3 Лекция: Химическая картина мира

Химия является высокоупорядоченной - постоянно развивающейся системой знаний о веществах, имеющей определенное социальное назначение и свое место в ряду других наук.

Все химические знания, приобретаемые за многие столетия, объединяет одна главная задача химии - задача получения веществ с необходимыми свойствами. Для ее реализации надо уметь из одних веществ производить другие и знать от чего зависят свойства, т.е. осуществлять качественное превращение веществ.

Эта проблема возникла в древности и не теряет своего значения в наши дни. Таким образом, вся история химии, все ее развитие является закономерным процессом смены способов решения ее основной проблемы.

Свойства веществ зависят от четырех факторов:

- от его элементного и молекулярного состава;

- от структуры его молекул;

- от термодинамических и кинетических условий, в которых вещества находятся в процессе химических реакций;

- от высоты химической организации вещества.

Поэтому основная проблема химии имеет только четыре общих способа решения:

на первом уровне с учетом одного фактора - изменения состава - учение о составе;

на втором уровне с учетом двух факторов - изменение состава и структуры – структурная химия;

на третьем уровне - с учетом многих факторов (состава, структуры, кинетических, термодинамических факторов) - учение о химических процессах;

на четвертом уровне - с учетом самоорганизации реакторной системы - эволюционная химия.

Строго последовательное закономерное появление четырех способов решения основной проблемы химии послужило причиной строгой упорядоченности построения системы химии, которую следует считать логикой этой науки.

Способ решения основной проблемы химии - проблемы происхождения свойств веществ - стал выражаться посредством схемы: СОСТАВ → СВОЙСТВА

Этот способ положил начало учению о составе веществ, которое явилось первым уровнем научных химических знаний.

Три главные проблемы решались на уровне учения о составе: проблема химического элемента; проблема химического соединения; проблема вовлечения все большего числа химических элементов в производство новых материалов.

Разделы химии

Раздел	Что изучает
Неорганическая химия	Химическую природу элементов и их соединений, за исключением большинства соединений углерода.
Органическая химия	Соединения, состоящие в основном из углерода и водорода.
Физическая химия включает: квантовую химию, электрохимию, химическую термодинамику, химическую кинетику, ядерную химию		Химические системы, используя физические методы изучения
Аналитическая химия	Вещества с целью получить представление об их химическом составе и структуре, в рамках этой дисциплины ведётся разработка экспериментальных методов химического анализа.
Коллоидная химия	Процессы и явления: адгезию, адсорбцию, смачивание, коагуляцию, электрофорез.

Развитие химии началось задолго до начала нашей эры. Самое древнее ее направление – металлургия. Именно тогда люди начали изучать превращения различных веществ при различных условиях и стали использовать химию для своих нужд. Сначала научились получать металлы (в первую очередь медь) и смешивать ее с оловом для получения бронзы. Позже было получено из руды и железо.

Поскольку химия в те давние времена была совершенно новым этапом развития знаний человечества, многие придавали науке различные невероятные качества. Так, в III-IV веках до нашей эры появилось новое направление химии – алхимия. В алхимическом опыте предполагалось участие мистических сил, средством обращения к которым было заклинание. Главными задачами алхимии были: управление духами, воскрешение из мертвого, создание искусственного одушевленного существа (гомункула), поиск «философского камня». Предполагалось, что «философский камень» ускорял «созревание» золота, исцелял болезни, давал бессмертие. В практической области средневековая химия имела несомненные достижения: открытие способов получения серной, соляной, азотной кислот, селитры, сплавов ртути с металлами, некоторых лекарственных веществ, создание химической посуды и др.

Алхимики были убеждены, что любое вещество можно превратить в любое другое вещество. Но постепенно вызревало представление о пределе взаимопревращения веществ, определяемом их составом. В основе научной химии лежит философская концепция атомизма, которая была сформулирована в античной философии Демокритом и Эпикуром. В средние века понятие атома исчезло из употребления, т.к. атомизм церковью был запрещен и преследовался. Суть атомизма заключается в понимании вещества как совокупности мельчайших, неделимых частиц – атомов. Все многообразие мира есть результат взаимодействия атомов.

После начала эпохи Возрождения развитие химии получило вторую жизнь. Она начала приобретать практическое применение во многих отраслях промышленности. Кроме металлургии, начали бурно развиваться стеклоделие, медицина, производство керамики и множество других видов деятельности. И в первой половине XVII века химия плавно переросла в отдельную науку.

Открытие большого числа новых химических элементов заставило задуматься об их систематизации. В 1869 г. великим русским ученым Д. И. Менделеевым была обнаружена взаимосвязь этих элементов, результатом чего стало появление периодической системы элементов. Результатом этого открытия стало появление многих законов химии, что дало резкий толчок развитию других направлений деятельности человечества.

Менделеев сформулировал следующий закон: свойства элементов находятся в периодической зависимости от величины их атомных весов. Позже было установлено: не от атомного веса, а от заряда ядра атома, т.к. атомный вес является средним арифметическим от масс изотопов. Изотопы – химические элементы, имеющие одинаковый заряд ядра, но отличающиеся по массе. Химический элемент – это вид атомов (совокупность изотопов) с одинаковым зарядом ядра.

Если раньше элементы открывались случайно, то Менделеев не только уточнил атомные веса ряда элементов, но и предсказал существование новых. В 1810 году было известно 18 химических элемента. Во времена Менделеева было известно 62 элемента. В 2010 году доказано существование 117 элементов. Вопрос о полном списке элементов остается открытым. В природе люди обнаружили 94 элемента. Они ничего с ними не делали. Только изучали их свойства и особенности. Большая часть из них была в первоначальной периодической таблице.

Другие 24 элемента были созданы в лабораториях. Всего получается 118 штук. Еще 8 элементов являются лишь гипотетическими вариантами. Их пытаются изобрести или получить. Так что на сегодняшний день и вариант с 118 элементами, и с 126 элементами можно смело называть (2017 г).

Следует отметить существование разных вариантов таблицы Менделеева, а также альтернативных ей систем элементов.

Вторая половина XX века ознаменовала новый виток развития химии. Быстрое развитие математики, электроники и появления в арсенале химиков точных измерительных приборов и компьютеров позволили вести расчеты, которые раньше были весьма затруднительны, а порой и невозможны. Моделирование химических процессов, обработка больших объемов данных, расчеты структур сложных веществ позволили ученым значительно расширить значимость химии. Удешевление исследований и экспериментов, а также повышение их точности позволило применить их и для менее наукоемких отраслей. Началось развитие коммерческой химии.

Фундаментальными основами современной химии стали квантовая механика, атомная физика, термодинамика, статистическая физика, физическая кинетика. Физическая химия, в ХХ веке изменившая парадигму химии, объяснила химические явления.

Основные объекты химии – атом и молекула. Атом - наименьшая частица химического элемента, являющаяся носителем его свойств, построен из субатомных частиц - протонов, нейтронов, электронов. Молекула – наименьшая частица вещества, обладающая его основными химическими свойствами. Физические методы открыли физическую природу химизма. С открытием строения атома стала ясна причина химической связи атомов друг с другом. Между атомами действуют электростатические силы – силы взаимодействия электрических зарядов электронов и ядер атомов.

Ионы - это положительно или отрицательно заряженные частицы, которые образуются из атомов в результате отдачи или принятия электронов. Если ион положительно заряжен, его называют катионом, если отрицательно - анионом.

Химическая связь – связь между атомами, приводящая к образованию молекул. В ее образовании главную роль играют валентные электроны, расположенные на внешней электронной оболочке атома. Различают три основных типа химической связи. Ковалентная связь осуществляется за счет образования электронных пар, в равной мере принадлежащих обоим атомам. Ионная связь представляет собой электростатическое притяжение между ионами. Металлическая связь образуется между положительными ионами в кристаллах металлов.

Простые вещества состоят из атомов одного вида, а сложные вещества (химические соединения) состоят из атомов разного вида и образуются при химическом взаимодействии атомов разных химических элементов.

В XX в. в свете общих эволюционных представлений в естествознании развивается новая наука – эволюционная химия, наука о самоорганизации и саморазвитии химических систем. В рамках эволюционной химии изучаются процессы самопроизвольного синтеза новых химических соединений, являющихся более сложными и высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами.

Основу живых систем составляют только 6 элементов, получивших название органогенов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера. Их общая весовая доля в организме составляет более 97 %. За ними следуют 11 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важных компонентов биосистем: натрий, калий, кальций, магний, железо, кремний, алюминий, хлор, медь, цинк, кобальт. Их весовая доля в организме – 1,6 %. Есть еще 20 элементов, участвующих в построении и функционировании отдельных специфических биосистем, доля которых составляет 1 %. Участие всех остальных элементов в построении биосистем практически не зафиксировано. И в абиотической среде есть свидетельства об отборе элементов. Более 99 % всех природных соединений содержат те же 17 элементов, на долю всех остальных приходится менее 1 % соединений.

Если говорить о химической картине мира в целом, учитывая как природные, так и синтетические продукты, то оказывается, что в настоящее время известно около 8 млн химических соединений. Из них 96 % – органические соединения, а на долю неорганических соединений (4 %) приходится всего около 300 тыс. простых и сложных веществ. Большую часть вещества во Вселенной составляют водород и гелий. Более тяжелые элементы существуют во Вселенной в очень малых количествах: например, наша звезда – Солнце – содержит не более 2 % тяжелых элементов.

Нанотехнологии

Название нового направления в науке возникло просто в результате добавления к общему понятию «технология» приставки «нано». «Нано», так же как и «милли», и «микро», – приставки к выражениям единиц линейных размеров. Например, 1 миллиметр (мм) означает одну тысячную долю метра (1 мм = 10^-3 м), 1 микрометр (другое название – микрон) составляет одну миллионную долю метра (1 мкм = 10^-6м), а 1 нанометр (нм) означает одну миллиардную долю метра (1 нм = 10^-9 м).

Для наглядности можно указать, что 1 нм составляет одну миллионную долю миллиметра (представим себе любой измеритель длины с делениями – линейки, рулетки, штангенциркули и т. п.), и если считается, что человеческий волос имеет в среднем диаметр 100 мкм, то 1 нм примерно в 100 тысяч раз меньше его толщины.

К нанотехнологиям принято относить процессы и объекты с характерной длиной от 1 до 100 нм. Верхняя граница нанообласти соответствует минимальным элементам в так называемых БИС (больших интегральных схемах), широко применяемым в полупроводниковой и компьютерной технике. Что касается нижней границы, то размером в 1 нм и около того обладают отдельно взятые молекулы; при этом интересно, что радиус знаменитой двойной спирали молекулы ДНК равен 1 нм, а многие вирусы имеют размер приблизительно 10 нм.

Для понятия «нанотехнология» не существует исчерпывающего определения, но по аналогии с существующими ныне микротехнологиями следует, что нанотехнологии, оперирующие величинами порядка нанометра, имеют дело с ничтожно малыми величинами, в сотни раз меньшими длины волны видимого света и сопоставимыми с размерами атомов. Поэтому переход от «микро» к «нано» – это уже не количественный, а качественный переход, скачок от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами. Квантовая физика XX в. при изучении объектов микромира оперировала в основном их математическими моделями. Теперь ученые могут оперировать объектами микромира непосредственно: искусственно создавать микрообъекты, перемещать их в пространстве, закреплять их на поверхности, то есть действовать так, как будто мы имеем дело с привычными нам макрообъектами.

Подводя итоги данного раздела, можно выделить в развитии химии как естественной науки четыре этапа, причем каждый новый возникал на основе предыдущего и включал его в себя в преобразованном виде.

1. Учение о составе вещества связано с исследованием различных свойств веществ в зависимости от их химического состава, понятием химического элемента и химического соединения.

2. Структурная химия – положение о том, что свойства веществ обусловливаются не только составом, но и структурой молекул.

3. Учение о химических процессах связано с исследованием механизмов и условий протекания химических процессов, с понятием о катализе.

4. Эволюционная химия изучает процессы самоорганизации химических систем с позиций представлений о всеобщем эволюционном процессе во Вселенной и отборе химических элементов.