Предмет химии. Задачи и значение химии. Место химии в естествознании

Д. И. Менделеев в 1871 г. в своих знаменитых «Основах химии» дал точное определение химии: «Химия — это учение об элементах и их соединениях».

Химия тесно связана с физикой. «И эти две науки, — писал М. В. Ломоносов, — так соединены между собой, что одна без дру­гой в совершенстве быть не могут». Химия соприкасается также с другими естественными науками и особенно с геологией и био­логией. На границе между химией и геологией возникла наука геохимия, изучающая распространенность и миграцию химичес­ких элементов в различных системах Земли. Между химией и биологией сформировались биохимия, бионеорганическая и био­органическая химия, изучающие химические процессы в живых организмах. Космохимия изучает состав космических тел и миг­рацию элементов во Вселенной.

Веществ очень много: в настоящее время известно более 4 млн. органических и свыше 100 тыс. неорганических. Для облег­чения их изучения их классифицируют по различным призна­кам. Так, все известные вещества можно разделить на три груп­пы: простые, сложные и смеси. Существуют многие другие Классификации веществ.

Важнейшая задача химии — получение веществ с заранее заданными свойствами и интенсификация промышленных про­изводств, создание безотходных технологий. Не менее важная задача ее — исследование энергии химических превращений.

Химию, изучаемую в средней общеобразовательной школе, можно разделить на три большие части: общую, неорганическую и органическую.

Химию можно назвать индустрией чудесных превращений. Она позволяет синтезировать материалы, которых нет в природе, использовать их для создания всевозможных машин и приборов, для строительства жилищ и производства товаров народного по­требления.

Химическая промышленность выпускает синтетический каучук, пластические массы, искусственное волокно, искусст­венное топливо, красители, лекарственные вещества и многое другое.

В больших количествах производятся продукты основной хи­мической промышленности — кислоты, щелочи, соли.

В сельском хозяйстве широко применяются минеральные удобрения, химические средства защиты растений и регуляторы их роста, химические добавки в корма животных и консерванты кормов, многие полимерные материалы.

С использованием химических методов получают материалы, являющиеся основой индустриализации страны, а также осу­ществляют их защиту от коррозии.

Возможности химии неисчерпаемы. Только из нефти можно получить свыше 20 тыс. органических веществ, а из каменного угля еще больше. Безгранично ее применение для производства широкого ассортимента товаров народного потребления. В наше время химическая промышленность выпускает продукцию более 50 тыс. наименований.

Исключительно велико значение химии в научном понима­нии картины мира. Химия подтвердила общие законы развития природы, общества и познания.

Глубокое знание химии необходимо специалистам всех отрас­лей экономики. Химия, наряду с физикой и математикой, состав­ляет основу профессиональной подготовки специалистов высокой квалификации.

Химия и охрана окружающей среды

В конце XX века человечество столкнулось с серьезной про­блемой вредного воздействия промышленности, транспорта, энергетики на окружающую среду. Это воздействие проявляется в глобальных масштабах. Происходит загрязнение среды обита­ния человека вредными отходами производства, выделяется из­быточная энергия, истощаются природные ресурсы. Отрицатель­ными следствиями этих процессов являются загрязнение воды и атмосферы, изменение климата в отдельных регионах Земли, уменьшение площадей пахотных земель (из-за загрязнения, эро­зии, образования пустынь), вымирание многих видов животных и растений, ухудшение здоровья людей.

Наука, которая изучает отношение растительных и живот­ных организмов, в том числе и человека, с окружающей средой, получила название экологии. Экология имеет тесную связь с хи­мией. С одной стороны, химическое воздействие на окружающую среду наносит ей большой вред, но, с другой стороны, предупре­дить деградацию природы можно путем использования химичес­ких методов.

Химия и химическая промышленность являются одним из наиболее существенных источников загрязнения окружающей среды. Другими наиболее неблагоприятными в экологическом отношении производствами являются черная и цветная метал­лургия, автомобильный транспорт и энергетика (главным обра­зом тепловые станции).

Каковы основные источники загрязнения среды обитания че­ловека? Прежде всего отметим, что источники загрязнения быва­ют газообразными, жидкими и твердыми. Газообразные отходы производства образуются при сгорании топлива, выплавке метал­лов и в других процессах. Большой выброс вредных газов дают автомобильные двигатели внутреннего сгорания. Газообразные отходы содержат оксид углерода (IV) СО₂, оксид углерода (II) СО, оксид серы (IV) SO₂, оксиды азота и другие вредные вещества. В состав газообразных выбросов может входить пыль, содержащая углерод в виде сажи, и другие компоненты. В процессе сжигания топлива расходуется кислород из атмосферы, что также неблаго­приятно сказывается на людях, особенно в тех местностях, где мало растений, вырабатывающих кислород.

Другой источник загрязнения окружающей среды — про­мышленные и бытовые сточные воды. Многие производства тре­буют больших количеств воды для промывки, охлаждения и дру­гих целей. После использования вода сбрасывается в водоемы. Сточные воды могут содержать многие неорганические соедине-

ния, в том числе ионы таких металлов, как ртуть, цинк, кадмий, медь, никель, хром и другие. Не менее опасно присутствие в сточ­ных водах различных органических соединений. Химические ве­щества, содержащиеся в воде, попадают в реки, озера и моря, проникают в грунтовые воды, выносятся на поля. В результате эти вредные вещества появляются в питьевой воде и пище челове­ка и животных, могут привести к отравлению и смерти, вызвать глубокие генетические изменения в организме.

Если сточные воды содержат безобидные, на первый взгляд, примеси, например хлорид натрия или сульфат натрия, то и они могут принести большой вред окружающей среде, вызывая засо­ление водоемов и почвы.

Третий источник загрязнения — твердые отходы. К ним от­носятся различные отходы, которые невозможно пустить на пере­работку, пустая порода — отходы горнодобывающей промышлен­ности, строительный и бытовой мусор и т.д.

Для решения задач в области охраны окружающей среды не­обходимо осуществить комплекс мер, многие из которых решают­ся путем применения химических, физико-химических, физи­ческих и биологических методов. Важнейшие направления работ, которые проводятся для снижения отрицательного воздей­ствия производственной деятельности, следующие:

Действующие производства

1. Разработка систем очистки выбрасываемых газов и сточных вод.

2. Разработка технологий переработки твердых отходов. Эти от­ходы часто являются ценным сырьем, содержащим отходы пластмасс, металлов, стекла, бумаги и других веществ. Многие твердые отходы или побочные продукты являются источником сырья для производства строительных материалов.

Новые предприятия

1. Разработка и создание малоотходных и полностью безотходных технологий. Для решения этой задачи необходимо проводить полную очистку всех выбросов, утилизировать и пускать обрат­но в производство все отходы и побочные продукты.

2. Разработка технологий, которые наиболее экономично расхо­дуют сырье, топливо, энергетические ресурсы. Это существен­но снизит нагрузку на окружающую среду.

3. Создание производственных процессов, которые не используют вредные химические вещества, а также не дают такие вещества в качестве побочных продуктов.

Охрана окружающей среды — глобальная проблема, захваты­вающая интересы всего мира, так как невозможно даже в крупной стране локализовать вредные последствия развития производст­ва. Поэтому в настоящее время в области экологии развивается международное сотрудничество, многие проблемы решаются путем совместных действий различных государств.

Вещество

Вещество представляет собой однородный (гомогенный) вид материи, т.е. такой материи, каждая частица которой имеет оди­наковые физические свойства (качества). Так, например, молоток или клещи имеют, правда, различные величину и форму, но оба предмета сделаны из железа, имеют одни и те же физические свойства, и вещество их одинаково.

Понятие вещества и понятие материала в данном случае при­близительно совпадают.

В химическом смысле под веществом мы подразумеваем ма­терию абсолютно чистую, т.е. без всяких примесей. Атомы хими­ческих элементов могут существовать в свободном виде при очень высоких температурах — это одинаковые атомы, или в составе простых и сложных веществ.

Например, простое вещество уголь образовано атомами эле­мента углерода, простое вещество железо — атомами элемента железа, простое вещество азот — атомами элемента азота.

По агрегатному состоянию вещества делятся на твердые, жид­кие и газообразные; по происхождению вещество может быть природным (например, каменная соль) и искусственным (вещест­во отсутствует в природе и синтезировано химическими или фи­зическими способами, например, трансурановые элементы, неко­торые пластмассы).

Из молекул состоят вещества в газообразном и парообразном состоянии; жидкости (вода, спирт, эфир и др.); твердые вещества, кристаллическая решетка которых имеет молекулярную струк­туру.

Рис.1. Схематическое изображение ионной связи.

Однако не всякое вещество состоит из молекул. В веществах, имеющих атомное или ионное строение, носителями химических свойств являются не молекулы, а комбинации ионов или атомов, которые образуют данное вещество. Не имеют молекулярной структуры соли, металлы, оксиды металлов, алмаз, кремний.

Атом — это электронейтральная частица, состоящая из поло­жительно заряженного атомного ядра и отрицательно заряжен­ных электронов.

Ионы образуются из атомов, например при образовании ион­ной связи.

При этой связи из нейтральных атомов образуются атомы электрически заряженные — так называемые ионы. Если нагляд­но изобразить, например, реакцию соединения натрия с хлором (рис. 1), то мы увидим, что в ней примут участие только электроны валентных сфер: атом натрия отдаст свой валентный электрон атому хлора и его внешний электронный слой приобретет конфи­гурацию октета (Ne) и станет положительно заряженным ионом, так называемым катионом (Na⁺). Электрически нейтральный атом Сl приобретает в свою валентную сферу валентный электрон натрия, дополняет конфигурацию до октета (Ar) и становится отрицательно заряженным ионом, анионом (Cl^-).

Элементы, способные создавать таким образом катионы, называются электроположительными. Обычно это металлы (и водород). Элементы, способные принимать электроны, называ­ются электроотрицательными. Как правило, это неметаллы.

Оба иона (катион и анион) свободно движутся в водном раство­ре или в расплаве (поэтому водный раствор NaCl и расплав NaCl электропроводны и подвергаются электролизу, т.е. разложению электрическим током), в кристалле же NaCl оба иона удержива­ются электростатическими силами в кристаллической решетке. NaCl кристаллизуется в кубической системе, и его кристаллы состоят из мельчайших кубиков, в углах которых находятся по­переменно ионы Na⁺ и Cl^-. Внутри кристалла каждый Na⁺ окру­жен шестью ионами Cl^-, так что нет смысла говорить о молекулах NaCl, ибо весь кристалл является собственно одной громадной молекулой. О молекулах NaCl в смысле атомной теории можно было бы говорить, если бы NaCl был в парообразном состоянии.

Так как в реакции соединения участвуют только валентные электроны, то соединение натрия с хлором мы можем изобразить так:

Таким образом можно изобразить и другие связи, например, соединение магния с кислородом:

В настоящее время известно 107 элементов. Около 90 из них существует в природе. Остальные получены искусственно с помо­щью ядерных реакций. 104-107 элементы были синтезированы учеными-физиками в Объединенном институте ядерных исследо­ваний в Дубне и в Европейском центре ядерных исследований (CERN) в Швейцарии. В настоящее время продолжаются работы по искусственному получению химических элементов с более вы­сокими порядковыми номерами.

Все элементы делятся на металлы и неметаллы. К металлам относятся 85 элементов.

К неметаллам относятся следующие элементы: гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон, фтор, хлор, бром, иод, астат, кис-

лород, сера, селен, теллур, азот, фосфор, мышьяк, углерод, крем­ний, бор, водород.

Однако это деление условное. При определенных условиях некоторые металлы могут проявлять неметаллические свойства, а некоторые неметаллы — металлические свойства.

Следует различать понятия простого вещества и химического элемента.

Простое вещество характеризуется определенными химичес­кими и физическими свойствами. В процессе химического превращения простое вещество утрачивает часть своих свойств и вхо­дит в новое вещество в виде элемента. Например, азот и водород, входящие в состав аммиака, содержатся в нем не в виде простых веществ, а в виде элементов.

Некоторые элементы объединяются в группы, например:

— органогены (основные элементы, входящие в состав органичес­ких веществ) — углерод, азот, кислород, водород;

— щелочные металлы — литий, натрий, калий, рубидий, цезий, франций;

- щелочноземельные металлы — кальций, стронций, барий, радий;

— лантаноиды — лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий, лютеций;

— галогены — фтор, хлор, бром, иод, астат;

— инертные элементы — гелий, неон, аргон, криптон.

Содержание различных элементов в природных объектах ко­леблется в широких пределах. 8 химических элементов (кисло­род, кремний, алюминий, железо, кальций, натрий, калий и маг­ний) составляют 99% земной коры по массе, все остальные — менее 1%.

В 1889 г. американский ученый Ф. У. Кларк впервые вычис­лил химический состав земной коры (условно до глубины 16 км) в массовых долях (%). Большой вклад в уточнение состава земной коры внесли В. И. Вернадский, А. Е. Ферсман, В. Ноддак и др. Пре­обладающие элементы в космосе — водород и гелий.

Д. И. Менделеев впервые установил, что наибольшее распро­странение в природе имеют элементы «малого атомного веса» (атомной массы), в организмах же исключительно преобладают легчайшие (Н, С, N, О).

Химическая формула

Состав простых и сложных веществ изображается при помо­щи химических формул.

Формула простого вещества показывает, из скольких ато­мов состоит его молекула: формула водорода Н₂. Если атомный состав молекулы простого вещества неизвестен, если простое вещество имеет не молекулярное, а атомное или металлическое строение, то его обозначают химическим знаком элемента. На­пример: Р, С, Аl.

Формула сложного вещества Н₂О обозначает одну молекулу воды; формула показывает, что 1 моль воды образован из 2 молей атомов водорода и 1 моля атомов кислорода.

Химическую формулу вещества устанавливают на основании анализа его состава.

Моль. Молярная масса

В химии чрезвычайное значение имеет особая величина — количество вещества.

Количество вещества определяется числом структурных еди­ниц (атомов, молекул, ионов или других частиц) этого вещества, оно обозначается обычно n (греч. — ню) и выражается в молях (моль).

Для удобства расчетов, проводимых на основании химичес­ких реакций и учитывающих количества исходных реагентов и продуктов взаимодействия в молях, вводится понятие молярной массы.

Молярная масса М вещества представляет собой отношение его массы к количеству вещества, выраженному в молях:

M=m/n,

где m — масса в граммах, n — количество вещества в молях, М — молярная масса в г/моль — постоянная величина для каждого данного вещества.

Значение молярной массы численно совпадает с относитель­ной молекулярной массой элемента.