Предмет химии

С самых древних времен люди пытаются познавать Природу и свое место в ней. Важнейшую роль в этих поисках всегда играла наука. Со средних веков все науки делятся на точные (естественные) и изящные (гуманитарные, или, как шутят физики, неестественные). Предметом изучения первых являются законы развития материального мира, вторые исследуют законы развития и проявления человеческого Разума.

К основным естественным наукам относятся физика, химия и биология.

Различие между естественными науками состоит, главным образом, в уровне (масштабе) изучаемых явлений. В окружающем нас мире довольно условно можно выделить 4 уровня:

1. Астрономический – это уровень крупномасштабной организации Вселенной, включающей взаимодействия галактик, звездных скоплений, звезд и планет, вызванные, в первую очередь, гравитационным притяжением сверхмассивных тел. Масштаб астрономических явлений составляет от миллионов световых лет до миллионов километров.

2. Макроскопический – уровень процессов, происходящих на отдельном небесном теле. Примерами макроскопических явлений могут быть атмосферные вихри, эоловые процессы, выветривание, карстовые и суффозионные процессы, взаимодействия живых организмов в экосистемах и др. Масштаб макроскопических явлений соизмерим с масштабом деятельности человека и составляет от сотен тысяч километров до миллиметров.

3. Микроскопический – уровень атомно-молекулярных процессов, включающий взаимодействия и превращения атомов и молекул, движения атомных ядер и электронов. Масштаб микроскопических явлений – от сотых долей до нескольких сотен нанометров. Законы движения частиц на этом уровне определяются только электромагнитным взаимодействием.

4. Фундаментальный – уровень взаимодействий элементарных частиц (протонов, нейтронов и др.). Масштаб этих явлений – менее 10^–15 м. Эти процессы включают электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия. Фундаментальным данный уровень называется потому, что современное состояние и будущее Вселенной зависят от взаимодействий на этом уровне в первые мгновения после Большого Взрыва, в результате которого образовалась наша Вселенная.

Процессы на сверхбольших и сверхмалых расстояниях изучают астрофизика и физика элементарных частиц. Изучением макроскопических процессов в живой природе занимается биология, в неживой – классическая физика. Явления, происходящие на микроскопическом уровне, – это основной предмет современной химии.

Химия – это наука, изучающая процессы превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и структуры.

Таким образом, главным объектом химии как науки являются вещества и их превращения.

Основными видами материи[1] являются вещество и поле.

Вещество – вид материи, дискретные (элементарные) частицы которого имеют собственную массу, или массу покоя.

К элементарным частицам с конечной массой покоя относятся лептоны (электроны, позитроны, мюоны) и адроны – мезоны (p- и К-мезоны), барионы (гипероны и нуклоны – протоны и нейтроны). Вещество в классическом понимании[2] состоит из атомов, содержащих протоны, нейтроны и электроны. Из атомов образованы молекулы, ионы, радикалы и др. частицы вещества. Эта форма материи доминирует в Солнечной системе и в ближайших звездных системах.

В отличие от вещества,

поле – это вид материи, элементарные частицы которого не обладают массой покоя.

2. По признаку изменения числа и состава исходных и образующихся веществ: реакции разложения, соединения, замещения и обмена.

Химические реакции в органической химии классифицируют по конечному результату. Эта классификация аналогична классификации по признаку изменения числа и состава исходных и образующихся веществ в неорганической химии. Отличие состоит в том, что в неорганической химии учитывается конечный результат для всех исходных веществ, а в органической химии – только для органических веществ, конечный результат превращения неорганических веществ при этом не учитывается. Поэтому в органической химии реакции замещения и обмена объединены в общую группу реакций замещения.

По конечному результату все реакции органических веществ делятся на следующие типы:

– реакции замещения (в молекуле органического вещества атом или группа атомов замещается на другие атом или группу атомов);

– реакции присоединения (происходит присоединение к органическому веществу какой-либо молекулы);

– реакции отщепления или элиминирования (от органического вещества отщепляются какие-либо молекулы или частицы).

3. По признаку обратимости: необратимые и обратимые реакции.

4. По признаку изменения степени окисления атомов: электроностатические (без изменения степеней окисления) и электронодинамические (окислительно-восстановительные).

5. По способу воздействия на скорость реакции: каталитические, фотохимические реакции.

6. По виду частиц, участвующих в реакции: радикальные, ионные, атомно-молекулярные реакции.

В органической химии реакции классифицируют по характеру разрыва связей на радикальные (проходящие с гомолитическим разрывом старых связей и образованием в промежуточном состоянии радикалов) и ионные (проходящие с гетеролитическим разрывом старых связей и образованием в промежуточном состоянии ионов).

7. По числу фаз в системе: гомо- и гетерогенные реакции.

8. По признаку сохранения качественного состава веществ: аллотропия, изомеризация.

Приведите примеры реакций всех перечисленных выше типов.

Современная химия настолько разнообразна как по объектам, так и по методам их исследования, что многие ее разделы представляют собой самостоятельные науки.

Приведем примеры разделов химии:

– агрохимия изучает химические и биохимические процессы в почвах и растениях, разрабатывает оптимальные приемы использования удобрений, а также способы улучшения свойств почвы как среды обитания растений;

– аналитическая химия рассматривает принципы и методы качественного и количественного изучения химического состава вещества;

– биогеохимия изучает химический состав живых организмов, их участие в геохимических процессах;

– бионеорганическая химия изучает комплексы ионов металлов с белками, нуклеиновыми кислотами, липидами и низкомолекулярными природными веществами;

– биоорганическая химия изучает связь между строением органических веществ и их биологическими функциями, используя методы и приемы органической химии;

– биохимия изучает химический состав веществ, содержащихся в живых организмах, их структуру, свойства, места локализации, пути образования и превращения;

– геохимия изучает распространенность, распределение и законы миграции химических элементов в различных системах Земли;

– квантовая химия использует идеи и методы квантовой механики для исследования химических объектов и процессов;

– коллоидная химия изучает дисперсные системы и поверхностные явления, возникающие на границе раздела фаз;

– координационная химия изучает химические соединения, состоящие из центрального атома (или иона) и связанных с ним молекул или ионов – лигандов;

– космохимия изучает химический состав космических тел, законы распространенности и распределения элементов во Вселенной, нуклеосинтез и эволюцию изотопного состава элементов, сочетание и миграцию атомов при образовании космического вещества;

– криохимия изучает закономерности химических реакций при низких (в интервале 223–70 К) и сверхнизких (ниже 70 К) температурах;

– кристаллохимия изучает пространственное расположение и химические связи атомов в кристаллах, а также зависимость свойств кристаллических веществ от их строения;

– магнетохимия изучает взаимосвязь электронного, молекулярного и кристаллического строения вещества с его магнитными свойствами;

– математическая химия применяет математические методы для обработки химических закономерностей, поиска связей между строением и свойствами веществ, кодирования веществ по их молекулярной структуре, подсчета числа изомеров органических веществ;

– металлорганическая химия изучает органические производные металлов, содержащие связь углерод-металл;

– механохимия изучает химические и физико-химические превращения при механических воздействиях на вещество;

– нанохимия исследует свойства, строение и особенности химических превращений наночастиц;

– неорганическая химия изучает химические элементы и их соединения (кроме органических соединений);

– органическая химия – химия углерода и его соединений;

– пищевая химия изучает химический состав пищевых систем (сырье, полупродукты, готовые пищевые продукты), его изменения в ходе технологического потока под влиянием различных факторов (физических, химических, биохимических и т. д.), общие закономерности этих превращений; взаимосвязь структуры и свойств пищевых веществ, свойства и пищевую ценность продуктов питания;

– плазмохимия изучает химические процессы в низкотемпературной плазме и влияние этих процессов на свойства плазмы;

– радиационная химия изучает превращения веществ под действием ионизирующих излучений;

– радиохимия изучает химию радиоактивных веществ, законы их физико-химического поведения, химию ядерных превращений и сопутствующие им физико-химические процессы;

– фармацевтическая химия изучает способы получения лекарственных средств (синтетических и природных), их физические и химические свойства;

– физическая химия объясняет химические явления и устанавливает их общие закономерности на основе принципов физики и с использованием физических экспериментальных методов;

– фотохимия изучает химические превращения веществ под действием света;

– химическая технология – наука о наиболее экономичных методах и средствах массовой химической переработки сырых природных материалов в продукты потребления и промежуточные продукты, применяемые в различных отраслях материального производства;

– химия высокомолекулярных соединений исследует структуру, свойства и способы получения полимеров природного и синтетического происхождения, а также направленную модификацию полимеров с целью создания материалов с требуемыми свойствами;

– химия твердого тела изучает химические свойства и строение твердых тел, реакции в твердых телах, пути получения и практического использования различных типов твердых тел;

– экологическая химия рассматривает процессы, определяющие химический состав и свойства объектов окружающей среды;

– электрохимия изучает физико-химические свойства ионных систем (растворов, расплавов или твердых электролитов), а также явления, возникающие на границе двух фаз с участием заряженных частиц (ионов и электронов).

Из приведенных примеров видно, что многие крупнейшие разделы химии возникли на границах с другими науками.

Таким образом, современная химия самым тесным образом взаимодействует со всеми другими областями естествознания. «Чистой» химии, изолированной от других наук, сегодня уже не существует.

Поиск по сайту: