«ОБЩАЯ ХИМИЯ XXI ВЕК 2-уровневое учебное пособие Санкт-Петербург ХИМИЗДАТ 2011 2 УДК 541(075.8) Г 193 Ганкин В. Ю., Ганкин Ю. В. Г 193 Общая химия. XXI век: 2-уровневое учеб. пос.: Пер. с англ. – СПб.: ХИМИЗДАТ, 2011. ...»

1. Забудьте о потребностях студентов, чьим профильным предметом является химия. Очень немногие студенты, изучающие курс общей химии, становятся специалистами в этой области, и лишь небольшое число учащихся выбирает для изучения еще один курс химии. И хотя это и не главная причина для реформирования, конечно, мы надеемся убедить большее количество студентов стать специалистами в области химии. Тем не менее необязательно включать материал в пособие только на основании того, что этот материал является необходимым для студентов, специализирующихся в области химии. Если у студентов появится энтузиазм в отношении изучения химии, они легко и охотно впитают этот материал на курсах по специальности.

2. Постоянно подчеркивайте связь между макроскопическим миром наблюдений и микроскопическим миром атомов и молекул.

Эта взаимосвязь является уникальным аспектом химии, и понимание этого принципа делает химию живым и значимым предметом.

Демонстрация свойств веществ, а также упоминание роли этих веществ в реальном мире, сопровождаемые объяснением полученных сведений с точки зрения атомов и молекул, из которых состоят вещества, имеют важное значение. Разъяснение в первую очередь сути наблюдений показывает студентам, что теории и принципы, являющиеся значительной частью общей химии, не просто предназначены для заучивания, но также призваны помочь в понимании этих наблюдений.

3. Отбросьте ненужные детали и лишнюю работу;

сосредоточьтесь на том, что необходимо для понимания химии.

Почему обязательно начинать учебник с подробных сведений о названиях и формулах веществ? Это скучно. Покажите студентам настоящую химию. Вводите важную информацию о названии и написании формул только тогда, когда они находятся в процессе обсуждения. Кто из химиков когда-либо беспокоился о составлении и подборе коэффициентов химических уравнений, особенно сложных окислительно-восстановительных уравнений, столь распространенных в приводимых в учебниках упражнениях? Немногие студенты получают удовольствие от поставленной перед ними такого рода задачи, но изучают ли при этом эти студенты химию? Хотя этот принцип важен, время, затраченное на составление любого, кроме самого простого уравнения, лучше использовать для изучения других тем.

Неужели для студентов действительно важно знать, как рассчитывать pH раствора, ведь им никогда не придется производить такой же расчет еще раз. Даже если в будущем им понадобится узнать pH раствора, они будут использовать рН-метр. Этот прибор позволит им получить более точное (гораздо более точное) значение, чем упрощенный вариант расчета, который они вынесли (и, вероятно, уже забыли) из курса общей химии. Действительно ли студентам необходимо изучать формы орбиталей? Эти формы невозможно объяснить студентам на этом уровне. Разве недостаточно понимания того, что атомы удерживаются вместе силой электростатического притяжения электронов и ядер? Подробную информацию о теории химической связи следует оставить для лекций, предназначенных для студентов, специализирующихся в области химии.

4. Покажите широкую сферу применения химии. Студенты курса общей химии имеют широкий круг интересов. Почему бы не показать им, что химия действительно является центральной наукой, ключом для понимания всех материалов – органических и неорганических, синтетических или природных, почему бы не показать им, насколько химия важна для геолога, биолога, инженера, астронома, врача, эколога, по сути, для каждого человека? Сделайте курс общей химии действительно общим, а не курсом элементарной физической химии, как это имеет место быть в наши дни.

5. Сделайте учебник короче – так, чтобы материал мог быть пройден в том темпе, который предполагает время для понимания.

Большинство текстов перегружает студентов количеством материала и деталей.

Возможно, эти предложения вдохновят какого-нибудь автора написать, какого-нибудь издателя выпустить и какую-нибудь организацию поддержать революционную книгу, в которой мы нуждаемся. Может быть, такой текст будет следовать лишь некоторым (или вовсе ни одному) из моих предложений, но я надеюсь, что вопросы, затронутые мною, подвигнут каких-нибудь потенциальных авторов предложить свои собственные решения. Приближение года побуждает многих задуматься о переменах. Будем надеяться, что химики отпразднуют наступление нового тысячелетия новым, более вдохновляющим подходом к общей химии.

В 1994 г. была издана книга под названием «Атомы, молекулы и реакции введение в химию», написанная Р. Гиллеспи, Д. Итоном, Д.

Хэмфри и Е. Робинсоном.

В 1996 г. Джеймсом Н. Спенсером, Джорджем М. Боднером и Лиманом Х. Ричардом было выпущено предварительное издание книги «Химия: структура и динамика».

В предисловии к книге авторы написали следующее.

В 1989 г. Отдел химического образования Американского химического общества признал необходимость содействия развитию альтернативной методики преподавания химии. Для этого была создана Рабочая группа по вопросам преподавания общей химии. Мы являлись членами Рабочей группы, и книга «Химия: структура и динамика» – один из результатов проделанной нами работы.

Этот учебник написан для студентов, проходящих курс общей химии. При выборе информации, которая должна составлять базу учебника, мы руководствовались двумя критериями. Во-первых, сведения должны быть фундаментальными строительными блоками, необходимыми для понимания химии, т. е. это должны быть понятия, которые обеспечивают основу и для ядра курса, и для его модулей.

Во-вторых, эти сведения должны восприниматься учащимися как непосредственно связанные с их специальностью или карьерой.

Традиционные учебники представляют понятия и принципы автономно, обозначая незначительную (если таковая вообще имеет место быть) взаимосвязь каждого понятия или принципа с остальным материалом. В пособии «Химия: структура и динамика» комплексная тематика используется для объединения в единое целое основополагающих проблем.

Авторы выступили против общепринятого подхода в области химии, который царил в научном мире в течение последних пятидесяти лет. Эти книги фактически являются вехами в истории преподавания общей химии.

В 1997 г. в «Журнале химического образования» (Journal of Chemical Education, JCE. № 7. С. 862) была опубликована статья Р.

Гиллеспи, в которой автор предложил ограничить курс общей химии объяснениями шести величайших принципов химии.

Чтобы ответить на вопрос, что должно быть включено в курс общей химии, мы должны задаться вопросом, какие фундаментальные идеи являются основополагающими для понимания и признания современной химии. Мы должны помнить, что курс общей химии не предназначен (или не должен предназначаться) для того, чтобы быть профессиональных химиков. Курс должен быть ориентирован на потребности студентов, специализирующихся в изучении техники, медицины, так, чтобы они получили представление о том, каким химики видят материальный мир, какими проблемами химики занимаются в настоящее время и на какие вопросы может ответить химия. Нам необходимо показать им значимость химии для выбранной ими сферы деятельности, а также для повседневной жизни.

Я называю эти фундаментальные идеи «великими идеями химии».

Здесь представлен мой список из шести понятий, лежащих в основе современной химии. Я считаю, что каждый вводный курс по химии в средней школе и университете должен включать эти идеи и весь курс, безусловно, должен быть выстроен вокруг них. Насколько глубоко следует рассматривать каждое из понятий, зависит от уровня и целей курса. Здесь я объясню, на каком, по моему мнению, минимальном уровне эти идеи нужно освещать в рамках общего курса химии в университете. Часть проблемы нынешней перегруженности программы для студентов первого курса состоит в том, что эти понятия зачастую представлены более подробно, чем это необходимо для понимания на уровне, соответствующем потребностям учащихся.

АТОМЫ, МОЛЕКУЛЫ, ИОНЫ

Расположение этих электронов на энергетических уровнях или оболочках может быть легко выявлено на основании энергий ионизации и фотоэлектронных спектров, что сводится к понятию положительно заряженного ядра, окруженного валентной оболочкой.

ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ: ЧТО УДЕРЖИВАЕТ АТОМЫ ВМЕСТЕ

В МОЛЕКУЛАХ И КРИСТАЛЛАХ?

Электростатическая сила является единственной важной силой в сфере химии. Связи не формируются путем перекрывания орбиталей, как мы нередко можем прочесть в книгах, это лишь модель, правда, модель, очень полезная и необходимая для студентов, специализирующихся в области химии, но я не думаю, что эта деталь крайне важна для студентов в курсе общей химии. Мы можем достичь хорошего понимания химии без нее, действительно, многие химики почти не используют данные сведения. Эта информация отвлекает внимание от реальной причины образования связи:

электростатического притяжения между электронами и ядрами.

Есть более существенные темы для изучения в курсе общей химии.

Кроме того, понятие орбитальной модели дает студентам неправильное ощущение того, что химия является сложным, абстрактным, математическим предметом, основанным на непостижимых концепциях, которые не могут быть внятно объяснены в рамках общей химии. Мы можем просто описать ионные связи, возникающие вследствие электростатического притяжения между ионами, и ковалентные связи, возникающие в результате притяжения связывающей электронной пары к двум атомным ядрам.

Соответствующие структуры Льюиса демонстрируют нам, какое количество связей образует атом. На мой взгляд, эти понятия являются достаточными для обсуждения на вводном уровне вопросов, касающихся темы химической связи.

ГЕОМЕТРИЯ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ФОРМ: ТРЕХМЕРНАЯ ХИМИЯ

Многообразие и сложность молекул, которые могут быть созданы химиками, является удивительным и иллюстрирует очень важный аспект химии, а именно то, что фактически химия является творческой наукой. Химики создают новые структуры (молекулы), которые никогда не существовали ранее. В общей химии этому аспекту химии уделяется слишком мало внимания, хотя один только данный фактор может заинтересовать и увлечь студентов, наглядно демонстрируя то, что химия является предметом практичным, полезным и интересным, а не бессмысленным, теоретическим и абстрактным.

Мы располагаем очень простой моделью отталкивания валентных электронных пар (ОВЭП), которая служит основой для обсуждения форм простых молекул и большинства свойств даже очень больших молекул. На уровне общей химии не следует идти дальше этой темы.

Гибридные орбитали, часто обсуждаемые в этой теме, конечно, являются всего лишь еще одним аспектом орбитальной модели. Кроме того, они не объясняют понятие молекулярной геометрии, а просто описывают его в рамках орбитальной модели. Понимание концепции гибридных орбиталей имеет большое значение для студентов, специализирующихся в области химии, но не для студентов, изучающих курс общей химии. Благодаря программам молекулярного моделирования студентам стало еще проще понять и усвоить понятие форм молекул.

КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ

ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ

Реакция возникает вследствие того, что молекулы движутся. Когда они сталкиваются друг с другом достаточно сильно, связи рвутся, и атомы перемешиваются между собой, формируя новые молекулы. Молекула может также разбиться на более мелкие молекулы в результате достаточно сильного колебания. Данные утверждения представляют собой простое, но основополагающее объяснение химической реакции.

Чтобы идти дальше, мы можем также ввести понятие активационной энергии для того, чтобы мы могли объяснить, почему при обычной температуре некоторые реакции протекают очень быстро, а другие, наоборот, неизмеримо медленнее. Это и есть минимум того, что студенты должны понимать в отношении химических реакций. Детали, которые при этом обычно преподаются студентам графики, необходимые для установления скорости и порядка реакции, интегральные кинетические уравнения реакции и т. д., являются вторичными по отношению к этим основным идеям. Данные детали имеют большое значение для студентов, специализирующихся в области химии, но я сомневаюсь, что они необходимы студентам, изучающим курс общей химии.

Тема химических реакций заслуживает гораздо больше внимания, пожалуй, больше всех из шести «великих идей», поскольку реакции составляют сущность химической науки. Понимание реакции было главной целью химии еще со времен алхимиков. В настоящее время нам известно множество различных типов реакций, но два из них, в частности кислотно-основной и окислительно-восстановительный, имеют принципиальное значение для неорганической, органической и биологической химии, и я считаю, что их необходимо рассматривать в рамках вводного курса. Однако они не могут быть полностью поняты только исходя из их определений – как передачи протона и передачи электрона. Их нужно вводить и обсуждать на основе наблюдения реальных реакций, проводимых студентом в лаборатории, или, за неимением лучшего, с помощью демонстрации реакций на лекции, или с помощью видеоаппаратуры. Эти два типа реакций, наряду с некоторыми другими, например реакциями осаждения, а в органической химии реакциями присоединения и замещения, дают нам возможность понять тысячи реакций, которые мы применяем и изучаем в области химии.

В рамках курса общей химии изучению реакций не уделялось должного внимания отчасти потому, что данная тема стала называться описательной химией и считаться неинтересной.

Конечно, простое описание скучно. Но химия в своем развитии ушла далеко за пределы стадии простого описания: понимание реакций и их применение для конкретных целей – вот чем занимаются химики. Значительная часть технической и теоретической химии связана с синтезом новых веществ (материалов, пластмасс, медикаментов) и с созданием уже известных веществ более совершенными методами (менее затратные, экологически безвредные методы и т. д.).

Что в химическом мире вызывает наибольший ажиотаж? Создание новых молекул, таких, как, например, молекул инертных газов и бакминстерфуллерена. Мы должны уделять больше внимания фантастическим вещам, которые одаренные химики уже сотворили и будут продолжать творить в сфере создания новых молекул, чтобы показать студентам, что химия предлагает безграничные возможности для творческого и изобретательного ума.

Периодическая система химических элементов оказывает большую помощь в классификации и понимании реакций. Ее создание имело настолько важное значение для развития химии, что я вполне мог бы включить ее в качестве одной из великих идей. Важно подчеркнуть, что периодическая таблица как средство для классификации и лучшего понимания свойств элементов и их соединений была изобретена Дмитрием Менделеевым (1834–1907) задолго до того, как что-либо стало известно о детальной структуре атома. В этом отношении она остается одним из самых полезных инструментов химика. При изучении реакций мы также широко используем такие понятия, как электроотрицательность, размеры атома, заряд ядра или эффективный ядерный заряд, которые могут быть выведены непосредственно исходя из данных о простой модели строения атома, описанной выше.

ЭНЕРГИЯ И ЭНТРОПИЯ

Но так не должно быть. Любой человек в состоянии уяснить понятие хаотичности, и это все, что действительно нужно для понимания энтропии. Студенты уже встречались с понятием хаотичного движения при обсуждении кинетической теории.

Реакции происходят, когда беспорядок системы (иными словами, реакционной системы и ее окружения) усиливается. Это случай экзотермической реакции: тепло, передаваемое окружающим частицам, усиливает энтропию, или беспорядок. Большинство реакций, которые происходят в обычных условиях, являются экзотермическими, потому что тепло, выделившееся в окружающую среду, приводит к усилению беспорядка, или энтропии окружения; это, как правило, больше, чем любое уменьшение энтропии, которое может возникнуть в системе. Мы можем получить эндотермические реакции, если увеличение беспорядка в системе больше, чем снижение беспорядка в окружении вследствие того, что тепло было передано из окружения системе. По сути, эта информация все, что необходимо для понимания роли термодинамики для химических реакций: реакция будет идти, если суммарная энтропия системы и ее окружения увеличится.

Это важные идеи, которые должны быть усвоены до перехода в дальнейшем к понятию свободной энергии и уравнениям типа G = H TS. На мой взгляд, в рамках вводного курса не стоит затрагивать более сложные темы. Подстановка чисел в уравнения не приведет к более глубокому пониманию студентами основных понятий, а решение численных задач станет скучным и ненужным занятием, если студенты не усвоили основные понятия.

ОБОСНОВАНИЕ ПРОГРАММЫ,

ОСНОВАННОЙ НА ИЗУЧЕНИИ ВЕЛИКИХ ИДЕЙ И ПРЕДНАЗНАЧЕННОЙ

ДЛЯ СТУДЕНТОВ ПЕРВОГО КУРСА

Студенты в области других наук, техники и медицины также должны возвращаться к их изучению при дальнейшем обучении. Я указал минимальный уровень рассмотрения, необходимый для усвоения этих концепций студентами первого курса. На мой взгляд, нет необходимости изучать их более глубоко, хотя некоторые преподаватели пожелают сделать это. Во всяком случае, основная часть времени должна быть посвящена тому, чтобы великие идеи были действительно поняты. Необходимо использовать значительное количество разнообразных качественных вопросов, чтобы выявить, действительно ли учащиеся усвоили основной материал.

Количественные упражнения, на которые легко ответить, например, путем подстановки чисел в заученные формулы, как правило, недостаточны для проверки знаний студентов.

Рассмотрение данных концепций на указанном уровне обеспечит студентам необходимое понимание, но не будет занимать все полезное время. Такое рассмотрение значительно способствовало бы решению главных проблем современных курсов: слишком много материала, слишком много внимания абстрактной теории, а не химическим реакциям, отсутствие времени для обновления курса с помощью нового, более актуального материала – химия окружающей среды, материаловедение, макромолекулы и полимеры, биохимия. Некоторые из перечисленных выше разделов также должны быть представлены в курсе общей химии, если мы хотим получить истинное введение в современную химию.

Как следует представлять основные идеи? Неправильно раскрывать каждую из них полностью и последовательно, поскольку большинство из них необходимы на ранней стадии обучения. Скорее, мы должны сначала только представить идеи, но не разрабатывать их в полном объеме, а затем следует показать, каким образом они используются для понимания свойств веществ и их реакций, развивая их дальше по мере необходимости. Иными словами, мы могли бы использовать их с целью рационального объяснения ограниченного числа свойств и реакций неорганических и органических веществ, выбирая, насколько это возможно, простые, относительно известные или обычные вещества, а также те вещества, которые имеют отношение к повседневной жизни. Затем мы сможем показать, что они также обеспечивают основу для понимания тех областей, где преимущественно наблюдается развитие современной химии (химия окружающей среды, материаловедение, биохимия и др.). Только в контексте такого рода применений студенты смогут в полной мере оценить важность и полезность великих идей химии.

НАШЕ МНЕНИЕ

Мы согласны, что этими разделами можно ограничить курс общей химии. В каких случаях мы даем студентам дополнительный материал?

Когда необходимо более глубокое понимание явления.

Наша цель создать понятный учебник общей химии, объясняющий основные химические явления.

Экспериментальные факты, накопленные за последние 50 лет, привели к изменению парадигмы химической кинетики и катализа.

Согласно новой парадигме, химические явления должны рассматриваться как проблемы, касающиеся изменения потенциальной энергии электронов во внешних атомных оболочках. Доступное для понимания феноменологическое объяснение таких явлений, как химическая кинетика и катализ, в рамках новой парадигмы используется в курсе общей химии.

Гиллеспи не только указал минимальное количество тем, которыми должен ограничиться курс общей химии, но и какие именно материалы следует включить в каждый из шести разделов.

Наше предложение относительно содержания курса общей химии полностью совпадает с основными выводами, сделанными Рабочей группой и упоминаемыми в статьях Спенсера и Гиллеспи.

Мы поддерживаем предложение Гиллеспи в том, как должна быть ограничена учебная программа вводного курса химии. Однако предлагаемая нами учебная программа отличается от программы, предложенной Спенсером и Гиллеспи. Мы разъясняем физический смысл образования химических связей, роль катализа и ряд тех вопросов, которые не были решены до нас. Объяснения, предложенные в нашей программе, даются на основании теоретического подхода и ложатся на фундамент знаний учащихся, полученный ранее. Все выводы новой программы подкреплены как экспериментальными данными, так и теоретическими объяснениями.

Наше предложение касается того, что Липпард назвал результатами «тихой химической революции», которая произошла в конце ХХ века.

В соответствии с результатами этой революции, Липпард предложил более 10 пунктов по грантам, среди которых был: «Мы хотим разработать новые теоретические подходы к объяснению химических связей и реакций». В процессе химической революции проблема химических связей и химических реакций была решена, и были найдены понятные объяснения этих явлений для учащихся.

Чтобы сравнить подход Гиллеспи с недавно предложенными объяснениями результатов исследований, проведенных в 1990– 2002 годах, давайте рассмотрим подробнее содержание предложений Гиллеспи и тех, что выдвигаются нами.

АТОМЫ, МОЛЕКУЛЫ, ИОНЫ

ХИМИЧЕСКИЕ СВЯЗИ. ЧТО УДЕРЖИВАЕТ АТОМЫ ВМЕСТЕ

В МОЛЕКУЛАХ И КРИСТАЛЛАХ?

В своем учебнике общей химии мы объясняем химические явления на двух уровнях в зависимости от уровня знаний учащегося. Как уже говорилось, оба уровня основаны на знаниях, которые ученики получили во время предыдущего периода обучения. Основное отличие «старых» объяснений от «новых» заключается в том, что последние раскрывают физический смысл химической связи между атомами и отвечают на вопросы:

какова природа сил, которые связывают атомы в молекулы, а молекулы в вещества;

какие взаимодействия между ядрами и электронами являются наиболее важными;

почему термическое разрушение связи требует в два раза больше энергии, чем высвобождается при формировании связи;

почему благородные газы не образуют ковалентные химические связи между собой;

почему связи между элементами II группы на порядок слабее связей между элементами I и III групп и т. д.

Новое объяснение является феноменологическим, т. е.

полностью построено на анализе и сравнении экспериментальных данных.

Так, например, заключение относительно слоистого строения атомов и количества электронов во внешней оболочке атомов делается на основании данных по энергии ионизации атомов элементов 2-го и 3го периодов.

Все объяснения теории химических связей построены на сравнении экспериментальных данных относительно количества электронов на внешней оболочке и данных по валентности элементов.

На основании этого сравнения была построена модель химической связи в молекуле водорода. Согласно этой модели, ковалентная химическая связь образуется из двух электронов, вращающихся в плоскости, перпендикулярной оси, соединяющей ядра. При этом оба связывающих электрона входят во внешние оболочки обоих связываемых атомов.

В молекуле водорода (два протона и два электрона) между четырьмя частицами существует обычное электростатическое взаимодействие, энергия молекулы вычисляется посредством аналитического (алгебраического) решения. Значение энергии молекулы, полученное при этом вычислении, отличается от экспериментального значения менее чем на 3 %, что подтверждает определяющую роль электростатических сил в образовании химической связи.

Уравнения, составленные на основании модели, позволяют ответить на следующие вопросы: каково оптимальное количество электронов, необходимое для образования связи, или почему в образовании связи принимают участие два электрона, а не один или три? Расчеты показывают, что если в образовании связи между двумя нейтральными атомами в газовой фазе принимают участие один или три электрона, то выигрыша в энергии при образовании связи не будет.

Результаты расчетов модели химической связи демонстрируют, что энергия связи увеличивается с увеличением разницы между первыми энергиями ионизации связываемых атомов. Рассчитанная зависимость энергии связи одного атома с другими (зависимость энергии связи от первой энергии ионизации второго атома) совпала с результатами экспериментальных исследований. Это доказывает, что в ходе образования ионных соединений типа NaCl перехода электрона от Na к Cl не происходит. В этом случае выигрыш в энергии будет при более значительном приближении пары связывающих электронов к ядру атома с большей первой энергией ионизации.

Гиллеспи предлагает объяснение ионных и ковалентных связей ограничить на уровне правил Льюиса, предложенных Льюисом в Правила Льюиса включают такие «объяснения», как «желание»

атомов достроить свои оболочки до оболочек инертных газов посредством а) переноса электронов либо б) обобществления электронов. Ни одно из этих предположений не имеет физического смысла. Общее предположение относительно атомов, желающих достроить свои оболочки до оболочек инертных газов, имеет антропофизический смысл. Льюис ввел эти правила с целью объединить ионные и ковалентные связи.

В существующих учебниках, в которых авторы ограничиваются описанием химической связи при помощи правил Льюиса, приводятся и исключения из правила Льюиса, и их объяснения. В то же время не дается толкование строения электронодефицитных соединений. Образование стабильных электроноизбыточных соединений типа SF4 объясняется участием d-орбиталей в образовании связи. Освещение строения соединений, подобных I3, дается только в монографиях. Проблема написания таких структур, как SO2, объясняется в рамках теории резонанса. Иными словами, все объяснения разные, и все они являются квантово-химическими, т. е.

студентов следует учить квантовой химии, которая непонятна ни преподавателю, ни учащемуся.

Согласно нашему объяснению энергии связи, такой как гомоатомная (H2, Cl2) и гетерополярная (NaCl), оба связывающих электрона входят во внешние оболочки связываемых атомов. Это означает, что число электронов на внешней оболочке обоих связываемых атомов увеличивается на один электрон. В общем, электронов внешних оболочек атомов второго и третьего периодов вовсе не являются целью атома при образовании стабильной молекулы, а ограничивают возможности атома присоединять (связывать) другие атомы. Соответственно, антропофизический компонент правила Льюиса исключается.

Электронодефицитные соединения не являются исключениями в рамках данной теории. Эта теория, помимо анализа данных по валентности стабильных соединений и количества электронов на внешних электронных слоях атомов второго и третьего периодов, также включает анализ экспериментальных данных по электронной изомеризации. Эти экспериментальные данные были получены во второй половине ХХ века.

Опытным путем было доказано, что когда один атом связан с другим аналогичным атомом каким-либо видом связи (одинарной, двойной, донорно-акцепторной, ковалентной, ван-дер-ваальсовой), электронные изомеры превращаются один в другой с большой скоростью благодаря быстрому перемещению электронов. Т. е. вопрос, обсуждавшийся на протяжении 50 лет, о строении соединений типа SO2, C6H6, I3, PCl5, SF4, и XeF4 был решен.

Это объяснение является одним-единственным для всех соединений и не требует знания квантово-химических гипотез и теорий. Оно показывает, что утверждения квантовой химии о резонансных гибридах, об отсутствии электронной изомеризации абсолютно неверны.

Идея исключения квантовой химии из химических курсов не встретила существенных возражений со стороны многих преподавателей. Большинство из них и ранее было против преподавания этого раздела из-за трудностей как его изложения, так и восприятия учащимися. Даже сами создатели квантовой механики (этой основы квантовой химии) А. Эйнштейн, Н. Бор, Э.

Шредингер не понимали физического смысла этой науки.

Эйнштейн писал: «Все эти пятьдесят лет мучительных размышлений не приблизили меня к ответу на вопрос, что же такое квант света. Сегодня любой Том, Дик или Генри думает, что он знает, что это такое, но он ошибается».

Как известно, Н. Бор так высказался о квантовой механике: «Если вы думаете, что вы понимаете ее, то это только показывает, что вы не имеете даже приблизительного представления о ней».

Э. Шредингер также писал о квантовой механике: «Это не только практически недоступно, но и просто немыслимо. Или, чтобы быть более точным, мы, конечно, можем думать об этом, что это более понятно, чем треугольный круг, и менее понятно, чем крылатый лев».

«Никто не понимает квантовую теорию», сказал в 1980 г.

Р. Фейнман, один из крупнейших физиков нашего времени.

Основные проблемы теоретической химии базируются на представлениях о физической природе химической связи и химических реакций. Квантовая химия не дает ответа на эти вопросы. Однако и предложение о возврате к описательной химии не вызывает энтузиазма среди преподавателей, поскольку это значительно снижает интерес учащихся к изучаемому предмету.

ГЕОМЕТРИЯ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ФОРМ: ТРЕХМЕРНАЯ ХИМИЯ

ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ

Никсон, Дж. Хейт, М.: Мир, 1982). В учебнике Лайнуса Полинга (Общая химия. М.: Мир, 1970. С. 563) приведен рисунок, иллюстрирующий, как взаимодействующие молекулы очень быстро приближаются друг к другу, сталкиваются и затем распадаются.

Изменения в понимании и объяснении химических реакций в ходе последней химической революции произошли на уровне изменения парадигмы. Было установлено:

1. Взаимодействие насыщенных молекул происходит не по молекулярному механизму, а по цепному, в котором активными частицами являются ионы, радикалы или коненсы. Эти активные частицы образуются из исходных насыщенных молекул в результате диссоциации или из веществ, которые используются в качестве катализатора.

В рамках старой парадигмы предполагалось, что прямое молекулярное взаимодействие является общим механизмом химических реакций, а цепные реакции рассматривались как частные случаи.

2. Взаимодействие активных частиц с насыщенными молекулами происходит не через переходное состояние (ПС), находящееся на вершине потенциального барьера, а через промежуточное соединение (ПрС), расположенное в минимуме.

3. В общем случае, лежащем в основе старой парадигмы, предполагалось, что взаимодействие молекул между собой и активных частиц с молекулами происходило в один этап. Согласно новой теории, взаимодействие активных частиц с молекулами происходит в три этапа: ассоциации, электронной изомеризации и диссоциации.

4. Согласно старой парадигме, главной движущей силой химических реакций была кинетическая энергия исходных молекул [теория активных столкновений (TAC) и теория переходного состояния (ТПС)], которая тратится на разрушение старых химических связей во время реакции. В рамках этой парадигмы оставалось непонятным, как в ходе химических реакций, протекающих при температурах 30–200 С, разрушались химические связи, хотя для их термического разрушения требовалась температура свыше 2000 С. Т. е. теория противоречила экспериментальным данным.

Согласно новой парадигме, во время взаимодействия активной частицы с насыщенной молекулой, протекающего в три вышеуказанные стадии, в результате реакции электронной изомеризации сильная старая ковалентная связь превращается в слабую ван-дер-ваальсову связь (ВВС) без каких-либо энергетических затрат или расхода энергии во время изомеризации. Термическая энергия в основном тратится на образование чрезвычайно малого количества активных частиц. Поэтому визуальные картины сталкивающихся насыщенных молекул, описанные выше, неверны.

5. В рамках механического подхода при описании факторов, определяющих скорость реакции, указывались только влияние температуры и концентрация исходного вещества.

Вопрос о влиянии химического строения реагирующих веществ на скорость реакции даже не поднимался.

Согласно экспериментальным данным, скорость химических реакций в первую очередь определяется химической природой реагирующих веществ. Радикалы, например, вступают во взаимодействие с насыщенными молекулами более чем в 10000 раз быстрее по сравнению со скоростью взаимодействия насыщенных молекул между собой.

В рамках нового подхода удалось понять и объяснить влияние природы реагирующих веществ на скорость химических реакций.

6. В рамках старой интерпретации общее объяснение катализа было «черной дырой».

До появления квантовой химии при объяснении катализа рассуждали примерно следующим образом. Поскольку вследствие катализа (положительного) реакция ускоряется во много тысяч раз, то его влияние сказывается через экспоненциальный член.

Экспоненциальный член содержит единственный переменный параметр, который при постоянной температуре зависит только от природы взаимодействующих веществ и типа реакции, энергию активации. Следовательно, в случае положительного катализа катализатор снижает общую энергию активации процесса.

Некорректность этого объяснения детально будет показана ниже.

Следует отметить, что в рамках общей теории катализа несостоятельность как теории активных столкновений, так и теории переходного состояния становится очевидной.

Известно, что каталитические реакции протекают через образование промежуточных соединений, концентрация которых во много раз меньше концентрации исходных веществ. Их кинетическая энергия в случае гетерогенного катализа близка к нулю. Согласно теории активных столкновений и переходного состояния, скорость каталитической реакции должна быть много ниже, чем некаталитической, т. е. экспериментальные данные для гетерогенного катализа находятся в полном противоречии с основными концепциями обеих теорий: теории активных столкновений и теории переходного состояния.

В существующих учебниках катализу отводятся 5–10 страниц из 800 страниц учебника, хотя более 90 % химических реакций являются каталитическими. В рамках новой интерпретации явление катализа делается понятным и объяснимым на уровне курса общей химии в отношении как общих, так и частных случаев каталитических реакций.

Теория химических реакций, подобно теории химических связей, является феноменологической.

Механизм взаимодействия активных частиц с насыщенными молекулами основан на экспериментальных данных по электронной изомеризации.

ЭНЕРГИЯ И ЭНТРОПИЯ

В ходе «химической революции» было обнаружен ответ на первый вопрос: реакции протекают, когда в системе имеются химически активные частицы. Ответ на второй вопрос будет очевиден и доступен для понимания, если мы будем изучать не только прямые реакции, но и обратные. Мы считаем, что ответ на него надо включить в физическую химию для студентов, специализирующихся в этой области.

Надо ли говорить об энтропии в общем курсе химии? – спорно, по следующим причинам: из двух объяснений по энтропии, обсуждаемых в литературе, термодинамического и статического (Больцман), первое очень трудно для преподавания, а второе является математическим, поскольку не имеет физического содержания.

Понятия «свободная энергия» по отношению к химии является общим (т. е. философским) вопросом. Поняв, как формируются и разрушаются химические связи, поняв непроизводительный расход энергии во время термического разрушения связи, который приводит к снижению потенциальной энергии электронов (увеличение расстояния между связывающими электронами и ядрами) в неразрушенных молекулах, все химические вопросы можно объяснить без введения понятий «свободная энергии» и «энтропия».

ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН

В рамках основных научных парадигм, царивших в науке со времен Ньютона, этот закон выглядел совершенно парадоксально.

После открытия строения атома и выяснения того факта, что атомная масса сосредоточена в ядре атома, парадоксальность Периодического закона еще больше возросла. Г. Мозли переформулировал закон: «заряд ядра, а не атомная масса, является важнейшим свойством элемента, определяющим его химические свойства» (Дикерсон Р., Грей Г., Хейт Дж. Основные законы химии.

М.: Мир, 1982. Т. 1. С. 312). Как это маленькое ядро, окруженное большим количеством электронов, влияет на свойства атома и молекул?

Для выяснения физического смысла Периодического закона нами были использованы экспериментальные данные по первому потенциалу ионизации атомов, радиусу атомов и количеству электронов во внешнем слое атомов. Периодичность изменения этих свойств атомов совпадала с периодичностью изменения химических и физических свойств элементов (например, для 2-го и 3-го периода – 8), что позволило сделать вывод, что именно эти три свойства атомов определяют химические и физические свойства элементов.

Мы смогли найти ответы на вопросы:

Почему эти три свойства меняются периодически?

Каким образом (каков механизм) заряд ядра элемента влияет на химические свойства элемента?

Почему периодичность изменения физических и химических свойств элемента для второго и третьего периода 8 элементов, а основное химическое свойство элемента валентность в этих периодах имеет значение 4 элемента?

Ответом на первый вопрос явились экспериментальные данные по энергии ионизации, которые показывали, что внутренние слои всех элементов содержат одинаковое количество электронов (2 в слое ближайшем к ядру и 8 в остальных внутренних слоях).

Соответственно, увеличение количества электронов в атомах, происходящее при увеличении заряда ядер, приводит к тому, что количество электронов на внешнем слое атомов при линейном росте заряда ядер меняется периодически. Качественным объяснением одинакового количества электронов во внутренних слоях всех элементов является следующее объяснение: при увеличении заряда ядра атома на единицу протона с одновременным присоединением к нему электрона во внешний электронный слой происходит выигрыш энергии за счет приближения нового электрона к ядру атома (наибольший выигрыш в энергии происходит при вхождении нового электрона во внешний слой атома) и проигрыш энергии за счет приближения этого электрона к электронам, находящимся в атоме, прежде всего к электронам, находящимся во внешнем слое атома. Т. е.

модель, предполагающая, что электроны, окружающие ядро, вращаются вокруг него по концентрическим окружностям, лежащим в одной плоскости, имеет аналитическое решение и рассмотрена в нашей работе.

Согласно этой модели, например, к атому водорода электрон может присоединиться в существующий верхний слой, а к атому гелия электрон не присоединяется, что и наблюдается в эксперименте:

сродство атомов гелия к электрону имеет отрицательное значение.

Согласно расчету модели, к атому, имеющему заряд ядра единицы протона, электрон присоединялся, но не в существующий верхний слой, а начинал образовывать новый верхний электронный слой, что также наблюдается в эксперименте. (Сродство атома лития к электрону 0.6 эВ.) В расчетах модели предполагалось, что электроны и ядра являются частицами, между которыми действуют силы Кулона.

Количественное совпадение расчета с экспериментом являлось онтологическим объяснением физической природы слоистого строения атомов, а также периодического изменения радиусов атомов и их энергии ионизации, зависящих, согласно модели и эксперименту, от количества электронов во внешнем слое.

После выяснения физической природы периодического изменения количества электронов во внешнем слое настала очередь для ответа на вопрос, почему валентность элементов второго и третьего периода меняется с периодом в 4 элемента, в то время как количество электронов на внешнем слое и зависящие от него свойства – первый потенциал ионизации и радиус атомов – меняются с периодом в элементов. Это удалось в ходе выяснения причин аномальности ряда элементов (имеется дополнительное препятствие для проникновения извне в наружный слой атома).

Мы поняли физический смысл Периодического закона после уяснения, что химические реакции протекают по цепному механизму, где активные частицы – это частицы с незаполненным внешним слоем.

Мы поняли и объяснили физический смысл правил Льюиса, правил валентности, правил Семенова – Поляни.

Что же следует включить в вводный курс химии, помимо вышеупомянутых вопросов, предложенных Гиллеспи и Спенсером?

Это вопрос корреляции макроскопического мира наблюдений и микроскопического мира атомов и молекул.

В разделе «Физические и химические свойства веществ» мы описали связи параметров атомов и молекул с физическими и химическими свойствами веществ, образовавшихся из этих атомов и молекул.

В США дискуссии о химическом образовании продолжались лет. Главный тормоз в разрешении проблемы был связан в первую очередь с эйфорией от первых успехов квантовой механики, во вторую – с инерцией мышления. По результатам работы комиссии вышли три статьи, опубликованные в США еще до 1990 г. В этих статьях основное внимание было уделено устранению квантово-химических объяснений, однако новых вариантов объяснений предложено не было.

К результатам деятельности Рабочей группы можно отнести и создание новых учебников. Выпущенные членами Рабочей группы учебники содержат 6 основных тем, отраженных в заключительном отчете. Но эти темы не объединены причинно-следственными связями, изложенные законы и правила имеют неясный физический смысл.

Несмотря на критику квантово-химических объяснений, эти авторы не смогли представить общую химию без квантово-химической теории, которая мало доступна пониманию. Рабочая группа Отдела химического образования обсуждала методику курса общей химии.

Она поднимала вопросы: объем и состав курса, глубина изложения материала, какими темами ограничить учебник. Но при этом опиралась на достижения 20-х годов прошлого столетия.

В химическом образовании в течение последних 50 лет нарушается «золотое» правило любого образования: новый материал, объясняемый учащимся, должен быть основан на материале, который учащиеся освоили в предшествующий период обучения. В настоящее время основные химические явления в учебниках объясняются на основе квантовой механики. Основу квантово-механических объяснений химических и физических явлений составляет математический аппарат, который изучается на последних курсах физико-математических факультетов университетов.

Мы считаем, что учебник должен быть освобожден от неразрешенных и тем более от неправильно решенных вопросов.

Должны быть исключены те объяснения, которые за последние десятилетия признаны ошибочными: ионная связь, металлическая связь, существование орбиталей и таких явлений, как гибридизация, резонанс структур и т. д.

Р. Дж. Гиллеспи считал, что «даже если [студенты] ставят перед собою цель понять [химию], то обычно вскоре приходят к выводу, что это слишком сложно, по крайней мере, в рамках доступного времени», и тогда они обращаются к заучиванию материала. Понять материал, излагаемый в современных учебниках, включая учебники, выпущенные членами Рабочей группы, невозможно, т. к. они ограничиваются описанием законов и правил (правила Льюиса, Правила резонанса, Периодического закона и т. д.) на уровне знаний 20-х годов прошлого века. В то время физический смысл этих законов и правил был неясен. Такой материал можно только запомнить и нельзя понять. Словосочетание «понять химию» предполагает осознание физической сущности химических явлений. Химия за последнее столетие достигла высокого уровня систематизации эмпирических данных в законы и правила, но осталась на уровне «коллекционирования марок», как говорил Резерфорд. В течение 1960– 2000-х годов нам удалось понять и объяснить физический смысл правил Льюиса, правил резонанса, правил валентности, правил Семенова – Поляни, Периодического закона и других законов и правил и опубликовать учебники и учебные пособия, альтернативные существующим, как в виде печатных изданий, так и в интернете.

В России в 1986–1987 гг. нами были опубликованы две работы, где предлагались новые объяснения процесса образования химической связи и протекания химической реакции. В 1991 г. вышла на русском языке книга «Новая теория химической связи и химической кинетики и катализа», а в 1992 – на английском. В 1998 г. мы выпустили книгу «Как образуются химические связи и протекают химические реакции».

Однако эти книги практически остались незамеченными. Помимо основной причины такого отношения – всеобщей тенденции избегать чего бы то ни было нового – была и другая причина: большинство наших работ по этой тематике (более 30) было задепонировано в ЦСИФ ЦНИИТЭНефтехим в 1982 г. и опубликовано в нереферируемых журналом «Chemical Abstracts» источниках. Главным отличием наших учебников от всех предыдущих является то, что они позволяют ПОНЯТЬ химические явления, ПОНЯТЬ их физический смысл и перейти от ЗАПОМИНАНИЯ материала, изложенного в учебниках, к его ПОНИМАНИЮ, о чем мечтал Дж. Гиллеспи.

В 1998 г. мы начали работы по созданию учебных пособий по общей химии, которые окажут помощь преподавателю химии.

Отдельные темы, касающиеся образования химической связи и химических реакций, дважды в год докладывались на конференциях Американского химического общества (с 1999 по 2006 г. более докладов). Полный текст докладов опубликован на нашем сайте:

http://www.ITChem.com.

Как показало обсуждение этих вопросов на конференциях, наши объяснения, касающиеся химической связи, кинетики и катализа, за эти 6 лет прошли две из трех стадий.

Хорошо известно, что, прежде чем новая концепция займет место старой, она должна пройти три стадии в социальном и научном сознании, до того как она получит всеобщее признание.

Эти стадии следующие:

1) Это невозможно!

2) М-м-м – Я думаю, что-то в этом есть!

3) Признание теории обществом. Такое признание обычно происходит под такими лозунгами, как:

это хорошо известная концепция;

это хорошо забытое прошлое!

Обсуждение докладов на конференциях Американского химического общества, рецензии на книгу и отзывы на нашем сайте показали, что наши интерпретации этих химических явлений понятны широкому кругу читателей. В качестве примера приводим одно из сообщений от читателя, полученных по электронной почте:

«Я занимаюсь научно-исследовательскими работами в области гражданского строительства и закончил изучение химии, когда мне было 18 лет. В то время [1950] катализ был чем-то вроде черной магии.

Однако недавно мне пришлось разбираться в таком явлении, как катализ. Итак, испробовав несколько различных фраз в Google в надежде найти 101-е объяснение, я случайно натолкнулся на «механизм катализа», который оказался на вашем сайте. Примите мои поздравления с самым интересным и четким изложением. Даже с моим средним уровнем бакалавра в химии (включая несколько последующих шагов) у меня не было трудностей с пониманием и восприятием, поскольку все очень логично.

В заключение мы бы хотели поблагодарить профессоров Дж. Н.

Спенсера и Р. Дж. Гиллеспи за их статьи, которые стимулировали нашу работу в области химического образования, и, самое главное, их усилия определили направление дальнейших действий, включая содержание нового учебника по химии «Общая химия».

Мы благодарны всем авторам, принявшим участие в тридцатилетней дискуссии, особенно профессору С. Дж. Хавксу, который составил перечень предложений по изменениям для вводного курса химии и написал ряд статей, посвященных соответствующим вопросам.

Мы также благодарим членов Рабочей группы за их вклад.

УРОВЕНЬ I

1. ЦЕЛЬ ХИМИИ КАК НАУКИ

Химия изучает строение веществ, их свойства и превращения.

Действительно, химики всегда интересовались, из каких видов частиц состоят вещества, какие свойства этих частиц определяют свойства различных веществ, окружающих нас, какие из них определяют те преобразования химических веществ, которые мы наблюдаем в природе и в экспериментах.

Все, что окружает нас, состоит из веществ, а свойства веществ различны. Например, предметы, сделанные из материалов под названием дерево или хлопок, могут гореть, в то время как предметы, изготовленные из металла, в обычных условиях не могут.

Вещества различаются по агрегатному состоянию, по цвету, твердости, электропроводности и т. д. Кроме того, они могут принимать участие в процессах химических превращений, в результате которых мы получаем новые вещества. Например, бензин (жидкость) при сгорании в двигателе превращается в углекислый газ (CO2) и воду (H2O). Метан (газ), используемый в газовых плитах для приготовления пищи, в результате ряда химических преобразований на крупных химических предприятиях превращается в различные пластмассы.

Химия отвечает на такие вопросы: почему вещества отличаются друг от друга? как построены вещества? как происходит преобразование веществ?

Общая химия изучает основные принципы, необходимые для понимания органической, неорганической, физической и биологической химии, а также для понимания науки в целом.

Общая химия относится к числу тех дисциплин, без которых образованные люди обойтись не могут. Человек без базовых знаний химии не способен понять информацию на этикетках, сопровождающих продукты питания. Он не сможет принять участие в разговорах, которые происходят в современном обществе и касаются таких важных вопросов, как химическое оружие, наркотики, курение, алкоголизм и т. д. Такой человек не может разобраться в различных марках бензина на заправочных станциях, он не понимает, почему холестерин может быть вредным или какие из моющих средств являются опасными и почему, и так далее и тому подобное.

Профессии, непосредственно связанные с химией (синтетики, фармацевты, химики-аналитики), входят в первую десятку самых престижных и хорошо оплачиваемых профессий. Без знания химии нельзя стать врачом, судьей, адвокатом или бизнесменом. Кроме того, обвинители и защитники обращаются почти ко всем гражданам США с просьбой послужить время от времени своей стране в качестве присяжного заседателя, где он/она должны понимать различные доказательства, предлагаемые прокурором или адвокатом. Это действительно так – многие доказательства основаны на знании химических анализов.

Что это значит знать химию? Это означает понимать физический смысл химических явлений. Физический смысл включает в себя объяснения химических явлений, вытекающих из знания физики и математики, полученного нами уже в школе. Таким образом, в целях облегчения усвоения при изучении химии студенту следует повторить некоторые разделы физики и математики.

При изучении общей химии студенты узнают о строении мельчайшей частицы вещества атома. Они узнают о различных свойствах атомов, они определяют вещества, из которых состоят окружающие нас вещи, они узнают, как происходят химические и физические преобразования веществ, как строение веществ определяет их физические и химические свойства.

Старший из авторов этой книги, переехавший в Америку из России в 1991 г., привык ходить на прогулки со своей девятилетней внучкой.

Девочка рассказывала дедушке о новых друзьях и изучении английского языка, а дедушка, в свою очередь, делился знаниями в области естественных наук. Как-то он рассказал ей о строении атома.

Прошло шесть лет. Однажды внучка вернулась из школы очень расстроенной. Она сказала, что учитель спросил класс: «Кто знает, что такое атом?» К ее изумлению, почти все дети подняли руку. Она поступила так же, поскольку ей представилась возможность похвастаться своими знаниями по химии. Она думала, что будет единственной, кто сможет правильно ответить на этот вопрос. У кого еще есть такой замечательный дедушка-химик?

Чтобы успокоить девочку, дедушка объяснил, что фраза «я знаю, что такое атом» нелогична. С одной стороны, она не означает ничего, с другой стороны, она может означать знания различной глубины.

Теперь обсудим, что же мы подразумеваем под глубиной знания?

Давайте ответим на этот вопрос на примере атома и молекулы.

Этот вопрос может заставить поднять руку многих студентов:

1) тех, кто знает, что атомы – это крошечные частицы;

2) тех, кто знает, из какого рода частиц состоят атомы;

3) тех, кто знает, как атомы образуются;

4) тех, кто знает, как атомы образуют молекулы;

5) тех, кто знает, какие силы объединяют атомы в молекулы;

6) тех, кто знает, как подсчитать энергию связи;

7) тех, кто знает, как свойства атомов определяют свойства молекул;

8) тех, кто знает, какие физические законы относятся к строению атомов и молекул.

Как мы видим, знание об атоме различается по глубине.

В действительности, объясняя такие химические явления, как атом, молекула, химическая связь, строение химических веществ, химические реакции, физические и химические свойства веществ и т. д., мы углубим наши знания в области химии. Иными словами, мы ответим на вопрос: почему простое описание строения атома и молекулы предшествует разделу книги, посвященному историческому обзору, в котором приведены различные эксперименты и теоретические доказательства, демонстрирующие, как было установлено строение атома и молекулы?

3. АТОМНАЯ СТРУКТУРА

1. Что является мельчайшей частицей вещества?

2. Какие силы необходимы для того, чтобы удержать эти частицы вместе?

3. Как эти связи между частицами нарушаются в ходе химических превращений?

4. Чем определяется сходство и различие веществ, которые нас окружают?

Известный ученый Ричард Фейнман, получивший Нобелевскую премию в области физики, однажды обратился к аудитории:

«Представьте себе, что вам надо оставить потомкам одно короткое предложение, выражающее наиболее важные достижения науки. Что это будет?» И, не дождавшись ответа, продолжил: «Можно выразить это одной фразой: материя состоит из атомов» (Humphrey Colin J.

Nature. Sept. 1999. V. 401. Р. 21).

Известно, что все вещества вокруг нас (железо, камень, соль, хлеб, жидкости и т. д. и т. п.) созданы из молекул – мельчайших частиц, состоящих из атомов. Атом, в свою очередь, состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны. Ядро состоит из нуклонов (протонов и нейтронов). Протоны и нейтроны состоят из кварков.

Протоны заряжены положительно, их заряды (по абсолютной величине) равны зарядам электронов. Нейтроны не несут электрического заряда.

Рассмотрим структуру вещества на примере воды. В 18 граммах воды содержится 6.02 1023 молекул. Молекула воды состоит из одного атома кислорода (О) и двух атомов водорода (Н), т. е. H2O.

Атом кислорода (О) состоит из ядра и 8 электронов. Атом водорода (H) состоит из ядра и одного электрона.

Атом водорода Для того чтобы разрушить воду до отдельных, слабо взаимодействующих молекул, мы должны нагреть воду до температуры 100 С. Для дальнейшего разрушения молекул до атомов мы должны нагреть полученный водяной пар до температуры приблизительно 5000 С.

Чтобы оторвать электроны от ядра атома кислорода, требуется поднять температуру выше 10000 С.

Таким образом, в соответствии с экспериментальными данными, предел разрушения частиц до более мелких составляющих зависит от температуры (энергии), которую мы используем для этой цели.

Теперь рассмотрим строение атома.

Заряд ядра равен сумме зарядов протонов ядра. Положительный заряд протона равен отрицательному заряду электрона (по абсолютной величине). Количество электронов, вращающихся вокруг ядра, равно количеству протонов. Поэтому суммарный заряд атома равен нулю.

электростатические силы.

Электроны, несущие идентичный отрицательный заряд, отталкиваются друг от друга. Они остаются в атоме благодаря силе притяжения к ядру, которое заряжено положительно. Электроны вращаются вокруг ядра с огромной скоростью, поэтому они не «падают» на ядро. В процессе вращения электронов вокруг атомного ядра появляется сила, подобная той, которая развивается, когда мы вращаем пружину с металлическим шариком на ее конце. Такая сила называется центробежной. Поскольку центробежные силы действуют в направлении, обратном электростатическим силам, это позволяет удерживать электроны на определенном расстоянии от ядра.

Вещества, состоящие из идентичных атомов (одинаковый заряд ядра, а соответственно, и одинаковое количество протонов и электронов), называют элементами. В настоящее время известно о существовании 109 элементов. Все элементы систематизированы в таблицу, копия которой обычно висит на стене кабинета химии.

Каждая ячейка этой таблицы содержит символ элемента (сокращение от латинского названия элемента), его название, номер и значение атомной массы.

Выше мы уже применили некоторые из символов и названий элементов, когда описывали формулу воды (Н2О), кислорода (О), водорода (Н).

Номер элемента совпадает с количеством протонов, которое содержит атомное ядро данного элемента. Каждый столбец таблицы называется группой и нумеруется римскими цифрами, а каждая строка называется периодом и нумеруется арабскими цифрами. Элементы одной и той же группы обладают сходными физическими и химическими характеристиками. Элементы I основной группы: литий (Li), натрий (Na), калий (K), рубидий (Rb), цезий (Cs), франций (Fr) называют щелочными металлами. Это легкие, мягкие металлы с низкими температурами кипения и плавления, они обладают высокой электропроводностью и теплопроводностью. Эти элементы легко вступают в химические реакции.

Элементы VII основной группы (галогены): фтор (F), хлор (Cl), бром (Br) и иод (I) – также обладают высокой реакционной способностью, но, в отличие от элементов I группы, это неметаллы.

Они обладают низкой теплопроводностью и не проводят электричество.

Элементы VIII основной группы включают благородные газы:

гелий (He), неон (Ne), аргон (Ar), криптон (Kr), ксенон (Xe), радон (Rn).

В отличие от других элементов, они не образуют стабильных молекул типа Не2 и, как правило, химически инертны.

Все атомы при избытке энергии способны терять свои электроны и превращаться в положительно заряженные ионы. Энергия, необходимая для отрыва электрона, известна как энергия ионизации.

Для отрыва первого электрона требуется энергия, называемая первой энергией ионизации. Чем больше энергии требуется для отрыва электрона, тем стабильнее данная система. В дальнейшем под энергией ионизации (ЭИ) будет подразумеваться первая энергия ионизации.

Большинство нейтральных атомов способны спонтанно присоединять электрон, при этом происходит высвобождение энергии.

Такая особенность атома называется сродством атома к электрону.

Энергию, которая высвобождается в ходе этого процесса, называют энергией сродства (аффинитета) атома к электрону. Основным препятствием для электронов, которые стремятся попасть в оболочку этих атомов, является сила отталкивания электронов, уже находящихся внутри атома.

СТРУКТУРА АТОМА ВОДОРОДА

Масса электрона в 1840 раз меньше, чем масса ядра. Поэтому атомная масса практически полностью определяется массой ядра, вокруг которого непрерывно вращаются электроны со скоростью см/с на расстоянии 0.53 10–10 м.

Электроны притягиваются к ядру электростатическими силами.

Сила притяжения электрона к ядру (сила связи F) пропорциональна заряду ядра (Z) и электрона (e) и обратно пропорциональна квадрату расстояния (R) между ними:

Из этого следует, что чем меньше расстояние между электроном и ядром и больше заряд ядра, тем больше сила притяжения электрона к ядру. Т. е. требуется больше энергии для отрыва электрона от ядра. Чем больше энергии требуется для разрыва этой связи, тем более стабильна система. Следовательно, если разрушение связи (отделение электрона от ядра) в одной системе требует больше энергии, чем в другой, то первая система более стабильна.

Энергия, требуемая для разрыва одного грамма атомов водорода, была определена экспериментально. Она равна 13.6 эВ (электронвольт). Также экспериментально была определена энергия, необходимая для отрыва электрона от ядра в атоме, состоящем из одного электрона и ядра, заряд которого в два раза больше заряда ядра атома водорода. В этом случае необходимо затратить в четыре раза больше энергии (54.4 эВ). Таким образом, атом с зарядом ядра в два раза большим оказывается в четыре раза более стабильным.

Как известно из электростатики, энергия (Т), необходимая для разрыва связи между противоположенными зарядами (Z и е), находящимися друг от друга на расстоянии R, определяется уравнением:

т. е. энергия, необходимая для разрыва связей, пропорциональна величине зарядов и обратно пропорциональна расстоянию между ними.

Такая корреляция вполне понятна: чем больше заряды, тем сильнее их притяжение друг к другу, следовательно, больше энергии требуется для разрыва связи между ними. И чем меньше расстояние между ними, тем больше энергии придется затратить на разрушение связи. Благодаря этому становится понятным, почему атомная система, где заряд ядра в два раза больше, чем заряд ядра в атоме водорода, более стабильна и требует больше энергии для отрыва электрона.

Однако следующий вопрос требует дополнительного разъяснения.

Почему при увеличении заряда ядра в два раза количество энергии, необходимое для разрыва связи между ядром и электроном, увеличивается в четыре раза, что равно квадрату значения удвоенного заряда ядра (54.4/13.6 = 4)?

Это особенно необъяснимо, если мы вернемся к равенству (3.2), в соответствии с которым увеличение одного из зарядов в два раза приводит к увеличению требуемой для разрыва энергии тоже в два раза, а не к возведению ее в квадрат.

Это расхождение объясняется следующим образом.

В системе, где заряды Z и е находятся в состоянии покоя относительно друг друга, энергия Т действительно пропорциональна Z.

Соответственно, при увеличении заряда ядра энергия Т увеличивается прямо пропорционально. Но в отличие от такой системы, в атоме, где электрон с зарядом е вращается вокруг ядра с зарядом Z, и заряд Z увеличивается, радиус вращения R пропорционально уменьшается.

Это происходит потому, что электрон притягивается к ядру с большей силой.

Рассмотрим теперь, как ЭИ меняется в зависимости от заряда ядра для первых 20 элементов таблицы (рис. 3.1).

В соответствии с экспериментальными данными, когда заряд ядра меняется одновременно с увеличением количества электронов во внешнем электронном слое атома, ЭИ по периоду таблицы увеличивается в пяти случаях и снижается в двух.

Так, например, ЭИ лития (Li), заряд ядра которого составляет протонных единицы, равна 5.4 эВ. ЭИ бериллия (Ве), заряд ядра которого равен 4 протонным единицам и во внешнем электронном слое которого имеется 2 электрона, равна 9.3 эВ. Таким образом, когда заряд ядра атома Li увеличивается на одну протонную единицу, и при этом одновременно увеличивается количество электронов на единицу, ЭИ увеличивается на 3.9 эВ (т. е. 9.3 – 5.4 = 3.9) и мы переходим от Li к Be.

Рис. 3.1. Зависимость ПЭИ от заряда ядра для первых 20 элементов В отличие от перехода от лития (Li) к бериллию (Ве), переход от бериллия (Ве) к бору (В) показывает, что ЭИ снижается. ЭИ бериллия 9.3 эВ; заряд ядра атома В составляет 5 протонных единиц при электронах, ЭИ при этом равна 8.3 эВ, т. е. на 1 эВ меньше (9.3 – 8.3 = 1).

При переходе от бора (В) к углероду (С), от углерода (С) к азоту (N), от кислорода (О) к фтору (F) и от фтора (F) к неону (Ne) – ЭИ увеличиваются на 3.1: (11.4 – 8.3 = 3.1), (14.5 – – 11.4 = 3.1); или на 3.8: (17.4 – 13.6 = 3.8); или на 5.2: (21.6 – 17. = 5.2) соответственно.

Таким образом, прослеживается закономерность, подобная той, которая имеет место при переходе от Li к Ве.

При переходе от азота (N) к кислороду (О) ЭИ снижается на 0.9 эВ (14.5 – 13.6 = 0.9), эта зависимость аналогична той, которая прослеживается при переходе от бериллия (Ве) к бору (В). При переходе от неона (Ne) к натрию (Na) ЭИ снижается на 16.46 эВ (21.6 – 5.14 = 16.46). При этом заряд ядра также увеличивается на одну протонную единицу и добавляется один электрон.

Благодаря экспериментальным данным мы знаем ЭИ для всех логарифмическая зависимость энергии, требуемой для последовательного удаления электронов из атомов Ве, В, N, Са. На этих графиках по оси ординат отложены lg ЭИ, что позволяет не растягивать данные по вертикали.

Электроны, вращающиеся вокруг ядра атома, распределены по слоям, которые называют также электронными уровнями или оболочками. Точки графика, расположенные на прямой линии, соответствуют электронам, принадлежащим одному электронному уровню. Электроны одного уровня расположены приблизительно на одинаковом расстоянии от ядра. Поэтому Рис. 3.2. Зависимость энергии ионизации бериллия (а), бора (б), азота (в) и кальция (г) от номера ЭИ в ходе последующих отрывов электронов в результате ионизации ЭИ для каждого следующего электрона постепенно увеличивается, в то время как силы отталкивания между электронами одного уровня снижаются. Это происходит в соответствии с законами электростатики.