Основные представления о химии как науке

ХИМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Катализ и химия экстремальных состояний

В 1812 г. русским академиком К. С. Кирхгофом было открыто явление химического катализа. Катализ представляет собой наиболее общий и распространенный способ проведения химических реакций, особенность которого состоит в активации молекул реагента при их контакте с катализатором. При этом происходит как бы "расслабление" химических связей в исходном веществе, "растаскивание" его на отдельные части, которые затем легче вступают во взаимодействие друг с другом. В отличие от каталитической химии, занимающейся проблемами катализа,химия экстремальных состояний решает вопрос управления химической реакцией иначе - здесь химики пытаются " расшатать" атомы в исходной молекуле за счет дополнительной внешней энергии. Они используют при этом простой нагрев или энергию света, а иногда для "очень крепких орешков" (молекул с сильными внутримолекулярными связями) и радиационное облучение. Этим вопросом занимается радиационная химия.

Химия как наука имеет дело, прежде всего с веществом и с происходящими с ним изменениями.

Химия - это наука о веществах и законах, которым подчиняются их превращения, одна из отраслей естествознания.

Происхождение слова "химия" спорно. Чаще всего его связывают с наименованием Древнего Египта - "Хем", что означает "темный", "черный" (очевидно, по цвету почвы в долине реки Нил); смысл же названия – «египетская наука».

Современная химия составляет обширнейшую область человеческого знания и играет огромную роль. Объекты и методы исследования химии настолько разнообразны, что многие ее разделы являются по существу самостоятельными научными дисциплинами. Химию принято подразделять на пять разделов: неорганическая химия, органическая химия, физическая химия, аналитическая химия и химия высокомолекулярных соединений. Важнейшие особенности современной химии:

1.Дифференциация главных разделов химии на самостоятельные научные дисциплины, основанная на различии объектов и методов исследования.

2.Интеграция химии с другими науками. В результате этого процесса возникли биохимия, биоорганическая химия и молекулярная биология, изучающие химические процессы в живых организмах.

3.Появление новых, главным образом физико-химических и физических методов исследования.

Неотъемлемая черта теоретической и экспериментальной химии - применение новейшей быстродействующей вычислительной техники для квантовохимических расчетов, выявления кинетических закономерностей, расчета структуры и свойств сложных молекул.

С целью оптимального осуществления хода химического процесса необходимо знать общие законы, определяющие превращения энергии при химическом взаимодействии веществ. Для установления взаимных связей между явлениями и обобщения экспериментального материала в практике химии широкое распространение нашел термодинамический метод.

Определение исходных понятий и объекта приложения термодинамического метода - термодинамической системы таково.

Под системой понимают тело или группу тел, мысленно выделенных из окружающей среды.

В зависимости от рассматриваемого явления система может быть сложной и различного размера, но всегда она должна состоять из большого числа частиц, т.е. быть макроскопической. Только для макроскопических систем можно оперировать такими понятиями, как температура, давление, теплота, и некоторыми другими. Исходя из характера взаимодействия различных систем с окружающей средой, их подразделяют на открытые, закрытые и изолированные системы.

Открытой системой называется система, которая может обмениваться с окружающей средой энергией и веществом. К открытой системе, например, можно отнести стакан с тёплой водой. В результате постепенного испарения воды в окружающую среду и теплообмена, будет изменяться как масса системы, так и ее энергия.

Закрытой системой называют систему, в которой отсутствует обмен веществом с окружающей средой, но возможен обмен энергией с ней. Примером такой системы может служить тёплая вода, помещенная в стакан, закрытая пробкой. Когда стакан закрыт пробкой, процесс в растворе будет осуществляться при постоянном объеме. Если температура раствора Т₁ будет отличаться от температуры Т₂ окружающей среды, то при Т₁ больше Т₂ часть энергии от раствора будет передаваться в окружающую среду, и наоборот, при Т₁меньше Т₂ энергия системы будет увеличиваться за счет перехода какой-то части энергии из окружающей среды в раствор. Масса системы при этом изменяться не будет.

Изолированной системой называют такую, объем которой остается постоянным, и которая не обменивается энергией и веществом с окружающей средой. К этому типу систем можно будет отнести тёплую воду, помещенную в закрытый сосуд, стенки которого изготовлены из идеального теплоизоляционного материала. Понятие "изолированная система" является понятием идеальным (абстрактным), так как на практике не существует материала, который абсолютно не проводил бы теплоту.

Система может быть гомогенной (однородной), или гетерогенной (неоднородной). Система называется гомогенной, если она состоит из одной фазы. Гетерогенная система обязательно содержит несколько фаз.

Совокупность всех химических и физических свойств системы называется состоянием системы. Обычно рассматривают те свойства, которые могут быть однозначно выражены через функции температуры, давления и концентрации веществ системы. Такие свойства называются термодинамическими (теплоемкость, внутренняя энергия, энтальпия и т, п.), они являются частью общих свойств (физических и химических) системы. Для полного описания состояния системы достаточно знать наименьшее число термодинамических свойств, которые наиболее легко определяются экспериментальным путем (давление Р, объем V, температура Т и концентрации компонентов С₁, С₂. Параметры состояния системы связаны между собой соотношением, которое называется уравнением состояния. Если система состоит из одного вещества и в качестве параметров выбраны давление, объем и температура, то уравнение состояния в общем виде можно записать гак:

f(P, V, Т)=0

Для идеального газа уравнением состояния является уравнение Менделеева-Клапейрона:

PV=νRT

Применяя основные понятия, рассмотрим энергетику химических процессов.

Дата добавления: 2014-11-16