Представления современной химии

Закон Менделеева имеет значение не только для химии. Периодическая система наталкивала на мысль, что атомы не являются неделимыми. Решение этого вопроса выходило за рамки химии.

Фундаментальными основами современной химии стали квантовая механика, атомная физика, термодинамика, статистическая физика, физическая кинетика. Физическая химия, в ХХ веке изменившая парадигму химии, объяснила химические явления. Что такое атом химиков больше не волнует. Триумфами квантовой химии стал вывод Периодической системы из квантово-механической модели атома и физическая классификация типов химической связи. Квантовая химия стала базисом теоретической химии. Язык химии – это макроскопическое выражение квантово-механических взаимодействий. Основной метод квантовой химии состоит в применении уравнения Шредингера для атомов и молекул.

Однако химия не сводится к физике, поскольку результаты химического взаимодействия могут быть вычислены с помощью физики лишь приближенно, т. к. физические расчеты сложны. При конструировании сложных химических соединений химики исходят из контекста своих нефизических соображений – моделей, полученных не из физики. С помощью химического языка понятий и формул, разработанного до квантовой механики и задающих специфику химии, эти проблемы решаются намного проще и эффективнее.

Основные объекты химии – атом и молекула. Атом – наименьшая частица химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Молекула – наименьшая частица вещества, обладающая его основными химическими свойствами. Физические методы открыли физическую природу химизма. С открытием строения атома стала ясна причина химической связи атомов друг с другом. Между атомами действуют электростатические силы – силы взаимодействия электрических зарядов электронов и ядер атомов.

Химическая связь – связь между атомами, приводящая к образованию молекул. Она обусловлена обменным взаимодействием электронов атомов. В ее образовании главную роль играют валентные электроны, расположенные на внешней электронной оболочке атома. Различают три основных типа химической связи. Ковалентная связь осуществляется за счет образования электронных пар, в равной мере принадлежащих обоим атомам. Ионная связь представляет собой электростатическое притяжение между ионами, образованными смещением электронной пары к одному из атомов. Металлическая связь образуется между положительными ионами в кристаллах металлов, осуществляемая за счет притяжения электронов, свободно перемещающихся по кристаллу.

Предмет химии

Исторически химия возникла для получения веществ, необходимых для жизнедеятельности человека. Основная задача современной химии двойная: исследование генезиса свойств веществ и разработка на этой основе методов получения веществ с заданными свойствами и «умных» веществ. По словам Д.И.Менделеева, химия в значительной мере сама создает объект изучения.

Химия – наука, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения.

98.6% массы физически доступного слоя Земли составляют восемь химических элементов: 47% - кислород, 27.5% - кремний, 8.8% - алюминий, 4.6% - железо, 3.6% - кальций, 2.6% - натрий, 2.5% - калий, 2.1% - магний. Практически все элементы проявляются в земных условиях в составе химических соединений. Их известно около 8 000 000. Из них около 300 000 неорганических соединений, а абсолютное большинство (96%) – органических.

Распространенность кремния (97% массы земной коры составляют силикаты) предполагает, что силикаты (из которых можно делать материалы с самыми различными свойствами) должны стать основным сырьем производства. Металлы и керамика на 90% составляют материальную основу жизни человечества.

Развитие химии в XX веке привело к ее дифференциации и возникновению междисциплинарных направлений - космохимия, геохимия, нефтехимия, агрохимия, биохимия и др. Основные разделы современной химии: неорганическая, органическая, физическая, аналитическая и химия высокомолекулярных соединений.

Основными задачами неорганической химии являются: строение соединений, установление связи строения со свойствами и реакционной способностью, синтез и глубокая очистка веществ. Неорганические соединения применяются как конструкционные материалы, как удобрение и кормовые добавки, ядерное и ракетное топливо, фармацевтические материалы.

Органическая химия – наиболее крупный раздел. Огромное значение имеет химия полимеров, красителей, лекарственных, отравляющих веществ, средств защиты растений и др. Вершиной органической химии является синтез активных генов.

Аналитическая химия – наука об определении химического состава. До середины XIX века была основным разделом химии. Современные методы связаны с получением заданных материалов.

Новый качественный сдвиг в химии связан с появлением эволюционной химии. Предметом изучения эволюционной химии является химогенез. С точки зрения эволюционной химии на протяжении длительного времени происходил отбор химических элементов по тем свойствам, которые давали преимущество при переходе на более высокий уровень организации материи – биологический. Химическая эволюция обеспечила переход от химогенеза к биогенезу. Понимание механизмов химогенеза важно для прояснения проблемы происхождения жизни.

Современная химия перешла в качественно новое состояние – ее предметная область существенно расширилась благодаря междисциплинарности исследований, где тесно переплетаются методы физики, химии и биологии. Особенности предмета современной химии проявляются в следующем:

-технологические процессы с комбинацией физических, химических и биологических трансформаций вещества (биотехнология, фармтехнология, спиновая химия, компьютерные технологии, технология переработки радиоактивных отходов и др.);

-технологические процессы в наносфере с гетерогенными поверхностными и дисперсными системами (нанохимия);

-технологические процессы, связанные с использованием не ковалентных, а межмолекулярных связей (супрамолекулярная химия).

В настоящее время разрабатываются так называемые «умные материалы». Например, лекарственные материалы с адресной доставкой в живых системах. Новый класс умных материалов представляют супрамолекулярные системы, которые в отличие от систем с ковалентными связями обладают способностью самовостанавливаться после разрыва.

Поиск по сайту: