§ 7.2. Химический состав вещества

Проблема химического элемента

Химический состав вещества рассматривается в рамках учения о составе, в котором обычно выделяют три основных проблемы: проблему химического элемента, проблему химического соединения, проблему вовлечения химических элементов в производство новых материалов [15, 16].

В настоящее время под химическим элементом понимают совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Начало современному представлению о химическом элементе как о «простом теле» или как о пределе химического разложения вещества, переходящем без изменения из состава одного сложного тела в состав другого, первым положил Р. Бойль в середине XVII в. Химики того времени не знали ни одного химического элемента. Фосфор был открыт только в 1669 г., а потом повторно в 1680 г., кобальт - в 1735 г., никель - в 1751 г., водород — в 1766 г., фтор - в 1771 г., азот — в 1772 г., хлор и марганец — в 1774 г. Любопытно, что кислород был открыт одновременно в Швеции, Англии и Франции в 1772 - 1776 гг.

Установив роль кислорода в образовании кислот, оксидов и воды, А.Л. Лавуазье опроверг господствовавшую в химии ХУШ в. ложную теорию флогистона, согласно которой флогистон («огненная материя») содержался во всех горючих веществах и выделялся из них при горении. На основании своего открытия Лавуазье создал принципиально новую теорию химии. Ему принадлежит первая в истории попытка систематизации химических элементов. Он включил в свою систему кислород, водород, азот, серу, фосфор, углерод, семь известных к тому времени металлов, но также известь, магнезию, глинозем и кремнезем, мотивируя это тем, что они не поддавались дальнейшему разложению.

Дальнейшие попытки систематизации химических элементов привели Д.И. Менделеева к его великому открытию. Он предложил считать показателем химического элемента его место в Периодической системе элементов, определяемое по атомной массе. Свою систему Менделеев создал на основе открытого им периодического закона. Современная формулировка этого закона звучит так: свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда их атомных ядер. Заряд ядра Z равен атомному (порядковому) номеру элемента в системе. Элементы, расположенные по возрастанию Z (H, Не, Li, Be...), образуют семь периодов. В 1-м - два элемента (Н, Не), во 2-м и 3-м - по восемь, в 4-м и 5-м - по 18, в 6-м - 32, в 7-м периоде известны 24 элемента (на 1999 г.). В периодах свойства элементов закономерно изменяются при переходе от щелочных металлов к благородным газам. Вертикальные столбцы — группы элементов, сходных по свойствам. Внутри групп свойства элементов также изменяются закономерно (например, у щелочных металлов при переходе от Li к Fr возрастает химическая активность). Элементы с Z = 58-71, а также с Z = 90—103, особенно сходные по свойствам, образуют два семейства - соответственно лантаноидов и актиноидов. Периодичность свойств элементов обусловлена периодическим повторением конфигурации внешних электронных оболочек атомов. С положением элемента в системе связаны его химические и многие физические свойства.

Открытие периодического закона стимулировало поиск новых химических элементов. Так, если во времена Менделеева были известны 62 элемента, то уже в 1930-е гг. система элементов заканчивалась ураном (Z = 92). В дальнейшем элементы открывались путем физического синтеза атомных ядер - Тс, Pm, At, Fr, Np, Pu и элементы после Z = 95 включительно, причем Тс, Pm, Fr, Np позже в ничтожных количествах обнаружены в природе. В настоящее время самым тяжелым синтезированным элементом является элемент с Z = 112. Далее элементы оказываются неустойчивыми. Однако ученые предполагают, что могут быть «островки устойчивости» при Z = 126, 164 и даже 184.

Полное научное объяснение Периодической системы элементов базируется на законах квантовой механики. Система Менделеева лежит в основе современного учения о строении вещества, играет первостепенную роль в изучении всего многообразия химических веществ и в синтезе новых элементов.

Проблема химического соединения

Под химическим соединением в настоящее время понимают индивидуальное вещество, в котором атомы одного (например, N2 и СЬ) или различных (HbSCU, KC1) элементов соединены между собой химической связью. Сейчас известно свыше 5 млн химических соединений. Состав химических соединений в огромном большинстве случаев подчиняется законам постоянства состава и кратных отношений. Первый закон, открытый Ж.Л. Прустом в начале XIX в., гласит, что каждое химически чистое соединение независимо от способа и места его получения имеет один и тот же постоянный состав, причем отношения масс атомов элементов постоянны. В соответствии с законом кратных отношений, открытым Дж. Дальтоном в начале XIX в., если два химических элемента образуют друг с другом более одного соединения, то массы одного элемента, приходящиеся на одну и ту же массу другого, относятся как целые числа, обычно небольшие. Так, в оксидах азота N₂O, NO, N₂О₃, N₂О₄, N₂О₅ соотношения массы кислорода к массе азота составляют 1:2:3:4:5.

Проблема химического соединения до недавнего времени не вызывала споров у ученых. Было общепринято, что нужно относить к химическим соединениям, а что - к «простым телам», или смесям. Однако применение современных физических методов исследования вещества обнаружило физическую природу химизма, а именно: атомы объединяют в молекулы как единую квантово-механическую систему внутренние силы - химические связи, а они представляют собой проявление волновых свойств валентных электронов.

Волновая природа электронов наделяет атомы их типичными свойствами. Наименьшими единицами многих веществ служат не атомы, а молекулы, т.е. группы атомов, тесно связанных друг с другом. Чтобы понять строение вещества, следует узнать не только строение атома, но и причину соединения атомов в молекулы - химическую связь. Квантовая механика дала объяснение химической связи: она возникает между атомами в результате взаимодействия электронных конфигураций различных атомов, причем тогда, когда эти конфигурации хорошо подходят друг другу, как зубцы шестерни или пазлы в головоломке. Конфигурации смешиваются и переплетаются, когда атомы приведены в соприкосновение, вследствие чего появляются новые конфигурации. Если атомные конфигурации очень хорошо подходят друг другу, при их сближении возникает одна крупная округлая единица, но только несколько большая и более компактная - насыщенная молекула, не присоединяющая других атомов. Например, два атома водорода, каждый с простейшей электронной конфигурацией, образуют молекулу водорода, в которой обе электронные конфигурации сливаются в одну эллиптическую.

Таким образом, химическая связь в своей основе имеет электрическую природу. Ее прочность обусловлена квантовой устойчивостью совокупной электронно-волновой картины образовавшейся молекулы. Поскольку существуют многочисленные способы соединения и переплетения электронных конфигураций, существует множество химических соединений разных типов.

В результате раскрытия физической сущности химической связи классическое понятие молекулы изменилось. Молекулой по-прежнему называют наименьшую частицу вещества, способную определять его свойства и существовать самостоятельно. Но теперь в число молекул включают и такие квантово-механические системы, как ионные, атомные и металлические монокристаллы и полимеры, образованные за счет водородных связей. Поэтому некоторые неорганические вещества (оксиды, хлориды, сульфиды, нитриды металлов) относят к веществам молекулярного строения, не имеющим постоянного состава.

Дело в том, что реальные монокристаллы любых твердых веществ всегда имеют дефекты: вакантные узлы кристаллической решетки; атомы, попавшие в междоузлия; дислокации как отклонения от геометрических норм данной кристаллической решетки и т.д. Именно они становятся реакционными центрами при вхождении твердого вещества в химические реакции. Помимо химической связи, которая держит атомы связанными в молекулы, существуют межмолекулярные силы. Они слабее химической связи, но именно они определяют агрегатное состояние вещества. Когда две молекулы сближаются, электронные конфигурации каждой из них стремятся колебаться в унисон. Благодаря этому возникает притяжение (так называемые ван-дер-ваальсовы силы), сила которого зависит от типа движения электрона.

Межмолекулярные силы держат молекулы близко друг от друга, т.е. они ответственны за агрегацию молекул. В жидких и твердых веществах молекулы как бы «слипаются», а в газах каждая движется сама по себе. Агрегатное состояние вещества сильно зависит от температуры: при очень низких температурах почти все вещества становятся твердыми, при очень высоких все переходят в газообразное состояние, а при промежуточных температурах они находятся в жидком состоянии. Значения температур, при которых происходят эти превращения (точка плавления, точка кипения), зависят от силы притяжения между молекулами.

При очень низких температурах тепловое движение незначительно, поэтому молекулы «выстраиваются» в строго правильные ряды и удерживаются в таком виде межмолекулярными силами — образуется твердое тело. Правильное расположение молекул проявляется в кристаллах - твердых телах, в которых правильное расположение атомов сохраняется в больших объемах и проявляется в виде прямых ребер и правильно расположенных граней и вершин. Если попытаться деформировать кристалл, изгибая или ломая его, чувствуется сопротивление - при перемене взаимного расположения атомов надо преодолеть межмолекулярные силы, которые удерживают атомы в определенных местах.

Молекулы и атомы в твердых телах столь близки, что часто сливаются. При этом соседние электронные конфигурации перекрываются так сильно, что все твердое вещество следует рассматривать как одну большую молекулу. Например, для металлов характерно следующее: внешние электроны атомов образуют конфигурации, простирающиеся по всему куску металла, и электроны свободно переходят от одного атома к другому, поэтому металлы служат хорошими проводниками электрического тока.

При более высоких температурах тепловое движение усиливается и разрушает упорядоченное расположение молекул или атомов в твердом теле. Молекулярные силы все еще держат молекулы плотно упакованными, но уже не могут заставить их располагаться упорядоченным образом. В таких телах сопротивление деформированию или изгибанию отсутствует, однако молекулы все еще остаются друг возле друга - образуется жидкость. Переход от твердого состояния к жидкому зависит от силы межмолекулярного взаимодействия: если оно велико, как в горной породе или в металле, нужна высокая температура, чтобы преодолеть связи, удерживающие молекулы в правильном порядке; если оно мало, как в воде или воздухе, переход в другое агрегатное состояние возможен при меньших температурах.

Когда температура становится выше точки кипения, тепловое движение усиливается настолько, что преодолевает не только упорядочивающее, но и связывающее действие межмолекулярных сил. Тогда молекулы отрываются друг от друга и разлетаются во всех направлениях, сталкиваясь между собой и распределяясь по всему доступному объему, - образуется газ. Температура, при которой образуется газ, также зависит от межмолекулярных сил. В воздухе эти силы столь малы, что не могут удерживать молекулы вместе уже при обычных температурах. В некоторых металлах и горных породах они так велики, что для перехода этих веществ в газообразное состояние нужна температура примерно 2000 °С.

Повышение температуры ослабляет характерные свойства и степень организации вещества. В твердом состоянии вещества имеют типичные формы (кристаллов), обладают специфическим строением и твердостью, их легко распознать. В жидком состоянии собственная форма и структура утеряны - вещество принимает форму сосуда, сохраняются только характерная плотность, цвет и ограничивающая поверхность. Газообразное состояние еще менее специфично. Газообразное вещество не имеет своей характерной плотности и поверхности, остаются только его цвет и запах. Однако во всех трех состояниях вещество построено из одних и тех же молекул или атомов.

Проблема вовлечения химических элементов в производство новых материалов

Последняя проблема учения о составе — вовлечение новых химических элементов в производство материалов. Известно, что 98,6% массы физически доступного слоя Земли составляют всего восемь химических элементов: 47% - кислород, 28% -кремний, 9% - алюминий, 5% - железо, 4% - кальций, 3% -натрий, 3% - калий, 2% - магний. Однако эти ресурсы используются неравномерно. Например, железа содержится в Земле в 2 раза меньше, чем алюминия, но более 95% металлических изделий - конструкций, разнообразных машин и механизмов, транспортных путей — производится из железорудного сырья.

Распространенность кремния (97% массы земной коры составляют силикаты) дает основание утверждать, что силикаты могут стать основным сырьем для производства практически всех строительных материалов и полуфабрикатов, при изготовлении керамики, способной конкурировать с металлами.

Металлы и керамика — материалы, на 90% составляющие материальную основу жизни человека. Достижения химии позволяют заменять металлы керамикой, причем керамика имеет плотность на 40% меньше плотности металлов, что позволяет снизить массу изготовляемых из керамики деталей. Благодаря внедрению в производство керамики таких химических элементов, как цирконий, титан, бор, германий, хром, молибден, вольфрам и др., стали получать керамические изделия с заранее заданными специальными свойствами - огнеупорную, термостойкую, хемостойкую, высокотвердую, а также керамику с набором заданных электрофизических свойств.

В нашей стране в 1960-х гг. получен сверхтвердый материал -гексанит-Р - кристаллическая разновидность нитрида бора с температурой плавления 3200 °С и твердостью, близкой к твердости алмаза, с рекордно высокой вязкостью; у него отсутствует хрупкость, присущая керамике. Такая керамика производится методом прессования порошков с получением необходимых форм и размеров, что делает ненужной дальнейшую обработку. Кроме того, создана керамика, обладающая сверхпроводимостью при температуре выше температуры кипения азота (-195,8 °С). Это открывает перспективы для создания сверхмощных двигателей и электрогенераторов, транспорта на магнитной подушке, для разработки сверхмощных магнитных ускорителей, вывода полезных грузов в Космос и т.п.

Начиная с середины XX в. новые химические элементы (от алюминия до фтора) стали использоваться в синтезе элементе -органических соединений (содержащих химическую связь элемент - углерод). Новые элементоорганические соединения применяют и в качестве химических реагентов для лабораторных исследований, и для синтеза уникальных материалов.