I Химические обозначения

В химии для обозначения химических элементов, ото­бражения состава сложных веществ и химических реакций, для показа производимых количественных расчетов выра­ботан свой особый язык.

Элементы принято обозначать химическими символа­ми. Символ состоит из первой буквы или первой и одной из следующих букв латинского названия элемента — пер­вая буква всегда прописная, вторая — строчная. Например, бор (Borum) имеет символ В, барий (Barum) обозначается Ва, железо (Ferrum) — Fe и т. д.

Состав сложных химических веществ отображается химическими формулами. При этом символы элементов пишутся рядом друг с другом. Например, FeS — формула соединения железа с серой; H₂SO₄ — формула серной кис­лоты, где цифры показывают необходимые пропорции вхо­дящих в состав серной кислоты водорода, серы и кислоро­да. С помощью химических символов и формул записыва­ются химические уравнения. В каждом уравнении, как в математике, имеются две части, соединенные знаком равен-

254

ства. В левой части записываются формулы веществ, всту­пающих в реакцию, в правой — формулы веществ, образо­вавшихся в результате реакции. По химическим форму­лам и уравнениям производятся различные количествен­ные расчеты.

I Основные законы химии

Х имические процессы подчиняются всеобщим законам природы — закону сохранения массы вещества и закону сохранения энергии, а также ряду специфических для хи­мии законов, которыми управляются все химические реак­ции.

Закон сохранения массы вещества установили М.В. Ломоносов (1756 г.) и А.Л. Лавуазье (1789 г.) почти независимо друг от друга. Они далеко продвинули разви­тие химии тем, что при химических реакциях применили физические методы, в частности, взвешивание.

Закон сохранения массы в химических процессах мож­но сформулировать так: масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе веществ, образующих­ся в результате реакции. Например, при разложении воды масса воды будет равна сумме массы водорода и массы кис­лорода. Из закона сохранения вещества вытекает, что ве­щество нельзя ни создать из ничего, ни уничтожить совсем.

Количественным выражением закона сохранения мас­сы веществ применительно к производственному химиче­скому процессу является материальный баланс, в котором подтверждается, что масса веществ, поступивших на техно­логическую операцию (приход), равна массе полученных веществ (расход):

где- соответственно массы твердых, жидких и

газоооразных материалов, поступивших на обработку (при­ход материалов); — массы продуктов, получив­шихся в результате химической переработки (расход мате­риалов).

Закон сохранения массы веществ М.В. Ломоносов свя­зывал с законом сохранения энергии. Он рассматривал эти

255

законы в единстве. Взгляды Ломоносова подтверждены современной наукой.

Закон сохранения энергии действует во всех случаях и повсюду, где одна форма энергии переходит в другую. Например, при переходе энергии пара в турбине в энергию вращательного движения, т. е. механическую энергию, при переходе электрической энергии в электрической лампоч­ке в световую и т. д. Так же как нельзя ни уничтожить, ни создать вещество, нельзя ни создать, ни уничтожить энергию.

Особым видом энергии является химическая энергия, которая освобождается или расходуется при каждой хими­ческой реакции. Химическую энергию, как любой вид энер­гии, можно превратить в механическую (использование взрывчатых веществ), тепловую (сжигание топлива), элект­рическую (гальванические элементы) и т. п. Измерить хи­мическую энергию непосредственно нельзя. Ее величина определяется, как и величина тепловой энергии, в килоджо­улях (в кДж).

Различают химические реакции с выделением тепла и химические реакции с поглощением тепла. Первые назы­ваются экзотермическими, вторые — эндотермическими реакциями. Изучением тепловых явлений при химических реакциях занимается термохимия.

Количественным выражением закона сохранения энер­гии в химическом производстве является тепловой (энер­гетический) баланс. Применительно к тепловым процес­сам химической переработки закон сохранения энергии формулируется так: количество тепловой энергии, прине­сенной в зону взаимодействия веществ, равно количеству энергии, вынесенной веществами из этой зоны. Пример равенства прихода и расхода теплоты можно выразить уравнением:

где Q_ф — физическая теплота, введенная в процесс с исход­ными веществами; Q_э — теплота экзотермических реак­ций; Q_в — теплота, введенная в процесс извне; Q'_ф — фи­зическая теплота, выведенная из процесса с продуктами реакции; Q'_п — потери теплоты в окружающую среду.

К специфическим законам химии относятся такие зако­ны, как закон постоянства состава (Ж. Пруст, 1808 г.), закон

256

постоянных весовых отношений (Дж. Дальтон, 1800 г.), за­кон простых объемных отношений для газов (Ж.Л. Гей-Люс­сак, 1808 г.) и в качестве его развития — закон А. Авогад-ро (1811 г.). Данными законами руководствуются ученые-хи­мики и практики для проведения химических расчетов.

I Реакционная способность веществ

Ч исло известных в природе и технике химических про­цессов очень велико. Одни из них, например, окисление бронзы на воздухе, протекают веками, другие — горение бен­зина — очень быстро. Разложение же взрывчатых веществ происходит в миллионные доли секунды. При промышлен­ном производстве химических продуктов очень важно знать закономерности протекания реакций во времени, т. е. зави­симость их скорости и выхода продукта от температуры, давления, концентрации реагентов и примесей.

Изучением скорости и особенностей протекания хими­ческих реакций занимается химическая кинетика. Осно­вополагающим для химической кинетики является пред­ставление о том, что исходные вещества, вступающие в химическую реакцию, чрезвычайно редко непосредственно превращаются в ее продукты. В большинстве случаев ре­акция проходит ряд последовательных и параллельных стадий, на которых образуются и расходуются промежуточ­ные вещества. Число последовательных стадий может быть очень велико — в цепных реакциях их десятки и сот­ни тысяч. Время жизни промежуточных веществ весьма разнообразно: одни вполне стабильны, другие существуют в равновесном состоянии доли секунды. Изучение скоро­сти протекания химических процессов показало, что хими­ческие реакции протекают тем быстрее, чем выше темпе­ратура, давление и концентрация реагентов.

На скорость некоторых химических реакций можно влиять присутствием небольшого количества определен­ных веществ, которые сами в реакции участия не прини­мают. Вещества эти называются катализаторами. Катали­заторы бывают положительными, ускоряющими реакцию, и отрицательными — замедляющими ее. Каталитическое ускорение химической реакции называется катализом и

9. За*. 671 ²⁵⁷

является приемом современной химической технологии (производство полимерных материалов, синтетического топ­лива и др.). Считается, что удельный вес каталитических процессов в химической промышленности достигает 80%. Благодаря катализу существенно повысилась эффектив­ность экономики химической промышленности, поскольку ускорение химических реакций заметно влияет на сниже­ние издержек производства.

9. Атомно-молекулярное учение

В едущей идеей атомно-молекулярного учения, состав­ляющего фундамент современной физики, химии и есте­ствознания, является идея дискретности (прерывности стро­ения) вещества. Вещество не заполняет целиком занима­емое им пространство, оно состоит из отдельных, на­ходящихся на очень малом расстоянии друг от друга час­тиц, называемых молекулами. Молекула — это наименьшая частица данного вещества, обладающая его химическими свойствами. Свойства молекулы определяются ее составом и химическим строением.

Каждая молекула, в свою очередь, состоит из атомов. Атом — наименьшая частица химического элемента, вхо­дящая в состав молекул простых и сложных веществ. Химические свойства элемента определяются строением его атомов. Число видов молекул исчисляется количе­ством возможных соединений атомов (порядка миллиона), число атомов равно числу химических элементов (116, о чем уже было сказано выше).

Атомы разных наименований веществ различаются атомной массой. При обычных условиях атомы отдельно существовать не могут. Ввиду их способности соединять­ся, одноименные атомы образуют молекулы элементов, а разноименные — молекулы соединений. Атомы элементов не меняются в результате химического процесса. Молеку­лы при любой химической реакции изменяются.

Атом сложен по своему строению. С открытием радио­активности в самом конце XIX века представление о не­делимости атома изменилось. Было доказано, что атомы

258

веществ имеют сложное строение, и что все химические изменения вызываются преимущественно действием элект­рических сил. Атомы всех элементов являются системами, образующимися из так называемых элементарных час­тиц — протонов, электронов, нейтронов. Атомы одного и того же элемента имеют ядро, содержащее одинаковое число протонов. Атомы разных элементов различаются между собой числом протонов и их расположением.

Согласно электронной теории строения вещества, атом любого элемента состоит из электрически положительно заряженного атомного ядра, состоящего из протонов и ней­тронов. Вокруг ядра, подобно планетам Солнечной систе­мы, обращаются электроотрицательно заряженные элект­роны («электронная оболочка»), которые по сравнению с ядром почти не имеют массы. Атом в целом является электрически нейтральным — заряд ядра атома равен за­ряду электронной оболочки, т. е. число электронов оболоч­ки равно числу протонов ядра атома. Электроны вращают­ся вокруг ядра атома по определенным энергетически урав­новешенным орбитам.

Таким образом, определение атома, приведенное выше, следует уточнить. Согласно современным представлениям, атом — это электронейтральная частица, состоящая из по­ложительно заряженного атомного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Молекулы, находясь в непрерывном движении, сталки­ваются друг с другом электронными оболочками. Так как электронные оболочки молекул отталкиваются, то они при столкновении отскакивают. Если соударения сильные, то может высвободиться достаточное количество энергии для перегруппировки электронов в столкнувшихся молекулах. При этом происходит формирование нового набора связей между атомов, т. е. образование новых соединений. Так, со­гласно атомно-молекулярного учения, происходят химиче­ские реакции.

Учение о строении атома сыграло колоссальную роль в химии и физике XIX века. На основе атомной модели вскрыты глубинные принципы периодического изменения свойств химических элементов и развита теория Периоди­ ческой системы Д.И. Менделеева. Решающее значение здесь имело установление закономерностей формирования электронных конфигураций (оболочек) по мере роста заря­ 259

Периодический закон и Периодическая система элементов Д.И. Менделеева (см. таблицу) позволили химии стать ис­тинной наукой. Химия перестала быть описательной, экспе­риментальной научной дисциплиной. С открытием периоди­ческого закона в ней стало возможным научное предвиде­ние. Периодический закон и Периодическая система уско­рили развитие учения о строении атома, что привело к откры­тию атомной энергии и использованию ее для нужд челове­чества. Периодический закон сыграл решающую роль в раз­витии ряда смежных с химией естественных наук.

С учетом данных периодической системы элементов решаются современные задачи химической науки и про­мышленности. Успешно ведутся работы по получению но­вых полимерных и полупроводниковых материалов, жаро­прочных сплавов, веществ с заданными свойствами. Реша­ются другие задачи, в том числе и задачи охраны окру­жающей среды, освоения космоса и т. д.

Применение атомно-молекулярного учения позволяет дать толкование многим положениям, изложенным выше, достигнутым экспериментально. Согласно данной теории, можно констатировать:

а) основой любого вещества являются атомы;

б) элементы — это вещества, состоящие из одинаковых молекул, которые, в свою очередь, состоят из одного или нескольких одинаковых атомов (газообразные элемен­ ты обычно имеют двухатомные, металлы — одноатом­ ные молекулы);

в) соединения — это вещества, состоящие из одинаковых молекул, каждая из которых состоит из разных атомов;

г) смеси — это вещества, состоящие из разных молекул;

д) аморфные вещества — это вещества с неупорядочен­ ным расположением атомов и молекул;

е) кристаллические вещества — вещества с упорядочен­ ным, периодическим расположением в пространстве атомов в виде кристаллической решетки.

Следует сказать, что большое число веществ, имеющих кристаллическое строение, состоит не из молекул, а из элект-

261

роположительных ионов. Ионы — это электрически заряжен­ные частицы — атомы или атомные группы, потерявшие или присоединившие к себе некоторое количество электронов. Положительно заряженные ионы называются катионами, отрицательно заряженные — анионами. Химические соеди­нения при этом называются ионными соединениями.

Из атомно-молекулярного учения следует, что при каж­дой химической реакции сначала молекулы реагирующих веществ распадаются на атомы, а затем свободные атомы соединяются в новые молекулы. При этом, подчеркнем еще раз, атомы элементов не меняются, изменяются только мо­лекулы участвующих в реакциях веществ. Химическое со­единение элементов объясняется способностью атомов одного элемента соединяться с одним или несколькими атомами другого элемента. Эта способность к соединяемости, как уже говорилось, называется валентностью. Электронная теория строения вещества говорит о том, что соединяться могут только такие элементы, атомы которых имеют неза­полненные внешние электронные орбиты (валентные сфе­ры), обладающие определенной валентностью и вследствие чего проявляющие неустойчивость и стремление к упоря­дочению.

Существует большое разнообразие типов химического взаимодействия веществ. Однако характерным для них яв­ляется перестройка электронных оболочек связываемых между собой атомов. В результате перестройки происходит обобществление электронов соединяемых элементов, а си­стема в целом приходит в устойчивое положение. Меж­атомное взаимодействие, сопровождающееся перестройкой валентных электронных оболочек атомов и обобществле­нием электронов, называют химической (или ковалентной) связью.

Исследование радиоактивности химических элементов привело к открытию изотопов. С современной точки зре­ния, изотопы — это разновидности атомов одного и того же химического элемента: у них разная атомная масса, но одинаковый заряд ядра. Ядра таких элементов содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов и занимают одно и то же место в периодической системе эле­ментов. Почти все элементы имеют два или более изото­пов. Например, водород — два, кислород — три, железо — четыре и т. д. Только примерно 24 элемента не имеют изо-

262

топов. Изотопы применяют в ядерной технике как конст­рукционный материал в качестве ядерного горючего в тер­моядерном синтезе. Радиоактивные изотопы широко ис­пользуются в качестве источников излучения, в технике меченых атомов и т. д.

10. Химическая технология. Химическая промышленность

Х имическая технология — прикладная научная дис­циплина о процессах, методах и средствах переработки сырья в конечный химический продукт. Основная задача химической технологии — оптимальное сочетание в единой технологической системе разнообразных химических пре­образований с физико-химическими и механическими про­цессами типа измельчения твердых материалов, фильтро­вания, воздействия высоких или низких температур, элект­рических полей и т. п.

Для решения задач химической технологии использу­ют достижения всех разделов химии, физики, биологии, кибернетики, экономики. Химические технологии класси­фицируются по сырью (технология нефти, пластмасс), по виду товара (технология удобрений, красителей и т. п.), по группам элементов (технология щелочных металлов, тех­нология тяжелых металлов и т. п.), по типам химических процессов (технология хлорирования и др.).

Химическая технология является научной базой химиче­ской промышленности. Химическая промышленность в це­лом — одна из крупнейших отраслей промышленности — сложная производственная система, состоящая из 15 специа­лизированных отраслей. 11 отраслей из 15 организованы в химическую промышленность, 4 — в нефтехимическую.

В химическую промышленность входят:

1. Горнохимическая промышленность.

2. Основная химия.

3. Промышленность химических волокон.

1. Промышленность синтетических смол и пластиче­ ских масс.

4. Промышленность пластмассовых изделий.

263

6. Лакокрасочная промышленность.

7. Промышленность химических реактивов и особо чистых веществ.

8. Промышленность синтетических красителей.

9. Химико-фотографическая промышленность.

10. Промышленность бытовой химии.

11. Другие отрасли (производство химпоглотителей, кремнийорганических соединений и других продуктов).

В нефтехимическую промышленность входят:

1. Производство синтетического каучука.

2. Производство продуктов основного органического синтеза.

3. Сажевая промышленность.

4. Резино-асбестовая промышленность.

Химическая промышленность характеризуется тесны­ми связями со всеми отраслями народного хозяйства бла­годаря широкому ассортименту производимой ею продук­ции. Эта область производства отличается высокой мате­риалоемкостью. Материальные и энергетические затраты в производстве продукции могут составлять от 2/3 до 4/5 себестоимости конечного продукта.

Развитие химической технологии идет по пути ком­плексного использования сырья и энергии, применения не­прерывных и безотходных процессов с учетом экологиче­ской безопасности окружающей среды, применения высоких давлений и температур, достижений автоматизации и ки­бернетизации.

***

Выше были изложены основные представления о хи­мии, ее законах, месте в человеческой цивилизации. В зак­лючение следует еще раз подчеркнуть, что химия — «палка о двух концах». С одной стороны, это благо для человека, без которого немыслимо дальнейшее развитие общества, с другой — бедствие для окружающей среды. Очевидно, что идеал покорения природы, сопутствовавший научно-техни­ческой революции в XIX веке, должен быть коренным об­разом пересмотрен, что предполагает формирование эколо­гического сознания у всех людей, молодого поколения в

264

первую очередь. Молодым предстоит решать трудные за­дачи ограждения природы от негативного воздействия че­ловека — во избежание глобальной экологической катаст­рофы.

Вопросы для самоконтроля

1. Охарактеризуйте место и роль химии в системе «об­ щество — природа».

2. Опишите структуру химии как науки и практиче­ ской деятельности человека.

3. Изложите основные сведения о веществе и его строе­ нии.

4. Назовите химические процессы и изложите основные представления о них.

5. Опишите основные законы химии и их практическое использование в химической технологии.

6. Изложите основные представления о реакционной способности веществ.

7. Опишите значение периодического закона Д.И. Мен­ делеева.

8. Изложите основные положения атомно-молекуляр- ного учения.

9. Изложите ваше понимание проблемы «химия и эко­ логия».

265