Химия и современное естествознание

Краткие сведения о химии и химической технологии

Химия в общей иерархии естественных наук

Ещё на первой лекции мы говорили о том, что Вселенная условно может быть разделена на три большие области

Микромир Макромир Мегамир

Наука химия изучает то состояние и объекты материи, которые лежат на грани соприкосновения макромира и микромира.

Иными словами химическая форма движения материи частично описывается законами макромира, а частично законами микромира.

В то же самое время химия не охватывает полностью явления ни макромира, ни микромира.

Атомно-молекулярный уровень организации материи

На определённом этапе эволюции Вселенной элементарные частицы формируют атомы. Из атомов, в свою очередь, образуются молекулы.

Химия изучает различные превращения, в которых атомы и молекулы выступают в качестве действующих объектов.

Вещества, с которыми имеет дело человек в своей повседневной жизни, состоят из «неделимых» атомов и молекул.

Таким образом химия изучает различные изменения веществ в окружающей нас жизни.

Для нас, главным образом, химия является теоретической базой, которая позволяет создавать новые вещества (новые комбинации атомов и молекул) и менять их свойства за счёт структуры и различных добавок.

Это значит, что химия является теоретической базой разных технологий.

Сколько частиц принимает участие в обычных химических процессах

На химическом уровне организации материи мы имеем дело с большим числом атомов и молекул.

Именно благодаря их большому числу микроскопические законы, характерные для микромира, проявляются на макроуровне.

Так например, базовое химическое понятие валентность является отражением на макроскопическом уровне микроскопических законов квантовой механики, которые характерны для микроскопического уровня.

Химия разработала свой язык (систему понятий) которая позволяет выразить очень сложные законы микроскопического уровня в удобной и эффективной форме.

О связи химии с другими науками

Традиционно химия связана с физикой и биологией.

Связана она и с другими науками. Вспомним, что на прошлых лекциях мы

широко использовали термин геохимия. Химия, как база технологий, позволяет

получать новые вещества. Именно этим она, в первую очередь важна для человеческой практики.

С другой стороны химия исследует свойства различных веществ.

Д.И. Менделеев подчёркивал, что особенностью химии является то, что она сама создаёт объекты для своих исследований.

Что можно считать основной задачей химии

Всякая наука решает множество задач. Среди этих задач есть наиболее важные и

главные задачи, которые связаны с решением всех основных вопросов, которые стоят перед соответствующей наукой.

Для химии, как науки занимающейся созданием новых материалов, основным является вопрос о прогнозировании их свойств и объяснение того, как и почему эти свойства возникают.

Это называют словом генезис. Зная то, как возникают свойства вещества,

можно проектировать методы его получения, то есть технологию.

Таким образом, основная задача химической науки состоит в понимании генезиса свойств вещества и построении на основе этого знания методов его получения.

Химия стремится научиться получать вещества с заданными свойствами.

Несколько слов об истории формирования химических знаний и представлений

Химия начала выделяться в отдельную науку в XVII веке.

Большой вклад в формирование современной химической науки внёс английский учёный Джон Дальтон, о котором мы говорили на прошлой лекции.

По мере развития химии постепенно менялись подходы этой науки к решению задач. При этом возникали новые задачи, а ряд старых задач формулировался заново.

За прошедшие с XVII века годы в химии последовательно возникло четыре подхода к разрешению стоявших перед ней вопросов.

В соответствии с этим принято говорить о том, что в основе химии лежат четыре концептуальных подхода.

Основные концептуальные ступени современной химии

На рисунке справа даны четыре основные концептуальные ступени современной химии.

Исторически первая ступень это учение о составе.

Затем возникла структурная химия.

Далее следует учение о химических процессах.

Одно из новейших достижений – эволюционная химия.

Что будет дальше мы не знаем.

Пояснения к предыдущему слайду

На схеме предыдущего слайда отражены только важнейшие и концептуальные ступени химии.

Ряд очень существенных разделов, таких как геохимия, биохимия, пищевая химия на схеме не отражены.

Первая ступень отражает то, что основные свойства вещества связаны с его составом.

Вторая ступень учитывает то, что ряд важных свойств вещества связан не только с его составом. Но и со структурой – взаимным расположением атомов и молекул.

Учение о химических процессах опирается на представления того раздела физики, который называется термодинамикой.

О химических процессах на эволюционной ступени мы уже не раз говорили в предыдущих лекциях.

Подробнее об учении о составе

Учение о составе начинается с самого простого - с учения об элементе.

Основные характеристики всех элементов отражены в таблице Менделеева.

Вы знаете, что химических элементов относительно не много – немногим более 100.

Структурной единицей элемента является атом.

Химическая индивидуальность элемента определяется электрическим зарядом его ядра.

Немного об атоме

На рисунке справа самый простой из известных атомов – атом водорода.

Положительный заряд Q ядра принято записывать в единицах заряда электрона – e.

Q=+Ze Целое число Z

называется атомным номером.

Именно Z определяет химическую природу атома и его место в периодической системе.

Периодичность изменения свойств атомов

Число электронов, вращающихся вокруг ядра, равно его заряду Z.

Электроны расположены слоями. Валентность атома определяется, прежде

всего числом электронов во внешней оболочке.

Это число определяется законами квантовой механики.

Оно меняется периодически и тем самым определяет периодичность свойств атомов.

Образование молекул

При сближении атомов орбиты их внешних электронов начинают перекрываться.

Электроны обобщаются и возникает химическая связь.

На снимке справа схема образования молекулы водорода из двух атомов.

Возможность образования связи зависит от взаимной ориентации собственных моментов вращения электронов.

Молекулы и новые вещества

Число атомов в молекуле может быть разным. На снимке справа одна из важнейших

трёхатомных молекул- молекула воды. Количество всевозможных молекул очень

велико. Оно исчисляется десятками тысяч. Соответственно столь же велико и число

различных веществ.

Одни и те же атомы могут образовывать разные молекулы.

На верхнем рисунке справа показано, что водород и кислород могут образовать две молекулы: воду и перекись водорода.

На нижнем рисунке показано, что углерод и кислород тоже могут образовывать разные молекулы.

Углерод характерен тем. что с такими атомами, как водород Н и кислород О он может образовывать очень много молекул.

Органические вещества

Молекулы из большого числа атомов характерны для органических веществ.

Они часто вытраиваются в длинные цепи, образуя полимеры.

Органические молекулы образуются на основе атомов углерода – C.

Относительно недавно стали получать длинные молекулы на основе атомов аналога углерода – атомов кремния Si.

Они называются кремний-полимерами.

Белковые молекулы

Огромные многоатомные молекулы белков – основа жизни.

Мы о них говорили в прошлом семестре.

Для напоминания справа схема части молекулы ДНК.

Эта молекула представляет из себя двухзаходную (двойную) спираль.

Основные представления структурной химии

На рисунке справа дана схема расположения атомов в молекуле зеркального изомера.

Мы говорили об этом в лекции, посвящённой симметрии.

Такие молекулы простейший пример молекул, где свойства вещества зависят от расположения атомов в молекуле.

Пример процессов на структурном уровне химических явлений

На рисунке справа мы воспроизводим изменение структуры молекулы родопсина при освещении.

О роли этого изменения мы говор ли в лекции посвящённой органам чувств.

Именно эта реакция вызывает появление сигнала на окончании зрительного нерва.

Набор атомов в молекуле не меняется – изменяется их взаимное расположение.

Наука о свойствах материалов

На основе изучения химических законов возникли науки, которые описывают свойства разных веществ (материалов).

Это науки материаловедческого цикла: металловедение, радиотехнические материалы, материалы электронной техники, ядерные материалы и т.д.

Все эти науки опираются на химию, а в части описания свойств материалов и на физику.

Основные агрегатные состояния вещества

У каждого вещества есть три основные агрегатные состояния: газообразное, жидкое и твёрдое.

Они отличаются расположением и средними расстояниями между молекулами.

Газ занимает весь отведённый ему объем. Расстояния между молекулами в нём очень велики.

Объемы жидкости и твёрдого тела не зависят от объема сосуда, в который они помещены. Это конденсированные состояния.

О числе агрегатных состояний

Три упомянутые на предыдущем слайде состояния основные.

Мы их наблюдаем при комнатных температурах. При очень высоких давлениях и высоких

температурах у вещества появляются и другие агрегатные состояния, прежде всего плазма.

Эти агрегатные состояния изучаются уже не химией, а физикой.

Одно и то же агрегатное состояние вещества может иметь несколько особых однородных областей – фаз.

Каждая фаза имеет поверхность, которая отделяет её от остального пространства (других фаз).

Учение о фазах – это важнейшая часть материаловедения и технологии.

Твёрдое тело

Атомы или молекулы в твёрдом теле занимают строго определённые места.

Они образуют т.н. кристаллическую решётку.

В кристаллической решётке атомы (молекулы,ионы) сидят в местах, которые называются узлами.

Кристаллическая решётка

Обладает высокой степенью внутренней симметрии.

О внешней симметрии твёрдого тела

Внутренняя симметрия кристаллической решётки проявляется и во внешних формах твёрдого тела.

Эта симметрия выражается в наличии особых плоскостей – граней, и линий их пересечения – ребер.

Грани образуют т.н. гранные углы. У одного и того же вещества гранные углы

всегда постоянны – закон постоянства гранных углов (Гаюи).

Описание внешних форм кристаллов

Все возможные внешние формы кристаллов могут быть описаны при помощи строгих математических законов.

В создание соответствующих представлений большой вклад внёс петербургский учёный Гпадолин, открывший элемент гадолиний.

Основную же теорию создал петербургский учёный Е.С. Фёдоров.

Изучение свойств кристаллов с точки зрения химии

Кристаллы очень интересный объект. Они широко используются в технике.

Внешний облик кристаллов изучается наукой, называемой кристаллография.

Свойства кристаллов изучаются также в науке, которая называется физика твёрдого тела.

Обе эти науки относятся к физике. Однако, связь химических связей атомов с

обликом кристаллов , а также его свойствами, это уже проблема химии.

Эта проблема составляет содержание науки кристаллохимия.

В область интереса химии входит и технология получения кристаллов с заданными свойствами.

В твёрдом теле существует несколько видов химической связи между соседними атомами

Химические соединения, растворы и смеси

Атомы разных элементов могут группироваться в пространстве по разному.

Самое простой случай для понимания – это химическое соединение.

В химическом соединении отношение числа атомов разных элементов друг к другу строго фиксированы. Это т.н. стехиометрическое соотношение.

Более того, в химическом соединении места атомов разного сорта строго фиксированы.

Если атомы одного элемента входят в окружение атомов другого элемента в произвольном соотношении и расположены в среде этих атомов хаотически, то мы имеем дело с раствором.

Если атомы разного сорта расположены в областях, имеющих поверхностные границы, то мы имеем смесь.

Различные варианты расположения разных атомов в твёрдом теле

Жидкие растворы и смеси

Жидкие растворы известны нам очень хорошо – это, например, сахар в стакане чая.

Известно много смесей типа твёрдых частиц в жидкости, например, сметана

Чисто жидкие смеси явление достаточно редкое.

На рисунке справа: вверху процесс растворения, внизу несмешивающиеся жидкости.

Практическое значение растворов и смесей

Наличие растворов и смесей резко увеличивает количество материалов, которые используются человеком.

Плавно изменяя соотношение числа атомов разных элементов в растворах, можно целенаправленно и плавно изменять свойства вещества, что очень важно для многих практических применений.

Соотношения перемешиваемых частиц в смесях тоже являются очень важным приёмом управления свойствами материала.

Растворы и смеси встречаются в нашей жизни на каждом шагу. Это и пищевые продукты, и асфальт, и различные строительные и конструкционные материалы.

Изучение и получение материалов такого типа и является содержание огромного количества химических практик.

Физика изучает как происходит, а химия как сделать.