Обычно считается, что измельчение вещества — фи­зический процесс. Однако это не совсем так. При дли­тельной обработке в специальных мельницах частицы вещества за счёт поглощения энергии переходят в химически активное состояние: усиливаются колеба­тельные движения атомов, молекул и ионов в узлах кри­сталлической решётки, ослабляются связи между ними, рвутся некоторые связи, возникают свободные радика­лы.

Простейшие химические реакции обычно подразделяют на четыре ти­па: реакции соединения, разложе­ния, замещения и обмена. Д. И. Мен­делеев определял соединение как реакцию, «при которой из двух ве­ществ происходит одно, или, вообще, из данного числа — меньшее их чис­ло». Например, при нагревании по­рошков железа и серы образуется сульфид железа: Fe+S=FeS. К реакциям соединения относят процессы горения простых веществ (серы, фос­фора, углерода) на воздухе: С+О₂=СО₂. Они всегда сопровождаются выделением тепла — являются экзо­термическими (см. статью «Тепло химических реакций»).

Реакции разложения, по Менделе­еву, «составляют случаи, обратные со­единению, то есть такие, при которых одно вещество даёт два, или, вообще, данное число веществ — большее их число. Так, при накаливании дерева (без доступа воздуха. — Прим. ред.) получается горючий газ, водянистая жидкость, смола или дёготь и уголь». Более простой пример — разложение известняка: СаСО₃=СаО+СО₂. Для проведения реакции разложения, как правило, требуется нагревание. Такие процессы — эндотермические, т. е. протекают с поглощением теплоты.

В реакциях двух других типов чис­ло реагентов равно числу продуктов (Менделеев называл их реакциями перемещения). Если взаимодействуют простое вещество и сложное — это реакция замещения: Fe+CuSO₄= FeSO₄+Cu.

О том, что мы имеем дело с химиче­ской реакцией, а не с физическим процессом, обычно можно судить по нескольким внешним признакам: вы­делению или поглощению тепла, об­разованию осадка, выделению газа, изменению окраски, вкуса и запаха веществ (разумеется, при подобном анализе нужна известная осторож­ность). Правда, иногда этого бы­вает недостаточно. Есть химические превращения, при которых теплота не поглощается и не выделяется или же тепловой эффект столь незначи­телен, что его сложно зафиксировать. Более того, ряд перечисленных при­знаков может соответствовать и фи­зическим процессам. Стоит открыть, например, бутылку с газированным напитком, как из неё с шипением вы­рвется углекислый газ, который был растворён в воде под большим давле­нием. А при охлаждении насыщенно­го раствора растворённое вещество часто выпадает в осадок.

ФИЗИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС И ХИМИЧЕСКАЯ РЕАКЦИЯ

Если бы миллионы разнообразных веществ, а следовательно, и тела, из них состоящие, не претерпевали ни­каких изменений, мир был бы скуч­ным и застывшим, лишённым движе­ния, развития. К счастью, мир устроен иначе. Под воздействием внешних условий (температуры, давления, освещённости и др.) вещества изме­няются. Вода закипает и переходит в пар, лёд тает, распускаются и опада­ют листья, расцветают и увядают цве­ты. Течёт жизнь...

Изменения веществ и тел обычно подразделяют на два типа: физиче­ские процессы и химические превра­щения (реакции).

Физический процесс не затрагивает молекул (или других мельчайших структурных единиц) веществ. Их хи­мический состав остаётся прежним, меняется лишь форма тела (при де­формации), размер частичек (при измельчении вещества), агрегатное со­стояние. Кипение воды, вытягивание алюминиевой проволоки, появление инея, выпадение росы, образование ту­мана, измельчение мрамора — всё это физические процессы. При этом молекулы воды не распадаются на атомы, атомы алюминия не объединя­ются в молекулы.

А вот явления, в ходе которых од­ни вещества превращаются в другие, называют химическими превращени­ями или химическими реакциями. Они тоже знакомы каждому: горение древесины, ржавление железа, прогоркание масла, скисание молока... Химическая реакция — это взаимо­действие частиц (молекул, атомов) ве­щества или разных веществ друг с другом, которое приводит к разрыву старых и образованию новых хими­ческих связей. При этом изменяется строение молекул исходных веществ и, как правило, состав (есть и такие химические реакции, при которых состав вещества не меняется, напри­мер превращение графита в алмаз).

Тот, кто побывал в музее минерало­гии или на выставке минералов, не мог не восхититься изяществом и красотой форм, которые создала «неживая» при­рода. А кто из нас не любовался сне­жинками: их разнообразие поистине бесконечно! Ещё в XVII в. знаменитый немецкий астроном Иоганн Кеплер на­писал трактат «О шестиугольных сне­жинках», а в XX столетии были изда­ны альбомы, где представлены тысячи увеличенных фотографий "снежинок, причём ни одна из них не повторяет другую.

Особое место среди кристаллов за­нимают драгоценные камни, которые с древнейших времён привлекают внима­ние человека. Невозможно оторвать взгляд от сверкающих всеми цветами радуги алмазов, рубинов, изумрудов, сапфиров, аметистов... Теперь многие драгоценные камни люди научились получать искусственно. Например, под­шипники для часов и других точных приборов уже давно делают из искусст­венных рубинов. А можно создать и та­кие кристаллы, которых в природе вообще не существует.

Многие видные химики, минера­логи и другие учёные начинали свои первые школьные опыты именно с вы­ращивания кристаллов. Опыты эти от­носительно просты, но их результаты порой могут вызвать удивление и вос­хищение.

Чтобы вырастить кристалл, полезно знать, какие процессы управляют его ростом; почему разные вещества дают кристаллы различной формы, а некото­рые вовсе не образуют кристаллов; что надо сделать, чтобы кристаллы получи­лись большими и красивыми.

Классические теории трактуют химическую связь как взаимодействие двух атомов. Однако открыто уже до­вольно много необычных молекул, в которых химиче­ская связь возникает сразу между несколькими ато­мами. Такие связи называют многоцентровыми.

Простейший пример молекулы с трёхцентровой свя­зью — ион метония СН⁺₅. В нём три из пяти атомов во­дорода связаны с центральным атомом углерода обыч­ной ковалентной связью. Два других атома водорода удалены от атома углерода на большее расстояние. Трёхцентровую связь между этими атомами осуществляют всего два электрона: один из них предоставлен углеродом, а другой — водородом.

Трёхцентровую связь иногда обозначают треугольником, в вершинах которого находятся связанные атомы.

В молекуле ферроцена, или дициклопентадиенилжелеза Fe(C₅H₅)₂, атом Fe, расположенный между двумя циклопентадиенильными кольцами, одновременно связан со всеми десятью атомами углерода обоих колец. Связь между этими 11 атомами осуществляют 12 p-электронов двух ароматических колец.

Чтобы можно было сравнивать друг с другом химические связи, в том числе и связи разных типов, исполь­зуют единые количественные характеристики, среди которых главные — длина, энергия, полярность и порядок связи.

Основных типов химических связей три — ковалентная, ионная и метал­лическая. Но иногда важную роль могут играть довольно слабые силы, действующие между молекулами. Эти­ми силами в основном определяют­ся температуры плавления и кипения веществ, а также некоторые их хими­ческие свойства.

Все молекулы электрически нейт­ральны. Однако во многих из них центры отрицательных и положи­тельных зарядов находятся в разных местах. В таких случаях молекулу на­зывают диполем. Полярные молекулы легко притягиваются друг к другу.

Правда, взаимодействие диполей относительно слабое: его энергия обратно пропорциональна шестой степени расстояния между центрами молекул Е~ 1/r⁶ (для сравнения: энер­гия кулоновского взаимодействия Е~1/r). Поэтому оно проявляется главным образом в твёрдом и жидком состояниях, когда расстояния между молекулами намного меньше, чем в газе. В твёрдом состоянии молекуляр­ные диполи ориентированы так, что положительные полюса одних макси­мально приближены к отрицатель­ным полюсам других.

Аля металлов характерен особый тип химической связи: валентные электроны всех атомов объединяются в так называемый электронный газ и свободно двигаются в кристаллической решётке, образованной иона­ми. Каждый электрон как бы принадлежит всем атомам одновременно, и кристалл металла можно рассматривать как одну гигантскую молекулу. В таких молекулах МО имеют особые свойства.

Рассмотрим кусок лития массой 1,17 г. Он содержит 1/6 моль лития, т. е. 10²³ атомов, каждый из которых имеет наполовину заполненную ва­лентную 2s-орбиталь. Все 10²³ атомных орбиталей в молекуле превраща­ются в 10²³ молекулярных орбиталей, энергия которых изменяется в пре­делах 100 кДж/моль, а сами орбитали распределены (делокализованы) по всей молекуле. Хорошая электрическая проводимость металлов объясня­ется тем, что разница в энергии между двумя соседними МО составляет ничтожно малую величину: 100/10²³=10^-21 кДж/моль. Поэтому электро­ны могут свободно переходить с орбитали на орбиталь при наличии внеш­него электрического поля.

Понятие валентности в химии долго считалось одним из основных. «Ва­лентность — фундаментальное свойст­во атома, — писал более века назад знаменитый немецкий учёный, один из создателей теории химического строения Фридрих Кекуле, — свойст­во такое же постоянное и неизменяе­мое, как и самый атомный вес». Одна­ко в современной научной литературе этот термин употребляется не очень широко. Более того, даже в учебниках он трактуется по-разному.

Так, если валентность определять общим числом электронов, участвую­щих в образовании химических связей с другими атомами, то азот в HNO₃ следует считать пятивалентным, по­скольку его атом использовал все свои пять внешних электронов — два s-электрона (спаренные) и три р-электрона (неспаренные):

Если же валентность определять чис­лом электронных пар, которыми данный атом связан с другими, то максимальная валентность азота будет равна четырём.

При этом три р-электрона образуют с электронами других атомов три ковалентные связи, а ещё одна образуется за счёт двух s-электронов. Пример — реакция аммиака с кислотами.

Наконец, если определять валент­ность только числом неспаренных элек­тронов в атоме, то валентность азота не может превышать трёх, поскольку распаривание s-электронов невозмож­но — для этого у атома азота нет подходящих орбиталей. Например, в галогенидах азот образует только три ковалентные связи, и не существует та­ких соединений, как NCl₅, или NBr₅ (в от­личие от вполне стабильных РСl₅ и РВr₅).

Электронная плотность создаётся всеми электронами в молекуле. Одни из них при образовании молекулы из атомов остаются практически неиз­менными, другие меняются очень сильно. Для  понимания  природы химической связи наиболее инте­ресно поведение последних.

 Для описания электронов в атоме используют понятие атомной орбитали (АО), которая характеризует веро­ятность нахождения электрона в каж­дой точке пространства (вне орбитали электронная плотность мала). То же справедливо и для молекул. Состояние каждого электрона в молекуле харак­теризуется понятием молекулярной орбитали (МО). Если известна форма МО, можно определить те места в мо­лекуле, где электрон, находящийся на этой орбитали, бывает чаще всего.

Очень наглядное представление о химической связи даёт квантовая механика. Эта наука позволяет с вы­сокой точностью рассчитать рас­пределение электронов в молекуле. Функцию, которая описывает вероят­ность нахождения электронов в лю­бой точке молекулы, называют элек­тронной плотностью. Её измеряют в долях единицы, а для её изображе­ния обычно используют поверхно­сти равной плотности, т. е. выбира­ют какое-либо значение, например 0,002 или 0,08, и показывают все точки в пространстве, в которых электронная плотность принимает это значение (трёхмерное изображе­ние). Есть и другой способ — выбрать какую-либо плоскость (сечение) и рассматривать значения электрон­ной плотности только в этой плоско­сти (контурная карта).

Чем же хороша электронная плот­ность? Во-первых, она позволяет изо­бразить так называемое электрон­ное облако молекулы. Поверхность с электронной плотностью 0,002 обыч­но сосредотачивает в себе больше 98% всей электронной плотности, поэтому она отражает размеры и форму электронного облака.

Поверхности равной электронной плотности молекулы этилена С₂Н₄: 1 — 0,002; 2 — 0,2;  3 — 0,36.