Естестознание

1. Химия и современное естествознание
Краткие сведения о химии и химической технологии

2. Химия в общей иерархии естественных наук
• Ещё на первой лекции мы говорили о том, что Вселенная
условно может быть разделена на три большие области
• Микромир Макромир Мегамир
• Наука химия изучает то состояние и объекты материи,
которые лежат на грани соприкосновения макромира и
микромира.
• Иными словами химическая форма движенимя материи
частично описывается законами макромира, а частично
законами микромира.
• В то же самое время химия не охватывает полностью
явления ни макромира, ни микромира.

3. Атомно-молекулярный уровень организации материи
• На определённом этапе эволюции Вселенной элементар-
ные частицы формируют атомы. Из атомов, в свою оче-
редь, образуются молекулы.
• Химия изучает различные превращения, в которых атомы и
молекулы выступают в качестве действующих объектов.
• Вещества, с которыми имеет дело человек в своей повсе-
дневной жизни, состоят из «неделимых» атомов и молекул.
• Таким образом химия изучает различные изменения
веществ в окружающей нас жизни.
• Для нас, главным образом, химия является теоретической
базой, которая позволяет создавать новые вещества (но-
вые комбинации атомов и молекул) и менять их свойства
за счёт структуры и различных добавок.
• Это значит, что химия является теоретической базой
разных технологий.

4. Сколько частиц принимает участие в обычных химических
процессах
• На химическом уровне организации материи мы имеем де-
ло с большим числом атомов и молекул.
• Именно благодаря их большому числу микроскопические
законы, характерные для микромира, проявляются на
макроуровне.
• Так например, базовое химическое понятие валентность
является отражением на макроскопическом уровне микро-
скопических законов квантовой механики, которые харак-
терны для микроскопического уровня.
Химия разработала свой язык (систему понятий) которая
позволяет выразить очень сложные законы микроскопи-
ческого уровня в удобной и эффективной форме.

5. О связи химии с другими науками
• Традиционно химия связана с физикой и биологией.
• Связана она и с другими науками.
• Вспомним, что на прошлых лекциях мы широко использо-
вали термин геохимия.
• Химия, как база технологий, позволяет получать новые
вещества. Именно этим она, в первую очередь важна для
человеческой практики.
• С другой стороны химия исследует свойства различных
веществ.
• Д.И. Менделеев подчёркивал, что особенностью химии
является то, что она сама создаёт объекты для своих
исследований.

6. Что можно считать основной задачей химии
• Всякая наука решает множество задач.
• Среди этих задач есть наиболее важные и главные задачи,
которые связаны с решением всех основных вопросов,
которые стоят перед соответствующей наукой.
• Для химии, как науки занимающейся созданием новых
материалов, основным является вопрос о
прогнозировании их свойств и объяснение того, как и
почему эти свойства возникают.
• Это называют словом генезис.
• Зная то, как возникают свойства вещества, можно проекти-
ровать методы его получения, то есть технологию.
• Таким образом, основная задача химической науки состоит
в понимании генезиса свойств вещества и построении на
основе этого знания методов его получения.
• Химия стремится научиться получать вещества с
заданными свойствами.

7. Несколько слов об истории формирования химических
знаний и представлений
• Химия начала выделяться в отдельную науку в XVII веке.
• Большой вклад в формирование современной химической
науки внёс английский учёный Джон Дальтон, о котором
мы говорили на прошлой лекции.
• По мере развития химии постепенно менялись подходы
этой науки к решению задач. При этом возникали новые
задачи, а ряд старых задач формулировался заново.
• За прошедшие с XVII века годы в химии последовательно
возникло четыре подхода к разрешению стоявших перед
ней вопросов.
• В соответствии с этим принято говорить о том, что в
основе химии лежат четыре концептуальных подхода.

8. Основные концептуальные ступени современной химии
• На рисунке справа даны
четыре основные концеп-
туальные ступени совре-
менной химии.
• Исторически первая
ступень – это учение о
составе.
• Затем возникла структу-
рная химия.
• Далее следует учение о
химических процессах.
• Одно из новейших дости-
жений – эволюционная
химия.
• Что будет дальшемы не
знаем.
?
Эволюцю
Учение о процессах
Структурная химия
Учение о составе

9. Пояснения к предыдущему слайду
• На схеме предыдущего слайда отражены только важ-
нейшие и концептуальные ступени химии.
• Ряд очень существенных разделов, таких как геохимия,
биохимия, пищевая химия на схеме не отражены.
• Первая ступень отражает то, что основные свойства
вещества связаны с его составом.
• Вторая ступень учитывает то, что ряд важных свойств
вещества связан не только с его составом. Но и со струк-
турой – взаименым расположением атомов и молекул.
• Учение о химических процессах опирается на представ-
ления того раздела физики, который называется термо-
динамикой.
• О химических процессах на эволюционной ступени мы уже
не раз говорили в предыдущих лекциях.

10. Подробнее об учении о составе
• Учение о составе начинается
с самого простого- с учения
об элементе.
• Основные характеристики
всех элементов отражены в
таблице Менделеева.
• Вы знаете, что химических
элементов относительно не
много – немногим более 100.
• Структурной единицей
элемента является атом.
• Химическая индивидуаль-
ность элемента определяется
электрическим зарядом его
ядра.

11. Немного об атоме
• На рисунке справа самый
простой из известных
атомов – атом водорода.
• Положительный заряд Q
ядра принято записывать
в единицах заряда
электрона – e.
• Q=+Ze
• Целое число Z называется
атомным номером.
• Именно Z определяет хи-
мическую природу атома и
его место в периодической
системе.

12. Периодичность изменения свойств атомов
• Число электронов, вращающихся вокруг ядра, равно его
заряду Z.
• Электроны расположены слоями.
• Валентность атома определяется, прежде всего числом
электронов во внешней оболочке.
• Это число определяется законами квантовой механики.
• Оно меняется периодически и тем самым определяет
периодичность свойств атомов.

13. Образование молекул
• При сближении атомов
орбиты их внешних элек-
тронов начинают перекры-
ваться.
• Электроны обобщаются и
возникает химическая
связь.
• На снимке справа схема
образования молекулы
водорода из двух атомов.
• Возможность образования
связи зависит от взаимной
ориентации собственных
моментов вращения
электронов.

14. Молекулы и новые вещества
• Число атомов в молекуле
может быть разным.
• На снимке справа одна из
важнейших трёхатомных
молекул- молекула воды.
• Количество всевозможных
молекул очень велико.
• Оно исчисляется десятка-
ми тысяч.
• Соответственно столь же
велико и число различных
веществ.

15. Одни и те же атомы могут образовывать разные
молекулы.
• На верхнем рисунке спра-
ва показано, что водород и
кислород могут образо-
вать две молекулы: воду и
перекись водорода.
• На нижнем рисунке
показано, что углерод и
кислород тоже могут
образовывать разные
молекулы.
• Углерод характерен тем.
что с такими атомами, как
водород Н и кислород О
он может образовывать
очень много молекул.

16. Органические вещества
• Молекулы из большого
числа атомов характерны
для органических веществ.
• Они часто вытраиваются в
длинные цепи, образуя по-
лимеры.
• Органические молекулы
образуются на основе
атомов углерода – C.
• Относительно недавно
стали получать длинные
молекулы на основе
атомов аналога углерода –
атомов кремния Si.
• Они называются кремний-
полимерами.

17. Белковые молекулы
• Огромные многоатомные
молекулы белков – основа
жизни.
• Мы о них говорили в прош-
лом семестре.
• Для напоминания справа
схема части молекулы
ДНК.
• Эта молекула представ-
ляет из себя двухзаходную
(двойную) спираль.

18. Основные представления структурной химии
• На рисунке справа дана
схема расположения ато-
мов в молекуле зеркаль-
ного изомера.
• Мы говорили об этом в
лекции, посвящённой
симметрии.
• Такие молекулы простей-
ший пример молекул, где
свойста вещества зависят
от расположения атомов в
молекуле.

19. Пример процессов на структурном уровне химических
явлений
• На рисунке справа мы вос-
производим изменение
структуры молекулы родо-
псина при освещении.
• О роли этого изменения
мы говор ли в лекции
посвящённой органам
чувств.
• Именно эта реакция вы-
зывает появление сигнала
на окончании зрительного
нерва.
• Набор атомов в молекуле
не меняется – изменяется
их взаимное
расположение.

20. Наука о свойствах материалов
• На основе изучения химичес-
ких законов возникли науки,
которые описывают свойства
разных веществ (материалов).
• Это науки материаловедчес-
кого цикла: металловедение,
радиотехнические материалы,
материалы электронной тех-
ники, ядерные материалы и
т.д.
• Все эти науки опираются на
химию, а в части описания
свойств материалов и на
физику.

21. Основные агрегатные состояния вещества
• У каждого вещества есть
три основные агрегатные
состояния: газообразное,
жидкое и твёрдое.
• Они отличаются располо-
жением и средними рас-
стояниями между молеку-
лами.
• Газ занимает весь отведё-
нный ему объем. Расстоя-
ния между молекулами в
нём очень велики.
• Объемы жидкости и твёр-
дого тела не зависят от
объема сосуда, в который
они помещены. Это
конлденсированные
состояния.

22. О числе агрегатных состояний
• Три упомянутые на предыдущем слайде состояния
основные.
• Мы их наблюдаем при комнатных температурах.
• При очень высоких давлениях и высоких температурах у
вещества появляются и другие агрегатные состояния,
прежде всего плазма.
• Эти агрегатные состояния изучаются уже не химией, а фи-
зикой.
• Одно и то же агрегатное состояние вещества может иметь
несколько особых однородных областей – фаз.
• Каждая фаза имеет поверхность, которая отделяет её от
остального пространства (других фаз).
• Учение о фазах – это важнейшая часть материаловедения и
технологии.

23. Твёрдое тело
• Атомы или молекулы в
твёрдом теле занимают
строго определённые
места.
• Они образуют т.н. кри-
сталлическую решётку.
• В кристаллической решёт-
ке атомы (молекулы,ионы)
сидят в местах, которые
называются узлами.
• Кристаллическая решётка
• Обладает высокой сте-
пенью внутренней сим-
метрии.

24. О внешней симметрии твёрдого тела
• Внутренняя симметрия
кристаллической решётки
проявляется и во внешних
формах твёрдого тела.
• Эта симметрия выража-ется в
наличии особых плоскостей –
граней, и линий их
пересечения – ребер.
• Грани образуют т.н. гранные
углы.
• У одного и того же вещества
гранные углы всегда посто-
янны – закон постоянства
гранных углов (Гаюи).

25. Описание внешних форм кристаллов
• Все возможные внешние
формы кристаллов могут
быть описаны при помощи
строгих математических
законов.
• В создание соответствую-
щих представлений боль-
шой вклад внёс петербург-
ский учёный Гпадолин,
открывший элемент гадо-
линий.
• Оснвную же теорию соз-
дал петербургский учёный
Е.С. Фёдоров.

26. Изучение свойств кристаллов с точки зрения химии
• Кристаллы очень интересный объект. Они широко
используются в технике.
• Внешний облик кристаллов изучается наукой, называемой
кристаллография.
• Свойства кристаллов изучаются также в науке, которая
называется физика твёрдого тела.
• Обе эти науки относятся к физике.
• Однако, связь химических связей атомов с обликом кри-
сталлов , а также его свойствами, это уже проблема химии.
• Эта проблема составляет содержание науки кристалл-
охимия.
• В область интереса химии входит и технология получения
кристаллов с заданными свойствами.

27. В твёрдом теле существует несколько видов химической
связи между соседними атомами

28. Химические соединения, растворы и смеси
• Атомы разных элементов могут группироваться в
пространстве по разному.
• Самое простой случай для понимания – это химическое
соединение.
• В химическом соединении отношение числа атомов разных
элементов друг к другу строго фиксированы. Это т.н сте-
хиометрическое соотношение.
• Более того, в химическом соединении места атомов разно-
го сорта строго фиксированы.
• Если атомы одного элемента входят в окружение атомов
другого элемента в произвольном соотношении и
расположены в среде этих атомов хаотически, то мы имеем
дело с раствором.
• Если атомы разного сорта расположены в областях, имею-
щих поверхностные границы, то мы имеем смесь.

29. Различные варианты расположения разных атомов в
твёрдом теле

30. Жидкие растворы и смеси
• Жидкие растворы извест-
ны нам очень хорошо –
это, например, сахар в ста-
кане чая.
• Известно много смесей
типа твёрдых частиц в
жидкости, например, сме-
тана
• Чисто жидкие смеси явле-
ние достаточно редкое.
• На рисунке справа: вверху
процесс растворения, вни-
зу немсешивающиеся жид-
кости.

31. Практическое значение растворов и смесей
• Наличие растворов и смесей резко увеличивает
количество материалов, которые используются человеком.
• Плавно изменяя соотношение числа атомов разных эле-
ментов в растворах, можно целенаправленно и плавно из-
менять свойства вещества, что очень важно для многих
практических применений.
• Соотношения перемешиваемых частиц в смесях тоже яв-
ляются очень важным приёмом управления свойствами
материала.
• Растворы и смеси встречаются в нашей жизни на каждом
шагу. Это и пищевые продукты, и асфальт, и различные
строительные и конструкционные материалы.
• Изучение и получение материалов такого типа и является
содержание огромного количества химических практик.
• Физика изучает как происходит, а химия как сделать.