Основные принципы и законы химии

Рассматривая химию с точки зрения ее становления, можно сказать, что в ее основе лежат два закона: сохранения массы и постоянства состава.

Закон сохранения массы может быть сформулирован еще так: полная масса замкнутой системы остается постоянной. Иными словами, этот закон утверждает, что химические превращения не сопровождаются измеримым увеличением или уменьшением массы участвующих в них веществ. Например, при разложении воды ее исходная масса будет равна сумме массы водорода и массы кислорода. Этот закон был установлен М.В. Ломоносовым и А. Лавуазье. Он может быть сформулирован и так: вещество нельзя ни создать из ничего, ни уничтожить.

Закон постоянства состава гласит: всякое химическое соединение, независимо от способа его получения, всегда содержит определенные элементы в одинаковом весовом отношении. Он был установлен французским химиком Ж. Прустом в 1800 – 1808 гг. и теоретически обобщен в 1800 – 1810 гг.

Однако рассмотренные законы не являются универсальными законами химии. Последними следует считать периодический закон химических элементов и принцип Ле Шателье-Брауна.

Согласно периодическому закону (в его современной форме), свойства химических элементов не являются случайными, а зависят от электронного строения данного атома, они закономерно изменяются с изменением атомного номера. Важным в периодическом законе является то, что эта зависимость характеризуется строгой периодичностью, которая находит свое выражение в повторяемости типичных свойств элементов.

Д.И. Менделееву в момент создания периодической системы было известно 62 химических элемента, а в настоящее время мы знаем уже 112. В 30-х гг. последним элементом этой системы был уран (U – девяносто второй элемент). Начиная с 40-х гг. новые элементы открывали регулярно по нескольку элементов в десятилетие. В 1940 – 1945 гг. путем физического синтеза атомных ядер были открыты элементы с номера 93 по 96: нептуний, плутоний, америций, кюрий. В 1949 – 1952 гг. стали известны берклий, калифорний, эйнштейний, фермий, менделевий (с номера от 97 по 101). В последующие 40 лет были синтезированы элементы от 102-го по 109-й: нобелий, лоуренсий, курчатовий, жолиотий, резерфордий, борий, ганий, мейтнерий. Как правило, они носят имена выдающихся ученых-физиков или химиков. Например, элементы № 108 и № 109 названы в честь Отто Гана и Лизы Мейтнер, открывших в 1935 г. реакцию самопроизвольного деления урана. Следует отметить, что элементы со 102-го по 109-й крайне неустойчивы: период их полураспада составляет сотые и тысячные доли секунды. Считается, что элементы после № 110 являются настолько короткоживущими, что будут распадаться в момент их образования. Однако вполне возможно, что при номерах 126, 164, 184 существуют островки стабильности, означающие длительное существование элементов с этими номерами.

Принцип Ле Шателье-Брауна имеет следующую формулировку: если на систему, находящуюся в термодинамическом равновесии, воздействовать извне, изменяя какой-либо из параметров, определяющих положение равновесия, то в системе усилия то из направлений процесса, которое ослабляет влияние произведенного воздействия. Положение равновесия также сместится в направлении ослабления эффекта внешнего воздействия.

Данный принцип признан в настоящее время и далеко за пределами химии; он находит применение в различных науках, вплоть до общественных.

Важнейшие химические принципы могут быть выявлены с связи с двумя важнейшими химическими понятиями. Первым из них является понятие «моль». Выделение и осмысление этого понятия служит, с нашей точки зрения, важнейшим достижением химии. Под молем химического элемента понимается его весовое количество в граммах, численно равное атомному весу этого элемента. Число атомов любого элемента в одном моле равно 6,022 10²³. Это число – постоянная Авогадро. Она характеризует химический мир и дистанцию, отделяющую его от отдельных атомов. Моль входит в число семи основных единиц системы СИ как мера количества структурных элементов. Закон Авогадро является одним из фундаментальных законов химии.

Второе важнейшее понятие – «красота (гармония) химии». Химия – очень красивая наука, причем красота здесь наглядна. В своей «Истории органической химии» известный химик П. Вальден ценный раздел посвятил тому, что он назвал художественным началом в синтетической химии. Это художественное начало проявляется в архитектонике молекул, в первую очередь в различных формах симметрии синтезируемых структур.