Студопедия Главная Случайная страница Задать вопрос

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

И двуединая задача современной




химии?

Как и другие составляющие естествознания, химия имеет мно­гочисленные практические приложения. Однако еще Д.И. Мен­делеевым было обращено внимание на существенную особенность этой науки: химия в значительной мере сама создает свой объект изучения.Самые разнообразные исследования в ней на­правлены на раскрытие закономерностей химических превра­щений, которые реализованы искусственно, на получение и изучение веществ, большинство из которых в природе не встре­чается. Химия как наука теснейшим образом связана с химией как производством. Д. И. Менделеев рассматривал химические заводы как лаборатории больших размеров. Основная цель со­временной химии, вокруг которой строится вся исследователь­ская работа, заключается в получении веществ с заданными свойствами. Это и определяет содержание двуединой централь­ной задачи химии: исследование генезиса(то есть происхожде­ния) свойств веществ и разработка на этой основе методов полу­чения веществ с заранее заданными свойствами.

52. Каковы концептуальные уровни современной химии?

По мере развития химии до ее современного уровня в ней сложились четыре совокупности подходов к решению основной задачи. Развитие этих подходов обусловило формирование че­тырех концептуальных систем химических знаний.Для их пред­ставления воспользуемся наглядной схемой (рис. 2).

Концептуальные подходы к решению основной проблемы химии, показанные на схеме, появлялись последовательно.

Первоначально свойства веществ связывались исключитель­но с их составом (в этом суть учения о составе). На этом Уровне развития содержание химии исчерпывалось ее традиционным, менделеевским определением — как науки о хи­мических элементах и их соединениях.

Далее учение о составе было дополнено концепцией структурной химии. Структурная концепция объединяет теоретичес­кие представления в химии, устанавливающие связь свойств веществ не только с составом, но и со структурой молекул. В рамках этого подхода возникло понятие «реакционная способность», включающее представление о химической активности Ильных фрагментов молекулы — отдельных ее атомов (и даже отдельных химических связей) или целых атомных групп. Струк­турная концепция позволила превратить химию из преимущественно аналитической науки в науку синтетическую. Этот под­ход позволил в конечном итоге создать промышленные техно­логии синтеза многих органических веществ.

Затем было развито учение о химических процессах. Врам­ках этой концепции с помощью методов физической кинети­ки и термодинамики были выявлены факторы, влияющие на направленность и скорость протекания химических превраще­ний и на их результат. Химия вскрыла механизмы управле­ния реакциями и предложила способы изменения свойств получаемых веществ.

Последний этап концептуального развития химии связан с использованием в ней некоторых принципов, реализованных в химизме живой природы. В рамках эволюционной химии осуществляется поиск таких условий, при которых в процессе химических превращений идет самосовершенствование ката­лизаторов реакций. По существу, речь идет о самоорганизации химических процессов, происходящих в клетках живых организмов.

Каждая новая концептуальная ступень в развитии химии означает не отрицание подходов, использовавшихся ранее, а опору на них как на основание. Все показанные на схеме концептуальные системы используются не порознь, а во вза­имосвязи. Последовательное дополнение химии названными концептуальными системами составляет логику развития этой науки.

Термин «концептуальная система», а не «концепция», ис­пользован в приведенных выше рассуждениях не случайно. Причина этого заключается в том, что на каждой ступени рассмотренной «лесенки» развития химии, в свою очередь, для решения конкретных проблем были использованы раз­личные научные идеи. Примером тому служит выдающееся открытие в области химии, сделанное на пути решения од­ной из исходных проблем химии — проблемы химического элемента.

 

 

53. Что есть понятия «химический

элемент» и «химическое соединение»

с точки зрения современности?

Исходным в учении о составе является вопрос: «Что счи­тать химическим элементом — элементарным, неразложимым «кирпичиком» вещества?» Отправной точкой решения этой проблемы стало формулирование Д.И. Менделеевым знаме­нитого периодического закона. В основу систематизации свойств химических элементов Менделеевым была положена идея зависимости свойств элемента от атомной массы. Он доказал, что признаком элемента является не эксперимен­тально устанавливаемая неразложимость данного вещества (как считалось ранее), а место в периодической системе, опреде­ляемое атомной массой. Позднее, в связи с успехами кван­товой теории, физика помогла составить представление об атоме элемента как о сложной квантово-механической систе­ме. Место элемента получило новый смысл, оказавшись обус­ловленным зарядом ядра атома (Z). На этой основе были выяснены особенности строения электронных орбит всех эле­ментов и раскрыт физический смысл периодического зако­на. Химический элемент — это вид атомов с одинаковым заря­дом ядра, то есть совокупность изотопов.Под это современное определение попадают как отдельные атомы, так и находя­щиеся в химической связи с другими атомами.

Во времена Д.И. Менделеева было известно 62 элемента. В 1930-е гг. система элементов заканчивалась ураном (Z=92). С начала 1940-х гг. таблица пополнялась принципиально но­вым путем — путем физического синтеза. До середины 50-х гг. были синтезированы 9 элементов. Элемент под номером 101 был назван «менделеевий». В последующие годы синтез ядер новых элементов продолжался, но ядра с номером от 102 и далее оказались крайне неустойчивыми. Самый тяжелый из известных на сегодняшний день элементов (порядковый но­мер 112) был получен при слиянии ядра цинка с ядром свин­ца. Его время жизни измеряется тысячными долями секун­ды. Однако, по оценкам физиков, в ряду тяжелых ядер мо­гут существовать «островки стабильности» элементов при Z=126, 164 и даже 184.

В физически доступном слое Земли всего восемь химических элементов представлены в значительном количестве. Это — кис­лород —- 47,0%, кремний — 27,5; алюминий — 8,8; железо — 4,6; кальций — 3,6; натрий — 2,6; калий — 2,5 и магний — 2,1%.

Практически все элементы проявляются в земных условиях в составе тех или иных химических систем — химических со­единений. В настоящее время известно более восьми милли­онов соединений. Из них абсолютное большинство (около 96%) — органические.

Какие из многокомпонентных тел следует отнести к хими­ческим соединениям, а что считать простыми смесями?

Проблема химического соединения традиционно решалась с позиций атомистической концепции. В начале XIX в. ан­глийский химик Дж. Дальтон обосновал закон постоянствасостава, отражающий неизменное соотношение компонен­тов данного вещества. Долгое время не допускалось отклоне­ния от этого закона. Однако уже современник Дальтона французский химик К. Бертолле указывал на возможность суще­ствования соединений переменного состава в форме растворов и расплавов. Впоследствии были найдены доказательства существования химических соединений переменного состава.

Суть проблемы химического соединения, как, оказалось, состоит не столько в постоянстве или непостоянстве хими­ческого состава, сколько в физической природе сил, объеди­няющих атомы в молекулу. Эти силы символизируются хи­мическими связями. В общем случае химические связи обус­ловлены проявлением волновых свойств валентных электронов: перекрытием электронных облаков, обобществлением элект­ронов. В результате выяснения физической сущности хими­ческой связи понятие молекулы претерпело изменение.Теперь в категорию молекулы вошли и такие квантово - механические системы, как монокристаллы, а также полимеры, образо­ванные за счет водородных связей. Но это уже макроскопические молекулы (макромолекулы).Прежде к макромолекулам относили только гигантские органические молекулы (полимеры), имеющие молекулярную массу порядка 106, построенные из многих повторяющихся частей — более про­стых органических систем (мономеров).

В соответствии с современной точкой зрения химическое соединение — это вещество, атомы которого за счет химичес­ких связей объединены в молекулы, комплексы, макромолеку­лы, монокристаллы или иные квантово-механические системы. Внастоящее время состав любого вещества в строго матема­тическом смысле переменен.Ясно, что классификация неко­торого конкретного вещества целиком зависит от точности методов определения состава.

Современное содержание понятия «химическое соедине­ние» сопряжено с новыми направлениями в химии. Появи­лась, например, химия твердого тела. Отдельную область химических соединений непостоянного состава образовали так называемые поверхностные соединения, которыми стала заниматься химия поверхности.

Таким образом, проблема химического соединения, так же как и проблема химического элемента, решена в современной химии на основе представлений квантовой физики.

 

54. Что привнесло в развитие химии учение о химических процессах?

Способность к взаимодействию различных химических ре­агентов определяется не только их атомарно-молекулярной структурой, но и условиями протекания химических реакций. К ним относятся термодинамические факторы (температура, давление и др.) и кинетические факторы (все, что связано с переносом веществ, образованием их промежуточных форм). Их влияние на химические реакции вскрывается на концепту­альном уровне химии, который обобщенно называют учени­ем о химических процессах.

Учение о химических процессах является областью глубоко­го взаимопроникновения физики, химии и биологии.Действи­тельно, в основе этого учения находятся химическая термо­динамика и кинетика, которые в равной степени относятся и к химии, и к физике. А живая клетка, исследуемая биологи­ческой наукой, представляет собой в то же время микроско­пический химический реактор, в котором происходят пре­вращения, изучаемые химией, и многие из которых химия пытается реализовать в макроскопическом масштабе. Таким образом, изучая условия протекания и закономерности хими­ческих процессов, человек вскрывает глубокую связь, существу­ющую между физическими, химическими и биологическими яв­лениями, и одновременно перенимает у живой природы опыт, необходимый ему для получения новых веществ и материалов.

Большинство современных химических технологий реали­зуется с использованием катализаторов — веществ, которые увеличивают скорость реакции, не расходуясь в ней.

В современной химий получило развитие также направле­ние, принципом которого является энергетическая актива­ция реагента (то есть подача энергии извне) до состояния пол­ного разрыва исходных связей. В данном случае речь идет о больших энергиях. Это так называемая химия экстремальных состояний, использующая высокие температуры, большие давления, излучение с большой величиной энергии кванта, (ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма-излучение). К этой области относятся плазмохимия (химия на основе плазменно­го состояния реагентов), а также технологии, в которых ак­тивация процесса достигается за счет направленных электрон­ных или ионных пучков (элионные технологии).

Химия экстремальных состояний позволяет получать веще­ства и материалы, уникальные по своим свойствам: композит­ные материалы, высокотемпературные сплавы и металличес­кие порошки, нитриды, силициды и карбиды тугоплавких металлов, разнообразные по своим свойствам покрытия. При­мером могут служить сверхпрочные покрытия из нитрида тита­на, наносимые на металлообрабатывающий инструмент для многократного увеличения срока его эксплуатации. Интерес­но, что «золотой» блеск и высокая коррозионная стойкость пленок нитрида титана позволили с успехом применить техно­логию его нанесения при изготовлении кровли куполов церк­вей взамен традиционной и дорогой технологии золочения.

Эффективность технологий на основе химии экстремаль­ных состояний очень высока. Характерным для них является энергосбережение при высокой производительности, высо­кая автоматизация и простота управления технологическими процессами, небольшие размеры технологических установок.

 

 







Дата добавления: 2015-09-07; просмотров: 212. Нарушение авторских прав

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2017 год . (0.006 сек.) русская версия | украинская версия