Многообразие химических соединений

Химическая эволюция привела к возникновению в природе огромного количества соединений. Это не выглядит удивительным, поскольку механизм образования химических веществ не нуждается в особых условиях, таких, например, как для осуществления нуклеосинтеза. Известны многие миллионы индивидуальных химических соединений постоянного и переменного состава. Естественным образом возникает вопрос: как образуются химические соединения, как из достаточно ограниченного количества элементов возникло такое многообразие веществ?

Одна из основных задач химической науки со времени ее зарождения состояла в развитии учения о химическом составе веществ. Носителем химических свойств вещества, как известно, является молекула. С открытием строения атомов ответ на вопрос о природе их связи в молекулах (химической связи) получил исчерпывающее объяснение.

Согласно современным представлениям, возможность образования молекул объясняется тем, что внутренняя энергия молекулы как системы атомов ниже суммарной энергии этих атомов в изолированном состоянии. Химические связи в молекулах осуществляются посредством электромагнитного взаимодействия электронов и ядер, входящих в молекулы атомов. Наиболее распространены молекулы, в которых реализуются ковалентные и ионные химические связи.

Ковалентная связь образуется при так называемом обобществлении электронов двумя соседними атомами, т. е. за счет совместного использования части электронов (обычно электронных пар). Существенно, что ковалентная связь возникает при сближении атомов с антипараллельными спинами. При этом происходит деформация электронных оболочек атомов и их взаимное перекрытие по линии, соединяющей ядра. На определенном расстоянии между ядрами силы притяжения и отталкивания уравновешиваются, внутренняя энергия принимает минимальное значение и образуется устойчивая система.

Ионная связь обеспечивается электростатическим взаимодействием атомов в ситуации, когда валентный электрон одного из них переходит к другому, т. е. при образовании положительного и отрицательного ионов. Ковалентная и ионная связи являются предельными случаями, как правило же реализуются смешанные химические связи – частично ковалентные, частично ионные. Типичный пример преимущественно ковалентной связи представляет собой молекула кислорода. Пример молекулы с преимущественно ионной связью – молекула поваренной соли (NaCl).

К химическим связям относят также металлическую и донорно-акцепторную связь. Первая из них характерна для веществ, обладающих металлическими свойствами, и обусловлена высокой концентрацией в кристаллической решетке металлов электронов проводимости. Донорно-акцепторная (координационная) связь отличается от ковалентной лишь механизмом образования. Она возникает между атомами и молекулами, обычно не имеющими неспаренных электронов. Один из атомов при этом является донором (от лат. donare – «дарить») пары электронов, другой – акцептором (от лат. acceptor – «принимающий»), способным принимать электроны. Донор имеет свободную неподеленную пару электронов, которая при образовании донорно-акцепторной связи становится общей. После своего возникновения донорно-акцепторная связь практически не отличается от ковалентной.

Внутренняя энергия молекулы вещества является ее важнейшей характеристикой, определяющей ее состояние и свойства. Поскольку молекула – это квантовая система, ее внутренняя энергия квантуется, т. е. принимает определенные дискретные значения. Приближенно внутренняя энергия молекулы равна сумме энергий движения электронов, колебаний ядер атомов и вращения молекулы как целого. Каждая из этих энергий квантуется согласно законам квантовой механики, чему соответствует набор дискретных уровней энергии – электронных, колебательных и вращательных. Состояние молекулы вещества как квантовой системы описывается уравнением Шрёдингера, решение которого, т. е. нахождение уровней энергии, составляет одну из основных задач квантовой химии.

Состав и структура веществ (читай – их молекул) в совокупности с внешними условиями определяют характер химических и физико-химических процессов, в которых они участвуют. Иными словами, способность различных химических реагентов к взаимодействию зависит от их атомно-молекулярной структуры и условий, в которых протекают химические реакции.

Современная химическая наука активно использует физические знания. Учения о химическом составе и химических процессах сложились во многом под влиянием физических концепций, в том числе концепций квантовой механики. Так, физическая химия объясняет химические процессы и устанавливает их закономерности на основе общих принципов физики, в частности учения о строении атомов, ионов и молекул. Возникшая на стыке химии и таких разделов физики, как атомная физика и квантовая механика, химическая физика основана на использовании физических методов исследования. При изучении механизмов химических реакций широко применяются такие традиционные для физики методы, как спектральный анализ, электронная микроскопия, рентгеноструктурный анализ и др. Один из основоположников химической физики Н. Н. Семенов рассматривал химические процессы как связующее звено между объектами физики и биологии.

Дата добавления: 2015-07-08