Предметы химии. Строение атома и теория химических связей

Тема: Предметы химии. Строение атома и теория химических связей 

Содержание 

       Введение…………………………………………………………..2

1. Предметы химии………………………………………………4
2. Строение атома………………………………………………..6
3. Теория химических связей………………………………..….9

Заключение……………………………………………………….14

Список  использованной литературы……………………………15 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

      Формирование  современного естествознания - это  процесс очень сложный и многоплановый, включающий рассмотрение систем наук о природе, или естественных наук, взятых в их взаимной связи, в развитии этих наук в различные исторические эпохи. Одной из важнейших таких систем естествознания, на мой взгляд, является химическая наука. Современная химия развивается стремительными темпами, плодотворно сотрудничая с физикой, математикой, биологией и другими науками.

      Истоки  химических знаний лежат в глубокой древности. В их основе - потребность  человека получить необходимые вещества, объяснить взаимодействие веществ  для своей жизнедеятельности.

      Химия очень тесно связана с производством материальных ценностей и является больше практической наукой. Современные достижения химии в ее практической деятельности вносят большой вклад в общее миропонимание, в развитие естественнонаучных знаний, существенно отражаются на состоянии взаимодействия общества с природой. Добавляемые химией и химической производственной практикой знания о природе, о вещах и превращениях веществ, являются основой для формирования мировоззрения человека, развития общих представлений о мире, о природе человека, его деятельности.

      Еще с древних времен и вплоть до наших  дней в развитии научной, в том  числе и химической мысли, почти  по всем направлениям можно констатировать позитивный и безостановочный прогресс. Научные знания продолжают постоянно  углубляться и совершенствоваться.

      Для формирования у современного человека естественнонаучного способа мышления, целостного мировоззрения необходимы и знания основных положений химии, как одной из важнейших наук, ее исторического развития и современного понимания роли химии для жизни и деятельности человека.

      Роль  вещества и знаний о веществе, природа  химических знаний, пути и средства их формирования в историческом развитии - вот то, с чего в можно начать изучение влияния химии на формирование и развитие современного естествознания.

     Еще одной особенностью химии в ХХ веке стало появление большого числа  новых аналитических методов, прежде всего физических и физико-химических. Широкое распространение получили рентгеновская, электронная и инфракрасная спектроскопия, магнетохимия и масс-спектрометрия, спектроскопия ЭПР и ЯМР, рентгеноструктурный анализ и т.п.; список используемых методов чрезвычайно обширен. Новые данные, полученные с помощью физико-химических методов, заставили пересмотреть целый ряд фундаментальных понятий и представлений химии. Сегодня ни одно химическое исследование не обходится без привлечения физических методов, которые позволяют определять состав исследуемых объектов, устанавливать мельчайшие детали строения молекул, отслеживать протекание сложнейших химических процессов.

     Для современной химии также стало  очень характерным всё более  тесное взаимодействие с другими  естественными науками. Физическая и биологическая химия стали  важнейшими разделами химии наряду с классическими – неорганической, органической и аналитической. Пожалуй, именно биохимия со второй половины ХХ столетия занимает лидирующее положение в естествознании.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Предметы  химии

      Химия изучает состав, свойства и превращения  веществ, а также явления, которые  сопровождают эти превращения. Одно из первых определений химии как науки дал русский ученый М.В. Ломоносов: «Химическая наука рассматривает свойства и изменения тел... состав тел... объясняет причину того, что с веществами при химических превращениях происходит». По Менделееву, химия — это учение об элементах и их соединениях. Химия относится к естественным наукам, которые изучают окружающий нас мир. Она тесно связана с другими естественными науками: физикой, биологией, геологией. Многие разделы современной науки возникли на стыке этих наук: физическая химия, геохимия, биохимия. Химия тесно связана также с другими отраслями науки и техники. В ней широко применяются математические методы, используются расчеты и моделирование процессов на ЭВМ. В современной химии выделилось много самостоятельных разделов, наиболее важные из которых, кроме отмеченных выше, неорганическая химия, органическая химия, химия полимеров, аналитическая химия, электрохимия, коллоидная химия и другие. Объектом изучения химии являются вещества. Обычно их подразделяют на смеси и чистые вещества. Среди последних выделяют простые и сложные. Простых веществ известно более 400, а сложных веществ — намного больше: несколько сот тысяч, относящихся к неорганическим, и несколько миллионов органических. Курс химии, изучаемый в средней школе, можно разделить на три основные части: общую, неорганическую и органическую химию. Общая химия рассматривает основные химические понятия, а также важнейшие закономерности, связанные с химическими превращениями. Этот раздел включает основы из различных разделов современной науки: «физической химии, химической кинетики, электрохимии, структурной химии и др. Неорганическая химия изучает свойства и превращения неорганических (минеральных) веществ. Органическая химия изучает свойства и превращения органических веществ. Роль химии в промышленности и сельском хозяйстве. Во все времена химия служит человеку в его практической деятельности. Еще в древности возникли ремесла, в основе которых лежали химические процессы: получение металлов, стекла, керамики, красителей. Большую роль играет химия в современной промышленности. Химическая и нефтехимическая промышленность являются важнейшими отраслями, без которых невозможно функционирование экономики. Среди важнейших продуктов следует назвать кислоты, щелочи, соли, минеральные удобрения, растворители, масла, пластмассы, каучуки и резины, синтетические волокна и многое другое. В настоящее время химическая промышленность выпускает несколько десятков тысяч наименований продукции. Исключительно важную роль играют химические продукты и процессы в энергетике, которая использует энергию химических реакций. Для энергетических целей используются многие продукты переработки нефти (бензин, керосин, мазут), каменный и бурый уголь, сланцы, торф. В связи с уменьшением природных запасов нефти вырабатывается синтетическое топливо путем химической переработки различного природного сырья и отходов производства. Развитие многих отраслей промышленности связано с химией: металлургия, машиностроение, транспорт, промышленность строительных материалов, электроника, легкая, пищевая промышленность – вот неполный список отраслей экономики, широко использующих химические продукты и процессы. Во многих отраслях применяются химические методы, например, катализ (ускорение процессов), химическая обработка металлов, защита металлов от коррозии. Большую роль играет химия в развитии фармацевтической промышленности: основную часть всех лекарственных препаратов получают синтетическим путем. Исключительно большое значение химия имеет в сельском хозяйстве, которое использует минеральные удобрения, средства защиты растений от вредителей, регуляторы роста растений, химические добавки и консерванты к кормам для животных и другие продукты. Использование химических методов в сельском хозяйстве привело к возникновению ряда смежных наук, например, агрохимии и биотехнологии, достижения которых в настоящее время широко применяются в производстве сельскохозяйственной продукции. Бурное развитие промышленности, в том числе химической, создало серьезную проблему: необходимость снизить отрицательное ее воздействие на окружающую среду. Наука, которая изучает взаимоотношение человечества с окружающей средой, получила название экология. Экология имеет тесную связь с химией. С одной стороны, химическое воздействие на окружающую среду наносит ей большой вред, но с другой стороны, предупредить деградацию природы можно путем использования химических методов. Химия и химическая промышленность являются одними из наиболее существенных источников загрязнения окружающей среды. Другими наиболее неблагоприятными в экологическом отношении производствами являются черная и цветная металлургия, автомобильный транспорт и энергетика (главным образом, тепловые станции). Только разумное знание и использование химии будет способствовать увеличению богатств страны. 

2. Строение атома 

      Научные исследования, проводившиеся в конце XIX - начале XX вв. позволили предложить следующую модель строения атома:

      1. В центре атома находится положительно  заряженное ядро, занимающее ничтожную  часть пространства внутри атома.

      2. Весь положительный заряд и  почти вся масса атома сосредоточены  в его ядре.

      3. Ядра атомов состоят из протонов  и нейтронов ( нуклонов). Число  протонов в ядре равно порядковому  номеру элемента, а сумма чисел  протонов и нейтронов соответствует  его массовому числу.

      4. Вокруг ядра по замкнутым орбитам  вращаются электроны. Их число  равно положительному заряду  ядра.

      Ядро - это центральная позитивно заряженная часть атома, в которой сосредоточена  его масса.

Электрон - частица с негативным зарядом.

      Нейтрон - нейтральная частица, не имеющая электрического заряда.  
          Протон - положительно заряженная частица, с такой же массой, как и нейтрон. Заряд протона равен заряду электрона и противоположен по знаку. 
Число протонов в ядре атома равно числу электронов. Это число определяет заряд ядра атома элемента и его порядковый номер элемента в таблице Менделеева. При известных условиях нейтрон может превращаться в протон и наоборот.

      Атомные массы элементов в периодической  таблице являются средним значением  из массовых чисел природных смесей из изотопов. Поэтому они не могут, как считал Менделеев, служить главной характеристикой атома и элемента. Такой характеристикой является заряд ядра атома. Он определяет число электронов в нейтральном атоме, которые распределяются вокруг ядра по определенным орбитам и определяют химические свойства атомов. В результате этого было дано новое определение химического элемента и уточнена формулировка периодического закона: химический элемент - это совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра.

      Свойства  элементов, а также свойства и  формы их соединений находятся в  периодической зависимости от заряда ядра атома элемента. 
Открытое Беккерелем явление радиоактивности было первым примером ядерных реакций - превращений ядер одного элемента в ядра другого элемента. Сейчас известно очень много ядерных реакций; все они относятся к физическим явлениям и поэтому в обычном курсе химии не рассматриваются.

      В результате экспериментов, посвященных  изучению строения атома, было установлено, что атом состоит из положительно заряженного ядра и электронной оболочки.

      Ядро  образовано протонами и нейтронами.

      Протон — это частица, имеющая положительный заряд (+1).

      Нейтрон — это нейтральная частица, заряд ее равен 0.

      Из  определений следует, что величина заряда ядра атома равна числу протонов и имеет положительное значение.

      Электронная оболочка образована электронами, заряд  у которых отрицательный. Число  электронов равно числу протонов, поэтому заряд атома в целом  равен 0 (т.е. атом электронейтральная частица).

      Число протонов, а, следовательно, заряд ядра и число электронов численно равны порядковому номеру химического элемента.

      Далее следует отметить, что практически  вся масса атома сосредоточена в ядре. Это связано с тем, что масса электрона настолько меньше массы протона или нейтрона, что ею пренебрегают (не учитывают). 
       Электроны двигаются вокруг ядра атома, не беспорядочно, а в зависимости от энергии, которой они обладают, образуя так называемый электронный слой.

      На  каждом электронном слое может располагаться  определенное число электронов: на первом — не больше двух, на втором — не больше восьми, на третьем —  не больше восемнадцати.

      Число электронных слоев определяется по номеру периода, в котором расположен химический элемент.

      Число электронов на последнем (внешнем) слое определяется по номеру группы рассматриваемого элемента.

      Так, например, кислород расположен во втором периоде VI группы. Из этого следует, что у него два электронных слоя и на внешнем (втором) расположено шесть электронов.

      Электронные слои заполняются у атомов постепенно, по мере увеличения общего числа электронов, которое соответствует порядковому  номеру химического элемента. В сумме  на первых двух электронных слоях может располагаться не более 10 электронов, т. е. элементом, завершающим второй период, является неон (Ne).

      У атомов третьего периода в атоме  находится три электронных слоя. Первый и второй электронные слои заполнены электронами до предела. Для первого представителя элементов третьего периода натрия схема расположения электронов в атоме выглядит так:    

       
      Из схемы видно, что атом натрия имеет заряд ядра +11. Электронную оболочку атома составляют 11 электронов. На первом электронном слое находится два электрона, на втором — восемь, а на третьем — один электрон. У магния, как элемента II группы этого периода, на внешнем электронном слое находится уже два электрона:

      Для остальных элементов периода изменение строения атома происходит аналогично. У каждого последующего элемента, в отличие от предыдущего, заряд ядра больше на одну единицу и на внешнем электронном слое расположено на один электрон больше. Число электронов, располагающихся на внешнем электронном слое, равно номеру группы.

      Завершает период аргон. Заряд его ядра +18. Это  элемент VIII группы, поэтому на внешнем электронном слое его атома находится восемь электронов: 
    

       
      Далее можно сделать выводы и об изменении свойств элементов в периоде.     
      Любой период (кроме первого) начинается типичным металлом. В третьем периоде это натрий Na. Далее следует магний Mg, также обладающий ярко выраженными металлическими свойствами. Следующий элемент в периоде — алюминий А1. Это амфотерный элемент, проявляющий двойственные свойства (и металлов и неметаллов). Остальные элементы в периоде — неметаллы: кремний Si, фосфор Р, хлор С1. И заканчивается период инертным газом аргоном Аг.

      Таким образом, в периоде происходит постепенное  ослабление металлических свойств и возрастание свойств неметаллов. Такое изменение свойств объясняется увеличением числа электронов на внешнем электронном слое: от 1 — 2, характерных для металлов, и заканчивая 5 — 8 электронами, соответствующими элементам-неметаллам. 
 
 

3. Теория химических связей 

      Теория, описывающая строение органических соединений, т.е. последовательность (порядок) расположения атомов и связей в молекуле, взаимное влияние атомов, а также связь строения с физическими и химическими свойствами веществ.

      Впервые основные положения теории химических связей были высказаны А.М. Бутлеровым в докладе "О химическом строении веществ" (съезд немецких естествоиспытателей, г. Шпейер, 1861). Он писал: "Исходя от мысли, что каждый химический атом, входящий в состав тела, принимает участие в образовании этого последнего и действует здесь определенным количеством принадлежащей ему химической силы (сродства), я называю химическим строением распределение действия этой силы, вследствие которого химические атомы, посредственно или непосредственно влияя друг на друга, соединяются в химическую частицу".

      Основные  положения теории химических связей заключаются в следующем:

      а) в органических молекулах атомы соединяются между собой в определённом порядке согласно их валентности, что определяет химическое строение молекул;

      б) химические и физические свойства органических соединений зависят как от природы  и числа входящих в их состав атомов, так и от химического строения молекул;

      в) для каждой эмпирической формулы  можно вывести определённое число  теоретически возможных структур (изомеров);

      г) каждое органическое соединение имеет  одну формулу химического строения, которая даёт представление о  свойствах этого соединения;

      д) в молекулах существует взаимное влияние атомов как связанных, так  и непосредственно не связанных  друг с другом. Последнее положение  теории было развито учеником Бутлерова  В. В. Марковниковым и в дальнейшем — многими другими учёными.

      Теория  химических связей позволила объяснить остававшиеся непонятными для химиков того времени известные случаи изомерии (положения и скелета). Оправдалось предвидение Бутлерова о возможности определения пространственного расположения атомов в молекуле. В 1874 Я. Вант-Гофф и независимо от него французский химик Ж. Ле Бель высказали идею о том, что четыре валентности углерода имеют чёткую пространственную ориентацию и направлены к вершинам тетраэдра, в центре которого находится атом углерода. Это положение об определённой пространственной ориентации химических связей легло в основу нового раздела органической химии — стереохимии. Оно позволило объяснить ряд уже известных к тому времени случаев геометрической и, главным образом, оптической изомерии, а также явление, получившее в дальнейшем название таутомерии.

      Правильность  своей теории Бутлеров подтвердил синтезом ряда органических соединений. Теория химических связей обладала огромной предсказательной способностью в направлении синтеза органических соединений и установлении строения уже известных веществ. Поэтому теория Бутлерова способствовала бурному развитию химической науки, в том числе синтетической органической химии, и химической промышленности.

      Дальнейшее  развитие теории химических связей обогатило органическую химию новыми представлениями, например, о циклическом строении бензола (Кекуле, 1865) и осцилляции (перемещении) двойных связей в его молекуле (1872) (это представление сыграло очень большую роль в химии ароматических и гетероциклических соединений), об особых свойствах соединений с сопряжёнными связями (теория парциальных валентностей, Ф. К. И. Тиле, 1899) и др. Развитие стереохимии привело к созданию теории напряжения (А. Байер, 1885), объясняющей различную устойчивость циклов в зависимости от их размера, и в дальнейшем — к конформационному анализу (немецкие химики Г. Заксе, 1890, и Э. Мор, 1918). Основные положения теории химических связей получили подтверждение при изучении органических соединений химическими, физическими и расчётными методами.

      Фундаментальное значение в теории химических связей имеют представления о взаимном влиянии атомов в молекулах органических соединений. Однако теория химических связей не могла объяснить природу этого влияния, его внутренний механизм. Это стало возможным благодаря успехам физики, позволившим раскрыть сущность понятий "валентность" и "химическая связь". С начала 20 в. возникают электронные представления в органической химии, в основе которых лежат электронные трактовки природы ионов (Дж. Дж. Томсон), ионной связи (В. Коссель) и ковалентной связи (немецкий физик И. Штарк, Г. Н. Льюис). Электронные представления позволили объяснить причину взаимного влияния атомов (статическим и динамическим смещением электронной плотности в молекуле) и предсказывать направленность реакций в зависимости от химического строения реагентов. С конца 20-х гг. 20 в. химическую связь стали трактовать с позиций квантовой химии.

      Теория  Бутлерова лежит в основе номенклатуры и систематики органических соединений, а применение его структурных  формул помогает как определению  путей синтеза новых веществ, так и установлению строения сложных (в т. ч. и природных) соединений. 
 
 
 
 

Заключение

      Роль  развития химии как науки, в развитии естественнонаучных знаний - одна из ключевых ролей. Будучи составной частью в  истории формирования общей естественнонаучной картины мира, история познания химических свойств вещества, история практического овладения им, тесно переплеталась с историей развития отношения человека с окружающим миром.

      Люди  всегда проявляли интерес к практической стороне развития химии, затем, на более  поздних этапах становления химических знаний - к методологической стороне.

      Развитие  химической науки, физики и биологии, оказывало влияние на формирование общих мировоззренческих и естественнонаучных знаний, на характер и вопросы законов  познания.

      Химической науке в ее современном развитии и связи с современным естествознанием предстоит выяснить процессы образования минералов земной коры, химических соединений на других планетах и звездах, проникнуть в самые тайники биохимических превращений, вооружить промышленность, сельское хозяйство, здравоохранение новыми синтетическими препаратами, защитить окружающую среду. Те успехи, которые одерживала химия в познании природы, явились результатом тесного единства в развитии химической теории и практики, а также взаимодействия развития химических знаний со знаниями в областях других наук

      В заключение можно сказать, что роль химической науки в формировании, становлении естествознания, его  научных основ, является одной из основополагающих. Достижения химии, химические законы выступают как одна из важнейших составных частей концепции современного естествознания.  
 

Список  использованной литературы 

1. Бутлеров  А. М., Соч., т. 1—3, М., 1953—1958.
2. Марковников В. В., Избр. труды, М., 1955.
3. Столетие теории химического строения. Сб. статей, М., 1961.
4. Быков Г. В., История классической теории химического строения, М., 1960;
5. Жданов Ю. А., Теория строения органических соединений, М., 1971.