ПРЕДИСЛОВИЕ
Химия относится к естественным наукам. Современное естествознание характеризуется объединением методов и идей различных наук, стиранием межнаучных границ, взаимоперекрыванием теорий и методов химии, физики, геологии, биологии и философии.
Не следует забывать, что представления, методы и применения различных наук взаимосвязаны и не являются принадлежностью лишь какой-нибудь одной из них. В этом отношении химия является центральной среди естественных наук, и не зависимо от того, какую из них предпочтут выбрать в качестве своей профессии студенты, они нуждаются, по крайней мере, в ознакомлении с основными законами и простейшими приложениями химии, чтобы полученные ими впоследствии специальные знания покоились на прочном фундаменте.
Современная химия представляет собой разветвленную область знаний о составе и строении веществ, о зависимости свойств веществ от их состава и строения, о влиянии условий на превращения и взаимодействия веществ и т. п.
На базе научных химических знаний создаются новые технологии, позволяющие получать из природного сырья принципиально новые вещества и материалы, не существующие в естественных природных условиях: металлы и сплавы, полупроводниковые и сверхпроводящие материалы, полимеры и растворители, лекарственные препараты, красители, средства бытовой химии и многие другие.
Каждый человек, независимо от его профессии – готовит ли он пищу или варит сталь, использует ли минеральные удобрения на своем садовом участке или производит аммиак для получения этих удобрений, заводит ли двигатель автомобиля или синтезирует различные присадки для улучшения или эксплуатационных свойств бензина, – так или иначе непосредственно использует химические вещества и их превращения. Недаром еще М. В. Ломоносов в «Слове о пользе химии», произнесенном им 6 сентября 1751 г. в Публичном собрании Академии наук, говорил: «Широко распростирает химия руки свои в дела человеческие… Куда ни посмотрим, куда ни оглянемся, везде обращаются пред очами нашими успехи ея прилежания».
Достижения химии огромны, но, как говорится, у всякой медали есть оборотная сторона. Новые технологии и новые синтезированные вещества и материалы не всегда безобидны для человека и окружающей среды.
Простые минеральные удобрения, инсектициды, гербициды, дефолианты и другие ядохимикаты, применяемые в сельском хозяйстве, загрязняют реки и озера. Вещества, содержащиеся в дыме из труб тепловых электростанций, цементных, металлургических и других заводов, в выхлопных газах автомобильного транспорта загрязняют атмосферный воздух. Многие полученные человеком полимеры и пластмассы устойчивы к действию воды и кислорода, не подвергаются действию микроорганизмов, поэтому медленно разрушаются в природных условиях и загрязняют окружающую среду. Увеличение в атмосфере количества техногенного углекислого газа и уменьшение (вследствие вырубок лесов и т. п.) фитомассы, перерабатывающей его, грозят нарушить сложившийся в природе круговорот углерода и вызвать серьезное изменение климата на планете.
Таким образом, хотя химия дает возможность получать все больше новых полезных материалов, неграмотное применение ее достижений приводит к возникновению множества экологических проблем.
Чтобы понимать все эти проблемы, разумно использовать блага, предоставляемые химизацией хозяйства, знать, чего надо остерегаться, – студенту, обучающемуся по направлению подготовки Экология и природопользование, как, впрочем, и вообще любому образованному человеку, необходимо понимать основы химической науки и стоящие перед ней проблемы.
В данном пособии излагаются основы общей химии – раздела, изучающего теоретические представления и концепции, составляющие фундамент всей системы химических знаний. В общей химии выделяют следующие основные теоретические направления.
1. Учение о направлении химических процессов.
2. Учение о скорости химических процессов.
3. Учение о строении вещества.
4. Учение о периодическом изменении свойств элементов и их соединений.
Кроме основных учений, в учебный курс химии включается раздел «Специальные вопросы химии». В него входят: основы геохимии и основы химического производства (для студентов-географов); основы химической экологии и основы биохимии (для студентов-биологов и экологов) и др.
Структура пособия
Условные обозначения
Определения понятий, формулировки законов
Сведения из истории химии
Дополнительный материал, материал для углубленного изучения.
Задания для самостоятельной работы
Как пользоваться пособием
Благодарности…
1. Введение
1.1. Предмет химии
С самых древних времен люди пытаются познавать Природу и свое место в ней. Важнейшую роль в этих поисках всегда играла наука. Со средних веков все науки делятся на точные (естественные) и изящные (гуманитарные, или, как шутят физики, неестественные). Предметом изучения первых являются законы развития материального мира, вторые исследуют законы развития и проявления человеческого Разума.
К основным естественным наукам относятся физика, химия и биология.
Различие между естественными науками состоит, главным образом, в уровне (масштабе) изучаемых явлений. В окружающем нас мире довольно условно можно выделить 4 уровня:
1. Астрономический – это уровень крупномасштабной организации Вселенной, включающей взаимодействия галактик, звездных скоплений, звезд и планет, вызванные, в первую очередь, гравитационным притяжением сверхмассивных тел. Масштаб астрономических явлений составляет от миллионов световых лет до миллионов километров.
2. Макроскопический – уровень процессов, происходящих на отдельном небесном теле. Примерами макроскопических явлений могут быть атмосферные вихри, эоловые процессы, выветривание, карстовые и суффозионные процессы, взаимодействия живых организмов в экосистемах и др. Масштаб макроскопических явлений соизмерим с масштабом деятельности человека и составляет от сотен тысяч километров до миллиметров.
3. Микроскопический – уровень атомно-молекулярных процессов, включающий взаимодействия и превращения атомов и молекул, движения атомных ядер и электронов. Масштаб микроскопических явлений – от сотых долей до нескольких сотен нанометров. Законы движения частиц на этом уровне определяются только электромагнитным взаимодействием.
4. Фундаментальный – уровень взаимодействий элементарных частиц (протонов, нейтронов и др.). Масштаб этих явлений – менее 10–15 м. Эти процессы включают электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия. Фундаментальным данный уровень называется потому, что современное состояние и будущее Вселенной зависят от взаимодействий на этом уровне в первые мгновения после Большого Взрыва, в результате которого образовалась наша Вселенная.
Процессы на сверхбольших и сверхмалых расстояниях изучают астрофизика и физика элементарных частиц. Изучением макроскопических процессов в живой природе занимается биология, в неживой – классическая физика. Явления, происходящие на микроскопическом уровне, – это основной предмет современной химии.
Химия – это наука, изучающая процессы превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и структуры.
Таким образом, главным объектом химии как науки являются вещества и их превращения.
Основными видами материи1 являются вещество и поле.
Вещество – вид материи, дискретные (элементарные) частицы которого имеют собственную массу, или массу покоя.
К элементарным частицам с конечной массой покоя относятся лептоны (электроны, позитроны, мюоны) и адроны – мезоны (- и К-мезоны), барионы (гипероны и нуклоны – протоны и нейтроны). Вещество в классическом понимании2 состоит из атомов, содержащих протоны, нейтроны и электроны. Из атомов образованы молекулы, ионы, радикалы и др. частицы вещества. Эта форма материи доминирует в Солнечной системе и в ближайших звездных системах.
В отличие от вещества,
поле – это вид материи, элементарные частицы которого не обладают массой покоя.
К элементарным частицам (квантам) полей относятся глюоны (для сильного поля), W- и Z-бозоны (для слабого), фотоны (для электромагнитного), гравитоны (пока гипотетические кванты гравитационного поля).
Поле и вещество находятся в неразрывной связи друг с другом. Так, частицы вещества связаны между собой при помощи поля, будь то поле ядерных сил (сильное поле), связывающее протоны и нейтроны в ядре, электромагнитное поле, притягивающее два магнита, поле тяготения.
В определении химии подчеркивается взаимосвязь химической и других форм движения материи. Движение есть способ существования материи, ее самое основное, коренное свойство, внутренне присущий ей атрибут. Материя без движения также немыслима, как и движение без материи. Специфика форм движения связана с природой материального носителя, которому она присуща. Специфика химической формы движения материи – изменение состава вещества. Химические процессы образования и разрушения веществ всегда сопровождаются изменением их состава и структуры. При этом разрываются, вновь возникают или перераспределяются химические связи между атомами, входящими в состав вещества.
Превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава, называются химическими реакциями.
Из школьного курса химии Вам известно, что химические реакции можно классифицировать по различным признакам.
1. По признаку выделения и поглощения теплоты различают экзо- и эндотермические реакции.
2. По признаку изменения числа и состава исходных и образующихся веществ: реакции разложения, соединения, замещения и обмена.
Химические реакции в органической химии классифицируют по конечному результату. Эта классификация аналогична классификации по признаку изменения числа и состава исходных и образующихся веществ в неорганической химии. Отличие состоит в том, что в неорганической химии учитывается конечный результат для всех исходных веществ, а в органической химии – только для органических веществ, конечный результат превращения неорганических веществ при этом не учитывается. Поэтому в органической химии реакции замещения и обмена объединены в общую группу реакций замещения.
По конечному результату все реакции органических веществ делятся на следующие типы:
– реакции замещения (в молекуле органического вещества атом или группа атомов замещается на другие атом или группу атомов);
– реакции присоединения (происходит присоединение к органическому веществу какой-либо молекулы);
– реакции отщепления или элиминирования (от органического вещества отщепляются какие-либо молекулы или частицы).
3. По признаку обратимости: необратимые и обратимые реакции.
4. По признаку изменения степени окисления атомов: электроностатические (без изменения степеней окисления) и электронодинамические (окислительно-восстановительные).
5. По способу воздействия на скорость реакции: каталитические, фотохимические реакции.
6. По виду частиц, участвующих в реакции: радикальные, ионные, атомно-молекулярные реакции.
В органической химии реакции классифицируют по характеру разрыва связей на радикальные (проходящие с гомолитическим разрывом старых связей и образованием в промежуточном состоянии радикалов) и ионные (проходящие с гетеролитическим разрывом старых связей и образованием в промежуточном состоянии ионов).
7. По числу фаз в системе: гомо- и гетерогенные реакции.
8. По признаку сохранения качественного состава веществ: аллотропия, изомеризация.
Приведите примеры реакций всех перечисленных выше типов.
Современная химия настолько разнообразна как по объектам, так и по методам их исследования, что многие ее разделы представляют собой самостоятельные науки.
Приведем примеры разделов химии:
– агрохимия изучает химические и биохимические процессы в почвах и растениях, разрабатывает оптимальные приемы использования удобрений, а также способы улучшения свойств почвы как среды обитания растений;
– аналитическая химия рассматривает принципы и методы качественного и количественного изучения химического состава вещества;
– биогеохимия изучает химический состав живых организмов, их участие в геохимических процессах;
– бионеорганическая химия изучает комплексы ионов металлов с белками, нуклеиновыми кислотами, липидами и низкомолекулярными природными веществами;
– биоорганическая химия изучает связь между строением органических веществ и их биологическими функциями, используя методы и приемы органической химии;
– биохимия изучает химический состав веществ, содержащихся в живых организмах, их структуру, свойства, места локализации, пути образования и превращения;
– геохимия изучает распространенность, распределение и законы миграции химических элементов в различных системах Земли;
– квантовая химия использует идеи и методы квантовой механики для исследования химических объектов и процессов;
– коллоидная химия изучает дисперсные системы и поверхностные явления, возникающие на границе раздела фаз;
– координационная химия изучает химические соединения, состоящие из центрального атома (или иона) и связанных с ним молекул или ионов – лигандов;
– космохимия изучает химический состав космических тел, законы распространенности и распределения элементов во Вселенной, нуклеосинтез и эволюцию изотопного состава элементов, сочетание и миграцию атомов при образовании космического вещества;
– криохимия изучает закономерности химических реакций при низких (в интервале 223–70 К) и сверхнизких (ниже 70 К) температурах;
– кристаллохимия изучает пространственное расположение и химические связи атомов в кристаллах, а также зависимость свойств кристаллических веществ от их строения;
– магнетохимия изучает взаимосвязь электронного, молекулярного и кристаллического строения вещества с его магнитными свойствами;
– математическая химия применяет математические методы для обработки химических закономерностей, поиска связей между строением и свойствами веществ, кодирования веществ по их молекулярной структуре, подсчета числа изомеров органических веществ;
– металлорганическая химия изучает органические производные металлов, содержащие связь углерод-металл;
– механохимия изучает химические и физико-химические превращения при механических воздействиях на вещество;
– нанохимия исследует свойства, строение и особенности химических превращений наночастиц;
– неорганическая химия изучает химические элементы и их соединения (кроме органических соединений);
– органическая химия – химия углерода и его соединений;
– пищевая химия изучает химический состав пищевых систем (сырье, полупродукты, готовые пищевые продукты), его изменения в ходе технологического потока под влиянием различных факторов (физических, химических, биохимических и т. д.), общие закономерности этих превращений; взаимосвязь структуры и свойств пищевых веществ, свойства и пищевую ценность продуктов питания;
– плазмохимия изучает химические процессы в низкотемпературной плазме и влияние этих процессов на свойства плазмы;
– радиационная химия изучает превращения веществ под действием ионизирующих излучений;
– радиохимия изучает химию радиоактивных веществ, законы их физико-химического поведения, химию ядерных превращений и сопутствующие им физико-химические процессы;
– фармацевтическая химия изучает способы получения лекарственных средств (синтетических и природных), их физические и химические свойства;
– физическая химия объясняет химические явления и устанавливает их общие закономерности на основе принципов физики и с использованием физических экспериментальных методов;
– фотохимия изучает химические превращения веществ под действием света;
– химическая технология – наука о наиболее экономичных методах и средствах массовой химической переработки сырых природных материалов в продукты потребления и промежуточные продукты, применяемые в различных отраслях материального производства;
– химия высокомолекулярных соединений исследует структуру, свойства и способы получения полимеров природного и синтетического происхождения, а также направленную модификацию полимеров с целью создания материалов с требуемыми свойствами;
– химия твердого тела изучает химические свойства и строение твердых тел, реакции в твердых телах, пути получения и практического использования различных типов твердых тел;
– экологическая химия рассматривает процессы, определяющие химический состав и свойства объектов окружающей среды;
– электрохимия изучает физико-химические свойства ионных систем (растворов, расплавов или твердых электролитов), а также явления, возникающие на границе двух фаз с участием заряженных частиц (ионов и электронов).
Из приведенных примеров видно, что многие крупнейшие разделы химии возникли на границах с другими науками.
Таким образом, современная химия самым тесным образом взаимодействует со всеми другими областями естествознания. «Чистой» химии, изолированной от других наук, сегодня уже не существует.