ВВЕДЕНИЕ

Учебник «Вещество как предмет химии» имеет целью при изучении дисциплины «Введение в специальность» сформировать у студентов первичную теоретическую базу, которая в дальнейшем позволит на современном уровне усвоить материал неорганической, аналитической, физической и органической химии. Необходимость такого курса при изучении химической части программы подготовки специалистов по направлению «Фундаментальная и прикладная химия» и бакалавров по направлению «Химия» вытекает из предмета химии: разработка методов синтеза веществ и изучение их свойств, изменений и превращений. Свойства же веществ определяются их качественным и количественным составом, строением, а изменение состава или строения прекурсоров, сопровождающееся образованием продуктов реакции с отличным от прекурсоров составом или строением, представляет собой сущность химических превращений. В связи с этим глубокое понимание общих задач химии и изменений в системах, происходящих в процессе химических реакций, невозможно без знания: места химии в ряду других естественных наук; предмета и методов химии;

основ теорий строения атома и химической связи; строения веществ в различных агрегатных состояниях; связи строения атомов отдельных элементов с их расположением в Периодической системе химических элементов (ПСХЭ); связи качественного и количественного состава, строения веществ с их физико-химическими свойствами; характера и причин изменения свойств простых и сложных веществ элементов в периодах и подгруппах ПСХЭ; типов фазовых переходов, аллотропии и полиморфизма;

алгоритмов описания строения и свойств простых и сложных веществ (химических, физических, физико-химических, сорбционных, каталитических и т. д.), а также способов их синтеза (изготовления).

Кроме этого, залогом успешного освоения любых разделов химии является изучение и понимание языка науки, т. е. четкое различение отдельных терминов и понятий, а также приобретение навыков по их использованию.

Еще одной особенностью химии является ее масштабность: известно порядка пяти миллионов описанных на данный момент индивидуальных веществ, между которыми (теоретически) можно осуществить порядка 1040 химических реакций. Это показывает актуальность приобретения знаний и навыков по общим закономерностям протекания химических процессов и факторам, определяющим их развитие, а также по приемам и методам, с помощью которых этими процессами можно управлять и оценивать возможность их осуществления при определенных (или заданных) параметрах системы. Только наличие таких общих знаний и навыков позволяет ориентироваться в бесконечно большом объеме химической информации.

Анализировать химическую информацию и предсказывать результаты химических процессов помогают теоретические концепции, объединяющие теорию вопроса и экспериментальные подтверждения выводов теории. Первичной при анализе возможности протекания процесса является химическая термодинамика. В частности, она позволяет предсказать направление смещения химического равновесия при самопроизвольном протекании химической реакции (при известных значениях AG°298, АН°298, S°298 образования, теплоемкости и исходных концентрациях всех компонентов рассматриваемой системы). Если же параметры указанных характеристик для прекурсоров (исходные вещества - предшественники) не известны, их значения с достаточно высокой точностью могут быть оценены по строению их молекул или кристаллов, но только при условии, что исследователю известна связь между термодинамическими и структурными характеристиками веществ.

С другой стороны, термодинамика позволяет по кинетическим характеристикам прямого и обратного процессов рассчитать, например, мольные доли компонентов в системе, находящейся в состоянии химического равновесия.

В свою очередь, кинетика (наука о скорости и механизмах химических процессов) базируется не только на законах термодинамики, но и на теориях, описывающих строение и состояние атомов, ионов, молекул, кластеров и активных комплексов, которые принимают участие в химических реакциях. С практической точки зрения скорость конкретного процесса и навыки по ее управлению так же важны, как и алгоритмы, определяющие направление смещения химического равновесия в системе при самопроизвольном течении процесса или за счет совершения работы над системой. Понятие же «скорость химической реакции» включает в себя представление об элементарных актах процесса, в рамках которого происходит разрушение одних и возникновение других химических связей, т. е. меняется состав и структура участвующих во взаимодействии частиц. Следовательно, без знания теорий строения вещества и химической связи невозможно понять механизм химических процессов и прогнозировать их развитие. Надо отметить, что указанные теоретические концепции справедливы для любых типов прекурсоров (атомных, ионных, молекулярных), которые в конкретном процессе могут находиться в различных агрегатных состояниях (газообразном, жидком, кристаллическом, аморфном), входить в состав растворов, плазмы и т. д., что также оказывает влияние на термодинамику и кинетику этих процессов.

Необходимость формирования у химиков представлений о строении веществ обусловлена также невозможностью создания без таких знаний материалов с требуемой структурой и совокупностью свойств (сплавы, керамика, стекла, ситаллы, функциональные, композиционные, аморфные, аморфно-кристаллические и т. д.). Кроме этого, теории строения вещества дают возможность построить цельную и гармоническую картину физических, технологических и химических явлений, что определяет качество общетеоретической подготовки специалиста в рамках рассматриваемых направлений: химии, технологии веществ, а также материалов на их основе.

Рассматриваемую дисциплину можно отнести к базовым в общей системе знаний о веществах и их свойствах. При этом программа дисциплины должна быть освоена в первом семестре, т. е. представление материала не может базироваться на знаниях по высшей математике, а ранее полученные слушателями сведения по вопросам строения вещества, сложившиеся на основе школьной программы, противоречивы, скудны и, как правило, имеют мало общего с современными представлениями. Это приводит к необходимости рассмотрения разделов курса преимущественно на качественном уровне (в частности, без применения математического аппарата квантовой механики). Тем не менее изложение материала в учебнике не исключает полностью использования математических алгоритмов в доступной форме, а также общих законов физики. При этом применяемые упрощения на качественном уровне не изменяют сущности основных положений рассматриваемых теорий, что позволяет студентам решать поставленные перед ними задачи, связанные с приобретением знаний и навыков по следующим разделам:

  • 1. Естествознание как совокупность наук о материи.
  • 2. Понятие материи, вещества и поля.
  • 3. Предмет и задачи химии, ее роль в системе естественных наук и практическая значимость.
  • 4. История развития представлений о строении атома (модели Томпсона, Резерфорда, Бора), их роль в создании современных теорий атомных систем.
  • 5. Корпускулярно-волновой дуализм материальных частиц. Теоретическое обоснование наличия у любых материальных объектов волновых и корпускулярных свойств (уравнение де Бройля), а также обоснование особенностей их поведения (принцип неопределенности Гейзенберга).
  • 6. Принципы квантовой механики (уравнение Шредингера, волновая функция в полярной системе координат, графическое отображение изменений значений радиальной и угловых составляющих волновой функции при изменении соответственно величин радиуса - вектора и угловых составляющих). Понятия электронной орбитали, энергетического (электронного) уровня и подуровня, физический смысл квантовых чисел, методы определения их значений, формы электронных орбиталей.
  • 7. Принцип Паули, определение на его основе (с учетом понятия «электронная орбиталь») строения электронных уровней и подуровней атомов. Понятие относительной энергии подуровней, электронные формулы атомов и простых ионов.
  • 8. Понятия орбитального, ковалентного, металлического радиусов атома, радиусов ионов, потенциалов (энергий) ионизации, элекроотрицательности. Влияние на значения указанных параметров атомов различных факторов (d- и f-сжатие, эффекты экранирования и проникновения, строение и число пред- внешних подуровней).
  • 9. История открытия и этапы развития периодического закона, его формулировки. Понятия элемента и атома, причины и характер изменения основных параметров атомов элементов по периодам и подгруппам. Строение атомного ядра, определение по номеру элемента и атомной массе числа протонов и нейтронов в ядре, числа электронов в атоме, а по средней атомной массе двух изотопов - расчет массового процента каждого из них.
  • 10. Теория ионной связи и условия ее образования. Энергетическая диаграмма ионной связи, понятия длины и энергии ионной связи. Состав и строение пара, жидкостей и твердых фаз соединений с преимущественно ионным характером связи. Определение координационных чисел катионов и анионов в кристаллах ионных соединений исходя из качественного и количественного состава фазы и соотношения ионных радиусов катионов и анионов, физико-химические свойства этих веществ. Способы расчета энергии ионных кристаллических решеток (термодинамические циклы, например, Борна - Габера), достоинства и недостатки теории ионной связи, а также круг фаз, которые могут быть описаны с помощью этой теории.
  • 11. Кристаллические фазы. Условия, способствующие формированию плотнейших упаковок атомов (ионов) в кристаллах ряда веществ. Достоинства и недостатки теории электронного газа, описывающей электронное строение кристаллов металлов, возможность образования в этих системах направленных ковалентных связей и их роль при прогнозе значения энергии кристаллической решетки металла. Ионные кристаллы, правила Полинга.
  • 12. Понятия поляризующего действия и деформируемости электронных орбиталей ионов, способы расчета относительных значений этих параметров, их роль в описании свойств веществ с преимущественно ионным характером связи. Алгоритмы предсказания на основе теории поляризации:
    • а) изменения температур плавления при переходе от одного ионного соединения к другому;
    • б) координационных чисел катионов и анионов в различных формах соединений;
    • в) термической устойчивости фаз;
    • г) характера электролитической диссоциации гидроксидов и ее степени диссоциации;
    • д) возможности гидролиза по катиону и аниону, а также степени гидролиза;
    • ж) окислительно-восстановительных свойств веществ.

В целом в настоящем учебнике рассмотрены общие вопросы естествознания, истории формирования представлений о строении атома и химической связи, изложены основные теории, базирующиеся на электростатических представлениях (в том числе проанализированы основные типы межмолекулярного взаимодействия). Кроме общетеоретических вопросов, обсуждаемых в рамках указанных тем, большое внимание уделено практике описания различных ионных и молекулярных систем, в том числе прогнозу формирования определенных кристаллических структур, их относительной стабильности, изменению физико-химических свойств молекулярных веществ при изменении их состава и строения и т. д.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >