31
Химия и современное естествознание Краткие сведения о химии и химической технологии

Химия и современное естествознание

  • Upload
    gogzez

  • View
    44

  • Download
    2

Embed Size (px)

Citation preview

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 движенимя 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 элементар-ные частицы формируют атомы. Из атомов, в свою оче-редь, образуются молекулы.

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

• Вещества, с которыми имеет дело человек в своей повсе-дневной 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 (но-вые 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 де-ло 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 микро-скопических законов квантовой механики, которые харак-терны для микроскопического уровня.

Химия разработала свой язык (систему понятий) которая позволяет выразить очень сложные законы микроскопи-ческого 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 использо-

вали 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 проекти-

ровать 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 концеп-туальные ступени совре-менной химии.

• Исторически первая ступень – это учение о составе.

• Затем возникла структу-рная химия.

• Далее следует учение о химических процессах.

• Одно из новейших дости-жений – эволюционная химия.

• Что будет дальшемы не знаем.

?

Эволюцю

Учение о процессах

Структурная химия

Учение о составе

Пояснения к предыдущему слайду

• На схеме предыдущего слайда отражены только важ-нейшие 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 струк-турой – взаименым расположением атомов и молекул.

• Учение о химических процессах опирается на представ-ления того раздела физики, который называется термо-динамикой.

• 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 индивидуаль-ность 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 хи-

мическую 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 элек-тронов начинают перекры-ваться.

• 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 десятка-ми тысяч.

• Соответственно столь же велико и число различных веществ.

Одни и те же атомы могут образовывать разные молекулы.

• На верхнем рисунке спра-ва показано, что водород и кислород могут образо-вать 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 по-лимеры.

• 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 прош-лом семестре.

• Для напоминания справа схема части молекулы ДНК.

• Эта молекула представ-ляет из себя двухзаходную (двойную) спираль.

Основные представления структурной химии

• На рисунке справа дана схема расположения ато-мов в молекуле зеркаль-ного изомера.

• Мы говорили об этом в лекции, посвящённой симметрии.

• Такие молекулы простей-ший пример молекул, где свойста вещества зависят от расположения атомов в молекуле.

Пример процессов на структурном уровне химических явлений

• На рисунке справа мы вос-производим изменение структуры молекулы родо-псина при освещении.

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

• Именно эта реакция вы-зывает появление сигнала на окончании зрительного нерва.

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

Наука о свойствах материалов

• На основе изучения химичес-ких законов возникли науки, которые описывают свойства разных веществ (материалов).

• Это науки материаловедчес-кого цикла: металловедение, радиотехнические материалы, материалы электронной тех-ники, 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 располо-жением и средними рас-стояниями между молеку-лами.

• Газ занимает весь отведё-нный ему объем. Расстоя-ния между молекулами в нём очень велики.

• Объемы жидкости и твёр-дого тела не зависят от объема сосуда, в который они помещены. Это конлденсированные 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 фи-зикой.

• 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. кри-сталлическую решётку.

• В кристаллической решёт-ке атомы (молекулы,ионы) сидят в местах, которые называются узлами.

• Кристаллическая решётка• Обладает высокой сте-

пенью внутренней сим-метрии.

О внешней симметрии твёрдого тела

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

• Эта симметрия выража-ется 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 посто-янны – закон постоянства гранных углов (Гаюи).

Описание внешних форм кристаллов

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

• В создание соответствую-щих представлений боль-шой вклад внёс петербург-ский учёный Гпадолин, открывший элемент гадо-линий.

• Оснвную же теорию соз-дал 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 кри-

сталлов , а также его свойствами, это уже проблема химии.• Эта проблема составляет содержание науки кристалл-

охимия.• 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 сте-хиометрическое соотношение.

• Более того, в химическом соединении места атомов разно-го 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, имею-щих поверхностные границы, то мы имеем смесь.

Различные варианты расположения разных атомов в твёрдом теле

Жидкие растворы и смеси

• Жидкие растворы извест-ны нам очень хорошо – это, например, сахар в ста-кане чая.

• Известно много смесей типа твёрдых частиц в жидкости, например, сме-тана

• Чисто жидкие смеси явле-ние достаточно редкое.

• На рисунке справа: вверху процесс растворения, вни-зу немсешивающиеся жид-кости.

Практическое значение растворов и смесей

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

• Плавно изменяя соотношение числа атомов разных эле-ментов в растворах, можно целенаправленно и плавно из-менять свойства вещества, что очень важно для многих практических применений.

• Соотношения перемешиваемых частиц в смесях тоже яв-ляются 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.