Химия – наука о составе, строении, свойствах, превращениях веществ и явлениях, их сопровождающих.
Все в природе представляет собой различные виды движущейся материи. Движение – форма существования материи. Превращения веществ и сопровождающие их явления – сущность химической формы движения материи, которая определяется взаимодействием электронных оболочек атомов и молекул.
Отсюда тесная связь химии со многими естественными науками – геологией, биологией, физикой и другими. На границе между химией и геологией возникла геохимия, изучающая распространенность и миграцию химических элементов на Земле. На стыке химии, биологии и геологии возникла биогеохимия, изучающая геохимические процессы с участием живых организмов. На границе биологии, неорганической и биологической появилась новая наука – бионеорганическая химия, задачей которой является изучение химических процессов, протекающих в клетках живых организмов при участии соединений биогенных элементов. Тесная связь биохимии и органической химии привела к возникновению биоорганической химии, а физики, химии, биологии – к созданию биофизической химии, которая описывает закономерности и механизмы протекания биологических процессов на основе фундаментальных законов физической химии.
Исключительно велико значение химии в биологии и медицине. В организме реализуется около миллиона процессов. Каждый из них представляет собой совокупность различных химических превращений. В любой клетке человеческого организма могут протекать тысячи химических реакций. В конечном счете, разнообразные биологические функции живых организмов определяются теми или иными химическими реакциями.
|
|
Например, энергетические потребности обеспечиваются главным образом реакцией биоокисления глюкозы, лежащей в основе клеточного дыхания. (С Н О + 6О = 6СО + 6Н О)
В свою очередь внешнее дыхание высших животных, обеспечивающее доставку кислорода к клеткам, определяется реакцией белка – гемоглобина Нb с кислородом воздуха.(Hb + O HbO)
Непрочный комплекс – оксигемоглобин HbO является переносчиком кислорода. Недостаток гемоглобина будет вести к кислородному голоданию и тяжелому заболеванию – анемии. Чтобы вылечить больного анемией, необходимо стимулировать синтез гемоглобина в организме.
Понимание химических процессов, лежащих в основе болезни, помогает направленному поиску способов ее лечения. Поэтому лучшие врачи всегда уделяли внимание химическим вопросам медицины.
Атом — наименьшая частица химического элемента, состоящая их элементарных частиц, движение которых подчиняется законам квантовой механики.
Атом состоит из атомного ядра и окружающего его электронного облака. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов, а окружающее его облако состоит из отрицательно заряженных электронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом.
Атомная орбиталь (АО) — область, где чаще всего находится электрон. АО описывается некоторой волновой функцией = (;;). Эта функция входит в уравнение Шредингера. Решением уравнения Шредингера являются квантовые числа. Каждый электрон в атоме описывается набором из 4х квантовых чисел (квантовые числа — безразмерные параметры, характеризующие состояние электрона в атоме):
|
|
1) главное (n) – определяет энергетический уровень, на котором находится электрон (n = 1,2,3…)
2) орбитальное (l) – показывает на каком подуровне находится электрон (l = 0(s), 1(p), 2(d), 3(f)…до..(n-1))
3) магнитное (т) – показывает на какой атомной орбитале находится электрон (m = - l …0… l)
l = 0 (S); m =0
l = 1 (P); m = -1,0,1
l = 2 (d); m = -2,-1,0,1,2
4) спиновое (s) – показывает вращение электрона вокруг собственной оси (m = -1/2;1/2)
Нормальным состоянием атома называют структуру, соответствующую квантовым химическим законам формирования АО.
Возбуждённым состоянием атома называют структуру, в которой застраивающиеся электроны переходят на подуровни с более высокой энергией.
Принцип заполнения орбиталей электронами:
1) принцип Паули: а атоме нет одинаковых электронов, каждый электрон в атоме отличается значением хотя бы одного квантового числа (в атомной орбитале могут находиться только 2 электрона)
2 ) правило Хунда: суммарное спиновое число на подуровнях должно быть максимальным:
3) принцип наименьшей энергии: электроны в невозбужденном атоме распределяются по квантовым состояниям таким образом, чтобы суммарная энергия атома была минимальна:
1s<2s<2p<3s<3p<4s<3d<4p<5s<4d<5p<6s<5d
у лантаноидов 4f=5d<7s<6d=5f<6d
Периодический закон Менделеева: свойства элементов и их однотипных соединений находятся в периодической зависимости от заряда атомных ядер элементов.
|
|
Отдельные группы элементов по сходству наиболее общих признаков объединяют в блоки:
1) s – блок объединяет 2 группы: 1А – щелочных и 2А – щелочно-земельных металлов. В качестве валентных выступают электроны s–орбиталей. Поэтому элементы этих групп называют s-элементами.
2) d – блок объединяет 8 групп 3Б-8Б, 1Б, 2Б комплексообразующих переходных элементов. Валентными являются электроны s- и d-орбиталей. d-элементы.
3) р-блок объединяет 6 групп: 3А-8А – неметаллов, амфотерных и благородных элементов. Валентнвми являются электроны р-орбиталей, поэтому их называют р-элементами.
Электроотрицательность: способность ядер притягивать электронов
Энергия ионизации J [эВ]: - энергия, которую нужно приложить к атому, чтобы оторвать элетрон
В группе J уменьшается
В периоде J увеличивается
Энергия сродства к электронам F [эВ] – та энергия, которая выделяется или поглощается когда атом принимает элетрон.
В группе J увеличивается
В периоде J уменьшается
Химической связью называют совокупность взаимодействия между электронами и ядрами атомов, приводящая к образованию молекул.
Валентностью называют способность атома присоединять определенное число других атомов с образованием молекулы.
Принципы метода ВС удобно проиллюстрировать на примере образования химической связи в молекуле водорода Н. Рассматривают 2 атома водорода, находящихся на расстоянии, гораздо большем, чем радиус орбитали 1s изолированного атома Н. На таком расстоянии электроны и ядра разных атомов взаимодействуют очень слабо, и атомы существуют независимо друг от друга.
При постепенном сближении атомов взаимодействие возрастает. На этом расстоянии электронные орбитали атомов перекрываются. При таком сближении электроны разных атомов Н и Н уже не могут двигаться независимо. При попадании электрона из атома Н в область перекрывания он может не вернуться к атому Н, а переходит на 1s-орбиталь атома Н. То же самое происходит с электроном атома Н.таким образом, вследствие перекрывания орбиталей атомы постоянно обмениваются электронами.
Метода ВС(валентных связей): химическая связь между двумя атомами возникает в результате перекрывания внешних атомных орбиталей путем обмена двух электронов, находящихся на этих орбиталях.
Ковалентная связь — химическая связь, образованная перекрытием (обобществлением) пары валентных электронных облаков. Виды ковалентной связи:
Простая ковалентная связь образуется из двух неспаренных валентных электронов, по одному от каждого атома. В результате обобществления электроны образуют заполненный энергетический уровень. Связь образуется, если их суммарная энергия на этом уровне будет меньше, чем в первоначальном состоянии (а разница в энергии будет не чем иным, как энергией связи).
Донорно-акцепторный механизм. Для образования этого вида ковалентной связи оба электрона предоставляет один из атомов — донор. Второй из атомов, участвующий в образовании связи, называется акцептором. В образовавшейся молекуле формальный заряд донора увеличивается на единицу, а формальный заряд акцептора уменьшает единицу.
Семиполярная связь. Этот вид ковалентной связи образуется между атомом, обладающим неподелённой парой электронов (азот, фосфор, сера, галогены и т. п.) и атомом с двумя неспаренными электронами (кислород, сера). Образование семиполярной связи протекает в два этапа:
1. Перенос одного электрона от атома с неподелённой парой электронов к атому с двумя неспаренными электронами. В результате атом с неподелённой парой электронов превращается в катион-радикал (положительно заряженная частица с неспаренным электроном), а атом с двумя неспаренными электронами — в анион-радикал (отрицательно заряженная частица с неспаренным электроном).
2. Обобществление неспаренных электронов (как в случае простой ковалентной связи).
Ковалентная связь насыщает ее свойства, т.е. атом может образовывать только определенное количество связей.
Ковалентная связь направлена, т.е. перекрывание лишь определенной ориентации.
- область перекрывания атомных орбиталей
- перекрывание происходит над осью Х и под осью Х:
При образовании молекулы форма атомных электронных облаков может измениться по сравнению с их исходной формой в свободных атомах: вместо неравноценных s- и р-облаков могут образоваться равноценные «смешанные» или гибридные электронные облака, происходит так называемая гибридизация атомных орбиталей. Гибридизацией называют образование одинаковых по энергии и форме орбиталей атома в результате сложения различных по энергии и форме орбиталей при возбуждении этого атома.
Согласно методу МО (молекулярных орбиталей) молекулы рассматриваются как единое целое, состоящее из ядер электронов. Установить строение молекул по методу МО это значит выяснить распределение электронов по молекулярным орбиталям. Так, как мы делаем для атомов. Представить структуру молекулы МО – это значит распределить электроны в молекуле по молекулярному образцу – более сложнее, чем атомные.
Водород, соединенный с атомом сильно электроотрицательного элемента, образует водородную связь. Условием образования водородной связи является высокая электроотрицательность атома, непосредственно связанного в молекуле с атомом водорода. Только при этом условии электронное облако атома водорода достаточно сильно смещается в сторону атома-партнера, а последний приобретает высокий эффективный отрицательный заряд. Именно поэтому водородная связь характерна для соединений самых электроотрицательных элементов; сильнее всего она проявяется у соединений фтора и кислорода.
Роль водородной связи: Вода – одно из самых важных и распространенных соединений водорода. Водное пространство занимает почти 75% земного шара. В организме взрослого человека содержится около 70% воды. Все химические реакции в организме протекают только в водной среде. Жизнь без воды невозможна.
КС – это соединения высшего порядка
КС – это соединения в растворах и расплавах которых присутствуют сложные, комплексные частицы (комплексные катионы, анионы и нейтральные частицы)
КС – это соединения, в структуре которых присутствует хотя бы одна донорно-акцепторная связь
К КС относятся такие природные соединения (биокомплексы):
1) хлорофилл
2) гемоглобин
3) витамин В12
-ряд ферментов
СuSO4(голуб) +4NH3 = [Cu(NH3)4]SO4(ярко - синий)
В 1893 году ученый Вернер впервые объединил сведения и выдвинул теорию.
«Координационная теория»:
КО (комплексообразователь) – обычно катионы Ме (Сu), обычно это место занимают катионы d-элементов, практически не могут занимать щелочи Ме.
КЧ (координационное число) – обычно четное. Величина КЧ зависит от заряда КО
| Заряд КО | КЧ |
| +1(Ag+,Au+,Cu+) +2(Co2+,Cu2+,Zn2+) +3(Al3+,Fe3+) +4(Pt4+,Os4+) | 4,6 6,4 |
Лиганды – это нейтральные молекулы неорганической или органической природы и отрицательно заряженные частицы. (Cl-,I-,F-,Br-,Cn-,SCN-,NO2-,S2O32-)
Дентатность лигандов – это количество связей. Которые образуют лиганды с комплексообразователем
Н20,NH3,CO-монодентатные
NH2-CH2-CH2-NH2 – бидентатные
Классификация КС:
I. По природе лигандов:
1) аквакомплексы (H2O) – [Co(H2O)6]Cl3
2) аммиакаты (NН3) – [Cu(NH3)4]SO4
3) ацитокомплексы (СN-,Cl-,Br-,SCN-,NO2-)
4) внутрикомплексы [Cu(NH2-CH2-CH2-NH2)2]
5) хелаты (нейтр.орг.соединения)
II. По заряду комплексной частицы:
1) нейтральные [Cr(H2O)3Br3]
2) катионные K[Ag(CN)2]
3) анионные [Au(NH3)2]Cl
Название комплексных соединений:
1) название начинается с аниона (простого или сложного)
2) лиганты называют (Н20-аква, NH3-аммин,СN- -циано,SCN- - тиоциано,Br- - бромо,С2O42- - оксалато,NO2- - нитрито)
3) комплексообразователь называют:
- по-русски (если он входит в состав катионного комплекса)
- по-латински (с окончанием а), если он входит в состав анионного комплекса