Здравствуйте, Гость! Войти или Может быть Вы Забыли пароль?
 
 

 




 

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ХИМИИ

Термин «химия» египетского происхождения - в глубокой древности Египет называли Страной Кеми - Черной Землей. Жрецы Древнего Египта были выдающимися мастерами химических ремесел, а химию постепенно стали называть «египетской наукой».

За двести лет до нашей эры в городе Александрии Египетской уже существовала Академия наук, где «священному искусству химии» было отведено особое здание, храм Сераписа - храм жизни, смерти и исцеления.

Много позднее, в начале I века нашей эры арабы-химики ввели вместо названия «химия» другое – «алхимия». Полагают, что это слово ближе к понятию «благородная химия», так как алхимию считали «искусством превращения неблагородных металлов (железа, свинца, меди) в благородные» - золото и серебро с помощью особого вещества – «философского камня».

Одним из основателей алхимии считают Зосиму, уроженца греческого города Панополиса, жившего в IV веке нашей эры в Александрии Египетской и обучавшего слушателей Академии.

В своих сочинениях Зосима неоднократно упоминал имя легендарного учителя алхимиков Гермеса и называл его Гермесом Трисмегистом - трижды величайшим, повелителем душ и магом богоравным. Сочинения, приписываемые Гермесу, по-видимому, относились к V-VI веку до нашей эры.

С самого начала зарождения алхимии, с первых лабораторий египетских жрецов, это была секретная наука, полная мистики. Алхимики шифровали свои результаты, изъяснялись особым аллегорическим языком, непонятным для непосвященных. Правда, в то время не существовало привычных ныне символов химических элементов и химических формул веществ, никто не составлял уравнения реакций. Кроме того, алхимики, которые искали способы получения золота из простых металлов, боялись, что кто-то раскроет их секреты

Самый просвещенным из алхимиков своего времени был немецкий епископ Альберт фон Больштедт - Альберт Великий (1193-1280). Он написал Свод правил, где говорилось, что алхимик «должен быть молчаливым и скромным и никому не сообщать результатов своих операций; он должен жить в отдельном от людей доме. Альберт Великий, как и другие его современники-алхимики, считал, что все металлы сотворены из ртути, что ртуть – «материя» металлов, а их окраску определяют четыре «духа» - ртуть, сера, мышьяк и нашатырь (хлорид аммония NH4Cl).

Тем не менее алхимия была исторически первой наукой, соединившей теорию и эксперимент. В течение почти двух тысячелетий - со времен Зосимы до XVII века нашей эры - алхимики провели многочисленные эксперименты по превращению веществ. Из этих экспериментов потом и выросла наука химия.

Алхимисты получали и очищали самые различные вещества, смешивали их по указанию аптекаря.  Вместе с аптекарем они принимали участие в анализе и экспертизе («надкушивании») новых лекарств. В XVIII веке название профессии «алхимист» постепенно заменяется на «химик».

Ятрохимия (иатрохимия) - направление в медицине 16 –18 вв., представители которого рассматривали процессы, происходящие в организме, как химические явления, болезни как результат нарушения химического равновесия, и ставили задачу поиска химических средств их лечения.

Основоположником этого учения считается Парацельс (1493-1541). Под таким выбранным им самим именем («превосходящий Цельса») вошел в историю швейцарский врач Филипп фон Гогенгейм. Парацельс, как и Авиценна, считал, что основная задача алхимии - не поиски способов получения золота, а изготовление лекарственных средств. Принцип, которого придерживались все ятрохимики, состоял в том, что медицина есть дело химии, и все зависит от способности врача выделять чистые начала из нечистых субстанций. В рамках этой схемы все функции организма сводились к химическим процессам, и задача алхимика заключалась в нахождении и приготовлении химических веществ для медицинских нужд.

Основными представителями ятрохимического направления были Ян Гельмонт (1577-1644), по профессии врач; Франциск Сильвий (1614-1672), пользовавшийся как медик большой славой и устранивший из ятрохимического учения «духовные» начала; Андреас Либавий (ок. 1550-1616), врач из Ротенбурга. Их исследования во многом способствовали формированию химии как самостоятельной науки.

Во второй половине XVII в. алхимическая традиция постепенно исчерпывает себя. В течение более чем тысячи лет алхимики исходили из уверенности в неогра­ниченных возможностях превращений веществ, в том, что любое вещество можно превратить в любое другое вещество. И хотя на долгом пути развития алхимии были получены неположительные результаты (описание многих химических превращений, откры­тие некоторых веществ, конструирование приборов, химической посуды, аппаратов и др.), тем не менее главные цели, которые ста­вили перед собой алхимики (искусственное получение золота, се­ребра, «философского камня», гомункула и др.), оказались недо­стижимыми. Все более укреплялось представление о том, что су­ществует некоторый предел, граница взаимопревращения веществ. Этот предел определяется составом химических веществ. В XVIIXVIII вв. химия постепенно становится наукой о качественных изменениях тел, происходящих в результате изменения их соста­ва (состав -> свойства ->функции).

Все это происходит на фоне развития технической химии (ме­таллургия, стеклоделие, производство керамики, бумаги, спирт­ных напитков) (в трудах Г. Агриколы, И. Глаубера, Б. Палисси и др.) и открытия новых химических веществ. Начиная с XV в. пред­ставление о мире химических веществ, соединений быстро рас­ширяется. Были открыты новые металлы (висмут, платина и др.), вещества с замечательными свойствами (например, фосфор).

Новому пониманию предмета химического познания способ­ствовало возрождение античного атомизма. Здесь важную роль сыграли труды французского мыслителя П. Гассенди. Он кри­тически воспринимал картезианское понимание материи, теорию вихрей Декарта, считая, что будущее естествознания связано с про­граммой атомизма. Гассенди возрождает представление о том, что вечная и бесконечная Вселенная состоит из постоянно движущих­ся атомов (различной формы, размеров, неизменных, неделимых и т.д.) и пустоты, которая является условием возможности дви­жения атомов и тел. Причем, если Декарт считал, что материя сама по себе пассивна и движение вносится в нее извне, Богом, то Гас­сенди считает материю активной. По его мнению, «атомы обладают и энергией, благодаря которой движутся или постоянно стре­мятся к движению». В этом Гассенди идет значительно дальше античных атомистов. Весьма важным в учении Гассенди было формулирование понятия молекулы, что имело конструктивное значение для становления научной химии.

Развитие и конкретное приложение идей атомизма к химии осуществил Р. Б о и л ь, который считал, что химия должна быть не служанкой ремесла или медицины, а самостоятельной нау­кой. Р. Боиль — инициатор организации Лондонского королев­ского общества, президентом которого он состоял с 1680 г. до самой смерти (1691).

А. Л. Л а в у а з ь е в кон­це XVIII в. (опираясь на открытия К.В. Шееле сложного состава воздуха и Дж. Пристли кислорода, 1774) разработал кислород­ную теорию горения. Лавуазье показал, что все явления в химии, прежде считавши­еся хаотическими, могут быть систематизированы и сведены в за­кон сочетания элементов, старых и новых. Лавуазье раз и навсегда покончил со старой алхимической но­менклатурой, основанной на случайных ассоциациях — «винное масло», «винный камень», «свинцовый сахар» и др. Он ввел (при активном участии К.Л. Бертолле) новую номенклатуру, которая исходила из того, что каждое химическое вещество должно иметь одно определенное название, характеризующее его функции и состав.

И тем не менее в начале XIX в. атомно-молекулярное учение в химии с трудом пробивало себе дорогу. В 1850—1870-е гг. на основе учения о валентности химической связи была разработана теория химического строения (А.М. Бут­леров, 1861), которая обусловила огромный успех органического синтеза и возникновение новых отраслей химической промыш­ленности (производство красителей, медикаментов, нефтепере­работка и др.), а в теоретическом плане открыла путь теории пространственного строения органических соединений — стерео­химии (Я.Х. Вант-Гофф, 1874). Во второй половине XIX в. скла­дываются физическая химия, химическая кинетика — учение о ско­ростях химических реакций, теория электролитической диссоци­ации, химическая термодинамика. Таким образом, в химии XIX в. сложился новый общий теоретический подход — определение свойств химических веществ в зависимости не только от состава, но и от структуры.

Развитие атомно-молекулярного учения привело к идее о слож­ном строении не только молекулы, но и атома. В начале XIX в. Эту мысль высказал английский ученый У. Праут на основе результа­тов измерений, показывавших, что атомные веса элементов крат­ны атомному весу водорода. Праут предложил гипотезу, согласно которой атомы всех элементов состоят из атомов водорода. Но­вый толчок для развития идеи о сложном строении атома дало великое открытие Д. И. Менделеевым (1869) периодической сис­темы элементов, которая наталкивала на мысль о том, что атомы не являются неделимыми, что они обладают структурой и их нельзя считать первичными материальными образованиями.

Химия – вполне самостоятельная часть естествознания. Однако эта единая, по существу, наука постепенно разделилась на более мелкие части. У каждой из них свои предметы и методы исследования.

Уже в 18 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 большинства их соединений.

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. В недрах неорганической химии постоянно возникают более мелкие подразделы, относящиеся к изучению химии либо отдельных классов соединений, либо конкретных элементов, например, химия кислот, химия фосфора, химия благородных газов.

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.

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

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 19 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.

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 русскому ученому Михаилу Васильевичу 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.

Грани между различными разделами химии размыты. Невозможно провести границу между неорганической и органической химией, поскольку обе науки изучают соединения углерода. Широко используется введение органических фрагментов с состав неорганических веществ и различных химических элементов, в том числе металлов – в состав органических. Аналитическая химия широко применяет различные физико-химические методы. В то же время существование физической химии невозможно без объектов неорганической и органической химии.

Химические реакции - это процессы, протекающие с образова­нием новых соединений.

На протекание химических реакций влияют такие характеристи­ки, как энергия, необходимая для перехода электронов от одного атома к другому; концентрация химических веществ; давление и тем­пература; наличие катализаторов; фазовое состояние (твердое, жид­кое и газообразное) веществ и т.д.

При образовании химических связей происходит выделение или поглощение энергии. Эти процессы полностью подчиняются закону сохранения вещества и энергии и началам термодинамики. Исходя из этих законов, возможность протекания химической реакции опре­деляется максимальной работой, производимой данной реакцией при достижении химического равновесия, за вычетом совершае­мой работы против внешнего давления (воздействия).

Изучение химических процессов позволяет сделать вывод, что все их многообразие может быть сведено к реакциям, идущим до полного превращения исходных веществ, и реакциям, протекающим в обоих направлениях, например образование и последующий распад продуктов реакции (реакция Белоусова-Жаботинского). Подавляю­щее число химических процессов идет по обратимому пути. Но мно­жество реакций, применяемых людьми, необратимы; в этом случае продуктами реакций являются вещества, находящиеся в ином фазо­вом состоянии, чем исходные продукты реакции. Например, при взаимодействии жидкостей выделяется газообразное вещество или выпадает нерастворимый осадок (твердое состояние).

Обратимые реакции при определенных стабильных внешних ус­ловиях достигают состояния химического равновесия. В этом случае скорости протекания прямой и обратной реакций равны друг другу. Открытый в 1884 г. французским ученым А.Л.Ле Шателье принцип утверждает, что «если на систему, находящуюся в истинном равнове­сии, воздействовать извне, изменяя какое-либо из условий, опреде­ляющих положение равновесия, то в системе усилится то из направ­лений процесса, которое ослабляет эффект этого воздействия, и по­ложение равновесия сместится в том же направлении». Проявлени­ем принципа Ле Шателье могут служить реакции, связанные с выде­лением тепла. Если такую химическую систему подвергнуть нагреву, то реакция будет идти в обратную сторону, т.е. поглощать энергию.

К настоящему времени выделено много новых природных соединений: алкалоидов и терпенов из растений, антибиотиков из микроорганизмов и грибов, пептидов и полинуклеотидов из организмов животных и человека. Основная задача физической органической химии — установление связи между физическими, прежде всего спектральными, хими­ческими свойствами органических соединений и их молекулярной структу­рой. Не менее важная задача заключается в выяснении строения проме­жуточных продуктов и установлении влияния растворителя, катализатора, температуры и т.п. на механизм реакции.

Синтез новых органических веществ позволяет получить полезные и цен­ные материалы, отсутствующие в природе. Например, ежегодно в мире син­тезируют тысячи килограммов аскорбиновой кислоты (витамина С). Не­сколько десятилетий назад стратегия синтеза основывалась на последова­тельном осуществлении уже известных химических реакций. С пониманием глубинных процессов механизма реакций появилась возможность реализа­ции новых способов синтеза. В качестве примера можно назвать твердофазный синтез пептидов, который проводится на нерастворимом полимерном носителе с ковалентной связью. Пептиды образуются при последовательном добавлении аминокислоты. Такой способ применяется для получения важ­ных гормонов и пептидов-биорегуляторов.

В настоящее время синтез органических соединений осуществляется при разных давлениях. С повышением давления можно сместить равновесие в сторону образования продуктов с очень компактной структурой. Так реали­зуется, например, одна из стадий синтеза алкавинона — ценного продукта для получения некоторых лекарственных препаратов. При давлении 15 000 атм и комнатной температуре хинон взаимодействует со сложным бу­тадиеновым эфиром заданного строения, при этом образуется нужный для химической промышленности бициклический сложный эфир. Такой способ синтеза позволяет почти полностью исключить образование нежелательных побочных продуктов.

Современные достижения в органическом синтезе особенно наглядны в производстве лекарственных препаратов. Например, синтезированные про-стагландины из семейства жирных кислот, содержащие 20 углеродных ато­мов и пятичленный цикл, обладают свойствами гормонов и оказывают мощ­ное и разнообразное воздействие на организм, начиная от регулирования кровотока и кончая стимуляцией родовой деятельности. В организме простагландины синтезируются из исходного вещества — полинеопредельных жирных кислот, содержащихся в пище млекопитающих. Те же кислоты слу­жат исходным продуктом в синтезе другого семейства соединений —- лейкотриенов — перспективного лекарственного препарата для лечения многих за­болеваний, в том числе и астмы. Ближайшие задачи органического синтеза связаны с получением безвредных антибиотиков, лекарственных средств против гипертонии, язвенных болезней и т.п.

В последние десятиле­тия подъем неорганической химии наблюдается на стыке смежных отраслей естествознания — химии металлоорганических и бионеорганических соеди­нений, химии твердого тела, биогеохимии и др. Неорганические элементы и соединения, как показывают экспериментальные наблюдения последнего времени, играют важную роль в живых системах, которые нельзя считать чисто органическими. Они весьма чувствительны к ионам металлов почти всей периодической системы элементов Менделеева. Некоторые ионы при­нимают участие в таких жизненно важных процессах, как связывание и транспорт кислорода (железо в гемоглобине), поглощение и конверсия со­лнечной энергии (магний в хлорофилле, марганец в фотосистеме, железо в ферродоксине, медь во фталоцианине), обмен электрическими импульсами между клетками (кальций, калий в нервных клетках), мышечное сокращение (кальций), ферментативный катализ (кобальт в витамине В12) и др.

Важнейший предмет изучения быстроразвивающейся неорганической химии биосистем — строение ближайшего и дальнего окружения атомов меаллов и его изменение под воздействием кислотных агентов, давления кис­лорода и других факторов.

Быстро развивается еще одна отрасль — химия элементоорганических соединений. Для исследования сложнейших структур и связей таких соедине­ний применяются новейшие методы спектроскопии и рентгеноструктурного анализа, позволившие открыть большое семейство соединений со сложной структурой. Пример подобных соединений — синтезированный ферроцен — вещество, атомы железа которого расположены между двумя плоскими цик-лопентадиенильными кольцами.

Химики-металлоорганики стремятся создать новые катализаторы для фиксации азота, т.е. для превращения молекулярного азота в аммиак — исходный продукт для производства удобрений. Одно из важных до­стижений химиков-органиков — синтез соединений, способных избиратель­но взаимодействовать с теми молекулами, которые долгое время считались слишком инертными для химических превращений, но представляли и пред­ставляют практический интерес

По мере роста числа необычных металлоорганических. соединений раз­мывается граница между органической и неорганической химией. Часто многие синтезированные соединения находят применение в органическом синтезе. С участием металлоорганических соединений осуществляются важные промежуточные стадии многих органических реакций. Данные соединения богаты электронами, поэтому в природе они играют роль посредника во многих процессах переноса электронов.

Композиционные структуры. Сравнительно новая отрасль химической науки — химия композиционных структур — позволила синтезировать из двух или более веществ композиты, свойства которых превосходят свойства каждого из их компонентов.

 Важнейшая задача химика-синтети­ка — добиться селективности в органическом синтезе, т.е. научиться осу­ществлять строго определенное структурное изменение в молекуле, превра­щая ее в конечный продукт заданного строения. Для решения такой доволь­но трудной задачи нужно изучить реакционную способность реагентов для каждого типа связи — хемоселективность, создать при взаимодействии реа­гентов их правильную ориентацию — региоселективность и заданную пери­одическую пространственную конфигурацию — стереоселективностъ.

Фотохимический синтез основан на действии излучения. После поглощения энергии молекула переходит в возбужденное энергетическое состояние. Химические свойства молекулы существенно за­висят от свойств поглощенного света, при котором константа диссоциации кислот изменяется на 5—10%, окислительные и восстановительные процессы кардинально изменяются и даже химически инертные вещества могут стать реакцинноспособными.

В результате фотохимического синтеза получены многие биологически активные соединения.

Биосинтез. Среди природных веществ есть регуляторы роста растений и насекомых, органические соединения, используемые насекомыми в качестве средств коммуникации, пестициды, антибиотики, витамины и многие целеб­ные вещества. Природное соединение сначала необходимо обнаружить, затем выделить его химическим путем, потом определить его структуру и свойствами наконец, произвести заданный синтез.

Катализ — ускорение химической реакции в присутст­вии веществ — катализаторов, которые взаимодействуют с реагентами, но в реакции не расходуются и не входят в состав конечных продуктов. При гомо­генном катализе исходные реагенты и катализатор находятся в одной фазе (газовой или жидкой), при гетерогенном — газообразные или жидкие реа­генты взаимодействуют на поверхности твердого катализатора. Катализ обусловливает высокие скорости реакций при небольших температурах, предпочтительное образование определенных продуктов из ряда возмож­ных. Каталитические процессы являются основой многих химико-технологи­ческих процессов, например, производства серной кислоты, некоторых полимеров, аммиака. Большинство процессов, происходящих в живых орга­низмах, также являются каталитическими

Способы оплаты Поддержка Пользовательское соглашение Обратная связь О проекте Статьи Каталог работ
  Рейтинг@Mail.ru 2004 - 2015 «Шпаргалки.ру»