В начале 19 века Дж. Дальтон заложил основы химической атомистики, А. Авогадро ввел понятие «молекула» (новолатинское molecula, уменьшительное от латинского moles -- масса). В современном понимании это микрочастица, образованная из атомов и способная к самостоятельному существованию. Она имеет постоянный состав входящих в нее атомных ядер и фиксированное число электронов и обладает совокупностью свойств, позволяющих отличать молекулы одного вида от молекул другого. Число атомов в молекуле может быть различным: от двух до сотен тысяч (например, в молекуле белков); состав и расположение атомов в молекуле передает химическая формула. Молекулярное строение вещества устанавливается рентгеноструктурным анализом, электронографией, масс-спектрометрией, электронным парамагнитным резонансом (ЭПР), ядерным магнитным резонансом (ЯМР) и другими методами.

Эти атомно-молекулярные представления утвердились лишь в 60-х годах 19 века. Тогда же А.М. Бутлеров создал теорию строения химических соединений, а Д.И. Менделеев (1869 г.) открыл периодический закон, представляющий собой естественную систему химических элементов. Современная формулировка этого закона звучит так: свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда их атомных ядер. Заряд ядра Z равен атомному (порядковому) номеру элемента в системе. Элементы, расположенные по возрастанию Z (H, He, Li, Be...), образуют 7 периодов. В 1-м -- 2 элемента, во 2-м и 3-м -- по 8, в 4-м и 5-м -- по 18, в 6-м -- 32. В 7-м периоде (на 1990 г.) известны 23 элемента. В периодах свойства элементов закономерно изменяются при переходе от щелочных металлов к благородным газам. Вертикальные столбцы -- группы элементов, сходных по свойствам. Внутри групп свойства элементов также изменяются закономерно (напр., у щелочных металлов при переходе от Li к Fr возрастает химическая активность). Элементы с Z = 58-71, а также с Z = 90-103, особенно сходные по свойствам, образуют 2 семейства -- соответственно лантаноиды и актиноиды. Периодичность свойств элементов обусловлена периодическим повторением конфигурации внешних электронных оболочек атомов. С положением элемента в системе связаны его химические и многие физические свойства. Тяжелые ядра неустойчивы, поэтому, напр., америций (Z = 95) и последующие элементы не обнаружены в природе; их получают искусственно при ядерных реакциях.

Закон и система Менделеева лежат в основе современного учения о строении вещества, играют первостепенную роль в изучении всего многообразия химических веществ и в синтезе новых элементов.

Полное научное объяснение периодическая система элементов Менделеева получила на основе квантовой механики. Квантовая механика впервые позволила описать структуру атомов и понять их спектры, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов и т. д. Т. к. свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием образующих их частиц, законы квантовой механики лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений. Так, квантовая механика позволила понять многие свойства твердых тел, объяснить явления сверхпроводимости, ферромагнетизма, сверхтекучести и многое др.; квантовомеханические законы лежат в основе ядерной энергетики, квантовой электроники и т. д. В отличие от классической теории, все частицы выступают в квантовой механике как носители и корпускулярных, и волновых свойств, которые не исключают, а дополняют друг друга.

С конца 19 -- начала 20 веков важнейшим направлением химии стало изучение закономерностей химических процессов.

Современное развитие химии

Из чего состоят химические соединения? Как устроены мельчайшие частицы материи? Как расположены они в пространстве? Что объединяет эти частицы? Почему одни вещества реагируют между собой, а другие -- нет? Можно ли ускорить течение химических реакций? Вероятно, больше, чем для любой другой науки, для химии требовалось понимание первооснов, знание первопричин. И химики успешно применяли в своих рассуждениях основные положения атомно-молекулярной теории задолго до появления точных экспериментальных доказательств реального существования атомов и молекул. В историю химической науки вошли теоретические обобщения А.Л. Лавуазье, Д.У. Гиббса, Д.И. Менделеева и других выдающихся ученых. Периодический закон и периодическая система элементов, законы химического равновесия и теория химического строения неотделимы сейчас от новых представлений о химии.

Значительный вклад в развитие химии внес выдающийся русский ученый А.М. Бутлеров. В 1861 г. он создал теорию строения органических соединений, которая позволила привести в систему огромное число органических веществ и без которой не мыслимы были бы современные успехи в создании новых полимерных материалов.

В наши дни ученые способны рассчитать заранее структуру получаемого химического соединения. С помощью математического аппарата квантовой химии и электронно-вычислительных машин это можно сделать точно и быстро.

Теории химической связи, созданные в XX веке, позволяют описать все тонкости взаимоотношений частиц, входящих в состав вещества. Открыты законы, управляющие течением химических процессов. Теперь экспериментаторы и технологи имеют возможность выбрать самый простой и эффективный способ осуществления любой химической реакции. У химии появился прочный фундамент, рожденный в союзе с математикой и физикой. Химия превратилась в точную науку. Необыкновенные успехи практической химии, опиравшейся на глубокое теоретическое постижение химических явлений, были достигнуты за сравнительно недолгое время, отделяющее нас от эпохи Ломоносова. Разгаданы, например, разнообразные стадии химического процесса, позволившего Природе превратить органические вещества в полезные для нас сегодня нефть и газ. Эта важная для современной промышленности реакция происходила с участием микроорганизмов и длилась многие сотни и тысячи лет. Удалось не только понять, но и воссоздать этот процесс. Ученые Московского университета разработали установку, в которой под благотворным влиянием света ламп в неглубоком бассейне с питательным раствором, содержащим органические вещества и микроорганизмы, происходит ускоренно -- в течение нескольких дней и месяцев -- получение искусственных нефти и газа.

Химия наших дней способна и на более неожиданные превращения. Разработан промышленный химический аппарат -- высокий цилиндр, в верхнюю часть которого подается измельченная зеленая травяная масса. Внутри колонны особые биологические соединения -- ферменты, ускоряющие химические реакции, по программе, заданной учеными, преобразуют непрерывно поступающую массу в... молоко. К этим «чудесам» мы привыкли так же быстро, как к полетам в космос. Не существует, вероятно, сферы человеческой деятельности, где не применялись бы изделия из материалов, появившихся на свет благодаря таланту и кропотливому труду нескольких поколений химиков. По своим свойствам они часто превосходят химические творения Природы. Эти материалы незаметно и прочно вошли в наш быт, но удивление людей, впервые их увидевших, вполне понятно. В начале семидесятых годов нашего века любознательные и вездесущие туристы обнаружили в глухом углу бескрайних сибирских лесов семью, прожившую вдали от городов и сел несколько десятков лет. Что же поразило отшельников больше всего среди вещей, принесенных туристами? Прозрачная пластмассовая пленка! «Стекло, а мнется»,-- восхищенно сказал седобородый глава семьи, ощупывая и разглядывая на свет полиэтиленовую пленку -- один из многих синтетических материалов, придуманных химиками для облегчения и улучшения нашего хозяйства и быта. Материалов, ставших полезной и незаметной частью повседневной жизни людей. Химия сейчас способна получать вещества с заранее намеченными свойствами: морозостойкие и жаропрочные, твердые и мягкие, жесткие и эластичные, любящие влагу и влагонепроницаемые, сплошные и пористые, чувствительные к воздействию малейших следов посторонних примесей или инертные по отношению к сильнейшим химическим влияниям.

Появление внутри полупроводника одного постороннего атома примеси на миллион атомов основного вещества изменяет его свойства до неузнаваемости: полупроводник начинает чувствовать свет и проводить электрический ток. Химики разработали методы полной очистки полупроводников от примесей, создали способы введения в их состав малого количества примесей, придумали приборы, сигнализирующие о появлении в веществе «чужеродных» атомов. Ученые умеют синтезировать материалы, стабильные и неизменные даже при длительном воздействии солнечного света и тепла, холода и влаги.

Химические открытия происходят в лабораториях всего мира, где рождаются новые сложные соединения. Известный французский химик М. Бертло с гордостью указывал на внутреннюю общность химии и искусства, которая коренится в их творческой природе. Химия, как и искусство, сама создает объекты для изучения и своих дальнейших исследований. И эта особенность, по мнению М. Бертло, отличает химию от других естественных и гуманитарных наук. Без глубокого понимания химических законов нельзя всесторонне и полно объяснить явления, изучаемые биологами и физиками, археологами и ботаниками, геологами и зоологами.

В современной химии отдельные ее области -- неорганическая химия, органическая химия, физическая химия, аналитическая химия, химия полимеров стали в значительной степени самостоятельными науками. На стыке химии и других областей знания возникли такие дочерние, родственные науки, как:

§ биохимия - наука, которая изучает входящие в состав организмов химические вещества, их структуру, распределение, превращения и функции. Первые сведения по биохимии связаны с хозяйственной деятельностью человека (обработка растительного и животного сырья, использование различных типов брожения и т. п.) и медициной. Принципиальное значение для развития биохимии имел первый синтез природного вещества -- мочевины (Ф. Велер, 1828 г.), подорвавший представления о «жизненной силе», участвующей якобы в синтезе различных веществ организмом. Используя достижения общей, аналитической и органической химии, биохимия в 19 веке сформировалась в самостоятельную науку. Внедрение в биологию идей и методов физики и химии и стремление объяснить такие биологические явления, как наследственность, изменчивость, мышечное сокращение и др., строением и свойствами биополимеров привело в середине 20 века к выделению из биохимии молекулярной биологии. Потребности народного хозяйства в получении, хранении и обработке различных видов сырья привели к развитию технической биохимии. Наряду с молекулярной биологией, биофизикой, биоорганической химией биохимию включают в комплекс наук -- физико-химическую биологию;

§ агрохимия - наука о химических процессах в почве и растениях, минеральном питании растений, применении удобрений и средств химической мелиорации почв; основа химизации сельского хозяйства. Сформировалась во 2-й половине 19 века. Становление агрохимии связано с именами А. Тэера, Ю. Либиха, Д. И. Менделеева, Д. Н. Прянишникова и др. Развивается на основе достижений агрономии и химии;

§ геохимия - наука, изучающая химический состав Земли, распространенность в ней химических элементов и их стабильных изотопов, закономерности распределения химических элементов в различных геосферах, законы поведения, сочетания и миграции (концентрации и рассеяния) элементов в природных процессах. Термин «геохимия» введен К. Ф. Шенбейном в 1838 г. Основоположники геохимии -- В. И. Вернадский, В. М. Гольдшмидт, А. Е. Ферсман; первая крупная сводка по геохимии (1908 г.) принадлежит Ф. У. Кларку (США). Геохимия включает: аналитическую геохимию, физическую геохимию, геохимию литосферы, геохимию процессов, региональную геохимию, гидрогеохимию, радиогеохимию, изотопную геохимию, радиогеохронологию, биогеохимию, органическую геохимию, геохимию ландшафта, геохимию литогенеза. Геохимия -- одна из теоретических основ поисков полезных ископаемых; и другие. На законах химии базируются такие технические науки, как химическая технология, металлургия.

Окруженная науками-сестрами и науками-дочерьми, химия продолжает развиваться. Она помогает нам понять самих себя, позволяет постичь очень многие происходящие в мире сложные процессы.

Химия и охрана окружающей среды

Все чаще возникает и совсем другая проблема: быстрее и бесследнее растворить или разъять на отдельные простые элементы материалы, ставшие уже ненужными человеку. Некоторые стойкие химические вещества, особенно искусственные полимеры, образованные очень большими молекулами, сохраняются в земле десятки и сотни лет, не разрушаясь. Химики разрабатывают сейчас синтетические ткани, пленки, волокна, пластмассы из созданных в лаборатории полимеров, подобных крахмалу или клетчатке, образуемых в растениях. По окончании срока их полезной службы эти полимеры будут быстро и легко распадаться, не загрязняя окружающую среду. Химия с каждым днем полнее и разнообразнее использует богатства Земли, хотя уже давно пора начать их экономить. Ученым все время необходимо вспоминать предостережение древнеримского философа Сенеки: «Как считали наши предки, поздно быть бережливым, когда осталось на донышке. Да и к тому же остается там не только мало, но и самое скверное». Мы должны беречь нашу Землю, мы стольким ей обязаны...

Больше внимания стали обращать ученые и на чистоту воздуха, которым дышит все живое на Земле. Атмосфера Земли -- не просто механическая смесь газов. В окружающей Землю газовой оболочке происходят быстрые химические реакции, и некоторые промышленные выбросы в атмосферу могут привести к необратимым и нежелательным изменениям в хрупком балансе разнородных, но очень важных для нас составляющих воздуха. Советский ученый В. Л. Тальрозе справедливо отметил однажды, как ничтожно малы массы веществ, образующих жизненно необходимую растениям, животным и человеку газовую оболочку Земли: «Слой вещества, создающий давление всего в один килограмм на квадратный сантиметр,-- вот та среда, в которой мы живем и работаем, которая проводит звуки к нашему уху, пропускает свет Солнца. Десять миллиграммов углекислого газа из каждого килограмма этого вещества, взаимодействуя с солнечным светом, непрерывно поддерживают жизнь на Земле, 300 микрограмм озона защищают эту жизнь от губительного ультрафиолета, миллионная микрограмма электронов создает возможность общаться по радио. Эта среда, которая позволяет нам летать друг к другу, которой мы дышим, наконец, она тоже живет, живет физически: это не только бурный воздушный океан, но и газовый химический реактор». Химики научились создавать новые вещества и даже сумели обогнать Природу, получив материалы, в которых соединилось несоединимое. Сейчас ученые исследуют способность и умение Природы поддерживать мудрое равновесие между противоположными процессами: отнимая у Земли ее минеральные богатства, они стараются сохранить в неприкосновенности чистоту рек, озер, морей, прозрачность воздуха и благоухающий запах трав.

Заключение

Химия оказалась в центре важных и сложных физических процессов. Химические реакции происходят не только в окружающем нас мире, но и в тканях, клетках, сосудах человеческого тела. Ученые XX века обнаружили, что именно химия помогает человеку различать запахи и цвета, позволяет быстро откликаться на едва уловимые перемены, происходящие в Природе. Зрительный пигмент родопсин улавливает световые лучи, и мы видим многообразие красок вокруг. Пахучие травы и растения рассылают во все стороны летучие органические молекулы, попадающие на чувствительные центры в органах обоняния живых существ, передавая тончайшие запахи Природы. В ответ на любое внешнее раздражение мозг человека посылает по нервным волокнам сигнал тревоги или радости, действия или успокоения. В организме человека нервные волокна, руководящие нашим движением, и мышцы, осуществляющие его, разделены зазором шириной не более 50 нанометров. Это расстояние в 1000 раз меньше толщины человеческого волоса. Окончания нервных волокон выделяют органическое вещество -- ацетилхолин, который передает химический сигнал мышцам любого органа, совершая прыжок через пространство, отделяющее волокна от мышц.

Бурные химические процессы протекают внутри далеких звезд и в термоядерных реакторах, созданных учеными. Непрерывно идет химическое взаимодействие атомов и молекул в растениях и в недрах Земли, на поверхности водных просторов и в толще горных хребтов. Природа многое доверила химии и не ошиблась: химия оказалась ее верным союзником и трудолюбивым помощником.

Не может существовать и развиваться без химии ни одна из областей современных естественных наук.

Впереди у химии -- и радости свершений, и трудности преодолений.

Химия к ним готова. В этот далекий, интересный поход она отправляется вместе с лучшим другом -- неуемной, беспокойной, ищущей человеческой мыслью.

Список литературы

1. Габриелян О. С. Химия. 8 класс: Учеб. для общеобразоват. Учеб. Заведений. - 4-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2000. - 208 с.: ил.

2. Колтун М. М. Мир химии: Научно-художественная лит-ра / Оформ. Б. Чупрыгин. - М.: Дет. лит., 1988.- 303 с.: ил., фотоил.

3. Концепции современного естествознания: Сер. «Учебники и учебные пособия» / Под ред. С. И. Самыгина. - Ростов н/Д: «Феникс», 1997. - 448 с.

4. Современная мультимедиа-энциклопедия «Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия 2004» / © «Кирилл и Мефодий» 2002, 2003, с изменениями и дополнениями, © «МультиТрейд», 2004.

5. www.KM.ru

Страницы: 1, 2