Важнейшие понятия химии. Становление и развитие химической науки.

Химия – это естественная наука, изучающая химические свойства и превращения материи, сопровождающиеся изменением их состава и строения. Она также изучает условия, при которых эти превращения происходят. В настоящее время химия представляет собой высокоупорядоченную, постоянно развивающуюся систему знаний о химических элементах и их соединениях, энергетике химических процессов, реакционной способности веществ, катализаторах и т. д.
Основные химические представления были впервые сформулированы и приняты на первом Международном съезде химиков, состоявшемся в Карлсруэ (Германия) в 1860 г. Система химических представлений легла в основу так называемой атомномолекулярной теории, основные положения которой заключались в следующем.
Все вещества состоят из молекул, которые, в свою очередь, состоят из атомов.
Атомы и молекулы находятся в непрерывном движении.
Атомы представляют собой мельчайшие, далее неделимые составные части молекул.
Если первые три утверждения съезда химиков в Карлсруэ сегодня кажутся очевидными, то последнее оказалось исторически ограниченным. С открытием сложного строения атома стала ясна причина связи атомов друг с другом. Она получила название химическая связь, указывающая на то, что между атомами действуют электростатические силы, т. е. силы взаимодействия электрических зарядов, носителями которых являются электроны и ядра атомов.
Взаимное соединение элементов не является произвольным. Опыт показывает, что некоторые элементы соединяются с другими, а некоторые — нет. Способность атомов связывать один или большее число атомов другого элемента называется валентностью. Электронная теория строения вещества говорит о том, что соединяться могут только такие элементы, атомы которых имеют незаполненные внешние электронные орбиты (валентные сферы), обладающие определенной валентностью и вследствие чего проявляющие неустойчивость.
В образовании химической связи между атомами главную роль играют электроны, расположенные на внешней оболочке и связанные с ядром наименее прочно, так называемые валентные электроны. В зависимости от характера распределения электронной плотности между взаимодействующими атомами различают три основных типа химической связи: ковалентную, ионную и металлическую.
Химическая связь представляет собой такое взаимодействие, которое связывает отдельные атомы в молекулы, ионы, кристаллы, т. е. те структурные уровни организации материи, которые изучает химическая наука.
Природа химической связи, согласно современным представлениям, объясняется взаимодействием электрических полей, создаваемых электронами и ядрами атомов, которые участвуют в образовании химического соединения.
Согласно электронной теории строения вещества атом любого элемента состоит из электрически положительно заряженного атомного ядра, состоящего из протонов и нейтронов. Вокруг ядра подобно планетам Солнечной системы обращаются электроотрицательно заряженные электроны ("электронная оболочка"), которые по сравнению с ядром почти не имеют массы. Атом в целом является электрически нейтральным — заряд ядра атома равен заряду электронной оболочки, т. е. число электронов оболочки равно числу протонов ядра атома. Электроны вращаются вокруг ядра атома по определенным энергетически уравновешенным орбитам.
Учение о строении атома сыграло и играет колоссальную роль в химии и физике XX века. На основе атомной модели вскрыты глубинные принципы периодического изменения свойств химических элементов и развита теория периодической системы Д. И. Менделеева. Решающее значение здесь имело установление закономерностей формирования электронных конфигураций (оболочек) по мере роста заряда атомного ядра.
Когда говорят о химическом синтезе, то подразумевают производство сложных соединений из исходных элементов (например, производство искусственного каучука, камфоры и т. д.). Полученные материалы в результате синтеза называют синтетическими материалами.
Химическое разложение, в результате которого получаются простейшие вещества, называется химическим анализом.
Все известные на сегодня элементы в систематизированном виде в соответствии с периодическим законом, открытым Д. И. Менделеевым, расположены в Периодической системе элементов Менделеева.
Элементы классифицируются на металлы (золото, платина, серебро, железо, медь, алюминий, кальций, ртуть и др.) и неметаллы (сера, фосфор, углерод, азот, хлор, кислород и т. д.). Вещества в обычных условиях могут быть твердыми, жидкими и газообразными (агрегатное состояние).
Большинство веществ, находящихся в естественных условиях, состоят в соединениях друг с другом, т. е. являются веществами сложными. Незначительное число элементов в природе находится в свободном состоянии (кислород, серебро, сера и некоторые другие).
Основные законы химии:
Химические процессы подчиняются всеобщим законам природы — закону сохранения массы вещества и закону сохранения энергии.
Закон сохранения массы в химических процессах можно сформулировать так: сумма масс исходных веществ (соединений) равна сумме масс продуктов химической реакции. Например, при разложении воды масса воды будет равна сумме массы водорода и массы кислорода. Из закона сохранения вещества вытекает, что вещество нельзя ни создать из ничего, ни уничтожить совсем.
Количественным выражением закона сохранения массы веществ применительно к производственному химическому процессу является материальный баланс, в котором подтверждается, что масса веществ, поступивших на технологическую операцию (приход), равна массе полученных веществ (расход).
Закон сохранения энергии действует во всех случаях и повсюду, где одна форма энергии переходит в другую. Например, при переходе энергии пара в турбине в энергию вращательного движения, т. е. механическую энергию, при переходе электрической энергии в электрической лампочке в световую и т. д. Так же как нельзя ни уничтожить, ни создать вещество, нельзя ни создать, ни уничтожить энергию.
Специфическим видом энергии является химическая энергия, которая освобождается или расходуется при каждой химической реакции. Химическую энергию, как любой вид энергии, можно превратить в механическую (использование взрывчатых веществ), тепловую (сжигание топлива), электрическую (гальванические элементы) и т. п. Измерить химическую энергию непосредственно нельзя. Ее величина определяется как величина тепловой энергии в кДж (в килоджоулях).
Количественным выражением закона сохранения энергии в химическом производстве является тепловой (энергетический) баланс.
Рассмотрим теперь, как происходило историческое развитие химии.
Отдельные химические процессы (получение металлов из руд, крашение тканей и др.) использовались еще на заре становления человеческой цивилизации. Позже, в III—IV веках, зародилась алхимия, задачей которой было превращение неблагородных металлов в благородные (золото, серебро). Начиная с эпохи Возрождения, химические исследования все в большей мере стали использовать для практических целей (металлургия, стеклоделие, керамика, получение красок и т. д.). Во второй половине XVII века Р.Бойль дал первое научное определение понятия "химический элемент".
Превращение химии в подлинную науку завершилось во второй половине XVIII века, когда был сформулирован закон сохранения массы вещества при химических реакциях (М.В.Ломоносов, А.Л.Лавуазье). В начале XIX века Дж. Дальтон ввел понятие "молекула". Атомномолекулярные представления утвердились в 60х годах XIX века. В этот период А.М.Бутлеров создал теорию строения химических соединений, а Д.И.Менделеев открыл периодический закон (периодическая система элементов Менделеева). Попытки объединения элементов в группы предпринимались и до него. Однако не были найдены причины изменений свойств вещества.
Д.И. Менделеев считал, что любое точное знание составляет систему. Системный подход позволил ему в 1869 г. открыть периодический закон и разработать Периодическую систему химических элементов. Он исходил из того, что основной характеристикой элементов являются их атомные веса. Его периодический закон сформулирован в следующем виде: свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов.
С конца XIX — начала XX века важнейшим направлением химии стала разработка теоретических основ науки (электронная теория), изучение закономерностей химических процессов.
До конца XIX века химия в основном была единой целостной наукой. Внутреннее ее деление на органическую и неорганическую не нарушало этого единства. Но последовавшие веков многочисленные открытия, как в самой химии, так и в биологии, физике положили начало быстрой ее дифференциации.
Современная химическая наука, опираясь на прочные теоретические основы, непрерывно развивается вширь и вглубь, в частности, происходит открытие и изучение новых, качественно различных дискретных химических частиц. Так, еще в первой половине XIX века при изучении электролиза были обнаружены ионы - особые частицы, образованные из атомов и молекул, но электрически заряженные. Ионы являются структурными единицами многих кристаллов, кристаллических решеток металлов, они существуют в атмосфере, в растворах и т.д.
В начале XX века химики открыли радикалы как одну из активных форм химического вещества. Они образуются из молекул путем отщепления отдельных атомов или групп и содержат атомы элементов в необычном для них валентном состоянии, что связано с наличием одиночных (неспаренных) электронов, объясняющих их исключительную химическую активность.
К особым формам химического вещества относятся также макромолекулы. Они состоят из сотен и тысяч атомов и вследствие этого приобретают в отличие от обычной молекулы качественно новые свойства.
Характерный для новейшей химии, как и для всей науки XX века, процесс глубокой внутренней дифференциации в значительной степени связан с открытием этого качественного многообразия химических веществ. Их строение, превращения и свойства стали предметом изучения специальных разделов химии: электрохимии, химической кинетики, химии полимеров, химии комплексных соединений, коллоидной химии, химии высокомолекулярных соединений.
Уже к началу XX века внутри самой химии четко различаются общая и неорганическая химия, и органическая химия. Предметом изучения общей и тесно связанной с ней неорганической химии стали химические элементы, образуемые ими простейшие неорганические соединения и их общие законы (прежде всего периодический закон Д.И. Менделеева).
Сильный толчок развитию неорганической химии дали проникновение в недра атома и изучение ядерных процессов. Поиски элементов, наиболее пригодных для расщепления в ядерных реакторах, способствовали исследованию малоизученных и синтезу новых элементов с помощью ядерных реакции. Изучением их свойств, а также физикохимических основ и химических свойств радиоактивных изотопов, методикой их выделения и концентрации занялась радиохимия, возникшая во второй четверти XX века.
Органическая химия окончательно сложилась в самостоятельную науку во второй половине XIX века. Этому способствовало получение большого эмпирического и теоретического материала о соединениях углерода и его производных. Определяющим фактором для всех органических соединений являются особенности валентного состояния углерода - способность его атомов связываться между собой как одинарной, так и двойной, тройной связью в длинные линейные и разветвленные цепи. Благодаря бесконечному многообразию форм сцепления углеродных атомов, наличию изомерии и гомологических рядов почти во всех классах органических соединений возможности получения этих соединений практически безграничны.
В XX веке многие разделы органической химии стали постепенно превращаться в большие, относительно самостоятельные ветви со своими объектами изучения. Так появились химия элементоорганических соединений, химия полимеров, химия высокомолекулярных соединений, химия антибиотиков, красителей, душистых соединений, фармакохимия и т.д.
В конце прошлого века возникает химия металлоорганических соединений, то есть соединений, содержащих одну (или более) прямую связь металла с углеродом. До конца века был открыты органические соединения ртути, кадмия, цинка, свинца и др. В настоящее время получены углеродистые соединения с большей частью не только металлов, но и неметалле (фосфор, бор, кремний, мышьяк и т.д.). Теперь эту область химии стали называть химией элементоорганических соединений, она находится на стыке органической и неорганической химии.
Самостоятельной областью химии является наука о методах определения состава вещества - аналитическая химия. Основная задача - определение химических элементов или соединений, входящих в состав исследуемого вещества, - решается путем анализа. Без современных методов анализа был бы невозможен синтез новых химических соединений, постоянный эффективный контроль над ходом технологического процесса и качеством получаемых продуктов.

Мы поможем в написании ваших работ!