Основные направления современной химии

Основные принципы и законы химии

В основе современной химии лежат два закона: сохранения массы и постоянства состава.

Закон сохранения массы может быть сформулирован так: полная масса замкнутой системы остается постоянной, или вещество нельзя ни создать из ничего, ни уничтожить. Иными сло­вами, этот закон утверждает, что химические превращения не сопровождаются измеримым увеличением или уменьшением массы участвующих в них веществ. Например, при разложении воды ее исходная масса будет равна сумме массы водорода и массы кисло­рода. Этот закон был установлен М.В. Ломоносовым и А. Лавуазье.

Закон постоянства состава гласит: всякое химическое соедине­ние, независимо от способа его получения, всегда содержит опреде­ленные элементы в одинаковом весовом отношении. Он был уста­новлен французским химиком Ж. Прустом в 1800 – 1808 гг. и теоре­тически обобщен в 1800 – 1810 гг.

Однако рассмотренные законы не являются универсальными законами химии. Последними следует считать периодический закон химических элементов и принцип Ле Шателье-Брауна.

Согласно периодическому закону (в его современной форме), свойства химических элементов не являются случайными, а зависят от электронного строения данного атома, они закономерно изменя­ются с изменением атомного номера. Важным в периодическом за­коне является то, что эта зависимость характеризуется строгой периодичностью, которая находит свое выражение в повторяемо­сти типичных свойств элементов.

Принцип Ле Шателье-Брауна имеет следующую формулиров­ку: если на систему, находящуюся в термодинамическом равнове­сии, воздействовать извне, изменяя какой-либо из параметров, оп­ределяющих положение равновесия, то в системе усилится то из направлений процесса, которое ослабляет влияние произведенного воздействия. Положение равновесия также сместится в направле­нии ослабления эффекта внешнего воздействия. Данный принцип признан в настоящее время и далеко за пре­делами химии; он находит применение в различных науках, вплоть до общественных.

Химия принадлежит к той категории наук, которые свои­ми практическими успехами способствовали повышению благосостояния человечества. Например, в хирургии химия дала три главных средства, благодаря которым современные опе­рации стали безболезненными и вообще возможными: 1) введе­ние в практику эфирного наркоза, а затем и других наркотических веществ; 2) использование антисептических средств для преду­преждения инфекции; 3) получение новых, не имеющихся в при­роде аллопластических материалов-полимеров.

В настоящее время развитие химии имеет ряд характерных черт. Во-первых, это размы­вание границ между основными разделами химии. Напри­мер, сейчас можно назвать тысячи соединений, которые нельзя однозначно причислить к органическим или неорганическим. Во-вторых, развитие исследований на стыке химии с физикой, биологией, геологией и космологией породило большое число смежных научных дисцип­лин: термохимию, электро­химию, радиохимию, биохимии, геохимии и т.д.

Одной из важных задач современной химии является предсказание условий синтеза веществ с заранее заданны­ми свойствами и определение их физических и химических параметров. Ощутимые результаты дает применение математи­ческого моделирования. Если нахождение какого-либо фар­мацевтического препарата или инсектицида требовало син­теза 10 – 20 тыс. веществ, то с помощью математического моделирования выбор делается лишь в результате синтеза нескольких десятков соединений. Другой важной задачей, стоящей перед современной химией, является исследование происхождения свойств вещества. Решение этих задач возможно при обобщении знаний, накопленных в различных разделах химии.

Охарактеризуем основные направления современной химии. Химию принято подразделять на 5 разделов: неор­ганическая, органическая, физическая, аналитическая и химия высокомолекулярных соединений. Однако четких граней между этими разделами не существует.

Неорганическая химия изучает строение соединений, устанавливает связи строения со свойствами и реакционной способностью. Также разра­батывает методы синтеза и глубокой очистки веществ. Большое внимание уделяется кинетике и механизму неорга­нических реакций, их каталитическому ускорению и замед­лению.

Для неорганического синтеза все чаще применяют методы физиче­ского воздействия: сверхвысокие температуры и давления, ионизирующее излучение, ультразвук, магнитные поля. Мно­гие процессы проходят в условиях горения или низкотемпе­ратурной плазмы. Неорганические соединения применяются как конструк­ционные материалы для всех отраслей промышленности, включая космическую технику, как удобрение и кормовые добавки, ядерное и ракетное топливо, фармацевтические материалы.

Органическая химия – наиболее крупный раздел хими­ческой науки. Если число известных неорганических веществ насчитывает около 5 тыс., то еще в начале 1980-х гг. было известно более 4-х млн. органических веществ. На основе впервые синтезированных в 30 – 40-е гг. ХХ в. фосфорорганических соединений (А.Е. Арбузов) созданы новые типы физиологически активных соединений – лекарственных препаратов, отравляющих веществ, средств защиты растений и др. Методы органической химии позволили изучить свойства, структуру и технологию синтеза витаминов, белков, гормонов, нуклеиновых кислот, антибиотиков, новых ростовых средств и средств борьбы с вредителями.

Вершиной достижений органической химии в генной инженерии явился первый синтез активного гена (X. Ко­рана, 1976). В 1977 г. синтезирован ген, кодирующий син­тез человеческого инсулина, а в 1978 г. – ген соматостатина (способен угнетать секрецию инсулина).

В органической химии в ХХ в. зародилось новое направление – химия высокомолекуляр­ных соединений (или полимеров). Современные полимерные вещества обладают уникальными свойствами: растяжимостью (каучук), термостабильностью (тефлон), создаются «вечные» смазочные масла (пластмассы и эла­стомеры), широко используемые космической и реактивной техникой, химической и электротехнической промышленностью.

Физическая химия объясняет химические явления и устанавливает их общие закономерности. Физическая хи­мия последних десятилетий характеризуется следующими чертами. В результате развития квантовой химии (исполь­зует идеи и методы квантовой физики для объяснения хи­мических явлений) многие проблемы химического строе­ния веществ и механизма реакций решаются на основании теоретических расчетов*. Наряду с этим широко использу­ются физические методы исследования – рентгеноструктурный анализ, дифракция электронов, спектроскопия, методы, основанные на применении изотопов и др.

Аналитическая химия рассматривает принципы и ме­тоды изучения химического состава вещества. Включает количественный и качественный анализ. Современные ме­тоды аналитической химии связаны с необходимостью получения полупроводников и других материалов высокой химической чистоты. Для решения этих задач были разработаны чувствительные методы – активационный анализ, химико-спектральный анализ и др. Эти методы позволяют определить 10^-7 –10^-8 % примесей.

Дата добавления: 2014-01-07