Документ охватывает основы химии как науки, её связь с другими дисциплинами и основные задачи, такие как создание новых веществ и понимание их свойств. Обсуждаются концептуальные ступени развития химических знаний, начиная с учения о составе и заканчивая эволюционной химией, а также важность химических процессов для технологий. Также рассматриваются агрегатные состояния вещества и практическое значение растворов и смесей в повседневной жизни.

1. Химия и современное
естествознание
Краткие сведения о химии
и химической технологии

2. Химия в общей иерархии естественных наук
 Ещё на первой лекции мы говорили о том, что
Вселенная условно может быть разделена на три
большие области
 Микромир Макромир Мегамир
 Наука химия изучает то состояние и объекты
материи, которые лежат на грани
соприкосновения макромира и микромира.
 Иными словами химическая форма движения
материи частично описывается законами
макромира, а частично законами микромира.
 В то же самое время химия не охватывает
полностью явления ни макромира, ни микромира.

3. Атомно-молекулярный уровень организации
материи
 На определённом этапе эволюции Вселенной
элементарные частицы формируют атомы. Из
атомов, в свою очередь, образуются молекулы.
 Химия изучает различные превращения, в
которых атомы и молекулы выступают в качестве
действующих объектов.
 Вещества, с которыми имеет дело человек в
своей повседневной жизни, состоят из
«неделимых» атомов и молекул.
 Таким образом химия изучает различные
изменения веществ в окружающей нас жизни.
 Для нас, главным образом, химия является
теоретической базой, которая позволяет
создавать новые вещества (новые комбинации
атомов и молекул) и менять их свойства за счёт
структуры и различных добавок.
 Это значит, что химия является теоретической
базой разных технологий.

4. Сколько частиц принимает участие в обычных
химических процессах
 На химическом уровне организации материи мы
имеем дело с большим числом атомов и молекул.
 Именно благодаря их большому числу
микроскопические законы, характерные для
микромира, проявляются на макроуровне.
 Так например, базовое химическое понятие
валентность является отражением на
макроскопическом уровне микроскопических
законов квантовой механики, которые характерны
для микроскопического уровня.
 Химия разработала свой язык (систему понятий)
которая позволяет выразить очень сложные
законы микроскопического уровня в удобной и
эффективной форме.

5. О связи химии с другими науками
 Традиционно химия связана с физикой и
биологией.
 Связана она и с другими науками.
 Вспомним, что на прошлых лекциях мы широко
использовали термин геохимия.
 Химия, как база технологий, позволяет получать
новые вещества. Именно этим она, в первую
очередь важна для человеческой практики.
 С другой стороны химия исследует свойства
различных веществ.
 Д.И. Менделеев подчёркивал, что особенностью
химии является то, что она сама создаёт
объекты для своих исследований.

6. Что можно считать основной задачей химии
 Всякая наука решает множество задач.
 Среди этих задач есть наиболее важные и
главные задачи, которые связаны с решением
всех основных вопросов, которые стоят перед
соответствующей наукой.
 Для химии, как науки занимающейся созданием
новых материалов, основным является вопрос о
прогнозировании их свойств и объяснение того,
как и почему эти свойства возникают.
 Это называют словом генезис.
 Зная то, как возникают свойства вещества, можно
проектировать методы его получения, то есть
технологию.
 Таким образом, основная задача химической
науки состоит в понимании генезиса свойств
вещества и построении на основе этого знания
методов его получения.
 Химия стремится научиться получать
вещества с заданными свойствами.

7. Несколько слов об истории формирования
химических знаний и представлений
 Химия начала выделяться в отдельную науку в
XVII веке.
 Большой вклад в формирование современной
химической науки внёс английский учёный Джон
Дальтон, о котором мы говорили на прошлой
лекции.
 По мере развития химии постепенно менялись
подходы этой науки к решению задач. При этом
возникали новые задачи, а ряд старых задач
формулировался заново.
 За прошедшие с XVII века годы в химии
последовательно возникло четыре подхода к
разрешению стоявших перед ней вопросов.
 В соответствии с этим принято говорить о том, что
в основе химии лежат четыре концептуальных

8. Основные концептуальные ступени современной
химии
 На рисунке справа
даны четыре основные
концептуальные
ступени современной
химии.
 Исторически первая
ступень это учение о
составе.
 Затем возникла
структурная химия.
 Далее следует учение о
химических процессах.
 Одно из новейших
достижений –
эволюционная химия.
 Что будет дальше мы
не знаем.

9. Пояснения к предыдущему слайду
 На схеме предыдущего слайда отражены только
важнейшие и концептуальные ступени химии.
 Ряд очень существенных разделов, таких как
геохимия, биохимия, пищевая химия на схеме не
отражены.
 Первая ступень отражает то, что основные
свойства вещества связаны с его составом.
 Вторая ступень учитывает то, что ряд важных
свойств вещества связан не только с его составом.
Но и со структурой – взаимным расположением
атомов и молекул.
 Учение о химических процессах опирается на
представления того раздела физики, который
называется термодинамикой.
 О химических процессах на эволюционной ступени
мы уже не раз говорили в предыдущих лекциях.

10. Подробнее об учении о составе
 Учение о составе начинается
с самого простого - с учения
об элементе.
 Основные характеристики
всех элементов отражены в
таблице Менделеева.
 Вы знаете, что химических
элементов относительно не
много – немногим более 100.
 Структурной единицей
элемента является атом.
 Химическая
индивидуальность элемента
определяется электрическим
зарядом его ядра.

11. Немного об атоме
 На рисунке справа самый
простой из известных
атомов – атом водорода.
 Положительный заряд Q
ядра принято записывать в
единицах заряда электрона –
e.
 Q=+Ze
 Целое число Z называется
атомным номером.
 Именно Z определяет
химическую природу атома и
его место в периодической
системе.

12. Периодичность изменения свойств атомов
 Число электронов, вращающихся вокруг ядра,
равно его заряду Z.
 Электроны расположены слоями.
 Валентность атома определяется, прежде всего
числом электронов во внешней оболочке.
 Это число определяется законами квантовой
механики.
 Оно меняется периодически и тем самым
определяет периодичность свойств атомов.

13. Образование молекул
 При сближении атомов орбиты их внешних
электронов начинают перекрываться.
 Электроны обобщаются и возникает химическая
связь.
 На снимке справа схема образования молекулы
водорода из двух атомов.
 Возможность образования связи зависит от
взаимной ориентации собственных моментов
вращения электронов.

14. Молекулы и новые вещества
 Число атомов в молекуле может быть разным.
 На снимке справа одна из важнейших трёхатомных
молекул- молекула воды.
 Количество всевозможных молекул очень велико.
 Оно исчисляется десятками тысяч.
 Соответственно столь же велико и число
различных веществ.

15. Одни и те же атомы могут образовывать разные
молекулы.
 На верхнем рисунке
справа показано, что
водород и кислород могут
образовать две молекулы:
воду и перекись
водорода.
 На нижнем рисунке
показано, что углерод и
кислород тоже могут
образовывать разные
молекулы.
 Углерод характерен тем.
что с такими атомами, как
водород Н и кислород О
он может образовывать
очень много молекул.

16. Органические вещества
 Молекулы из большого
числа атомов
характерны для
органических веществ.
 Они часто вытраиваются
в длинные цепи, образуя
полимеры.
 Органические молекулы
образуются на основе
атомов углерода – C.
 Относительно недавно
стали получать длинные
молекулы на основе
атомов аналога углерода
– атомов кремния Si.
 Они называются
кремний-полимерами.

17. Белковые молекулы
 Огромные многоатомные
молекулы белков – основа
жизни.
 Мы о них говорили в
прошлом семестре.
 Для напоминания справа
схема части молекулы
ДНК.
 Эта молекула
представляет из себя
двухзаходную (двойную)
спираль.

18. Основные представления структурной химии
 На рисунке справа дана схема расположения атомов
в молекуле зеркального изомера.
 Мы говорили об этом в лекции, посвящённой
симметрии.
 Такие молекулы простейший пример молекул, где
свойства вещества зависят от расположения атомов
в молекуле.

19. Пример процессов на структурном уровне
химических явлений
 На рисунке справа мы
воспроизводим
изменение структуры
молекулы родопсина при
освещении.
 О роли этого изменения
мы говор ли в лекции
посвящённой органам
чувств.
 Именно эта реакция
вызывает появление
сигнала на окончании
зрительного нерва.
 Набор атомов в молекуле
не меняется – изменяется
их взаимное
расположение.

20. Наука о свойствах материалов
 На основе изучения химических законов
возникли науки, которые описывают свойства
разных веществ (материалов).
 Это науки материаловедческого цикла:
металловедение, радиотехнические
материалы, материалы электронной техники,
ядерные материалы и т.д.
 Все эти науки опираются на химию, а в части
описания свойств материалов и на физику.

21. Основные агрегатные состояния вещества
 У каждого вещества есть три основные агрегатные
состояния: газообразное, жидкое и твёрдое.
 Они отличаются расположением и средними
расстояниями между молекулами.
 Газ занимает весь отведённый ему объем.
Расстояния между молекулами в нём очень велики.
 Объемы жидкости и твёрдого тела не зависят от
объема сосуда, в который они помещены. Это
конденсированные состояния.

22. О числе агрегатных состояний
 Три упомянутые на предыдущем слайде состояния
основные.
 Мы их наблюдаем при комнатных температурах.
 При очень высоких давлениях и высоких
температурах у вещества появляются и другие
агрегатные состояния, прежде всего плазма.
 Эти агрегатные состояния изучаются уже не химией,
а физикой.
 Одно и то же агрегатное состояние вещества может
иметь несколько особых однородных областей –
фаз.
 Каждая фаза имеет поверхность, которая отделяет
её от остального пространства (других фаз).
 Учение о фазах – это важнейшая часть
материаловедения и технологии.

23. Твёрдое тело
 Атомы или молекулы в
твёрдом теле занимают
строго определённые
места.
 Они образуют т.н.
кристаллическую
решётку.
 В кристаллической
решётке атомы
(молекулы,ионы) сидят в
местах, которые
называются узлами.
 Кристаллическая решётка
 Обладает высокой
степенью внутренней
симметрии.

24. О внешней симметрии твёрдого тела
 Внутренняя симметрия кристаллической решётки
проявляется и во внешних формах твёрдого тела.
 Эта симметрия выражается в наличии особых
плоскостей – граней, и линий их пересечения –
ребер.
 Грани образуют т.н. гранные углы.
 У одного и того же вещества гранные углы всегда
постоянны – закон постоянства гранных углов
(Гаюи).

25. Описание внешних форм кристаллов
 Все возможные внешние
формы кристаллов могут
быть описаны при
помощи строгих
математических законов.
 В создание
соответствующих
представлений большой
вклад внёс петербургский
учёный Гпадолин,
открывший элемент
гадолиний.
 Основную же теорию
создал петербургский
учёный Е.С. Фёдоров.

26. Изучение свойств кристаллов с точки зрения
химии
 Кристаллы очень интересный объект. Они широко
используются в технике.
 Внешний облик кристаллов изучается наукой,
называемой кристаллография.
 Свойства кристаллов изучаются также в науке,
которая называется физика твёрдого тела.
 Обе эти науки относятся к физике.
 Однако, связь химических связей атомов с
обликом кристаллов , а также его свойствами, это
уже проблема химии.
 Эта проблема составляет содержание науки
кристаллохимия.
 В область интереса химии входит и технология
получения кристаллов с заданными свойствами.

27. В твёрдом теле существует несколько видов
химической связи между соседними атомами

28. Химические соединения, растворы и смеси
 Атомы разных элементов могут группироваться в
пространстве по разному.
 Самое простой случай для понимания – это
химическое соединение.
 В химическом соединении отношение числа
атомов разных элементов друг к другу строго
фиксированы. Это т.н. стехиометрическое
соотношение.
 Более того, в химическом соединении места
атомов разного сорта строго фиксированы.
 Если атомы одного элемента входят в окружение
атомов другого элемента в произвольном
соотношении и расположены в среде этих атомов
хаотически, то мы имеем дело с раствором.
 Если атомы разного сорта расположены в
областях, имеющих поверхностные границы, то мы
имеем смесь.

29. Различные варианты расположения разных
атомов в твёрдом теле

30. Жидкие растворы и смеси
 Жидкие растворы
известны нам очень
хорошо – это, например,
сахар в стакане чая.
 Известно много смесей
типа твёрдых частиц в
жидкости, например,
сметана
 Чисто жидкие смеси
явление достаточно
редкое.
 На рисунке справа: вверху
процесс растворения,
внизу несмешивающиеся
жидкости.

31. Практическое значение растворов и смесей
 Наличие растворов и смесей резко увеличивает
количество материалов, которые используются
человеком.
 Плавно изменяя соотношение числа атомов разных
элементов в растворах, можно целенаправленно и
плавно изменять свойства вещества, что очень
важно для многих практических применений.
 Соотношения перемешиваемых частиц в смесях
тоже являются очень важным приёмом управления
свойствами материала.
 Растворы и смеси встречаются в нашей жизни на
каждом шагу. Это и пищевые продукты, и асфальт, и
различные строительные и конструкционные
материалы.
 Изучение и получение материалов такого типа и
является содержание огромного количества
химических практик.
 Физика изучает как происходит, а химия как
сделать.