Концепции современного естествознания

В 1934 г. французскими физиками Ф. и И. Жолио-Кюри были получены первые искусственные изотопы, т. е. изотопы, которые отсутствуют в природе. В 1937 г. создан первый искусственный химический элемент, который назвали технецием.

Теоретические основы химии.

Теоретической основой систематизации химических элементов послужила периодическая система Д.И. Менделеева. Важной в химии является теория химического строения А.М. Бутлерова, созданная во второй половине XIX в. В своей теории он дал определение понятия химического строения как распределения принадлежащих атомам сил сродства, вследствие которых образуются химические связи различной прочности. Он обратил внимание на то, что различная реакционная способность разных соединений объясняется большей или меньшей энергией, с которой связываются атомы (т. е. энергией связей), а также полным или неполным потреблением единиц сродства при образовании химических связей.

Фундаментальная для химии теория химической связи была создана в первые десятилетия XX в. после того, как атомная физика выяснила внутреннее строение молекул и вышла на уровень, который находится ниже молекулярного, — атомный. В 1916 г. Г. Льюис (1875–1946) и И. Ленгмюр (1881–1957) независимо друг от друга установили, что связь между атомами в молекуле осуществляют электроны. Когда два атома сталкиваются и вступают в реакцию, они или перераспределяют свои электроны и после расходятся, или объединяют свои электроны. Электроны располагаются вокруг ядра атома оболочками и при столкновении во взаимодействие вступают внешние оболочки. Часть электронов переходит из внешней оболочки одного атома во внешнюю оболочку другого. Оба атома оказываются противоположно заряженными и начинают притягиваться друг к другу, создавая химическую связь, называемую ионной. Атомы могут также объединять свои электроны, представляя их в совместное пользование. Такая связь получила название ковалентной.

Превращение одного вещества в другое называется химической реакцией. Химия изучает способность веществ вступать в химические реакции и характер протекания реакций. Реакционная способность веществ зависит от их структуры, а течение реакций — от состава реагирующих веществ и влияния внешних факторов (давления, температуры и т. п.). К важнейшим факторам, влияющим на скорость реакций, относятся: природа реагирующих веществ и их концентрация, размеры частиц реагентов, присутствие в системе катализаторов, температура и давление газообразных реагентов. Влияние температуры на скорость реакции определяется правилом Я. Вант-Хоффа, в соответствии с которым при повышении температуры на 10 градусов скорость реакции увеличивается в 2–4 раза. Закон действующих масс в химической кинетике выражает зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ. Все химические реакции делятся на гетерогенные и гомогенные. Последние протекают в однородной однофазной системе.

К основным химическим понятиям относится понятие химического равновесия, под которым понимается одинаковость скоростей прямой и обратной реакций. Химическое равновесие называют динамическим, поскольку протекают и прямая, и обратная реакции, но изменения в системе отсутствуют.

Сложные системы в химии.

Выдающееся достижение химии заключалось в том, что она открыла так называемые цепные реакции еще до того, как в физике был обнаружен радиоактивный распад. Суть цепной реакции Н.Н. Семенов описывает так: «Энергии кванта достаточно для того, чтобы двухатомная молекула хлора распалась на отдельные атомы. Каждый из них активнее первоначальной молекулы и потому легко вступает в реакцию с молекулой водорода. Она также двухатомна. Один из ее атомов вместе с атомом хлора дает молекулу продукта — хлористого водорода, а другой атом водорода остается свободен. Теперь он легко вступает в реакцию с ближайшей молекулой хлора, образуя вторую молекулу хлористого водорода и отдельный атом хлора… Это повторяется много-много раз, возникает как бы длинная цепь реакций»[84].

Советскому ученому Н.Н. Семенову предстояло открыть разветвленные цепные реакции. Его описание данного открытия раскрывает внутренний механизм научного творчества как такового. «Я уже сейчас не помню хорошо, когда у меня мелькнула догадка, что реакция окисления фосфора отличается от реакции хлора с водородом… Не помню, как мне пришла в голову главная мысль, что в ходе этой реакции образуются не обычные молекулы пятиокиси фосфора, а молекулы возбужденные — имеющие избыточную энергию, что и является причиной испускания света при соединении фосфора с кислородом. Но иногда возбужденная молекула пятиокиси фосфора может столкнуться с неактивной молекулой кислорода, еще не успев испустить свет. Тогда эта избыточная энергия вызывает расщепление кислородной молекулы на активные атомы, каждый из которых, в свою очередь, начинает боденштейновскую прямую цепь реакции окисления фосфорных паров»[85].