Химия – очень древняя наука. Согласно одной из теорий, слово «химия» происходит от древнего названия Египта — Klam и должно означать «египетское искусство». По другой версии слово «химия» произошло от греческого слова « cumoz» – сок растения и означает «искусство выделения соков». С химией связаны стихии древнегреческой натурфилософии и атомизм Демокрита.
Необходимо отметить существование особого «химического взгляда» на природу, который не может быть сведен к физическому. У химии давно обнаружены качества некоторого особого типа. Так, химические реакции « нельзя объяснить только действием сил электрического притяжения и отталкивания. Их действием объясняется лишь физическая сторона химического процесса. Химическая форма движения материи представляет собой процессы изменения частиц вещества, которые в конечном счёте определяются действием периодического закона»( химик А.А.Бутаков).
В химии можно выделить две основные задачи:
1) Получение необходимых для жизнедеятельности человека веществ с заданными свойствами. Современную материально-техническую базу производства на 90 % составляют только два вида веществ – металлы и керамика. Металлы необходимы для машиностроения, железных дорог, линий электропередач и т.д. Керамика широко используется на стройке зданий и сооружений, в изготовлении посуды, в тепло- и электроизоляции. Особые материалы нужны для сверхмощных двигателей и электрогенераторов, для транспорта на магнитной подушке, для ускорителей вывода грузов в космос – сверхтвёрдые, огнеупорные, термостойкие, сверхпроводящие.
2) Теоретическая задача исследования генезиса (происхождения) свойств вещества, исследование элементного и молекулярного состава веществ; исследование структуры молекул вещества; исследование термодинамических и кинетических условий химических процессов: исследование природы катализаторов, процессов самоорганизации (без участия человека) и эволюции химических соединений, то есть молекулярного уровня живого.
Учение о составе веществ является первым уровнем химических знаний. Большинство веществ состоит из молекул. Молекулы состоят из атомов. Атом – это сложная частица вещества, состоящая из положительного ядра и электронов. Химический элемент – это вещество, все атомы которого имеют одинаковый заряд ядра, но могут отличаться по массе (изотопы). Например, водород существует в виде трёх изотопов: 1H1, 1D2, 1T3 (водород, дейтерий, тритий). Молекула – это структурная единица вещества, обладающая свойствами этого вещества. Например, Н2 –молекула газа водорода, Н2О – молекула воды. В 1869г. русский химик Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907г.г.) составил таблицу всех известных в то время химических элементов — их бы
ло 62, распределив их по рядам и столбцам согласно валентности и атомарной массе вещества. Некоторые клетки оставались пустыми, так Менделеев предсказал открытые позднее элемент: галлий, германий, скандий. В настоящее время таблица заполнена уже до 114 номера.
Физически доступный слой Земли состоит в основном из 8 химических элементов:
кислорода содержится 47,0 %; кремния – 27,5%; алюминия – 8,8%; железа –4,6%; кальция- 3,6%; натрия – 2,7%; калия – 2,5%; магния – 2,1%. В космосе господствуют только два химических элемента – водород и гелий, то есть в космосе нет Жизни!
Живая природа базируется только на шести (6) химических элементах, которые называются ОРГАНОГЕНАМИ: углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера составляют 97,4% всей массы любого живого организма. Следующие 12 элементов обязательно участвуют в физиологических процессах, обеспечивая нормальную жизнедеятельность организма. Это (в порядке убывания ) — натрий, калий, кальций, магний, алюминий, железо, кремний, хлор, медь, цинк, кобальт, никель – составляют 1,6% массы любого живого организма. Ещё 1% содержит 20 (!) других химических элементов. Итого, для Жизни в земных условиях достаточно 38 химических элементов! Главный из них углерод. Исследования последних лет ХХ века показали, что в давнее время, когда на Земле создались условия для появления первых самовозрождающихся молекул, могла возникнуть Жизнь на основе кремния — система прошла точку бифуркации – на Земле осталась углеродная Жизнь. Углерод удерживает внутри себя самые редкие химические противоположности, реализует их единство. Углерод участвует во всех типах химической связи: ковалентной, ионной, смешанной, водородной, метал-лической – и встречается в природе в виде алмаза ( прозрачный самый твёрдый кристалл из четырёхвалентного углерода, тетраэдрическая кубическая решётка с координационным числом 4), угля (непрозрачное пластинчатое кристаллическое вещество из двухвалентного углерода), графита (непрозрачное кристаллическое вещество из одновалентного углерода), сажи – из печной трубы- ( мелкодисперсное вещество, не имеющее кристаллической структуры, атомная Ван – дер — Ваальсова связь). Органогены азот N, фосфор P, сера S, водород Н, кислород О входят в состав макромолекул живого непосредственно, а железо Fe и магний Mg составляют активные центры ферментов, которые служат живыми катализаторами. Ферменты функционируют только внутри живых систем. Поэтому все попытки использовать ферменты для ускорения химических процессов в неорганическом мире (создать Живое из Неживого, из смеси исходных химических элементов, составляющих живое) не удаются.
В природе не существует отдельных простых химических элементов, а все они находятся в виде соединений. В природе сейчас насчитывается около 8 млн. химических соединений. Из них 96% являются органическими, то есть содержат углерод, и состоят фактически из 6-18 химических элементов (и только!). Из оставшихся других 90 элементов природа в условиях Земли создала около 300тыс. неорганических (без углерода) соединений.
Швед Иенс Берцелиус(1779-1848г.г.) указывал, что «структура молекул возникает за счёт взаимодействия разноимённо заряженных атомов». Француз Шарль Жерар(1816-1856г.г.) уточняет: атомы не просто взаимодействуют – они преобразуют друг друга. Русский химик Александр Михайлович Бутлеров (1828-1886г.г.) создаёт теорию химического строения, применяет для объяснения образования новых молекул ещё и энергию реакции. Современная химия объясняет природу химической связи с помощью квантовой механики и выделяет пять типов химических взаимодействий, или химических сил.
1) Ковалентная связь осуществляется при обобществлении валентных электронов
двумя соседними атомами. Это можно представить так, что электрон каждого из атомов молекулы проводит некоторое время у ядра другого атома, чисто квантовый эффект, не имеющий классического объяснения. Пример — молекулы Н 2, О2, СО.
2) Ионная связь осуществляется электростатическим взаимодействием атомов при переходе электрона от одного атома к другому, то есть при образовании из атомов положительных и отрицательных ионов. Пример – молекулы NaCl, KBr.
3) Водородная связь осуществляется в молекулах, содержащих атом водорода –Н 2О, NH 3. В таких молекулах линейная связь атомов ( Н – О- Н ) невозможна знергетически, но молекула образуется в случае коленообразной формы. Для молекулы воды между связями ОН образуется угол 104,5 0, а для молекулы аммиака между связями NH3 образуется угол 107,5 0.
4) Металлическая связь проявляется в металлах. Металлы имеют кристаллическую структуру. В узлах кристаллической решётки находятся положительные ионы, так как внешние, валентные электроны могут меняться местами и находиться около соседних атомов, блуждая таким образом по всему кристаллу, создавая в кристалле «электронный газ». Волновая функция валентных электронов «размазана» по всему кристаллу. Если к металлу приложить разность потенциалов, электроны начнут двигаться направленно, то есть возникнет электрический ток – металлы обладают хорошей электропроводностью. Пример – медь, алюминий.
5) Ван-дер-Ваальсова связь проявляется между нейтральными молекулами газов, жидкостей и твёрдых тел. Связь слабая, так как она обусловлена незначительным смещением электронных оболочек соседних атомов. Этими силами объясняется отклонение реальных газов от идеальных, а также тот факт, что молекулярные кристаллы легко деформируются. Примеры- воздух как реальный газ, вода, инертные газы (неон, аргон, криптон, ксенон ), СО2, большинство органических соединений ( парафин, спирт, резина ), а также графит, решётка которого состоит из параллельных плоскостей, в которых атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников. Эти плоские слои связаны ван-дер-ваальсовыми силами, поэтому графит мягкий.
Довольно часто в твёрдых телах одновременно осуществляется несколько видов связи.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ
1) Что изучает химия?
2) Каковы задачи химии на современном уровне?
3) Что такое атом? химический элемент? молекула?
4) Какой принцип был положен Д.И.Менделеевым в основу построения таблицы химических элементов?
5) Чем отличается мир органических молекул от неорганических?
6) Чем объясняется разнообразие веществ, состоящих из одинакового набора химических элементов?