Слайд 2
вопросы
1. Химия как наука. 2. Алхимия как предыстория химии. 3. Эволюция химической науки. 4. Идеи Д. И. Менделеева и А. М. Бутлерова. 5. Антропогенный химизм и его влияние на среду обитания.
Слайд 3
от египетского слова «хеми», что означало Египет, а также «черный». Историки науки переводят этот термин как «египетское искусство». химия означает искусство производить необходимые вещества, в том числе и искусство превращать обыкновенные металлы в золото и серебро или их сплавы
Слайд 4
слово «химия» произошло от греческого термина «химос», который можно перевести как «сок растений». «химия» означает «искусство получения соков», но сок, о котором идет речь, может быть и расплавленным металлом. Химия может означать «искусство металлургии».
Слайд 5
Химия - раздел естествознания, исследующий свойства вещества и их превращения
Основной проблемой химии является получение веществ с заданными свойствами. химия неорганическая органическая исследует свойства химических элементов и их простых соединений: щелочи, кислоты, соли. изучает сложные соединения на основе углерода - полимеры, в том числе, созданные человеком: газы, спирты, жиры, сахара
Слайд 6
Основные периоды развития химии
1. Период алхимии - с древности до XVI в. нашей эры. Характеризуется поисками философского камня, эликсира долголетия, алкагеста (универсального растворителя). 2. Период в течение XVI - XVIII веков. Созданы теории Парацельса, теории газов Бойля, Кавендиша и др., теория флогистона Г. Шталя и теория химических элементов Лавуазье. Совершенствовалась прикладная химия, связанная с развитием металлургии, производства стекла и фарфора, искусства перегонки жидкостей и т.д. К концу XVIII века произошло упрочение химии как науки, независимой от других естественных наук.
Слайд 7
3. Первые шестьдесят лет XIX века. Характеризуется возникновением и развитием атомной теории Дальтона, атомно-молекулярной теории Авогадро и формированием основных понятий химии: атом, молекула и др. 4. С 60-х годов XIX века до наших дней. Разработаны периодическая классификация элементов, теория ароматических соединений и стереохимия, электронная теория материи и т.д. Расширился диапазон составных частей химии, как неорганическая химия, органическая химия, физическая химия, фармацевтическая химия, химия пищевых продуктов, агрохимия, геохимия, биохимия и т.д.
Слайд 8
АЛХИМИЯ
«Алхимия» - это арабизированное греческое слово, которое понимается как «сок растений». 3 типа: греко-египетская, арабская, западно-европейская
Слайд 9
Родина алхимии - Египет.
Философская теория Эмпедокла о четырех элементах Земли (вода, воздух, земля, огонь). Согласно ей различные вещества на Земле различаются только по характеру сочетания этих элементов. Эти четыре элемента могут смешиваться в однородные вещества. Важнейшей проблемой алхимии считался поиск философского камня. Улучшили процесс очистки золота путем купеляции (нагревая богатую золотом руду со свинцом и селитрой). Выделение серебра путем сплавления руды со свинцом. Получила развитие металлургия обыкновенных металлов. Известен процесс получения ртути.
Слайд 10
АРАБСКАЯ АЛХИМИЯ
«хеми» в «аль-химия» Джабир ибн Хайям описал нашатырный спирт, технологию приготовления свинцовых белил, способ перегонки уксуса для получения уксусной кислоты; все семь основных металлов образуются из смеси ртути и серы. ж
Слайд 11
ЗАПАДНОЕВРОПЕЙСКАЯ АЛХИМИЯ
монах-доминиканец Альберт фон Больштедт (1193-1280) – Альберт Великий детально описал свойства мышьяка, высказывал мнение о том, что металлы состоят из ртути, серы, мышьяка и нашатыря.
Слайд 12
британский философ ХII в. – Роджер Бэкон (около 1214 - после 1294). возможный изобретатель пороха; писал о потухании веществ без доступа воздуха, писал о способности селитры взрываться с горящим углем.
Слайд 13
испанский врач Арнальдо де Виллановы (1240-1313) и РаймундЛуллия (1235-1313). попытки получить философский камень и золото (неудачно), изготовили бикарбонат калия. итальянский алхимик кардинал Джованни Фиданца (1121-1274) – Бонавентура получил раствор нашатыря в азотной кислоте самый видный алхимиков был испанцем, жил в XIV веке - Гебера. описал серную кислоту, описал, как образуется азотная кислота, отметил свойство царской водки воздействовать на золото, считавшееся до тех пор неподдающимся изменению.
Слайд 14
Василий Валентин (XIV в.) открыл серный эфир, соляную кислоту, многие соединения мышьяка и сурьмы, описал способы получения сурьмы и ее медицинское применение
Слайд 15
Теофраст фон Гогенгейм (Парацельс) (1493-1541) основатель ятрохимии – медицинской химии, достиг некоторого успеха в борьбе с сифилисом, одним из первых разрабатывал лекарственные средства для борьбы с умственными расстройствами, ему приписывают открытие эфира.
Посмотреть все слайды
Рождение химии, так же как и всей европейской науки, несмотря на их долгую историю становления, связывают с возникновением идеи существования законов природы в Новое время. Классическим определением химии является определение, согласно которому, химия - это наука о веществах, об их строении, свойствах, о реакциях и законах, которым подчиняются их превращения; одна из отраслей естествознания 1 . Однако уже в 1967 г. в фундаментальной монографии «Эволюция представлений об основных законах химии» В. И. Кузнецова сделан вывод, что определение химии как «науки о веществах и их превращениях» устарело . Изменились понимание структуры вещества и динамики химических процессов и, соответственно, методология их исследования. Это привело к плодотворному развитию всех основных направлений химических исследований. Были открыты новые химические соединения. Так, современная химия располагает более 15 млн химических соединений и химических реакций, обнаруживающие неожиданные свойства и потребовавших введения совершенно новых понятий.
Ю. А. Жданов, обращаясь к проблеме специфики химической формы движения, отмечает, что как это ни парадоксально, но химия в системе современного естествознания занимает несколько двусмысленное положение: ее охотно признают в качестве необходимой научной основы для понимания биологических, геологических явлений, для создания технологических процессов, но нередко ей отказывают в статусе теоретической науки, сводя к квантовой механике, статической физике, термодинамике . Жданов пишет, что существует немало авторитетных свидетелей как из среды философов, так и из числа естествоиспытателей, готовых поклясться, что химия как наука в принципе не существует, что под термином «химия» скрывается смесь точной, элегантной физической теории и грязной, вульгарной кухни, которую лишь из сострадания можно назвать наукой. В такой ситуации справедлив вопрос, который ставит в своих исследованиях не только К). А. Жданов, но и многие ученые и философы: если теоретическая сторона химии исчерпывается физикой, то от химии остается лишь практическое экспериментирование, но кто же решится считать наукой область деятельности, лишенную своей собственной теории?
Несмотря на то, что возникают оценки современного состояния химии как рождения повой химии, одной из проблем, которая требует прояснения, является вопрос о редукции химического знания к физическому . Эта проблема - философский вопрос, поскольку, по сути, это вопрос, как он сформулирован
В. Декельманом о том, имеет ли химия некоторое собственное понятие бытия или же она по самым своим основам является всего лишь частной областью физики . Традиция сведения химических изменений к физическим имеет свои истоки в представлениях о том, что атомы огня, воздуха и земли механически взаимодействуют друг с другом и образуют «смешанные тела» (Р. Декарт, Р. Бойль, И. Ньютон). Согласно М. Волькенштей- ну, не существует теоретической химии, кроме физики. Это понимание утвердилось с развитием, во-первых, классической механики (М. Фарадей) и разделялось многими химиками; например, Д. И. Менделеев признавал, что блеск химических открытий сделал современную химию совершенно специальной наукой, при этом отмечал, что «несомненно, должно настать время, когда химическое сродство будет рассматриваться как механическое явление» . Во-вторых, с развитием квантовой механики, принципы и положения которой применимы для решения традиционных проблем химической науки, что дает основания для убеждений в квантовомеханическом характере фундаментальных основ химии.
Физической основой химического знания являются следующие главные постулаты квантовой механики: 1) понятие волновой функции электрона как распределенного в пространстве и времени заряда и спина (углового момента); 2) принцип Паули, «организующий» электроны по энергетическим уровням, спиновым состояниям и но их собственным орбиталям (волновым функциям); 3) уравнение Э. Шрёдингера как квантовый наследник уравнений классической механики.
В связи с этим многие физики XX в., например, В. Гейзенберг, П. Иордан, Р. Фейнман, развивали тезис о возможности сведения закономерностей любых химических процессов к фундаментальным физическим законам. Более того, физиками выражается уверенность в том, что непременно наступит момент, «когда биология также полностью сольется с физикой и химией, как нынешняя квантовая механика слила воедино физику и химию» . Многие представители отечественной физики и философии также разделяют эту точку зрения. Так, С. В. Вонсовский пишет, что во всех химических процессах мы встречаемся, прежде всего, с атомизмом тел природы . Химия понимается им как одна из важнейших естественно-научных дисциплин, прежде всего наука о структуре молекул, а также о процессах взаимодействия молекул и поведении веществ при различных химических реакциях.
Проблема редукции в химической картине мира - это попытки превратить химию в столь же точную науку, как и теоретическая физика. Однако существует и другая основа химии - математическая, выражением которой стало установление множества количественных закономерностей, точных законов (включая электронную периодичность закона Менделеева), высочайшего измерительного уровня определения атомно-молекулярных, термодинамических и кинетических констант, характеризующих вещество и химический процесс. Наряду с фундаментальной физико-математической основой химии на сегодняшний день сформировалось большое количество исследовательских областей самого химического знания. Более того, тенденции развития междисциплинарных взаимодействий как на стыках химических дисциплин, так и между всеми естественными науками, привели к действию обратных связей между дисциплинами.
Основной тезис традиции, противостоящей редукции химии к физике: «В явлении химическом всегда есть нечто большее, чем в просто явлении физическом» (В. Оствальд, Н. Н. Семенов, Ю. А. Жданов, Б. М. Кедров, А. Н. Несмеянов и др.). Это положение приводит к необходимости постановки проблемы объектной основы химии. Выражением этой проблемы может служить вопрос: имеют ли химия и физика дело с одним и тем же объектом изучения?
Как отмечает Г. А. Крестов, химия изучает мир объединяемым понятием материи, которая существует в форме вещества и поля, обладающих массой, энергией и характеризующихся диалектическим единством корпускулярных и волновых свойств .
Однако понятием «поля» оперирует физика. В. М. Кедров отмечает, что атомы и молекулы могут быть конечной ступенью развития объекта по отношению к своим исходным структурным элементам и являться объектом изучения физики, однако они могут быть и исходной химической единицей по отношению к возникающим из него молекулярным структурам и в этом случае выступать объектом изучения химии 11 .
Сторонники сведения химических связей к физическим постулируют понимание химического взаимодействия как особой разновидности более общего электромагнитного взаимодействия. Если принять во внимание, что индивидуальный атом еще не является химическим веществом, то и периодическая система элементов Д. И. Менделеева не является химической концепцией. Как справедливо отмечает В. А. Энгельгардт, проводя анализ химического процесса: «...часть, ранее бывшая самостоятельной, перестает существовать как таковая, становится компонентом внутренне объединенного интегрального целого. Возникает нечто новое, ранее не существовавшее, со свойственными ему новыми качествами» .
Особенность химической картины мира заключается в том, что основными объектами изучения являются не просто атомы или молекулы, но очень сложная организация вещества. Необходимо принять во внимание, что перестройка электронных орбиталей атома происходит внутри атома как единого целого. То есть перестройка электронных орбиталей обусловлена всей структурой атома, а не только индивидуальными свойствами электронов. Только в рамках целого можно говорить о том, что то или иное взаимодействие является химическим. Необходимо принять во внимание, что химические соединения построены не из индивидуальных атомов, а из атомных ядер (атомных остовов), связанных обобществленным электронным континуумом . Это обусловливает то, что процесс потери электрона одним атомом и присоединение его другим не может отражать сущность химического взаимодействия.
В этом вопросе такие исследователи, как Н. М. Черемных и О. С. Сироткин , справедливо полагают, что именно наличие химической связи в веществе является критерием того, что оно является объектом химического исследования; ни элементарная частица, ни атом (считающийся иногда «законным» объектом химии) этому критерию не удовлетворяют, и поэтому модели элементарного и атомного уровня организации вещества нельзя экстраполировать на химический уровень. Химическая система - это некоторая целостность, поэтому описание отдельных элементов, на основе которых она возникла, не может дать цельную картину химического процесса, например, образования гликогена из глюкозы и т. д. Справедливо утверждение того, что существует различие между физикой и химией, оно не сводится только к различию химического и физического (электромагнитного) взаимодействий. Н. Н. Семёнов выделяет основные принципы, из которых могут быть выведены все химические закономерности, не сводимые к законам физики:
Принцип электронного строения молекулярных систем; учение о взаимосвязи строения и свойств молекулярных
- - учение о реакционной способности химических соединений;
- - концепция единства химических явлений .
Более того, если принять во внимание то, что, согласно авторитетному мнению физикохимика Н. Н. Семёнова, сущностью химического является химический процесс, рассматриваемый в современной химии как кинетический континуум множества веществ, то именно химический процесс образует мост между объектами физики и объектами биологии .
- См.: Химический энциклопедический словарь. М. : Советская энциклопедия,1983.
- См.: Кузнецов В. И. Эволюция представлений об основных законах химии.М. : Наука, 1967.
- См.: Жданов Ю. А. Углерод и жизнь. Ростов н/Д: Изд-во РГУ, 1968 ; Жданов Ю. А. Очерки методологии органической химии. М. : Высш. школа, 1960.
- См.: Кузнецов В. И. Диалектика развития химии. М. : Наука, 1973 ; Соловьёв Ю. И., Трифонов Д. II., Шамин А. II. Развитие основных направлений современной химии. М. : Просвещение, 1978 ; Полит Л. Общая химия. М. : Мир, 1974.
Химия – наука о веществах и их превращениях, которые сопровождаются изменением состава и строения вещества. Эти процессы осуществляются на границе микро- и макромира.
Как самостоятельная наука химия начинает развиваться с середины XVII века. Научному этапу развития химии предшествовал период алхимии. Это явление культуры связывается с попытками получить «совершенные» металлы – золото и серебро – из «несовершенных» металлов с помощью гипотетического вещества – «философского камня» или эликсира. Не смотря на очевидную невозможность осуществить это превращение, алхимия стимулировала развитие химических технологий (металлургия, стеклоделие, производство керамики, бумаги, спиртных напитков) и открытие способов получения новых химических веществ.
Научный этап развития химии принято делить на четыре периода, в каждом из которых формируется концептуальная система знаний:
а) учение о составе вещества (сер. 17 – сер. 18 вв.) – изучает зависимость свойств веществ от химического состава (состава молекулы);
б) учение о структуре вещества (структурная химия) (сер. 18 – сер. 20 вв.) – изучает зависимость свойств веществ от строения молекулы;
в) учение о химических процессах (сер. 20 в.) – изучаются механизмы протекания химических реакций, а также процессы их ускорения (катализ);
г) эволюционная химия (последние 25-30 лет) - изучает химические процессы в живой природе, процессы самоорганизации химических систем.
3.1.1 Учение о составе вещества
В основе классической химии лежит концепция атомизма, которая была сформулирована еще в античной философии Левкипом, Демокритом и Эпикуром. На основе атомизма в середине 19 века были сформулированы основные положения атомно-молекулярного учения.
Вещества состоят из молекул. Молекула - наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами. Молекулы отличаются между собой составом, размерами, физическими и химическими свойствами.
Молекулы находятся в непрерывном движении; между ними существует взаимное притяжение и отталкивание. Скорость движения молекул зависит от агрегатного состояния веществ.
При физических явлениях состав молекул остается неизменным, при химических реакциях из одних молекул образуются другие.
Молекулы состоят из атомов. Свойства атомов одного элемента отличаются от свойств атомов других элементов. Атомы характеризуются определенными размерами и массой. Масса атома, выраженная в атомных единицах массы (а.е.м.) называется относительной атомной массой.
1 а.е.м. = 1,667 10 -27 кг.
Атомно-молекулярное учение позволило объяснить основные понятия и законы химии. Понятие «химический элемент» предложил Р.Бойль, обозначение химических элементов символами предложил в 1814 г. Й. Берцелиус. Химический элемент – определенный вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Заряд ядра численно равен порядковому номеру элемента в периодической системе. В настоящее время известно 118 химических элементов, из них 94 обнаружены в природе, остальные 24 получены искусственно в результате ядерных реакций.
Атом - наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Химические свойства элемента определяются строением его атома. Отсюда следует определение атома, соответствующее современным представлениям: Атом - это электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного атомного ядра и отрицательно заряженных электронов.
Изотопы – атомы одного и того же химического элемента, имеющие разную массу и, соответственно, различное количество нейтронов в ядре. Изотопы могут быть стабильными, т.е. их ядра не подверженными самопроизвольному распаду, и радиоактивными, которые способны превращаться в атомы других элементов до тех пор, пока не образуется стабильный изотоп (Уран-238 Свинец-206).
Аллотропия – способность элементов существовать в виде различных простых веществ, отличающихся физическими и химическими свойствами. Аллотропия может быть результатом образования молекул с различным числом атомов (например, атомарный кислород O, молекулярный кислород O 2 и озон O 3) или образования различных кристаллических форм (например, графит и алмаз). В результате аллотропии из 118 элементов образуется около 400 простых веществ.
Молекула - это наименьшая частица данного вещества, обладающая его химическими свойствами. Понятие молекула ввел итальянский ученый А.Авогадро. В 1811 году он предложил молекулярную теорию строения вещества.
Химические свойства молекулы определяются ее составом и химическим строением. Размеры молекул определяются их массой и структурой и у больших молекул могут достигать 10 -5 см. В настоящее время известно свыше 18 млн. видов молекул разных веществ.
Химическая формула - это условная запись состава вещества с помощью химических знаков и индексов. Химическая формула показывает, атомы каких элементов и в каком отношении соединены между собой в молекуле.
Основные хи мические законы.
Закон сохранения массы (М.В.Ломоносов, А.Л.Лавуазье): масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции. С точки зрения атомно-молекулярного учения в результате химических реакций атомы не исчезают и не возникают, а происходит их перегруппировка (химическое превращение). Поскольку число атомов до и после реакции остается неизменным, то их общая масса также изменяться не должна. Исходя из закона сохранения массы, можно составлять уравнения химических реакций и по ним производить расчеты. Этот закон является основой количественного химического анализа.
В начале 20 века
формулировка закона сохранения массы
подверглась пересмотру в связи с
появлением теории относительности (см.
п.2.4.1), согласно которой масса тела
зависит от его скорости и, следовательно,
характеризует не только количество
материи, но и ее движение. Полученная
телом энергия
E
связана с увеличением его массы
m
соотношением
E
=
m
c 2
, где с - скорость света. Это соотношение
не используется в химических реакциях,
т.к. 1 кДж энергии соответствует изменению
массы приблизительно на 10 -11
г и
m
практически не может быть измерено.
Однако в ядерных реакциях, где изменение
энергии
Е
в миллионы раз больше, чем в химических
реакциях,
m
следует учитывать.
Закон постоянства состава вещества :
Согласно закону постоянства состава, всякое химически чистое вещество имеет постоянный качественный и количественный состав независимо от способа его получения. Качественный и количественный состав вещества показывает химическая формула. Например, независимо от того, каким способом получено вещество вода (Н 2 О), оно имеет постоянный состав: два атома водорода и один атом кислорода.
Из закона постоянства состава следует, что при образовании сложного вещества элементы соединяются друг с другом в определенных массовых соотношениях.
В настоящее время установлено, что этот закон всегда выполним для соединений с молекулярной структурой. Состав же соединений с немолекулярной структурой (с атомной, ионной и металлической кристаллической решеткой) не является постоянным и зависит от условий получения.
Закон кратных отношений (Дж. Дальтон) - если два элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то массы элементов соотносятся между собой как небольшие целые числа.
Например: в оксидах азота N 2 O, N 2 O 3 , NO 2 (N 2 O 4), N 2 O 5 число атомов кислорода, приходящихся на два атома азота, относятся между собой как 1: 3: 4: 5.
Закон объемных отношений (Гей-Люссак )- объемы газов, вступающих в химические реакции, и объемы газов, образующихся в результате реакции, относятся между собой как небольшие целые числа. Следовательно, стехиометрические коэффициенты в уравнениях химических реакций для молекул газообразных веществ показывают, в каких объемных отношениях реагируют или получаются газообразные вещества. Например:
2CO
+ O
2
2CO
2
При окислении двух объемов оксида углерода (II) одним объемом кислорода образуется 2 объема углекислого газа, т.е. объем исходной реакционной смеси уменьшается на 1 объем.
Закон Авогадро - в равных объемах любых газов, взятых при одной и той же температуре и при одинаковом давлении, содержится одно и то же число молекул. Согласно этому закону:
одно и то же число молекул различных газов при одинаковых условиях занимает одинаковые объемы;
1моль любого идеального газа при нормальных условиях (0°C = 273°К, 1 атм = 101,3 кПа) занимает одинаковый объем 22,4 л.
Французский химик А.Л. Лавуазье впервые попытался систематизировать химические элементы в соответствии с их массой. Английский химик Дж.Дальтон ввел понятие атомная масса и явился создателем теории атомного строения. В 1804 году он предложил таблицу относительных атомных масс водорода, азота, углерода, серы и фосфора, приняв за единицу атомную массу водорода. В настоящее время атомная масса измеряется относительно 1/12 массы атома изотопа углерода.
Работу по изучению свойств атомов продолжил Д.И. Менделеев и в 1869 г. сформулировал периодический закон и разработал Периодическую систему химических элементов. Периодический закон был сформулирован в следующем виде: «Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов». В качестве системообразующего фактора Д.И.Менделеев использовал массу химического элемента. В Периодической системе Д.И. Менделеева насчитывалось 62 элемента.
Квантовая механика уточнила, что свойства химических элементов и их соединений определяются зарядом атомного ядра. Современная формулировка периодического закона химических элементов: свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атома и определяются периодически повторяющимися однотипными электронными конфигурациями их атомов.
Реакционная способность атома химического элемента определяется количеством электронов на внешней оболочке атома.
Валентность – свойства атомов одного элемента образовывать определенное число связей с атомами других элементов. Осуществляют химические связи между атомами электроны, расположенные на внешней оболочке и связанные с ядром наименее прочно. Их назвали валентными электронами. Определить валентность (число валентных электронов) можно по таблице Д.И.Менделеева, зная номер группы, в которой находится химический элемент.
Электроотрицательность – свойство атома в соединении притягивать к себе валентные электроны. Чем сильнее атом оттягивает к себе электроны, тем больше его электроотрицательность. Степень окисления - условный заряд, который образуется на атоме, если учесть, что электрон при образовании связи переходит полностью к более электроотрицательному атому. Максимальная степень окисления элемента определяется номером группы в таблице Менделеева.
Атомы в молекулах связаны между собой химическими связями, которые образуются за счет перераспределения валентных электронов между атомами. При образовании химической связи атомы стремятся приобрести устойчивую (завершенную) внешнюю электронную оболочку. Химическая связь – вид фундаментального электромагнитного взаимодействия. Образование химической связи происходит за счет притяжения положительных и отрицательных зарядов, которые образуются на атоме при потере или смещении его электрона со стационарной орбиты. В зависимости от характера взаимодействия атомов различают ковалентную, ионную, металлическую и водородную химические связи.
Ковалентная связь осуществляется за счет образования общих электронных пар между двумя атомами. Она может быть полярной и неполярной. Ионная связь представляет собой электростатическое притяжение между ионами, которые образуются за счет полного смещения электронной пары к одному из атомов. Металлическая связь - это связь между положительными ионами металлов посредством общего электронного облака («электронного газа»).
Кроме внутримолекулярных связей образуются и межмолекулярные связи. Межмолекулярные взаимодействия - взаимодействия молекул между собой, не приводящие к разрыву или образованию внутримолекулярных химических связей. От межмолекулярных взаимодействий зависят агрегатное состояние вещества, структурные, термодинамические, теплофизические и другие свойства веществ. Примером межмолекулярной связи является водородная связь.
Водородная связь - межмолекулярная связь, образованная за счет притяжения более электроотрицательного атома (F, O, N), и атома водорода с частичным положительным зарядом. Например, водородная связь реализуется между молекулами воды, спирта, органических кислот. Она оказывает влияние на температуру кипения вещества.
Водородная связь может образоваться и внутри молекул. Например, внутримолекулярные водородные связи существуют в молекулах нуклеиновых кислот, белков, полипептидов и др. и определяют структуру этих макромолекул
Химия – наука о превращениях веществ, сопровождающихся изменением их состава и строения.
Явления, при которых из одних веществ образуются другие, называются химическими . Естественно, что, с одной стороны, в этих явлениях можно обнаружить чисто физические изменения, а, с другой стороны, химические явления всегда присутствуют во всех биологических процессах. Таким образом, очевидна связь химии с физикой и биологией.
Эта связь, по-видимому, была одной из причин того, почему химия долго не могла стать самостоятельной наукой. Хотя уже Аристотель разделял вещества на простые и сложные, чистые и смешанные и пытался объяснить возможность одних превращений и невозможность других, химические явления в целом он считал качественными изменениями и потому относил к одному из родов движения . Химия Аристотеля была частью его физики – знания о природе ().
Другая причина несамостоятельности античной химии связана с теоретичностью , созерцательностью всей древнегреческой науки в целом. В вещах и явлениях искали неизменное – идею . Теория химических явлений приводила к идее элемента () как некоего начала природы или к идее атома как неделимой частицы вещества. Согласно атомистической концепции, особенности форм атомов во множестве их сочетаний обуславливают разнообразие качеств тел макромира.
Эмпирический опыт относился в Древней Греции к области искусств и ремесел . Он включал также и практические знания о химических процессах: выплавке металлов из руд, крашении тканей, выделке кожи.
Вероятно, из этих древних ремесел, известных еще в Египте и Вавилоне, возникло «тайное» герметическое искусство Средневековья – алхимия, наиболее распространенное в Европе в IX-XVI веках.
Зародившись в Египте в III-IV веках, это направление практической химии было связано с магией и астрологией. Целью ее было разработать способы и средства превращения менее благородных веществ в более благородные, чтобы достичь реального совершенства, как материального, так и духовного. В ходе поисков универсальных средств таких превращений арабские и европейские алхимики получили много новых и ценных продуктов, а также усовершенствовали лабораторную технику.
1. Период зарождения научной химии (XVII – конец XVIII в.; Парацельс, Бойль, Кавендиш, Шталь, Лавуазье, Ломоносов). Характеризуется тем, что химия выделяется из естествознания в качестве самостоятельной науки. Ее цели определяются развитием промышленности в Новое время. Однако, теории этого периода, как правило, используют либо античные, либо алхимические представления о химических явлениях. Завершился период открытием закона сохранения массы при химических реакциях.
Например, ятрохимия Парацельса (XVI в.) была посвящена приготовлению лекарств и лечению болезней. Парацельс объяснял причины болезней нарушением химических процессов в организме. Как и алхимики, он сводил разнообразие веществ к нескольким элементам – носителям основных свойств материи. Следовательно, восстановление их нормального соотношения приемом лекарств излечивает болезнь.
Теория флогистона Шталя (XVII-XVIII вв.) обобщала множество химических реакций окисления, связанных с горением. Шталь предположил существование во всех веществах элемента «флогистон» – начала горючести.
Тогда реакция горения выглядит так: горючее тело → остаток + флогистон; возможен и обратный процесс: если остаток насытить флогистоном, т.е. смешать, например, с углем, то снова можно получить металл.
2. Период открытия основных законов химии (1800-1860 гг.; Дальтон, Авогадро, Берцелиус). Итогом периода стала атомно-молекулярная теория:
а) все вещества состоят из молекул, которые находятся в непрерывном хаотическом движении;
б) все молекулы состоят из атомов;
3. Современный период (начался в 1860 гг.; Бутлеров, Менделеев, Аррениус, Кекуле, Семенов). Характеризуется выделением разделов химии в качестве самостоятельных наук, а также развитием смежных дисциплин, например, биохимии. В этот период были предложены периодическая система элементов, теории валентности, ароматических соединений, электрохимической диссоциации, стереохимия, электронная теория материи.
Современная химическая картина мира выглядит так:
1. Вещества в газообразном состоянии состоят из молекул. В твердом и жидком состоянии из молекул состоят только вещества с молекулярной кристаллической решеткой (СО 2 , H 2 O). Большинство твердых тел имеет структуру либо атомную, либо ионную и существует в виде макроскопических тел (NaCl, CaO, S).
2. Химический элемент – определенный вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Химические свойства элемента определяются строением его атома.
3. Простые вещества образованы из атомов одного элемента (N 2 , Fe). Сложные вещества или химические соединения образованы атомами разных элементов (CuO, H 2 O).
4. Химические явления или реакции – это процессы, в которых одни вещества превращаются в другие по строению и свойствам без изменения состава ядер атомов.
5. Масса веществ, вступающих в реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции (закон сохранения массы).
6. Всякое чистое вещество независимо от способа получения всегда имеет постоянный качественный и количественный состав (закон постоянства состава).
Основная задача химии – получение веществ с заранее заданными свойствами и выявление способов управления свойствами вещества.
Современная химическая картина мира
1. Предмет познания и важнейшие особенности химический науки
1 Специфика химии как науки
Для человека одной из важнейших естественных наук является химия - наука о составе, внутреннем строении и превращении вещества, а также о механизмах этих превращений.
«Химия - наука, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения». Она изучает природу и свойства различных химических связей, энергетику химических реакций, реакционную способность веществ, свойства катализаторов и т.д.
Химия всегда была нужна человечеству для того, чтобы получать из природных веществ материалы со свойствами, необходимыми для повседневной жизни и производства. Получение таких веществ - производственная задача, и, чтобы ее реализовать, надо уметь осуществлять качественные превращения вещества, т. е. из одних веществ получать другие. Чтобы этого добиться, химия должна справиться с теоретической проблемой генезиса (происхождения) свойств вещества.
Таким образом, основанием химии выступает двуединая проблема - получение веществ с заданными свойствами (на достижение ее направлена производственная деятельность человека) и выявление способов управления свойствами вещества (на реализацию этой задачи направлена научно-исследовательская работа ученых). Эта же проблема является одновременно и системообразующим началом химии.
2 Важнейшие особенности современной химии
В химии, прежде всего в физической химии, появляются многочисленные самостоятельные научные дисциплины (химическая термодинамика, химическая кинетика, электрохимия, термохимия, радиационная химия, фотохимия, плазмохимия, лазерная химия).
Химия активно интегрируется с остальными науками, результатом чего было появление биохимии, молекулярной биологии, космохимии, геохимии, биогеохимии. Первые изучают химические процессы в живых организмах, геохимия - закономерности поведения химических элементов в земной коре.
Биогеохимия - это наука о процессах перемещения, распределения, рассеяния и концентрации химических элементов в биосфере при участии организмов. Основоположником биогеохимии является В. И. Вернадский.
Космохимия изучает химический состав вещества во Вселенной, его распространенность и распределение по отдельным космическим телам.
В химии появляются принципиально новые методы исследования (рентгеновский структурный анализ, масс-спектроскопия, радиоспектроскопия и др.)?
Химия способствовала интенсивному развитию некоторых направлений человеческой деятельности. Например, хирургии химия дала три главных средства, благодаря которым современные операции стали безболезненными и вообще возможными:
) введение в практику эфирного наркоза, а затем и других наркотических веществ;
) использование антисептических средств для предупреждения инфекции;
) получение новых, не имеющихся в природе аллопластических материалов-полимеров.
В химии весьма отчетливо проявляется неравноценность отдельных химических элементов. Подавляющее большинство химических соединений (96% из более 8,5 тыс. известных в настоящее время) - это органические соединения. В их основе лежат 18 элементов (наибольшее распространение имеют всего 6 из них).
Это происходит в силу того, что, во-первых, химические связи прочны (энергоемки) и, во-вторых, они еще и лабильны. Углерод как никакой другой элемент отвечает всем этим требованиям энергоемкости и лабильности связей. Он совмещает в себе химические противоположности, реализуя их единство.
Однако подчеркнем, что материальная основа жизни не сводится ни к каким, даже самым сложным, химическим образованиям. Она не просто агрегат определенного химического состава, но одновременно и структура, имеющая функции и осуществляющая процессы. Поэтому невозможно дать жизни только функциональное определение.
В последнее время химия все чаще предпринимает штурм соседних с нею уровней структурной организации природы. Например, химия все более и более вторгается в биологию, пытаясь объяснить основы жизни.
В развитии химии происходит не смена, а строго закономерное, последовательное появление концептуальных систем. При этом вновь появляющаяся система опирается на предыдущую и включает ее в себя в преобразованном виде. Таким образом, появляется система химии - единая целостность всех химических знаний, которые появляются и существуют не отдельно друг от друга, а в тесной взаимосвязи, дополняют друг друга и объединяются в концептуальные системы знаний, которые находятся между собой в отношениях иерархии.
2. Концептуальные системы химии
1 Понятие о химическом элементе
Концепция химического элемента появилась в химии в результате стремления человека обнаружить первоэлемент природы. Р. Бойль положил начало современному представлению о химическом элементе как о простом теле, пределе химического разложения вещества, переходящем без изменения из состава одного сложного тела в другое. Но еще целый век после этого химики делали ошибки в выделении химических элементов: сформулировав понятие химического элемента, ученые еще не знали ни одного из них.
Химические знания до определенного времени накапливались эмпирически, пока не назрела необходимость в их классификации и систематизации, т.е. в теоретическом обобщении. Основоположником системного освоения химических знаний явился Д. И. Менделеев. Попытки объединения химических элементов в группы предпринимались и ранее, однако не были найдены определяющие причины изменений свойств химических веществ. Д. И. Менделеев исходил из принципа, что любое точное знание представляет систему. Такой подход позволил ему в 1869 г. открыть периодический закон и разработать Периодическую систему химических элементов. В его системе основной характеристикой элементов являются атомные веса. Периодический закон Д. И. Менделеева сформулирован в следующем виде:
«Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов».
Это обобщение давало новые представления об элементах, но в силу того, что еще не было известно строение атома, физический смысл его был недоступен. В современном представлении этот периодический закон выглядит следующим образом:
«Свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атома (порядкового номера)».
Простейшим химическим элементом является водород (1H), состоящий из одного протона (ядра атома, имеющего положительный заряд) и одного электрона, имеющего отрицательный заряд.
Баланс взаимоотношений в атоме водорода, между протоном и электроном, можно описать тождеством
Если учесть отношение масс
то мы получим первое представление о балансе взаимоотношений между протонами и электронами в химических элементах.
2 Магическая матрица периодической системы химических элементов
Приводится следующая структура Периодической таблицы Д.И.Менделеева. Приводимая ниже информация приводится только для ознакомления и последующего осознания, что современные представления о тайнах Периодической системы химических элементов еще далеки от Истины.
Этот рисунок дает четкие представления о строго эволюционном формировании Периодической таблицы, в полном соответствии с законами сохранения симметрии. Все оболочки, подоболочки оказываются здесь строго взаимосвязаны и взаимообусловлены. Каждый химический элемент занимает в этом многомерном и многоуровневом "кубе" строго определенную эволюционную нишу.
В монографиях "Основы миологии", "Миология" были рассмотрены свойства магической матрицы, отражающей свойства подоболочек и оболочек Периодической системы химических элементов.
Из этой матрицы непосредственно видно
Количественный состав подоболочек и по горизонтали, и по вертикали матрицы одинаковы.
Группировки чисел, отражающие состав подоболочек Периодической системы характеризуют группировки этих подоболочек, разные по структуре. Но это так и должно быть, т.к. матрица является "отпечатком" пространственной структуры (монадного кристалла) на плоскость.
Главная диагональ матрицы является суммой всех чисел по горизонтали и по вертикали.
Эта магическая матрица химических элементов заслуживает самого пристального изучения.
Разве здесь не видно двойной спирали, в которой каждое число есть матрица строго определенной размерности?
Из этой матрицы, используя многомерные весы, можно непосредственно увидеть баланс взаимоотношений между подоболочками.
В этих матричных весах неукоснительно соблюдаются правила матричного умножения вектора-столбца на вектор-строку. Данные весы отражают баланс взаимоотношений между оболочками и подоболочками на восходящем участке эволюции химических элементов.
Здесь философским категориям восходящей и нисходящей спиралям нет места, ибо эти категории здесь имеют не философский, а чисто "химический" смысл. Теперь мы можем записать Периодическую систему в форме матричных тождеств, отражающих баланс взаимоотношений ее подоболочек и оболочек.
Нижеприведенный рисунок дает более полное представление о Периодической системе химических элементов.
Напомним, что здесь каждая клетка матрицы является двойственным числом, отражающим смысл взаимоотношения человека и общества. Этот рисунок более глубоко отражает сущность и собственно Периодической системы химических элементов, подтверждая справедливость высказывания: "В каждой самой элементарной частице содержится полная информация о всей вселенной".
Приведенные выше матричные тождества несут в себе самые сокровенные тайны не только химических элементов, но и вообще самых сокровенных тайн мироздания. Эти матричные тождества составлены в полном соответствии с законами сохранения симметрии.
Эта матрица несет в себе информацию не только о "проявленной" Периодической системе химических элементов, но и о ее "непроявленном", волновом "двойнике
Периодическая система химических элементов еще раз утверждает справедливость принципа корпускулярно-волнового дуализма, принцип единства "прерывного" и "непрерывного".
И сегодня наукой уже установлено, что у Периодической таблицы химических элементов (вещественных) есть двойник - Периодическая система химических элементов (волновых).
3 Современная картина химических знаний
Важнейшей особенностью основной проблемы химии является то, что она имеет всего четыре способа решения вопроса. Свойства вещества зависят от четырех факторов:
) от элементного и молекулярного состава вещества;
) от структуры молекул вещества;
) от термодинамических и кинетических условий, в которых вещество находится в процессе химической реакции;
) от уровня химической организации вещества.
Поскольку эти способы появлялись последовательно, мы можем в истории химии выделить четыре последовательно сменявших друг друга этапа ее развития. В то же время с каждым из названных способов решения основной проблемы химии связана своя концептуальная система знаний. Эти четыре концептуальных системы знания находятся в отношениях иерархии (субординации). В системе химии они являются подсистемами, так же как сама химия представляет собой подсистему всего естествознания в целом.
Современную картину химических знаний объясняют с позиций четырех концептуальных систем, которые схематично представлены на рис. I.
На рисунке показано последовательное появление новых, концепций в химической науке, которые опирались на предыдущие достижения, сохраняя в себе все необходимое для дальнейшего развития.
Даже невооруженным взглядом в этих этапах видна симметрия этапов.
В левой части тождества отношение отражает структурный аспект эволюции химии, правая часть тождества, напротив, отражает уже функциональный (процессы) аспект эволюции химии.
3.1 Первый уровень химического знания. Учение о составе вещества
Учение о составе веществ является первым уровнем химических знаний. До 20-30-х гг. XIX в. вся химия не выходила за пределы этого подхода. Но постепенно рамки состава (свойств) - стали тесны химии, и во второй половине XIX в. главенствующую роль в химии постепенно приобрело понятие «структура», ориентированное, что и отражено непосредственно в самом понятии, на структуру молекулы реагента.
Первый действенный способ решения проблемы происхождения свойств вещества появился в XVII в. в работах английского ученого Р. Бойля. Его исследования показали, что качества и свойства тел не имеют абсолютного характера и зависят от того, из каких химических элементов эти тела составлены. У Бойля наименьшими частичками вещества оказывались неосязаемые органами чувств мельчайшие частички (атомы), которые могли связываться друг с другом, образуя более крупные соединения - кластеры (по терминологии Бойля). В зависимости от объема и формы кластеров, от того, находились они в движении или покоились, зависели и свойства природных тел. Сегодня мы вместо термина «кластер» используем понятие «молекула».
В период с середины XVII в. до первой половины XIX в. учение о составе вещества представляло собой всю химию того времени. Оно существует и сегодня, представляя собой первую концептуальную систему химии. На этом уровне химического знания Ученые решали и решают три важнейшие проблемы: химического элемента, химического соединения и задачу создания новых материалов с вновь открытыми химическими элементами.
Химическим элементом называют все атомы, имеющие одинаковый заряд ядра. Особой разновидностью химических элементов являются изотопы, у которых ядра атомов отличаются числом нейтронов (поэтому у них разная атомная масса), но содержат одинаковое число протонов и поэтому занимают одно и тоже место в периодической системе элементов. Термин «изотоп» был введен в 1910 г. английским радиохимиком Ф. Содди. Различают стабильные (устойчивые) и нестабильные (радиоактивные) изотопы.
С момента открытия изотопов наибольший интерес вызвали радиоактивные изотопы, которые стали широко использоваться в атомной энергетике, приборостроении, медицине и т. д.
Первое научное определение химического элемента, когда еще не было открыто ни одного из них, сформулировал английский химик и физик Р. Бойль. Первым был открыт химический элемент фосфор в 1669 г., потом кобальт, никель и другие. Открытие французским химиком А. Л. Лавуазье кислорода и установление его роли в образовании различных химических соединений позволило отказаться от прежних представлений об «огненной материи» (флогистоне).
В Периодической системе Д.И. Менделеева насчитывалось 62 элемента, в 1930-е гг. она заканчивалась ураном. В 1999 г. было сообщено, что путем физического синтеза атомных ядер открыт 114-й элемент.
Концепция химических соединений. Долгое время химики эмпирическим путем определяли, что относится к химическим соединениям, а что - к простым телам или смесям. В начале XIX в. Ж. Пруст сформулировал закон постоянства состава, в соответствии с которым любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным, неизменным составом и тем самым отличается от смесей.
Теоретическое обоснование закона Пруста было дано Дж. Дальтоном в законе кратных отношений. Согласно этому закону состав любого вещества можно было представить как простую формулу, а эквивалентные составные части молекулы - атомы, обозначавшиеся соответствующими символами, - могли замещаться на другие атомы.
Химическое соединение - понятие более широкое, чем «сложное вещество», которое должно состоять из двух и более разных химических элементов. Химическое соединение может состоять и из одного элемента. Это О2, графит, алмаз и другие кристаллы без посторонних включений в их решетку в идеальном случае».
Дальнейшее развитие химии и изучение все большего числа соединений приводили химиков к мысли, что наряду с веществами, имеющими определенный состав, существуют еще и соединения переменного состава - бертоллиды. В результате были переосмыслены представления о молекуле в целом. Молекулой, как и прежде, продолжали называть наименьшую частичку вещества, способную определять его свойства и существовать самостоятельно. Но в XX в. была понята сущность химической связи, которая стала пониматься как вид взаимодействия между атомами и атомно-молекулярными частицами, обусловленный совместным использованием их электронов.
На этой концептуальной основе была разработана стройная атомно-молекулярная теория того времени, которая впоследствии оказалась не в состоянии объяснить многие экспериментальные факты конца XIX - начала XX вв. Картина прояснилась с открытием сложного строения атома, когда стали ясны причины связи атомов, взаимодействующих друг с другом. В частности, химические связи указывают на взаимодействие атомных электрических зарядов, носителями которых оказываются электроны и ядра атомов.
Существуют ковалентные, полярные, ионные и ионно-ковалентные химические связи, отличающиеся характером физического взаимодействия частиц между собой. Поэтому теперь под химическим соединением понимают определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет взаимодействия друг с другом объединены в частицу, обладающую устойчивой структурой: молекулу, комплекс, монокристалл или иной агрегат.
Осуществляют химические связи между атомами электроны, расположенные на внешней оболочке и связанные с ядром наименее прочно. Их назвали валентными электронами. В зависимости от характера взаимодействия между этими электронами различают ковалентную, ионную и металлическую химические связи.
Ковалентная связь осуществляется за счет образования электронных пар, в одинаковой мере принадлежащих обоим атомам.
Ионная связь представляет собой электростатическое притяжение между ионами, образованное за счет полного смещения электрической пары к одному из атомов.
Металлическая связь - это связь между положительными ионами в кристаллах атомов металлов, образующаяся за счет притяжения электронов, но перемещающаяся по кристаллу в свободном виде.
Химическая связь является таким взаимодействием, которое связывает отдельные атомы в более сложные образования, в молекулы, ионы, кристаллы, т.е. в те структурные уровни организации материи, которые изучает химическая наука. Химическую связь объясняют взаимодействием электрических полей, образующихся между электронами и ядрами атомов в процессе химических преобразований. Прочность химической связи зависит от энергии связи.
Основываясь на законах термодинамики, химия определяет возможность того или иного процесса, условия его осуществления, внутреннюю энергию. «Внутренняя энергия - это общий запас энергии системы, который складывается из энергии движения и взаимодействия молекул, энергии движения и взаимодействия ядер и электронов в атомах, в молекулах и т.п.».
2.3.2 Второй уровень химического знания
Многочисленные эксперименты по изучению свойств химических элементов в первой половине XIX в. привели ученых к убеждению, что свойства веществ и их качественное разнообразие обусловлены не только составом элементов, но и структурой их молекул. К этому времени в химическом производстве стала преобладать переработка огромных масс вещества растительного и животного происхождения. Их качественное разнообразие потрясающе велико - сотни тысяч химических соединений, состав которых крайне однообразен, так как они состоят из нескольких элементов-органогенов (углерода, водорода, кислорода, серы, азота, фосфора).
Наука считает, что только эти шесть элементов составляют основу живых систем, из-за чего они получили название органогенов. Весовая доля этих элементов в живом организме составляет 97,4%. Кроме того, в состав биологически важных компонентов живых систем входят еще 12 элементов: натрий, калий, кальций, магний, железо, цинк, кремний, алюминий, хлор, медь, кобальт, бор.
Особая роль отведена природой углероду. Этот элемент способен организовать связи с элементами, противостоящими друг другу, и удерживать их внутри себя. Атомы углерода образуют почти все типы химических связей. На основе шести органогенов и еще около 20 других элементов природа создала около 8 млн. различных химических соединений, обнаруженных к настоящему времени. 96% из них приходится на органические соединения.
Объяснение необычайно широкому разнообразию органических соединений при столь бедном элементном составе было найдено в явлениях изомерии и полимерии. Так было положено начало второму уровню развития химических знаний, который получил название структурной химии.
Структура - это устойчивая упорядоченность качественно неизменной системы (молекулы). Под данное определение подпадают все структуры, которые исследуются в химии: квантово-механические, основанные на понятиях валентности и химического сродства, и др.
Она стала более высоким уровнем по отношению к учению о составе вещества, включив его в себя. При этом химия из преимущественно аналитической науки превратилась в синтетическую. Главным достижением этого этапа развития химии стало установление связи между структурой молекул и реакционной способностью веществ.
Термин «структурная химия» условен. В нем подразумевается такой уровень химических знаний, при котором, комбинируя атомы различных химических элементов, можно создать структурные формулы любого химического соединения. Возникновение структурной химии означало, что появилась возможность для целенаправленного качественного преобразования веществ, для создания схемы синтеза любых химических соединений, в том числе и ранее неизвестных.
Основы структурной химии были заложены Дж. Дальтоном, который показал, что любое химическое вещество представляет собой совокупность молекул, состоящих из определенного количества атомов одного, двух или трех химических элементов. Затем И.-Я. Берцелиус выдвинул идею, что молекула представляет собой не простое нагромождение атомов, а определенную упорядоченную структуру атомов, связанных между собой электростатическими силами.
Важнейшим шагом в развитии структурной химии стало появление теории химического строения органических соединений русского химика A.M. Бутлерова, который считал, что образование молекул из атомов происходит за счет замыкания свободных единиц сродства, но при этом он указывал на то, с какой энергией (большей или меньшей) это сродство связывает вещества между собой. Иными словами, Бутлеров впервые в истории химии обратил внимание на энергетическую неравноценность разных химических связей. Эта теория позволила строить структурные формулы любого химического соединения, так как показывала взаимное влияние атомов в структуре молекулы, а через это объясняла химическую активность одних веществ и пассивность других.
В XX в. структурная химия получила дальнейшее развитие. В частности, было уточнено понятие структуры, под которой стали понимать устойчивую упорядоченность качественно неизменной системы. Также было введено понятие атомной структуры - устойчивой совокупности ядра и окружающих его электронов, находящихся в электромагнитном взаимодействии друг с другом, - и молекулярной структуры - сочетания ограниченного числа атомов, имеющих закономерное расположение в пространстве и связанных друг с другом химической связью с помощью валентных электронов.
Однако дальнейшее развитие химической науки и основанного на ее достижениях производства показали более точно возможности и пределы структурной химии.
Например, многие реакции органического синтеза на основе структурной химии давали очень низкие выходы необходимого продукта и большие отходы в виде побочных продуктов. Вследствие этого их нельзя было использовать в промышленном масштабе.
Структурная химия неорганических соединений ищет пути получения кристаллов для производства высокопрочных материалов с заданными свойствами, обладающих термостойкостью, сопротивлением агрессивной среде и другими качествами, предъявляемыми сегодняшним уровнем развития науки и техники. Решение этих вопросов наталкивается на различные препятствия. Выращивание, например, некоторых кристаллов требует исключения условий гравитации. Поэтому такие кристаллы выращивают в космосе, на орбитальных станциях.
3.3 Третий уровень химического знания. Учение о химических процессах
Учение о химических процессах - область науки, в которой осуществлена наиболее глубокая интеграция физики, химии и биологии. В основе этого учения находятся химическая термодинамика и кинетика, поэтому оно в равной степени принадлежит физике и химии. Одним из основоположников этого научного направления стал русский химик Н.Н. Семенов, основатель химической физики.
Учение о химических процессах базируется на идее, что способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется кроме всего прочего и условиями протекания химических реакций, которые могут оказывать воздействие на характер и результаты этих реакций.
Важнейшей задачей химиков становится умение управлять химическими процессами, добиваясь нужных результатов. В самом общем виде методы управления химическими процессами можно подразделить на термодинамические (влияют на смещение химического равновесия реакции) и кинетические (влияют на скорость протекания химической реакции).
Для управления химическими процессами разработаны термодинамический и кинетический методы.
Французский химик А. Лее Шателье в конце XIX в. сформулировал принцип подвижного равновесия, обеспечив химиков методами смещения равновесия в сторону образования целевых продуктов. Эти методы управления и получили название термодинамических. Каждая химическая реакция в принципе обратима, но на практике равновесие смещается в ту или иную сторону. Это зависит как от природы реагентов, так и от условий процесса.
Термодинамические методы преимущественно влияют на направление химических процессов, а не на их скорость.
Скоростью химических процессов управляет химическая кинетика, в которой изучается зависимость протекания химических процессов от строения исходных реагентов, их концентрации, наличия в реакторе катализаторов и других добавок, способов смешения реагентов, материала и конструкции реактора и т. п.
Химическая кинетика. Объясняет качественные и количественные изменения в химических процессах и выявляет механизм реакции. Реакции проходят, как правило, ряд последовательных стадий, которые составляют полную реакцию. Скорость реакции зависит от условий протекания и природы веществ, вступивших в нее. К ним относятся концентрация, температура и присутствие катализаторов. Описывая химическую реакцию, ученые скрупулезно отмечают все условия ее протекания, поскольку в других условиях и при иных физических состояниях веществ эффект будет разный.
Задача исследования химических реакций является очень сложной. Ведь практически все химические реакции представляют собой отнюдь не простое взаимодействие исходных реагентов, а сложные цепи последовательных стадий, где реагенты взаимодействуют не только друг с другом, но и со стенками реактора, могущими как катализировать (ускорять), так и ингибировать (замедлять) процесс.
Катализ - ускорение химической реакции в присутствии особых веществ - катализаторов, которые взаимодействуют с реагентами, но в реакции не расходуются и не входят в конечный состав продуктов. Он был открыт в 1812 г. российским химиком К. Г. С. Кирхгофом.
Сущность катализа сводится к следующему:
) активная молекула реагента достигается за счет их неполновалентного взаимодействия с веществом катализатора и состоит в расслаблении химических связей реагента;
) в общем случае любую каталитическую реакцию можно представить проходящей через промежуточный комплекс, в котором происходит перераспределение расслабленных (неполновалентных) химических связей.
Каталитические процессы различаются по своей физической и химической природе на следующие типы:
гетерогенный катализ - химическая реакция взаимодействия жидких или газообразных реагентов на поверхности твердого катализатора;
гомогенный катализ - химическая реакция в газовой смеси или в жидкости, где растворены катализатор и реагенты;
электрокатализ - реакция на поверхности электрода в контакте с раствором и под действием электрического тока;
фотокатализ - реакция на поверхности твердого тела или в жидком растворе, стимулируется энергией поглощенного излучения.
Применение катализаторов изменило всю химическую промышленность. Катализ необходим при производстве маргарина, многих пищевых продуктов, а также средств защиты растений. Почти вся промышленность основной химии (60-80 %) основаны на каталитических процессах. Химики не без основания говорят, что некаталитических процессов вообще не существует, поскольку все они протекают в реакторах, материал стенок которых служит своеобразным катализатором.
С участием катализаторов скорость некоторых реакций возрастает в 10 млрд раз. Есть катализаторы, позволяющие не просто контролировать состав конечного продукта, но и способствующие образованию молекул определенной формы, что сильно влияет на физические свойства продукта (твердость, пластичность).
В современных условиях одно из важнейших направлений развития учения о химических процессах - создание методов управления этими процессами. Поэтому сегодня химическая наука занимается разработкой таких проблем, как химия плазмы, радиационная химия, химия высоких давлений и температур.
Химия плазмы изучает химические процессы в низкотемпературной плазме при 1000-10 000 °С. Такие процессы характеризуются возбужденным состоянием частиц, столкновением молекул с заряженными частицами и очень высокими скоростями химических реакций. В плазмохимических процессах скорость перераспределения химических связей очень высока, поэтому они очень производительны.
Одним из самых молодых направлений в исследовании химических процессов является радиационная химия, которая зародилась во второй половине XX в. Предметом ее разработок - стали превращения самых разнообразных веществ под воздействием ионизирующих излучений. Источниками ионизирующего излучения служат рентгеновские установки, ускорители заряженных частиц, ядерные реакторы, радиоактивные изотопы. В результате радиационно-химических реакций вещества получают повышенную термостойкость и твердость.
Еще одна область развития учения о химических процессах - химия высоких и сверхвысоких давлений. Химические превращения веществ при давлениях выше 100 атм относятся к химии высоких давлений, а при давлениях выше 1000 атм - к химии сверхвысоких давлений.
При высоком давлении сближаются и деформируются электронные оболочки атомов, что ведет к повышению реакционной способности веществ. При давлении 102-103 атм исчезает различие между жидкой и газовой фазами, а при 103-105 атм - междутвердой и жидкой фазами. При высоком давлении сильно меняются физические и химические свойства вещества. Например, при давлении 20 000 атм. металл становится эластичным, как каучук.
Химические процессы представляют собой сложнейшее явление как в неживой, так и в живой природе. Эти процессы изучают химия, физика и биология. Перед химической наукой стоит принципиальная задача - научиться управлять химическими процессами. Дело в том, что некоторые процессы не удается осуществить, хотя в принципе они осуществимы, другие трудно остановить - реакции горения, взрывы, а часть из них трудноуправляема, поскольку они самопроизвольно создают массу побочных продуктов.
3.4 Четвертый уровень химического знания. Эволюционная химия
Эволюционная химия зародилась в 1950 - 1960 гг. В основе эволюционной химии лежат процессы биокатализа, ферментологии; ориентирована она главным образом на исследование молекулярного уровня живого, что основой живого является биокатализ, т.е. присутствие различных природных веществ в химической реакции, способных управлять ею, замедляя или ускоряя ее протекание. Эти катализаторы в живых системах определены самой природой, что и служит идеалом для многих химиков.
Идея концептуального представления о ведущей роли ферментов, биорегуляторов в процессе жизнедеятельности, предложенная французским естествоиспытателем Луи Пастером в ХIX веке, остается основополагающей и сегодня. Чрезвычайно плодотворным с этой точки зрения является исследование ферментов и раскрытие тонких механизмов их действия.
Ферменты- это белковые молекулы, синтезируемые живыми клетками. В каждой клетке имеются сотни различных ферментов. С их помощью осуществляются многочисленные химические реакции, которые благодаря каталитическому действию ферментов могут идти с большой скоростью при температурах, подходящих для данного организма, т.е. в пределах примерно от 5 до 40 градусов. Можно сказать, что ферменты - это биологические катализаторы.
В основе эволюционной химии принцип использования таких условий, которые приводят к самосовершенствованию катализаторов химических реакций, т. е. к самоорганизации химических систем.
В эволюционной химии существенное место отводится проблеме «самоорганизации» систем. Теория самоорганизации «отражает законы такого существования динамических систем, которое сопровождается их восхождением на все более высокие уровни сложности в системной упорядоченности, или материальной организации». В сущности, речь идет об использовании химического опыта живой природы. Это своеобразная биологизация химии. Химический реактор предстает как некое подобие живой системы, для которой характерны саморазвитие и определенные черты поведения. Так появилась эволюционная химия как высший уровень развития химического знания.
Под эволюционными проблемами понимают проблемы самопроизвольного синтеза новых химических соединений (без участия человека). Эти соединения являются более сложными и более высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами. Поэтому эволюционную химию заслуженно считают предбиологией, наукой о самоорганизации и саморазвитии химических систем.
До последней трети XX в. об эволюционной химии ничего не было известно. В отличие от биологов, которые вынуждены были использовать эволюционную теорию Дарвина для объяснения происхождения многочисленных видов растений и животных, химики не интересовались вопросом происхождения вещества, потому что получение любого нового химического соединения всегда было делом рук и разума человека.
Постепенное развитие науки XIX в., приведшее к раскрытию структуры атома и детальному познанию строения и состава клетки, открыло перед химиками и биологами практические возможности совместной работы над химическими проблемами учения о клетке. Для освоения опыта живой природы и реализации полученных знания в промышленности химики наметили ряд перспективных путей.
Во-первых ведутся исследования в области металлокомплексного катализа, который обогащается приемами, используемыми живыми организмами в реакциях с участием ферментов (биокатализаторов).
Во-вторых, ученые пытаются моделировать биокатализаторы. Уже удалось создать модели многих ферментов, которые извлекаются из живой клетки и используются в химических реакциях. Но проблема осложняется тем, что ферменты, устойчивые внутри клетки, вне нее быстро разрушаются.
В-третьих, развивается химия иммобилизованных систем, благодаря которой биокатализаторы стали стабильными, устойчивыми в химических реакциях, появилась возможность их многократного использования.
В-четвертых, химики пытаются освоить и использовать весь опыт живой природы. Это позволит ученым создать полные аналоги живых систем, в которых будут синтезироваться самые разнообразные вещества. Таким образом, будут созданы принципиально новые химические технологии.
Изучение процессов самоорганизации в химии привело к формированию двух подходов к анализу предбиологических систем: субстратного и функционального.
Результатом субстратного подхода стала информация об отборе химических элементов и структур.
Химикам важно понять, каким образом из минимума химических элементов (основу жизнедеятельности живых организмов составляют 38 химических элементов) и химических соединений (большинство образовано на основе 6-18 элементов) образовались сложнейшие биосистемы.
Функциональный подход в эволюционной химии. В рамках этого подхода также изучается роль катализа и выявляются законы, которым подчиняются процессы самоорганизации химических систем.
Роль каталитических процессов усиливалась по мере усложнения состава и структуры химических систем. Именно на этом основании некоторые ученые стали связывать химическую эволюцию с самоорганизацией и саморазвитием каталитических систем.
На основе этих наблюдений профессор МГУ А.П. Руденко выдвинул теорию саморазвития открытых каталитических систем. Очень скоро она была преобразована в общую теорию химической эволюции и биогенеза. В ней решены вопросы о движущих силах и механизмах эволюционного процесса, т. е. о законах химической эволюции, об отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, о высоте химической организации и иерархии химических систем как следствии эволюции.
Сущность этой теории состоит в том, что эволюционирующим веществом являются катализаторы, а не молекулы. При катализе идет реакция химического взаимодействия катализатора с реагентами с образованием при этом промежуточных комплексов со свойствами переходного состояния. Именно такой комплекс Руденко назвал элементарной каталитической системой. Если в ходе реакции идет постоянный приток извне новых реактивов, отвод готовой продукции, а также выполняются некоторые дополнительные условия, реакция может идти неограниченно долго, находясь на одном и том же стационарном уровне. Такие многократно возобновляемые комплексы являются элементарными открытыми каталитическими системами.
Саморазвитие, самоорганизация и самоусложнение каталитических систем происходят за счет постоянного притока трансформируемой энергии. А так как основным источником энергии является базисная реакция, то максимальное эволюционное преимущество получают каталитические системы, развивающиеся на базе экзотермических реакций. Таким образом, реакция является не только источником энергии, но и орудием отбора наиболее прогрессивных эволюционных изменений катализаторов.
Тем самым Руденко сформулировал основной закон химической эволюции, согласно которому с наибольшей скоростью и вероятностью реализуются те пути эволюционных изменений катализаторов, которые связаны с ростом их абсолютной каталитической активности. При этом по параметру абсолютной каталитической активности складываются механизмы конкуренции и естественного отбора.
Теория саморазвития каталитических систем дает следующие возможности: выявлять этапы химической эволюции и на этой основе классифицировать катализаторы по уровню их организации; использовать принципиально новый метод изучения катализа; дать конкретную характеристику пределов в химической эволюции и перехода от химогенеза (химического становления) к биогенезу, связанного с преодолением второго кинетического предела саморазвития каталитических систем.
Набирает теоретический и практический потенциал новейшее направление, расширяющее представление об эволюции химических систем, нестационарная кинетика.
Развитие химических знаний позволяет надеяться на разрешение многих проблем, которые встали перед человечеством в результате его наукоемкой и энергоемкой практической деятельности.
Химическая наука на ее высшем эволюционном уровне углубляет представления о мире. Концепции эволюционной химии, в том числе о химической эволюции на Земле, о самоорганизации и самосовершенствовании химических процессов, о переходе от химической эволюции к биогенезу, являются убедительным аргументом, подтверждающим научное понимание происхождения жизни во Вселенной.
Химическая эволюция на Земле создала все предпосылки для появления живого из неживой природы.
Жизнь во всем ее многообразии возникла на Земле самопроизвольно из неживой материи, она сохранилась и функционирует уже миллиарды лет.
Жизнь полностью зависит от сохранения соответствующих условий ее функционирования. А это во многом зависит от самого человека.
элемент ковалентный биорегулятор полярный
Список использованной литературы
1. Краткая химическая энциклопедия, гл. ред. И. Л. Кнунянц, т. 1-5, М., 1961-67;
Краткий справочник по химии, под ред. О. Д. Куриленко, 4 изд.. К., 1974;
Общая химия, Полинг Л., пер. с англ., М., 1974;
Современная общая химия, Кемпбел Дж., пер. с англ., [т.] 1-3, М., 1975.
Репетиторство
Нужна помощь по изучению какой-либы темы?
Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку
с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.
