Хімічна сполука, хімічний зв’язок - Хімія
3. Хімічна сполука, хімічний зв'язок
Різноманітність об'єктів, що вивчаються в рамках хімії, зовсім не вичерпується лише елементами та ізотопами. Хімічні елементи об'єднуються у складніші системи, звані хімічними сполуками. На рівні мікросвіту це описується як утворення з атомів складніших (складених) частинок – молекул.
► Молекула – це найменша електронейтральна сукупність атомів, що утворюють певну структуру за допомогою так званих хімічних зв'язків.
Хімічний зв'язок є однією з фундаментальних фізичних взаємодій - електромагнітне. Можливість вступити в хімічний зв'язок атоми отримують за рахунок втрати своєї електронейтральності в результаті відриву одного або кількох електронів (позитивний заряд) або приєднання одного або кількох електронів (негативний заряд). Далі протилежно заряджені частинки - іони - притягуються до друга, нейтралізуючи свої заряди і утворюючи в результаті молекулу хімічної сполуки, що має властивість електронейтральності. У цьому прикладі розглянуто так званий іонний хімічний зв'язок, що характеризується найвищою енергією зв'язку, можливим серед усіх її типів. Інші відомі типи хімічного зв'язку – ковалентний, донорно-акцепторний та ін – також пов'язані з електромагнітними взаємодіями; лише у випадках відбувається не відрив електронів від атома, які деяке зміщення від нейтрального становища, у результаті також утворюється якийсь заряд.
► Процес утворення молекул з атомів називається хімічною реакцією.
Періодична система елементів визначає кожного елемента:
♦ тип та заряд зарядженої частки (іона);
♦ типи хімічних сполук,які можуть вступати атоми цього елемента, тобто, по суті, хімічні формули молекул;
♦ типи хімічних зв'язків, які можуть реалізуватись у таких молекулах;
♦ типи хімічних реакцій, до яких може вступати цей елемент.
Молекули можуть містити атоми лише одного елемента, у разі такі речовини називаються простими. Численні приклади – існування чистих металів (особливо хімічно інертних дорогоцінних металів – золота, платини), інертних газів – неону, радону та інших. – гази фтор F2 та хлор Cl2, рідина бром Br2, тверда речовина йод J2. Молекула відомого газу озону містить три атоми кисню за формулою О3, а молекула білого фосфору – чотири атоми фосфору Р4.
Речовини, молекули яких складаються з атомів різних елементів, називаються складними речовинами або хімічними сполуками, наприклад: сполуки різних елементів з киснем називаються оксидами, з фтором – фторидами, з хлором – хлоридами. Усі хімічні сполуки об'єднані у класи, і назви сполук різних класів визначається згідно з міжнародними стандартами номенклатури хімічних сполук ІЮПАК.
Традиційно хімічні сполуки поділяють на неорганічні – сполуки всіх елементів Періодичної системи, та органічні – сполуки вуглецю та деяких інших елементів, у яких атоми вуглецю з'єднані між собою у ланцюзі (відповідно оформилися фундаментальні напрями хімічної науки – неорганічна та органічна хімія). Усього хімічних сполук на даний момент відомо кілька мільйонів, і їхня кількість постійно зростає за рахунок синтезу нових органічнихз'єднань.
В даний час відомо 110 елементів, а кількість утворених ними простих речовин - близько 400. Така відмінність пояснюється здатністю деяких елементів існувати у вигляді різних простих речовин, що відрізняються як за хімічними, так і фізичними властивостями. Це явище отримало назву алотропії, а самі різні речовини – алотропними модифікаціями. Властивістю утворювати алотропні модифікації мають як прості речовини, наприклад розглянуті вище сполуки двоатомний кисень і триатомний озон (не менш відомий приклад - алотропія вуглецю С: вугілля, алмаз, графіт, шунгіт - хімічна формула всіх перерахованих сполук одна і та ж). сполуки, наприклад, численні алотропні форми оксиду кремнію (річковий пісок, мінерал кварц та ін.) та оксиду алюмінію (глинозем та корунд).
4. Хімічна реакція, її швидкість, кінетика та каталіз, біокаталізатори
Для встановлення складу хімічних сполук дуже важливим є закон сталості їх складу. Положення цього закону дозволили хімікам відокремлювати справжні хімічні сполуки від найпростіших сумішей. Вперше в історії хімії цей закон був сформульований французьким хіміком Ж. Прустом на початку ХІХ ст.
► Будь-яке індивідуальне хімічне з'єднання має строго певний незмінний склад, міцне тяжіння складових частин і тим самим відрізняється від сумішей.
Теоретично закон сталості складу обгрунтував англійський дослідник природи Д. Дальтон у своєму знаменитому законі кратних відносин: «з'єднання складаються з атомів двох або декількох сполук, що утворюють певні поєднання один з одним». На його честь усі хімічні сполуки постійного складу (а їхня переважна більшість серед речовин) називають дальтонідами.
Законсталості складу речовини використовував і Д. І. Менделєєв при розробці своєї періодичної системи - сталість складу сполук, які може утворювати даний елемент, випливає з його положення в періодичній таблиці Менделєєва. Уявлення склад речовини – одне з концептуальних понять для хімії як природної науки. Постійність складу хімічних сполук зумовлено фізичною природою хімічних зв'язків, що об'єднують атоми одну квантово-механическую систему – молекулу.
Необхідність вироблення строгих наукових принципів щодо складу речовини дозволила хімікам успішно розвинути суворе наукове поняття хімічної реакції як процесу утворення нових хімічних сполук. У хімічній реакції беруть участь вихідні речовини, які реагують одна з одною і з часом перетворюються на нові речовини, які називають продуктами реакції. З закону сталості складу речовини випливає сталість як складу молекул продуктів реакції, а й сталість кількісних співвідношень (масових часток) вихідних речовин.
► Стехіометрія – розділ хімії, в якому розглядаються масові або об'ємні відносини між реагуючими речовинами. Закони стехіометрії так само незаперечні, як і будь-які інші природничі закони; крім того, їх знання дуже корисне для прикладної хімії, тому що дозволяє кількісно розрахувати вихід хімічної реакції та необхідну кількість вихідних речовин.
Процес отримання нових хімічних сполук з урахуванням стехіометричних співвідношень зазвичай записується у вигляді рівняння хімічної реакції, наприклад:
♦ хімічні формули ліворуч від знака рівності позначають вихідні речовини;
♦ хімічні формули праворуч від знака рівності позначають продукти реакції;
♦ цифриперед формулами хімічних сполук є про стехиометрическими коефіцієнтами; вони розкривають масові (або об'ємні) співвідношення речовин.
У рівнянні хімічної реакції знайшов своє відображення ще один фундаментальний закон природознавства – закон збереження речовини, відкритий нашим співвітчизником М. В. Ломоносовим та незалежно від нього – французом А. Л. Лавуазьє. Саме відповідно до цього закону і виходить математичний вираз – рівняння: маса даного елемента ліворуч від знака рівності повинна дорівнювати масі цього ж елемента праворуч від знака рівності, а стехіометричні коефіцієнти зрівнюють (не тільки математичний, а й хімічний термін!) дану реакцію.
Проникнення математичних понять, виразів, термінів (рівняння, коефіцієнти) у хімію, змішання термінологій означає, що у важливому історичному етапі формування хімії як науки (XVIII–XIX ст.) вона розвивалася відповідно до наукової парадигмою на той час – класичної механікою. Щодо хімії ця парадигма могла б бути виражена наступним чином: будь-який закон природи можна подати у вигляді математичного співвідношення, що записується за участю хімічних формул.
Ще один цікавий випадок проникнення класичного ньютонівського підходу до хімії – поняття про швидкість хімічної реакції. Намагаючись отримати нові хімічні сполуки, вчені-хіміки різних епох неодноразово наголошували на тому, що деякі речовини реагують одна з одною миттєво, часто з вибухом, а інші – повільно, протягом кількох годин (добу). Швидкості багатьох хімічних процесів було встановлено емпіричним шляхом. І для обчислення швидкості хімічних реакцій було використано ньютонівське уявлення про час як про не залежну від властивостей речовинипростору простий тривалості. Процес хімічної реакції можна розглядати як процес зміни концентрацій початкових і кінцевих продуктів реакції, і, згідно з класичною механікою, для будь-якого процесу зміни (руху) у часі завжди можна розрахувати швидкість цієї зміни.
Сучасні квантові уявлення про хімічні процеси розглядають хімічну реакцію як перерозподіл електронів між статистично ймовірними енергетичними рівнями молекул, що беруть участь, створення міжмолекулярних проміжних реакційних комплексів та отримання нових продуктів як енергетично вигідних станів молекул. У цих уявлень класична швидкість реакцій немає сенсу, оскільки кожен новий енергетичний стан розглядається у межах просторово-часового континууму і перебір енергетичних станів триває до досягнення найбільш енергетично вигідного. Тим не менш, класичні уявлення про хімічні процеси активно використовуються в сучасній хімії, особливо в прикладних галузях хімії та в хімічних науках, що лежать "на стику" з біологією, - біохімії, молекулярної біології та ін.
Закономірним етапом застосування знань про умови протікання хімічних процесів став розвиток науки про те, як можна впливати на них і ними керувати. Така наука дістала назву хімічної кінетики, в якій знайшла відображення класична парадигма, адже кінетика – це наука про рух. Але у класичній кінетиці швидкість – векторна величина, тобто має напрямок. Так само і в хімічній кінетиці має значення напрямок хімічної реакції - розрізняють реакцію пряму, тобто таку, в результаті якої з вихідних речовин виходять продукти реакції, і зворотну реакцію, при якій відбуваєтьсярозкладання продуктів із отриманням вихідних речовин. Так у хімічну кінетику було введено поняття про хімічну рівновагу – стан, коли швидкості прямої та зворотної реакції рівні між собою.
В рамках хімічної кінетики було зроблено чимало корисних відкриттів, які показують, як можна збільшувати швидкість хімічних процесів за рахунок підбору умов – підвищення температури реакції, тиску (якщо реакція протікає у газовій фазі), як можна зрушити хімічну рівновагу у бік отримання корисних продуктів реакції, не містять залишків вихідних продуктів, що не прореагували, і т.д.
Епохальним стало відкриття речовин, які при додаванні реакційної суміші здатні збільшити швидкість реакції, при цьому залишаючись незмінними (не змінюючи свого складу). Ці речовини отримали назву каталізаторів, тобто прискорювачів, які застосування – каталіз. Зараз складно навіть перерахувати всі хімічні промислові процеси, де застосовуються каталізатори, – така велика їх кількість, особливо в органічній хімії. Відомі приклади промислового каталізу - каталітичний крекінг нафтопродуктів з отриманням вуглеводнів, що застосовуються як паливо (бензини, дизельне паливо і т. д.), отримання твердого замінника вершкового масла - маргарину - з рідких рослинних олій і т. д.
Цікаво, що поряд з величезною кількістю реалізованих вченими хімічних процесів, що прискорюються штучними каталізаторами, існують природні каталізатори і природні каталітичні процеси. Приклад природного каталізу – процес корозії металевого заліза, «іржавіння», тобто його окислення у природі з утворенням оксидів – іржі, відбувається під впливом каталізатора води. У зв'язку з цим цікавим є факт застосування речовин, що уповільнюють деякінебажані хімічні процеси, наприклад, той же процес корозії металевого заліза. Ці речовини називаються інгібіторами, тобто сповільнювачами. Легуючі добавки до сталей для захисту від корозії (отримання нержавіючих сталей) – ось приклад застосування інгібіторів у промисловості. Як і каталізатори, інгібітори бувають природного походження, наприклад, інгібітори гниття – натуральні консерванти, які продукуються деякими рослинами.
Каталізатори та інгібітори відіграють велику роль у біологічних процесах. Відомі всім ферменти – біокаталізатори, тобто речовини, які прискорюють біохімічні процеси всередині організмів живих істот, причому живі істоти самостійно синтезують ці ферменти у різних органах та тканинах. Ферменти керують усіма процесами метаболізму у всіх рослин і тварин, причому чим вищий рівень організму, тим більше ферментів використовується в ньому. На даний момент невідома навіть приблизно загальна кількість ферментів людського організму, оцінна кількість – кілька тисяч.
Цікаві факти використання життєво важливих ферментів, які може синтезувати людський організм, і тому вихідні речовини для внутрішнього синтезу ферментів – звані коферменти – він, як гетеротрофний організм, отримує ззовні від рослин і тварин. Це всім відомі вітаміни, «речовини життя», необхідні людині протягом усього її життєвого циклу. Усередині людського організму вони трансформуються у ферменти. Відповідно до уявлень сучасної еволюційної хімії, роль природних каталізаторів дуже важлива у процесах еволюції неживої та живої матерії.