Материал: Курс общей химии. Спиридонов Б.А

США на каждый внедряемый в химическое производство продукт приходилось около 450 теоретических разработок. Из них ~ 100 вариантов отбирали для лабораторных испытаний, а затем 5-8 – для опытного производства на химических установках. Не смотря на эти колоссальные затраты не более 50 % отобранных после промышленных испытаний продуктов имели какое-либо хозяйственное значение. Но значение этих продуктов так высоко, что полностью перекрывает стоимость непродуктивной разработки и внедрение их в промышленность.

Следует отметить, что 20 % мировых патентов выдаются на открытия или изобретения в области химии, в чем особенно отражается прогрессивный характер этой науки.

Весьма огромен вклад химии в удовлетворение основных потребностей людей и повышение жизненного уровня. В повседневной жизни средний гражданин использует не менее 300-500 продуктов химии, в том числе около 100 – в виде текстильных изделий, примерно 300 – в быту, на рабочем месте, приблизительно 50 медикаментов и столько же продуктов питания. Всего в настоящее время для всех мыслимых целей материального производства и удовлетворения потребности людей в их распоряжении имеется не менее 1 миллиона веществ, выпускаемых химической промышленностью. Общее число известных химических соединений оценивается около 7,5 млн. В химических лабораториях в мире ежедневно синтезируется свыше 200 новых химических веществ.

Несомненно, что сейчас химия со своими продуктами, методами, концепциями устремлена в будущее. Но еѐ успешное продвижение вперѐд тесно связано другими дисциплинами, особенно с физикой, математикой, техникой и биологией. Развитие современного химического производства немыслимо без развития и совершенствования методов монтажа установок, электроники, компьютерной, измерительной, управляющей и регулирующей техники, а также без улучшения сырьевой базы и энергетического хозяйства. Для всех этих отраслей хозяйства химия становится главным потребителем. В свою

18

очередь химия для этих отраслей разрабатывает новые продукты и методы, ускоряющие их прогресс. Без химии были бы невозможны такие завоевания человечества, как освоение космического пространства и использование атомной энергетики в мирных целях. Химические продукты и процессы применяются во многих отраслях материального производства: при изготовлении стекла, керамики, строительных материалов, в металлургической и пищевой промышленности. Такие принципиально новые физические эффекты, как радио и телевидение, магнитная запись и луч лазера, а также информационные и нанотехнологии могли быть технически реализованы благодаря созданию необходимых для них новых веществ и материалов. Можно утверждать, что современная химия определяет темпы научно-технического прогресса во всех существующих областях материального производства.

Глава 2. СТРОЕНИЕ АТОМОВ. ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА

2.1. Первые модели строения атома

В соответствии с атомно-молекулярным учением до конца X1X века считалось, что атом является неделимой и устойчивой частицей. Это находило подтверждение во множестве химических реакций, в которых вещества реагировали между собой в определенных массовых отношениях, пропорциональных массам целых атомов. Однако изучение различных физи- ко-химических явлений ставило под сомнение незыблемость атомно-молекулярного учения. Благодаря электрохимическим исследованиям, проведенным Петровым (1804 г.) и Дэви (1807 г.), а также установленным Фарадеем (1830-1834 г.г.) законам электролиза стало очевидным, что атомы могут нести положительный или отрицательный заряд.

19

С развитием спектральных методов анализа был установлен ряд количественных закономерностей, которые составили основу теории строения атома. Так, для спектра испускания водорода в видимой области Бальмером (1885 г.) было установлено определенное соотношение между частотами спектральных линий (серия Бальмера). В дальнейшем подобные соотношения были установлены Лайманом в ультрафиолетовой области и Пашеном – в инфракрасной.

Еще одним доказательством сложного строения атома послужило открытие в 1896 г. А. Беккерелем явления радиоактивности соединений урана. Позднее Пьер и Мария Кюри выделили из остатков руды после извлечения урана новый элемент – радий (Ra), радиоактивность которого оказалась в миллион раз выше радиоактивности урана.

Дальнейшие исследования явления радиоактивности, выполненные Э.Резерфордом, позволили обнаружить существование излучения трех видов – альфа (α)-, бета (β)- и гамма (γ)- лучей. Излучение каждого вида отличалось по своим электрическим свойствам и проникающей способности.

Дж. Томсон (1896 – 1897 г.г.) изучая природу катодных лучей, открытых Круксом (1879 г.), доказал, что они представляют собой поток электронов, вылетающих из катода со скоростью, близкой к скорости света. Он установил отношение заряда к массе электрона (ē/m), которое позднее было использовано для определения массы электрона и его заряда. В 1909 г. Малликен определил заряд электрона (ē = 1,6021·10-19 Кл), измеряя действие электрического поля на скорость падения капелек масла под действием силы тяжести. Подставив это значение в найденное Томсоном отношение заряда электрона к его массе была определена масса электрона (m = 9,1091·10-31

кг).

Первая модель, основанная на опытных данных, которые указывали на сложность строения атома, была предложена в 1904 г. Дж. Томсоном. В соответствии с этой моделью атом рассматривался как облако положительно заряженных частиц с

20

распыленными в нем электронами. Однако оставалось неясным, что представляют собой частицы несущие положительный заряд. Последующие открытия начала XX века опровергли эту модель атома.

Продолжая исследовать природу явления радиоактивности Резерфорд установил, что радиоактивное излучение радия состоит из - частиц (т.е. ядер гелия 2Не), которые выбрасывают ядра 88Ra, самопроизвольно распадаясь и превращаясь в ядра 86Rn. Эти частицы имеют заряд +2. β – излучение представляет собой поток электронов. В единицах заряда электрона каждая β- частица имеет заряд –1. γ – лучи представляют собой излучение высокой энергии, подобное рентгеновским лучам, открытым в1896 г. Рентгеном.

Открытие электрона и явление радиоактивности подтвердило идею о том, что атомы химических элементов представляют собой сложные системы, состоящие из более простых веществ.

В последующих экспериментах для изучения структуры атома Резерфорд использовал - частицы (рис. 1). Результаты исследований (1911 г.) позволили отказаться от модели, предложенной Томсоном. Его эксперимент заключался в бомбардировке тонкой золотой фольги потоком быстрых - частиц (He2+). Регистрация - частиц проводилась с помощью флуоресцирующего экрана из сернистого цинка. Большинство частиц (~99 %) проходили через пластинку без отклонения и только некоторые (одна частица из 105) подвергались действию отклоняющей силы, а иногда даже отбрасывались на угол больше 90º. На основании полученных данных и математических расчетов Резерфорд предложил следующее строение атома: с одной стороны ядро, состоящее из протонов и нейтронов, в котором сконцентрированы масса и положительные заряды; с другой стороны электроны, вращающиеся в периферийной зоне на значительном расстоянии от ядра. Центробежная сила противодействует силе притяжения электронов ядром. Таким образом, атом напоминает солнечную систему в миниатюре.

21