И представления химии

1. Химия в системе "общество-природа"

На протяжении длительного развития человечество не раз сталкивалось с большим числом проблем, от которых нередко зависело само его существование. Чтобы выжить, наш предок научился изготавливать и использовать про­стейшие орудия труда, чем компенсировал свои природные недостатки. В дальнейшем первобытный человек, оказав­шись перед проблемой обеспечения пищей, освоил охоту, а затем земледелие и скотоводство. Освоение все более слож­ных орудий и предметов труда вызвало энергетическую проблему, потребовало перехода от естественных источни­ков энергии к более совершенным. Энергетическая пробле­ма последовательно привела человека к освоению энергии пара, тепловой, электрической энергии, наконец, энергии атома.

Необходимость повышения производительности труда и эффективности производства, роста темпов добычи и пе­реработки громадного объема минеральных ресурсов, наря­ду с необходимостью решения многих жизненно важных проблем вызвали к жизни использование химической тех­нологии, всеобщую химизацию, а затем и компьютеризацию общественного производства и быта.

Суммируя, можно сказать, что лейтмотивом, осью раз­вития человеческой цивилизации была и есть проблема выживания человеческого общества в условиях окружаю­щей среды, природы в целом. Мотив выживания, как пред­ставляется, есть ведущий мотив всей преобразующей дея­тельности человека на земле. Для своего выражения чело-

век всегда будет вынужден решать вечные проблемы овла дения веществом, энергией и информацией.

Успехи человека в решении больших и малых проблем выживания в значительной мере были достигнуты благо­даря развитию химии, становлению различных химических технологий. Успехи многих отраслей человеческой деятель­ности, таких как энергетика, металлургия, машиностроение, легкая и пищевая промышленность и других, во многом зависят от состояния и развития химии. Огромное значе­ние химия имеет для успешной работы сельскохозяйствен­ного производства, фармацевтической промышленности, обеспечения быта человека.

Химическая промышленность производит десятки ты­сяч наименований продуктов, многие из которых по техно­логическим и экономическим характеристикам успешно конкурируют с традиционными материалами, а часть — являются уникальными по своим параметрам. Химия дает материалы с заранее заданными свойствами, в том числе и такими, которые не встречаются в природе. Подобные ма­териалы позволяют проводить технологические процессы с большими скоростями, температурами, давлениями, в усло­виях агрессивных сред. Для промышленности химия по­ставляет такие продукты, как кислоты и щелочи, краски, синтетические волокна и т. п. Для сельского хозяйства химическая промышленность выпускает минеральные удобрения, средства защиты от вредителей, химические до­бавки и консерванты к кормам для животных. Для до­машнего хозяйства и быта химия поставляет моющие средства, краски, аэрозоли и другие продукты.

Химия характерна не только тем, что обеспечивает про­изводство многих необходимых продуктов, материалов, ле­карств. Во многих отраслях промышленности и сельско­хозяйственного производства широко используются также химические методы обработки: беление, крашение, печа­тание в текстильной промышленности; обезжиривание, травление, цианирование в машиностроении; кислородное дутье в металлургии; консервация, синтезирование витами­нов и аминокислот — в пищевой и фармацевтической про­мышленности и т. д. Внедрение химических методов ведет к интенсификации технологических процессов, увеличению выхода полезного вещества, снижению отходов, повышению качества продукции.

Таким образом, химизация, как процесс внедрения хи­мических методов в общественное производство и быт, по­зволила человеку решить многие технические, экономиче­ские и социальные проблемы. Однако масштабность, а не­редко и неуправляемость этого процесса обернулась «вто­рой стороной медали». Химия прямо или опосредованно затронула практически все компоненты окружающей сре­ды — сушу, атмосферу, воду Мирового океана, внедрилась в природные круговороты веществ. В результате этого нару­шилось сложившееся в течение миллионов лет равновесие природных процессов на планете, химизация стала замет­но отражаться на здоровье самого человека. Получилась ситуация, которую ученые обоснованно именуют химической войной против населения Земли. За последние 30-40 лет в этой войне пострадали сотни миллионов жителей плане­ты. Возникла самостоятельная ветвь экологической на­уки — химическая экология.

Основными источниками, загрязняющими окружающую среду, кроме собственно химической промышленности, яв­ляются металлургия, автомобильный транспорт, тепловые электростанции. Они дают большой объем газообразных отходов, загрязняют водоемы рек и озер сточными водами, используемыми в технологических целях. Газообразные отходы содержат оксиды углерода, серы, азота, соединения свинца, ртути, бензопирен, сероводород и другие вредные вещества. В связи со сжиганием топлива в больших объе­мах возникла проблема снижения концентрации кислорода и озона в атмосфере, получившая название «кислородного голодания».

К твердым отходам относятся отходы горнодобываю­щей промышленности, строительный и бытовой мусор. Сточные воды содержат многие неорганические соедине­ния — ионы ртути, цинка, кадмия, меди, никеля и т. д. Пя­тая часть вод Мирового океана загрязнена нефтью и неф­тепродуктами. Значительный ущерб водоемам вследствие вымывания удобрений из почвы наносят загрязнения, свя­занные с сельскохозяйственным производством. Вредные вещества из воздуха и воды попадают в почву, в которой на­капливаются тяжелые металлы, радиоактивные элементы.

В организм человека вредные вещества попадают через воздух, воду и пищу. Таким образом, человечество, пройдя ряд этапов развития — от огня костра до термоядерной

бомбы, — в начале XXI века оказалось в условиях, когда в очередной раз встал вопрос о его выживании. Угроза эко­логической катастрофы требует решительного пересмотра отношений современной «химической» цивилизации и при­роды в сторону оптимизации этих отношений. Задача зак­лючается в том, чтобы через новые технологии гармонизи­ровать отношения «общество — природа» таким образом, чтобы компенсаторных возможностей окружающей среды было достаточно для нейтрализации антропогенных воз­действий на нее.

Новые технологии по своим параметрам должны при­ближаться к природным процессам, отличаться от про­мышленных своей безотходностью или малоотходностью. В безотходном производстве технологический цикл «сы­рье — производство — использование готового продукта — вторичное сырье» вписывается в окружающую среду, не нарушая экономического развития. В настоящее время наметились следующие пути решения сложных экологиче­ских проблем: комплексная переработка сырья; пересмотр традиционных процессов и схем получения известных про­дуктов; внедрение бессточных и замкнутых схем водопот-ребления; очистка выбрасываемых газов; использование промышленных комплексов с замкнутой структурой мате­риальных и энергетических потоков.

Проблема выживания человека в конце XX века оказа­лась усложненной проблемами геополитического, социаль­ного и чисто технического характера. Решение последних затруднено ввиду потребительского характера сложившей­ся цивилизации и эгоцентризма индустриально развитых стран. Однако, опираясь на идеи В.И. Вернадского о пере­растании биосферы в ноосферу, можно говорить о неслучай­ности появления человека на Земле, о его предназначении в кризисной ситуации сыграть роль спасителя природы.

Экологические проблемы порождены не только эконо­микой и техникой, но и нравственным состоянием чело­века. Вопрос состоит не только в том, чтобы остановить процесс разрушения природы техническими средствами. Вопрос состоит в том, чтобы в корне изменить потреби­тельское отношение человека к окружающему миру. Че­ловечество должно стремиться не просто к выживанию, но и к нормальной, достойной каждого человека жизни в ус­ловиях гармонии с природой.

Из сказанного вытекает, что место и роль химии в со­временной цивилизации должны рассматриваться систем­но, т. е. во всем многообразии отношений, существующих между обществом и природной средой в рамках критерия экологической безопасности. При этом неизбежно рассмот­рение химии как активного элемента сложной системы «общество — природа», представляющего собой, в свою очередь, открытую систему со своей структурой и взаимо­обменом между веществом, энергией и информацией.

I Предмет химии

Химия — это естественная наука, изучающая состав, свойства и химические превращения веществ, явления, которые сопровождают эти превращения, а также рассмат­ривает вопросы использования результатов этих превра­щений. Самое краткое определение предмета химии дал великий русский ученый-химик Д.И. Менделеев в книге «Основы химии». По Менделееву, химия — это учение об элементах и их соединениях.

Отдельные химические процессы (получение материалов из руд, крашение тканей и др.) использовались еще на заре становления человеческой цивилизации. Позже, в III—IV ве­ках, зародилась алхимия, задачей которой было превраще­ние неблагородных металлов в благородные (золото, серебро). Начиная с эпохи Возрождения, химические исследования все в большей мере стали использовать для практических целей (металлургия, стеклоделие, керамика, получение красок и т. д.). Во второй половине XVII века Р. Бойль дал научное определение понятия «химический элемент».

Превращение химии в подлинную науку завершилось во второй половине XVIII века, когда был сформулирован закон сохранения массы вещества при химических реакци­ях (М.В. Ломоносов, А.Л. Лавуазье). В начале XIX века Дж. Дальтон ввел понятие «молекула». Атомно-молеку-лярные представления утвердились в 60-х годах XIX века. В этот период A.M. Бутлеров создал теорию строения хи­мических соединений, а Д.И. Менделеев (1869 г.) открыл периодический закон (периодическая система элементов Менделеева). С конца XIX — начала XX века важнейшим

направлением химии стала разработка теоретических ос­нов науки (атомно-молекулярное учение), изучение законо­мерностей химических процессов.

В современной химии постепенно оформились самосто­ятельные области химической науки: неорганическая хи­мия, органическая химия, химия полимеров, аналитическая химия, другие ответвленные науки. На стыке химии и дру­гих областей знания сложились такие науки, как физиче­ская химия, агрохимия, геохимия, биохимия. На базе дос­тижений химии появился также ряд технических наук, как, например, металлургия, термохимия, электрохимия и др.

3. Физические и химические изменения веществ

Вещество представляет собой однородный (гомогенный) вид материи, т. е. такой материи, каждая частица которой имеет одинаковые физические свойства. Различные изде­лия, имеющие различное назначение и форму, могут быть изготовлены из одного и того же материала, но их веще­ство будет одинаковым. Под веществом будем понимать чистую материю, без примесей. Под материалом — веще­ство того же наименования, полученное в реальных усло­виях, т. е. имеющее неизбежные примеси.

Вещества по своему составу делятся на простые и слож­ные; по происхождению — на натуральные (природные) и искусственные; по агрегатному состоянию — на твердые, жидкие и газообразные; по внутреннему строению — на аморфные (неупорядоченные по структуре) и кристалличе­ские, имеющие упорядоченную периодическую структуру (кристаллическое строение).

Вещества, взаимодействуя друг с другом, подвергаются различным изменениям и превращениям.

Физическим изменением вещества называют такое изме­нение, при котором внутреннее строение, состав и свойства не подвергаются изменению. Например, из древесины изготав­ливают мебель, при этом внутреннее строение (структура), со­став и свойства древесины остаются прежними.

Химическими изменениями вещества называют такие, когда в результате взаимодействия не менее двух исходных

веществ (химической реакции) появляются одно или не­сколько других веществ, отличающихся от первоначальных составом, структурой и свойствами. Например, раскаленная сталь покрывается на воздухе окалиной; уголь, сгорая, об­разует углекислый газ; в результате химической переработ­ки природного газа получают водород, ацетилен, метиловый спирт и другие продукты. Именно такими изменениями веществ, их получением, описанием и объяснением зани­мается химия.

Экспериментально доказано, что многие физические из­менения сопровождаются химическими изменениями, и наоборот. Раскаленная сталь на воздухе, как было сказа­но, покрывается окалиной, а уголь, сгорая, дает тепло и свет. Практическое применение химических изменений излагает химическая технология — область знания о ме­тодах и средствах рациональной химической переработки сырья, полуфабрикатов и промышленных отходов.

4. Химический анализ. Понятие о химическом элементе

Если подвергнуть, например, обыкновенный известняк нагреву, получится известь и углекислый газ. Известь и углекислый газ можно подвергнуть дальнейшему разложе­нию (известь на кальций и кислород, углекислый газ на углерод и кислород). Полученные вещества разложению уже не подвергаются. На сегодня известно 116 таких ве­ществ, их называют простейшими веществами или хими­ческими элементами.

Химическое разложение, в результате которого получа­ются простейшие вещества, называется химическим ана­лизом. В результате химического анализа определяется, ка­кие элементы содержатся в исследуемом веществе. Хими­ческую реакцию анализа упрощенно можно выразить урав­нением: А = В + С, где А — исходное сложное вещество, а В и С — полученные вещества (химические элементы).

Все известные на сегодня химические элементы в сис­тематизированном виде в соответствии с периодическим законом, открытым Д.И. Менделеевым, расположены в

Периодической системе элементов Менделеева — таблице, приведенной ниже.

Химические элементы классифицируются на металлы (золото, платина, серебро, железо, медь, алюминий, кальций, ртуть и др.) и неметаллы (сера, фосфор, углерод, азот, хлор, кислород и т. д.). Установлено, что в составе земной коры, морской воды и атмосферы содержится примерно:

Из сказанного следует, что простейшие вещества явля­ются основой всей живой и неживой материи, а следова­тельно, и всей Вселенной.

Большинство веществ, находящихся в естественных условиях, состоят в соединениях друг с другом, т. е. явля­ются веществами сложными. Незначительное число элемен­тов в природе находится в свободном состоянии (кислород, серебро, сера и некоторые другие). Ряд химических элемен­тов может существовать в разных модификациях. Так, например, элемент кислород образует два видоизменения: кислород и озон; углерод — три: алмаз, графит и корбин и т. д. Явление видоизменения одного и того же элемента, связанного со сложным внутренним строением химиче­ских элементов, называется аллотропией, а образующиеся простейшие вещества — аллотропными видоизменениями или модификациями.

| Химический синтез. Понятие о соединении

Если нагревать цинковый порошок с серой (два от­дельных элемента), то в результате получается соединение, называемое сернистым цинком, которое по своим свой­ствам отличается от исходных простейших веществ. Та­кое соединение элементом называется синтезом. Синтез осуществляется только в результате химической реакции, при которой появляется более сложное вещество с новыми