И представления химии

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

1. Химия в системе "общество-природа"

На протяжении длительного развития человечество не раз сталкивалось с большим числом проблем, от которых нередко зависело само его существование. Чтобы выжить, наш предок научился изготавливать и использовать про­стейшие орудия труда, чем компенсировал свои природные недостатки. В дальнейшем первобытный человек, оказав­шись перед проблемой обеспечения пищей, освоил охоту, а затем земледелие и скотоводство. Освоение все более слож­ных орудий и предметов труда вызвало энергетическую проблему, потребовало перехода от естественных источни­ков энергии к более совершенным. Энергетическая пробле­ма последовательно привела человека к освоению энергии пара, тепловой, электрической энергии, наконец, энергии атома.

Необходимость повышения производительности труда и эффективности производства, роста темпов добычи и пе­реработки громадного объема минеральных ресурсов, наря­ду с необходимостью решения многих жизненно важных проблем вызвали к жизни использование химической тех­нологии, всеобщую химизацию, а затем и компьютеризацию общественного производства и быта.

Суммируя, можно сказать, что лейтмотивом, осью раз­вития человеческой цивилизации была и есть проблема выживания человеческого общества в условиях окружаю­щей среды, природы в целом. Мотив выживания, как пред­ставляется, есть ведущий мотив всей преобразующей дея­тельности человека на земле. Для своего выражения чело-

век всегда будет вынужден решать вечные проблемы овла дения веществом, энергией и информацией.

Успехи человека в решении больших и малых проблем выживания в значительной мере были достигнуты благо­даря развитию химии, становлению различных химических технологий. Успехи многих отраслей человеческой деятель­ности, таких как энергетика, металлургия, машиностроение, легкая и пищевая промышленность и других, во многом зависят от состояния и развития химии. Огромное значе­ние химия имеет для успешной работы сельскохозяйствен­ного производства, фармацевтической промышленности, обеспечения быта человека.

Химическая промышленность производит десятки ты­сяч наименований продуктов, многие из которых по техно­логическим и экономическим характеристикам успешно конкурируют с традиционными материалами, а часть — являются уникальными по своим параметрам. Химия дает материалы с заранее заданными свойствами, в том числе и такими, которые не встречаются в природе. Подобные ма­териалы позволяют проводить технологические процессы с большими скоростями, температурами, давлениями, в усло­виях агрессивных сред. Для промышленности химия по­ставляет такие продукты, как кислоты и щелочи, краски, синтетические волокна и т. п. Для сельского хозяйства химическая промышленность выпускает минеральные удобрения, средства защиты от вредителей, химические до­бавки и консерванты к кормам для животных. Для до­машнего хозяйства и быта химия поставляет моющие средства, краски, аэрозоли и другие продукты.

Химия характерна не только тем, что обеспечивает про­изводство многих необходимых продуктов, материалов, ле­карств. Во многих отраслях промышленности и сельско­хозяйственного производства широко используются также химические методы обработки: беление, крашение, печа­тание в текстильной промышленности; обезжиривание, травление, цианирование в машиностроении; кислородное дутье в металлургии; консервация, синтезирование витами­нов и аминокислот — в пищевой и фармацевтической про­мышленности и т. д. Внедрение химических методов ведет к интенсификации технологических процессов, увеличению выхода полезного вещества, снижению отходов, повышению качества продукции.

Таким образом, химизация, как процесс внедрения хи­мических методов в общественное производство и быт, по­зволила человеку решить многие технические, экономиче­ские и социальные проблемы. Однако масштабность, а не­редко и неуправляемость этого процесса обернулась «вто­рой стороной медали». Химия прямо или опосредованно затронула практически все компоненты окружающей сре­ды — сушу, атмосферу, воду Мирового океана, внедрилась в природные круговороты веществ. В результате этого нару­шилось сложившееся в течение миллионов лет равновесие природных процессов на планете, химизация стала замет­но отражаться на здоровье самого человека. Получилась ситуация, которую ученые обоснованно именуют химической войной против населения Земли. За последние 30-40 лет в этой войне пострадали сотни миллионов жителей плане­ты. Возникла самостоятельная ветвь экологической на­уки — химическая экология.

Основными источниками, загрязняющими окружающую среду, кроме собственно химической промышленности, яв­ляются металлургия, автомобильный транспорт, тепловые электростанции. Они дают большой объем газообразных отходов, загрязняют водоемы рек и озер сточными водами, используемыми в технологических целях. Газообразные отходы содержат оксиды углерода, серы, азота, соединения свинца, ртути, бензопирен, сероводород и другие вредные вещества. В связи со сжиганием топлива в больших объе­мах возникла проблема снижения концентрации кислорода и озона в атмосфере, получившая название «кислородного голодания».

К твердым отходам относятся отходы горнодобываю­щей промышленности, строительный и бытовой мусор. Сточные воды содержат многие неорганические соедине­ния — ионы ртути, цинка, кадмия, меди, никеля и т. д. Пя­тая часть вод Мирового океана загрязнена нефтью и неф­тепродуктами. Значительный ущерб водоемам вследствие вымывания удобрений из почвы наносят загрязнения, свя­занные с сельскохозяйственным производством. Вредные вещества из воздуха и воды попадают в почву, в которой на­капливаются тяжелые металлы, радиоактивные элементы.

В организм человека вредные вещества попадают через воздух, воду и пищу. Таким образом, человечество, пройдя ряд этапов развития — от огня костра до термоядерной

бомбы, — в начале XXI века оказалось в условиях, когда в очередной раз встал вопрос о его выживании. Угроза эко­логической катастрофы требует решительного пересмотра отношений современной «химической» цивилизации и при­роды в сторону оптимизации этих отношений. Задача зак­лючается в том, чтобы через новые технологии гармонизи­ровать отношения «общество — природа» таким образом, чтобы компенсаторных возможностей окружающей среды было достаточно для нейтрализации антропогенных воз­действий на нее.

Новые технологии по своим параметрам должны при­ближаться к природным процессам, отличаться от про­мышленных своей безотходностью или малоотходностью. В безотходном производстве технологический цикл «сы­рье — производство — использование готового продукта — вторичное сырье» вписывается в окружающую среду, не нарушая экономического развития. В настоящее время наметились следующие пути решения сложных экологиче­ских проблем: комплексная переработка сырья; пересмотр традиционных процессов и схем получения известных про­дуктов; внедрение бессточных и замкнутых схем водопот-ребления; очистка выбрасываемых газов; использование промышленных комплексов с замкнутой структурой мате­риальных и энергетических потоков.

Проблема выживания человека в конце XX века оказа­лась усложненной проблемами геополитического, социаль­ного и чисто технического характера. Решение последних затруднено ввиду потребительского характера сложившей­ся цивилизации и эгоцентризма индустриально развитых стран. Однако, опираясь на идеи В.И. Вернадского о пере­растании биосферы в ноосферу, можно говорить о неслучай­ности появления человека на Земле, о его предназначении в кризисной ситуации сыграть роль спасителя природы.

Экологические проблемы порождены не только эконо­микой и техникой, но и нравственным состоянием чело­века. Вопрос состоит не только в том, чтобы остановить процесс разрушения природы техническими средствами. Вопрос состоит в том, чтобы в корне изменить потреби­тельское отношение человека к окружающему миру. Че­ловечество должно стремиться не просто к выживанию, но и к нормальной, достойной каждого человека жизни в ус­ловиях гармонии с природой.

Из сказанного вытекает, что место и роль химии в со­временной цивилизации должны рассматриваться систем­но, т. е. во всем многообразии отношений, существующих между обществом и природной средой в рамках критерия экологической безопасности. При этом неизбежно рассмот­рение химии как активного элемента сложной системы «общество — природа», представляющего собой, в свою очередь, открытую систему со своей структурой и взаимо­обменом между веществом, энергией и информацией.

I Предмет химии

Химия — это естественная наука, изучающая состав, свойства и химические превращения веществ, явления, которые сопровождают эти превращения, а также рассмат­ривает вопросы использования результатов этих превра­щений. Самое краткое определение предмета химии дал великий русский ученый-химик Д.И. Менделеев в книге «Основы химии». По Менделееву, химия — это учение об элементах и их соединениях.

Отдельные химические процессы (получение материалов из руд, крашение тканей и др.) использовались еще на заре становления человеческой цивилизации. Позже, в III—IV ве­ках, зародилась алхимия, задачей которой было превраще­ние неблагородных металлов в благородные (золото, серебро). Начиная с эпохи Возрождения, химические исследования все в большей мере стали использовать для практических целей (металлургия, стеклоделие, керамика, получение красок и т. д.). Во второй половине XVII века Р. Бойль дал научное определение понятия «химический элемент».

Превращение химии в подлинную науку завершилось во второй половине XVIII века, когда был сформулирован закон сохранения массы вещества при химических реакци­ях (М.В. Ломоносов, А.Л. Лавуазье). В начале XIX века Дж. Дальтон ввел понятие «молекула». Атомно-молеку-лярные представления утвердились в 60-х годах XIX века. В этот период A.M. Бутлеров создал теорию строения хи­мических соединений, а Д.И. Менделеев (1869 г.) открыл периодический закон (периодическая система элементов Менделеева). С конца XIX — начала XX века важнейшим

направлением химии стала разработка теоретических ос­нов науки (атомно-молекулярное учение), изучение законо­мерностей химических процессов.

В современной химии постепенно оформились самосто­ятельные области химической науки: неорганическая хи­мия, органическая химия, химия полимеров, аналитическая химия, другие ответвленные науки. На стыке химии и дру­гих областей знания сложились такие науки, как физиче­ская химия, агрохимия, геохимия, биохимия. На базе дос­тижений химии появился также ряд технических наук, как, например, металлургия, термохимия, электрохимия и др.

3. Физические и химические изменения веществ

Вещество представляет собой однородный (гомогенный) вид материи, т. е. такой материи, каждая частица которой имеет одинаковые физические свойства. Различные изде­лия, имеющие различное назначение и форму, могут быть изготовлены из одного и того же материала, но их веще­ство будет одинаковым. Под веществом будем понимать чистую материю, без примесей. Под материалом — веще­ство того же наименования, полученное в реальных усло­виях, т. е. имеющее неизбежные примеси.

Вещества по своему составу делятся на простые и слож­ные; по происхождению — на натуральные (природные) и искусственные; по агрегатному состоянию — на твердые, жидкие и газообразные; по внутреннему строению — на аморфные (неупорядоченные по структуре) и кристалличе­ские, имеющие упорядоченную периодическую структуру (кристаллическое строение).

Вещества, взаимодействуя друг с другом, подвергаются различным изменениям и превращениям.

Физическим изменением вещества называют такое изме­нение, при котором внутреннее строение, состав и свойства не подвергаются изменению. Например, из древесины изготав­ливают мебель, при этом внутреннее строение (структура), со­став и свойства древесины остаются прежними.

Химическими изменениями вещества называют такие, когда в результате взаимодействия не менее двух исходных

веществ (химической реакции) появляются одно или не­сколько других веществ, отличающихся от первоначальных составом, структурой и свойствами. Например, раскаленная сталь покрывается на воздухе окалиной; уголь, сгорая, об­разует углекислый газ; в результате химической переработ­ки природного газа получают водород, ацетилен, метиловый спирт и другие продукты. Именно такими изменениями веществ, их получением, описанием и объяснением зани­мается химия.

Экспериментально доказано, что многие физические из­менения сопровождаются химическими изменениями, и наоборот. Раскаленная сталь на воздухе, как было сказа­но, покрывается окалиной, а уголь, сгорая, дает тепло и свет. Практическое применение химических изменений излагает химическая технология — область знания о ме­тодах и средствах рациональной химической переработки сырья, полуфабрикатов и промышленных отходов.

4. Химический анализ. Понятие о химическом элементе

Если подвергнуть, например, обыкновенный известняк нагреву, получится известь и углекислый газ. Известь и углекислый газ можно подвергнуть дальнейшему разложе­нию (известь на кальций и кислород, углекислый газ на углерод и кислород). Полученные вещества разложению уже не подвергаются. На сегодня известно 116 таких ве­ществ, их называют простейшими веществами или хими­ческими элементами.

Химическое разложение, в результате которого получа­ются простейшие вещества, называется химическим ана­лизом. В результате химического анализа определяется, ка­кие элементы содержатся в исследуемом веществе. Хими­ческую реакцию анализа упрощенно можно выразить урав­нением: А = В + С, где А — исходное сложное вещество, а В и С — полученные вещества (химические элементы).

Все известные на сегодня химические элементы в сис­тематизированном виде в соответствии с периодическим законом, открытым Д.И. Менделеевым, расположены в

Периодической системе элементов Менделеева — таблице, приведенной ниже.

Химические элементы классифицируются на металлы (золото, платина, серебро, железо, медь, алюминий, кальций, ртуть и др.) и неметаллы (сера, фосфор, углерод, азот, хлор, кислород и т. д.). Установлено, что в составе земной коры, морской воды и атмосферы содержится примерно:

Из сказанного следует, что простейшие вещества явля­ются основой всей живой и неживой материи, а следова­тельно, и всей Вселенной.

Большинство веществ, находящихся в естественных условиях, состоят в соединениях друг с другом, т. е. явля­ются веществами сложными. Незначительное число элемен­тов в природе находится в свободном состоянии (кислород, серебро, сера и некоторые другие). Ряд химических элемен­тов может существовать в разных модификациях. Так, например, элемент кислород образует два видоизменения: кислород и озон; углерод — три: алмаз, графит и корбин и т. д. Явление видоизменения одного и того же элемента, связанного со сложным внутренним строением химиче­ских элементов, называется аллотропией, а образующиеся простейшие вещества — аллотропными видоизменениями или модификациями.

| Химический синтез. Понятие о соединении

Если нагревать цинковый порошок с серой (два от­дельных элемента), то в результате получается соединение, называемое сернистым цинком, которое по своим свой­ствам отличается от исходных простейших веществ. Та­кое соединение элементом называется синтезом. Синтез осуществляется только в результате химической реакции, при которой появляется более сложное вещество с новыми

свойствами и строением, отличными от свойств и строения исходных веществ.

Когда говорят о химическом синтезе, то подразумева­ют получение сложных соединений из исходных элементов (например, производство искусственного каучука, камфары и т. д.). Полученные материалы в результате синтеза на­зывают синтетическими материалами. Химический синтез можно упрощенно выразить уравнением А + В = С, где А и В — исходные вещества, а С — синтезированное веще­ство. Способность вещества соединяться с одним или боль­шим числом веществ называется валентностью, механизм которой будет приведен ниже.

Простое перемешивание исходных материалов без их химического соединения называют смесью. Смеси состоят из нескольких веществ, каждое из которых сохраняет свои индивидуальные свойства и может быть выделено в чис­том виде. При смешивании веществ речь идет о физиче­ском процессе.

Дата добавления: 2015-05-07