Предмет познания химии и её основные проблемы

Химия – это наука, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающаяся изменением состава и строения.

Система, образующая факторы:

1) Получение веществ с заданными свойствами.

2) Выявление способа управления свойствами вещества.

Вся эволюция химической науки является процессом смены способов решения проблемы химии.

Решить эти задачи можно 4 способами от того, что свойства веществ зависят:

1) От его элементного и молекулярного состава. Учение о строении вещества.

2) От термодинамических и кинетических условий, в которых вещество находится. Учение о химических процессах.

3) От структуры вещества. Структурная химия.

4) От высоты химической организации вещества. Эволюционная химия.

В истории химии происходит строго закономерная смена концептуальных систем, в рамках которых решается основная задача химии.

Основные понятия химической науки:

Химическая связь – это такое взаимодействие, которое связывает отдельные атомы в молекулы, ионы, кристаллы.

Природа химической связи – объясняется взаимодействием электрических полей, которые создаются электронами и ядрами атома.

Энергия связи – это количественная характеристика, которая оценивается количественно с помощью энергией, затрачиваемой на её разрыв.

В зависимости от характера расставления электронной плотности выделяют 3 типа связи:

1) Ковалентную связь. Осуществляется за счет образования общих электронных пар. Если принадлежат в равной степени, то говорят о ковалентной неполярной связи. Если наоборот, то ковалентная полярная.

2) Ионную. Осуществляется за счет электростатического притяжения между ионами, путем полного смещения электронной пары к одному из атомов. В этом случае связь осуществляется за счет притяжения разноименно заряженных частиц.

3) Металлическую. Осуществляется между положительными ионами в кристаллах и свободными ионами, перемещающимися по кристаллической решетке.

Применение законов термодинамики в химии позволяет решить вопрос о принципиальной возможности протекания процессов.

Химическая кинетика объясняет качественное изменение химических процессов с течением времени.

Тепловой эффект химической реакции. Зависит от природы реагентов, их физического состояния, от условий протекания реакций и от количества взаимодействующих веществ. В химии выделяют эндотермические (с поглощением) и экзотермические реакции.

Методы и концепции познания в химии.

3 концептуальное учение химии: эволюционная химия.

Учение о составе вещества. Проблема элементарного и молекулярного состава.

При решении вопроса и составе вещества, перед химиками встают 3 основные проблемы:

1) Проблема химического элемента.

2) Проблема химического соединения.

3) Проблема создания новых материалов.

Решение первой проблемы:

С точки зрения современной химии – химический элемент – это совокупность всех атомов с одинаковым зарядом ядра.

С точки зрения химии, заряд ядра обеспечивает индивидуальность химического элемента.

Роберт Бой – выдающийся английский химик и физик впервые рассказывал о строении вещества. Химический элемент представляет собой простое вещество, которое является пределом химического разложения.

Следующий этап: Антуану Ларуану Лавуазье – основоположник теории флогистон. Первая научная теория химии. В рамках теории флогистона были открыты следующие химические элементы. К ним относится, кобальт, никель, фосфор, водород, фтор, азот, хлор, марганец. Одновременно во Франции был открыт новый химический элемент. Кислород. Он определил роль кислорода в создании кислот, воды. Он попробовал осуществить первую систематизацию химических элементов.

Следующий этап связан с Менделеевым. Был открыт периодический закон или периодическая система. Во времена Менделеева - это было гениальное эмпирическое обобщение. Это свидетельствовало об открытии новых законов. Свойства простых тел, а также их форма и способ соединения находятся в периодической зависимости от величины атомных масс элементов, так считал Менделеев.

Физический смысл периодического закона: Периодичность расположения элементов в этой таблице зависел от заряда ядра атома.

Проблема химического соединения. Суть проблемы заключается в понимании разницы, что нужно относить к химическому соединению, а что нужно относиться к смесям. Ясность в этот вопрос была внесена, когда был открыт «закон постоянства состава». Открыт Джозефом Маусом. Индивидуальные свойства вещества, в отличии от смеси, зависят от однородности вещества. Индивидуальные вещества, в отличии от смеси, состоят из мельчайших частиц атомов. Эти атомы состоят из более мелких атомов и состав любого химического соединения. Состав представлен большими формулами: АВ, А2В, АВ2, А2В2 и т.д. Эти самые простейшие атомы входят в состав молекул. Атомы А и В, согласно закону эквивалентов, могут быть заменены по следующим химическим реакциям.

Состав химического соединения остается постоянным. Закон всякое чистое вещество, независимо от способа получения, имеет постоянный состав.

Другое представление о составе вещества было у Джона Дальтон. Создает атомно-молекулярное учение, которое базируется на представление прусском эптале. Он считал, что химические соединения имеют не постоянный, а переменный состав. А именно, Ах и Ву. Если они имеют низкую величину, то говорят о соединении веществ.

Конец 19 столетия, русский ученый Коновалов показал, что соединение с переменным составом имеет право существовать. Более того, индивидуальные химические соединения, имеющие переменный состав, получили название – бертоллиды.

Проблемы создания новых материалов:

Это весьма актуально. Потому что 80%, окружающих нас химических элементов – это металлы и керамика. В рамках решения создания материалов выделяют 3 задачи:

1) Приведение в соответствие, практике использования химических элементов.

3) Синтез элемента атомических соединений. Керамика является полупроводником. Из-за наличия кислорода.

4) Проблемы и решения на уровне структурной химии.

Развитие структурной химии совпадает с началом 19 века. Это прежде всего развитие мануфактурного производства. В состав любого органического элемента входят только галогены – углерод, кислород, азот, сера, составляющие 98%, а остальные 2 процента – это другие 11 элементов. И поэтому в рамках учения о составе вещества – это решить было невозможно. Учение о структуре вещества разрешило возникшую проблему – Ф. Кекуле. Вводит понятие валентности. Кекуле говорит о том, что в процесс образования химических связей, реализует определенное число валентных связей. Каждый из этих элементов может образовывать ограниченное число связей. На основании них Кекуле создает формульный схематизм. Используя формульный схематизм Кекуле, можно было создавать любые химические соединения. Вторая половина 19 столетия ознаменовалась открытием огромного количества органических соединений. А именно, в период с 1860 года по 1880 год было синтезировано более 1,5 миллионов органических соединений. Были текстильные изделия. Было синтезированы лекарственные препараты – аспирин, антипирин.

Пределы структурной химии связаны. Исходные вещества и продукты реакции. Этих сведений недостаточно, чтобы управлять химическим процессом.

2) Органическая структурная химия имела очень низкие выходы продуктов.

3) Организационные процессы. Синтез аммиака.

В рамках структурной химии. Закономерно основная проблема о химических процессах.

Учение о химических процессах:

1) Управление химическими процессами делится на термодинамические методы.

К следующей недели готовимся к тестированию по вопросам: 12-16, 22, 23, 24, 28-30.

Основные моменты и положения просмотреть самостоятельно.

Химические реакции, в которых равновесие смещено в сторону образования элементов. Каждая химическая реакция может быть обратима. Достаточно ясно, химиками было ясно. См. выше синтез аммиака.

С увеличением температуры увеличивается скорость химической реакции.

Если на систему, находящуюся в равновесии, оказать влияние извне, то внутри пройдет процесс, который максимально ослабит данное воздействие. Находятся газообразные вещества.

Термодинамика не оперирует понятием времени.

Закон Ван Кува. Многокомпонентные реакторные системы. Суть проблемы заключается в том, чтобы посмотреть, каким образом, влияет на химический процесс не только исходные вещества и продукты реакции, но и так называемые третьи тела: 1) Влияние растворителя на ход химической реакции в рамках учения о составе и структуре вещества не учитывалось, а оказалось, что растворители влияют на ход химической реакции. А именно, часть реакции быстро протекает в кислой среде и совершенно не идут в нейтральной среде и щелочной. Например, этерификации.

2) На протекание химической реакции, существенное влияние оказывают стенки реактора. Например, крекинг нефти, протекающий при участии стенок реактора, выступающих в качестве катализатора.

3) Важное влияние на химических процесс оказывают случайные примеси. Они могут замедлять и ускорять скорость химической реакции.

4) Влияние катализатора. Катализ был открыт в 1812 году, К. Кирхгоф. Например, водород + азот = NH_{3 д}анную реакцию не могли сместить в сторону продукта реакции. Равновесие смещается вправо. Катализатор может сместить равновесие и ускорить химическую реакцию. В присутствии катализатора Железа или титана, удается понизить температурные процессы до 16 градусов с 400 градусов.

Эволюционная химия – высшая ступень развития знаний. Датируется 70-ми годами 19 столетия. По эволюционными проблемами понимают процессы самопроизвольного синтеза новых химических соединений. Новые химические соединения, полученные путем самоорганизации более сложные, более высокоорганизованными веществами, в сравнении с исходными. Эти проблемы решаются двояко.

Пути освоения каталитического опыта живой природы.

Идет по разным направлениям:

1) Развитие металлокомплексного анализа.

2) Моделирование биокатализаторов.

3) Использование достижений химии иммобилизованной системы. Сущность иммобилизации заключается в закреплении на искусственно созданной подложке, выделенных из живого вещества, ферментов. Изучение опыта живой природы по созданию фермента.

Процесс самоорганизации имеет свое начало в эволюционной химии, поэтому самоорганизация – это понятие, являющееся детищем эволюционной химии, восхождение систем на более высокие уровни сложности и системной упорядоченности.

Решение проблем самоорганизации предбиологических систем.

В рамках решения данной проблемы существует 2 подхода:

1) Субстрактный. Суть в том, что дает информацию об отборе химических элементов и структур в процессе эволюции. Почему именно элементы органогенов входят в состав живого существа? Именно ответ на этот вопрос дает данный подход. 6 элементов + 12: Натрий, Калий, Кальций, Магний, Алюминий, Железо, Кремний, Хлор, Медь, Цинк, Кобальт, Никель. В результате эволюции шел отбор и химических соединений, а именно: из известных на сегодняшний день 100 аминокислот, в строительстве живого принимают участие только 20 аминокислот. Исследования показывают, что в ходе эволюции отбирались те структуры и химические элементы, которые способствовали активизации селективности и активности каталитических групп.

2) Функциональный. Сосредоточено на законах самоорганизации.

Основы термодинамики. О термодинамике закрытых систем синергетики.

Материя постоянно движется. Раз так, мерой движения материи, её количественной характеристикой является энергия. Энергия может существовать в различных формах. Законы превращения одной формы энергии в другую, изучает термодинамика.

Термодинамическая система – это отдельное тело или совокупность тел, которые фактически или мысленно отделены от окружающей среды. В термодинамике существует система, в которой отражена окружающая среда. Окружающая среда и термодинамическая системы могут взаимодействовать друг с другом. В зависимости от типа, термодинамические системы делятся на 2 большие группы:

1) Изолированные. Такие системы, которые не обмениваются с окружающей средой ни энергией, ни массой.

2) Неизолированные. Делятся на: 1) Открытые системы. Обмениваются энергией, массой и информацией. 2) Закрытые системы обмениваются с окружающей средой энергией, но не обмениваются массой. Все живые системы, как и социальные, являются открытыми системами. Изолированные системы проще.

Состояние системы – это совокупность её физических и химических свойств системы, которые характеризуются с помощью термодинамических параметров (концентрации, давления, объема и т.д.).

Термодинамический процесс – это всякое изменение в состоянии системы, которое сопровождается изменением хотя бы одного термодинамического параметра.

В основе термодинамики лежат 3 основных закона (начала):

1) Закон сохранения и превращения энергии, применительно к макроскопическим телам. Первая формулировка была сделана в 18 столетии. Изучала она – вечный двигатель первого рода невозможен. Вечный двигатель первого рода – это устройство, с помощью которого можно было бы производить механическую работу без внешнего воздействия на него. Математическое выражение первого закона термодинамики выглядит: Тепло, которое получает система, тратится на изменение внутренней энергии и на совершение работы против внешней силы. Q=дельтаU+A.

2) В 1850 года был сформулирован 2-ое начало термодинамики – Рудольф Флавию. Звучит следующим образом – теплота не может сама собой переходить от холодного тела к нагретому телу. 4 годами позжЕ, а именно 1854 году, Рудольф Клавзиус вводит понятие – энтропия. Это функция состояния системы наряду с концентрацией, давлением и т.д., которое характеризует макро состояние системы, мера хаоса, неупорядоченности системы. В отличии от других функций состояния, энтропию измерить нельзя. Её можно только вычислить. Математическое выражение. Измерение энтропии больше или равно дельтаS больше равно Q/Т. При обратимых процессах, изменение энтропии равно нулю. При необратимых процессах, Изменение энтропии больше или равно. Если система изолирована и находится в состоянии равновесия, то изменение энтропии и теплоты равно 0. Если система изолирована и находится в не равновесном состоянии, то дельта S такой системы всегда больше 0.

Статистическая природа второго начал термодинамики. Классическая термодинамика рассматривает макро системы, не вникая в корпускулярную структуру. Вопросы: Почему в системе происходят процессы, приводящие её из неравновесного состояния в равновесное?

И второй вопрос: Почему эти процессы являются необратимыми?

Ответов не дает классическая термодинамика.

Взаимосвязь между статистически усредненными параметрами системы и макроскопическими параметрами, дает современная термодинамика.

В 1872 году, Людвиг Больцман установил следующую зависимость: энергия прямо пропорциональна натуральному алгоритму. K – постоянная Больцмана. Термодинамическая вероятность устанавливает число микросостояний, соответствующих данному микросостоянию. В изолированной системе, процесс пойдет в стороны возрастания энтропии. И будет до тех пор, пока не установится некоторое равновесие.

3) Начало посмотреть самостоятельно

Теория «тепловой смерти» вселенной.

Рудольф Клаузиус является основоположником данной теории. Он считал, что если вселенная замкнута, то сточки зрения 2 начала, энтропия вселенной возрастала, следовательно, все виды энергии во вселенной рано или поздно перейдут в тепловую энергию. Значит, все макроскопические процессы, которые будут сопровождаться переносом энергии масс заряда, прекратятся. Звезды погаснут, все существующие перепады температур выровняются. При этом, полная энергия системы сохраняется. Закон сохранения энергии работает. Но при этом исчезнет абсолютно все. Ни одна машина не сможет прийти в движение.

Эта гипотеза была парадигмальной второй половины 19 века и гипотеза несостоятельна по следующим причинам:

1) Сформулировано для систем макромира. А распространили на объекты мегамира. Это не корректно.

2) Вселенная изолированной системой не является. Обладает свойствами как: неоднородность, нестационарность, бесконечность. Для объектов мегамира, решающие значения имеют гравитационные силы.

3) На уровне вселенной. Отсюда следует, что при развитии объектом мегамира играют фруктуации и случайности. И, как следствие, этого, второе начало термодинамики нельзя применять к большим участкам вселенной нельзя.

Устойчивость, неустойчивость, бифуркация.

Предметом классической физики 19 века являются простые, замкнутые, обратимые во времени, изолированные системы. Подавляющее большинство число систем в реальном мире – это открытые системы, которые обмениваются с окружающей средой энергией, массой.

70-ые годы ознаменовались созданием новой теории, «теории самоорганизации», которая объединилась под общим названием – синергетика. Это междисциплинарный подход, который ориентирован на исследовании принципов построения организации: её возникновение, развития и самоусложнения.

Ключевые идеи синергетики формулируются в рамках 3 основных школ:

1) Российская школа нелинейной динамики. Основоположник – Гурдюмов.

2) Бельгийская диссипативных процессов. Основоположник – И. Пригожин.

3) Немецкая школа лазерной физики. Основоположник – Генри Хакен.

Основной вопрос синергетики – Существуют ли общие закономерности, которые управляют самоорганизующимися системами? Определяющие их структуры и свойства.

Самоорганизующиеся системы – это такие системы, которые без специфического воздействия извне, обретают некоторую пространственную, временную или функциональную структуру.

Основные свойства самоорганизующейся системы:

1) Открытость. Открытая система поддерживается в определенном состоянии за счет непрерывного притока извне вещества, энергии и информации. Необходимое условие существования самоорганизующейся системы. В открытых системах ключевую роль играют случайные факторы, флуктуационные процессы. Открытые системы необратимые. В них решающую роль играют фактор времени.

2) Нелинейность. Это способность самоорганизующейся системы воспринимать факторы извне и «учитывать» их в своем развитии. На нелинейные системы не распространяется принцип суперпозиции. Совокупное действие факторов А и В, приводит к результату, отличному от последовательного действия этих факторов. Нелинейность реализуется: процессы носят пороговый характер. Это значит, что при плавном, постепенном изменении внешних условий, в определенный момент времени, система вдруг скачкообразно меняет свои свойства. нелинейность системы реализуется в наличии обратной положительной связи. Вырабатывается фермент. Присутствие этого фермента стимулирует химический процесс.

3) Диссипативность. Предполагает, что в ходе неравновесных процессов наблюдается, как пространственное, так и временное упорядочение времени. Такие состояния системы И. Пригожин назвал диссипативными системами.

Примеры самоорганизации на различных уровнях организации материи.

1) Ячейки Бернара. Явление было открыто в 1901 году. Это пример самоорганизации на физическом уровне организации материи. Суть процесса: Любая жидкость помещается между 2 пластинами, на которых создается градиент температур. T1 и T2 и Т1>Т2. Нижние теплые слои жидкости поднимаются вверх, верхние холодные спускаются вниз. Реализуется процесс конвекции жидкости. Как только, разность температур достигает критической, система порога вдруг внезапно обретает пространственное ограничение, а именно, Если первая ячейка начнется вращаться по часовой стрелке, то четная начинает вращается против часовой. Выбор направления движения первой ячейки – процесс случайный, но если первая ячейка закрутилась по часовой, то каждая нечетная ячейка будет носить закономерный характер.

Сверху, данная система будет иметь вид правильного шестигранника.

Реакция Белоусова-Животенского. Эффект самоорганизации на химическом уровне организации материи. Суть реакции: Лимонная кислота, добавляется бромид калия. Реакция ведется в присутствии катализатора. 3 валентный имеет красный цвет. 4 валентный церий имеет синюю окраску. По истечении времени, в реакционной среде, аккуратно происходит чередование синих и красных полосок. Данный эффект выражается в виде графика. Это происходит с определенным, четко определенным временным периодом. Эта реакция воспроизводима и если взять и встряхнуть вещество, то через некоторое время все восстановится.

Это говорит о том, что в системе возникает пространственно-временное упорядочение.

Классическим примером на самоорганизации на биологическом уровне организации материи является система хищник-жертва.

Численность популяции хищника, с одной стороны и численность популяции жертвы, с другой. Эффект: Численность популяции жертвы приводит к увеличению численности популяции хищника. А увеличение популяции хищника уменьшает жертву. За счет существования обратной связи, данная система существует в равновесии с окружающей средой. Если нет вмешательства извне, то происходит саморегуляции численности. И это выражается в графике, волнообразными линиями.

В системе характеризуется пространственно-временное различие. Примеры самоорганизации на социальном уровне.

Экономические волны Кондратьева (рассмотреть самостоятельно, уч. Горбачев КСЕ). Этими примерами была показана, что самоорганизующиеся системы присутствуют на всех уровнях организации материи. Уместно будет рассмотреть эволюцию подобного рода систем.

Схема развития самоорганизующихся систем:

1) В открытой нелинейной системе энергия и масса поступают в систему произвольно, не дозированно. Следовательно, такая система может выйти из состояния равновесия.

По мере дальнейшего притока энергии и массы, система все дальше и дальше уходит от состояния равновесия (как итог, система становится все более неравновесной и нерегулируемой). На первом этапе происходит переход от порядка к хаосу. У каждой системы есть точка максимального хаоса системы – бифуркации. Имеет общее методологическое значение. То есть система максимально разупорядочена. Точка бифуркации – это точка перелома в дальнейшем развитии системы. Крайне краткосрочное состояние системы, но дальше развитие идет по любому пути системы, то есть точку можно столкнуть, как угодно.

Выбор развития пути системы случаен до нового порядка, но, как только система вступила на определенный шаг, дальнейший путь определен.

Отрезок пути от точки бифуркации до состояния нового порядка называется аттрактором. Аттрактор подобен воронке.