Читать книгу Единая картина мира. Системно-структурный метод - А. М. Андреюшкин - Страница 7

Следующим за атомным, более высшим уровнем структурной организации материи, является молекулярный уровень, молекула – уменьшительное слово от массы, т. е. молекула, наименьшая частица вещества, обладающая всеми его свойствами. Элементом молекулы является два или большее число атомов, связанных между собой, обобщенными валентными электронами, в результате чего получается качественно новое вещество – молекула, как целостность. Таким образом, химическая связь – это совокупность сил, которые удерживают атомы в пределах молекулы, образуя восьми электронную оболочку (кроме водорода, ограниченного двумя электронами в молекуле). Данная связь является наиболее предпочтительной, т. к. является аналогичной благородным газам. Отдельные атомы до соединения в молекулу, взаимодействуют между собой с помощью сил отталкивания: два положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны отталкиваются, в то же время ядро одного атома и электроны другого притягиваются. Движущей силой, соединяющей атомы в молекулу, является минимум энергии: 2 отдельных атома имеют большую энергию, нежели энергия молекулы, полученной из этих атомов, что можно видеть на рис. 6. Минимум энергии, указанный на графике, есть момент образования молекулы.

Рис. 6

Число и тип атомов, соединенных в молекулу, определяется химической формулой, показывающей количественный и качественный состав. Химическое соединение определяется валентностью и окислением химических элементов. Валентность это способность одних химических элементов присоединять к себе других и соответствует номеру группы в таблице Д. И. Менделеева. Например, металлы: Li, Na, K, Rb, Cs, Fr – всегда одновалентны, т. к. принадлежат к главной подгруппе первой группы. Металлы: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra – всегда двухвалентны, т. к. принадлежат к главной подгруппе второй группы и т. д. У неметаллов две валентности – высшая и низшая. Например, Cl – главный элемент подгруппы 7-й группы – высшая валентность =7, низшая =8–7=1. Между ними имеются соответствующие валентности. Кроме упомянутых выше правил, существует еще правило построения формулы для элементов, проявляющих переменную валентность: высшую валентность проявляет тот элемент, который находится левее и ниже, а элемент, расположенный правее и выше, проявляет низшую валентность.

Однако химической формулы для характеристики молекулы недостаточно, т. к. существуют молекулы-изомеры, имеющие одинаковые химические формулы, но разные свойства вещества. Это говорит о том, что атомы в молекуле имеют различные расположения, определенную топологию, стабилизируемую связями между ними, и поэтому молекулу можно изобразить с помощью структурной формулы, в которой указаны не только сами атомы, но и связи между ними, соответствующие пространственному расположению атомов. Межатомные связи показаны на рис. 7

Рис. 7. ЧЕТЫРЕ СПОСОБА ИЗОБРАЖЕНИЯ МОЛЕКУЛЫ МЕТАНА.

а – химическая формула, указывающая лишь число и тип атомов; б – структурная формула; в – реальная схема молекулы; г – пространственное расположение атомов в молекуле.

Наиболее наглядно явление изомерии представлено на примере этилового спирта C₂H₅OH и диметилового эфира (CH₃)₂O. Структурная формула этих соединений приведена на рис. 8

Рис. 8

По числу атомов, составляющих молекулу, различаются молекулы двухатомные, трехатомные и т. д. Если число атомов в молекуле превышает сотню или тысячу, такую молекулу называют макромолекулярной.

Важным достижением в части определения точного положения атомов в молекулярных кристаллах удалось получить с помощью рентгеновской дифракции. Наиболее полную природу химических связей позволяет исследовать современная квантовая теория. Не смотря на то, что рассчитать точно структуру молекул не удается, все же объяснить особенности химических связей возможно и даже предсказать наличие новых типов химических связей. Различают следующие типы химической связи:

1. ковалентная (неполярная и полярная),

2. ионная,

3. донорно-акцепторная,

4. металлическая,

5. водородная.

В чистом виде эти связи не всегда различимы, однако в теоретическом плане они имеют право на существование. Преобладающей связью является ковалентная, при этом молекулы большей частью являются электрически нейтральны, т. е. два идентичных атома в молекуле расположены симметрично, такая ковалентная связь является неполярной. Однако, встречаются молекулы, имеющие заряд. Когда атомы, с большей электроотрицательностью, объединяются с атомом меньшей электроотрицательностью, так возникает 2 полюса. Такая молекула имеет полярную ковалентную связь. Сама молекула обычно является нейтральной частицей, но иногда молекула имеет положительный или отрицательный заряд (например, металл – галоген), в этом случае связь будет ионной (катионной или анионной соответственно), однако строгости здесь нет. Другие типы связей более понятны, определяются самим названием и достаточно полно описаны в литературе.

Наукой о веществах, их свойствах, строении и превращениях, происходящих в результате химических реакций, а также фундаментальных законах, которым эти превращения подчиняются, занимается химия – одна из важнейших и обширных областей естествознания. Зачатки химии возникли в самом начале развития цивилизации, когда человек стал использовать огонь, дубление шкур, приготовление пищи. В соответствии с классическими научными воззрениями различаются две физические формы существования материи – вещество и поле. Химия изучает большей частью вещества, организованные в атомы, молекулы, ионы и радикалы.

Особый, удивительный вид вещества составляют кристаллы – это, главным образом, твердое тело, имеющее естественную внешнюю форму, правильных симметричных многогранников (которых в реальности не так много), основанную на их внутренней структуре, в которой атомы расположены закономерно, образуя трёхмерно-периодическую пространственную укладку – кристаллическую решетку. В зависимости от условий может сформироваться разные виды кристаллической решетки одного вещества, имеющие различные свойства, например, графит и алмаз. Кристаллы могут быть различных размеров. В одной из пещер найден кристалл гипса длиной 15метров, шириной 1метр.

Удивительно то, что при формировании кристаллической решетки есть какая-то внутренняя сила, создающая вещество геометрически правильной формы в естественных условиях.

Вещества могут быть простые и сложные. Простые вещества представляют собой формы существования химических элементов, представленных в свободном виде; например атомный кислород O, кислород O₂ и озон O₃, или по кристаллической решетке, например алмаз и графит для элемента углерод C. Сложные вещества, т. е. химические соединения, получаемые в результате химической реакции соединения из простых веществ (химического синтеза) или разделения сложных веществ на простые элементы в результате химических реакций разложения (химического анализа). Выше сказанное может быть представлено в виде формулы:

где

E – простые вещества (элементы в свободном виде),

C – сложные вещества (химические соединения),

S – синтез,

A – анализ.

Общее число известных соединений больше 20 млн, и их число принципиально неограниченно, поэтому необходимо пользоваться чёткими правилами при их наименовании, чтобы по названию можно было воспроизвести их структуру. Для этого служит стандарт IUPAC.

Для более четкого понимания сути и для перехода к следующему, более высшему уровню структурной организации материи, необходимо разделение вещества на естественные и искусственные. На молекулярном уровне организуется несколько ветвей более высшего уровня структурной организации материи, но если рассматривать процесс в строгом историческом плане, то возможен только один уровень, геологический. Может возникнуть вопрос – почему не использовался исторический план в рассмотренных ранее уровнях? Дело в том, что эти уровни, возможно, рассматривать только в плане истории познания – в сознании человека, ученого, а геологический уровень необходимо сначала рассмотреть в естественных условиях, до появления человека. потому что человек внес существенные изменения.