Upload
gogzez
View
44
Download
2
Embed Size (px)
Citation preview
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.
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.
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.