Химическая картина мира

Химия – наука о превращениях веществ, сопровождающихся изменением их состава и строения.

Явления, при которых из одних веществ образуются другие, называются химическими. Естественно, что, с одной стороны, в этих явлениях можно обнаружить чисто физические изменения, а, с другой стороны, химические явления всегда присутствуют во всех биологических процессах. Таким образом, очевидна связь химии с физикой и биологией.

Эта связь, по-видимому, была одной из причин того, почему химия долго не могла стать самостоятельной наукой. Хотя уже Аристотель разделял вещества на простые и сложные, чистые и смешанные и пытался объяснить возможность одних превращений и невозможность других, химические явления в целом он считал качественными изменениями и потому относил к одному из родов движения. Химия Аристотеля была частью его физики – знания о природе ( ).

Другая причина несамостоятельности античной химии связана с теоретичностью, созерцательностью всей древнегреческой науки в целом. В вещах и явлениях искали неизменное – идею. Теория химических явлений приводила к идее элемента ( ) как некоего начала природы или к идее атома как неделимой частицы вещества. Согласно атомистической концепции, особенности форм атомов во множестве их сочетаний обуславливают разнообразие качеств тел макромира.

Эмпирический опыт относился в Древней Греции к области искусств и ремесел. Он включал также и практические знания о химических процессах: выплавке металлов из руд, крашении тканей, выделке кожи.

Вероятно, из этих древних ремесел, известных еще в Египте и Вавилоне, возникло «тайное» герметическое искусство Средневековья – алхимия, наиболее распространенное в Европе в IX-XVI веках.

Зародившись в Египте в III-IV веках, это направление практической химии было связано с магией и астрологией. Целью ее было разработать способы и средства превращения менее благородных веществ в более благородные, чтобы достичь реального совершенства, как материального, так и духовного. В ходе поисков универсальных средств таких превращений арабские и европейские алхимики получили много новых и ценных продуктов, а также усовершенствовали лабораторную технику.

Если считать, что химия становится наукой в XVII-XVIII веках, то можно выделить три периода формирования современной химической картины мира.

1. Период зарождения научной химии (XVII – конец XVIII в.; Парацельс, Бойль, Кавендиш, Шталь, Лавуазье, Ломоносов). Характеризуется тем, что химия выделяется из естествознания в качестве самостоятельной науки. Ее цели определяются развитием промышленности в Новое время. Однако, теории этого периода, как правило, используют либо античные, либо алхимические представления о химических явлениях. Завершился период открытием закона сохранения массы при химических реакциях.

Например, ятрохимия Парацельса (XVI в.) была посвящена приготовлению лекарств и лечению болезней. Парацельс объяснял причины болезней нарушением химических процессов в организме. Как и алхимики, он сводил разнообразие веществ к нескольким элементам – носителям основных свойств материи. Следовательно, восстановление их нормального соотношения приемом лекарств излечивает болезнь.

Теория флогистона Шталя (XVII-XVIII вв.) обобщала множество химических реакций окисления, связанных с горением. Шталь предположил существование во всех веществах элемента «флогистон» – начала горючести.

Тогда реакция горения выглядит так: горючее тело → остаток + флогистон; возможен и обратный процесс: если остаток насытить флогистоном, т.е. смешать, например, с углем, то снова можно получить металл.

2. Период открытия основных законов химии (1800-1860 гг.; Дальтон, Авогадро, Берцелиус). Итогом периода стала атомно-молекулярная теория:

а) все вещества состоят из молекул, которые находятся в непрерывном хаотическом движении;

б) все молекулы состоят из атомов;

в) атомы представляют собой мельчайшие, далее неделимые составные части молекул.

3. Современный период (начался в 1860 гг.; Бутлеров, Менделеев, Аррениус, Кекуле, Семенов). Характеризуется выделением разделов химии в качестве самостоятельных наук, а также развитием смежных дисциплин, например, биохимии. В этот период были предложены периодическая система элементов, теории валентности, ароматических соединений, электрохимической диссоциации, стереохимия, электронная теория материи.

Современная химическая картина мира выглядит так:

1. Вещества в газообразном состоянии состоят из молекул. В твердом и жидком состоянии из молекул состоят только вещества с молекулярной кристаллической решеткой (СО₂, H₂O). Большинство твердых тел имеет структуру либо атомную, либо ионную и существует в виде макроскопических тел (NaCl, CaO, S).

2. Химический элемент – определенный вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Химические свойства элемента определяются строением его атома.

3. Простые вещества образованы из атомов одного элемента (N₂, Fe). Сложные вещества или химические соединения образованы атомами разных элементов (CuO, H₂O).

4. Химические явления или реакции – это процессы, в которых одни вещества превращаются в другие по строению и свойствам без изменения состава ядер атомов.

5. Масса веществ, вступающих в реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции (закон сохранения массы).

6. Всякое чистое вещество независимо от способа получения всегда имеет постоянный качественный и количественный состав (закон постоянства состава).

Основная задача химии – получение веществ с заранее заданными свойствами и выявление способов управления свойствами вещества.

Основные понятия

В химии широко пользуются понятием элемента – определённого вида атомов с одинаковым зарядом ядра (ионы, изотопы и т.д.). Значение заряда ядра атома служит отличительным признаком для различных видов атомов. В настоящее время известно 114 элементов, но нас будут интересовать только природные 89 элемента от водорода Н до урана U. Вещество может быть простым, т.е. состоять из атомов одного элемента и сложным, т.е. представленным атомами различных элементов. Например, простыми являются газы – кислород O₂ и озон O₃, а вода H₂O – сложное вещество.

Вещества – это то, из чего состоят предметы (физические тела) окружающего мира. Каждое вещество обладает строго определёнными свойствами.

Свойства веществ – признаки, позволяющие отличить одни вещества от других, или установить сходство между ними.

Химический элемент – вид атомов, с определённым зарядом ядра.

Молекула – наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами.

Вещества молекулярного строения – вещества, основной структурной единицей которых является молекула.

Вещества немолекулярного строения – вещества, основными структурными единицами которых являются атомы или ионы.

Ион – заряженная частица, состоящая из одного или нескольких элементов.

Пример: Ионы: Сl- , SO₄₂-, NH₄+, Al₃+

Химическая формула – условная запись состава вещества молекулярного строения при помощи химических символов и индексов.

Индексы – подстрочные цифры, показывающие числа атомов элементов в составе молекулы.

Согласно закону постоянства состава, каждое вещество, независимо от способа получения, имеет постоянный качественный и количественный состав. Однако, некоторые вещества не подчиняются этому закону – их состав может изменяться в зависимости от способа получения. Такие вещества называются бертоллидами (от фамилии Бертолле – ученого, впервые предположившего наличие таких веществ). Вещества, полностью подчиняющиеся этому закону, называются дальтонидами.

Аллотропия – способность химического элемента образовывать несколько простых веществ разного состава (кислород О₂, озон О₃) или с разной кристаллической решеткой (красный и белый фосфор, алмаз и графит у углерода).