Химия как наука. Краткая историческая справка. Проблемы и перспективы современной химии

ЛЕКЦИЯ 6 СОВРЕМЕННАЯ ХИМИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА

Третье начало термодинамики, или тепловая теория Нернста

Среди функций состояния, кроме температуры Т, внутренней энергии U и энтропии S, имеются и такие, которые содержат произведение Т · S. Например, при изучении химических реакций важную роль играют такие функции состояния, как свободная энергия F = U - Т · S или потенциал Гиббса Ф = U+ pV— TS. В эти функции состояния входит произведение Т · S. Однако величина S определяется лишь с точностью до произвольной постоянной S₀, так как энтропия определяется через ее дифференциал dS. Следовательно, без конкретизации S_o применение функций состояния становится неопределенным. Возникает вопрос об абсолютном значении энтропии.

Тепловая теория Нернста отвечает па этот вопрос. В формулировке Планка она сводится к утверждению: энтропия всех тел в состоянии равновесия стремится к нулю по мере приближения температуры к нулю Кельвина:

limS = 0.

Так как энтропия определяется с точностью до аддитивной постоянной S₀, то эту постоянную удобно взять равной нулю.

Тепловая теорема была сформулирована Нерстом в начале XX в. (Нобелевская премия по физике в 1920 г.). Она не вытекает из первых двух начал, поэтому в силу своей общности с полным правом может рассматриваться как новый закон природы — третье начало термодинамики.

План лекции:

1. Химия как наука. Краткая историческая справка. Проблемы и перспективы современной химии

2. Химический элемент. Строение атома. Периодический закон

3. Химическое соединение, химическая связь

4. Химическая реакция, ее скорость, кинетика и катализ, биокатализаторы

5. Взаимосвязь химического строения и структуры неорганических и органических соединений. Изомерия и ее виды

6. Нанотехнологии

Согласно общепринятому определению,

► Химия — это наука о веществах и их превращениях, или, как вари­ант, наука о химических элементах и их соединениях.

В этих определениях подразумевается структурный уровень изуче­ния вещества и, так сказать, «разделение полномочий» между физи­кой и химией. Физика изучает строение атома и мир элементарных частиц (атомный и нуклонный уровень микромира), с одной стороны, и проявление физических свойств веществ, пребывающих в разных аг­регатных состояниях, — с другой (классические механика и электроди­намика, теплофизика как изучение явлений макромира). Химия же рассматривает процессы «сборки» молекул из атомов, традиционно называемые «химическими реакциями», а также проявление химиче­ских свойств веществ, то есть способность веществ вступать в химиче­ские реакции определенного вида. Таким образом, структурный уро­вень вещества, изучаемый в химии, оказывается помещенным между двумя «физическими» уровнями структуры вещества, а «химические» явления происходят па границе микромира и макромира.

Химия — полноправный представитель семейства точных естест­венных паук, то есть химическое научное знание сформировано из теорий, законов и закономерностей, формулировки которых исключа­ют множественное толкование и которые многократно подтверждены и проверены на практике. И, как для любой естественной пауки, для химии имеют большое значение проверяемость, достоверность и воспроизводимость результатов, доказательность знания, соответствие научных теорий и наблюдаемых фактов.

Химия — рациональная наука, даже гипотезы в химии имеют чисто рациональный характер. Современная химия счастливо избежала того «налета» иррациональности, который присутствует в физике, биоло­гии, астрономии, особенно когда обсуждаются вопросы происхожде­ния Вселенной, вещества и жизни. Традиционно также слаба связь хи­мии и философии (в течение последних 250-300 лет после исключе­ния алхимических представлений из химии). И в дискуссиях между ортодоксальными «материалистами» и «идеалистами» химики всегда остаются в стороне, а оппоненты прибегают к разным аспектам хими­ческого знания для доказательства своих, порой противоположных по сущности, доводов.

И хотя современная химия имеет очень мало общего с алхимией средних веков, а алхимические тексты интересны для нас, ученых XXI столетия, с литературно-исторической, по никак не научной точ­ки зрения, забавно, что свое название «химия» получила именно от ал­химии. Название же «алхимия» исходит, предположительно, от слова «Кеми»; страна Кеми (или Кемь) — одно из старинных названий со­временного Египта, откуда, согласно средневековым легендам, были родом первые алхимики.

Химия развивалась и развивается традиционно в двух направлени­ях — как фундаментальная наука (создание и изучение теоретических основ химического знания) и как паука прикладная (решение практи­ческих задач применения различных химических соединений). И если в XVIII-XIX вв. второе направление развивалось более интенсивно, обслуживая промышленную революцию, а теоретическое направление вынуждено было «догонять» в попытке объяснить й систематизиро­вать быстро растущий объем химических знаний, то все изменилось на рубеже XIX-XX вв. и особенно в начале XX в. Великие открытия в физике микромира, приведшие к смене парадигмы естествознания, предопределили развитие теоретической неорганической и органиче­ской химии в свете квантовых представлений. Таким образом был усовершенствован механизм объяснения химического строения и структуры вещества, и в дальнейшем оба направления химической науки развивались уже в тесном взаимодействии, решая основную проблему современной химии — получение (синтез) вещества с задан­ными свойствами. Важным этапом решения этой задачи является ре­шение проблемы управления свойствами вещества. Химия как наука не только о химическом составе и структуре вещества, но и о химических процессах, развивается в рамках парадигмы современного есте­ствознания — квантово-релятивистскоймеханики. В частности, суще­ствует фундаментальная химическая паука — квантово-органическая химия, которая изучает механизмы органических реакций с позиции квантовых представлений.

Однако наряду с квантовой химией сосуществуети классическая хи­мия, например химия анализа состава вещества ихимия промышлен­ного синтеза известных продуктов, где для выполнения рутинных про­цедур необязательно прибегать к квантовым представлениям.

Дата добавления: 2014-01-06