ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Высокомолекулярными соединениями (ВМС) или полимераминазываются вещества, имеющие большую молекулярную массу, состоящую из множества повторяющихся структурных звеньев.
Среди многочисленных веществ, встречающихся в природе, резко выделяется группа соединений, отличающихся от других особыми физическими свойствами, высокой вязкостью растворов, способностью образовывать волокна, пленки и т.д. К этим веществам относятся целлюлоза, пентозаны, крахмал, белки и нуклеиновые кислоты, широко распространенные в растительном и животном мире, где они образуются в результате жизнедеятельности организмов.
Высокомолекулярные соединения получили свое название вследствие большой величины их молекулярного веса, отличающие их от низкомолекулярных веществ, молекулярный вес которых лишь сравнительно редко достигает нескольких сотен. В настоящее время принято относить к ВМС вещества с молекулярным весом более 5000.
Молекулы ВМС называют макромолекулами, а химию ВМС – химией макромолекул и макромолекулярной химией.
На первых порах синтетические материалы носили характер заменителей природных материалов. В настоящее время в результате успехов в химии и физике ВМС и усовершенствования технологий их производства, благодаря принципиальной возможности сочетать в одном веществе любые желаемые свойства, синтетические ВМС постепенно проникают во все области промышленности, где они становятся совершенно незаменимыми конструкционными и антикоррозийными материалами.
Органические и неорганические ВМС
Органические ВМС являются основой живой природы входящие в состав растений, - полисахариды, лигпин, белки, пектиновые вещества – высокомолекулярны. Ценные механические свойства древесины, хлопка, льны обусловлены значительным содержанием в них высокомолекулярного полисахарида– целлюлозы. Главной составной частью картофеля, пшеницы, ржи, овса, риса, кукурузы, ячменя являются другой высокомолекулярный полисахарид – крахмал.Торф, бурый уголь, каменные угли представляют собой продукты геологического превращения растительных тканей, главным образом целлюлозы и лигнина, а также должны быть отнесены к высокомолекулярным соединениям.
В основе живого мира также лежат ВМС – белки, являющиеся главной составной частью почти всех веществ животного происхождения. Мышцы, соединительные ткани, мозг, кровь, кожа, волосы, шерсть состоят в основном из высокомолекулярных белковых веществ.
Неорганические высокомолекулярные соединения играют такую же большую роль и так же распространены в минеральном мире, как органические ВМС в живой природе.
Основная часть земной коры состоит из окислов кремния, алюминия и других многовалентных элементов, соединенных, по-видимому, в макромолекулы.Наиболее распространен среди этих окислов кремниевый ангидрид [SiO2]n, являющийся, бесспорно, высокомолекулярным соединением. Более 50% всей массы земного шара состоит из кремниевого ангидрида, а в наружной части земной коры содержание его достигает 60%. Наиболее распространенной модификацией кремниевого ангидрида является кварц – важнейшая составная часть большинства горных пород и песка.
Общие свойства ВМС
Для высокомолекулярных соединений характерны некоторые общие свойства, которые позволяют выделить химию высокомолекулярных соединений в самостоятельную науку. Эти свойства не могут быть описаны с помощью представлений классической химии. Для рассмотрения свойств высокомолекулярных соединений необходимо ввести принципиально новые понятия, общие для всего класса соединений.
Молекулярный вес полимеров
Первой особенностью химии высокомолекулярных соединений является совершенно новое понятие молекулярного веса.Для низкомолекулярных соединений величина молекулярного веса - это константа, характеризующая индивидуальность химического соединения.Изменение молекулярного веса всегда свидетельствует о переходе к другому веществу и сопровождается заметным изменением свойств. С переходом от одного представителя гомологического ряда к другому (т. е. с изменением величины молекулярного веса) физические свойства веществ изменяются настолько, что, пользуясь этим изменением, удается отделить гомологи друг от друга.
| Молекулярная масса |
Рис. 10.1. Кривая распределения по молекулярным весам
На рис. 10.1 показаны кривая распределения по молекулярному весу полимера. Степень полидисперсности является не менее важной характеристикой полимера, чем средний молекулярный вес.
С изменением физических свойств по мере увеличения молекулярного веса непосредственно связана еще одна особенность высокомолекулярных соединений.С увеличением молекулярного веса давление паров химических соединений уменьшается и задолго до достижения значений молекулярных весов, характерных для высокомолекулярных соединений, падает практически до нуля.При нагревании высокомолекулярных соединений не наблюдается заметной летучести, а при определенной температуре наступает термическое разложение вещества с разрывом химических связей и перегруппировкой атомов.Высокомолекулярные соединения практически нелетучи и не могут быть переведены в газообразное состояние.
В отличие от низкомолекулярных соединений, для которых известны три агрегатных состояния: твердое тело, жидкость, газ, - для высокомолекулярных соединений известны только два агрегатных состояния: твердое тело, жидкость.
Дробное поведение макромолекул
Характерной особенностью химии высокомолекулярных соединений является то, что наименьшей «частицей», участвующей в реакции или физико-химическом процессе, является не молекула, как в классической химии, а элементарное звено (при химических реакциях) или участок цепи (при физико-химических и физико-механических процессах).
Такое поведение молекул высокомолекулярных соединений в физико- химических и физико-механических процессах связано с гибкостью макромолекул. Молекулярные цепи разных полимеров обладают различной гибкостью, которая определяется величиной потенциального барьера свободного вращения атомов относительно друг друга. Величина потенциального барьера в свою очередь зависит от химического строения полимера и характера функциональных групп, имеющихся в цепи.
Макромолекулы линейных полимеров характеризуются высокой степенью асимметрии. Поэтому отдельные участки вытянутой молекулярной цепи настолько удалены друг от друга, что взаимное влияние становится ничтожно малым.Вследствие этого некоторые участки молекулярной цепи при растворении (когда подвижность и гибкость цепи возрастает) и в процессах деформации полимеров ведут себя как кинетически самостоятельные единицы. Такие участки молекулярной цепи называют сегментами. Величина участка молекулярной цепи, проявляющего кинетическую независимость (сегмента), не является постоянной и зависит от условий, в которых находится полимер (температура и концентрация раствора, природа растворителя, температура, величина и скорость приложения нагрузки при деформации). Это приводит к появлению некоторых особенностей в свойствах растворов и в процессах деформации полимеров.
Простейшей «частицей», самостоятельно участвующей в химических реакциях, является элементарное звено макромолекулы полимера.Следовательно, реакции функциональных групп полимеров - это химические реакции элементарных звеньев.
Следует отметить, что под функциональными группами полимера обычно подразумевают функциональные группы, входящие в состав элементарных звеньев цепи. В макромолекулах большинства полимеров имеются также концевые функциональные группы, как правило отличающиеся от функциональных групп элементарных звеньев. Однако при большом молекулярном весе полимера и малом числе концевых групп реакциями концевых групп в подавляющем большинстве химических превращений полимеров можно пренебречь.
В классической химии полноту протекания химической реакции обычно характеризуют числом молей превращенного вещества или выходом продуктов реакции, причем под «молем» понимают вполне определенную величину - молекулярный вес вещества, выраженный в конкретных весовых единицах.
Иначе обстоит дело в химии высокомолекулярных соединений. Так, при этерификации поливинилового спирта один моль уксусного ангидрида расходуется на одно элементарное звено полимера, и понятие «моль» становится условным. В химии высокомолекулярных соединений молем называют молекулярный вес элементарного звена полимера, выраженный в конкретных весовых единицах.
Соответственно полноту химической реакции характеризуют числом прореагировавших элементарных звеньев. Поскольку эти звенья находятся в одной молекулярной цепи, число элементарных звеньев, участвующих в реакции, показывает не выход конечного продукта реакции, как в реакциях низкомолекулярных соединений, а степень химического превращения высокомолекулярного соединения. К тому же исходные и конечные продукты реакции объединены в одной молекулярной цепи, что меняет представления«классической» химии о чистом веществе. Поэтому результаты химических превращений высокомолекулярных соединений приходится оценивать статистически.
В тех случаях, когда в результате реакции достигнута исчерпывающая полнота превращения всех функциональных групп, полученный продукт, согласно понятиям классической химии, все равно не является чистым веществом вследствие неоднородности полимера по молекулярному весу. Таким образом, вводятся новые понятия: однородность вещества по молекулярному весу и однородность вещества по химическому составу.
Наряду с реакциями элементарных звеньев очень важное значение имеют макромолекулярные реакции полимеров. В этих реакциях макромолекула ведет себя как единое целое и поэтому стехиометрические соотношения реагирующих веществ резко отличаются от стехиометрических соотношении веществ в реакциях элементарных звеньев полимеров.
К макромолекулярным реакциям полимеров относятся межмолекулярные реакции, в результате которых между макромолекулами образуются химические связи и линейные полимеры превращаются в пространственные, а также реакции химической деструкции полимеров, протекающие под влиянием химических реагентов.
В реакциях элементарных звеньев полимера, вследствие соизмеримости молекулярных весов элементарного звена и реагирующего с ним низкомолекулярного вещества, участвуют обычно соизмеримые количества полимера и низкомолекулярного соединения. При образовании же межмолекулярных связей в реакции участвует, с одной стороны, макромолекула полимера, а с другой - молекула низкомолекулярного соединения, молекулярный вес которого в сотни или тысячи раз меньше молекулярного веса полимера. Например, для образования химической связи между двумя макромолекулами полиакриловой кислоты достаточно одного атома двухвалентного металла:
~(СН2-СН)n~ + Me + -(СН2-СН)n- → ~(СН2-СН)n~ ~(СН2-СН)n~
| | | |
COOH HOOC COO-Me-OOC
При этом макромолекулы полиакриловой кислоты теряют свою кинетическую самостоятельность, полимер приобретает пространственное строение, в результате чего резко изменяются физические свойства системы.
Весовая доля низкомолекулярного вещества, участвующего в макромолекулярной реакции, ничтожно мала, так как она определяется соотношением молекулярных весов низкомолекулярного соединения и полимера.Этим обусловлена одна из важных особенностей высокомолекулярных соединений- резкое изменение свойств под влиянием малых добавок некоторых веществ.
При реакциях химической деструкции полимеров на разрыв одной связи в полимере расходуется одна молекула низкомолекулярного вещества.
Геометрическая форма макромолекул
Третья особенность химии высокомолекулярных соединений - это резкая зависимость свойств полимеров от геометрической формы макромолекул. В химии низкомолекулярных соединений от геометрии молекулы зависят лишь свойства отдельных ее атомов. Физико-химические свойства низкомолекулярных соединений, как правило, не рассматриваются в связи с формой молекулы.
| линейное |
| разветвленное |
| лестничное |
| сшитое |
Рис. 10.2. Строение макромолекул полимеров
В химии высокомолекулярных соединений форма макромолекулы приобретает очень важное значение. Так, макромолекула линейного полимера в зависимости от геометрии элементарных звеньев и порядка их чередования (если они различаются по химическому составу и стереометрии) может по своей форме приближаться к жесткой палочке (полифенилены, полиацетилены), свертываться в спираль (амилоза, нуклеиновые кислоты, пептиды) или в клубок (глобулярные белки). В зависимости от формы макромолекулы линейные полимеры могут значительно различаться по свойствам. Но в то же время они имеют ряд общих свойств, характерных именно для •линейных полимеров, которые отличают их от полимеров с иной геометрической формой молекул.
Все линейные полимеры принципиально могут быть переведены в раствор.Растворы линейных полимеров даже при относительно небольших концентрациях обладают высокой вязкостью, в десятки и сотни раз превышающей вязкость соответствующих растворов низкомолекулярных соединений. Многие линейные полимеры могут плавиться без разложения, причем их расплавы также обладают очень высокой вязкостью. Линейные полимеры, отличаются хорошими физико- механическими свойствами: большой прочностью и эластичностью. Гибкость макромолекулы линейных полимеров способствует их растворению и плавлению, а способность гибкой макромолекулы изменять форму под влиянием внешних усилий обусловливает высокие эластические свойства. Значительная разрывная прочность линейных полимеров объясняется главным образом тем, что линейные макромолекулы могут достигать высокой степени ориентации относительно друг друга и иметь большую плотность упаковки, что приводит к возникновению многочисленных межмолекулярных связей с высокой суммарной энергией.
Эти особенности свойств линейных полимеров вытекают из их строения.Наличие двух типов связей (химических валентных связей и физических межмолекулярных взаимодействий), различающихся по энергетической характеристике, определяет возможность растворения и плавления линейных полимеров. Высокой степенью асимметрии макромолекул обусловлена высокая вязкость растворов и расплавов линейных полимеров.
Разветвленные полимеры также могут быть переведены в раствор, причем при одинаковом химическом составе и молекулярном весе растворимость разветвленных полимеров выше растворимости линейных полимеров.
Прочность разветвленных полимеров и вязкость их растворов зависят от степени и типа разветвления. Полимеры, имеющие относительно небольшое число боковых цепей, очень близки по свойствам к линейным полимерам.Сильноразветвленные полимеры, вследствие значительно меньшей степени асимметрия молекул, образуют растворы пониженной вязкостью. Прочность таких полимеров ниже прочности соответствующих линейных полимеров той же природы.
Сетчатые полимеры резко отличаются по свойствам от линейных и разветвленных полимеров. Они не плавятся без разложения и не могут быть переведены в раствор. Это связано с тем, что в сетчатых полимерах преобладают прочные химические связи между макромолекулами. Физические и физико-механические свойства этих полимеров зависят от числа межмолекулярных химических связей и от регулярности их расположения. С увеличением числа межмолекулярных связей твердость вещества увеличивается, повышается модуль упругости и уменьшается величина относительной деформации, т.е. свойства сетчатого (пространственного) полимера приближаются к свойствам кристалла (примером кристаллического полимера с правильной пространственной решеткой является алмаз).
Особенности реакций полимеров
Химические превращения полимеров дают возможность создавать многочисленные новые классы высокомолекулярных соединений и в широком диапазоне изменять свойства и области применения готовых полимеров.
Лучше всего изучены химические свойства природных высокомолекулярных соединений (целлюлозы, крахмала, белков), которые были известны за много десятков лет до появления синтетических полимеров. Наибольшее внимание уделялось химическим превращениям целлюлозы, обладающей ценными техническими свойствами .и являющейся наиболее широко распространенным природным органическим полимером. Путем химических превращений целлюлозы получают ацетаты целлюлозы, применяемые для производства волокна, лаков, пленок, пластмасс; нитраты целлюлозы для производства пластмасс, пленок, лаков и бездымного пороха; многочисленные простые эфиры целлюлозы, имеющие весьма разнообразное применение для производства лаков, пленок, электроизоляционных материалов, в качестве отделочных средств в текстильной промышленности, а также присадок при бурении нефтяных скважин.
Когда появились синтетические полимеры, единственным способом изменения их состава и свойств был подбор новых исходных мономеров. Однако, как выяснилось впоследствии, некоторые полимеры нельзя получить непосредственным синтезом из низкомолекулярных соединений вследствие неустойчивости этих мономеров. Так, например, поливиниловый спирт, используемый для производства синтетического волокна, а также в качестве эмульгатора, для шлихтовки тканей и в пищевой промышленности, не может быть получен полимеризацией мономера. Его получают омылением готового полимера - поливинилацетата. Ацеталированием поливинилового спирта получают различные поливинилацетали, используемые в производстве лаков и покрытий. Только путем взаимодействия природных и синтетических каучуков с серой и другими полифункциональными соединениями(вулканизация) могут быть получены различные сорта резины и эбонита.Дубление белков, обеспечивающее возможность их технического использования, также основано на химическом взаимодействии белков с альдегидами или другими бифункциональными соединениями. Наконец, к химическим превращениям относится направленная деструкция полимеров, часто применяемая для регулирования молекулярного веса полимеров, перерабатываемых в различных отраслях промышленности. На полном гидролизе целлюлозы основан Процесс получения гидролизного спирта. Механическая деструкция полимеров используется в промышленном масштабе для изменения физико-химических свойств полимеров, а также для синтеза новых типов сополимеров.
Несмотря на широкое промышленное использование химических превращений полимеров, до сих пор не проводилось достаточно систематических исследований их химических свойств, и в химии высокомолекулярных соединений главное внимание уделялось методам синтеза полимеров лишь в последние годы реакции высокомолекулярных соединений становятся предметом большого числа исследований, которые должны открыть новые возможности синтеза полимеров с ценными свойствами, а также помочь в выяснении механизма превращений высокомолекулярных соединений в живой природе.
Химические реакции высокомолекулярных соединений не отличаются от реакций классической органической химии, но большая величина и сложность строения макромолекул вносят в эти превращения свои особенности.
В химии высокомолекулярных соединений различают реакции звеньев полимерной цепи и макромолекулярные реакции. Реакции звеньев полимерной цепи приводят к изменению химического состава полимера без существенного изменения степени полимеризации. Такие реакции называются полимераналогичными превращениями:
Это внутримолекулярные химические превращения полимера и реакции его функциональных групп и атомов с низкомолекулярными соединениями.
Макромолекулярные реакции всегда приводят к изменению степени полимеризации, а иногда и структуры основной цепи полимера. К этим реакциям относятся реакции деструкции полимеров, сопровождающиеся уменьшением молекулярного веса, и межмолекулярные реакции, в результате которых образуются пространственные структуры и резко возрастает молекулярный вес полимера.
Особое место среди макромолекулярных реакций занимают реакции концевых групп полимеров, которые, вследствие малого числа этих групп при достаточно большом молекулярном весе полимера, практически не сказываются ни на составе и строении полимера, ни на степени его полимеризации.
Роль ВМС в природе
Живая природа представляет собой форму существования высокомолекулярных соединений. Она развивается в окружении и действии с неорганическим миром, построенным в основном из ВМС. Только вода и воздух распространены на земном шаре так же широко, как ВМС.
Человечество для удовлетворения своих нужд так же создает и использует высокомолекулярные материалы. По своей значимости для человечества с высокомолекулярные материалами конкурируют лишь металлы, как конструкционные материалы, топливо как источник энергии и пищевые продукты.Такое широкое распространение и необычайно высокое значение ВМС вытекает из их общих свойств, обусловленных громадной величиной и сложностью макромолекул.
Как известно из огромного опыта, накопленного химией, с увеличением молекулярного веса химических соединений подвижность молекул уменьшается.Полезно подчеркнуть, что устойчивость ВМС, особенно органических, является следствием не низкого термодинамического потенциала, а малой подвижности громоздких макромолекул и малой скорости диффузионных процессов. Всякие же физико-химические изменения тел – плавление, растворение, кристаллизация, испарение, деформация – неизбежно связаны с перемещением молекул. Для химических превращений, которые невозможны без непосредственного контакта между молекулами реагирующих веществ, тем более требуется перемещение, диффузионное проникновение одного компонента в массу другого. Естественно, что небольшие молекулы низкомолекулярных соединений, будучи значительно подвижнее макромолекул, гораздо легче подвергаются химическим и физико- химическим превращениям. Долговечность объектов живой и мертвой природы была бы ничтожной, если бы он состояли из низкомолекулярных соединений.Органические высокомолекулярные соединения легче подвергаются изменениям, чем неорганические, а поэтому развитие и эволюция живой природы протекают интенсивней развития и эволюции мертвой. Стабильность неорганических высокомолекулярных тел столь велика, что заметные изменения неживой природы требуют огромных периодов времени, составляющих геологические эры.
Благодаря большому числу атомов в макромолекуле, высокомолекулярные соединения могут иметь невообразимое число изомеров даже при простейшем элементарном составе. Так, для предельного углеводорода, содержащего 14 углеродных атомов, число только структурных изомеров равно 1558, а для углерода с 20 углеродными атомами оно достигает 366314, хотя эти углеводороды еще не являются ВМС.
Многообразие ВМС неограниченно. Отсюда вытекает еще большее многообразие явлений природы, особенно жизненных явлений, т.к. подавляющее большинство природных процессов представляют собой процессы образования, изменения и превращения высокомолекулярных тел. Характеризуя значения многообразия органических ВМС, один из создателей макромолекулярной химии –Герман Штаудингер в 1932г. указывал, что для понимания жизненных процессов биологическая химия требует бесконечного числа органических веществ, и, соответственно, бесконечного ряда возможных реакций.
Устойчивость к физико-химическим превращениям и многообразие ВМС являются теми фундаментальными принципами, которые определяют их роль и распространение в природе.
В условиях земного шара непрерывно протекают разнообразные взаимные превращения низко- и высокомолекулярных соединений. Чередование процессов образования и распада ВМС является чрезвычайно важной специфической особенностью конкретного выражения химического движения материи в температурных условиях земного шара. При более высоких температурах должны преобладать взаимные превращения атомов и простейших молекул или процессы в которых наиболее сложные частицы будут свободные атомы.
Низкомолекулярные соединения благодаря своей подвижности легко перемещаются в пространстве, быстро вступают в соприкосновение и взаимодействие друг с другом или с высокомолекулярными соединениями, образуя, видоизменяя или расщепляя последние. Они являются, таким образом, переносчиками макромолекул в природе. Сложность и малая подвижность макромолекул обусловливают длительное существование высокомолекулярных тел и их многообразие.
Конкретные пути образования, изменения и распада высокомолекулярных соединений очень сложны и специфичны. Вместе с тем в природе наблюдается поразительная воспроизводимость процессов образования и превращения сложнейших высокомолекулярных соединений, например белков.
Ответственная роль в биохимическом синтезе белков принадлежит нуклеиновым кислотам, которые определяют его специфичность. В самой структуре нуклеиновых кислот заключены основы точного их воспроизведения и направленного синтеза белковых молекул, а также передачи наследственных признаков организма. В то же время белок-фермент способствует синтезу нуклеиновых кислот, полисахаридов и других высокомолекулярных соединений.Сложный комплекс веществ - белков, нуклеиновых кислот, углеводов и регуляторов их химических превращений - ферментов, гормонов, витаминов - составляет основу жизненного цикла организма.
Значение высокомолекулярных соединений в технике
Высокомолекулярные соединения являются основной составной частью большого числа конструкционных материалов, применение которых связано с, выполнением тех или иных механических функций. Такие материалы должны обладать высокой прочностью, эластичностью, твердостью, и в этом отношении с высокомолекулярными соединениями могут соперничать лишь металлы.
Только немногие отрасли промышленности перерабатывают высокомолекулярные природные материалы без применений каких-либо химико- технологических процессов, методами чисто механической технологии. Такова, например, деревообделочная промышленность. Гораздо многочисленнее отрасли промышленности, где при переработке природных высокомолекулярных материалов сочетаются процессы механической и химической технологии. При этом, например, в производстве хлопчатобумажных, шерстяных и льняных текстильных волокон, натурального шелка, в меховой и кожевенной промышленности преобладают процессы механической технологии, однако для выпуска готового изделия необходимы и такие важные химико-технологические процессы, как крашение волокон, тканей, меха, окраска и дубление кожи и т. д. В целлюлозно-бумажной промышленности, частично в резиновой (на основе натурального каучука), в производстве эфироцеллюлозных и белковых пластических масс, кинопленки, искусственного волокна, наоборот, преобладают химикотехнологические процессы обработки.
Некоторые отрасли промышленности занимаются расщеплением природных высокомолекулярных веществ с целью получения ценных пищевых продуктов и технических низкомолекулярных материалов. Сюда относятся гидролизная промышленность (производство этилового спирта гидролизом древесины), крахмалопаточное, пивоваренное и другие производства, использующие процессы брожения.
С каждым годом возрастает производство синтетических полимеров, т.е. высокомолекулярных соединений, получаемых из низкомолекулярных исходных продуктов. Быстро развиваются такие отрасли промышленности, как промышленность пластических масс,синтетических волокон, синтетического каучука, лаков (лакокрасочная промышленность) и .клеев, электроизоляционных материалови др. Промышленность пластических масс располагает в настоящеевремя большим количеством синтетических полимерных материаловс разнообразными свойствами. -Некоторые из них превосходят похимической стойкости золото и платину, сохраняют свои механические свойства при охлаждении до -50°С и при нагревании до+500°С. Другие не уступают по прочности металлам, а по твердостиприближаются к алмазу. Из синтетических полимеров получают исключительно легкие и прочные строительные материалы, прекраснуюэлектроизоляцию, непревзойденные материалы для химической аппаратуры.Резиновая промышленность располагает теперь материалами, превосходящими по многим показателям .натуральный каучук,например газонепроницаемыми, устойчивыми к бензину и маслам, нетеряющими эластических свойств при температуре от -80°С до+300°С. Новые синтетические волокна во много раз прочнее природных, из них получаются красивые, несминаемые ткани, прекрасные искусственные меха. Технические ткани из синтетических волокон пригодны для фильтрования, кислот и щелочей.
К отраслям промышленности, использующим высокомолекулярные соединения, можно также отнести стекольную, керамическую, промышленность силикатных строительных материалов. Высокомолекулярные соединения используются в ракетной технике.
Разрыв любой связи в макромолекуле полимера приводит к образованию двух кинетически самостоятельных молекул и уменьшению вдвое средней величины молекулярного веса. В этом случае весовая доля низкомолекулярного соединения, принимающего участие в реакции, также очень мала.
Вопросы для самоконтроля
1. Опишите основные особенности полимеров.
2. Являются ли понятия «высокомолекулярное вещество» и «полимер» тождественными? Являются ли белки полимерами?
3. Назовите реакции, используемые для синтеза полимеров.
4. Перечислите наиболее широко применяемые полимерные вещества.
5. Каково биологическое и техническое значение полимеров?
СПИСОК ТЕРМИНОВ
АВОГАДРО ЧИСЛО (или постоянная Авогадро): NA = 6,02·1023 частиц вещества (см. также МОЛЬ).
АВОГАДРО ЗАКОН – см. ЗАКОН АВОГАДРО.
АДСОРБЦИЯ – концентрирование какого-либо вещества на поверхности раздела фаз. Например, концентрирование молекул газа (адсорбата) на твердой поверхности (адсорбенте). В качестве адсорбентов используют, как правило, пористые тела с сильно развитой поверхностью (пример – активированный уголь). Адсорбция может быть результатом действия только физических сил между частицами вещества, но может сопровождаться и химическим взаимодействием адсорбата с адсорбентом (хемосорбция).
а.е.м. – см. АТОМНАЯ ЕДИНИЦА МАССЫ.
АКТИВИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС – см. ПЕРЕХОДНОЕ СОСТОЯНИЕ.
АКЦЕПТОРНЫЕ (ЭЛЕКТРОНОАКЦЕПТОРНЫЕ) СВОЙСТВА – способность атомов элемента притягивать (удерживать) электроны. Количественной мерой акцепторных свойств атомов, образующих химическую связь, является их электроотрицательность.
АЛЛОТРОПИЯ – явление существования химического элемента в виде двух или нескольких простых веществ, различных по строению и свойствам. Эти простые вещества, различные по строению и свойствам, называются аллотропными формами или аллотропными модификациями. Например, графит и алмаз – две аллотропные формы (модификации) углерода, молекулярный кислород и озон – две аллотропные модификации кислорода. При определенных условиях аллотропные модификации могут переходить друг в друга.
АМОРФНОЕ вещество – не кристаллическое вещество, т.е. вещество, не имеющее кристаллической решетки. Примеры: бумага, пластмассы, резина, стекло, а также все жидкости.
АМФОТЕРНОСТЬ – способность некоторых химических соединений проявлять кислотные или основные свойства в зависимости от веществ, которые с ними реагируют. Амфотерные вещества (амфолиты) ведут себя как кислоты по отношению к основаниям и как основания - по отношению к кислотам.
АМФОЛИТЫ – то же, что "основания амфотерные". См. также "амфотерность".
АНИОНЫ – отрицательно заряженные ионы.
АТОМ – наименьшая частица химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атом построен из субатомных частиц - протонов, нейтронов, электронов.
АТОМНАЯ ЕДИНИЦА МАССЫ (а.е.м.) – ровно 1/12 часть массы атома углерода 126C, в ядре которого 6 протонов и 6 нейтронов, а в электронной оболочке 6 электронов. Другое название - углеродная единица. Единица, в которой измеряют массу атомов, молекул и субатомных частиц. См. также ОТНОСИТЕЛЬНАЯ АТОМНАЯ МАССА и АТОМНЫЙ ВЕС.
АТОМНЫЙ ВЕС (в численном выражении то же, что ОТНОСИТЕЛЬНАЯ АТОМНАЯ МАССА) – масса атома какого-либо элемента, выраженная в атомных единицах массы (углеродных единицах). Атомный вес элемента равен среднему значению из атомных весов всех его природных изотопов с учетом их распространенности (см. §2.4). В ИЮПАК (IUPAC) постоянно действует Комиссия по относительной распространенности изотопов и атомным весам (Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights, сокращенно – CIAAW).
АТОМНЫЙ НОМЕР – то же, что порядковый номер элемента в Периодической системе Д. И. Менделеева. Атомный номер численно равен положительному заряду ядра этого элемента, т.е. числу протонов в ядре данного элемента.
ВАЛЕНТНОСТЬ – число электронных пар, с помощью которых атом данного элемента связан с другими атомами.
ВЕЩЕСТВО. В естествознании существует ряд понятий, которым трудно дать строгое определение. Вещество – одно из таких понятий. В общем смысле оно используется для обозначения того, что заполняет пространство и имеет массу. В более узком смысле – вещество это то, из чего состоят окружающие нас предметы. В химии чаще используется понятие конкретного вещества – хлорид натрия, сульфат кальция, сахар, бензин и т.д. См. также "простое вещество", "сложное вещество", "смесь".
ВОДОРОДНАЯ СВЯЗЬ – один из видов межмолекулярных связей. Обусловлена в основном электростатическими силами. Для возникновения водородной связи нужно, чтобы в молекуле был один или несколько атомов водорода, связанных с небольшими, но электроотрицательными атомами, например: O, N, F. Важно, чтобы у этих электроотрицательных атомов были неподеленные электронные пары. Водородные связи характерны для таких веществ, как вода H2O, аммиак NH3, фтороводород HF. Например, молекулы HF связаны между собой водородными связями, которые на рисунке показаны пунктирными линиями:
Водородная связь приблизительно в 20 раз менее прочная, чем ковалентная. При её возникновении число связей, образуемых атомом Н, превышает его формальную валентность.
ВОССТАНОВЛЕНИЕ (вещества) – химическая реакция, при которой электроны передаются данному веществу.
ВОССТАНОВИТЕЛЬ – вещество, способное отдавать электроны другому веществу (окислителю).
ГАЗОВАЯ ПОСТОЯННАЯ R – см. КЛАПЕЙРОНА-МЕНДЕЛЕЕВА УРАВНЕНИЕ.
ГЕТЕРОГЕННЫЕ РЕАКЦИИ – химические реакции между веществами, находящимися в разных фазах (разных агрегатных состояниях вещества). Например, реакция горения угля - гегерогенная реакция между твердым углеродом и газообразным кислородом. Реакция взаимодействия цинка с соляной кислотой - гетерогенная реакция между твердым цинком и раствором HCl. Гетерогенные реакции протекают не в объеме, а на границе раздела фаз - в этом их принципиальное отличие от ГОМОГЕННЫХ реакций.
ГИБРИДИЗАЦИЯ. Теоретическое представление, с помощью которого удается связать между собой физическую картину строения атома и определяемую опытным путем геометрию молекул (см. РЕНТГЕНОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ). Например, атом углерода имеет s- и p-орбитали, но в молекуле CH4 не удалось опытным путем обнаружить отдельных связей, образованных s-электронами и отдельных связей - образованных p-электронами (все связи в CH4 одинаковы). Поэтому принято, что одна s- и три p-орбитали “смешиваются” (гибридизуются), образуя 4 новые, совершенно одинаковые орбитали (четыре sp3-гибридные орбитали). Эти 4 гибридные орбитали перекрываются с электронными оболочками 4-х атомов Н. Геометрическую формулу образовавшейся молекулы предсказывают исходя из правила, что гибридные орбитали в молекуле стремятся расположиться на максимальном расстоянии друг от друга. Например, для 4-х гибридных орбиталей это тетраэдр. В тех случаях, когда одна или две p-орбитали не участвуют в гибридизации, они остаются в негибридизованном виде и либо не несут электронов, либо участвуют в связывании другого типа (двойные и тройные связи). Это соответственно sp2- и sp-гибридизации. НЕПОДЕЛЕННЫЕ электронные ПАРЫ тоже участвуют в гибридизации. Например, аммиак:NH3– sp3-гибридизация атома N, молекула имеет форму тетраэдра, одна из вершин которого - неподеленная пара электронов, оставшиеся три - атомы Н. В различных гибридизациях вместе с s- и p-орбиталями могут участвовать также и d-орбитали (sp3d- и sp3d2-гибридизации). Тип гибридизации атома часто определяют с помощью его ОРБИТАЛЬНОЙ ДИАГРАММЫ.
ГИДРАТАЦИЯ – связывание молекул (атомов, ионов вещества) с водой, не сопровождающееся разрушением молекул воды.
ГИДРАТЫ – соединения вещества с водой, имеющие постоянный или переменный состав и образующиеся в результате гидратации.
ГИДРОКСИ-ГРУППА – группа ОН.
ГОРЕНИЕ – быстрый процесс окисления вещества, сопровождающийся выделением большого количества теплоты и, как правило, света.
ГОМОГЕННЫЕ РЕАКЦИИ – химические реакции, протекающие в однородной фазе. Обычно это реакции либо в газовой фазе (реакции между газами), либо в жидкой фазе (реакции между растворами). Гомогенные реакции протекают во всем объеме реакционного сосуда - в этом их принципиальное отличие от ГЕТЕРОГЕННЫХ реакций.
ГРАММ-МОЛЬ. См. МОЛЯРНАЯ МАССА.
ДЕФЕКТ МАССЫ – уменьшение массы атома по сравнению с суммарной массой всех отдельно взятых составляющих его элементарных частиц, обусловленное энергией их связи в атоме.
ДИСТИЛЛЯЦИЯ - то же, что ПЕРЕГОНКА.
ДИФФУЗИЯ – (от латинского diffusio – распространение) – самопроизвольное выравнивание концентрации веществ в смеси, обусловленное тепловым движением молекул. Перенос частиц вещества, приводящий к выравниванию его концентрации в первоначально неоднородной системе. Искусственное перемешивание смеси действует в том же направлении.
ДЛИНА ВОЛНЫ – расстояние между соседними пиками волн электромагнитного (светового) излучения.
ДОНОРНЫЕ (ЭЛЕКТРОНОДОНОРНЫЕ) СВОЙСТВА – способность атомов элемента отдавать свои электроны другим атомам. Количественной мерой донорных свойств атомов, образующих химическую связь, является их электроотрицательность.
ЗАКОН АВОГАДРО. Равные объемы любых газов (при одинаковых температуре и давлении) содержат равное число молекул. 1 МОЛЬ любого газа при нормальных условиях занимает объем 22,4 л.
ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ МАССЫ. Масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.
ЗАРЯД ЯДРА – положительный заряд атомного ядра, равный числу протонов в ядре данного элемента. Порядковый номер химического элемента в Периодической системе Д. И. Менделеева равняется заряду ядра атома этого элемента.
ИЗОТОПЫ – атомные разновидности одного и того же элемента. Изотопы состоят из атомов с одинаковым ЗАРЯДОМ ЯДРА (то есть с одинаковым числом протонов), но с разными относительными атомными массами (то есть с разным числом нейтронов в ядре). Очень многие элементы в природе находятся в виде смеси из несколько изотопов.
ИНГИБИТОРЫ – вещества, замедляющие химические реакции.
ИНДИКАТОРЫ (кислотно-основные) – вещества сложного строения, имеющие разную окраску в растворах кислот и оснований. Бывают индикаторы и для других веществ (не кислотно-основные). Например, крахмал – индикатор на появление в растворе иода (дает синюю окраску).
ИНИЦИАТОРЫ – вещества, добавление которых к реагентам в ряде случаев необходимо для возбуждения химической реакции, которая далее происходит без посторонней помощи. Инициаторы расходуются в ходе реакции, поэтому их не надо путать с КАТАЛИЗАТОРАМИ. Пример использования инициатора в реакции полимеризации можно посмотреть в §1.6 второй книги.
ИОННАЯ СВЯЗЬ – предельный случай полярной ковалентной связи. Связь между двумя атомами считается ионной, если разница электроотрицательностей этих атомов больше или равняется 2,1.
ИОНЫ – отрицательно или положительно заряженные частицы, образующиеся при присоединении или отдаче электронов атомами элементов (или группами атомов). Ионы бывают однозарядные (1+ или 1-), двухзарядные (2+ или 2-), трехзарядные и т.д. См. также "катионы" и "анионы".
ИЮПАК (IUPAC) – Международный союз теоретической (чистой) и прикладной химии (International Union of Pure and Applied Chemistry). Организация, созданная в 1919 году. Входит в Международный совет научных союзов. Координирует исследования, требующие международного согласования, контроля и стандартизации, рекомендует и утверждает химическую терминологию.
КАТАЛИЗАТОРЫ – вещества, способные ускорять химические реакции, сами оставаясь при этом неизменными.
КАТИОНЫ – положительно заряженные ионы.
КВАНТ – определенное количество ("порция") энергии, которое способна отдать или поглотить физическая система (например, атом) в одном акте изменения состояния. Квант света – порция световой энергии – называется фотоном.
КВАНТОВЫЕ ЧИСЛА – описывают состояние конкретного электрона в электронном облаке атома:
– ГЛАВНОЕ (n) – показывает, на каком электронном уровне, начиная от ближайшего к ядру (1, 2, 3, ... ) находится данный электрон;
–ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ или ОРБИТАЛЬНОЕ (l) – показывает вид подуровня (s-подуровень, p-подуровень, d-подуровень, f-подуровень);
– МАГНИТНОЕ (m) – указывает конкретную орбиталь (s-орбиталь, px-орбиталь, py-орбиталь и т.д.);
–СПИНОВОЕ (s) – показывает, какое из двух возможных (разрешенных) состояний занимает электрон на данной орбитали.
КИСЛОТА – сложное вещество, в молекуле которого имеется один или несколько атомов водорода, которые могут быть замещены атомами (ионами) металлов. Оставшаяся часть молекулы кислоты называется кислотным остатком. Еще одно определение: кислоты – вещество, распадающееся в растворе с образованием ионов водорода Н+. **Кислотные свойства веществ не обязательно исчерпываются способностью давать в растворе ионы водорода.
КИСЛОТНЫЙ ОСТАТОК - см. "кислота".
КЛАПЕЙРОНА-МЕНДЕЛЕЕВА УРАВНЕНИЕ: PV = nRT.
В этом уравнении: n – число молей газа; P – давление газа (атм); V – объем газа (в литрах); T – температура газа (в кельвинах); R – газовая постоянная (0,0821 л.атм/моль.K). Если вычисления проводят в системе СИ, то объем измеряется в м3, а давление в Па (паскалях). В последнем случае газовая постоянная R = 8,314 Дж/K.моль.
КОВАЛЕНТНАЯ СВЯЗЬ – связывание атомов с помощью общих (поделенных между ними) электронных пар. Неполярная ковалентная связь образуется между атомами одного вида. Полярная ковалентная связь существует между двумя атомами в том случае, если их электроотрицательности не одинаковы.
КОНЦЕНТРАЦИЯ – относительное количество какого-либо вещества в растворе. Например, ПРОЦЕНТНАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ – то же, что и МАССОВАЯ ДОЛЯ РАСТВОРЕННОГО ВЕЩЕСТВА – отношение массы растворенного вещества к массе раствора, выраженное в процентах. МОЛЯРНАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ – отношение числа молей растворенного вещества к общему объему раствора (единица – моль/л).
КООРДИНАЦИОННОЕ ЧИСЛО – к каждой частице, находящейся в кристалле, примыкает вплотную только определенное число соседних частиц. Это различное для разных кристаллов число соседних частиц называется координационным числом.
КРИСТАЛЛ – твердое вещество, в котором атомы, ионы или молекулы расположены в пространстве регулярно, практически бесконечно повторяющимися группами.
КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ – способ очистки вещества путем осаждения его из насыщенного раствора. Обычно насыщенный раствор вещества готовится при повышенной температуре. При охлаждении раствор становится пересыщенным и чистые кристаллы выпадают в осадок. Примеси, по которым раствор остается ненасыщенным, остаются в растворителе и отфильтровываются от кристаллов.
КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ РЕШЕТКА. Кристаллическая структура характеризуется правильным (регулярным) расположением частиц в строго определенных точках пространства кристалла. При мысленном соединении этих точек линиями получаются пространственный каркас, который называют кристаллической решеткой. Точки, в которых размещены частицы, называются узлами кристаллической решетки. В узлах могут находиться ионы, атомы или молекулы. Кристаллическая решетка состоит из совершенно одинаковых элементарных ячеек (см. "элементарная ячейка").
КРИСТАЛЛОГИДРАТЫ – кристаллические гидраты (соединения вещества с водой), имеющие постоянный состав. Выделяются из растворов многих веществ, особенно солей.
ЛЬЮИСА ФОРМУЛЫ – то же, что и СТРУКТУРНЫЕ ФОРМУЛЫ молекул, но с изображением связей между атомами не черточками, а точками, каждая из которых обозначает 1 электрон. Например, :N:::N: - молекула азота N2. В отличие от структурных формул, возможны формулы Льюиса и для отдельных атомов. Например H – атом водорода (H:H - молекула водорода H2).
МАССОВАЯ ДОЛЯ РАСТВОРЕННОГО ВЕЩЕСТВА – см. "концентрация".
МАССОВОЕ ЧИСЛО (А) – сумма числа протонов (Z) и нейтронов (N) в ядре атома какого-либо элемента (A = Z + N).
МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ – химическая связь в кристалле между положительно заряженными ионами металла посредством свободно перемещающихся (по всему объему кристалла) электронов с внешних оболочек атомов металла.
МОЛЕКУЛА – наименьшая частица какого-либо вещества, определяющая его химические свойства и способная к самостоятельному существованию. Молекулы состоят из атомов.
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ОРБИТАЛЬ – электронное облако, образующееся при слиянии внешних электронных оболочек атомов (атомных орбиталей) при образовании между ними химической связи. Молекулярные орбитали образуются при слиянии двух или нескольких атомных орбиталей. Число молекулярных орбиталей всегда равно числу взаимодействующих атомных орбиталей. Все валентные электроны связывающихся атомов располагаются на вновь образованных молекулярных орбиталях.
МОЛЕКУЛЯРНОСТЬ РЕАКЦИИ – число исходных частиц (например молекул, ионов), одновременно взаимодействующих друг с другом в одном элементарном акте реакции. Молекулярность реакции может составлять 1, 2 или 3. Соответственно различают МОНОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ, БИМОЛЕКУЛЯРНЫЕ и ТРИМОЛЕКУЛЯРНЫЕ реакции. Иногда (но не всегда) молекулярность реакции совпадает с ПОРЯДКОМ РЕАКЦИИ.
МОЛЬ – количество вещества, равное 6,022·1023 структурных единиц данного вещества: молекул (если вещество состоит из молекул), атомов (если это атомарное вещество), ионов (если вещество является ионным соединением). Число 6,022·1023 называется постоянной Авогадро или числом Авогадро.
МОЛЯРНАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ – см. "концентрация".
МОЛЯРНАЯ МАССА – масса одного моля вещества в граммах называется молярной массой вещества или грамм-молем (размерность г/моль). Численное выражение молярной массы (грамм-моля) в граммах совпадает с молекулярным весом (или атомным, если вещество состоит из атомов) в единицах а.е.м.
МОЛЯРНОСТЬ (раствора) – концентрация раствора, выраженная в молях растворенного вещества на 1 литр раствора. Обозначается буквой М. Например, 1М NaOH - это раствор NaOH с концентрацией 1 моль/л.
МОНОКРИСТАЛЛ – кристалл вещества, во всем объеме которого КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ РЕШЕТКА однородна, то есть не имеет дефектов. Монокристаллы часто прозрачны и обычно имеют правильную форму.
НЕЙТРАЛИЗАЦИЯ – см. "типы химических реакций".
НЕЙТРОН – электрически нейтральная элементарная (т.е. неразделимая) частица с массой примерно 1,67.10–27 кг или 1,00867 а.е.м. Нейтроны вместе с протонами входят в состав атомных ядер.
НЕПОДЕЛЕННАЯ ПАРА электронов М внешняя электронная пара атома, не участвующая в образовании химической связи.
НЕСВЯЗЫВАЮЩАЯ ПАРА М то же, что НЕПОДЕЛЕННАЯ ПАРА электронов.
НОРМАЛЬНЫМИ УСЛОВИЯМИ (н.у.) называют температуру 0 оС (273 K) и давление 1 атм (760 мм ртутного столба или 101325 Па). Не путать со СТАНДАРТНЫМИ УСЛОВИЯМИ!
НУКЛОНЫ – элементарные частицы (протоны и нейтроны), входящие в состав ядра атома.
ОКИСЛЕНИЕ (вещества) – химическая реакция, при которой электроны отбираются у данного вещества окислителем.
ОКИСЛИТЕЛЬ – вещество, способное отнимать электроны у другого вещества (восстановителя).
ОКСИДЫ – сложные вещества, состоящее из атомов двух элементов, один из которых - кислород.
ОКСИДЫ КИСЛОТНЫЕ – оксиды, которые взаимодействуют с основаниями с образованием соли и воды.
ОКСИДЫ ОСНОВНЫЕ – оксиды, которые взаимодействуют с кислотами с образованием соли и воды.
ОРБИТАЛЬ – пространство около ядра, в котором можно обнаружить электрон. За пределами этого пространства вероятность встретить электрон достаточно мала (менее 5%).
ОРБИТАЛЬНАЯ ДИАГРАММА – то же, что ЭЛЕКТРОННАЯ ФОРМУЛА элемента, но записанная с помощью нарисованных от рукиЭЛЕКТРОННЫХ ЯЧЕЕК, внутри которых электроны изображаются вертикальными стрелками.
ОСНОВАНИЕ – сложное вещество, в котором атом (или атомы) металла связаны с гидрокси-группами (ОН-группами). Растворимые основания могут распадаться в растворе с образованием гидроксид-ионов ОН-. **Основные свойства веществ не обязательно исчерпываются способностью давать в растворе ионы ОН-.
ОСНОВАНИЕ АМФОТЕРНОЕ – сложное вещество, способное проявлять как кислотные, так и основные свойства в зависимости от партнера по реакции. Амфотерное основание способно отдавать как ионы водорода Н+ в реакциях с обычными основаниями, так и гидрокси-группы ОН- в реакциях с обычными кислотами. См. также "амфотерность" и "амфолиты".
ОТНОСИТЕЛЬНАЯ АТОМНАЯ МАССА – обозначается символом Ar ("r" - от английского "relative" - относительный) - отношение массы атома к массе 1/12 атома углерода-12 (см. а.е.м.). В современной научной литературе наряду с термином "относительная атомная масса" используюется термин АТОМНЫЙ ВЕС (как синонимы).
ПЕРЕГОНКА – способ очистки веществ (как правило, жидкостей) путем их испарения в одном сосуде и конденсации паров в другом сосуде. Перегонкой можно разделять жидкости, если их температуры кипения отличаются.
ПЕРЕХОДНОЕ СОСТОЯНИЕ (то же, что АКТИВИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС) – короткоживущая молекула, возникающая в химической реакции при переходе от начального состояния (реагенты) в конечное (продукты). Энергия и геометрия переходного состояния соответствуют вершине энергетического барьера, разделяющего реагенты и продукты (см. также ЭНЕРГИЯ АКТИВАЦИИ).
ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА. Свойства элементов периодически изменяются в соответствии с зарядом ядер их атомов.
ПОДОБОЛОЧКА (то же, что ПОДУРОВЕНЬ) – часть электронной оболочки, состоящая из орбиталей одного вида. Например, пять d-орбиталей составляют d-подоболочку (d-подуровень), три р-орбитали - р-подоболочку (p-подуровень) и т.д.
ПОДУРОВНЬ – см. “подоболочка”.
ПОЛИКРИСТАЛЛ – множество сросшихся монокристаллов кристаллического вещества. Наиболее распространенная форма существования кристаллических веществ. Например, бытовая поваренная соль.
ПОЛЯРИЗАЦИЯ – разделение положительных и отрицательных зарядов.
ПОРЯДОК РЕАКЦИИ – по данному веществу – показатель степени при концентрации этого вещества в кинетическом уравнении. Сумма порядков по всем веществам называется общим или суммарным порядком реакции. Например, для реакции 2 NO + O2 = 2 NO2: кинетическое уравнение v = k[NO]2[O2]; второй порядок по NO, первый порядок по O2, общий (суммарный) порядок реакции 3. Для элементарных реакций порядок - целочисленная величина, совпадающая с МОЛЕКУЛЯРНОСТЬЮ РЕАКЦИИ. Для других реакций порядки определяются только экспериментально, причем они могут иметь как целочисленное, так и дробные (и даже нулевое) значение.
ПОСТОЯННАЯ АВОГАДРО - 6,022.1023 (см. “моль”).
ПРАВИЛО ГУНДА. При заселении орбиталей с одинаковой энергией (например, пяти d-орбиталей) электроны в первую очередь расселяются поодиночке на вакантных ("пустых") орбиталях, после чего начинается заселение орбиталей вторыми электронами.
ПРАВИЛО ОКТЕТА. Атомы элементов стремятся к наиболее устойчивой электронной конфигурации. Самая распространенная устойчивая электронная конфигурация – с завершенной внешней электронной оболочкой из 8 электронов (с октетом электронов).
ПРИНЦИП ПАУЛИ. (ЗАПРЕТ ПАУЛИ). Никакие два электрона в одном атоме не могут характеризоваться одинаковым набором всех четырех квантовых чисел n, l, m и s.
ПРОВАЛ ЭЛЕКТРОНА – то же, что "проскок электрона".
ПРОМОТОРЫ – вещества, сами по себе не являющиеся КАТАЛИЗАТОРАМИ данной реакции, но усиливающие действие основного катализатора (см. §1.6 второй книги).
ПРОСКОК ЭЛЕКТРОНА – отступления от общей для большинства элементов последовательности заполнения электронных оболочек (1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d и так далее), связанные с тем, что эти "нарушения правил" обеспечивают атомам некоторых элементов меньшую энергию по сравнению с заполнением электронных оболочек "по правилам".
ПРОСТОЕ ВЕЩЕСТВО – вещество, которое состоит из атомов только одного элемента или из молекул, построенных из атомов одного элемента. Примеры: железо, кислород, алмаз, аргон, медь и т.д.
ПРОТОН – устойчивая элементарная (т.е. неразделимая) частица с элементарным (т.е. наименьшим из возможных) положительным электрическим зарядом и массой 1,67·10-27 кг (или 1,00728 а.е.м.). Протоны вместе с нейтронами входят в состав атомных ядер. Порядковый номер химического элемента в Периодической системе Д. И. Менделеева равняется числу протонов в ядре атома этого элемента.
ПРОЦЕНТНАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ – см. "концентрация".
РАСТВОРИМОСТЬ – способность вещества растворяться в том или ином растворителе. Мерой растворимости вещества при данных условиях является его содержание в насыщенном растворе.
РАСТВОРИТЕЛЬ. Из двух или нескольких компонентов раствора растворителем называется тот, который взят в большем количестве и имеет то же агрегатное состояние, что и у раствора в целом.
РАСТВОР НАСЫЩЕННЫЙ – раствор, в котором данное вещество при данной температуре уже больше не растворяется. Насыщенный раствор находится в динамическом равновесии с нерастворившимся веществом.
РАСТВОРЫ. Простое определение: однородные молекулярные смеси из двух или более веществ. Более полное определение: растворами называют физико-химические однородные смеси переменного состава, состоящие из двух или нескольких веществ и продуктов их взаимодействия.
РЕАГЕНТЫ – исходные вещества в химической реакции. Формулы реагентов записываются всегда в левой части уравнения химической реакции.
РЕНТГЕНОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ. Экспериментальный метод определения строения кристаллов и геометрии молекул. Рентгеновское излучение несет еще более высокую энергию, чем УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЕ, поэтому может проникать вглубь “непрозрачных” твердых тел. Если рентгеновским излучением облучить МОНОКРИСТАЛЛ какого-либо вещества, то внутри его рентгеновские лучи рассеиваются и отражаются от атомов, расположенном в строгом порядке, давая тоже упорядоченное изображение на фотопленке. Полученное фотоизображение можно расшифровать таким образом, что получаются координаты x, y, z для каждого атома кристалла в трехмерном пространстве. Соединяя найденные точки линиями, получают точные геометрические изображения молекул вещества.
СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ – количество вещества, вступающего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени в единице объема системы. Имеет размерность моль/л сек-1.
СЛОЖНОЕ ВЕЩЕСТВО – вещество, которое состоит из молекул, построенных из атомов разных элементов. Примеры: соль, сахар, диоксид углерода, бензин, вода и т.д.
СМЕСЬ – вещество, состоящее из молекул или атомов двух или нескольких веществ (неважно - простых или сложных). Вещества, из которых состоит смесь, могут быть разделены. Примеры: воздух, морская вода, сплав двух металлов, раствор сахара и т.д.
СОЛИ – сложные вещества, в которых атомы металла связаны с кислотными остатками.
СОЛИ КИСЛЫЕ – соли, которые помимо ионов металла и кислотного остатка содержат ионы водорода.
СОЛИ ОСНОВНЫЕ – соли, которые помимо ионов металла и кислотного остатка содержат гидроксильные группы (ОН-группы).
СТАНДАРТНАЯ ЭНТАЛЬПИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ВЕЩЕСТВА – тепловой эффект реакции образования данного вещества из элементов при определенных условиях. См. также ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТ, СТАНДАРТНЫЕ УСЛОВИЯ и ЭНТАЛЬПИЯ.
СТАНДАРТНЫЕ УСЛОВИЯ, СТАНДАРТНЫЕ СОСТОЯНИЯ (не путать с НОРМАЛЬНЫМИ УСЛОВИЯМИ!) – состояние вещества при 25 oC (298 К) и 1 атм (1,01·105 Па), а для простых веществ, кроме того, состояние в наиболее устойчивой при этих условияхАЛЛОТРОПНОЙ МОДИФИКАЦИИ. Например, для углерода стандартным состоянием является графит, но не алмаз. От простых веществ в их стандартном состоянии отсчитывают СТАНДАРТНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЭНТАЛЬПИИ (ΔHo298) при образовании сложного вещества.
СТАЦИОНАРНЫЕ ОРБИТЫ – в квантовой теории - электронные орбиты вокруг атомного ядра, находясь на которых электрон может существовать, не излучая и не поглощая энергию.
СТЕПЕНЬ ОКИСЛЕНИЯ. При образовании химических связей между атомами электроны частично передаются от менее электроноакцепторных атомов к более электроноакцепторным атомам. Количество отданных или принятых атомом электронов называется степенью окисления атома в молекуле. При связывании разных атомов степень окисления равна заряду, который приобрел бы атом в этом соединении, если бы оно могло состоять из одних ионов. Описывает состояние атома в молекуле.
СТРУКТУРНЫЕ ФОРМУЛЫ – изображение молекулы, в котором показан порядок связывания атомов между собой. Химические связи в таких формулах обозначаются черточками. Например, структурные формулы: Cl-Ca-Cl (молекула CaCl2), O=С=O (молекула СО2) и т.д. Рекомендуется в структурных формулах изображать также и НЕПОДЕЛЕННЫЕ ПАРЫ электронов.
СУБАТОМНЫЕ ЧАСТИЦЫ (элементарные частицы) - ряд различных по своим свойствам микрочастиц, из которых состоят атомы. Название "элементарные" было принято в связи с тем, что эти частицы считались неразложимыми на составные части. Однако, это свойство субатомных частиц условно, т.к. в настоящее время установлено, что они тоже являются сложными физическими объектами.
ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТ РЕАКЦИИ – теплота, выделенная или поглощенная при протекании химической реакции. Обычно обозначается символами Q или ΔE. При постоянном давлении ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТ РЕАКЦИИ (ΔE) равен изменению ЭНТАЛЬПИИ (ΔH). В термохимической системе знаков положительным считается тепловой эффект экзотермической реакции (в которой тепло выделяется "наружу"). В термодинамической системе знаков тепловой эффект экзотермической реакции считается отрицательным (Q = –ΔH).
ТИПЫ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ:
– СОЕДИНЕНИЯ – когда два (или более) вещества-реагента соединяются в одно, более сложное вещество;
– РАЗЛОЖЕНИЯ – когда одно сложное исходное вещество разлагается на два или несколько более простых;
– ОБМЕНА – когда реагенты обмениваются между собой атомами или целыми составными частями своих молекул.
- ЗАМЕЩЕНИЯ – реакции обмена, в которых участвует какое-либо простое вещество, замещающее один из элементов в сложном веществе;
– НЕЙТРАЛИЗАЦИИ – (важная разновидность реакций обмена): реакции обмена между кислотой и основанием, в результате которых образуется соль и вода;
– ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ – реакции всех перечисленных выше типов, в которых происходит изменение степени окисления каких-либо атомов в реагирующих молекулах.
ТИТРОВАНИЕ – способ определения МОЛЯРНОСТИ раствора вещества А с помощью раствора вещества Б, которое реагирует с веществом А. К точно отмеренному объему исследуемого раствора А по каплям добавляют раствор Б известной концентрации. Окончание реакции определяют с помощью ИНДИКАТОРА. По объему израсходованного раствора Б судят о числе молей вещества А в отобранной пробе и во всем растворе А.
УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ – электромагнитное излучение (свет), длина волны которого короче длины волны видимого фиолетового цвета. См. также "длина волны".
ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ – явления, не сопровождающиеся превращением одних веществ в другие путем разрыва и образования связей в их молекулах.
ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ – см. "химические явления".
ХИМИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ – явления, при которых одни вещества, обладающие определенным составом и свойствами, превращаются в другие вещества –с другим составом и другими свойствами. При этом в составе атомных ядер изменений не происходит. Химические явления называют иначе химическими реакциями.
ХИМИЯ – наука о веществах и законах, по которым происходят их превращения в другие вещества.
ЧИСЛО АВОГАДРО – 6,022·1023 (см. “моль”).
ЩЕЛОЧЬ – растворимое в воде сильное основание. Все щелочи (NaOH, KOH. Ba(OH)2) в растворах распадаются на катионы металлов и гидроксид-ионы ОН–.
ЭКЗОТЕРМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ (от греческого exo – вне, снаружи) – химические реакции, протекающие с выделением тепла.
ЭКОЛОГИЯ (от греческого oikos – пребывание и logos – слово, понятие, учение) – наука, изучающая взаимоотношения живых организмов с окружающей средой.
ЭЛЕКТРОН – устойчивая элементарная (т.е. неразделимая) частица с элементарным (т.е. наименьшим из возможных) отрицательным электрическим зарядом и массой 9,11.10-31 кг. Электроны являются составной частью атомов всех элементов. Обладают свойствами как частиц, так и волн.
ЭЛЕКТРОННАЯ КОНФИГУРАЦИЯ – распределение электронов по энергетическим уровням, существующим в электронном облаке атома. Электронную конфигурацию описывают разными способами: а) с помощью электронных формул, б) с помощью орбитальных диаграмм (см. “электронная формула”, электронная ячейка”).
ЭЛЕКТРОННАЯ ПАРА – два электрона, осуществляющие химическую связь. См. также "неподеленная пара".
ЭЛЕКТРОННАЯ ФОРМУЛА – запись распределения имеющихся в атоме электронов по энергетическим уровням и орбиталям. Например, электронная формула кислорода (элемент номер 8, атом содержит 8 электронов): 1s2 2s2 2p4.
ЭЛЕКТРОННАЯ ЯЧЕЙКА – изображение атомной орбитали в виде квадратика, в котором располагаются (или не располагаются) электроны в виде вертикальных стрелок. Используются в ОРБИТАЛЬНЫХ ДИАГРАММАХ.
ЭЛЕКТРОНОАКЦЕПТОРНЫЕ СВОЙСТВА – см. "акцепторные свойства".
ЭЛЕКТРОНОДОНОРНЫЕ СВОЙСТВА – см. "донорные свойства".
ЭЛЕКТРООТРИЦАТЕЛЬНОСТЬ – относительная способность атомных ядер притягивать к себе электроны, образующие химическую связь. Характеризует способность атома к поляризации химических связей. Электроотрицательность различных атомов можно оценить количественно - см. таблицу в приложении VII (вход на главной странице).
ЭЛЕМЕНТ – вещество, состоящее из атомов одного вида (из атомов с одинаковым зарядом ядра). Часто элемент содержит в своем составе несколько ИЗОТОПОВ.
ЭЛЕМЕНТАРНАЯ ЯЧЕЙКА кристаллическая – многократно повторяющееся в кристалле сочетание атомов, молекул или ионов. Изобразив элементарную ячейку, мы тем самым как бы изображаем весь кристалл, поскольку он состоит из таких ячеек.
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ - см. субатомные частицы.
ЭНДОТЕРМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ (от греческого endon – внутри) - химические реакции, протекающие с поглощением тепла.
ЭНЕРГИЯ АКТИВАЦИИ (Еа, иногда обозначается как DE#) – это та дополнительная энергия (к средней энергии Е сталкивающихся частиц), которая необходима, чтобы столкновение привело к химической реакции. Энергию активации иногда называют также энергетическим барьером. Каждая химическая реакция имеет свою энергию активации. Значения Еа для реакций между нейтральными молекулами составляют, как правило, от 80 до 240 кДж/моль. На величину Еа не влияет температура, но может повлиять присутствие КАТАЛИЗАТОРА.
ЭНТАЛЬПИЯ – "теплосодержание" реагирующих веществ. Обозначается как DH. При постоянном давлении (если реакция идет не в замкнутом сосуде) изменение энтальпии в процессе химической реакции равно её ТЕПЛОВОМУ ЭФФЕКТУ.