В результате изучения данной главы студент должен: знать

• основные понятия и специфику химической картины мира;
• роль алхимии в становлении химии как науки;
• исторические этапы развития химии как науки;
• ведущие принципы учения о составе и структуре веществ;
• основные факторы протекания химических реакций и условия управления ими;
• основные принципы эволюционной химии и ее роль в объяснении биогенеза; уметь
• выявлять роль физики микромира для понимания оснований химической науки;
• проводить сравнительный анализ основных этапов развития химии;
• аргументировано показывать роль химии для объяснения структурных уровней системной организации материи;

владеть

• навыками приобретения и применения знаний для формирования химической картины мира;
• навыками использования понятийного аппарата химии для характеристики химических процессов.

Исторические этапы развития химической науки

Существует много определений химии, характеризующих ее как науку:

• о химических элементах и их соединениях;
• веществах, их составе и строении;
• процессах качественного превращения веществ;
• химических реакциях, а также о тех законах и закономерностях, которым эти реакции подчиняются.

Очевидно, каждое из них отражает лишь один из аспектов обширного химического знания, а сама химия выступает как высокоупорядоченная, постоянно развивающаяся система знаний. Приведем определение из классического учебника: «Химия - наука о превращениях веществ. Она изучает состав и строение веществ, зависимость свойств веществ от их состава и строения, условия и пути превращения одних веществ в другие» .

Химия - наука о превращениях веществ.

Важнейшая отличительная черта химии состоит в том, что она во многом самостоятельно формирует предмет исследования, создавая такие вещества, которых не было в природе. Как никакая другая наука, химия одновременно выступает и как наука, и как производство. Поскольку современная химия решает свои задачи на атомно-молекулярном уровне, она тесно связана с физикой, биологией, а также такими науками, как геология, минералогия и др. Пограничные области между этими науками изучает квантовая химия, химическая физика, физическая химия, геохимия, биохимия и др.

Более 200 лет назад великий М. В. Ломоносов выступил в публичном собрании Петербургской Академии наук. В докладе «Слово о пользе химии» читаем вещие строки: «Широко распростирает химия руки свои в дела человеческие... Куда ни посмотрим, куда ни оглянемся, везде обращаются перед очами нашими успехи ее прилежания» . Свое «прилежание» химия начала распростирать еще в Египте - передовой стране Древнего мира. Такие отрасли производства, как металлургия, керамика, изготовление стекла, крашение, парфюмерия, косметика достигли там значительного развития задолго до нашей эры.

Сравним название науки химии в разных языках:

Все эти слова содержат корень «хем» или «хим », что созвучно словам древнегреческого языка: «химос» или «хюмос» означало «сок». Это название встречается в рукописях, содержащих сведения по медицине и фармации.

Существуют и иные точки зрения. По Плутарху, термин «химия» происходит от одного из древних названий Египта - Хеми («черпая земля»). В первоначальном смысле этот термин означал «египетское искусство». Химия как наука о веществах и их взаимодействиях считалась в Египте божественной наукой и находилась целиком в руках жрецов.

Одна из древнейших ветвей химии - металлургия. За 4-3 тыс. лет до н.э. начали выплавлять медь из руд, а позже изготовлять сплав меди с оловом (бронзу). Во II тысячелетии до н.э. научились получать из руд железо сыродутным процессом. За 1600 лет до н.э. начали применять для крашения тканей природную краску индиго, а несколько позже - пурпур и ализарин, а также приготовлять уксус, лекарства из растительных материалов и другие продукты, выработка которых связана с химическими процессами.

На арабском Востоке в V-VI вв. появляется термин «алхимия» путем добавления к греко-египетскому «химия» частицы «ал-». Целью алхимиков было создание «философского камня», способного все неблагородные металлы превращать в золото. В основе лежал практический заказ: золото

в Европе было необходимо для развития торговли, а известных месторождений золота было мало.

Факт из истории науки

Наиболее древними обнаруженными химическими текстами ныне считаются древнеегипетский «Папирус Эберса» (по имени нашедшего его немецкого египтолога) - сборник рецептов изготовления лекарственных средств XVI в. до н.э., а также найденный в Мемфисе «папирус Бругша» с фармацевтическими рецептами (XIV в. до н.э.).

Предпосылки к становлению химии как самостоятельной научной дисциплины формировались постепенно в течение XVII - первой половине XVIII в. Вместе с тем, несмотря на многообразие эмпирического материала, в этой науке вплоть до открытия в 1869 г. периодической системы химических элементов Д. И. Менделеевым (1834-1907) не было той обобщающей теории, с помощью которой можно было бы дать объяснение накопленному фактическому материалу.

Попытки периодизации химических знаний предпринимались еще в XIX в. По мнению немецкого ученого Г. Коппа - автора четырехтомной монографии «История химии» (1843-1847), развитие химии проходило под влиянием определенной руководящей идеи. Он выделял пять этапов:

• эпоха накопления эмпирических знаний без попыток их теоретического объяснения (с древнейших времен до IV в. н.э.);
• алхимический период (IV - начало XVI в.);
• период ятрохимии, т.е. «химии врачевания» (вторая четверть XVI - середина XVII в.);
• период создания и господства первой химической теории - теории флогистона (середина XVII - третья четверть XVIII в.);
• период количественных исследований (последняя четверть XVIII - 1840-е гг.) 1 .

Однако по современным представлениям, эта классификация относится к тем этапам, когда химическая наука еще не конституировалась как системное теоретическое знание.

Отечественные историки химии выделяют четыре концептуальных уровня, в основе которого лежит способ решения центральной проблемы химии как науки и как производства (рис. 13.1) .

Первый концептуальный уровень - учение о строении химического вещества. На этом уровне проходило исследование различных свойств и превращений веществ в зависимости от их химического состава.

Рис. 13.1.

Нетрудно увидеть аналогию этой концепции с физической концепцией атомизма. Как физики, так и химики стремились найти ту первоначальную основу, с помощью которой можно было бы объяснить свойства всех простых и сложных веществ. Сформулирована эта концепция была довольно поздно - в 1860 г., на первом Международном съезде химиков в Карлсруэ в Германии. Ученые-химики исходили из того, что все вещества состоят из молекулу а все молекулы , в свою очередь, состоят из атомов. И атомы, и молекулы находятся в непрерывном движении, при этом атомы - мельчайшие, а далее - неделимые части молекул 1 .

Значение Съезда ясно выразил Д. И. Менделеев: «Приняв различие атома и частицы (так называли молекулу - Г. О.), химики всех стран приняли начало унитарной системы; теперь было бы большой непоследовательностью, признав начало, не признать его следствий» .

Второй концептуальный уровень - исследование структуры химических веществ, выявление конкретного способа взаимодействия элементов в составе конкретных химических веществ. Было установлено, что свойства веществ зависят не только от составляющих их химических элементов, но и от взаимосвязи и взаимодействия этих элементов в ходе химической реакции. Так, алмаз и уголь обладают различными свойствами именно вследствие различия структур, хотя их химический состав сходен.

Третий концептуальный уровень химии порожден потребностями повышения производительности химических производств и исследует внутренние механизмы и внешние условия протекания химических процессов: температуру, давление, скорость протекания реакций и др.

Четвертый концептуальный уровень - уровень эволюционной химии. На этом уровне более глубоко изучается природа реагентов, участвующих в химических реакциях, специфика действия катализаторов, значительно ускоряющих скорость их протекания. Именно на этом уровне осмысливается процесс происхождения живой материи из материи косной.

• Глинка II. Л. Общая химия. 2б-е изд. Л.: Химия: Ленинградское отделение, 1987. С. 13.
• Цит. по: Колтун М. Мир химии. М.: Детская литература, 1988. С. 7.
• Менделеев Д. И. Соч. в 25 т. Л. - М.: Изд-во АП СССР, 1949. Т. 15. С. 171-172.

Весь окружающий нас многообразный мир – это материя , которая проявляется в двух формах: вещества и поля . Вещество состоит из частиц, имеющих собственную массу. Поле – такая форма существования материи, которая характеризуется энергией.

Свойством материи является движение . Формы движения материи изучаются различными естественными науками: физикой, химией, биологией и т.д.

Не следует считать, что существует однозначное строгое соответствие между науками с одной стороны, и формами движения материи с другой. Необходимо иметь в виду, что вообще нет такой формы движения материи, которая существовала бы в чистом виде, отдельно от других форм. Все это подчеркивает трудность классификации наук.

Химию можно определить как науку, изучающую химическую форму движения материи, под которой понимают качественное изменение веществ: Химия изучает строение, свойства и превращения веществ.

К химическим явлениям относят такие явления, при которых одни вещества превращаются в другие. Химические явления называют иначе химическими реакциями. Физические явления не сопровождаются превращением одних веществ в другие.

В основе каждой науки лежит некоторый набор предварительных убеждений, фундаментальных философских установок и ответов на вопрос о природе реальности и человеческого знания. Этот набор убеждений, ценностей, разделяемых членами данного научного сообщества называется парадигмами.

Основные парадигмы современной химии:

1. Атомно-молекулярное строение вещества

2. Закон сохранения материи

3. Электронная природа химической связи

4. Однозначная связь строения вещества и его химических свойств (периодический закон)

Химия, физика, биология только на первый взгляд могут показаться далекими друг от друга науками. Хотя лаборатории физика, химика и биолога очень непохожи, все эти исследователи имеют дело с природными (естественными) объектами. Это отличает естественные науки от математики, истории, экономики и многих других наук, изучающих то, что создано не природой, а прежде всего самим человеком.

Близко к естественным наукам примыкает экология. Не следует думать, будто экология - это "хорошая" химия, в отличие от классической "плохой" химии, которая загрязняет окружающую среду. Нет "плохой" химии или "плохой" ядерной физики - есть научный и технический прогресс или его недостаток в какой-нибудь области деятельности. Задача эколога - использовать новые достижения естественных наук для того, чтобы при максимальной выгоде свести к минимуму риск нарушения среды обитания живых существ. Баланс "риск-выгода" является предметом изучения экологов.

Между естественными науками нет строгих границ. Например, открытие и изучение свойств новых видов атомов когда-то было принято считать задачей химиков. Однако получилось так, что из известных на сегодняшний день видов атомов часть открыта химиками, а часть - физиками. Это лишь один из многих примеров "открытых границ" между физикой и химией.

Жизнь является сложной цепью химических превращений. Все живые организмы поглощают из окружающей среды одни вещества и выделяют другие. Значит, серьезному биологу (ботанику, зоологу, врачу) не обойтись без знания химии.

Позже мы убедимся в том, что нет совершенно точной границы между превращениями физическими и химическими. Природа едина, поэтому мы всегда должны помнить о том, что невозможно разобраться в устройстве окружающего нас мира, углубившись только в одну из областей человеческого знания.

Дисциплина "Химия" связана с другими естественнонаучными дисциплинами межпредметными связями: предшествующими – с математикой, физикой, биологией, геологией и другими дисциплинами.

Современная химия – это разветвленная система многих наук: неорганической, органической, физической, аналитической химии, электрохимии, биохимии, которые осваиваются студентами на последующих курсах.

Знание курса химии необходимо для успешного изучения других общенаучных и специальных дисциплин.

Рисунок 1.2.1 – Место химии в системе естественных наук

Совершенствование методов исследования, прежде всего экспериментальной техники, привело к разделению науки на все более узкие направления. В результате количество и «качество», т.е. надежность информации возросли. Однако невозможность для одного человека обладать полными знаниями даже для смежных научных областей породила новые проблемы. Как в военной стратегии самые слабые места обороны и наступления оказываются на стыке фронтов, в науке наименее разработанными остаются области, не поддающиеся однозначной классификации. Среди прочих причин можно отметить и сложность с получением соответствующей квалификационной ступени (ученой степени) для ученых, работающих в областях «стыка наук». Но там же делаются и основные открытия современности.

Химия как наука

Химия - наука, изучающая строение веществ и их превращения, сопровождающиеся изменением состава и(или) строения. Перед современной химией стоят три главные задачи:

• во-первых, основополагающим направлением развития химии является исследование строения вещества, развитие теории строения и свойств молекул и материалов. Важно установление связи между строением и разнообразными свойствами веществ и на этой основе построение теорий реакционной способности вещества, кинетики и механизма химических реакций и каталитических явлений. Осуществление химических превращений в том или ином направлении определяется составом и строением молекул, ионов, радикалов, других короткоживущих образований. Знание этого позволяет находить способы получения новых продуктов, обладающих качественно или количественно иными свойствами, чем имеющиеся.
• во-вторых - осуществление направленного синтеза новых веществ с заданными свойствами. Здесь также важно найти новые реакции и катализаторы для более эффективного сушествления синтеза уже известных и имеющих промышленное значение соединений.
• в-третьих - анализ. Эта традиционная задача химии приобрела особое значение. Оно связано как с увеличением числа химических объектов и изучаемых свойств, так и с необходимостью определения и уменьшения последствий воздействия человека на природу.

Химические свойства веществ определяются главным образом состоянием внешних электронных оболочек атомов и молекул, образующих вещества; состояния ядер и внутренних электронов в химических процессах почти не изменяются. Объектом химических исследований являются элементы химические и их комбинации, т.е. атомы, простые (одноэлементные) и сложные (молекулы, ионы, ион-радикалы, карбеиы, свободные радикалы) химические соединения, их объединения (ассоциаты, кластеры, сольваты, клатраты и т.п.), материалы и др.

Современная химия достигла такого уровня развития, что существует целый ряд ее специальных разделов, являющихся самостоятельными науками. В зависимости от атомарной природы изучаемого вещества, типов химических связей между атомами различают неорганическую, органическую и элементоорганическую химии. Объектом неорганической химии являются все химические элементы и их соединения, другие вещества на их основе. Органическая химия изучает свойства обширного класса соединений, обрадованных посредством химических связей углерода с углеродом и другими органогенными элементами: водородом, азотом, кислородом, серой, хлором, бромом и йодом. Элементоорганическая химия находится на стыке неорганической и органической химии. Эта «третья» химия относится к соединениям, включающим химические связи углерода с остальными элементами периодической системы, не являющимися органогенами. Молекулярная структура, степень агрегации (объединения) атомов в составе молекул и крупных молекул - макромолекул привносят свои характерные особенности в химическую форму движения материи. Поэтому существуют химия высокомолекулярных соединений, кристаллохимия, геохимия, биохимия и другие науки. Они изучают крупные объединения атомов и гигантские полимерные образования различной природы. Везде центральным вопросом для химии является вопрос о химических свойствах. Предметом изучения являются также физические, физико-химические и биохимические свойства веществ. Поэтому не только интенсивно разрабатываются собственные методы, но и привлекаются к изучению веществ другие науки. Так важными составными частями химии являются физическая химия и химическая физика, исследующие химические объекты, процессы и сопровождающие их явления с помощью расчетного аппарата физики и физических экспериментальных методов. Сегодня эти науки объединяют целый ряд других: квантовая химия, химическая термодинамика (термохимия), химическая кинетика, электрохимия, фотохимия, химия высоких энергий, компьютерная химия и др. Только перечень фундаментальных наук химического направления уже говорит об исключительном разнообразии проявления химической формы движения материи и влиянии ее на нашу повседневную жизнь. Существует множество направлений развития прикладной химии, призванной решать конкретные задачи практической деятельности человека. Химическая наука достигла такого уровня развития, что стала порождать новые производства и технологии.

Химия как система знания

Химия как система знания о веществах и их превращениях содержится в запасе фактов - надежно установленных и проверенных сведений о химических элементах и соединениях, их реакциях и поведении в природных и искусственных, средах. Критерии надежности фактов и способы их систематизации постоянно развиваются. Крупные обобщения, надежно связывающие большие совокупности фактов, становятся научными законами, формулировка которых открывает новые этапы химии (например, законы сохранения массы и энергии, законы Дальтона, периодический закон Менделеева). Теории, используя специфические понятия, объясняют и прогнозируют факты более частной предметной области. По сути, опытное знание становится фактом только тогда, когда получает теоретическое толкование. Так, первая химическая теория - теория флогистона, будучи неверной, способствовала становлению химии, т.к. соединяла факты в систему и позволяла формулировать новые вопросы. Структурная теория (Бутлеров, Кекуле) упорядочила и объяснила огромный материал органической химии и обусловила быстрое развитие химического синтеза и исследования структуры органических соединений.

Химия как знание - система очень динамичная. Эволюционное накопление знаний прерывается революциями - глубокой перестройкой системы фактов, теорий и методов, с возникновением нового набора понятий или даже нового стиля мышления. Так, революцию вызвали труды Лавуазье (материалистическая теория окисления, внедрение количеств, методов эксперимента, разработка химической номенклатуры), открытие периодического закона Менделеева, создание в начале 20 века новых аналитичесских методов (микроанализ, хроматография). Революцией можно считать и появление новых областей, вырабатывающих новое видение предмета химии и влияющих на все ее области (например, возникновение физической химии на базе химической термодинамики и химической кинетики).

Химия как учебная дисциплина

Химия является общетеоретической дисциплиной. Она призвана дать студентам современное научное представление о веществе как одном из видов движущейся материи, о путях, механизмах и способах превращения одних веществ в другие. Знание основных химических законов, владение техникой химических расчетов, понимание возможностей, предоставляемых химией с помощью других специалистов, работающих в отдельных и узких ее областях, значительно ускоряют получение нужного результата в различных сферах инженерной и научной деятельности. Химия знакомит будущего специалиста с конкретными проявлениями вещества, дает возможность с помощью лабораторного эксперимента «почувствовать» вещество, узнать его новые виды и свойства. Особенностью химии как дисциплины для студентов нехимических специальностей является то, что в небольшом по объему курсе необходимо иметь сведения практически из всех отраслей химии, оформившихся как самостоятельные науки и изучаемые химиками и химиками-технологами в специальных дисциплинах. Кроме того, разнообразие интересов представителей разных специальностей часто приводит к созданию специализированных курсов химии. При всех положительных сторонах такой ориентации существует и серьезный ее недостаток - сужается мировоззрение специалиста, уменьшается свобода его ориентации в свойствах вещества и методах его получения и применения. Поэтому курс химии для будущих специалистов не в области химии и химической технологии должен быть достаточно широк и, в необходимой мере, основателен, чтобы дать целостное представление о возможностях химии как науки, как отрасли промышленности, как основы для научно-технического прогресса. Теоретические основы для понимания многообразной и сложной картины химических явлений закладывает общая химия. Химия элементов вводит в конкретный мир веществ, образуемых химическими элементами. Современному инженеру, не имеющему специальной химической подготовки, необходимо разбираться в свойствах различных видов материалов, составов и соединений. Нередко, в той или иной мере, ему приходится иметь дело с топливами, маслами, смазками, моющими средствами, вяжущими, керамическими, конструкционными, электротехническими материалами, волокнами, тканями, биологическими объектами, минеральными удобрениями и многим другим. Другие курсы не всегда могут дать первичное представление об этом. Необходимо восполнять этот пробел. Данный раздел относится к наиболее динамично меняющейся части химии и, конечно, достаточно быстро устаревает. Поэтому, своевременный и тщательный отбор материала здесь является крайне необходимым для регулярного обновления дисциплины. Все это и ведет к целесообразности введения в курсе химии для студентов нехимических специальностей отдельного раздела прикладной химии.

Химия как социальная система

Химия как социальная система - крупнейшая часть всего сообщества ученых. На формирование химика как типа ученого оказали влияние особенности объекта его науки и способа деятельности (химического эксперимента). Трудности математической формализации объекта (по сравнению с физикой) и в то же время многообразие чувственных проявлений (запах, цвет, биологическая и другая активность) с самого начала ограничивали господство механицизма в мышлении химика и оставляли значит, поле для интуиции и артистизма. Кроме того, химик всегда применял инструмент немеханическоц природы - огонь. С другой стороны, в отличие от устойчивых, данных природой объектов биолога, мир химика обладает неисчерпаемым и быстро нарастающим многообразием. Неустранимая таинственность нового веществава придала мироощущению химика ответственность и осторожность (как социальный тип химик консервативен). Химическая лаборатория выработала жесткий механизм «естественного отбора», отторжения самонадеянных и склонных к ошибкам людей. Это придает своеобразие не только стилю мышления, но и духовно-нравственной организации химика.

Сообщество химиков состоит из людей, профессионально занимающихся химией и относящих самих себя к этой области. Примерно половина из них работает, однако, в других областях, обеспечивая их химическими знанием. Кроме того, к ним примыкает множество ученых и технологов - в большой мере химиков, хотя уже и не относящих себя к химикам (освоение навыков и умений химика учеными других областей затруднено из-за указанных выше особенностей предмета).

Как и любое другое сплоченное сообщество, химики имеют свой профессиональный язык, систему воспроизводства кадров, систему коммуникаций [журналы, конгрессы и т.д.], свою историю, свои культурные нормы и стиль поведения.

Химия как отрасль промышленности

Современный уровень жизни человечества просто невозможен без продуктов и методов химии. Они в решающей мере определяют современное лицо окружающего нас мира. Продуктов химии требуется так много, что в развитых странах существуют химические отрасли промышленности. Химическая отрасль - одна из важнейших отраслей промышленности и в нашей стране. Производимые ею химические соединения, различные композиции и материалы применяются повсюду: в машиностроении, металлургии, сельском хозяйстве, строительстве, электротехнической и электронной промышленности, связи, транспорте, космической технике, медицине, быту, и др. Только для изготовления пищевых продуктов применяется около тысячи различных химических соединений, а всего для практических нужд промышленностью выпускается более миллиона веществ. От химии во многом зависит экономическое благосостояние и обороноспособность страны. Поэтому, чтобы не сдерживать развитие других отраслей промышленности, своевременно предоставлять им новые соединения и материалы с требуемым набором свойств, химическая наука и химическая промышленность должны развиваться опережающими темпами, расширяя ассортимент продуктов, повышая их качество и увеличивая объемы выпуска. В нашей стране существуют:

• неорганические производства основной химии, выпускающие кислоты, щелочи, соли и другие соединения, удобрения;
• нефтехимические производства: получение топлива, масел, растворителей, мономеров органической химии (углеводородов, спиртов, альдегидов, кислот), разнообразых полимеров и материалов на их основе, синтетического каучука, химических волокон, препаратов для защиты растений, кормов и добавок к кормам, товаров бытовой химии;
• малая химия, когда объемы выпускаемой продукции невелики, но ассортимент ее очень широк. К такой продукции относятся вспомогательные вещества для производства полимерных материалов (катализаторы, стабилизаторы, пластификаторы, антипирены), красители, лекарственные препараты, дезинфицирующие средства и другие препараты санитарии и гигиены, средства химизации сельского хозяйства - гербициды, инсектициды, фунгициды, дефолианты и др.

Главными направлениями развития современной химической промышленности являются: производство новых соединений и материалов и повышение эффективности существующих производств. Для этого важно найти новые реакции и катализаторы, выяснить механизмы протекающих процессов. Это определяет химический подход при решении инженерных задач повышения эффективности производства. Типичной чертой химической промышленности является сравнительно небольшое количество работающих и высокие требования к их квалификации, причем относительное количество специалистов-химиков невелико, а больше представителей других специальностей (механиков, теплоэнергетиков, специалистов по автоматизации производства и др.). Характерны крупные размеры энерго- и водопотребления, высокие экологические требованиям к производству. В нехимических отраслях многие технологические операции связаны с подготовкой и очисткой сырья и материалов, окраской, склеиванием, и другими химическими процессами.

Химия - основа научно-технического прогресса

Соединения, составы и материалы, создаваемые химией, играют важнейшую роль для повышения производительности труда, снижения энергетических затрат на производство необходимой продукции, освоения новых технологий и техники. Примеров успешного влияния химии на методы машиностроительной технологии, приемы эксплуатации машин и аппаратов, развитие электронной промышленности, космической техники и реактивной авиации и многих других направлений научно-технического прогресса множество:

• внедрение химических и электрохимических методов обработки металлов резко снижает количество отходов, неизбежных при обработке металлов резанием. При этом снимаются ограничения по прочности и твердости металлов и сплавов, форме детали, достигаются высокая чистота поверхности и точность размеров деталей.
• такие материалы как синтетический графит (который при высоких температурах более прочен, чем металлы), корундовая (на основе оксида алюминия) и кварцевая (на основе диоксида кремния) керамики, синтетические полимерные материалы, стекла могут проявлять уникальные свойства.
• закристаллизованные стекла (ситаллы) получают введением в расплавленное стекло веществ, способствующих возникновению центров кристаллизации и последующему росту кристаллов. Такой ситалл как «пирокерам» в девять раз прочнее прокатанного стекла, тверже высокоуглеродистой стали, легче алюминия и по термостойкости близок к кварцу.
• современные смазочные материалы позволяют существенно снизить коэффициент трения и повысить износостойкость материалов. Применение масел и смазок, содержащих дисульфид молибдена, увеличивает срок эксплуатации узлов и деталей автомобиля в 1,5 раза, отдельных частей - до двух раз, а коэффициент трения при этом удается снизить более, чем в 5 раз.
• элементоорганические вещества - полиорганосилоксаны отличаются гибкостью и спиралеобразной структурой молекул, образующих клубки по мере понижения температуры. Таким образом они сохраняют незначительно меняющуюся вязкость в широком диапазоне температур. Это позволяет их использовать в качестве гидравлической жидкости в самых разнообразных условиях.
• защита металлов от коррозии приобрела целенаправленность действия после создания электрохимической теории коррозии и позволяет избежать значительных экономических затрат на возобновление изделий из металлов.

В настоящее время перед химией совместно с другими науками, техникой и промышленностью стоит много актуальных и сложных задач. Синтез и практическое применение подходящих высокотемпературных и, далее, горячих сверхпроводников позволит существенно изменить способы хранения и передачи энергии. Необходимы новые материалы, среди которых выделяются материалы на основе металлов, полимеры, керамика и композиты. Так проблема создания экологически чистого двигателя, в основе которого лежит реакция сгорания водорода в кислороде, заключается в создании материалов или процессов, препятствующих проникновению водорода через стенки резервуаров-аккумуляторов водорода. Создание новых химических технологий - также важное направление научно-технического прогресса. Так, стоит задача обеспечения новыми видами жидкого и газообразного топлива, получаемого при переработке угля, сланцев, торфа, древесины. Это возможно на основе новых каталитических процессов.

Химия – это естественная наука. Как и другие естественные науки она изучает определенную сторону природы и природных явлений. В отличие от других естественных наук, химия уделяет пристальное внимание веществу. Веществом является, например, вода, какой-либо металл, соль, определенный белок.

Многие объекты, которые нас окружают, состоят не из одного, а из множества веществ. Например, живой организм состоит из воды, белков, жиров, углеводов и ряда других веществ. Даже однородные по внешнему виду вещества, могут представлять собой смеси различных веществ (например, растворы).

Наука химия на протяжении истории позволила не только изучить строение и свойства веществ, но и получить новые вещества, которых раньше в природе не было. Это, например, различные пластмассы, органические вещества.

Химия как и математика имеет свой формальный язык. Взаимодействия веществ здесь принято выражать через определенную запись химических реакций, а сами вещества записывать в виде формул.

Химия позволяет объяснить многие изменения в природе. Главный вопрос, на который отвечает химия, – почему одни вещества превращаются в другие?

Химия – наука о превращениях веществ, связанных с изменением электронного окружения атомных ядер. В данном определении необходимо дополнительно уточнить термины «вещество» и «наука».

Согласно Химической энциклопедии:

Вещество – вид материи, которая обладает массой покоя. Состоит из элементарных частиц: электронов, протонов, нейтронов, мезонов и др. Химия изучает главным образом вещество, организованное в атомы, молекулы, ионы и радикалы. Такие вещества принято подразделять на простые и сложные (хим. соединения). Простые вещества образованы атомами одного хим. элемента и потому являются формой его существования в свободном состоянии, например, сера, железо, озон, алмаз. Сложные вещества образованы разными элементами и могут иметь состав постоянный.

В трактовке термина «наука» существует множество разногласий. Здесь вполне приложимо высказывание Рене Декарта (1596-1650): «Определите значение слов, и вы избавите человечество от половины его заблуждений». Наукой принято называть сферу человеческой деятельности, функцией которой является выработка и теоретическая схематизация объективных знаний о действительности; отрасль культуры, которая существовала не во все времена и не у всех народов. Канадский философ Уильям Хетчер определяет современную науку, как «способ познания реального мира, включающего в себя как ощущаемую органами чувств человека реальность, так и реальность невидимую, способ познания, основанный на построении проверяемых моделей этой реальности». Такое определение близко к пониманию науки академиком В.И.Вернадским, английским математиком А.Уайтхедом, другими известными учеными.

В научных моделях мира обычно выделяются три уровня, которые в конкретной дисциплине могут быть представлены в различном соотношении:

* эмпирический материал (экспериментальные данные);

* идеализированные образы (физические модели);

*математическое описание (формулы и уравнения).

Наглядно-модельное рассмотрение мира неизбежно ведет к приблизительности любой модели. А.Эйнштейн (1879-1955) говорил «Пока математические законы описывают действительность, они неопределенны, а когда они перестают быть неопределенными, они теряют связь с действительностью».

Химия относится к числу естественных наук, изучающих окружающий нас мир со всем богатством его форм и многообразием происходящих в нем явлений. Специфику естественнонаучного знания можно определить тремя признаками: истинность, интерсубъективность и системность. Истинность научных истин определяется принципом достаточного основания: всякая истинная мысль должна быть обоснована другими мыслями, истинность которых доказана. Интерсубъективность означает, что каждый исследователь должен получать одинаковые результаты при изучении одного и того же объекта в одних и тех же условиях. Системность научного знания подразумевает его строгую индуктивно-дедуктивную структуру.

Химия – это наука о превращениях веществ. Она изучает состав и строение веществ, зависимость свойств веществ от их состава и строения, условия и пути превращения одних веществ в другие. Химические изменения всегда связаны с изменениями физическими. Поэтому химия тесно связана с физикой. Химия также связана с биологией, поскольку биологические процессы сопровождаются непрерывными химическими превращениями.

Совершенствование методов исследования, прежде всего экспериментальной техники, привело к разделению науки на все более узкие направления. В результате количество и «качество», т.е. надежность информации возросли. Однако невозможность для одного человека обладать полными знаниями даже для смежных научных областей породила новые проблемы. Как в военной стратегии самые слабые места обороны и наступления оказываются на стыках фронтов, в науке наименее разработанными остаются области, не поддающиеся однозначной классификации. Среди прочих причин можно отметить и сложность с получением соответствующей квалификационной ступени (ученой степени) для ученых, работающих в областях «стыка наук». Но там же делаются и основные открытия современности.

В современной жизни, особенно в производственной деятельности человека, химия играет исключительно важную роль. Нет почти ни одной отрасли производства, не связанной с применением химии. Природа дает нам лишь исходное сырье – дерево, руду, нефть и др. Подвергая природные материалы химической переработке, получают различные вещества, необходимые для сельского хозяйства, промышленного производства, медицины, быта – удобрения, металлы, пластические массы, лаки, краски, лекарственные вещества, мыло и т.д. Для переработки природного сырья необходимо знать законы превращения веществ, а эти знания дает химия. Развитие химической промышленности – одно из важнейших условий технического прогресса.

Химические системы

Объект изучения в химии – химическая система . Химическая система – это совокупность веществ, находящихся во взаимодействии и мысленно или фактически обособленно от окружающей среды. Примерами системы могут служить совершенно разные объекты.

Простейшим носителем химических свойств служит атом – система, состоящая из ядра и движущихся вокруг него электронов. В результате химического взаимодействия атомов образуются молекулы (радикалы, ионы, атомные кристаллы) –системы, состоящие из нескольких ядер, в общем поле которых движутся электроны. Макросистемы состоят из совокупности большого количества молекул – растворы различных солей, смесь газов над поверхностью катализатора в химической реакции и т.д.

В зависимости от характера взаимодействия системы с окружающей средой различают открытые, закрытые и изолированные системы. Открытой системой называется система, способная обмениваться с окружающей средой энергией и массой. Например, при смешении в открытом сосуде соды с раствором соляной кислоты протекает реакция:

Na 2 CO 3 + 2HCl → 2NaCl + CO 2 + H 2 O.

Масса этой системы уменьшается (улетучивается углекислый газ и частично пары воды), часть выделившейся теплоты тратится на нагрев окружающего воздуха.

Закрытой называется система, которая может обмениваться с окружающей средой только энергией. Рассмотренная выше система, находящаяся в закрытом сосуде, будет примером закрытой системы. В этом случае обмен массой невозможен и масса системы остается постоянной, но теплота реакции через стенки пробирки передается окружающей среде.

Изолированной системой называется система постоянного объема, в которой не происходит обмена с окружающей средой ни массой, ни энергией. Понятие изолированной системы является абстрактным, т.к. на практике абсолютно изолированной системы не существует.

Отдельная часть системы, ограниченная от других хотя бы одной поверхностью раздела, называется фазой . Например, система, состоящая из воды, льда и пара, включает три фазы и две поверхности раздела (рис. 1.1). Фаза может быть механически отделена от других фаз системы.

Рис.1.1 – Многофазная система.

Не всегда фаза на всем протяжении одинаковые физические свойства и однородный химический состав. Примером может служить атмосфера земли. В нижних слоях атмосфера концентрация газов выше, выше и температура воздуха, в верхних же слоях происходит разрежение воздуха и понижение температуры. Т.е. однородность химического состава и физических свойств на протяжении всей фазы в данном случае не соблюдается. Также фаза может быть прерывной, например, кусочки льда, плавающие на поверхности воды, туман, дым, пена – двухфазные системы, в которых одна фаза является прерывной.

Система, состоящая из веществ, находящихся в одной фазе, называется гомогенной . Система, состоящая из веществ в разных фазах и имеющая хотя бы одну границу раздела, называется гетерогенной .

Вещества, из которых состоит химическая система – компоненты. Компонент может быть выделен из системы и существовать вне ее. Например, известно, что при растворении хлорида натрия в воде он распадается на ионы Na + и Cl – , однако эти ионы не могут считаться компонентами системы – раствора соли в воде, т.к. они не могут быть выделены из данного раствора и существовать по отдельности. Компонентами будут вода и хлорид натрия.

Состояние системы определяется ее параметрами. Параметра могут быть заданы как на молекулярном уровне (координаты, количество движения каждой из молекул, валентные углы и пр.), так и на макроуровне (например, давление, температура).

Строение атома.

Похожая информация.