Скачать

Концептуальные уровни в познании веществ и химические системы

Содержание

Введение. 2

Состав вещества и химические системы.. 5

Полимеры и мономеры.. 6

Периодический закон Менделеева. 7

Вещества простые и сложные соединения. Понятие о качественном и количественном составе вещества. 9

Катализаторы и биокатализаторы.. 15

Невозможность классического описания поведения электронов в атоме. 16

Организация электронных состояний атома в электронных оболочках. 17

Дискретность электронных состояний в атоме. 18

Изотопы.. 23

Переход электронов между электронными состояниями как основные атомные процессы(возбуждение и ионизация) 24

Заключение. 26

Список литературы.. 27

Введение

В данной работе рассматривается тема "Концептуальные уровни в познании веществ и химические системы". Химию обычно рассматривали как науку о составе и качественном превращении различных веществ. В первое время именно по составу реагирующих веществ пытались объяснить свойства полученных новых веществ. Уже на этом этапе ученые встретились с огромными трудностями. Ведь для того чтобы понять, какие именно первоначальные элементы определяют свойства простых и сложных веществ, надо, во-первых, уметь различать простые и сложные вещества, а во-вторых, определить те элементы, от которых зависят их свойства. Между тем долгое время ученые считали, например, металлы сложными веществами, а об элементах существовали самые противоречивые представления. Поэтому, несмотря на обилие эмпирического материала о свойствах различных веществ и их соединений, особенностях протекания разнообразных реакций, в химии, по сути дела, до открытия в 1869 г. Периодической системы химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева (1834-1907) не существовало той объединяющей концепции, с помощью которой можно было бы объяснить весь накопленный фактический материал, а следовательно, представить все наличное знание как систему теоретической химии. Таким образом, систематизация химического знания - совсем недавнее свершение, потому актуальность данной темы не вызывает сомнений.

Цель работы - анализ концептуальных уровней в познании веществ.

Объект исследования - химические системы.

Было бы неправильно не учитывать той громадной исследовательской работы, которая привела к утверждению системного взгляда на химические знания. Уже с первых шагов химики на интуитивном и эмпирическом уровне поняли, что свойства простых веществ и химических соединений зависят от тех неизменных начал или носителей, которые впоследствии стали называть элементами. Выявление и анализ этих элементов, раскрытие связи между ними и свойствами веществ охватывает значительный период в истории химии, начиная от гипотезы Роберта Бойля (1627-1691) и кончая современными представлениями о химических элементах как разновидностях изотопов, т.е. атомов, обладающих одинаковым зарядом ядра и отличающихся по массе. Этот первый концептуальный уровень можно назвать исследованием различных свойств веществ в зависимости от их химического состава, определяемого их элементами. Здесь мы видим поразительную аналогию с той концепцией атомизма, о которой шла речь в предыдущей главе. Химики, как и физики, искали ту первоначальную основу или элемент, с помощью которых пытались объяснить свойства всех простых и сложных веществ.

Второй концептуальный уровень познания свойств связан с исследованием структуры, т.е. способа взаимодействия элементов веществ. Эксперимент и производственная практика убедительно доказывали, что свойства полученных в результате химических реакций веществ зависят не только от элементов, но и от взаимосвязи и взаимодействия элементов в процессе реакции. Именно поэтому в процессе познания и использования химических явлений необходимо было учитывать их структуру, т.е. характер взаимодействия составных элементов вещества.

Третий уровень познания представляет собой исследование внутренних механизмов и условий протекания химических процессов, таких, как температура, давление, скорость протекания реакций и некоторые другие. Все эти факторы оказывают громадное влияние на характер процессов и объем получаемых веществ, что имеет первостепенное значение для массового производства.

Наконец, четвертый концептуальный уровень является дальнейшим развитием предыдущего уровня, связанным с более глубоким изучением природы реагентов, участвующих в химических реакциях, а также применением катализаторов, значительно ускоряющих скорость их протекания. На этом уровне мы встречаемся уже с простейшими явлениями самоорганизации, изучаемыми синергетикой.

Задачи, решаемые в ходе работы:

- рассмотреть методы и концепции познания в химии;

- дать понятие состава вещества и химических систем;

- проанализировать изучение структуры веществ в рамках химической системы.

Рассмотрим подробнее концептуальные уровни в познании веществ и химические системы.

Состав вещества и химические системы

Химическая система – совокупность микро и макро количеств веществ, способных воздействием внешних факторов (условий) к превращениям с образованием новых химических соединений.

Веществом называется отдельный вид материи, обладающий при данных условиях определенными физическими свойствами. Примеры вещества: кислород, вода, железо.

Простейшим носителем химических свойств служит атом (в том числе ионизированный) - система, состоящая из ядра и движущихся вокруг него (в его электрическом поле) электронов. В результате химического взаимодействия атомов образуются молекулы (радикалы, ионы, атомные кристаллы) -системы, состоящие из нескольких ядер, в общем поле которых движутся электроны. При химическом взаимодействии молекул одна конфигурация ядер и электронов разрушается и образуется новая. Акт химического взаимодействия состоит в образовании новых электронных (молекулярных) орбиталей.

Молекулой по-прежнему называют наименьшую частицу вещества, способную определять его свойства и существовать самостоятельно. Но теперь в число молекул включают и такие квантово-ме-ханические 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.

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 их 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.

Полимеры и мономеры

Полимеры - высокомолекулярные соединения, молекулы которых имеют линейное строение и состоят из большого числа повторяющихся комплексов. Полимеры - это гигантские химические молекулы, образуемые в результате последовательного присоединения к друг другу тысяч и десятков тысяч простых молекул , так называемых мономеров. В вытянутом состоянии такие молекулы представляют собой длинную нить толщиной в одну молекулу. Звенья полимерной цепи связаны очень прочно, поэтому полимеры очень прочные на разрыв. Максимальная прочность достигается когда все нити параллельны друг другу, обеспечивая равномерную нагрузку. Реализуется максимальная прочность путем вытягивания в нити. Чем больше длина молекулы, тем прочнее связь. В итоге получается, что мономеры - газы, а полимеры - твердые тела. Первые полимерные продукты были получены в конце 19 века, однако основные представления о свойствах и природе полимеров стали известны только к началу сороковых годов. Именно тогда сформировалось основное представление о синтезе полимеров, главное в котором - чистота исходных мономеров. Так как даже малые примеси приводят к прекращению процесса полимеризации. К началу сороковых годов были созданы основные полимерные вещества: полистирол, полихлорвинил, полиамиды, полиэфиры и так далее. В тридцатых годах под руководством С.В. Лебедева было начато производство синтетического каучука. В то же время были открыты кремнийорганические полимеры, которые являются хорошими диэлектриками

Мономе́р (с греч. mono "один" и meros "часть") — это небольшая молекула, которая может образовать химическую связь с другими мономерами и составить полимер.

Стоит отметить, что другие низкомолекулярные вещества принято называть димерами, тримерами, тетрамерами, пентамерами и т.д., если они, соответственно, состоят из 2, 3, 4, и 5-ти мономеров. Приставку олиго- (сахариды, меры, пептиды) добавляют в общем случае, когда полимер состоит из небольшого количества мономеров.

Мономеры могут быть как органическими, так и неорганическими.

Примерами органических мономеров могут служить молекулы углеводородов, такие, как алкены и арены. К примеру, полимеризация этена приводит к образованию такой широко известной пластмассы, как полиэтилен. Липиды также являются составленными из мономеров жирных кислот и глицерина. Также в промышленности широко используют акриловые мономеры — акриловую кислоту, акриламид.

В результате полимеризации природных мономеров — аминокислот, образуются белки. Мономеры глюкозы образуют различные полисахариды — гликоген, крахмал

Периодический закон Менделеева

В 1669 году Д. И. Менделеев сформулировал закон: Свойства простых тел, а также свойства и формы соединений находятся в периодической зависимости от величин атомных весов элементов. Расположив все известные в то время элементы в порядке возрастания относительных атомных масс, Менделеев наблюдал периодическое изменение их свойств. В настоящее время принята современная формулировка закона, учитывающая строение атома (неизвестное во время создания закона Д.И.Менделеева ):Свойства элементов, а также простых и сложных ими образуемых, находятся в периодической зависимости от заряда ядра атома.

Периодическая система является графическим выражением периодического закона. Существуют различные варианты отображения периодичности, однако наиболее удобной остается таблица, предложенная Д.И.Менделеевым.

Таблица состоит из 7 периодов (горизонтальные ряды элементов ) и 8 групп (вертикальные ряды элементов ).

Периоды 1-3 называются малыми, они состоят из одного ряда, в первом периоде только 2 элемента, во 2 и 3 - по 8 элементов. Периоды 4-7 называются большими, они состоят из 2 рядов. 7 период является незавершенным. В каждой группе элементов можно выделить 2 подгруппы - главную и побочную.

В малых периодах - 2 и 3 (в них находятся только элементы главных подгрупп ) - наиболее отчетливо видны закономерности , которые существуют и в больших периодах:

Каждый период начинается щелочным металлом и заканчивается инертным газом.

Слева направо, с ростом порядкого номера элементов:

Увеличивается эллектроотрицательность

Уменьшается атомный радиус

Ослабляются металлические (востановительные) свойства

Увеличивают неметаллические (окислительные) свойства

В главных подгруппах с увеличением порядкового номера элементов наблюдаются следующие закономерности:

Номер группы, как правило, указывает число электронов, которые могут участвовать в образовании химических связей. В этом — физический смысл номера группы.

Эллектроотрицательность уменьшается

атомный радиус увеличивается

металлические (восстановительные) свойства элементов усиливаются

неметаллические (окислительные) свойства ослабляются

Вещества простые и сложные соединения. Понятие о качественном и количественном составе вещества

Веществом называется отдельный вид материи, обладающий при данных условиях определенными физическими свойствами. Примеры вещества: кислород, вода, железо.

Чистое вещество всегда однородно, смеси же могут быть однородными и неоднородными. Однородными называются смеси, в которых ни непосредственно, ни при помощи микроскопа нельзя обнаружить частиц этих веществ вследствие ничтожно малой их величины. Такими смесями являются смеси газов, многие жидкости, некоторые сплавы. В неоднородных смесях неоднородность можно обнаружить при помощи микроскопа или даже невооруженным глазом. Примерами неоднородных смесей могут служить различные горные породы, почва, пыльный воздух, мутная вода. Кровь, например, тоже относится к неоднородным смесям, и при рассмотрении в микроскоп можно увидеть, что она состоит из бесцветной жидкости, в которой плавают красные и белые тельца.

Химическая промышленность выпускает химические продукты, которые также содержат какое-то количество примесей. Для указания степени их чистоты существуют специальные обозначения, или квалификация:

технический (техн);

чистый (ч.);

чистый для анализа (ч.д.а.);

химически чистый (х.ч.);

особо чистый (о.ч.).

Продукт с квалификацией «техн» обычно содержит значительное количество примесей, «ч.» — меньше, «ч.д.а.» — значительно меньше, «х.ч.» — меньше всего. С маркой «о.ч.» выпускаются лишь некоторые продукты. Допустимое содержание примесей в химическом продукте той или иной квалификации устанавливается государственными стандартами.