Тема № 3.1 Место химии в естествознании
1. Исторические этапы развития химии
Культурно-цивилизационные истоки возникновения и развития химии. Химия – это естественная наука, изучающая химические свойства и превращения материи, сопровождающиеся изменением ее состава и строения. Она также изучает условия, при которых эти превращения происходят. В настоящее время химия представляет собой высокоупорядоченную, постоянно развивающуюся систему знаний о химических элементах и их соединениях, энергетике химических процессов, реакционной способности веществ, катализаторах и т. д.
В рамках первобытного общества происходит зарождение протохимии, первоначальное накопление знаний которой осуществлялось в области ремесленной прикладной химии: высокотемпературные процессы (металлургия, стеклоделие, керамика); получение красителей (минеральных и органических), косметических средств, лекарств, ядов, освоение бальзамирования; использование брожения для переработки органических веществ.
В Античности в рамках естествознания наблюдается физико-биолого-химический синкретизм. Натурфилософы того времени обращали свои взоры на органический мир и строили первые умозрительные схемы, объяснявшие его происхождение и развитие. На основе этих умозрительных представлений сложились два противоположных подхода к решению вопроса о происхождении жизни.
Первый, религиозно-идеалистический подход исходил из того, что возникновение жизни на Земле не могло осуществиться естественным, объективным, закономерным образом; жизнь является следствием Божественного творческого акта (креационизм), и потому всем существам свойственна особая, независимая от материального мира «жизненная сила» (vis vitalis), которая и направляет все процессы жизни (витализм).
Наряду с таким идеалистическим подходом еще в древности сложился и материалистический подход, в основе которого лежало представление о том, что под влиянием естественных факторов живое может возникнуть из неживого, органическое из неорганического (Анаксимандр, Эмпедокл).
В эпоху эллинизма появляется алхимия, которая складывалась на основе слияния прикладной химии египтян с греческой натурфилософией, мистикой и астрологией (золото соотносили с Солнцем, серебро – с Луной, медь – с Венерой и т. д.) (II–VI вв.) в александрийской культурной традиции, представляя собой форму ритуально-магического (герметического) искусства. Алхимия – это попытка найти способ получения благородных металлов. Алхимики считали, что ртуть и сера разной чистоты, соединяясь в различных пропорциях, дают начало металлам, в том числе и благородным. В реализации алхимического рецепта предполагалось участие священных или мистических сил (частицы Бога или дьявола, надъестественного бытия, в котором проявления человеческого мира теряют свою силу), а средством обращения к этим силам было слово (заклинание, молитва) – необходимая сторона ритуала. Поэтому алхимический рецепт выступал одновременно и как действие, и как священнодействие.
В средневековой алхимии (ее расцвет пришелся на ХIII–XV вв.) выделялись две тенденции. Первая – это мистическая алхимия, ориентированная на «химические» превращения (в частности, ртути в золото) и в конечном счете на доказательство возможности человеческими усилиями осуществлять космические превращения (давать человеку могущество над духами, воскрешать из мертвого (палингенезия) и, наконец, искусственно создать одушевленное существо – андроида, или гомункулуса). В русле этой тенденции арабские алхимики сформулировали идею «философского камня» – гипотетического вещества, ускорявшего «созревание» золота в недрах земли; это вещество заодно трактовалось и как эликсир жизни, исцеляющий и дающий бессмертие.
Вторая тенденция была больше ориентирована на конкретную практическую технохимию. В этой области достижения алхимии несомненны. К ним следует отнести открытие способов получения серной, соляной, азотной кислот, селитры, сплавов ртути с металлами, многих лекарственных веществ, создание химической посуды и т. д.
Деятельность алхимика опиралась на некоторую совокупность «теоретических» представлений и образов. В их основе представление о том, что исходное материальное начало – первичная материя – хаотична, бесформенна и потенциально содержит в себе все тела, все минералы и металлы. Порожденные первоматерией тела уже не исчезают, но зато могут быть превращены друг в друга. Между первоматерией и отдельными порожденными ею материальными телами есть два промежуточных «звена».
Первое звено – всеобщие качественные начала – мужское («сера») и женское («ртуть», или «меркурий»); в XV в. к ним добавили еще одно начало – «соль» (движение). При этом следует иметь в виду, что такие названия ни в коем случае нельзя смешивать с общеупотребительными. Так, «сера» в металлах обозначает цвет, горючесть, твердость, способность соединяться с другими металлами, тогда как «меркурий» значит блеск, летучесть, плавкость, ковкость. Что же касается «соли», то этим именем обозначали принцип, соединяющий «серу» с «меркурием», подобно жизненному началу, связывающему дух с телом. Второе звено – это состояния первоэлементов: земля (твердое состояние тела), огонь (лучистое состояние), вода (жидкое состояние), воздух (газообразное состояние), квинтэссенция (эфирное состояние). Алхимики полагали, что в результате взаимодействия качественных начал и состояний первоэлементов можно осуществлять любые трансмутации веществ.
Среди алхимиков наряду с шарлатанами и фальсификаторами было немало искренне убежденных в реальности всеобщей взаимопревращаемости веществ крупных мыслителей – Р. Луллий (ок. 1235 – ок. 1315), А. де Виланова (ок. 1240 – ок. 1310), Альберт Великий (ок. 1193–1280), Фома Аквинский (1225–1274), Бонавентура (1221–1274) и др. Почти невозможно в Средние века отделить друг от друга деятельность, связанную с химией, и деятельность, связанную с алхимией. Они переплетались самым теснейшим образом.
Отражением главной ориентации той эпохи – ориентации на человека, на совокупность его ближайших потребностей, и прежде всего на решение медицинских проблем, – было быстрое развитие биологического познания. В сторону человека развернулась даже алхимия, результатом слияния алхимии с медициной стала ятрохимия. Основоположник ятрохимии Парацельс (1493–1541) утверждал, что настоящие цели алхимии заключаются не в изготовлении золота, а в приготовлении лекарств.
Во второй половине XVII в. алхимическая традиция постепенно исчерпывает себя. В XVII–XVIII вв. химия постепенно становится наукой о качественных изменениях тел, происходящих в результате изменения их состава, оформляется классическая химия.
Все это происходит на фоне развития технической химии (металлургия, стеклоделие, производство керамики, бумаги, спиртных напитков; труды Г. Агриколы (1494–1555), И. Глаубера (1604–1670), Б. Палисси (ок. 1510–1590) 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 т. д.), вещества с замечательными свойствами (например, фосфор). Развитие ремесла и промышленности обусловливает постоянную потребность в определенных химикатах – селитре, железном купоросе, серной кислоте, соде, что дает импульс к созданию химических производств, а это, в свою очередь, стимулирует развитие научной химии.
Новому пониманию предмета химического познания способствовало возрождение античного атомизма. Здесь важную роль сыграли труды французского мыслителя П. Гассенди (1592–1655). Он критически воспринимал картезианское понимание материи, теорию вихрей Декарта, считая, что будущее естествознания связано с программой атомизма. Гассенди возродил 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 полагал, что материя сама по себе пассивна и движение вносится в нее извне, Богом, то Гассенди считал материю активной. По его мнению, атомы обладают и энергией, благодаря которой движутся или постоянно стремятся к движению. В этом Гассенди шел 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. Бойль (1627–1691), который считал, что химия должна быть не служанкой ремесла или медицины, а самостоятельной наукой.
Во второй половине XVII в. Р. Бойль дал первое научное определение понятия «химический элемент». Бойль исходил из представления о том, что качественные характеристики и превращения химических веществ могут быть объяснены с помощью понятия о движении, размерах, форме и расположении атомов. Он разработал не только теоретические, но и экспериментальные основы химии, обосновал метод химического эксперимента. В трудах Бойля заложены основы аналитической химии (качественный анализ, применение различных индикаторов, например лакмуса, для распознавания веществ и т. д.), сформулирован фундаментальный физический закон, согласно которому объем газа обратно пропорционален изменению давления.
Превращение химии в подлинную науку завершилось во второй половине XVIII в., когда формулируются химические основы атомно-молекулярной теории. Именно в это время происходит ряд идей, обосновавших данную теорию: закон сохранения массы вещества при химических реакциях (М.В. Ломоносов (1711–1765), А. Лавуазье (1743–1794)), атомистическая теория Дж. Дальтона (1766–1844) и закон кратных отношений (Дж. Дальтон, Й. Берцелиус (1779– 1848)).
В работе «Элементы математической химии» (1741) М.В. Ломоносов обосновал атомно-молекулярные представления в химии и сформулировал корпускулярно-кинетическую теорию, в которой разграничил две ступени в строении вещества: элементы (в современном понимании – атомы) и корпускулы (молекулы), В основу лег принцип прерывности строения (дискретности) вещества: любое вещество состоит из отдельных частиц.
Благодаря введению А. Лавуазье в научный обиход химии количественных методов химия получает, наконец, прочную опору для дальнейшего развития. Лавуазье показал, что все явления в химии, прежде считавшиеся хаотическими, могут быть систематизированы и сведены в закон сочетания элементов, старых и новых. К уже установленному до него списку элементов (металлы, углерод, сера и фосфор) он добавил новые – кислород, который вместе с водородом входит в состав воды, а также и другой компонент воздуха – азот. В соответствии с новой системой химические соединения делились в основном на три категории – кислоты, основания, соли. Лавуазье рационализировал химию и объяснил причину большого разнообразия химических явлений: она заключается в различии химических элементов и их соединений.
Лавуазье раз и навсегда покончил со старой алхимической номенклатурой, основанной на случайных ассоциациях – «винное масло», «винный камень», «свинцовый сахар» и т. д. Он ввел (при активном участии К. Бертолле) новую номенклатуру, которая исходила из того, что каждое химическое вещество должно иметь одно определенное название, характеризующее его функции и состав. С помощью ряда великолепно задуманных и проведенных экспериментов Лавуазье смог также показать, что живой организм действует точно таким же образом, как и огонь, сжигая содержащиеся в пище вещества и высвобождая энергию в виде теплоты.
Следующий важный шаг в развитии научной химии был сделан Дж. Дальтоном (1766–1844). Изучая химический состав газов, он исследовал весовые количества кислорода, приходящиеся на одно и то же весовое количество вещества (например, азота) в различных по количественному составу окислах, и установил кратность этих количеств. Так был открыт закон кратных отношений. Дальтон правильно объяснил этот закон атомным строением вещества и способностью атомов одного вещества соединяться с различным количеством атомов другого вещества. При этом он ввел в химию понятие атомного веса.
В 1808 году Дальтон изложил свою атомистическую гипотезу в труде "Новая система химической философии". Основные положения его теории состояли в следующем:
1. Все вещества состоят из большого числа атомов (простых или сложных).
2. Атомы одного вещества полностью тождественны. Простые атомы абсолютно неизменны и неделимы.
3. Атомы различных элементов способны соединяться между собой в определённых соотношениях.
4. Важнейшим свойством атомов является атомный вес.
И тем не менее в начале XIX в. атомно-молекулярное учение в химии с трудом пробивало себе дорогу. Понадобилось еще полстолетия для его окончательной победы. На этом пути был сформулирован ряд количественных законов (закон постоянных отношений Пруста, закон объемных отношений Гей-Люссака, закон Авогадро, согласно которому при одинаковых условиях одинаковые объемы всех газов содержат одно и то же число молекул), которые получали объяснение с позиций атомно-молекулярных представлений.
Для экспериментального обоснования атомистики и ее внедрения в химию много усилий приложил Й. Берцелиус (1779–1886). В течение 1808–1812 он получил новые доказательства закона кратных отношений и связал атомистическую теорию с обширными и разнообразными химическими фактами. В 1818 году полностью изложил свою теорию пропорций, к этому времени определив атомные массы 46 элементов и установив процентный состав приблизительно 2000 соединений.
Окончательную победу атомно-молекулярное учение (и опирающиеся на него способы определения атомных и молекулярных весов) одержало на I Международном конгрессе химиков (1860) в Карлсруэ (Германия). Система химических представлений легла в основу так называемой атомно-молекулярной теории, основные положения которой заключались в следующем.
1. Все вещества состоят из молекул, которые, в свою очередь, состоят из атомов.
2. Атомы и молекулы находятся в непрерывном движении.
3. Атомы представляют собой мельчайшие, далее не делимые составные части молекул.
Атомно-молекулярные представления утвердились в 60-х гг. XIX в. В этот период А.М. Бутлеров (1828–1886) создал теорию строения химических соединений, а Д.И. Менделеев открыл периодический закон (периодическая система химических элементов Менделеева).
В 1861 г. А. М. Бутлеров выступил на съезде врачей и естествоиспытателей в г. Шпейере с докладом «О химическом строении тел», в котором изложил основы теории химического строения органических соединений. Под химическим строением ученый понимал порядок соединения атомов в молекулах. Главные положения этой теории следующие:
1.Атомы в молекулах соединены друг с другом в определённой последовательности. Изменение этой последовательности приводит к образованию нового вещества с новыми свойствами.
2.Соединение атомов происходит в соответствии с их валентностью.
3.Свойства веществ зависят не только от их состава, но и от «химического строения», то есть от порядка соединения атомов в молекулах и характера их взаимного влияния. Наиболее сильно влияют друг на друга атомы, непосредственно связанные между собой.
В ХХ в. атомно-молекулярная теория была дополнена электронной теорией строения вещества, которая заключается в следующем.
1. Соединяются между собой только такие элементы, атомы которых имеют незаполненные внешние атомные орбитали (валентные сферы), обладающие определенной валентностью и вследствие чего проявляющие неустойчивость. Атомная орбиталь – одноэлектронная волновая функция в сферически симметричном электрическом поле атомного ядра, задающаяся главным n, орбитальным l и магнитным m квантовыми числами. Название «орбиталь» отражает геометрическое представление о движении электрона в атоме; такое особое название отражает тот факт, что движение электрона в атоме описывается законами квантовой механики и отличается от классического движения по траектории. Совокупность атомных орбиталей с одинаковым значением главного квантового числа n составляют одну электронную оболочку. В квантохимической теории химического строения основными параметрами, определяющими индивидуальность молекулы, являются ее электронная и пространственная (стереохимическая) конфигурации. Под электронной конфигурацией понимается формула расположения электронов по различным электронным оболочкам атома химического элемента или молекулы. Пространственная конфигурация (стереоизомерия) характеризуется различным пространственным расположением атомов в молекуле при одинаковом порядке их связей между собой. Различают оптическую и геометрическую стереоизомерию. Оптическая изомери?я (энантиомерия) – разновидность пространственной изомерии, которая выражается способностью некоторых веществ поворачивать плоскость поляризованного луча в противоположные стороны. Оптическая изомерия свойственна молекулам органических веществ, не имеющим плоскости симметрии, которые относятся друг к другу как предмет к своему зеркальному отражению. Геометрическая изомерия (в органической химии) – явление, заключающееся в существовании соединений, различающихся только расположением заместителей относительно плоскости двойной связи или цикла.
2. В образовании химической связи между атомами главную роль играют электроны, расположенные на внешней оболочке и связанные с ядром наименее прочно, так называемые валентные электроны.
3. Химическая связь представляет собой такое взаимодействие, которое связывает отдельные атомы в молекулы, ионы, кристаллы. Различают следующие основные типы химической связи: ковалентная, ионная, металлическая, координационная и водородная.
4. Природа химической связи объясняется взаимодействием электрических полей, создаваемых электронами и ядрами атомов, которые участвуют в образовании химического соединения.
Во второй половине ХХ в. оформляется квантовая химия, рассматривающая строение и свойства химических соединений на атомарном уровне (моделях электронно-ядерного строения и взаимодействий, представленных с точки зрения квантовой механики), реакционную способность, кинетику и механизм химических реакций на основе принципов квантовой механики. Разделами квантовой химии являются: квантовая теория строения молекул, квантовая теория химических связей и межмолекулярных взаимодействий, квантовая теория химических реакций и реакционной способности. С этим направлением химиинеразрывно связана вычислительная химия – дисциплина, использующая математические методы квантовой химии, адаптированные для составления специальных компьютерных программ, применяемых для расчета молекулярных свойств, амплитуды вероятности нахождения электронов в атомах, симуляции молекулярного поведения.
С появлением электронной и квантовой теории строение вещества начала оформляться неклассическая химия.
2. Объект, предмет и основные разделы химии
Объектом химии выступает материя, предметом – элементы ее строения и процессы, возникающие между ними.
Природная реальность состоит из химических элементов (совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра и числом протонов, совпадающим с порядковым (атомным) номером в таблице Менделеева) классифицируются на металлы (золото, платина, серебро, железо, медь, алюминий, кальций, ртуть и т. д.) и неметаллы (сера, фосфор, углерод, азот, хлор, кислород и т. д.)), обладающих определенными свойствами. Химическое соединение или смесь химических соединений, добываемых в природе или полученных промышленным путем именуется химическим веществом. Вещества в обычных условиях могут быть твердыми, жидкими и газообразными (агрегатное состояние). Большинство веществ, находящихся в естественных условиях, состоят в соединениях друг с другом, т.е. являются сложными веществами. Незначительное число элементов в природе находится в свободном состоянии (кислород, серебро, сера и некоторые другие).
Превращение одного или нескольких исходных веществ (реагентов) в отличающиеся от них по химическому составу или строению вещества (продукты реакции) – химическая реакция, которые подразделяют на простые и сложные. В свою очередь, выделяют четыре типа простых химических реакций:
1. Химические реакции соединения: из нескольких простых или сложных веществ образуется одно сложное.
2. Химические реакции разложения: из сложного вещества образуется несколько простых или сложных веществ.
3. Химические реакции замещения: атом простого вещества замещает один из атомов сложного.
4. Химические реакции обмена: сложные вещества обмениваются своими составными частями.
Однако очень многие реакции не укладываются в приведённую простую схему. Например, химическая реакция между перманганатом калия (марганцовкой) и иодидом натрия не может быть отнесена ни к одному из указанных типов. Такие реакции, обычно, называют окислительно-восстановительные реакции. Их характерной особенностью является изменение степени окисления, по крайней мере, пары атомов: окисление одного (потеря электронов) и восстановление другого (присоединение электронов).
Химические реакции подчиняются всеобщим законам природы – закону сохранения массы вещества и закону сохранения энергии. Закон сохранения массы (М. Ломоносов, А. Лавуазье) в химических процессах можно сформулировать так: сумма масс исходных веществ (соединений) равна сумме масс продуктов химической реакции. Например, при разложении воды масса воды будет равна сумме массы водорода и массы кислорода. Из закона сохранения вещества вытекает, что вещество нельзя ни создать из ничего, ни уничтожить совсем. Количественным выражением закона сохранения массы веществ применительно к производственному химическому процессу является материальный баланс, в котором подтверждается, что масса веществ, поступивших на технологическую операцию (приход), равна массе полученных веществ (расход).
Закон постоянства состава, сформулированный Ж.Л. Прустом (1754–1826) в 1801–1808 гг., гласит: любое определенное химически чистое соединение, независимо от способа его получения, состоит из одних и тех же химических элементов, причем отношения их масс постоянны, а относительные числа их атомов выражаются целыми числами.
Закон кратных отношений, открытый в 1803 г. Дж.Дальтоном, исходит из следующего утверждения: если один и тот же элемент образует несколько соединений с другим элементом, то на одну и ту же массовую часть первого элемента будут приходиться такие массовые части второго, которые относятся друг к другу как небольшие целые числа.
Закон объемных отношений, установленный Ж.Л. Гей-Люссаком (1778–1850), в 1808 г., гласит, что при постоянном давлении и температуре объемы газов, вступающих в химическую реакцию, находятся в простых отношениях друг к другу и к объемам газообразных продуктов реакции, то есть отношение объемов, в которых газы участвуют в реакции, соответствует отношению небольших целых чисел.
Закон Авогадро, сформулированный ещё в 1811 г. профессором физики в Турине А. Авогадро (1776–1856), говорит, что «в равных объёмах различных газов, взятых при одинаковых температуре и давлении, содержится одно и то же число молекул».
Периодический закон Менделеева – фундаментальный закон, устанавливающий периодическое изменение свойств химических элементов в зависимости от увеличения зарядов ядер их атомов. Графическим (табличным) выражением этого закона явилась разработанная Менделеевым Периодическая система элементов.
Закон сохранения энергии действует во всех случаях и повсюду, где одна форма энергии переходит в другую, например, при переходе энергии пара в турбине в энергию вращательного движения, т. е. механическую энергию, при переходе электрической энергии в электрической лампочке в световую и т. д. Так же как нельзя ни уничтожить, ни создать вещество, нельзя ни создать, ни уничтожить энергию.
Специфическим видом энергии является химическая энергия, которая освобождается или расходуется при каждой химической реакции. Химическую энергию, как и любой вид энергии, можно превратить в механическую (использование взрывчатых веществ), тепловую (сжигание топлива), электрическую (гальванические элементы) и т. п. Измерить химическую энергию непосредственно нельзя. Ее величина определяется как величина тепловой энергии в килоджоулях (кДж).
К началу XX в. внутри самой химии четко различаются два раздела: общая и неорганическая химия и органическая химия. Предметом изучения общей и тесно связанной с ней неорганической химии стали химические элементы, образуемые ими простейшие неорганические соединения и их общие законы (прежде всего, периодический закон Менделеева).
Органическая химия окончательно сложилась в самостоятельную науку во второй половине XIX в. Этому способствовало получение большого эмпирического и теоретического материала о соединениях углерода и его производных. Определяющим фактором для всех органических соединений являются особенности валентного состояния углерода – способность его атомов связываться между собой как одинарной, так и двойной, тройной связью в длинные линейные и разветвленные цепи. Благодаря бесконечному многообразию форм сцепления углеродных атомов, наличию изомерии и гомологических рядов почти во всех классах органических соединений возможности получения этих соединений практически безграничны.
Сильный толчок развитию неорганической химии дали проникновение в недра атома и изучение ядерных процессов. Поиски элементов, наиболее пригодных для расщепления в ядерных реакторах, способствовали исследованию малоизученных и синтезу новых элементов с помощью ядерных реакций. Изучением их свойств, а также физико-химических основ и химических свойств радиоактивных изотопов, методикой их выделения и концентрации занялась радиохимия, возникшая во второй четверти XX в.
В XX в. многие разделы органической химии стали постепенно превращаться в большие, относительно самостоятельные ветви со своими объектами изучения. Так появились химия элементоорганических соединений, химия полимеров, химия высокомолекулярных соединений, химия антибиотиков, красителей, душистых соединений, фармакохимия.
Характерный для новейшей химии, как и для всей науки XX в., процесс глубокой внутренней дифференциации в значительной степени связан с открытием качественного многообразия химических веществ. Их строение, превращения и свойства стали предметом изучения специальных разделов химии – электрохимии, химической кинетики, химии полимеров, химии комплексных соединений, коллоидной химии, химии высокомолекулярных соединений, структурной химии.
3. Химические свойства природной реальности
Химические свойства природной реальности исследуются основными методами химии: методом химического синтеза и методом химического анализа.
Под методом химического синтеза понимают производство сложных соединений из исходных элементов (например, производство искусственного каучука, камфоры и т. д.). Материалы, полученные в результате синтеза, называют синтетическими. Химическое разложение, в результате которого получаются простейшие вещества, называется химическим анализом. Все известные на сегодня элементы в систематизированном виде в соответствии с периодическим законом, открытым Д.И. Менделеевым, расположены в периодической системе химических элементов.
Химический анализ включает в себя:
спектральный анализ – совокупность методов определения состава объекта на основании изучения спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения, радиации, акустических волн, распределения по массам и энергиям элементарных частиц и т. д. Традиционно различают атомный и молекулярный спектральный анализ, «эмиссионный» по спектрам испускания и «абсорбционный» по спектрам поглощения, а также «масс-спектрометрический» по спектрам масс атомарных или молекулярных ионов. Спектральный анализ по оптическим спектрам атомов был предложен в 1859 г. Г. Кирхгофом (1824–1887) и Р. Бунзеном;
хроматографию – метод разделения и анализа смесей веществ, а также изучения физико-химических свойств веществ. Основан на распределении веществ между двумя фазами – неподвижной и подвижной (элюентом). Название метода связано с первыми экспериментами по хроматографии, в ходе которых в 1900 г. русский разработчик метода М. Цвет разделял ярко окрашенные растительные пигменты. Традиционно хроматография делится на два вида – газовую (газожидкостная и газотвердофазная) и жидкостную (жидкостно-жидкостная, жидкостно-твердофазная, жидкостно-гелевая);
полярографию – один из важнейших электрохимических методов анализа и исследования. Предложен Я. Гейровским (1890–1967) в 1922 г. Измеряют предельный ток, величина которого пропорциональна концентрации определяемого вещества. Величину предельного тока находят по кривой зависимости силы тока от приложенного напряжения (такая кривая называется полярограммой). Для получения полярограммы нужно, чтобы поверхность катода была значительно меньше поверхности анода. Полярография применяется для количественного определения ряда ионов (кадмий, цинк, свинец и т. д.), некоторых органических веществ;
масс-спектрометрию – это метод исследования вещества путем определения отношения массы к заряду (качества) и количества заряженных частиц, образующихся при том или ином процессе воздействия на вещество. История масс-спектрометрии ведется с основополагающих пионерских опытов Дж. Томсона в начале ХХ в. Вторую часть «-метрия» термин получил после повсеместного перехода от детектирования заряженных частиц при помощи фотопластинок к электрическим измерениям ионных токов.
Существенное отличие масс-спектрометрии от других аналитических физико-химических методов состоит в том, что оптические, рентгеновские и некоторые другие методы детектируют излучение или поглощение энергии молекулами или атомами, а масс-спектрометрия непосредственно детектирует сами частицы вещества.
Исследование возможностей химического синтеза способствовало популяризации такого направления как структурная химия (раздел, область химии, изучающая связь различных физических и физико-химических свойств различных веществ с их химическим строением и реакционной способностью; рассматривает не только геометрическое строение молекул; изучению подвергаются длины химических связей, валентные углы, координационные числа, конформации и конфигурации молекул; эффекты их взаимного влияния, ароматичность). Ее особое место среди других направлений современной химии определяется необходимостью исследования структурного многообразия химических соединений.
Исследования в области современной структурной химии идут по двум перспективным направлениям: синтез кристаллов с максимальным приближением к идеальной решетке для получения материалов с высокими техническими показателями – максимальной прочностью, термической стойкостью, долговечностью в эксплуатации и т. д.; создание кристаллов с заранее запрограммированными дефектами для производства материалов с заданными электрическими, магнитными и другими свойствами.
Получаемые изомеры (химические соединения, одинаковые по составу и молекулярной массе, но различающиеся по строению и свойствам (химическим и физическим)) и полимеры (неорганические и органические, аморфные и кристаллические вещества, состоящие из «мономерных звеньев», соединённых в длинные макромолекулы химическими или координационными связями) имеют важное промышленное значение. Химические превращения, в результате которых структурные изомеры превращаются друг в друга, называется изомеризацией, а мономеры в полимеры – полимеризацией.
Можно выделить следующие методы структурной химии:
1. Рентгеноструктурный анализ (рентгенодифракционный анализ) – один из дифракционных методов исследования структуры вещества. В основе данного метода лежит явление дифракции рентгеновских лучей на трехмерной кристаллической решётке.
2. Нейтронография – дифракционный метод изучения атомной и/или магнитной структуры кристаллов, аморфных материалов и жидкостей с помощью рассеяния нейтронов.
3. Газовая электронография – метод изучения строения молекул, при котором коллимированный поток электронов направляется вдоль сравнительно длинной вакуумированной трубы, в которую сбоку впрыскивается исследуемое вещество (газообразное или превращающееся в газ в момент впрыскивания).
4. Микроволновая спектроскопия – методика определения геометрического строения молекул по микроволновым спектрам, обусловленным переходами между вращательными энергетическими уровнями.
Эффективное воплощение технические возможности структурной химии получают в промышленности: машиностроении, текстильной промышленности, сельском хозяйстве и медицине, автомобиле- и судостроении, авиастроении, в быту (текстильные и кожевенные изделия, посуда, клей и лаки, украшения и другие предметы).
Современная химия продолжает свое динамичное развитие. В последние годы значительных успехов химики достигли в разработке молекулярного дизайна химических соединений с заданными свойствами (направленная генерация структур химических соединений (молекулярных графов), которые, в соответствии с теми или иными моделями, должны обладать одним либо набором заранее заданных свойств).
Значительный прорыв произошел: в области исследования химических реакций в реальном масштабе времени с помощью фемтосекундной спектроскопии (за работы в этой области А. Зивэйл (р. 1946 г.) получил Нобелевскую премию по химии (1999 г.)) и, тем самым, создается новый раздел химии – фемтохимия, который изучает химические процессы в фемтосекундном временном диапазоне (10-15 – 10-12 секунды); в магнетохимии (раздел физической химии, который изучает зависимость между магнитными свойствами и химическим строением веществ, а также влияние магнитного поля на химические свойства веществ (как то: растворимость и прочие) и на их реакционную способность) спиновой химии (раздел магнетохимии, который вводит в химию магнитные взаимодействия. Будучи пренебрежимо малыми по энергии, магнитные взаимодействия контролируют химическую реакционную способность и пишут новый, магнитный «сценарий» реакции).
отрасль промышленности, включающая производство продукции из углеводородного, минерального и другого сырья путём его химической переработки), состоящей из специализированных отраслей: горнохимическая промышленность, промышленность химических волокон, промышленность синтетических смол и пластических масс, промышленность пластмассовых изделий, лакокрасочная промышленность, промышленность химических реактивов и особо чистых веществ, промышленность синтетических красителей, химико-фотографическая промышленность, промышленность бытовой химии, другие отрасли (производство химпоглотителей, кремнийорганических соединений и других продуктов). Четыре отрасли составляют нефтехимическую промышленность: производство синтетического каучука, производство продуктов основного органического синтеза, сажевая промышленность, резиноасбестовая промышленность.
Актуальные знания в химии и химической технологии (наука о процессах, методах и средствах массовой химической переработки сырья и промежуточных продуктов) востребованы производственным сектором экономики, особенно химической промышленностью (отрасль промышленности, включающая производство продукции из углеводородного, минерального и другого сырья путём его химической переработки.), состоящей из 14 специализированных отраслей. 10 из них составляют собственно химическую промышленность: горнохимическая промышленность, промышленность химических волокон, промышленность синтетических смол и пластических масс, промышленность пластмассовых изделий, лакокрасочная промышленность, промышленность химических реактивов и особо чистых веществ, промышленность синтетических красителей, химико-фотографическая промышленность, промышленность бытовой химии, другие отрасли (производство химпоглотителей, кремнийорганических соединений и других продуктов). Четыре отрасли составляют нефтехимическую промышленность: производство синтетического каучука, производство продуктов основного органического синтеза, сажевая промышленность, резиноасбестовая промышленность.
|