Взаємозв’язок хімії з фізикою
Крім процесів диференціації самої хімічної науки, у наш час відбуваються й інтеграційні процеси хімії з іншими галузями природознавства. Особливо інтенсивно розвиваються взаємозв'язки між фізикою і хімією. Цей процес супроводжується виникненням все нових і нових суміжних фізико-хімічних галузей знання.
Історія взаємодії хімії і фізики багата на приклади обміну ідеями, об'єктами і методами дослідження. На різних етапах свого розвитку фізика забезпечувала хімію поняттями і теоретичними концепціями, що сильно вплинули на розвиток хімії. При цьому чим більше ускладнювалися хімічні дослідження, тим більше апаратура і методи розрахунків фізики проникали у хімію. Необхідність вимірювання теплових ефектів реакцій, розвиток спектрального і рентгеноструктурного аналізу, вивчення ізотопів і радіоактивних хімічних елементів, кристалічних граток речовини, молекулярних структур вимагали створення і використання складних фізичних приладів - спектроскопів, мас-спектрографів, дифракційних граток, електронних мікроскопів і т.ін.
Розвиток сучасної науки підтвердив глибокий зв'язок між фізикою і хімією. Зв'язок цей має генетичний характер, тобто утворення атомів хімічних елементів, об'єднання їх у молекули речовини відбулося на деякому етапі розвитку неорганічного світу. Також цей зв'язок ґрунтується на спільності будови конкретних видів матерії, у тому числі і молекул речовин, що складаються, зрештою, з одних і тих самих хімічних елементів, атомів і елементарних частинок. Виникнення хімічної формули руху у природі викликало подальший розвиток уявлень про електромагнітну взаємодію, що вивчається фізикою. На основі періодичного закону сьогодні здійснюється прогрес не тільки у хімії, але і в ядерній фізиці, на межі якої виникли такі змішані фізико-хімічні теорії, як хімія ізотопів, радіаційна хімія та ін.
|
|
|
Фізика і хімія вивчають практично одні й ті самі об'єкти, але тільки кожна з них бачить у цих об'єктах свій бік, свій предмет вивчення. Так молекула є предметом вивчення не тільки хімії, але і молекулярної фізики. Якщо перша вивчає її з погляду закономірностей утворення, складу, хімічних властивостей, зв'язків, умов її дисоціації на атоми, то остання вивчає статистичну поведінку молекул, що обумовлює теплові явища, різні агрегатні стани речовини, переходи з газоподібної фази у рідку й тверду фази і, навпаки, явища, не пов'язані із зміною складу молекул і їх внутрішньої хімічної будови. Те, що кожна хімічна реакція супроводжується механічним переміщенням молекул реагентів, виділенням або поглинанням тепла за рахунок розриву або утворення хімічних зв’язків у нових молекулах, переконливо свідчить про тісний зв'язок хімічних і фізичних явищ. Так, енергетика хімічних процесів тісно пов'язана із законами термодинаміки. Хімічні реакції, що відбуваються з виділенням енергії, як правило, у вигляді тепла і світла, називаються екзотермічними. Існують також ендотермічніреакції, що відбуваються з поглинанням енергії. Все сказане не суперечить законам термодинаміки: при горінні енергія вивільняється одночасно із зменшенням внутрішньої енергії системи. В ендотермічних реакціях відбувається підвищення внутрішньої енергії системи за рахунок припливу тепла. Вимірюючи кількість енергії, що виділяється при реакції (тепловий ефект хімічної реакції), можна судити про зміну внутрішньої енергії системи.
|
|
|
Частинним випадком першого початку термодинаміки є закон Гесса. Він свідчить про те, що тепловий ефект реакції залежить тільки від початкового і кінцевого стану речовин і не залежить від проміжних стадій процесу. Закон Гесса дозволяє обчислити тепловий ефект реакції у тих випадках, коли його безпосереднє вимірювання неможливе.
Після створення теорії відносності, квантової механіки і вчення про елементарні частинки розкрилися ще глибші зв'язки між фізикою і хімією. Виявилося, що ключ до пояснення сутності властивостей хімічних сполук, самого механізму перетворення речовин лежить у будові атомів, у квантово-механічних процесах його елементарних частинок і особливо електронів зовнішньої оболонки. Новітня фізика блискуче вирішила такі питання хімії, як природа хімічного зв'язку, особливості хімічної будови молекул органічних і неорганічних сполук і т. ін.
|
|
|
У галузі контакту фізики і хімії виникла й успішно розвивається фізична хімія, яка оформилася в окрему науку у кінці XIX століття у результаті успішних спроб кількісного вивчення фізичних властивостей хімічних речовин і сумішей, теоретичного пояснення будови молекулярних структур. Експериментальною і теоретичною базою для цього стали праці Д.І. Менделєєва (відкриття періодичного закону), Вант-Гоффа (термодинаміка хімічних процесів), С. Арреніуса (теорія електролітичної дисоціації) і т. ін. Предметом її вивчення стали загальнотеоретичні питання, що стосуються будови і властивостей молекул хімічних сполук, процесів перетворення речовин у зв'язку із взаємною обумовленістю та їх фізичними властивостями, вивчення умов перебігу хімічних реакцій і фізичних явищ, що відбуваються при цьому. Сьогодні це різносторонньо розгалужена наука, що тісно пов'язує фізику і хімію.
|
|
|
У самій фізичній хімії на цей час виділилися і склалися як самостійні розділи, що мають свої особливості, методи і об'єкти дослідження, електрохімія, вчення про розчини, фотохімія, кристалохімія. На початку XX століття виділилася також у самостійну науку колоїдна хімія, що з'явилася у надрах фізичної хімії. З другої половини XX століття у зв'язку з інтенсивним розробленням проблем ядерної енергетики виникла і розвинулася новітня галузь фізичної хімії - хімія високих енергій, радіаційна хімія (предметом її вивчення є реакції, що відбувається під дією іонізуючого випромінювання), хімія ізотопів.
Взагалі фізична хімія розглядається зараз як найбільш широкий загальнотеоретичний фундамент всієї хімічної науки. Багато її учень і теорій мають велике значення для розвитку неорганічної і особливо органічної хімії. З виникненням фізичної хімії вивчення речовини почало здійснюватися не тільки традиційними хімічними методами дослідження, не тільки з уявлень про її склад і властивості, але і з боку структури, термодинаміки і кінетики хімічного процесу, а також з боку зв'язку і залежності останніх від дії явищ, властивих іншим формам руху (світлове і радіаційне опромінювання, світлова і теплова дія тощо).
У першій половині XX століття виникла суміжна між хімією і новими розділами фізики (квантова механіка, електронна теорія атомів і молекул) наука, яку почали пізніше називати хімічною фізикою. У ній широко застосовувалися теоретичні і експериментальні методи новітньої фізики щодо дослідження будови хімічних елементів і сполук і особливо механізму реакцій. Хімічна фізика вивчає взаємозв'язок і взаємоперетворення хімічної і субатомної форм руху матерії.
Таким чином, сучасна хімія постає перед нами як досить багатогранна і розгалужена система знань, яка перебуває у процесі інтенсивного розвитку. В основній своїй масі хімія розвивається у напрямку вузько орієнтованих прикладних досліджень, але разом з тим сьогодні розвиваються і концептуальні напрями фундаментального характеру, які і визначають статус і положення цієї науки у системі сучасного природознавства. До таких концептуальних напрямів розвитку сучасної хімії слід віднести: проблему хімічного елемента, дослідження структури хімічних сполук, вчення про хімічні процеси й еволюційну хімію.
Проблема хімічного елемента
Концепція хімічного елемента з'явилася у хімічній науці у результаті прагнення людини виявити першоелемент природи. Вона проіснувала більше двох тисяч років. Проте лише у XVII столітті Р. Бойль започаткував уявлення про хімічний елемент як про просте тіло, межу хімічного розкладання речовини, що переходить без зміни зі складу одного складного тіла в інше. Проте ще ціле століття хіміки робили помилки у визначенні хімічних елементів.
У подальшому Д.І. Менделєєв довів, що властивості хімічного елемента залежать від місця даного елемента в періодичній системі, що врешті-решт визначається зарядом ядра атома. У XX столітті фізика спромоглася встановити складну структуру атома будь-якого хімічного елемента. Атом є єдиною квантово-механічною системою, що складається з позитивно зарядженого ядра і негативно зарядженої електронної оболонки. Були з'ясовані особливості будови електронних орбіталей атомів усіх елементів і особлива роль серед них зовнішньої електронної оболонки, від кількості електронів у якій залежить реакційна здатність елемента. Найбільш активними з хімічної точки зору є елементи, що мають мінімальну атомну масу і 6-7 електронів у зовнішній електронній оболонці (фтор, хлор і кисень): вони прагнуть добудувати свою електронну оболонку, приєднавши число електронів, яких не вистачає. Активними також є метали, що мають велику атомну масу і 1-2 електрони на зовнішньому електронному рівні (барій, цезій). Вони прагнуть їх віддати для добудови електронної оболонки. На цьому базується поняття валентності - здатності атома до утворення хімічних зв'язків.
Сьогодні науці відомо 116 хімічних елементів. Їх питомий вміст у природних мінералах украй нерівномірний. Так, 98,6% маси фізично доступного шару Землі становлять всього вісім хімічних елементів: кисень, (27,5%), алюміній (8,8%), залізо (4,6%), кальцій 13%, натрій (2,6%), калій (2,5%), магній (2,1%). Проте використовуються ці елементи непропорційно. Наприклад, заліза у земній корі міститься удвічі менше, ніж алюмінію, але сьогодні більше ніж 95% усіх металевих виробів виготовляють із залізорудної сировини. Тому у сучасній хімії концепція хімічного елемента постає як проблема раціонального використання хімічних елементів.
Перш за все дослідження у цій області спрямовані на вивчення і використання силікатів, які становлять 97% маси земної кори. Звідси цілком природне переконання вчених, що силікати повинні стати основною сировиною для виробництва всіх будівельних матеріалів і напівфабрикатів при виготовленні кераміки, здатної конкурувати з металами.
Увага хіміків до цих двох видів матеріалів невипадкова: саме метали і кераміка на 90% становлять сучасну матеріально-технічну базу виробництва. Сьогодні щорічно виготовляється близько 600 млн тонн металу – більше 150 кг на кожного жителя планети. Приблизно стільки ж виготовляється і кераміки разом із цеглою. Проте виготовлення металу обходиться у сотні і тисячі разів дорожче за кераміку. Різниця в їх вартості до недавнього часу особливо нікого не хвилювала, оскільки кожен матеріал мав своє призначення. Але сьогодні завдяки хімії відкривається все більше можливостей для заміни металу на кераміку. Тут істотними є дві обставини: виробництво кераміки набагато легше у технічному відношенні і вигідніше економічно, а головне кераміка за своїми показниками виявляється більш задовільним конструкційним матеріалом у порівнянні з металом.
Очевидна перевага кераміки полягає у тому, що її густина на 40% нижча, ніж густина металів, що дозволяє відповідно зменшити масу деталей, що виготовляються з кераміки. При використанні у виробництві кераміки нових хімічних елементів - цирконію, титану, бору, германію, хрому, молібдену, вольфраму та ін. - можна одержувати керамічні вироби з наперед заданими властивостями. Так, останнім часом була синтезована вогнетривка, термостійка, високотверда кераміка з набором заданих електрофізичних властивостей.
Вперше у світі у 60-х роках XX сторіччя в СРСР був одержаний надтвердий матеріал – гексаніт - Р. Він є одним із різновидів нітриду бору з температурою плавлення 3200 градусів за Цельсієм і твердістю, близькою до твердості алмазу. У цього матеріалу відсутня крихкість, властива кераміці. Така кераміка виробляється методом пресування порошків з отриманням необхідних форм і розмірів, що робить непотрібною механічну обробку виробів.
Ще одна перевага деяких видів кераміки порівняно з металами - надпровідність при температурі кипіння азоту (-195,8 0С). Практична реалізація високотемпературної надпровідності відкриває величезні перспективи для створення надпотужних двигунів і генераторів, транспортних систем на магнітній подушці, розроблення надпотужних електромагнітних прискорювачів і т.ін.
Справжній переворот у теорії хімічних елементів відбувся із виникненням хімії фторорганічних сполук. Вона відкрила абсолютно новий світ органічних речовин. Справа у тому, що фторвуглеводи мають виняткову стійкість навіть у дуже агресивних середовищах кислот і лугів, особливу поверхневу активність, здатність поглинати кисень і перекиси. Тому вироби з фторвуглеводу застосовуються як матеріал для виготовлення внутрішніх органів людини (наприклад, серцевих клапанів, кровоносних судин тощо).
Дата добавления: 2018-05-09; просмотров: 721; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!