Одной из естественных наук, изучающих окружающий нас материальный мир во всем многообразии его форм и превращений, является химия.

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. В свою очередь дыхание внешнее дыхание высших животных, обеспечивающее доставку кислорода к клеткам, определяется реакцией белка – гемоглобина с кислородом воздуха. Непрочный комплекс – оксигемоглобин 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.

Строение атома

Атом — наименьшая частица химического элемента, состоящая их элементарных частиц, движение которых подчиняется законам квантовой механики.

Атомная орбиталь (АО) — область существования электрона (решение уравнения Шрёдингера). Каждая атомная орбиталь и её энергия определяется тремя квантовыми числами. Тип атомной орбитали определяется орбитальным квантовым числом l.

Квантовые числа — безразмерные параметры, характеризующие состояние электрона в атоме

Квантовые числа:

n – главное квантовое число, показывает на каком уровне находится электрон

l – орбитальное, показывает на каком подуровне находится электрон

Ml – магнитное, показывает на каком орбитали находится электрон

Ms – спиновое, показывает вращение электрона вокруг собственной оси

Принцип Паули: в атоме нет одинаковых электронов, каждый из них в атоме отличается значением хотя бы одного квантового числа => в атомной орбитали могут находиться только 2 электрона

Правило Хунда. Минимумом энергии обладает конфигурация с максимальным сумм. спином.

Правило Ключевского. Заполнение ЭО происходит в порядке возрастания n+l. В случае равенства n+l сначала заполняется ЭО с меньшим значением n.

Правило Гунда: Суммарное спиновое число на подуровне должно быть максимальным

Правило наименьшей энергии:

1s<2s<2p<3s<3p<4s<3d<4p<5s<4d<5p<6s<5d

у лантаноидов 4f=5d<7s<6d=5f<6d

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.

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

Химическая связь

В любом случае во всех преобразованиях атомы стремятся иметь nS²nP⁶ – конфигурацию. Причина образования: сумма энергий отдельных атомов больше суммы энергий молекул. Условие образования: конечная энергия меньше исходной (принцип минимума энергии). Возникает благодаря взаимодействию электрических полей, образуемых электронами и ядрами атомов. Образование химической связи сопровождается перестройкой внешних электронных оболочек. В процессе возникновения химической связи главную роль играют электроны застраивающихся подуровней (валентные электроны). Основные типы химической связи: Ковалентная. За счёт обобщ. электронной пары (AB; A—B). Полярная и неполярная. Ионная. Предельный случай ковалентной. ЭО > 2,2. Образуется два завершённых внеш. уровня. Донорно-акцепторная. Разновидность ковалентной. Обобществление электронной пары. Водородная. Межмолекулярная. Полярная. Условие: на одной линии, соединяющей атомы. Металлическая. В узлах решётки — атомы/ионы, между ними — электронный газ. Основные характеристики химической связи: Энергия связи. Доля энергии расщепления молекулы на свободные газообразные атомы, приходящаяся на одну связь. Длина. Равновесное расстояние между атомами в молекуле. E  1/l. l ДБ < 0,5 нм. Полярность ( — дипольный момент). Связь полярная, если  != 0.

Поляризуемость (). Способность приобретать  (способность оболочки смещаться отн. ядра). Связь свойств твёрдых веществ с типом химической связи. Твёрдое вещество: кристаллическая решётка.

Молекулярная решётка: в узлах — полярные/неполярные молекулы, связанные слабыми силами притяжения. Невысокая температура плавления и хрупкость. Атомная решётка: в узлах — атомы, связанные общими электронными парами. Очень высокая твёрдость и очень высокая температура плавления. Ионная решётка: в узлах — ионы. Силы электростатического взаимодействия невелики. Высокая хрупкость и твёрдость. Невысокая температура плавления. В твёрдом состоянии не проводят ток. В жидком проводят ток. Металлическая решётка: в узлах — нейтральные атомы. Проводники. Теплопроводны. Межмолекулярные взаимодействия. Силы Ван-дер-Ваальса. Небольшая энергия.

Водородная связь. Между водородом и сильно отрицательным элементом. Донорно-акцепторное взаимодействие. Приводит к образованию комплексных соединений. Степень окисления — условный заряд атома, вычисленный исходя из предположения, что вещество состоит только из ионов. Теория химической связи — теория, объясняющая механизм возникновения химической связи, позволяющая рассчитать распределение электронной плотности в молекуле и энергию связи. Метод валентных связей. В основу положен расчёт для энергии системы при сближении двух атомов с неспаренными электронами. Валентность — количество неспаренных электронов в основном/возбуждённом состоянии, а также количеству атомных орбиталей (свободных или с неподелённой электронной парой), способных образовывать ковалентную связь по донорно-акцепторному механизму. Гибридизация — образуются орбитали одинаковой формы и энергии. Метод молекулярных орбиталей (МО). При образовании молекулы из атомных орбиталей возникают МО, осуществляющие химическую связь. МО являются многоцентровыми. Электроны притягиваются сразу несколькими ядрами. МО — линейная комбинация АО. Кратность связи = ( связывающих электронов —  разрыхляющих электронов)/2. Сигма, пи, дельта связи.