ПРЕДМЕТ И ЗНАЧЕНИЕ ХИМИИ

Оглавление

Предисловие

В условиях современной информатизации знаний представляется целесообразным в учебном процессе иметь краткие по объему, но значительные по содержанию учебники, позволяющие студентам более оперативно усваивать большой объем материала в соответствии с госстандартами и учебными программами. Особое значение попытка создания такого учебника приобретает в условиях сокращения числа аудиторных часов и одновременного увеличения часов, отведенных для самостоятельной работы, а также введения дистанционного обучения.

Учебное пособие достаточно полно отражает основной материал программы, характеризуется наглядностью, логичностью и последовательностью изложения.

Курс лекций был апробирован в течении длительного периода на кафедре общей химии и экологии КГТУ им А.Н. Туполева.

Авторский коллектив выражает признательность рецензентам и сотрудникам кафедры за помощь в создании книги.

Лекция 1

ПРЕДМЕТ И ЗНАЧЕНИЕ ХИМИИ

§ 1. Предмет химии. Среди естественных наук, определяющих фундамент инженерных знаний, химия занимает лидирующее положение ввиду своей информационной значимости. Около четверти всего объема научно-технической информации, как известно, составляет – химическая.

Современное определение химии: система химических наук (органическая, неорганическая, аналитическая, физическая химия и т.д.), главной задачей которых является изучение химических процессов (реакций) образования и разрушения молекул (химическая связь), а также взаимосвязей и переходов между этими процессами и другими формами движениями материи (электромагнитные поля и излучения и т.д.).

Химия изучает состав, структуру веществ органического и неорганического происхождения, способности веществ к взаимодействию и изучает явления перехода химической энергии в тепловую, электрическую, световую и др.

Значение химии в существовании и развитии человечества огромно и значимо. Достаточно сказать, что ни одна отрасль производства не обходится без химии. Если вы посмотрите на то, что вас окружает в быту или на работе – это все дары и деяния химии. О значении химии в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства, медицине написаны целые книги. Известный английский физик Рамзай сказал: «Та нация, та страна, которая превзойдет другие в развитии химии, превзойдет их в общем материальном благосостоянии».

§ 2. Место химии среди естественных и технических наук. Химия относится к естественным наукам и тесно связана с физикой, биологией, экологией, это одна из наук о природе, а если мыслить философскими категориями – это наука о материи. Известны две основные формы существования материи – вещество и поле. Химия изучает вещество, химическую форму движения материи – превращение одних веществ в другие. Можно дать такое определение химии – это наука о составе, структуре, свойствах веществ, их превращениях и явлениях, сопровождающих эти превращения. Дифференциация и интеграция научных знаний выделила целый ряд химических наук и учебных дисциплин: общая, неорганическая, органическая, аналитическая, физическая – с одной стороны; биохимия, экология – с другой стороны.

Основные прикладные задачи химии:

1. Химия обеспечивает сырьевой базой развитие различных отраслей производства. Дальнейший технический прогресс связан с новейшими материалами и технологиями.

2. Современные технологии требуют использования особо чистых, а полупроводниковая техника – сверхчистых материалов. Разработкой методов получения веществ высокой степени очистки также занимается химия.

3. Задачей химии является создание новых химических источников тока, оснащение ими электромобилей.

4. Проблемы экологической защиты человечества и планеты Земля также стоят перед химиками. Это разработка достоверных методов контроля за выбросами в окружающую среду, создание безотходных технологий, замена токсичных веществ и т.д.

§ 3. История химии. Исторический процесс развития химии представляет собой закономерный процесс смены способов решения ее основной проблемы – получения веществ с заданными свойствами и выявление путей управления этими свойствами.

Родиной возникновения этой науки считают Египет. Слово «хюмея» означало в те времена искусство добывания металла из руд, изготовление красок и стекла. В период покорения Египта арабами в IV в. до н.э. к слову химия была добавлена приставка «ал». Отсюда произошла алхимия. Задачей алхимиков того времени был поиск рецептов «превращения» металлов в золото и возвращение молодости и здоровья людям. В этот период ясно различались три основных типа реакций: соединение, разложение, замещение. Были разработаны условные способы изображения химических реакций с помощью символов 7 металлов. Эти символы пережили века и сохранялись вплоть до начала XIX в.

Этот этап более чем тысячелетней истории накопил сведения об огромном количестве веществ и подвел к установлению основного понятия химии – понятия о химическом элементе как пределе взаимопревращаемости веществ.

Хотя еще в IV в. до н. э. Демокрит высказал идею о существовании прочных мельчайших неделимых частиц – атомов, из которых образуются все формы видимого и познаваемого мира.

Только в 1677 г. выдающийся английский физик Бойль издал сочинение, в котором объяснил химические превращения с помощью представлений об элементах, которые совпадают с современными. Это этап развития экспериментальной химии – науки о составе вещества. В XVIII в. Лавуазье, Ломоносов прибегают к приемам точного взвешивания. Применяя физические и математические методы, была построена атомистическая теория строения вещества. С созданием атомно-молекулярного учения Дальтоном химия стала наукой о свойствах атомов, их способности соединяться, образуя сложные молекулы. Химики были призваны решать задачи качественных химических превращений путем изменения элементарного состава химических соединений.

Начиная со второй половины XIX в. химия превратилась из науки преимущественно аналитической в науку, главным образом синтетическую. Создание Бутлеровым общей теории строения органических соединений положило начало становления структурной химии – основы органического синтеза. В конце XIX в. были получены: искусственный шелк, всевозможные красители, лекарственные вещества.

Прогресс теоретических знаний в области химии позволил интенсивно развиваться промышленности и технике в XX в. Учение о химических процессах, основанное на термодинамическом методе, позволяет предвидеть принципиальную возможность реакции и указать условия ее протекания, управлять химическими процессами. С целью получения веществ с заданными свойствами. Промышленное получение искусственных алмазов, металлов высокой чистоты (10^-5-10^-6%), достижения в области химии гена и белков, создание огромной области полимерных материалов, разработка новых лекарственных средств, моющих средств – вот небольшой перечень уровня решаемых задач современной химии.

§ 4. Казанская химическая школа. В Казани, в химической лаборатории Казанского университета в середине прошлого века возникла научная школа, давшая миру целую плеяду замечательных ученых, труды которых составляют золотой фонд мировой химической науки. К.К. Клаус, Н.Н. Зинин, А.М. Бутлеров, В.В. Марковников, А.М. Зайцев, Ф.М. Флавицкий, А.Е. Арбузов, Б.А. Арбузов – вот перечень имен, составляющих «основную линию» школы.

«Колыбель русской органической химии» – так определили истории химии Казань, химическую лабораторию Казанского университета. Здесь зародыши большинства химических центров в области органической химии в России.

Н.Н. Зинин, а позднее и А.М. Бутлеров, будучи избранными академиками Петербургской Академии наук, в соответствии с традициями того времени перенесли исследования из Казани в Санкт-Петербург. Возникла «Петербургская ветвь» Казанской химической школы.

В.В. Марковников, покинув Казанский университет наряду с другими профессорами в знак протеста тогдашнему руководству университета, продолжил исследования в Новороссийском (Одесском), а затем – в Московском университете. Образовалась «ветвь Московская». Ученики А.М. Бутлерова, а позднее ученики А.М. Зайцева возглавили кафедры химии и в других российских университетах: А.Н. Попов, Е.Е. Вагнер – в Варшаве, С.Н. Реформатский – в Киеве... Воистину «колыбель».

К.К. Клаусу, профессору Казанского университета, принадлежит слава открытия в 1844 г. элемента рутения. Возникла кафедра неорганической химии. Двумя годами ранее, выдающееся открытие сделал другой питомец Казанского университета, Н.Н. Зинин, он осуществил превращение нитробензола в анилин. Эта реакция положила начало промышленному органическому синтезу, анилинокрасочной промышленности.

Славу своих учителей приумножил другой питомец Казанского университета – А.М. Бутлеров. Созданная им в 1861 г. теория химического строения органических соединений стала на многие годы надежным проводником химиков в научном поиске.

Бутлеровское направление получило развитие в Казани в работах наиболее выдающихся его учеников – А.М. Зайцева, В.В. Марковникова, Ф.М. Флавицкого – основоположника аналитической химии в России. Возникла кафедра аналитической химии в КГУ. В учебниках по органической химии во всем мире фигурируют сегодня «правило Марковникова» и «правило Зайцева».

С именем А.Е. Арбузова, возглавившего в 1911 г. кафедру органической химии Казанского университета, связано создание новой химической ветви – химии фосфорорганических соединений. Открытая А.Е. Арбузовым реакция стала, по образному выражению А.Н. Несмеянова, «столбовой дорогой синтеза» фосфорорганических соединений.

В течение последних более чем 30 лет главой Казанской химической школы был Б.А. Арбузов. Он преемник отца по кафедре органической химии Казанского государственного университета, организатор института физической и органической химии.

Весом научный вклад учеников и последователей Б.А. Арбузова. Среди них А.Н. Пудовик, П.А. Кирпичников, А.И. Коновалов, А.И. Разумов, А.Н. Верещагин. Казанская химическая школа верна традициям.

Одним из секретов мирового успеха Казанской химической школы является традиционная для Казани работа с подрастающим поколением юных химиков. Казань неоднократно принимала Всероссийские и Всесоюзные олимпиады школьников по химии. В Казани работает Заочная школа юных химиков, вот уже 25 лет проводится летняя химическая школа «Орбиталь».

Специфика Казанского государственного технического университета наложила отпечаток на тематику химических исследований кафедры химии. Более 30 лет под руководством зав. каф. А.Ф. Богоявленского, профессора, доктора химических наук, заслуженного деятеля науки и техники РТ и РФ, проводились исследовательские работы по изучению процесса анодного окисления легких металлов. Этот процесс является методом защиты от коррозии алюминиевых сплавов, являющихся основным конструкционным материалом в авиастроении. Была создана научная школа анодирования Al и других легких металлов. А.Ф. Богоявленский является автором коллоидно-полимерно-электрохимической теории процесса анодного окисления металлов. Поскольку одним из методов исследования процесса анодирования был метод меченных атомов, при кафедре была создана радиохимическая лаборатория. В ее стенах функционировала «Базовая изотопная лаборатория» Татарстана. Задачей этой лаборатории было внедрение контроля с помощью радиоактивных приборов, получаемых в радиохимической лаборатории на основе анодирования Al, на ряде предприятий Татарстана и медицинских учреждений для лечения онкологических больных.

С 2000 г. кафедра общей химии и экологии становится выпускающей по направлению «Защита окружающей среды».

Таким образом, вклад казанской химической школы в развитие науки и техники поистине значителен.

Поиск по сайту: