КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОЙ ХИМИИ

Происхождение самого слова «химия» до сих пор точно не известно.

Ø По одной версии слово «хеми» означает «Египет», а также «черный»→ «египетское искусство» → т.е. искусство производить необходимые вещества.

Ø По другой версии – в основе греческое слово «химос», которое переводится как «сок растений» или как «расплавленный металл» → химия – это искусство получения соков, или же искусство металлургии.

 

Современная химия – это:

· Наука о химических элементах и их соединениях;

· Наука о веществах и их превращениях;

· Наука о процессах качественного превращения веществ;

· Наука, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения;

· Система знаний о химических элементах и их соединениях, энергетике химических процессов, реакционной способности веществ, катализаторах и т.д.

История становления и развития химии включает в себя следующие периоды:

1. Период алхимии (с древности до 14 века нашей эры).

Ведутся активные поиски философского камня, эликсира долголетия, универсального растворителя. Попытки «превращения» неблагородных металлов в золото или серебро.

2. Период зарождения научной химии (14 – 18 века).

Создание первых по-настоящему научных химических теорий:

· Теория газов Р. Бойля;

· Теория флогистона Г. Шталя (флогистон – это горючее в-во, которое должны содержать все вещества, способные к горению);

· Теория химических элементов А. Лавуазье.

Совершенствуется прикладная химия: металлургия, производство стекла и фарфора, искусство перегонки жидкостей и т.д.

3. Период открытия основных законов химии (первые 60 лет 19-го века).

· Атомная теория Д. Дальтона;

· Атомно-молекулярная теория Авогадро;

· Установление Берцелиусом атомных весов химических элементов.

 

В этот период сформировались и основные понятия химии: атом, молекула и др.

4. Современный период (с 60-х гг. 19 века до наших дней).

Самый плодотворный период. Разработаны:

· Периодический закон Д.И. Менделеева и периодическая классификация элементов;

· Теория валентности;

· Теория ароматических соединений и стереохимия;

· Теория электролитической диссоциации Аррениуса;

· Электронная теория материи и т.д.

 

Разделы химии (неорганическая химия, органическая химия, физическая химия, фармацевтическая химия, химия пищевых продуктов, агрохимия, геохимия, биохимия и др.) приобрели статус самостоятельных наук.

 

Проблемы современной химии

1. Проблемы химического элемента;

Более двух тысяч лет химическая наука пыталась обнаружить так называемый первоэлемент природы – то, из чего все возникло.

Но только в 17 веке Р. Бойль положил начало современному представлению о химическом элементе:

Химический элемент (Бойль) – это простое тело, предел химического разложения вещества, переходящий без изменения из состава одного сложного тела в другое.

Но в то время химики еще не знали ни одного чистого химического элемента. → при попытках их получить возникали ошибки. Например, получавшиеся при прокаливании оксиды принимали за чистые элементы, а металлы – медь, железо, свинец – считали сложными телами, в состав которых входит флогистон (горючий элемент).

 

Только в конце 19 века Д.И. Менделееву удалось доказать, что свойства химического элемента зависят от величины заряда его атома и → от места данного элемента в периодической системе (т.к. заряд атома элемента – это его порядковый номер в периодической системе. Например, H – 1, Na – 11, Au – 79).

В 20-м веке была изучена сложная структура атомов химических элементов.

Атом → + ядро и – электроны. Электроны расположены на орбиталях вокруг ядра атома. Способность элемента к химическим реакциям зависит от того, сколько электронов находится на его внешней орбитали. Наиболее активны:

· Элементы, имеющие минимальную атомную массу и 6 – 7 электронов на внешнем электронном уровне (F, Cl,) – они стремятся достроить свою эл. оболочку – присоединить недостающие электроны;

· Элементы, обладающие большой атомной массой и имеющие 1 – 2 электрона на внешнем уровне (Ba, Cs) – они стремятся отдать эти лишние электроны.

На этом основано понятие валентности – способности атома к образованию химической связи.

 

Во времена Менделеева было известно 62 химических элемента, сейчас – 110 элементов. Содержание всех этих элементов в природе крайне неравномерно.

98,6 %массы Земли составляют только 8 элеменитов: О (47 %), Si (27,5 %), Al(8,8 %), Fe(4,6 %), Ca (3,6 %), Na (2,6 %), K(2,5 %), Mg (2,1 %). Человек использует эти элементы непропорционально их содержанию. Например, железа в земле в 2 раза меньше, чем алюминия. Но более 95 % всех металлических изделий производится из железа.

 

→ Возникает проблема рационального использования химических элементов. Основное направление – использование силикатов – они по своим свойствам не хуже металлов и → должны стать основным сырьем для производства строительных материалов и керамики.

 

2. Проблемы химического соединения;

Эта проблема состоит в следующем – какие вещества относить к чистым химическим соединениям, а какие – к смесям.

· В начале 19 века Ж. Пруст сформулировал закон постоянства состава – любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным неизменным составом и этим отличается от смесей.

· Д. Дальтон показал, что даже если соединения состоят из атомов двух или нескольких элементов, то эти атомы тесно взаимодействуют (связаны) друг с другом. В смесях такие тесные связи отсутствуют.

· С конца 19 века, когда была изучена природа химических связей, определение химического соединения стало более точным – это качественно определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет химической связи объединены в частицы – молекулы.

Современная классификация веществ

	Вещества
Гетерогенные смеси вода и масло	Физические методы разделения	Гомогенные вещества вода и NaCl
	Растворы вода и NaCl	Физические методы разделения	Чистые вещества H2O
		Химические соединения H2O	Химические реакции	Элементы H2 и О2

Прикладной вопрос химии соединений – это разработка новых химических технологий, синтез новых веществ:

Например, фторуглероды – новые органические вещества, устойчивые в агрессивных средах (кислотах, щелочах) и обладающие особой поверхностной активностью (способны поглощать кислород и перекиси). Из фторуглеродов сейчас изготавливают сердечные клапаны и кровеносные сосуды человека.

3. Проблемы структуры химического соединения

Сейчас существует особое направление – структурная химия. В её задачи входит создание структурных формул любых химических соединений и разработка возможностей для целенаправленного качественного преобразования веществ, для создания схемы синтеза любого химического соединения.

 

Развитие этого направления в химии тесно связано с именем русского химика Александра Михайловича Бутлерова. Его теория позволяла строить структурные формулы любого химического соединения, т.к. показывала взаимное влияние атомов в составе молекулы. Эта теория стала для химиков практическим руководством по синтезу органических веществ. → Химия из аналитической науки (изучала состав готовых веществ) стала наукой синтетической (способной создавать новые вещества).

Эта теория наглядно показала валентность химических элементов, как число единиц сродства, присущих атому → можно комбинировать атомы ХЭ, учитывая их единицы сродства → появилась возможность создавать структурные формулы любых химических соединений:

Н Н Н

Н – С – С – С – О – Н (С₃Н₇ОН – пропанол)

Н Н Н

Появилось понятие изомерии – т.е. существование веществ, имеющих один и тот же качественный и количественный состав, одинаковую молекулярную массу, но отличающихся друг от друга строением, а следовательно и свойствами.

С₅Н₁₂ (пентан):

СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН₂ – СН₃ , или СН₃ – СН – СН₂ – СН₃

СН₃

 

Как результат возникновения структурной химии – возник органический синтез (60-е – 80-е гг. 19 века). Сейчас – большая часть лекарственных препаратов – это продукты органического синтеза.

Исследования в области современной структурной химии идут по двум направлениям:

· Синтез кристаллов с максимальным приближением к идеальной решетке → получение материалов с высокими техническими показателями (прочностью, устойчивостью, долговечностью).

Сложность –для выращивания таких кристаллов необходимо исключить воздействие всех внешних факторов (даже земного притяжения) → такие кристаллы выращивают на орбитальных станциях в космосе;

· Создание кристаллов с заранее запрограммированными дефектами → производство материалов с заданными электрическими, магнитными и другими свойствами, которые основываются на этих дефектах.

Сложность –вместе с запрограммированными дефектами обычно появляются и нежелательные.

 

4. Проблемы химического процесса.

Эта проблема встала перед учеными - химиками после того как было доказано, что на способность химических веществ к взаимодействию могут влиять и условия протекания химических реакций.

Изучением химических процессов и условий их протекания занимались такие великие химики как Г.И. Гесс, Я. Вант-Гофф, Ле-Шателье и др. Одним из основоположников учения о химических процессах стал и русский химик Николай Николаевич Семенов – лауреат Нобелевской премии 1965 г.

 

Условия, влияющие на ход химических реакций:

· Термодинамические условия(температура, давление и т.п.) – влияют на направленность химических процессов.

Каждая химическая реакция в принципе обратима, но на практике равновесие может смещаться в ту или иную сторону. Есть реакции, которые не требуют особых средств управления (реакции нейтрализации, реакции с образованием газообразного вещества или твердого осадка). Они протекают как прямые и необратимые реакции:

BaCl₂ + H₂SO₄ = BaSO₄ + 2HCl, или Na₂S + H₂SO₃ = Na₂SO₃ + H₂S

Но существуют реакции, равновесие которых смещено влево, к исходным веществам. И чтобы их осуществить, требуются особые термодинамические условия – увеличение температуры, давления и концентрации реагируемых веществ: