Химия как наука, ее предмет и проблемы

 

Важнейшим разделом современного естествознания является химия. Она играет большую роль в решении следующих проблем:

· Синтез новых веществ и композиций, необходимых для решения технических задач будущего;

· Увеличение эффективности искусственных удобрений для повышения уровня урожайности сельскохозяйственной продукции;

· Синтез продуктов питания из несельскохозяйственного сырья;

· Разработку и создание новых источников энергии;

· Охрану окружающей среды;

· Выяснение механизма важнейших биохимических процессов и их реализация в искусственных условиях;

· Освоение огромных океанических источников сырья.

Химия – это во-первых, наукой о химических элементах и их соединениях; во-вторых, наукой о веществах и их превращениях; в-третьих, наукой о процессах качественного превращения веществ.

Закон сохранения массы сформулирован М.В. Ломоносовым в 1748 году и А. Лавуазье в 1777 году: масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.

В 1801 году Ж. Пруст установил закон постоянства состава: каждое химически чистое соединение независимо от способа его получения имеет вполне определенный состав.

Закон эквивалентов был сформулирован В. Рихтером в 1794 году: во всех химических реакциях взаимодействие различных веществ друг с другом происходит в соответствии с их эквивалентами, независимо от того, являются ли эти вещества простыми или сложными.

В 1803 году Д. Дальтон открыл закон кратких отношений: два элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то на одну и ту же массу одного из них приходятся такие массы другого, которые соотносятся между собой как простые целые числа.

Используя открытый им закон кратных отношений, закон эквивалентов и закон постоянства состава, Д. Дальтон создал новую версию атомистической теории. В ней атом из отвлеченной модели превратился в конкретное химическое понятие.

В серьезном противоречии с выводами атомистики Д. Дальтона оказался открытый Ж. Гей-Люссаком (в 1805 г.) закон объемных отношений, согласно которому объемы вступающих в реакцию газов относятся друг к другу, а также к объему получающихся газообразных продуктов как простые целые числа. Для объяснения наблюдавшихся закономерностей соединения газов оказалось необходимым предположить, что любые газы, в том числе и простые, состоят не из атомов, а молекул. В равных объемах различных газов при одинаковой температуре и давлении содержится одинаковое число молекул. Это положение, высказанное в 1811 году А. Авогадро, вошло в химию как закон Авогадро

В сентябре 1860 года на I Международном съезде химиков в Германии, в г. Карлсруэ были окончательно приняты основные положения атомно-молекулярного учения:

· Все вещества состоят из атомов.

· Атомы каждого вида (элемента) одинаковы между собой, но отличаются от атомов другого вида (элемента).

· При взаимодействии атомов образуются молекулы: гомоядерные (при взаимодействии атомов одного элемента) или гетероядерные (при взаимодействии атомов разных элементов).

· При физических явлениях молекулы сохраняются, а при химических – разрушаются. При химических реакциях атомы в отличие от молекул сохраняются.

· Химические реакции заключаются в образовании новых веществ из тех же самых, из которых состоят первоначальные вещества.

Дальнейшее развитие атомно-молекулярного учения стало возможным благодаря открытию Д.И. Менделеева в 1869 году периодического закона химических элементов и создания его табличного выражения – периодической системы. Оказалось, что периодичность изменения свойств химических элементов и их соединений, связаны с повторяющейся структурой электронных оболочек их атомов.

Основные термины и определения:

Атом – система взаимодействующих элементарных частиц, состоящая из ядра и электронов.

Молекула – нейтральная по заряду наименьшая совокупность атомов, обладающая определенной структурой и способностью к самостоятельному существованию.

Валентность – количественная характеристика, показывающая число взаимодействующих между собой атомов в образовавшейся молекуле.

Катализатор – вещество, влияющее на скорость химической реакции.

Катализ – ускорение химической реакции, благодаря присутствию специального вещества.

Ингибирование – замедление химической реакции, благодаря присутствию специального вещества.

Органогены – химические элементы, участвующие в создании и жизнедеятельности организмов.

Химическая связь – это взаимодействие, связывающее отдельные атомы в молекулы, ионы, кристаллы.

Химическая кинетика – описание и объяснение химических процессов.

Химия должна ответить на вопрос, от чего зависят свойства вещества. Исторически сформировались четыре способа решения этого вопроса. Свойства вещества зависят

1) от его элементного и молекулярного состава (1660 гг.)

2) от структуры его молекул – структурная химия (1880 гг.)

3) от термодинамических и кинетических условий, в которых вещество находится в процессе химической реакции (1950 гг.)

4) от уровня химической организации вещества – эволюционная химия(1970 гг.).

В 1860 г. А.М. Бутлеровым была создана химическая теория строения вещества, которая положила начало структурной химии. Стало ясно, что свойства веществ и их качественное разнообразие обусловлены не только составом, но и структурой молекул. Появилось понятие «реакционная способность», в него включались представления о химической активности отдельных элементов молекулы – атомов, атомных групп и даже отдельных химических связей.

В 60-70-е годы ХХ в. возник четвертый способ решения главного вопроса химии. Он открыл путь использования в производстве материалов самые высокоорганизованные химические системы, которые возможны в настоящее время. В основе этого способа лежит принцип использования таких условий, которые приводят к самосовершенствованию катализаторов химических реакций, т.е. к самоорганизации химических систем. (Это своеобразная биологизация химии). Возникает эволюционная химия.

Основным понятием в химической кинетике является понятие скорости реакции. В природе и в промышленности протекает огромное количество химических процессов. Одни протекают веками, другие очень быстро.

Скорость химической реакции определяется изменением концентрация реагирующих веществ в единицу времени. Она зависит от многих факторов и включает природу реагентов, концентрацию реагирующих веществ и температуру, наличие катализаторов, состояние кристаллической решетки твердых реагентов и продуктов, если такие имеются в системе.

Быстрее протекает та реакция, в которой взаимодействует меньше ионов. Скорость реакции увеличивается также в случае увеличения числа частиц реагирующих веществ, приводящего к более частым их столкновениям. Влияние концентрации реагентов на скорость химического взаимодействия выражается основным законом химической кинетики – законом действующих масс. Этот закон распространяется на газовые смеси и растворы, но он не применим к реакциям твердых веществ.

Для реакций с участием твердых веществ скорость взаимодействия очень чувствительна к степени смешения реагентов и состоянию их кристаллической решетки, так как любые нарушения в этой решетке вызывают увеличение реакционной способности твердых тел.

Многочисленные опыты показывают, что при повышении температуры в арифметической прогрессии скорость большинства химических реакций возрастает в геометрической прогрессии. С первого взгляда может показаться, что высокая температурная чувствительность скорости реакции связана с увеличением числа молекулярных столкновений. Однако это не так. Согласно расчетам, общее число столкновений молекул при повышении температуры на десять градусов возрастает только на 1,6 %, а число прореагировавших молекул возрастает на 200 – 400 %.