); третій - вісімнадцяти (2×З 2 = 18) тощо. буд. У курсі хімії 8-9 класів ми розглядатимемо елементи лише перших трьох періодів, тому із завершеним третім енергетичним рівнем в атомів ми зустрінемося.

Число електронів на зовнішньому енергетичному рівні електронної оболонки атома для хімічних елементів головних підгруп дорівнює номеру групи.

Тепер ми можемо скласти схеми будови електронних оболонок атомів, керуючись планом:

1. визначимо загальну кількість електронів на оболонці за порядковим номером елемента;
2. визначимо кількість енергетичних рівнів, що заповнюються електронами, в електронній оболонці за номером періоду;
3. визначимо число електронів кожному енергетичному рівні (на 1-му - не більше двох; на 2-му - не більше восьми, на зовнішньому рівні число електронів дорівнює номеру групи - для елементів головних підгруп).

Ядро атома водню має заряд +1, тобто містить лише один протон, відповідно лише один електрон на єдиному енергетичному рівні:

Це записують за допомогою електронної формули так:

Наступний елемент 1-го періоду гелію. Ядро атома гелію має заряд +2. У нього на першому енергетичному рівні є вже два електрони:

На першому енергетичному рівні можуть поміститися лише два електрони і ніяк не більше – він повністю завершений. Тому перший період таблиці Д. І. Менделєєва і складається з двох елементів.

У атома літію, елемента 2-го періоду, з'являється ще один енергетичний рівень, на який і «відправиться» третій електрон:

У атома берилію на другий рівень «попадає» ще один електрон:

Атом бору на зовнішньому рівні має три електрони, а атом вуглецю - чотири електрони... атом фтору - сім електронів, атом неону - вісім електронів:

Другий рівень може вмістити лише вісім електронів, тому він завершений у неону.

У атома натрію, елемента 3-го періоду, з'являється третій енергетичний рівень (зверніть увагу - атом елемента 3-го періоду містить три енергетичні рівні!), і на ньому знаходиться один електрон:

Зверніть увагу: натрій – елемент I групи, на зовнішньому енергетичному рівні має один електрон!

Очевидно, неважко записати будову енергетичних рівнів для атома сірки, елемента VIA групи 3-го періоду:

Завершує 3-й період аргону:

Атоми елементів 4-го періоду звичайно мають четвертий рівень, на якому в атома калію знаходиться один електрон, а у атома кальцію - два електрони.

Тепер, коли ми познайомилися зі спрощеними уявленнями про будову атомів елементів 1-го та 2-го періодів Періодичної системи Д. І. Менделєєва, можна внести уточнення, що наближають нас до більш правильного погляду на будову атома.

Почнемо з аналогії. Подібно до того, як швидко рухається голка швейної машинки, пронизуючи тканину, вишиває на ній візерунок, так і незмірно швидше рухається в просторі навколо атомного ядра електрон «вишиває», тільки не плоский, а об'ємний малюнок електронної хмари. Так як швидкість руху електрона в сотні тисяч разів більша за швидкість руху швейної голки, то говорять про ймовірність знаходження електрона в тому чи іншому місці простору. Припустимо, що нам вдалося, як на спортивному фотофініші, встановити положення електрона в якомусь місці біля ядра і відзначити це точкою. Якщо такий «фотофініш» зробити сотні, тисячі разів, то вийде модель електронної хмари.

Іноді електронні хмари називають орбіталями. Вчинимо так і ми. Залежно від енергії електронні хмари або орбіталі відрізняються розмірами. Зрозуміло, що менше запас енергії електрона, тим сильніше притягується він до ядра і менше за розмірами його орбіталь.

Електронні хмари (орбіталі) можуть мати різну форму. Кожен енергетичний рівень в атомі починається з s-орбіталі, що має сферичну форму. На другому та наступних рівнях після однієї s-орбіталі з'являються р-орбіталі гантелеподібної форми (рис. 39). Таких орбіталей три. Будь-яку орбіталь займають трохи більше двох електронів. Отже, на s-орбіталі їх може бути лише два, а на трьох р-орбіталях – шість.

Мал. 39.
Форми s- та р-орбіталей (електронних хмар)

Використовуючи позначення рівня арабські цифри і позначаючи орбіталі літерами s і р, а число електронів даної орбіталі арабською цифрою зверху праворуч над літерою, ми можемо зобразити будову атомів повнішими електронними формулами.

Запишемо електронні формули атомів 1-го та 2-го періодів:

Якщо елементи мають подібні до будівлі зовнішні енергетичні рівні, то й властивості цих елементів подібні. Наприклад, аргон і неон містять зовнішньому рівні по вісім електронів, і тому вони інертні, т. е. майже вступають у хімічні реакції. У вільному вигляді аргон і неон – гази, молекули яких одноатомні. Атоми літію, натрію і калію містять на зовнішньому рівні по одному електрону і мають подібні властивості, тому вони поміщені в одну і ту ж групу Періодичної системи Д. І. Менделєєва.

Зробимо узагальнення: однакова будова зовнішніх енергетичних рівнів періодично повторюється, тому періодично повторюються властивості хімічних елементів. Ця закономірність відбито у назві Періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва.

Ключові слова та словосполучення

1. Електрони в атомах розміщуються на енергетичних рівнях.
2. На першому енергетичному рівні можуть перебувати лише два електрони, на другому - вісім. Такі рівні називають завершеними.
3. Число енергетичних рівнів, що заповнюються, дорівнює номеру періоду, в якому знаходиться елемент.
4. Число електронів на зовнішньому рівні атома хімічного елемента дорівнює номеру його групи (для елементів основних підгруп).
5. Властивості хімічних елементів періодично повторюються, оскільки періодично повторюється будова зовнішніх енергетичних рівнів у атомів.

Робота з комп'ютером

1. Зверніться до електронної програми. Вивчіть матеріал уроку та виконайте запропоновані завдання.
2. Знайдіть в Інтернеті електронні адреси, які можуть бути додатковими джерелами, які розкривають зміст ключових слів і словосполучень параграфа. Запропонуйте вчителю свою допомогу у підготовці нового уроку - зробіть повідомлення за ключовими словами та словосполученнями наступного параграфа.

Запитання та завдання

Істинний хімік повинен уміти доводити пізнане... тобто давати йому пояснення...
М. В. Ломоносов

9.1. Концептуальні рівні пізнання речовин

Закономірності, які у речовинах, процеси їх перетворення, у яких відбувається зміна їх складу і структури, вивчає розділ природознавства — хімія. Вона займається явищами природи, що супроводжують хімічні зміни речовини, вивчає причини та закони управління хімічними процесами, а також розглядає складові частини речовини та їх застосування на практиці. Окремі хімічні процеси (отримання металів із руд, фарбування тканин та ін.) використовувалися ще на зорі становлення людської цивілізації. Пізніше, у III—IV ст., зародилася алхімія, завданням якої було перетворення неблагородних металів на благородні (золото, срібло). Починаючи з епохи Відродження, хімічні дослідження все більшою мірою стали використовувати для практичних цілей (металургія, склоробство, кераміка, отримання фарб і т. д.).
Хімію можна визначити як науку, що вивчає речовини та процеси їх перетворення, що супроводжуються зміною складу та структури. Хімічний процес супроводжується зміною складу речовин, їх структури та обов'язково енергетичними змінами в системі, що реагує. Внаслідок взаємопов'язаності форм руху матерії та їх взаємопре-
197

обертання в результаті хімічних реакцій має місце перетворення хімічної енергії в теплоту, світло та ін. Хімія потрібна людству для того, щоб з речовини природи отримувати по можливості все необхідне метали, цемент, бетон, кераміку, фарфор, скло, каучук, пластмаси, штучні волокна, ліки та багато іншого.
Основою хімічної науки є атомно-молекулярне вчення (АМУ), закон збереження матерії, періодичний закон та теорія будови речовини, вчення про хімічний процес (кінетика). Хімічні процеси підпорядковуються загальним законам природи - закону збереження маси речовини та закону збереження енергії. Закон збереження маси речовини відкрили М. В. Ломоносов та А. Л. Лавуазьє майже незалежно один від одного. Вони далеко просунули розвиток хімії тим, що за хімічних реакцій застосували фізичні методи, зокрема зважування. Закон збереження маси у хімічних процесах можна сформулювати так: сума мас вихідних речовин (з'єднань) дорівнює сумі мас продуктів хімічної реакції. Наприклад, при розкладанні води маса води дорівнюватиме сумі маси водню і маси кисню. З закону збереження речовини випливає, що речовину не можна створити нічого, ні знищити зовсім. Кількісним виразом закону збереження маси речовин стосовно виробничому хімічному процесу є матеріальний баланс, у якому підтверджується, що маса речовин, що надійшли на технологічну операцію, дорівнює масі отриманих речовин. Закон збереження енергії діє у всіх випадках і всюди, де одна форма енергії перетворюється на іншу.
Незважаючи на велику кількість емпіричного матеріалу про властивості різних речовин та їх сполук, особливості перебігу різноманітних реакцій, у хімії, до відкриття в 1869 р. періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва не існувало тієї об'єднуючої концепції, за допомогою якої можна було б пояснити весь накопичений фактичний матеріал. Було б, однак, неправильно не враховувати тієї величезної дослідницької роботи, яка призвела до затвердження системи.
198

темний погляд на хімічні знання. Розвиток теоретичних основ хімії диктується потребою хімічного виробництва удосконалювати управління хімічним процесом для одержання речовин із заздалегідь заданими властивостями.
Історію розвитку теоретичних основ хімії можна у вигляді наступних етапів.
У період зародження хімії як науки (друга половина XVII ст.) виникло перше концептуальне вчення про склад.Пояснення властивостей речовин пов'язувалося зі складом, а зміною складу пояснювалося хімічне перетворення. Подальше становлення вчення (концептуального рівня) про склад визначило відкриття стехіометричних законів (закону сталості складу, закону еквівалентів та закону кратних відносин), розвиток поняття хімічного елемента, уявлень про валентність, періодичний закон та періодичну систему хімічних елементів Д. І. Менделєєва, методи дослідження складу сполук та ін.
Другий концептуальний рівеньрозвитку хімії пов'язаний із зародженням структурної хімії (XIXв.). Було помічено, що велика різноманітність речовин рослинного та тваринного походження утворена дуже невеликою кількістю хімічних елементів (вуглець, водень, кисень, азот та деякі ін.). До того ж за однакового складу речовини (ізомери) мають різні властивості. Це означало, що властивості речовин залежать як від складу, а й від структури (А. М. Бутлеров розробив основні тези). Якщо зародженні хімії як науки головним напрямом був хімічний аналіз, то з появою структурної хімії став органічний синтез. Сьогодні структурна хімія будується на квантово-механічних уявленнях про хімічний зв'язок, будову молекул і кристалів, на методах дослідження структури речовин, вивчення впливу структури на властивості речовин та ін.
Третій рівеньу розвитку хімії пов'язаний із виникненням (кінець XIX ст.) та розвитком вчення про хімічний процес— про його принципову можливість та умови протікання. Це було викликано різким зростанням потреб та масштабів
199

виробництва продуктів хімічної переробки нафтової сировини Вчення про хімічний процес розглядає енергетику хімічних процесів, хімічну рівновагу та умови його зміщення, кінетику та механізми реакцій тощо. інші.
Зрештою, четвертий концептуальний рівеньє подальшим розвитком попереднього рівня, пов'язаним із глибшим вивченням природи реагентів, що беруть участь у хімічних реакціях, а також із застосуванням каталізаторів,значно прискорюють швидкість їхнього протікання. На цьому рівні ми зустрічаємося вже із найпростішими явищами самоорганізації, що вивчаються синергетикою.
У наші дні спостерігається новий рівеньрозвитку хімії, який спрямований на створення найбільш економічного та екологічно чистого безвідходного хімічного виробництва,використання у промислових масштабах закономірностей хімічних перетворень живої природи.
Тридцяті роки ознаменувалися наступним стрибком - появою теорії молекулярних орбіталей (МО). Теорія МО дозволила успішно описати будову, електронний пристрій багатьох органічних сполук. Так, наприклад, були виведені правила, що дозволяють передбачити, чи буде ще синтезована сполука ароматичним. Концептуальні системи хімії зображено на рис. 9.1, у якому вертикальна координата упредставляє масив всієї теоретичної та емпіричної інформації, накопиченої з часів Бойля і досі, а горизонтальна координата t- Історичний час.
Як видно, у розвитку хімії відбувається не зміна, а суворо закономірна послідовна поява концептуальних систем. При цьому кожна система, що знову з'являється, не заперечує нижчу попередню, а навпаки, спирається на неї і включає її в себе в перетвореному вигляді. Так, наприклад, вчення про хімічні процеси передбачає наявність знань про склад вихідної сировини, про будову молекул вихідних реа-
200

Гентів і про їхню реакційну здатність, тому що ці знання дозволяють хіміку підібрати вихідну сировину для отримання цільового продукту. Але цих знань недостатньо для того, щоб здійснити хімічний процес із максимальним економічним ефектом та дотриманням екологічних вимог охорони навколишнього середовища. Для цього додаткові знання дає вчення про хімічні процеси – термодинаміка, хімічна кінетика, хімічна технологія.

9.2. складречовиниіхімічнісистеми

У темряві повинні звертатися фізики, особливо хіміки, не знаючи внутрішніх, нечутливих частинок будови.
М. В. Ломоносов

В даний час хімічним елементомназивають речовину, всі атоми якої мають однаковий заряд ядра,
201

хоч і розрізняються за своєю масою, внаслідок чого атомні ваги елементів не виражаються цілими числами.
Молекулоюяк і раніше, називають найменшу частинку речовини, яка визначає її властивості і може існувати самостійно. Однак до молекул тепер відносять різноманітні інші квантово-механічні системи (іонні, атомні монокристали, полімери та інші макромолекули). Останнє особливо важливо для ясного розуміння структури з погляду системного підходу, де під структуроюмають на увазі впорядкований зв'язок та взаємодію між елементами системи, завдяки якій і виникають нові цілісні її властивості. У такій хімічній системі, як молекула, саме специфічний характер взаємодії складових її атомів визначає властивості молекули.
Хімія вивчає процеси перетворення молекул при взаємодіях та при впливі на них зовнішніх факторів (теплоти, світла, електричного струму, магнітного поля), під час яких утворюються нові хімічні зв'язки. Під хімічним зв'язкомрозуміється результат взаємодії між атомами, що виражається у створенні певної конфігурації атомів, що відрізняє один тип молекули від іншого. Хімічні зв'язки породжують взаємодію електронних оболонок атомів. Якщо атомні зміни підходять одна до одної, виникає одна округла структура, дещо більша, ніж раніше був кожен атом окремо. Так виходить насичена молекула, і приєднати до неї якийсь атом майже неможливо, т. е. хімічні зв'язку відрізняються насиченістю. Із запровадженням поняття валентності нею стали пояснювати будову та хімічні властивості молекул. Найбільш поширені чотири види хімічних зв'язків: іонна, ковалентна, металева та воднева. Хімічний зв'язок, що здійснюється за рахунок утворення спільних для взаємодіючих атомів електронних пар, називається ковалентним зв'язком. Хімічний зв'язок, в основі якого лежить електростатична взаємодія іонів, називається іонної.Хімічний зв'язок, заснований на узагальненні валентних електронів усіх атомів у кристалі, називається
202

металевої.Хімічний зв'язок, зумовлений взаємодією полярних молекул, однією з яких є водень, називається водневий.Хімічні зв'язки можна розглядати з погляду перетворення енергії: якщо під час створення молекули її енергія менше, ніж сума енергій складових її ізольованих атомів, вона може існувати, т. е. її зв'язок стійка.
Кожна речовина характеризується певними фізичними та хімічними властивостями. Коли якась проста речовина вступає в хімічну реакцію і утворює нову речовину, то вона при цьому втрачає більшість своїх властивостей. Наприклад, залізо, з'єднуючись із сіркою, втрачає металевий блиск, ковкість, магнітні властивості та ін. Отже, в сульфіді заліза немає заліза, яким ми знаємо його у вигляді простої речовини. Але так як із сульфіду заліза (FeS) за допомогою хімічних реакцій можна знову отримати металеве залізо, то кажуть що до складу сульфіду заліза входить елемент залізо, розуміючи під цим матеріал, з якого складається металеве залізо. Так само водень (Н) і кисень (О), що входять до складу води, містяться у воді не у вигляді газоподібних водню та кисню з їх характерними властивостями, а у вигляді елементів – водню та кисню. Якщо елементи перебувають у " вільному стані " , т. е. не пов'язані хімічно ні з яким іншим елементом, всі вони утворюють прості речовини.
Довгий час не робилося різницю між елементом і простою речовиною. Поняття "елемент" як науковий термін вперше використано Р. Бойлем в 1661 р. З часів Бойля елементом вважали всяку просту речовину, яку можна отримати в результаті розкладання складних речовин, але яка не здатна до подальшого розкладання ще більш прості речовини.
Також було спростовано флогістонну теорію окислення металу численними експериментами М. В. Ломоносова. Відповідно до цієї теорії процес окислення металу розглядався як реакція розкладання: метал вважався складною речовиною, а окалина простою, тобто залізо - окалина + флогістон.
203

М. В. Ломоносов, провівши експерименти в запаяних ретортах, встановив, що маса судини з прожареним залізом не змінюється, якщо зважити, не розкриваючи його. Французький вчений А. Лавуазьє також показав, що горіння є реакцією сполуки речовини з киснем повітря. Лавуазьє поставив на ноги всю хімію, яка у своїй флогістонній формі стояла на голові.
Початок ХІХ ст. ознаменувалося відкриттям нових кількісних закономірностей. Розробка атомно-молекулярної теорії дозволила Дальтону висловити атомну гіпотезу та ввести в хімію поняття про відносну атомну вагу елементів та визначити атомні ваги деяких елементів. За Дальтоном, елемент можна визначити як вид атомів, що характеризуються певним значенням атомної ваги, а прості речовини складаються з певного виду атомів, отже, прості речовини є елементами. Плутанина була усунена пізніше, коли було встановлено, що багато простих речовин утворені з молекул, а не з атомів. Вперше Менделєєв у зв'язку з цим вказав на необхідність чітко розрізняти два поняття: елемент і просту речовину, або просте тіло. Якщо простій речовині (тілу) відповідає поняття про частинку, то елементу — про атом. Вуглець є елементом, а вугілля, графіт і алмаз суть тіла прості.
Користуючись поняттям про хімічні елементи, можна сказати, що найважливіше завдання хімії полягає у вивченні властивостей елементів у відшуканні загальних закономірностей у їх поведінці та між собою. До середини ХІХ ст. налічувалося вже 63 елементи і було накопичено досить багатий експериментальний матеріал, що стосується їх фізичних і хімічних властивостей, і було встановлено групові загальні властивості. Були накопичені відомості про такі характеристики, як атомна маса елементів та його валентність, т. е. здатність утворювати різні форми сполук. Насамперед треба було вирішити основне питання: чи є хімічні елементи розрізненими, незалежними чи вони закономірно пов'язані між собою у єдину систему.
204

Перші спроби вирішення цього завдання відносяться до першої половини ХІХ ст. Деберейнер (1829) згрупував елементи в тріади; Одлінг (1857 р.) розмістив 48 елементів у єдину таблицю з 13 груп подібних елементів; Ньюлендс і де Шаркунтуа (1863 р.) розподілили 63 елементи у порядку зростання їхньої атомної маси, була опублікована німецьким хіміком Л. Мейєром таблиця елементів, у якій були відсутні бір, алюміній і водень. Усього спроб класифікації було щонайменше п'ятдесяти, і всі були по суті безуспішними. В основі невдач лежав метафізичний спосіб їхнього мислення. Нарешті 1869 р. Д. І. Менделєєв запропонував періодичну систематизацію властивостей елементів.
Діалектико-матеріалістичний підхід до систематизації елементів є основною причиною успіху Д. І. Менделєєва. Періодична система елементів вплинула на подальший розвиток хімії, вона стала могутнім знаряддям для подальших досліджень. На підставі періодичного закону Д. І. Менделєєв передбачив існування 12 нових елементів, причому для трьох з них (галій - Ga, германій - Ge і скандій - Sc) докладно описав їх властивості. Протягом півстоліття було виявлено у природі майже всі елементи, розташовані до урану. Путівниковою ниткою для пошуку та встановлення хімічної природи елементів з'явився періодичний закон та метод передбачення, використаний Д. І. Менделєєвим. Періодичний закон та періодична система отримали своє повне підтвердження та подальший розвиток при встановленні будови атомів елементів. Наразі фактичні дані в хімії зросли у тисячі разів. Є відомості про 8 мільйонів індивідуальних хімічних сполук постійного складу та мільярди сполук змінного складу.
Сучасне формулювання періодичного закону таке: від величини позитивного заряду ядра атома залежать усі властивості елемента та його положення у періодичній системі. Теорія будови атома пояснює періодичне зміна властивостей елементів під час переходу від періоду до іншого: зі зростанням Z будова електронних оболонок атомів повторюється.
205

Особливо це стосується зовнішніх енергетичних рівнів, на яких розташовані валентні електрони. У межах періоду зі збільшенням заряду ядра зовнішні шари заповнюються поступово, досягаючи своєї завершеності в атомах шляхетних газів. Ця послідовність повторюється в кожному періоді, внаслідок чого в них спостерігається перехід від металів на початку періоду до неметал і благородного газу в його кінці. У світлі теорії будови атома періодичний закон отримав сучасне формулювання: властивості простих речовин, і навіть форми і властивості сполук елементів перебувають у періодичної залежність від величини заряду ядра атома.
Атомна вага елемента визначається як середня арифметична величина мас ізотопів, з яких складається елемент. Атоми, що мають однаковий заряд ядра (і, отже, тотожні хімічні властивості), але різним числом нейтронів, називають ізотопами. Наприклад, хлор складається з двох ізотопів з масовими числами на 75,53% із ізотопу 35Сl і на 24,47% - з 37Сl, в результаті середня атомна маса хлору дорівнює 35,453. Відкриття ізотопів вимагало перегляду поняття "хімічний елемент". Хімічний елемент - це вид атомів, що характеризується певною величиною позитивного заряду ядра. Існування хімічного елемента як кількох простих речовин називається алотропией. Графіт, алмаз, вугілля – алотропні видозміни елемента вуглецю.
З розвитком кількісних методів дослідження в хімії були накопичені експериментальні факти, узагальнення яких призвело до відкриття про стехіометричних законів — закону сталості складу, закону еквівалентів і закону кратних відносин. Саме ці закони сприяли остаточному утвердженню хімії атомно-молекулярного вчення. Основою хімічної науки є атомно-молекулярне вчення, закон збереження матерії, періодичний закон Д. І. Менделєєва та теорія хімічної будови.
Основні положення атомно-молекулярного вчення полягають у наступному:
206

1. Речовини складаються з молекул; молекули різних речовин відрізняються між собою хімічним складом, розмірами, фізичними та хімічними властивостями.
2. Молекули перебувають у безперервному русі; між ними існує взаємне тяжіння та відштовхування. Швидкість руху молекул залежить від агрегатного стану речовин.
3. При фізичних явищах склад молекул залишається незмінним, при хімічних - вони зазнають якісних і кількісних змін і з одних молекул утворюються інші.
4. Молекули складаються з атомів. Атоми характеризуються певними розмірами та масою. Властивості атомів однієї й тієї ж елемента однакові і від властивостей атомів інших елементів.

Маса атома, виражена в атомних одиницях маси (а.е.м.), називається відносною атомною масою. 1 а.е.м. = = 1,667 10-27кг.
Елементи, поєднуючись у різних кількісних співвідношеннях один з одним, утворюють хімічні сполуки – складні речовини. Що являє собою хімічна сполука? Чи має складну речовину змінним чи постійним складом?
Відомий французький хімік Ж. Пруст на відміну від К. Бертолле вважав, що будь-яка хімічно чиста сполука незалежно від способу її отримання має певний склад. Саме на цьому законі, який отримав назву закону сталості складу,Ж. Пруст пояснив різницю між хімічними сполуками і сумішами. Наприклад, СO2 (вуглекислий газ) можна отримати кількома способами:

але в чистому СO2 завжди міститься 27,29% і 72,71% O2 по масі.
Багато елементів, з'єднуючись один з одним, можуть утворювати різні речовини, кожна з яких характеризується
207

певним співвідношенням між масами цих елементів. Так, вуглець і кисень утворюють оксид вуглецю - ЗІ і С02-діоксид вуглецю. Вивчаючи подібні сполуки, англійський учений Д. Дальтон установив закон кратних відносин:якщо два елементи утворюють один з одним кілька сполук, то маси одного з елементів, що припадають у цих сполуках на ту саму масу іншого, відносяться між собою як невеликі числа.
Дальтон дотримувався атомної теорії будови речовини; вивчаючи властивості газів, відкрив закон парціальних тисків газів. Закон безпосередньо свідчив про те, що елементи входять до складу сполук лише певними порціями, що свідчить про перервну будову речовини. Розвиваючи атомно-молекулярну теорію, Дальтон ввів близьке до сучасного уявлення про атоми та про відносні атомні маси елементів. Але на відміну від закону збереження маси, справедливість якого повністю підтверджена відкриттями, зробленими після його встановлення, закони сталості складу та кратних відносин виявилися не такими загальними. У зв'язку з відкриттям ізотопів з'ясувалося, що співвідношення між масами елементів, що входять до складу цієї речовини, завжди лише за умови сталості ізотопного складу цих елементів. Наприклад, важка вода містить 20% (мас) водню, а звичайна вода лише 11%.
На початку XX ст. (Більше ніж через 100 років) російський вчений Н. С. Курнаков, вивчаючи сплави металів, відкрив сполуки змінного складу, в яких на одиницю маси даного елемента може припадати різна маса іншого елемента. Для багатьох сполук змінного складу встановлені межі, в яких може змінюватись їх склад, і формула TiO2 більш точно виражає свій склад у вигляді TiO 1. 9_2.0. Звісно, ​​що така формули вказують не склад молекули (речовини мають атомну структуру), лише відображають межі складу речовини. Періодична система представляє приклад упорядкованої кінцевої лічильної множини хімічних елементів. А чи можна подібним чином упорядкувати безліч хімічних сполук, число яких хоч і велике, але не безмежне? І ось
208

Виявилося, що речовини з однаковими сумами атомних номерів, молекулярних мас і щільностями мають надзвичайно близькі фізико-хімічні властивості. Достатньо знати хімічний склад речовини та її щільність, щоб передбачити і всі інші властивості. Н. С. Курнаков запропонував назвати з'єднання бертолоїдами на честь К. Бертолле, який вперше передбачив існування речовин змінного складу.
Таким чином, існує великий клас сполук, що не підкоряються стехіометричним сполукам, законам, тобто порушення законів пов'язане із цілком певним агрегатним станом речовини.
У принципі, немає чіткої межі між сполуками постійного та змінного складу з погляду сучасної фізики. Сполука може бути утворена і з атомів одного хімічного елемента - проста речовина. Складна речовина утворена із атомів різної природи, тобто до складу молекули складних речовин входять різні елементи. Вода утворена атомами водню та кисню, а речовина кисень лише з молекул одного елемента – кисню. Але один елемент кисень утворює два алотропні видозміни простих речовин кисень і озон, які відрізняються будовою, структурою, фізичними та хімічними властивостями.

9.3. Структураречовиниійоговластивості

Треба було досліджувати предмети, як можна було розпочати дослідження процесів. Потрібно спочатку знати, що таке цей предмет, щоб можна було зайнятися тими змінами, що з ним відбуваються.
Ф. Енгельс

Характер будь-якої хімічної сполуки залежить не тільки від якісного та кількісного складу, а й від взаємного
209

впливу атомів та будови молекули - найдрібнішої хімічної системи.
Речовини, що мають однакову молекулярну формулу, називають ізомерами,а саме явище ізомерією.Формулу С4Н8О має 21 речовину. Довгий час до XVIII ст. хіміки не робили відмінності і між мінеральними та органічними речовинами. Саме явище ізомерії змушує, не задовольняючись встановленням молекулярної формули, йти далі, з'ясовуючи деталі внутрішньої будови молекул органічних речовин, структуру сполуки. Структуру молекул органічних сполук намагався пояснити шведський хімік Й. Берцеліус у своїй теорії радикалів. У ньому він наївно вважає, що структура молекул залежить від електричних зарядів у молекулах органічних сполук.
На зміну теорії радикалів прийшла теорія типів французького вченого Ш. Жерара, яка розглядала органічні сполуки як похідні найпростіших речовин: водню, води, аміаку. Формули виходили подібні до сучасних, але в них вкладався зміст зовсім інший: формули теорії типів — це лише формули перетворення. Внутрішню будову молекул вважали непізнаною, стаючи на позицію агностицизму — філософського вчення, яке ставить межі людському пізнанню. "Анархія" в хімії пішла на спад завдяки роботам Е. Франкланда та Ф. Кекуля. У хімії утвердилося поняття про валентність, зокрема розвинулося уявлення про чотиривалентність вуглецю. Завдяки працям С. Канніццаро ​​була внесена ясність у питання про атомні та молекулярні маси, про еквіваленти.
Таким чином, до 1860 було досягнуто розуміння фундаментальних понять хімії (атом, молекула, еквівалент, валентність), визнано справедливість закону Авогадро. Все це сприяло розвитку хімії в галузі одержання речовин із заздалегідь заданими специфічними властивостями, що було великим кроком уперед. Подальший розвиток теорія будови знаходить у працях російського вченого А. М. Бутлерова. Атоми в органічних молекулах пов'язані один з одним у певному
210

порядку хімічними силами (силами валентності) Теорія Бутлерова тому й названа теорією хімічної будови, що вона вказувала не так на просторове співрозташування атомів у молекулі, але в розподіл дії хімічних сил спорідненості. Вона вказувала на причини активності одних речовин та пасивності інших. Більше того, вона вказувала на наявність активних центрів та активних угруповань у структурі молекули. І саме тому вона стала для хіміків дієвим керівництвом у практиці синтезу органічних речовин. Ідеї ​​про енергетичну нееквівалентність хімічних зв'язків, обумовлену взаємним впливом атомів у структурі молекули, є головним змістом поняття "структура" в теорії Бутлерова.
Теорія хімічної будови Бутлерова знайшла фізичні обгрунтування квантової механіці. Сьогодні під структурою молекул ми розуміємо і просторову, і енергетичну впорядкованість квантово-механічної системи, що складається з атомних ядер і електронів і має єдину молекулярну орбіталлю. Загалом поняття "структура" в хімії можна дати єдине визначення: структура - це стійка впорядкованість якісно незмінної системи, якою є молекула. Погляди Кекуле і Бутлерова перетворили хімію з аналітичної науки, що займається вивченням складу готових речовин, на науку переважно синтетичну, здатну створювати нові речовини і нові матеріали. Просторова структура розташування атомів у молекулі, особливо в органічній хімії, визначає властивості речовин та особливості хімічних реакцій.
Структуру встановлюють фізичними методами - ядерний магнітний резонанс, електронографія, мас-спектрометрія та ін. Формули будови виражають порядок хімічного зв'язку атомів і кожна речовина має одну певну формулу будови, що відображає порядок хімічного зв'язку атомів у реально існуючій молекулі. Фізичні та хімічні властивості органічних сполук визначаються складом та будовою їх молекул. Водночас можна було судити лише
211

про хімічну будову - порядок хімічного зв'язку атомів. В даний час є можливість визначати просторову будову: визначати розподіл електричних зарядів - електронну будову. Всі три особливості будови становлять одну якісну цілісну будову органічної сполуки. Наприклад, формула С2НбО відповідає двом різним речовинам: диметиловий ефір СН3ОСН3, етиловий спирт С2Н5ОН. Завдяки успіхам хімії та фізики, нині знають, що хімічні явища пов'язані з процесами, що відбуваються в електронній оболонці атомів.
У визначенні будови молекули як єдиної цілісної системи дедалі більше почали застосовувати різні фізико-хімічні методи, засновані на законах квантової механіки. До таких відносяться рефрактометрія, спектроскопія, спектральний ядерний магнітний резонанс (ЯМР), електронний парамагнітний резонанс (ЕПР). В даний час розроблено методи дослідження структури та властивостей хімічних волокон та плівок акустичним методом.
Численні досліди проводяться в галузі залежності структури речовини від її біологічної активності. У зв'язку з цим заслуговує на увагу новий метод кількісних співвідношень структура-активність (скорочено - КССА), що вже зарекомендував себе у фармакології, але придатний для пошуку будь-яких речовин із заздалегідь заданими властивостями.
Отже, еволюція поняття хімічної структури здійснювалася у бік, з одного боку, аналізу її складових частин чи елементів, з другого — встановлення характеру фізико-хімічного взаємодії з-поміж них. Останнє особливо важливе для ясного розуміння структури з погляду системного підходу, де під структурою мають на увазі впорядкований зв'язок та взаємодію між елементами системи, завдяки якій і виникають нові цілісні її властивості. У такій хімічній системі, як молекула, саме специфічний характер взаємодії складових її атомів визначає властивості молекули.
212

9.4. Хімічніпроцеси

Про значні речі не судитимемо надто швидко.
Геракліт

Хімічний процес(Від лат. processus- Просування) являє собою послідовну зміну станів речовини, тісний зв'язок наступних один за одним стадій розвитку, що представляє безперервний, єдиний рух. Вчення про хімічні процеси - це область науки, в якій існує найбільш глибоке взаємопроникнення фізики, хімії та біології. Хімічні процеси поділяються на: гомо-і гетерогенні(залежно від агрегатного стану реагуючих систем), екзо-і ендотермічні(залежно від кількості теплоти, що виділяється і поглинається), окислювальні, відновлювальні(залежно від ставлення до кисню) та ін.
Всі процеси, які протікають навколо нас, можна об'єднати у три великі групи.
1. Мимовільні процеси, які можна використовувати
вати для отримання енергії або виконання роботи. умовами
протікання мимовільних процесів або законами термо
динаміки, що характеризуються їх, є: а) в ізольованій
системі, тобто в системі, для якої виключено будь-який матеріал
ний або енергетичний обмін з навколишнім середовищем, сума
всіх видів енергії є постійна величина; б) зміна
ентальпії (тепловий ефект процесу, АН) залежить тільки від
виду та стану вихідних речовин і продуктів і не залежить
від шляху переходу. Він носить назву закону Гесса та сформулі
ним у 1840 р.
2. Процеси, для здійснення яких потрібна витрата
енергії чи здійснення роботи.
3. Самоорганізація хімічної системи, тобто самовиробництво
вільний процес, що проходить без зміни енергетичного
запасу системи здійснюється тільки в напрямку, при якому
213

порядок у системі збільшується, тобто де ентропія зменшується.
Здатність взаємодії різних хімічних реагентів визначається як їх атомно-молекулярной структурою, а й умовами протікання хімічних реакцій. Процес перетворення одних речовин на інші називається хімічною реакцією. До умов протікання хімічних процесів належать передусім термодинамічні чинники, що характеризують залежність реакцій від температури, тиску та інших умов. На швидкість хімічної реакції також впливають такі умови та параметри:

1. природареагуючих речовин (наприклад, лужні метали розчиняються у воді з утворенням лугів та виділенням водню та реакція протікає за звичайних умов моментально, а цинк, залізо та інші реагують повільно та з утворенням оксидів, а шляхетні метали не реагують взагалі);
2. Температура. При підвищенні температури кожні 10 °С швидкість реакції збільшується в 2-4 разу (правило Вант-Гоффа). З багатьма речовинами кисень починає реагувати з помітною швидкістю вже за нормальної температури (повільне окислення). У разі підвищення температури починається бурхлива реакція (горіння);
3. Концентрація.Для речовин у розчиненому стані та газів швидкість хімічних реакцій залежить від концентрації реагуючих речовин. Горіння речовин у чистому кисні відбувається інтенсивніше, ніж у повітрі, де концентрація кисню майже в 5 разів менша. Тут справедливий закон діючих мас: за постійної температури швидкість хімічної реакції прямо пропорційна добутку концентрації реагуючих речовин;
4. площу поверхні реагування.Для речовин у твердому стані швидкість прямо пропорційна поверхні реагуючих речовин. Залізо та сірка у твердому стані реагують досить швидко лише при попередньому подрібненні та перемішуванні: горіння хмизу та поліна;

5) каталізатор.Швидкість реакції залежить від каталізаторів, речовин, які прискорюють хімічні реакції, але самі при цьому не витрачаються. Розкладання бертолетової солі та пероксиду водню прискорюється в присутності оксиду марганцю (IV) та ін.
Для вступу в хімічну реакцію необхідно подолати певний енергетичний бар'єр, який відповідає енергії активації, можливість накопичення якої залежить від температури. Багато реакцій довгий час не можуть закінчитися. У такому разі кажуть, що реакція досягла хімічної рівноваги. Хімічна система перебуває у стані рівноваги, якщо виконуються такі умови:

Вант-Тофф, використовуючи термодинамічний підхід, класифікував хімічні реакції, а також сформулював основні положення хімічної кінетики. Хімічна кінетика вивчає швидкість протікання хімічних реакцій. Ле Шательє сформулював закон зміщення хімічної рівноваги в хімічних реакціях під впливом зовнішніх факторів — температури, тиску та ін. рівноваги хімічної реакції зміщується в той бік, який послаблює цей вплив.
Хімічні реакції класифікують щодо зміни якості вихідних речовин та продуктів реакції на такі види:
реакції з'єднання- Реакції, при яких з декількох речовин утворюється одна речовина, складніша, ніж вихідні;
реакції розкладання- Реакції, при яких з однієї складної речовини утворюється кілька речовин;
реакції заміщення- Реакції, при яких атоми одного елемента заміщають атом іншого елемента в складній речовині і при цьому утворюються два нових - просте і складне;
реакції обміну- Реакції, при яких реагуючі речовини обмінюються своїми складовими частинами, в результаті
215

чого з двох складних речовин утворюються дві нові складні речовини.
По тепловому ефекту хімічні реакції можна поділити на екзотермічні- з виділенням теплоти та ендотермічні- З поглинанням теплоти. З урахуванням явища каталізу реакції можуть бути каталітичні— із застосуванням каталізаторів та некаталітичні- Без застосування каталізаторів. За ознакою оборотності реакції поділяють на оборотніі незворотні.
Ст.Оствальд, досліджуючи умови хімічної рівноваги, дійшов відкриття явища каталізу. Виявилося, що великою мірою характер і особливо швидкість реакцій залежить від кінетичних умов, які визначаються наявністю каталізаторів та інших добавок до реагентів, і навіть впливом розчинників, стінок реактора та інших умов. Явище каталізу— селективного прискорення хімічних процесів у присутності речовин (каталізаторів), які беруть участь у проміжних процесах, але регенеруються наприкінці реакції, що широко використовується в промисловості, наприклад фіксація азоту та водню, контактний спосіб виробництва сірчаної кислоти та багато інших. Вперше синтез аміаку був здійснений у 1918 р. на основі робіт Габера, К. Боша та А. Мітташа за допомогою каталізатора, що представляє собою металеве залізо з добавками оксидів калію та алюмінію, при температурі 450-550 °С тиску 300-1000 атмосфер. В даний час велику увагу приділяють застосуванню металоорганічних та металокомплексних каталізаторів, що відрізняються високими селективністю та вибірковістю дії. Той самий процес синтезу аміаку при використанні металоорганічного каталізатора вдалося здійснити при звичайній температурі (18 ° С) і нормальному атмосферному тиску, що відкриває великі перспективи у виробництві мінеральних азотних добрив. Особливо велика роль каталізу в органічному синтезі. Найбільшим успіхом у цьому напрямі слід визнати отримання штучного синтетичного каучуку з етилового спирту, здійснене радянським академіком С. В. Лебедєвим у 20-х роках XX століття.
216

Ферменти, або біокаталізатори, відіграють виняткову роль у біологічних процесах та технології речовин рослинного та тваринного походження, а також у медицині. В даний час відомо понад 750 ферментів, та їх кількість щорічно збільшується. Ферменти є біфункціональними та поліфункціональними каталізаторами, оскільки тут має місце узгоджений вплив двох або кількох груп каталізаторів різної природи у складі активного центру ферменту на поляризацію певних зв'язків субстрату. Ця ж концепція лежить в основі каталітичної дії ферменту та теорії кінетики дії ферментів. Головна відмінність ферментів від інших каталізаторів полягає у виключно високій активності та яскраво вираженій специфічності.
Самоорганізація хімічних систем у біологічні, їх єдність та взаємозв'язок підтверджує синтез органічних сполук з неорганічних. У 1824 р. німецький хімік Ф. Велер, учень Берцеліуса, вперше отримав із неорганічного диціану N-C-C-N при нагріванні його з водою щавлеву кислоту НООС-СООН - органічну сполуку. Також було отримано нову органічну речовину – сечовину (карбамід) із ціаністого амонію. У 1854 р. у Франції М. Бертло синтетичним шляхом отримав жир. Найбільшим успіхом хімії 50-60-х років. XX ст. з'явився перший синтез простих білків - гормону інсуліну та ферменту рибонуклерози.

9.5. Еволюціяхімічнихсистеміперспективихімії

Всі наші значущі— минулі,справжні та майбутні— ніщо попорівняно з тим, що ми ніколи не дізнаємось.
К. Е. Ціолковський

Під еволюцією хімічної системи розуміють мимовільний синтез нових хімічних сполук, що є більш складними і високоорганізованими продуктами
217

порівняно з вихідними речовинами. Хіміки сьогодні дійшли висновку, що, використовуючи самі принципи, у яких побудована хімія організмів, у майбутньому можна буде побудувати принципово нову хімію, нове управління хімічними процесами, де почнуть застосовувати принципи синтезу собі подібних молекул. За принципом ферментів будуть створені каталізатори такого ступеня специфічності, що далеко перевершать існуючі нашої промисловості. Хоча хімія в даний час ще далека від вирішення цих проблем, намічені такі шляхи вирішення цього завдання:

1. Розвиток досліджень у галузі металокомплексного каталізу з постійною орієнтацією на відповідні об'єкти живої природи. Сьогодні металокомплексний каталіз поступово збагачується такими прийомами, якими користуються живі організми у ферментативних реакціях, а також прийомами класичного гетерогенного каталізу.
2. Освоєння каталітичного досвіду живої природи, що полягає у певних успіхах моделювання біокаталізаторів. Для вирішення проблеми освоєння каталітичного досвіду живої природи потрібне вивчення законів хімічної еволюції та походження життя.
3. Використання досягнень іммобілізованих систем. Сутність іммобілізації полягає у закріпленні виділених з живого організму ферментів на твердій поверхні шляхом адсорбції, яка перетворює останні на гетерогенний каталізатор і забезпечує його стабільність і безперервну дію, тобто здійснюється біоорганічний каталіз.
4. Розвиток досліджень, орієнтованих застосування принципів біокаталізу в хімії та хімічної технології. Характеризується вивченням і освоєнням всього каталітичного досвіду живої природи, зокрема й досвіду формування самого ферменту, клітини і навіть організму, т. е. це пролог до нової хімічної технології, здатної стати аналогом живих систем.

Успіхи хімії екстремальних станів, каталітичної хімії, в областях металокомплексного каталізу, моделі-
218

рування біокаталізаторів, хімії та технології іммобілізованих систем, "нестаціонарної технології", важливою ланкою якої має стати теорія саморозвитку відкритих каталітичних систем, дозволяють бачити в найближчій перспективі найбагатші можливості розвитку нової хімії. Ця нова хімія вже тепер стає здатною вирішувати такі завдання, для реалізації яких ще не було передумов.
Зокрема, в галузі важкого органічного синтезу це завдання: а) значного прискорення хімічних перетворень у м'яких умовах за рахунок об'єднання в каталізаторах майбутніх переваг гетерогенного, гомогенного та металоензимного каталізу; б) досягнення близької до 100% селективності процесів;
в) здійснення нових важливих енергетично утруднених
процесів за рахунок поєднання ендо- та екзотермічних реакцій;
г) суттєвої економії вуглеводневої сировини та переходу від
нафти до вугілля як найбільш поширеного сировинного джерела
ку. Хімія тепер має реальні передумови для вирішення
таких загальних завдань, як: а) моделювання та інтенсифікація
фотосинтезу; б) фотоліз води з отриманням водню як са
мого високоефективного палива; в) промисловий синтез
широкого спектру органічних продуктів, і в першу чергу
метанолу, етанолу, формальдегіду та мурашиної кислоти, на
основі вуглекислого газу; г) промисловий синтез численний
них фторматеріалів.
Все це є запорукою успішного втілення в життя завдань зі створення маловідходних, безвідходних та енергозберігаючих промислових процесів, дбайливого використання кожного кілограма сировини та кожного кіловата енергії для виробництва необхідних матеріалів.

ВИСНОВКИ

1. Склад, структуру речовини та закономірності їх взаємоперетворень вивчають у хімії, яка є одним із розділів природознавства.
219

2. Основою хімічної науки є атомно-молекулярне
вчення, закон збереження матерії, періодичний закон, теорія
будова речовини, вчення про хімічний процес.

1. Речовина складається із молекул, а молекули з атомів. Атоми у молекулах утримуються хімічними зв'язками. Хімічні зв'язки відрізняються насичуваністю. Валентність атомів визначає характер будови та хімічні властивості молекул.
2. Структура речовини, під якою розуміють упорядкований зв'язок та взаємодія між елементами системи, визначає цілісні її властивості.
3. Для вступу в хімічну реакцію необхідно подолати певний енергетичний бар'єр, який відповідає енергії активації, можливість накопичення якої залежить від температури. До умов протікання хімічних процесів належать передусім термодинамічні чинники, що характеризують залежність реакцій від температури, тиску та інших умов. У більшою мірою характер і особливо швидкість реакцій залежать від кінетичних умов, які визначаються наявністю каталізаторів та інших добавок до реагентів, а також впливом розчинників, стінок реактора та інших умов.
4. Актуальними проблемами сучасної хімії є питання самоорганізації та еволюції хімічних систем, використання каталізу та біокаталізу.

Запитання для контролю знань

1. Назвіть основні етапи розвитку хімічних систем.
2. Назвіть основні перспективні напрямки розвитку сучасної хімії.
3. Чим визначаються хімічні властивості речовини?
4. Як пояснювалися властивості у процесі еволюції хімічних знань?
5. Хто вперше вказав на залежність властивостей речовини від їхнього складу?
6. У чому суть теорії Бутлерова?

1. Відяких чинників залежить активність хімічних процесів?
2. Назвіть основні напрямки розвитку вчення про склад речовини.
3. Як називаються хімічні сполуки постійного складу?

1. Яку загальну назву мають хімічні сполуки змінного складу?
2. Чим зумовлюються хімічний зв'язок тавластивості атомів?
3. Який зв'язок існує між атомною вагою та зарядом ядра атома?
4. Перелічіть основні рівні хімічних структур.
5. Від чого залежить динаміка хімічних процесів?
6. Які речовини називають каталізаторами?
7. Яку роль грає каталіз у еволюції хімічних систем?

Реферат

по предмету "Основи загальної хімії"

Фотохімічні процеси у верхніх шарах атмосфери

Вступ

1. Особливості атмосфери Землі

2. Основні поняття

3. Фотохімія кисню та озону в атмосфері

4. Фотохімічні реакції за участю метану

5. Фотохімічні процеси оксидів азоту

Висновок

Список літератури

Вступ

Атмосфера почала утворюватися разом із формуванням Землі. Деякі геологічні процеси, наприклад, вилив лави при виверженнях вулканів супроводжувалися викидом газів з надр Землі. До їх складу входили азот, аміак, метан, водяна пара, оксид вуглецю (II) (чадний газ) та діоксид вуглецю (вуглекислий газ). Під впливом сонячної ультрафіолетової радіації водяна пара розкладалася на водень і кисень, але кисень, що звільнився, вступав в реакцію з оксидом вуглецю (II), утворюючи вуглекислий газ. Аміак розкладався на азот та водень. Водень у процесі дифузії піднімався вгору і залишав атмосферу, а важчий азот було випаровуватися і поступово накопичувався, стаючи основним її компонентом, хоча його частина зв'язувалася в молекули внаслідок хімічних реакцій.

Під впливом ультрафіолетових променів та електричних розрядів суміш газів, що були у початковій атмосфері Землі, вступала у хімічні реакції, у яких відбувалося утворення органічних речовин, зокрема амінокислот. З появою примітивних рослин розпочався процес фотосинтезу, що супроводжувався виділенням кисню. Цей газ, особливо після дифузії у верхні шари атмосфери, став захищати її нижні шари та поверхню Землі від небезпечних для життя ультрафіолетового та рентгенівського випромінювань. Згідно з теоретичними оцінками, вміст кисню, у 25000 разів менший, ніж зараз, вже міг призвести до формування шару озону з лише вдвічі меншою, ніж зараз, концентрацією. Однак цього вже достатньо, щоб забезпечити дуже суттєвий захист організмів від руйнівної дії ультрафіолетових променів.

1. Особливості атмосфери Землі

Внаслідок фотохімічних процесів змінюється склад атмосфери планет. Особливо це стосується атмосфери Землі, оскільки вона являє собою, поряд з азотом та іншими інертними газами, нерівноважну суміш кисню та окислюваних сполук, таких як водень Н2, метан СН4, монооксид вуглецю СО, сірководень Н2 S. Нерівноважність частково підтримується біологічними процесами основним чинником є ​​сонячна радіація, яка ініціює різні фотохімічні реакції. На більших висотах короткохвильове випромінювання викликає фотоіонізацію, в результаті якої в атмосферу потрапляють іони. Наявність в атмосфері шару іонізованого газу дозволяє здійснювати далекий радіозв'язок. Деякі речовини, які потрапляють в атмосферу в результаті діяльності людини, особливо вихлопні гази автомобілів, зазнають фотохімічних перетворень, у результаті яких утворюються отруйні та токсичні речовини. Продукти неповного згоряння вуглеводнів і монооксиду азоту NO на світлі реагують з киснем з утворенням таких сполук, як озон (токсичний для тварин і рослин), діоксид азоту NO2 (також токсична речовина), пероксиацетилнітрат (речовина, що викликає подразнення слизової очей і токсична для рослин) і частинки сажі, що погіршують видимість.

Більшість фотохімічних процесів починається з того, що речовина поглинає світло. Це призводить до переходу електронів його атомів чи молекул більш високий енергетичний рівень – інакше кажучи, до переходу в збуджений стан. Такі атоми і молекули поводяться інакше, ніж коли вони знаходяться в основному стані, і процеси, в яких вони можуть брати участь, відрізняються від звичайних «теплових» хімічних реакцій. При поглинанні кванта видимого світла енергія збудженої молекули стає порівнянною з енергією хімічних зв'язків, тому молекула може зазнати хімічного перетворення - або сама собою, або в результаті взаємодії з іншою молекулою.

2. Основні поняття

Атмосфера - газова оболонка (геосфера), що оточує планету Земля. Внутрішня поверхня її покриває гідросферу і частково кору, зовнішня межує з навколоземною частиною космічного простору.

ХІМІЧНИЙ СКЛАД АТМОСФЕРИ

Верхні шари атмосфери – це шари атмосфери від 50 км і вище, вільні від збурень, спричинених погодою. На цій висоті повітря розріджене. На поведінку верхніх шарів атмосфери сильно впливають такі позаземні явища, як сонячна та космічна радіація, під дією яких молекули атмосферного газу іонізуються та утворюють іоносферу. Верхні шари атмосфери включають мезосферу, термосферу і іоносферу.

Мезосфера – шар атмосфери висотах від 40 до 90 км. Характеризується підвищенням температури із висотою; максимум температури (порядку +50 ° C) розташований на висоті близько 60 км, після чого температура починає спадати до -70 ° або -80 °C. Таке підвищення температури пов'язані з енергійним поглинанням сонячної радіації (випромінювання) озоном.

Загалом, на всьому протязі мезосфери температура атмосфери зменшується до мінімального її значення близько 180 К на верхній межі мезосфери (званої мезопаузою, висота близько 80 км). На околиці мезопаузи, на висотах 70-90 км, може виникати дуже тонкий шар крижаних кристалів і частинок вулканічного і метеоритного пилу, що спостерігається у вигляді красивого видовища сріблястих хмар незабаром після заходу Сонця.

Термосфера - шар атмосфери, що йде за мезосферою, починається на висоті 80-90 км і тягнеться до 800 км. Температура повітря в термосфері коливається на різних рівнях, може змінюватись від 200 До 2000 К, залежно від ступеня сонячної активності. Причиною є поглинання ультрафіолетового випромінювання Сонця на висотах 150-300 км, зумовлене іонізацією атмосферного кисню. Полярні сяйва і безліч орбіт штучних супутників, а також сріблясті хмари – всі ці явища відбуваються у мезосфері та термосфері.

Іоносфера - верхні шари атмосфери, починаючи від 50-80 км, що характеризуються значним вмістом атмосферних іонів і вільних електронів внаслідок опромінення космічними променями, що йдуть насамперед від Сонця. Ступінь іонізації стає суттєвим вже на висоті 60 кілометрів і неухильно зростає з віддаленням від Землі. На різних висотах в атмосфері відбуваються послідовно процеси дисоціації різних молекул та подальша іонізація різних атомів та іонів. В основному це молекули кисню О2, азоту N2 та їх атоми. Залежно від інтенсивності цих процесів різні шари атмосфери, що лежать вище 60 кілометрів, називаються іоносферними шарами, які мають сукупність іоносферою. Нижній шар, іонізація якого є несуттєвою, називають нейтросферою. Максимальна концентрація заряджених частинок іоносфери досягається на висотах 300-400 км.

Фотохімія – це розділ хімії, у якому вивчаються фотохімічні перетворення, тобто. реакції, які відбуваються під впливом світлового випромінювання. Як самостійна галузь науки фотохімія оформилася у 1-й третині XX ст. Перші фотохімічні закономірності було встановлено XIX в. Основним закон фотохімії став закон квантової еквівалентності, який сформулював А.Ейнштейн в 1912 р. Він говорить: кожен поглинений фотон у первинному акті здатний активувати лише одну молекулу. Ще одним найважливішим законом фотохімії є закон Гротгуса - Дрепера (1818-1843 рр..), Який полягає в тому, що фотохімічні зміни відбуваються тільки під дією світла, що поглинається системою.

Найважливішим параметром фотохімічної реакції є квантовий вихід γ, який визначається ставленням числа фотохімічних перетворень до поглинених квантів:

γ = число фотохімічних перетворень/число поглинених квантів

Залежно від типу фотохімічної реакції квантовий вихід може змінюватися в межах. Це з можливістю втрати поглиненої енергії до фотоперетворення. Якщо час існування фотозбудженої молекули та швидкість фотодисоціації збігаються, то γ ~ 1. При γ >> 1 фотореакція йде ланцюговим механізмом.

Типи фотохімічних реакцій:

1. Фотодисоціація (фотоліз) призводить до розкладання вихідної речовини, що поглинула світлову енергію. Наприклад: розкладання галогенідів срібла (основа срібної фотографії), фотоліз парів ацетону CH3(CO)CH3 → CO + інші продукти.

2. Фотосинтез призводить до утворення складніших сполук. Прикладами реакцій фотосинтезу є:

Фотосинтез озону у верхніх шарах атмосфери, що створює озоновий захисний шар: фотодисоціація: O2 -O+O; фотосинтез: O2 + O-O3

Фотосинтез органічних сполук із вуглекислого газу, води, мінеральних речовин зеленими рослинами. Зокрема, синтез глюкози може бути описаний рівнянням:

6CO2 + 6H2 O - C6 H12 O6 + 6O2 ,

що йде лише під дією світлової енергії та у присутності хлорофілу.

3. Фотохімія кисню та озону в атмосфері

Найбільш типовою фотохімічною реакцією у верхніх шарах атмосфери є дисоціація молекул кисню з утворенням атомів та радикалів. Так, при дії короткохвильового ультрафіолетового (УФ) випромінювання, що утворюються збуджені молекули

O2 *: O2 + hν - O2 * ,

дисоціюють на атоми: O2 * - O + O. Ці атоми вступають у вторинну реакцію з O2 утворюючи озон: O + O2 - O3. Утворення озону відбувається за оборотною реакцією: 3O2 + 68ккал (285 кДж) ↔ 2O3 .

Озон жадібно поглинає ультрафіолетове випромінювання в області від 2000 до 3000 Å, і це випромінювання розігріває атмосферу. Молекула О3 нестійка і за достатніх концентраціях у повітрі за нормальних умов (760 мм рт. ст. і 0о З) мимовільно протягом кількох десятків хвилин перетворюється на O2 із тепла. Підвищення температури та зниження тиску збільшують швидкість переходу в двоатомний стан. При великих концентраціях перехід може мати вибуховий характер. Озон – потужний окислювач, набагато реакційніший, ніж двоатомний кисень. Окислює майже всі метали (за винятком золота, платини та іридію) до їх вищих ступенів окислення. Окислює багато неметалів. Також підвищує рівень окислення оксидів.

Озон в атмосфері визначає характер поглинання сонячної радіації в земній атмосфері. Міститься у незначній кількості: товщина шару озону, приведеного до нормальних умов, у середньому для всієї Землі становить 2,5-3 мм. Основна маса озону в атмосфері розташована у вигляді шару – озоносфери – на висоті від 10 до 50 км з максимумом концентрації на висоті 20-25 км. Озоновий шар, що знаходиться у верхній атмосфері, є своєрідним щитом, що охороняє нас від дії ультрафіолетового випромінювання Сонця. Без цього щита розвиток життя Землі у її сучасних формах навряд було б можливим.

4. Фотохімічні реакції за участю метану

Розгляд поведінки метану в атмосфері розпочнемо з процесів зникнення метану. Справа в тому, що процеси виведення метану з атмосфери відомі в кількісному відношенні набагато повніше, ніж процеси, що забезпечують надходження метану в атмосферу. Інтенсивність процесів стоку метану має бути приблизно рівною інтенсивності джерел метану, що дозволяє надійніше судити про потужність джерел метану в атмосфері.

Молекула метану досить стійка, її нелегко вивести з атмосфери. Метан малорозчинний у воді (30 см3 газу розчиняється в одному літрі води) і видалення його з атмосфери за допомогою опадів не відбувається. Для реального видалення з атмосфери метан необхідно переводити в нелеткі або інші газоподібні сполуки.

Метан, як і багато інших домішок, зникає з атмосфери, в основному реакції з радикалом ВІН:

ВІН + СН4 = Н2 Про + СН3

Радикал ВІН - одна з найбільш реакційних частинок в хімічних процесах. Джерелом радикала ВІН у тропосфері є тропосферний озон (О3). Під дією ультрафіолетового світла молекули тропосферного озону руйнуються з утворенням молекули кисню та надзвичайно реакційного атома кисню у збудженому електронному стані (О*):

О3 + hν = О2 + О*

Атоми кисню відривають один атом водню від води і виходить два радикали ВІН:

О* + Н2 О = 2ОН

Отже, реакції в атмосфері, що призводять до виведення метану, є такими:

ВІН + СН4 = Н2О + СН3,

CH3 + O2 = CH3 O2

CH3 O2 + NO = CH3 O + NO2

CH3 O + O2 = CH2 O + HO2 ,

НО2 + NO = OH + NО2

CH4 + 4O2 = CH2 O + H2 O + 2O3

Молекули формальдегіду, що утворюються, починають брати участь у наступних трьох реакціях, які дають початок новим циклам:

CH2 O + hν = H2 + CO,

СН2 O + hν = Н + НСO,

CH2 O + OH = HCO + H2 O

Друга та третя реакції дають початок наступним циклам, що протікають у присутності оксидів азоту, в результаті яких виникають дві молекули озону та два радикали ВІН. Реакція формальдегіду з радикалом ВІН також призводить до утворення озону:

CH2 O + OH = HCO + H2 O,

CH2 O + 2O2 + hν = CO + O3 + H2 O

Таким чином, в результаті багатоступінчастого процесу відносно невеликої кількості молекул метану утворюється порівняно велика кількість озону.

5. Фотохімічні процеси оксидів азоту

NO та NO2 завжди присутні в атмосфері в кількостях, достатніх для перебігу реакцій за їх участю. 65% загальної кількості зв'язаного азоту Землі є результатом діяльності азотфиксирующих мікроорганізмів грунту, 25% посідає промисловий синтез аміаку. Частина (10%), що залишилася, - результат згоряння азоту в його окис в атмосфері за рахунок високотемпературних (пожежі, грозові розряди) і фотохімічних процесів у верхніх шарах атмосфери. Ці процеси становлять джерело більш менш постійних концентрацій оксидів азоту в атмосфері, і їх рівень є оптимальним для підтримки на постійному рівні хімічних явищ в атмосфері Землі, насамперед сталості концентрації озону.

Фотохімічні реакції за участю оксидів азоту протікають під дією сонячної радіації та у верхніх шарах атмосфери. Забруднення стратосфери цими речовинами відбувається у процесі роботи реактивних двигунів літаків і ракет. Крім того, під дією ультрафіолетової радіації відбувається фотохімічне окиснення азоту повітря, продуктами якого є NO та NO2. З ними пов'язані процеси деструкції озону, причому в них проявляється каталітична роль цих речовин:

O + NO2 - NO + O2

NO + O3 - NO2 + O2

Дослідження останніх років показують поступове підвищення вмісту закису азоту в атмосфері. Це з тим, що з середньому часу життя молекули N2 O у атмосфері близько 180 років і збільшення обсягів антропогенного забруднення відсутні шляхи природного стоку N2 O, крім фотохімічних реакцій у стратосфері:

N2 O + O - N2 + O2 ,

Отже, оксид азоту - важливий чинник, що визначає стан навколишньої атмосфери і зовнішні умови існування. Однак це речовина є і потужним внутрішнім біорегулятором.

Висновок

Таким чином, фотохімічні процеси відіграють найважливішу роль у підтримці сталості газового складу атмосфери Землі. Разом із хімічними процесами в нижніх шарах атмосфери, на поверхні Землі, а також у літосфері та гідросфері вони складають складну систему, яка завдяки своєму функціонуванню є основою забезпечення життєдіяльності та підтримки гомеостазу живих організмів. Озон, отриманий в результаті хімічних перетворень кисню під дією ультрафіолету Сонця, утворює озоновий шар, який змінює спектр ультрафіолетового випромінювання, що досягає земної поверхні, відсікаючи короткохвильову його складову, і тим самим захищаючи живі організми, що населяють Землю, від його шкідливого впливу. Метан, неодноразово взаємодіючи з киснем, оксидами азоту та гідроксильним радикалом OH, так само утворює озон. У результаті замість однієї зниклої в атмосфері молекули метану з'являється 3,5 молекули озону. У атмосфері оксид азоту (II) окислюється до діоксиду азоту. При високій концентрації оксиди азоту можуть чинити токсичну дію на центральну нервову систему людини. Однак під дією сонячного світла діоксид азоту розпадається на монооксид і атомарний кисень, який перетворює кисень О2 знову ж таки на озон О3 .

Нагромаджуючись у нижніх шарах атмосфери, озон здатний надавати шкідливий вплив на організм: викликає кашель, запаморочення, втому. Озон – найсильніший окислювач: при його утриманні у повітрі лише 1 10–5 % (за обсягом) він роз'їдає гуму, руйнує метали, входить у реакції з вуглеводнями, утворюючи небезпечні в людини речовини. Однак максимальна концентрація озону все ж таки спостерігається у верхніх атмосферних шарах, де його роль складно переоцінити.

Список літератури

1) Некрасов Б.В. Основи загальної хімії. М: Хімія, 1989.

2) Бажин Н.М. Хімія на користь сталого розвитку. 1993. Т. 1.

3) Прокоф'єва І.. Атмосферний озон, М.-Л., 1951

4) Зеленін К.М. Оксид азоту(II): Нові можливості давно відомої молекули // Соросівський Освітній Журнал. 1997. № 10.

5) Джуа М. Історія хімії. М.: Світ, 1982.

6) Уейн Р. Основи та застосування фотохімії. М., «Світ», 1991