Get Adobe Flash player
Главная КСЕ Этапы становления Химии

Этапы становления Химии

Скачать

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ. 3

1. ХИМИЯ КАК НАУКА О ВЕЩЕСТВАХ.. 6

1.1 Общее понятие химии. 6

1.2 Предмет и структура химии. 7

2. ЭТАПЫ СТАНОВЛЕНИЯ ХИМИИ.. 10

2.1 Очерк исторического развития химии. 10

2.2 Химия 20 века. 18

2.3 Современные методы исследования в химии. 24

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 30

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.. 31


ВВЕДЕНИЕ

Химия – наука, изучающая состав, строение, свойства веществ, а также превращения этих веществ и законы, которым подчиняются эти превращения. Век, в котором мы живем, называют «веком химии». Это связано с тем, что именно в последние годы развитие этой отрасли достигло пика в сравнении с предыдущими периодами.

Современная химия очень тесно связана со всеми отраслями народного хозяйства. Практически ни одна наука не обходится без достижений химии. Она все глубже проникает во все области как научной, так и хозяйственной деятельности. Если рассматривать взаимосвязь химии и других наук, можно выделить промежуточные (переходные) науки: физическая химия, геохимия, биохимия и множество других. Медицина, парфюмерия, металлургическая и топливная промышленность – это лишь малая часть отраслей, которые просто не смогут существовать без развития химии.

В настоящее время выделяют два основных направления химии: органическая и неорганическая. Органическая химия изучает соединения углерода с другими элементами (эти знания широко используются в топливной промышленности, при производстве полимеров и пластмасс). Неорганическая же химия изучает остальные соединения.

Развитие химии началось задолго до начала нашей эры. Самое древнее ее направление – металлургия. Именно тогда люди начали изучать превращения различных веществ при различных условиях и стали использовать химию для своих нужд. Сначала научились получать металлы (в первую очередь медь) и смешивать ее с оловом для получения бронзы. Позже было получено из руды и железо.

Поскольку химия в те давние времена была совершенно новым этапом развития знаний человечества, многие придавали науке различные невероятные качества. Так, в III-IV веках до нашей эры появилось новое направление химии – алхимия. Сотни ученых бились в поисках “философского камня”, который должен был превращать неблагородные металлы (например, железо), в благородные (серебро, золото).

После начала эпохи Возрождения развитие химии получило вторую жизнь. Она начала приобретать практическое применение во многих отраслях промышленности. Кроме металлургии, начали бурно развиваться стеклоделие, медицина, производство керамики и множество других видов деятельности. И в первой половине XVII века химия плавно переросла в отдельную науку.

Открытие большого числа новых химических элементов заставило задуматься об их систематизации. В 1869 г. великим русским ученым Д. И. Менделеевым была обнаружена взаимосвязь этих элементов, результатом чего стало появление периодической системы элементов. Результатом этого открытия стало появление многих законов химии, что дало резкий толчок развитию других направлений деятельности человечества.

Вторая половина XX века ознаменовала новый виток развития химии. Быстрое развитие математики, электроники и появления в арсенале химиков точных измерительных приборов и компьютеров позволили вести расчеты, которые раньше были весьма затруднительны, а порой и невозможны. Моделирование химических процессов, обработка больших объемов данных, расчеты структур сложных веществ позволили ученым значительно расширить значимость химии. Удешевление исследований и экспериментов, а также повышение их точности позволило применить их и для менее наукоемких отраслей. Началось развитие коммерческой химии.

Все вышеприведенные факторы обуславливают актуальность и значимость тематики работы на современном этапе, направленной на глубокое и всестороннее изучение химии как науки о веществах и их превращениях, а также этапах становления химии.

Целью данной работы является систематизация, накопление и закрепление знаний о химии как науке о веществах и их превращениях, а также этапах становления химии.

В соответствии с поставленной целью в работе предполагается решить следующие задачи:

- рассмотреть предмет и структуру химии;

- изучить основные этапы становления химии;

- охарактеризовать современные направления развития химии.

Цель и задачи работы обусловили выбор ее структуры. Работа состоит из введения, двух глав, заключения, списка использованной при написании работы литературы.

Такое построение работы наиболее полно отражает организационную концепцию и логику излагаемого материала.


1. ХИМИЯ КАК НАУКА О ВЕЩЕСТВАХ

 

1.1 Общее понятие химии

Вещества и их взаимные превращения являются предметом изучения химии. Химия – это наука о веществах и законах, которым подчиняются их превращения.

Слово «химия» получило широкое распространение с начала XVIII века. На многих языках оно имеет сходное звучание: chemistry ('кемистри) – на английском, сhemie (хе'ми) – на немецком. Корни «хем» или «хим» содержатся в соответствующих терминах и на многих других языках. Однако до сих пор не удалось установить, когда возникло слово «химия» и какой смысл в него первоначально вкладывался. Многие исследователи склоняются к тому, что это слово происходит от «Кеми» – «Черная страна». Так в древней Греции называли Египет, где зародилось «священное искусство химии». Это же слово относилось к цвету почвы в долине Нила. Смысл такого названия – «египетская наука». Однако в древнегреческом языке были другие близкие по звучанию слова. «Химос» или «хюмос» означало «сок»; это понятие встречается в рукописях, содержащих сведения по медицине и способам приготовления лекарств. «Хима» или «хюма» переводится как литье и относится к искусству выплавки металлов. «Хемевсис» означает «смешивание», являющееся важнейшей операцией большинства химических процессов. Термин «химия» в смысле «настаивание», «наливание» первым употребил греческий философ и естествоиспытатель Зосима Панополитанский на рубеже IV и V веков.

Исторически сложились два основных раздела химии: неорганическая химия, изучающая в первую очередь химические элементы и образуемые ими простые и сложные вещества (кроме соединений углерода), и органическая химия, предметом изучения которой являются соединения углерода с др. элементами (органические вещества). До конца 18 в. термины «неорганическая химия» и «органическая химия» указывали лишь на то, из какого «царства» природы (минерального, растительного или животного) получались те или иные соединения. Начиная с 19 в. эти термины стали указывать на присутствие или отсутствие углерода в данном веществе. Затем они приобрели новое, более широкое значение. Неорганическая химия соприкасается прежде всего с геохимией и далее с минералогией и геологией, т. е. с науками о неорганической природе. Органическая химия представляет отрасль химии, которая изучает разнообразные соединения углерода вплоть до сложнейших биополимерных веществ; через органическую и биоорганическую химию Химия граничит с биохимией и далее с биологией, т. е. с совокупностью наук о живой природе. На стыке между неорганической и органической химией находится область элементоорганических соединений.

В химии постепенно сформировались представления о структурных уровнях организации вещества. Усложнение вещества, начиная от низшего, атомарного, проходит ступени молекулярных, макромолекулярных, или высокомолекулярных, соединений (полимер), затем межмолекулярных (комплекс, клатрат, катенан), наконец, многообразных макроструктур (кристалл, мицелла) вплоть до неопределённых нестехиометрических образований. Постепенно сложились и обособились соответствующие дисциплины: химия комплексных соединений, полимеров, кристаллохимия, учения о дисперсных системах и поверхностных явлениях, сплавах и др.

 

1.2 Предмет и структура химии

Современная химия тесно связана как с другими науками, так и со всеми отраслями народного хозяйства. Качественная особенность химической формы движения материи и её переходов в др. формы движения обусловливает разносторонность химической науки и её связей с областями знания, изучающими и более низшие, и более высшие формы движения. Познание химической формы движения материи обогащает общее учение о развитии природы, эволюции вещества во Вселенной, содействует становлению целостной материалистической картины мира. Соприкосновение химии с др. науками порождает специфические области взаимного их проникновения. Так, области перехода между химией и физикой представлены физической химией и химической физикой. Между химией и биологией, химией и геологией возникли особые пограничные области - геохимия, биохимия, биогеохимия, молекулярная биология. Важнейшие законы химии формулируются на математическом языке, и теоретическая химия не может развиваться без математики. Химия оказывала и оказывает влияние на развитие философии и сама испытывала и испытывает её влияние.

Изучение химических объектов и явлений физическими методами, установление закономерностей химических превращений, исходя из общих принципов физики, лежит в основе физической химии. К этой области химии относится ряд в значительной мере самостоятельных дисциплин: термодинамика химическая, кинетика химическая, электрохимия, коллоидная химия, квантовая химия и учение о строении и свойствах молекул, ионов, радикалов, радиационная химия, фотохимия, учения о катализе, химических равновесиях, растворах и др. Самостоятельный характер приобрела аналитическая химия, методы которой широко применяются во всех областях химии. и химической промышленности. В областях практического приложения химии возникли такие науки и научные дисциплины, как химическая технология с множеством её отраслей, металлургия, агрохимия, медицинская химия, судебная химия и др.

Каждое из химических веществ имеет свое внутреннее строение и может претерпевать разнообразные превращения, то есть вступать в химические реакции. Эти два аспекта взаимосвязаны. Внутреннее строение определяет химические свойства, а по химическим свойствам можно судить о строении вещества. В то же время невозможно одновременно исследовать и строение и химические свойства вещества, поскольку в ходе химической реакции структура вещества неизбежно изменяется. Изучение строения и реакционной способности химических веществ, создание веществ и материалов с заранее заданными свойствами – основные задачи химической науки.


2. ЭТАПЫ СТАНОВЛЕНИЯ ХИМИИ

 

2.1 Очерк исторического развития химии

Уже в XVIII веке начала формироваться так называемая минеральная химия. Сейчас этот раздел химии мы называем неорганической химией – в отличие от органической химии, которая первоначально исследовала вещества, образующиеся в живых организмах. Позднее были выделены в самостоятельные разделы еще две важнейшие области химии – аналитическая и физическая химия.

Дать точное определение каждому из этих разделов очень сложно, хотя в целом разница между ними вполне очевидна. Так, невозможно кратко ответить на вопрос: что такое неорганическая химия. Одно из наиболее удачных, хотя и не совсем полных определений звучит так: неорганическая химия – это экспериментальное исследование и теоретическая интерпретация свойств и реакций всех элементов и всех их соединений, кроме большинства углеводородов и их соединений.

Основные задачи современной неорганической химии – изучение строения, свойств и химических реакций простых веществ и соединений, взаимосвязи строения со свойствами и реакционной способностью веществ, разработка методов синтеза и глубокой очистки веществ, общих методов получения неорганических материалов.

Теоретическую основу неорганической химии составляет учение о Периодическом законе, созданное русским ученым - энциклопедистом Дмитрием Ивановичем Менделеевым (1834–1907). Несмотря на то, что этому закону уже более 100 лет, он по-прежнему является важнейшим инструментом для объяснения свойств и реакций химических элементов и их соединений. Периодическая система химических элементов, получившая в бытовой речи название – таблица Менделеева, – изображена во всех учебниках химии и знакома практически каждому. Предпринималось много попыток создать новую, более совершенную форму таблицы. В научной литературе описано около 700 ее вариантов. Были найдены круговые, треугольные и спиральные варианты, а также трехмерные модификации в виде этажерки, цилиндра, платформы с двумя башнями, объемной спирали, взаимопересекающихся плоскостей и т. д. Но самый распространенный на сегодня вариант близок к тому, который в свое время предложил Д. И. Менделеев.

С точки зрения теории строения атома, элементы в периодической системе расположены в последовательности увеличения зарядов их ядер, Внутри каждого периода по мере возрастания зарядов ядер элементов последовательно изменяется структура внешних электронных уровней. С этим связан переход элементов от металлов к неметаллам. В периодах слева направо, с увеличением зарядов ядер элементов, усиливается притяжение электронов к ядру и происходит сжатие атома, т. е. уменьшение атомного радиуса элементов. Поэтому в начале каждого периода располагаются элементы, имеющие больший атомный радиус и меньшее число электронов на внешнем электронном слое. Чем больше атомный радиус, тем слабее притяжение электронов внешнего слоя и тем легче элементу отдавать электроны. Такая структура характерна для элементов - металлов, которые сравнительно легко отдают валентные электроны, но не могут принимать их дополнительно для достройки электронных оболочек внешнего уровня.

С увеличением атомного номера элементов увеличивается заряд ядра и число электронов во внешнем слое и уменьшается легкость отдачи электронов с этого слоя. Таким образом, внутри каждого периода с увеличением атомных номеров элементов наблюдается уменьшение металлических свойств элементов и возрастание неметаллических свойств (способность притягивать к себе электроны). Каждый период заканчивается инертным элементом, имеющим завершенную структуру внешнего электронного слоя (полный октет).

Устойчивость такого октета объясняет пассивность инертных элементов, что не позволяет причислить их к металлам или неметаллам. В группах расположены элементы, имеющие одинаковое строение внешнего электронного слоя, т. е. электронные аналоги. Номер группы указывает число электронов на внешней электронной оболочке атомов элементов данной группы. Элементы, находящиеся в одной группе проявляют близкие химические свойства. Однако и внутри группы свойства элементов изменяются. Это связано с тем, что внутри каждой группы сверху вниз у элементов увеличивается число электронных слоев, т. е. атомный радиус. Чем больше атомный радиус, тем дальше от ядра электроны внешнего слоя и тем слабее они удерживаются ядром.

Таким образом, в группах сверху вниз усиливаются металлические и уменьшаются неметаллические свойства. В периодической таблице группы делятся на два типа: 8 групп IA- VIIIA и 8 групп IB- VIIIB. Группа VIIIB состоит из триад. В группах IА и IIA находятся s-элементы, у них последним заполняется электронами s-подуровень внешнего уровня. Далее, согласно правилам Клечковского, для элементов с главным квантовым числом n= 2 и n= 3 (второй и третий период) происходит заполнение р- подуровня. Это р- элементы, они располагаются в группах IIIA- VIIIA. Для элементов IV и V периода после заполнения электронами s- подуровня энергетически более выгодно заполнение соответственно 3d- и 4d- поуровней, что и происходит у элементов групп IB- VIIIB.

Группы типа В расположены в порядке, указывающем число валентных электронов атомов элементов, так как у d- элементов валентными являются электроны не только внешнего уровня, но и заполняемого второго снаружи уровня. После полного заполнения d- электронами второго снаружи уровня, происходит заполнение р- подуровня последнего электронного уровня (группы IIIA- VIIIA).

У актиноидов и лантаноидов происходит заполнение электронами f- подуровня третьего снаружи энергетического уровня, что и обуславливает схожесть их химических свойств.

Как видно, с учетом заполнения электронами энергетических уровней, в периодической таблице с увеличением атомных номеров элементов наблюдается периодическое повторение строения внешних электронных слоев, что и обусловливает периодичность свойств химических элементов.

С электронной конфигурацией атома связаны такие его свойства, как энергия ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность, степень окисления.

Энергия ионизации - это энергия, необходимая для отрыва наиболее слабосвязанного электрона от атома. Она выражается в электронвольтах. При отрыве электрона от атома образуется заряженная частица- ион. В данном случае ион будет иметь положительный заряд. Такие ионы называются катионами. Для элементов одного периода энергия ионизации возрастает слева направо с увеличением неметаллических свойств у элементов. В группах энергия ионизации уменьшается сверху вниз с увеличением металлических свойств.

Сродство к электрону - это энергия, которая выделяется при присоединении к атому одного электрона Она также выражается в электронвольтах. При присоединении электрона к атому образуется отрицательно заряженный ион - анион. В периодах слева направо сродство к электрону увеличивается. Наибольшим сродством к электрону обладают галогены.

Электроотрицательность - это способность атома притягивать к себе электроны в соединении. Притягиваемые электроны являются валентными, т. е. это электроны, которые участвуют в химической связи. Инертные (благородные) элементы не обладают электроотрицательностью. Наиболее электроотрицательным из элементов является фтор.

Степень окисления - это формальный заряд атома в соединении, который возник бы, если бы все атомы в этом соединении были бы в виде ионов, а электроны смещены к наиболее электроотрицательному элементу. Номер группы в периодической системе численно равен положительной высшей степени окисления любого элемента данной группы в соединениях с кислородом.

Предмет изучения органической химии некогда ограничивался соединениями углерода, имеющими растительное и животное происхождение. В наше время органическая химия – это наука, изучающая природные и синтетические соединения углерода с другими элементами.

Ежегодно число синтезированных органических соединений возрастает на 250–300 тысяч. Оно превышает число известных неорганических соединений в десятки раз. Многообразие органических соединений определяется уникальной способностью атомов углерода соединяться друг с другом простыми и кратными связями, образовывать соединения с практически неограниченным числом атомов, связанных в цепи, циклы, каркасы, образовывать прочные связи почти со всеми химическими элементами.

Основным методом органической химии является синтез. Теория химического строения органических веществ базируется на положениях, впервые сформулированных русским химиком Александром Михайловичем Бутлеровым (1828–1886). В органической химии можно выделить области исследований соединений, относящихся к различным классам и имеющих различное происхождение: химия ароматических соединений, химия природных соединений, нефтехимия.

До сих пор ведутся споры, можно считать самостоятельным разделом химии аналитическую химию. Вряд ли они состоятельны. Анализ – важнейший метод химии. До первой половины XIX века именно аналитическая химия была основным разделом химии. Аналитическая химия – это наука об определении химического состава веществ и, в некоторой степени, химического строения соединений.

Родоначальником научной аналитической химии считают английского физика и химика Роберта Бойля (1627–1691), который первым ввел понятие «химический анализ». Без тщательного, точного анализа развитие химии невозможно. Любой синтез обязательно сопровождается анализом. Для современных технологий необходимы особо чистые вещества, а содержание ничтожных долей примесей в них можно определить лишь аналитическими методами.

Основная цель аналитической химии – обеспечить точность, высокую чувствительность, быстроту, избирательность анализа. Развитие аналитической химии привело к возникновению химической диагностики, позволяющей непрерывно определять различные характеристики протекающих процессов и образующихся веществ.

В аналитической химии широко стали использоваться физико-химические и физические методы. Физические методы изучения веществ и воздействия на них получили применение и в других областях химии. Это привело к формированию новых важных направлений химии, например, радиационной химии, плазмохимии. Химия экстремальных воздействий играет большую роль в получении новых материалов, например для электроники, или давно известных ценных материалов, например алмазов, сравнительно дешевым синтетическим путем.

На грани исследований физических и химических явлений возникла физическая химия. Изучение тепловых эффектов химических реакций породило термохимию. Химические процессы, протекающие под действием электрического тока, стали основой электрохимии. В основу современной физической химии легли также учения о растворах, о скоростях и механизмах химических реакций, о строении молекул и многие другие. Физическая химия – это наука об общих законах, определяющих строение и химические превращения веществ в различных условиях. Термин «физическая химия» принадлежит М. В. Ломоносову (1711–1765), который в 1752 году впервые прочитал студентам Петербургского университета курс этой науки.

Она исследует химические явления с помощью теоретических и экспериментальных методов физики. Физическая химия является основным теоретическим фундаментом современной химии. В последние годы все большее внимание уделяется углубленному анализу общих закономерностей химических превращений на молекулярном уровне; широкому использованию математического моделирования; изучению воздействия на химические процессы сверхвысоких и сверхнизких температур и давлений, радиации и магнитного поля.

Все больше стираются границы и между химией и другими естественными науками. Биохимия – биологическая химия – изучает химический состав и структуру веществ, содержащихся в живых организмах; пути и способы регуляции их превращений; энергетическое обеспечение процессов, происходящих в клетке и в организме.

Становление биохимии как науки произошло на рубеже XIX и XX веков, хотя истоки биохимических знаний обнаружены еще в трудах ученых античного периода, а первые сведения о составе растительных и животных тканей начали появляться в средние века. В наши дни из биохимии уже выделились биоорганическая и бионеорганическая химия.

В начале XX века химик, минералог и кристаллограф Владимир Иванович Вернадский (1863–1945) разработал основы геохимии – науки о распространенности и миграции химических элементов на Земле. С одной стороны, геохимия широко использует достижения физики и химии, новейшие методы анализа и представления о строении вещества, с другой – огромный материал, накопленный геологическими науками, в частности, минералогией.

Наряду с физической химией возникла химическая физика, изучающая физические законы, которые управляют строением и превращениями химических веществ.

Особенности развития химии в ХХ веке во многом обусловлены достижениями физики в конце XIX века. Открытие рентгеновских лучей, радиоактивности, электрона и развитие квантовой теории привели к открытию радиоактивных элементов, новым представлениям о строении атома и природе химической связи. В ХХ веке было синтезировано 23 новых химических элемента, не найденных в природе, в том числе находящихся в Периодической системе после урана.

Дальнейшее развитие получил органический синтез. Во второй половине ХХ века искусственным путем были получены такие сложные природные вещества как хлорофилл и инсулин. Современная химия стала величайшей «производительной силой». Это выражается не только в многотоннажном производстве разнообразных химических продуктов. Стремительно растет число новых химических соединений, главным образом, органических.

Еженедельно в мире синтезируется не менее 10 тысяч новых веществ. Естественно, лишь немногие из них вызывают интерес и находят практическое применение, но ведь никто не знает, какое именно вещество понадобится завтра. Так что классическое определение химии может быть расширено: химики не только изучают вещества и их превращения, но и постоянное получают новые, ранее неизвестные. Постоянно разрабатываются новые химические материалы, необходимые для современной промышленности, техники, медицины и других сфер человеческой деятельности.


2.2 Химия 20 века

Конец 19 в. ознаменовался тремя выдающимися открытиями в области физики, в результате которых была доказана сложная структура атома, прежде считавшегося неделимым, - были открыты рентгеновские лучи, явление радиоактивности и электрон. Это положило начало новому этапу в развитии химии. После того как Э. Резерфорд установил существование атомных ядер и предложил планетарную модель атома (1911), началась успешная разработка теории строения атома, появились новые представления об электрической природе химических сил.

Открытый Г. Мозли закон (1913) связал положение элемента в периодической системе и его характеристическое рентгеновское излучение. Это привело к выводу, что атомный номер химического элемента численно равен заряду атомного ядра этого элемента, а следовательно общему числу электронов в оболочке нейтрального атома. Ещё более глубокое понимание периодического закона было достигнуто на основании работ Н. Бора и др. учёных, показавших, что по мере перехода от элементов с меньшими атомными номерами к элементам с большими их значениями происходит заполнение электронами оболочек (уровней и подуровней), всё далее расположенных от ядра. При этом периодически повторяется сходная структура внешних электронных конфигураций, от чего и зависит в основном периодичность химических и большинства физических свойств элементов и их соединений. Решающую роль в понимании закономерностей заполнения электронных оболочек атома и объяснении атомных и молекулярных спектров сыграл принцип Паули. Сделанные открытия позволили решить многие вопросы, связанные с дальнейшей разработкой и теоретическим обоснованием периодической системы Менделеева. Обнаружение изотопов показало, что не атомная масса, а заряд ядра определяет место элемента в периодической системе. Открытием нейтронов (Дж. Чедвик, 1932) и искусственной радиоактивности (И. и Ф. Жолио-Кюри, 1934) были заложены основы получения новых радиоактивных изотопов и элементов, отсутствующих в природе, и последующего синтеза трансурановых элементов.

С решением проблемы строения атома связан вопрос о природе химической связи. В. Коссель (1916) и Г. Льюис (1916) предложили первые электронные теории валентности и химической связи. Теория Косселя рассматривала образование ионной связи, теория Льюиса - ковалентной. Описательная сторона этих теорий, хорошо согласующаяся с моделью атома Бора и объясняющая некоторые характерные особенности химической связи, сохраняет в известной мере своё значение до сих пор. Выдвинутые позже концепции, в частности теория резонанса (Л. Полинг), позволяют получать некоторые качественные и полуколичественные данные о симметрии молекул, об эквивалентности тех или иных связей и структурных элементов в молекулах, о стабильности и реакционной способности молекул.

Однако только на основе квантовой механики удалось объяснить природу химической связи, точно рассчитать энергию связи для простейшей молекулы - молекулы водорода (нем. учёные В. Гейтлер и Ф. Лондон, 1927) - и многие физические параметры др. двухатомных и нескольких многоатомных молекул (H2O, HF, LiH, NH3 и др.), в том числе межатомные расстояния, энергии образования из атомов, частоты колебания в спектрах, электрические и магнитные свойства, насыщаемость и направленность связей.

Новейший этап развития химии характеризуется быстрой разработкой пространственных представлений о строении вещества, стереохимических концепций. Ещё в 1874-75 Ж. А. Ле Бель и Вант-Гофф высказали предположение, что 4 атома или радикала, связанные с атомом углерода, расположены не в одной плоскости, а в пространстве, по вершинам тетраэдра, в центре которого находится атом углерода. В связи с этим было расширено представление об изомерии, установлено несколько её видов и были заложены основы стереохимии. Для многих молекул были определены их стабильные пространственные конфигурации; в дальнейшем исследователи установили лабильные конформации молекул, возникающие в результате некоторого затруднения свободного вращения атомных групп вокруг простых связей.

Современная теоретическая химия основывается на общефизическом учении о строении материи, на достижениях квантовой теории, термодинамики и статистической физики. Применение методов квантовой механики к решению химических задач привело к возникновению квантовой Х. Её задачей стало решение волнового уравнения Шредингера для многоэлектронных систем молекул. Одним из первых результатов была теория валентных связей, ещё широко использовавшая традиционное представление о паре электронов как носительнице химической связи (Гейтлер, Лондон, Дж. Слэтер, Полинг). Затем был разработан метод молекулярных орбиталей (МО), рассматривающий целостную электронную структуру молекулы; каждая молекулярная орбиталь (волновая функция) учитывает вклад в неё всех электронных орбиталей атомов (см. метод молекулярных орбиталей). Наиболее распространённый вариант метода МО основанный на приближённом описании молекулярных орбиталей через линейную комбинацию атомных орбиталей (ЛКАО МО). В ряде случаев для простейших молекул на основе использования новейшей вычислительной техники могут быть проведены весьма сложные расчёты молекул без всяких предварительных упрощений задачи. На основе указанного метода рассчитываются энергетические и электронные параметры молекул (распределение электронной плотности, величина энергии, длина и порядок связей, некоторые физические свойства соединений). Метод МО получил ныне распространение в теории органической химии. В неорганической химии на основе его сочетания с теорией кристаллического поля (Х. Бете) возникла теория поля лигандов.

Квантовохимическое рассмотрение кинетических соотношений, установленных Аррениусом и Вант-Гоффом, привело к возникновению учения об абсолютных скоростях химических реакций, являющегося основой химической кинетики. Это позволило вычленить очень важную теоретическую проблему современной химии - вопрос о природе переходного состояния, промежуточного активированного комплекса, внутри которого происходят во многом ещё неясные процессы перестройки структуры молекул.

Детальное изучение кинетики и механизмов реакций, исследование элементарных актов химических взаимодействий - важная задача химической физики. Большое значение приобрели работы в области цепных реакций, основы теории которых были разработаны Н.Н.Семеновым и С. Хиншелвудом. Кинетические исследования сыграли важную роль в развитии технологии переработки нефти, горения топлива, синтеза высокомолекулярных веществ. Показана возможность химической фиксации азота при обычных температуре и давлении, что может существенно изменить будущую технологию.

Ядерные превращения и сопутствующие им физико-химические явления, продукты ядерных реакций, радиоактивные изотопы, элементы и вещества служат объектами изучения ядерной химии и радиохимии. Работы в этом направлении имеют большое значение для получения и извлечения атомного сырья, разделения изотопов, использования расщепляющихся материалов.

Взаимодействие вещества с излучением и частицами высоких энергий различной природы, приводящее к химическим превращениям, изучается радиационной химии. Воздействие радиации инициирует многие процессы, в том числе синтез высокомолекулярных соединений из мономеров. В частности, под действием света происходят фотохимические реакции. Фотохимия исследует как связывание энергии электромагнитного излучения (например, в фотосинтезе, осуществляемом зелёными растениями), так и многочисленные реакции синтеза и распада, изомеризации и перегруппировок, возникающие в ходе указанного взаимодействия. Для промышленного производства перспективно использование мощной энергии лазера.

В электрохимии накоплен большой материал по исследованию электролитов, их электропроводности, электрохимических процессов, создана электрохимическая кинетика, изучаются неравновесные электродные потенциалы, процессы коррозии металлов, разрабатываются новые химические источники тока. Успехи теоретической электрохимии позволили дать более прочную научную основу многим промышленным электрохимическим процессам.

Влияние магнитных полей на химическое поведение молекул рассматривается магнетохимией. Область термохимических исследований расширилась в результате изучения взаимодействия вещества с плазмой, в частности в целях использования в плазмохимической технологии. Становление плазмохимии относится к 60-м гг., когда были выполнены основополагающие работы в СССР, США и ФРГ.

Химические превращения совершаются во всех агрегатных состояниях вещества - в жидком, газообразном и твёрдом. Всё большую актуальность приобретают исследования химических реакций твёрдых тел (топохимические реакции).

В современной химии накапливаются данные о химической эволюции вещества во Вселенной, что позволяет составить общую картину эволюции природы. Современная ядерная физика и астрофизика сформировали представление о возникновении химических элементов. На основе изучения химии метеоритов, вулканических земных пород, лунного грунта постепенно вырисовывается картина химической дифференциации вещества на планетной стадии развития, в частности геохимической эволюции.

Обнаружение сложных органических молекул в межзвёздном пространстве, в метеоритах и древнейших горных породах Земли, а также модельные опыты по синтезу сложных органических веществ из простейших соединений (CH4, CO2, NH3, H2O) в условиях искрового разряда, радиоактивного и ультрафиолетового облучения позволили представить этапы химической эволюции материи, предшествовавшие возникновению жизни.

Геохимия вулканогенных и осадочных пород, гидрохимия, химия атмосферы, биогеохимия постепенно формируют представления о планетарных миграциях химических элементов, биохимия - о жизненных циклах. На основе этих данных всё более наполняется конкретным содержанием учение В. И. Вернадского о решающей роли процессов жизнедеятельности для понимания судьбы химических элементов на нашей планете.

Большие успехи сделала органическая химия. Так, разработаны автоматические методы синтеза многих белков; установлена структура ряда важных природных веществ - тетродотоксина, гемоглобина, аспартат-аминотрансферазы, содержащей 412 аминокислот, и др.; синтезированы сложнейшие природные соединения - хинин, витамин B12 и даже хлорофилл. Огромное влияние оказала органическая химия на развитие молекулярной биологии. Органическая химия легла в основу создания мощной индустрии тяжелого органического синтеза.

Химия полимеров, которая сформировалась в самостоятельную химическую дисциплину лишь в 30-х гг., изучает весь комплекс представлений о путях синтеза высокомолекулярных соединений, их свойствах и превращениях, а также о свойствах тел, построенных из макромолекул. Для современного этапа химии полимеров характерно углублённое изучение механизмов каталитической полимеризации, вызываемой металлоорганическими соединениями, в частности синтеза стереорегулярных полимеров, исследование микроструктуры высокомолекулярных соединений. Установлено, что свойства полимеров зависят не только от химического состава, строения и размеров макромолекул, но и в не меньшей степени от их взаимного расположения и упаковки (надмолекулярной структуры). Важным достижением явилось создание термостойких полимеров (кремнийорганических, полиимидов и др.). Успехи химии полимеров позволили создать такие важнейшие отрасли химической промышленности как производства пластмасс, синтетического каучука, химических волокон, лакокрасочных материалов, ионитов, клеёв и др.

На всех структурных уровнях организации живого важнейшую роль играют специфические химические процессы. Непрерывный обмен веществ в организме представляет собой сложнейшую систему согласованных химических реакций, осуществляемых с участием специфических белковых катализаторов - ферментов.

Воздействие химических процессов, происходящих во внешней среде, на сообщества организмов (биоценозы), химическая миграция элементов внутри экосистем, химическое стимулирование или подавление симбиотических или конкурентных видов исследуются в рамках химической экологии. Формирование поведения организмов в сообществах в значительной степени зависит от химических средств передачи информации (например, феромонов, используемых животными для привлечения или отпугивания др. особей, регуляции жизнедеятельности в семьях пчёл, муравьев и т.д.).

Традиционные для биохимии нейрохимические исследования переросли в новую отрасль знаний, изучающую влияния химических соединений на психические процессы; формируется т. н. молекулярная психобиология, связывающая молекулярную биологию с наукой о поведении.

 

2.3 Современные методы исследования в химии

С середины 20 в. происходят коренные изменения в методах химических исследований, в которые вовлекается широкий арсенал средств физики и математики. Классические задачи химии - установление состава и строения веществ - всё успешнее решаются с использованием новейших физических методов. Неотъемлемой чертой теоретической и экспериментальной химии стало применение новейшей быстродействующей вычислительной техники для квантовохимических расчётов, выявления кинетических закономерностей, обработки спектроскопических данных, расчёта структуры и свойств сложных молекул.

Из числа чисто химических методов, разработанных в 20 в., следует отметить микрохимический анализ, позволяющий производить аналитические операции с количествами веществ, в сотни раз меньшими, чем в методе обычного химического анализа. Большое значение приобрела хроматография, служащая не только для аналитических целей, но и для разделения весьма близких по химическим свойствам веществ в лабораторных и промышленных масштабах. Важную роль играет физико-химический анализ (ФХА) как один из методов определения химического состава и характера взаимодействия компонентов в растворах, расплавах и др. системах. В ФХА широко используются графические методы (диаграммы состояния и диаграммы состав - свойство). Классификация последних позволила уточнить понятие химического индивида, состав которого может быть постоянным и переменным. Предсказанный Курнаковым класс нестехиометрических соединений приобрёл большое значение в материаловедении и новой области - химия твёрдого тела.

Люминесцентный анализ, метод меченых атомов, рентгеновский структурный анализ, электронография, полярография и др. физико-химические методы анализа находят широкое применение в аналитической химии Использование радиохимических методик позволяет обнаружить присутствие всего нескольких атомов радиоактивного изотопа (например, при синтезе трансурановых элементов).

Для установления строения химических соединений важное значение имеет молекулярная спектроскопия, с помощью которой определяются расстояния между атомами, симметрия, наличие функциональных групп и др. характеристики молекулы, а также изучается механизм химических реакций. Электронная энергетическая структура атомов и молекул, величина эффективных зарядов выясняются посредством эмиссионной и абсорбционной рентгеновской спектроскопии. Геометрия молекул исследуется методами рентгеновского структурного анализа.

Обнаружение взаимодействия между электронами и ядрами атомов (обусловливающего сверхтонкую структуру их спектров), а также между внешними и внутренними электронами позволило создать такие методы установления строения молекул, как ядерный магнитный резонанс (ЯМР), электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), ядерный квадрупольный резонанс (ЯКР), гамма-резонансная спектроскопия. Особую роль по широте применения приобрела ЯМР-спектроскопия. Для выяснения пространственных характеристик молекул возрастающее значение приобретают оптические методы: спектрополяриметрия, круговой дихроизм, дисперсия оптического вращения. Разрушение молекул в вакууме под влиянием электронного удара с идентификацией осколков применяется для установления их строения методом масс-спектроскопии. Арсенал кинетических методов пополнился средствами, связанными с использованием ЭПР - и ЯМР-спектроскопии (химическая поляризация ядер), метода импульсного фотолиза и радиолиза. Это позволяет изучать сверхбыстрые процессы, протекающие за время 10-9 сек и меньше.

Для исследования космических объектов с успехом применяются методы спектрального анализа в различных диапазонах электромагнитного спектра. В частности, методами радиоастрономии в межзвёздном пространстве были обнаружены облака химических соединений, включающие такие относительно сложные молекулы, как формальдегид, тиомочевину, метиламин, цианацетилен и др. С развитием космических полётов методы экспериментальной химии стали применяться на внеземных объектах (Луна, Венера, Марс).


2.4 Химическая технология и тенденции её развития

Потребности общества породили химическую технологию. По выражению Бертло, химия начинает творить свой собственный объект исследования, создавая сотни тысяч неизвестных природе соединений. В развитии химической технологии исторически первыми были методы упрощения, разложения готовых природных форм: получение металлов из руд, выделение солей из сложных систем, перегонка древесины и др. подобные приёмы. Фундаментом химической технологии явилось производство исходных веществ для многих более сложных технологий: серной, соляной, азотной кислот, аммиака, щелочей, соды и некоторых др., составивших область основной химической промышленности. Второй крупнейший исторический этап в химической технологии характеризуется переходом к методам синтеза, получения всё более сложных систем, что базируется уже не только на эмпирических данных, но и на теоретическом понимании природы, строения и свойств химических веществ, закономерностей их формирования (см. химический синтез).

Синтетическая технология в химии эволюционирует от использования готовых природных веществ и материалов через их всё более сложную модификацию к получению новых химических продуктов, не известных в природе. Так, технология производства волокна начиналась с переработки природной целлюлозы, затем перешла к её химически модифицированным формам (вискоза, ацетатный шёлк) и в конечном итоге сделала скачок к синтетическим материалам на принципиально новой основе (полиэфиры, полиамиды, полиакрилонитрил). При этом отмечается более ускоренное развитие технологии синтетического волокна по сравнению с искусственным из природных полимеров.

Важная тенденция развития химической технологии - выход за исторически сложившиеся на нашей планете физико-химические условия, всё более широкое использование экстремальных условий необычных факторов: высокие температуры, сверхвысокие давления, воздействие плазмы, электрических и магнитных полей и излучений. Целью технологии становится получение веществ с необычными и весьма ценными свойствами: сверхчистых и сверхтвёрдых, жаростойких и жаропрочных материалов, полупроводников и люминофоров, фотохромов и термохромов, катализаторов и ингибиторов, биостимуляторов и медикаментов.

Наблюдается быстрое расширение источников химического сырья. В производственную сферу вовлекается всё большее число химических элементов (вплоть до трансурановых), достигается более полная комплексная переработка природных веществ, разрабатываются планы использования таких источников сырья, как Мировой океан. Усиление искусственного химического воздействия на природные процессы часто приводит к нарушению установившихся природных химических циклов, к их разрывам и деформациям. Это осложняет т. н. экологическую проблему - задачу сохранения и научного регулирования среды обитания. Существенным для решения этой задачи является создание замкнутых, безотходных химических производств, формирование регулируемых химических циклов в системе природа - общество как важная часть мероприятий по охране природы и окружающей среды.

Усиление роли химии как науки сопровождается интенсивным развитием фундаментальных, комплексных и прикладных исследований, ускоренной разработкой новых материалов с заранее заданными свойствами, новых технологических процессов. Одной из важнейших черт современного развития производительных сил является химизация народного хозяйства. См. также Химическая промышленность.

Научная работа в области химии проводится в институтах и лабораториях академий наук, в отраслевых институтах, а также в лабораториях университетов, технических вузов, промышленных объединений, фирм.

Международной организацией, осуществляющей связи между научными химическими центрами различных стран, является Международный союз теоретической и прикладной химии. См. также Химические научные общества и союзы, Химические конгрессы международные.

В СССР химиков объединяло Всесоюзное химическое общество им. Д. И. Менделеева. Общество регулярно проводит съезды по теоретической и прикладной химии и издаёт свои журналы.


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сегодня тысячи химических лабораторий проводят исследования для самых различных отраслей народного хозяйства, развивая коммерческую химию. Парфюмерия, производство самых разнообразных полимерных веществ, пластмасс, строительных материалов с заданными параметрами и множество других областей применения химии – основные потребители этих исследований.

Развитие химии носит и стратегический характер. Важное направление – получение дешевого альтернативного топлива. Не секрет, что запасы нефти и газа, основных на сегодняшний день источников энергии, уменьшаются с каждым днем. Поэтому именно на химию возложена проблема энергии будущего.

Современная химия – это фундаментальная система знаний, основанная на богатом экспериментальном материале и теоретических положениях. Химия занимает особое место среди естественных наук. На сегодняшний день известно более 20 миллионов химических веществ. Часть из них встречается в природе. Однако большинство химических веществ ранее вообще не существовало. Они были получены человеком в химических лабораториях. В этом состоит уникальность химии: она не довольствуется тем, что дано природой, а постоянно создает для себя все новые и новые объекты исследований.

Дальнейшее развитие химии предусматривает помимо всего прочего разработку экологически безопасных аналогов для применяемых сегодня технологий, которые негативно влияют на окружающую среду.

Неоспоримо, что сегодня химия занимает значительную часть в жизни человечества, еще более очевидно, что она - наука будущего.


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Арбузов А. Е., Краткий очерк развития органической химии в России, М. - Л., 1948
  2. Блох М. А., Хронология важнейших событий в области химии и смежных дисциплин и библиография по истории химии, Л. - М., 1940
  3. Быков Г. В., История органической химии, М., 1976
  4. Волков В. А., Вонский Е. В., Кузнецова Г. И. Выдающиеся химики мира. – М.: Высшая школа, 1991.
  5. Капустинский А. ф., Очерки по истории неорганической и физической химии в России, М. - Л., 1949
  6. Краткий справочник по химии, под ред. О. Д. Куриленко, 4 изд.. К., 1974
  7. Кузнецов В. И., Идлис Г. М., Гутина В. Н. Естествознание. – М.,1996.
  8. Лидин Р. А., Андреева Л. Л., Молочко В.А. Справочник по неорганической химии. – М.: Химия, 1987.
  9. Лурье Ю. Ю., Справочник по аналитической химии, М., 1962
  10. Мейер Э., История химии от древнейших времен до настоящих дней, пер. с нем., предисл. Д. И. Менделеева, СПБ, 1899
  11. Меншуткин Б. Н., Химия и пути ее развития, М. - Л., 1937
  12. Меншуткин Н. А., Очерк развития химических воззрений, СПБ, 1888
  13. Мусабеков Ю. С., Черняк А. Я., Выдающиеся химики мира. Биобибл. указатель, М., 1971
  14. Неницеску К. Д. Общая химия. Пер. с рум./ Под ред. Аблова А. В. – М.: Мир, 1968.
  15. Потеряхин В. А. Система химических элементов. – Уфа, 1999.
  16. Соловьёв Ю. И., Курашов В. И. Химия на перекрёстке наук. - М., 1989.
  17. Соловьев Ю. И., Очерки по истории физической химии, М., 1964
  18. Соловьев Ю. И., Эволюция основных теоретических проблем химии, М., 1971
  19. Справочник химика, под ред. Б. П. Никольского, 2 изд., т. 1-6, М. - Л., 1965-68
  20. Фигуровский Н. А., Очерк общей истории химии. От древнейших времен до начала XIX в., М., 1969
  21. Химическая энциклопедия: в 5 т. /Глав. ред. Кнунянц И.Л., Зефиров Н.С. – М.: Советская энциклопедия, Большая Российская энциклопедия, 1988–1998.
  22. Хьюи Дж. Неорганическая химия. Пер. с англ./ Под ред. Степина Б. Д., Лидина Р. А. – М.: Химия, 1987.

Сколько до сессии?
Декабря 2016 Января 2017
По Вт Ср Че Пя Су Во
1 2 3 4
5 6 7 8 9 10 11
12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 25
26 27 28 29 30 31
Поиск
Программы в помощь