Что такое наука химия: Химия: наука и искусство материи

Содержание

Химия: наука и искусство материи

Химия это наука, целью которой являются не только открытия, но и – главным образом – созидание. В этом смысле она является искусством по усложнению материи. Чтобы уловить логику последней эволюции в области химии, следует преодолеть временное пространство и вернуться назад на почти четыре миллиарда лет.

Жан-Мари Лен

Химия играет центральную роль как за счет своего места среди естественных и познавательных наук, так и за счет своей экономической значимости и повсеместного присутствия в нашей обыденной жизни. Поскольку она везде и всюду, то о ней часто забывают и, возможно, вскоре и вовсе перестанут упоминать. Она не стремится на авансцену, однако без нее были бы не возможны многие яркие достижения: подвиги в области терапии, отважные шаги космонавтики, чудеса техники… Она вносит определяющий вклад в потребности человечества в продуктах питания и лекарствах, одежде и жилье, энергии и сырье, транспорте и средствах коммуникации.

Она поставляет материал для физики и промышленности, образцы и субстраты для биологии и фармакологии, свойства и процессы для науки и техники.

Мир без химии был бы миром без синтетических материалов, то есть без телефона, без компьютера, без кино и без синтетических тканей. Это был бы мир без аспирина, мыла, шампуня, зубной пасты, косметики, противозачаточных средств, без бумаги, то есть без книг и газет, без клея, без краски…

Не будем забывать и о том, что химия позволяет историкам искусства проникнуть в тайны изготовления картин и скульптур, которыми мы наслаждаемся в музеях, что она позволяет сотрудникам научной полиции анализировать образцы частиц с «места преступления» и быстрее выйти на след преступников, и что именно она раскрывает молекулярные тонкости блюд, которые обволакивают наши вкусовые рецепторы.

Наряду с физикой, которая раскрывает законы Вселенной, и биологии, которая расшифровывает правила всего живого, химия является наукой материи и ее трансформаций.

Жизнь есть ее самое высшее выражение. Она играет основополагающую роль в нашем понимании материальных явлений, в нашей способности воздействовать на них, менять их и контролировать.

Вот уже скоро два века, как молекулярная химия выстроила широкий спектр молекул и все более и более совершенных материй. От синтеза мочевины, произведенного в 1928 г. (что стало настоящей революцией ибо было доказано, что возможно получение «органической» молекулы из минерала) до завершения в 1970-е годы синтеза витамина В12, эта научная дисциплина постоянно утверждала свою власть над структурами и трансформацией материи.

Молекула как Троянский конь

За пределами молекулярной химии простирается область так называемой супрамолекулярной химии, которая интересуется уже не тем, что происходит в молекулах, а тем, что происходит между ними. Ее цель понять и контролировать процесс взаимодействия молекул между собой, их взаимной трансформации, сцепления в определенном порядке. Эмиль Фишер, лауреат Нобелевской премии по химии 1902 г., использовал образ ключа и замочной скважины. Сегодня мы говорим о «молекулярном распознавании».

Роль этих молекулярных взаимодействий наиболее впечатляюща в области биологии: частицы протеинов соединяются, чтобы сформировать гемоглобин; белые тельца распознают и уничтожают чуждые тела; вирус СПИДа находит определенное место для внедрения; генетический код передается в записи и через прочтение алфавита базы протеинов… Возьмем один показательный пример «самоорганизации» вируса мозаики табака: не менее 2 130 простых протеинов соединяются для того, что образовать спиральную башню.

Эффективность и элегантность этих природных явлений настолько увлекательны для химика, что он пытается воспроизвести или же изобрести новый процесс образования молекул, способных создавать новые молекулярные построения с множественными применениями. Почему бы не представить себе молекулы, способные переносить в ядро избранной цели фрагменты АДН, например, для лечения генетических заболеваний? Эти молекулы могли бы стать Троянским конем, который позволял бы своему всаднику преодолевать такие непреодолимые преграды, как клеточные мембраны.

Многие ученые во всем мире терпеливо и, я бы сказал, «по меркам» выстраивают супрамолекулярные структуры. Они наблюдают за тем, как молекулы, казалось бы, перемешанные в беспорядке, находят одна другую, распознают друг друга и затем поступательно связываются между собой, чтобы в итоге спонтанно, но в то же время исключительно четко, возвести супрамолекулярное строение.

Так, у химиков, вдохновленных явлениями, которые нам демонстрирует сама природа, зародилась идея вызвать, а затем пилотировать появление супрамолекулярных соединений, иначе говоря смоделировать «молекулярное программирование». Химик создает основные кирпичики (молекулы, наделенные определенными структурными свойствами и способностью к взаимодействию), затем применяет «цемент» (код соединения), призванный связать их между собой. Таким образом он получает супер структуру путем самоорганизации. Синтез молекулярных кирпичиков, способных к самоорганизации, намного проще, чем синтез финального сооружения. Этот путь исследований открывает широкие перспективы, в частности, в области нанотехнологий: вместо того, чтобы создавать наноструктуры, надо дать наноструктурам самим образовываться путем самоорганизации, то есть надо перейти от производства к самопроизводству.

И уже совсем недавно появилась так называемая адаптативная химия, когда система в целях построения сама совершает селекцию среди свободных кирпичиков и становится способной адаптировать соединение этих объектов в зависимости от требований центра. Эта химия, которую сам я называю «динамичной конституциональной химией», уже приобретает окраску теории Дарвина!

От материи к жизни

Вначале был «Большой взрыв», и воцарилась физика. Затем, при более благоприятных температурах, пришла химия. Частицы образовывали атомы, которые соединялись в молекулы, становившиеся все более и более сложными; они, в свою очередь, соединялись в скопления и мембраны, дав жизнь первым клеткам, из которых и родилась жизнь на нашей планете 3,8 миллиардов лет назад.

От разделенной материи к конденсированной, а затем и организованной, живой и мыслящей… Становление Вселенной под влиянием информации вело эволюцию материи к возрастанию числа сложных соединений путем самоорганизации. Задача химии познать пути этой самоорганизации и проложить пути перехода от инертной материи через дожизненную, чисто химическую, эволюцию к зародышу жизни и затем к живой и, наконец, к мыслящей материи. Она также дает средства для познания прошлого, для изучения настоящего и возводит мосты, ведущие в будущее.

Своим предметом (молекула и материя) химия выражает свою созидательную силу и свою способность производить новые молекулы и материи: новые, поскольку они не существовали до того, как были созданы путем преобразования структур атомов в новые комбинации и ранее не существовавшие, бесконечно разнообразные структуры. За счет пластичности форм и функций химических объектов химия аналогична искусству. Как и художник, химик отражает в материи плоды своего воображения. Камень, звуки, слова становятся произведением искусства только под воздействием скульптора, композитора или писателя. Таким же образом химик создает оригинальные молекулы, новые материалы и неведомые до сих пор свойства из элементов, составляющих материю.

Сущность химии не только в открытии, но и в изобретении и особенно – в созидании. Книгу Химии следует не только читать, ее надо писать. Нотную партитуру Химии следует не только исполнять, ее надо сочинять.

Химия как наука — HimHelp.ru

Химия — наука о веществах, их строении, свойствах и превращениях. В широком понимании, вещество — это любой вид материи, обладающий собственной массой, например элементарные частицы. В химии понятие вещества более узкое, а именно: вещество — это любая совокупность атомов и молекул.

Превращения веществ, сопровождающиеся изменением состава молекул, называются химическими реакциями. Традиционная химия изучает реакции, которые происходят на макроскопическом уровне (в лаборатории или в окружающем мире), и интерпретирует их на атомно-молекулярном уровне. Известно, например, что сера горит на воздухе голубым пламенем, давая резкий запах. Это — макроскопическое явление.

Современная химия способна изучать химические реакции с участием отдельных молекул, обладающих строго определенной энергией. Пользуясь этим, можно управлять течением химических реакций, подавая энергию в определенные участки молекулы. Управление химическими процессами на молекулярном уровне — одна из основных особенностей современной химии.

Химия как метод изучения химических свойств и строения веществ является чрезвычайно многогранной и плодотворной наукой. На сегодняшний день известно около 15 млн. органических и около полумиллиона неорганических веществ, причем каждое из этих веществ может вступать в десятки реакций, и каждое из них имеет внутреннее строение. Внутреннее строение определяет химические свойства; в свою очередь, по химическим свойствам мы часто можем судить о строении вещества.

Современная химия настолько разнообразна как по объектам, так и по методам их исследования, что многие ее разделы представляют собой самостоятельные науки. Взаимодействие химии и физики дало сразу две науки: физическую химию и химическую физику, причем эти науки, несмотря на сходство названий, изучают совершенно разные объекты. Физическая химия исследует вещества, состоящие из большого числа атомов и молекул, с помощью физических методов и на основе законов физики. Химическая физика основной упор делает на физическом исследовании элементарных химических процессов и строения молекул, ее предметом являются отдельные частицы вещества.

Одним из передовых направлений химии является биохимия — наука, изучающая химические основы жизни.

Чрезвычайно интересные результаты получены в области космической химии, которая занимается химическими процессами, протекающими на планетах и звездах, а также в межзвездном пространстве.

Самой молодой областью химии является возникшая буквально в последнее десятилетие математическая химия. Ее задача — применение математических методов для обработки химических закономерностей, поиска связей между строением и свойствами веществ, кодирования веществ по их молекулярной структуре, подсчета числа изомеров органических веществ. Cовременная химия самым тесным образом взаимодействует со всеми другими областями естествознания. Ни одно серьезное химическое исследование не обходится без использования физических методов для установления структуры веществ и математических методов для анализа результатов.

Основу химии составляют атомно-молекулярная теория, теория строения атомов и молекул, закон сохранения массы и энергии и периодический закон.

«Химия — это наука о веществах и их превращениях»

Научные лаборатории — это образовательный проект Политеха для детей разных возрастов. Более 100 уроков по школьной программе помогут детям лучше понять, запомнить и полюбить тот или иной раздел химии, физики, биологии или математики — дети не только получают необходимые по школьной программе знания, но делают это с удовольствием, самостоятельно проводя научные исследования, опыты и эксперименты. Занятия ведут молодые практикующие ученые и специалисты. В преддверии начала нового учебного сезона сайт Политехнического музея публикует серию интервью с руководителями Научных лабораторий.

C руководителем Лабаратории Химии Денисом Жилиным мы поговорили о химии в школе, скуке и радости.

Как вы стали ученым? Когда решили им быть?

Ну, во-первых, я бы не стал называть себя ученым. А вообще так сложилось исторически. В какой-то момент стал интересоваться химией, поступил на химфак. Я начал преподавать и понял, что у нас мало кто умеет преподавать химию. Я стал разбираться, как это нужно делать. Стал заниматься непосредственно методикой преподавания химии, на мой взгляд, она чуть менее, чем полностью заражена вирусом болтологии. Теперь я занимаюсь тем, что устанавливаю границы применимости многочисленных приемов и способов обучения, которые предлагают методисты. И проверяю их на детях.

Что самое главное вы хотели бы сказать о своей работе детям?

Дикари-с не поймут-с. Я лучше их химии буду учить (смеется). Вот бы дети мне сказали, что они считают самым главным в моей работе.

Расскажите о причинах ненависти к химии в школе.

Химия — это наука о веществах и их превращениях. Этим и нужно заниматься, изучать вещества и превращать их в другие. Это очень интересно. А в школе людей заставляют работать с непонятными формулами. Всем становится скучно. Если ребенок что-то не понимает и ему неинтересно, искать причину в ребенке нужно в последнюю очередь.

Как же все-таки заинтересовать ребенка химией?

Просто «грузить» ребенка материалом не имеет смысла, ему будет скучно. У возрастного психолога Марии Осориной есть концепция «спонтанных игр», их получается успешно использовать с детьми самых разных возрастов, даже со старшеклассниками. И обязательно ребенок на занятиях должен сам что-то делать, проводить опыты, чувствовать, разбираться, почему это работает так, а не иначе. В психологии это называется «активная деятельность».

К какому возрасту мы можем с уверенностью говорить о способностях ребенка к той или иной дисциплине?

Вопрос о том, с какого возраста формируются и проявляются те или иные способности школьника — до сих пор в науке дискуссионный. По моему опыту, способности к химии проявляются в 8–9 классах, но их надо развивать.

Что главное в работе руководителя кружка по химии?

Главным, пожалуй, является чувство успеха. Как и чувство провала. Еще совершенно необходимо умение быстро менять подход в случае очевидной неудачи. И не повторять из раза в раз одни и те же ошибки, научиться недостатки обращать на пользу. И, что очень важно, самому педагогу на занятиях не должно быть скучно. В Политехнический музей я пошел работать во многом потому, что здесь не приходится проводить одни и те же занятия из раза в раз, можно создавать что-то новое, ставить новые задачи, экспериментировать. Однообразие утомляет всех: и учителя, и детей.

Лаборатория Химии — старейшая лаборатория Политеха. Основанная еще в XIX веке, сегодня она проводит множество интерактивных занятий, состоящих из лекций и демонстрации химических опытов. Дети узнают, как применять полученные химические знания в реальной жизни — от приготовления пищи до изготовления оловянных солдатиков. Большое количество реактивов и современной посуды позволяют проводить полноценные практические работы в группе. Кроме этого, лаборатория оборудована системой индивидуальных вытяжек, что дает возможность проводить эксперименты с широким набором веществ. Как и все лаборатории Политеха, Лаборатория Химии проводит разовые занятия, как для школьных групп, так и для индивидуальных посетителей, желающих заниматься химией регулярно.

Записаться на занятия можно по телефону: +7 916 008−12−31, +7 495 730−54−38 (доб. 1777) или заполнив форму на нашем сайте.

Химия — как наука о строении, свойствах веществ, и их превращениях In-chemistry.ru

Химия — наука о строении, свойствах веществ, их превращениях и явлениях, которые сопровождают эти превращения. В химии, как науке, можно выделить три основных цели. Первая, основная цель химии — изучение строения соединений, развитие теории строения и свойств молекул и веществ в целом.

Зная строение определенной молекулы и ее свойства, можно строить различные теории о реакционной способности соединения, кинетике, механизмах химических реакций и каталитических явлениях. Все химические превращения осуществляются в том или ином направлении в зависимости от состава и строения молекул, ионов, радикалов и т. д.

Химия-это область чудес, в ней скрыто счастье человечества, величайшие завоевания разума будут сделаны именно в этой области.
Максим Горький

Зная это, можно находить различные способы получения новых продуктов, имеющих совсем иные свойства, нежели исходное соединение. Отсюда вытекает вторая задача химии — синтез новых веществ с заданными свойствами. Кроме того, важно найти способы более выгодного получения данных соединений: катализаторы и условия проведения реакций.

Третье основное направление- это анализ. Эта задача в настоящее время важна не меньше остальных. Это связано с увеличением числа различных химических объектов, новых веществ. Также это необходимо для определения воздействий на окружающую среду.

Объектами исследования неорганической химии являются все химические элементы и их соединения. Основным вопросом считается изучение свойств химических соединений. Кроме химических свойств, также интересуют и физические, биологические и другие свойства соединений. Для этого привлекают и другие науки.

Так, важными составляющими при изучении химии являются физическая химия, биохимия. В настоящее время эти науки объединяют целый ряд других: квантовая химия, химическая термодинамика (термохимия), химическая кинетика, электрохимия, фотохимия, химия высоких энергий, компьютерная химия и др.

Только этот перечень наук химического направления говорит о разнообразии химической формы движения материи и влиянии ее на повседневную жизнь. Существует множество направлений развития прикладной химии, призванной решать конкретные задачи практической деятельности человека. Химическая наука достигла такого высокого уровня развития, что стала порождать новые виды производств и технологий.

Что такое химия

Химия (произошедшего, предположительно, от египетского слова km.t (чёрный), откуда возникло также название Египта, чернозёма и свинца — «чёрная земля»; другие возможные варианты: др.-греч. χυμος — «сок», «эссенция», «влага», «вкус», др.-греч. χυμα — «сплав (металлов)», «литьё», «поток», др.-греч. χυμευσις — «смешивание»)
Химия является одна из важнейшей и обширной областью естествознания,
Химия это наука о веществах, их составе и строении, их свойствах, зависящих от состава и строения, их превращениях, ведущих к изменению состава — химических реакциях, а также о законах и закономерностях, которым эти превращения подчиняются.

Благодаря химическим связям вещества состоят из атомов

Вещества состоят из атомов, которые благодаря химическим связям способны формировать молекулы, то химия занимается, прежде всего, рассмотрением перечисленных выше задач на атомно-молекулярном уровне, то есть на уровне химических элементов и их соединений. Химия имеет немало связей с физикой и биологией, по сути граница между ними условна, а пограничные области изучаются квантовой химией, химической физикой, физической химией, геохимией, биохимией и другими науками.

История химии

Зачатки химии возникли ещё со времён появления человека. Поскольку человек всегда так или иначе имел дело с химическими веществами, его первые эксперименты с огнём, дублением шкур, приготовлением пищи можно назвать зачатками практической химии. Постепенно практические знания накапливались, и в самом начале развития цивилизации люди умели готовить некоторые краски, эмали, яды и лекарства.

Человек использовал биологические процессы, такие, как брожение, гниение; позже, с освоением огня, начал использовать процессы горения, спекания, сплавления. Использовались окислительно-восстановительные реакции, не протекающие в живой природе — например, восстановление металлов из их соединений.

Ремёсла достигли значительного развития до начала нашей эры

Многие ремесла достигли значительного развития ещё до начала нашей эры.

Металлургия
гончарство,
стеклоделие,
крашение,
парфюмерия,
косметика

Состав современного бутылочного стекла практически не отличается от состава стекла, применявшегося в 4000 году до н. э. в Египте. Хотя химические знания тщательно скрывались жрецами от непосвящённых, они всё равно медленно проникали в другие страны. К европейцам химическая наука попала главным образом от арабов после завоевания ими Испании в 711 году. Они называли эту науку «алхимией», от них это название распространилось и в Европе.

В Египте уже в 3000 году до н. э. умели получать медь из её соединений, используя древесный уголь в качестве восстановителя, а также получали серебро и свинец. Постепенно в Египте и Месопотамии было развито производство бронзы, а в северных странах — железа. Делались также теоретические находки.

Теория об основных элемента в Китае

В Китае с XXII века до н. э. существовала теория об основных элементах

Вода
Огонь
Дерево
ЗолотоЗемля

Противоположностипостроения мира, Месопотамия

В Месопотамии возникла идея о противоположностях, из которых построен мир:

огонь—вода,
тепло—холод,
сухость—влажность и т. д.

В V веке до н. э. в Греции Левкипп и Демокрит развили теорию о строении вещества из атомов. По аналогии со строением письма они заключили, что как речь делится на слова, а слова состоят из букв, так и все вещества состоят из определённых соединений (молекул), которые в свою очередь состоят из неделимых элементов (атомов).

Стихии — основные элементы

В V веке до н. э. Эмпедокл предложил считать основными элементами (стихиями)

Воду,
Огонь,
Воздух
Землю.

В IV веке до н. э. Платон развил учение Эмпедокла: каждому из этих элементов соответствовал свой цвет и своя правильная пространственная фигура атома, определяющая его свойства:

огню — красный цвет и тетраэдр,
воде — синий и икосаэдр,
земле — зелёный и гексаэдр,
воздуху — жёлтый и октаэдр.

По мнению Платона, именно из комбинаций этих «кирпичиков» и построен весь материальный мир. Учение о четырёх превращающихся друг в друга было унаследовано Аристотелем.

Алхимия

Понятие «алхимия» попало в европейские языки из араб. الخيمياء‎ (’al-kīmiyā’), которое, в свою очередь, было заимствовано из среднегреческого χυμεία «флюид».

Культура Египта обладала хорошо развитыми технологиями, что демонстрируют объекты и сооружения, создание которых возможно только при наличии теоретической и практической базы. Подтверждение развития первичных теоретических знаний в Египте наука получает в последнее время.

Эзотерическая концептуальная принадлежность

На данное происхождение указывает — эзотерическую, концептуальную принадлежность имеющие подобия теоретических — традиционные источники алхимии — этого причудливого и цветистого «симбиоза» искусства и, в определённой степени — примата одного из основных разделов естествознания — химии, только формально берущей начало в этом комплексе знаний и опыта.

Среди таких источников в первую очередь следует назвать — «Изумрудную скрижаль» (лат. «Tabula smaragdina») Гермеса Трисмегиста, как и ряд других трактатов «Большого алхимического свода».

Имел место ещё в IV—III веках до н. э. на Востоке (в Индии, Китае, в арабском мире) ранний «прототип» алхимии.

Ртуть, сера, фосфор — способы получения химических элементов

В этот и последующие периоды были найдены новые способы получения таких элементов как ртуть, сера, фосфор, охарактеризованы многие соли, уже были известны и использовались кислота HNO3 и щёлочь NaOH.

С раннего Средневековья получает развитие то, что сейчас принято понимать под алхимией, в которой традиционно соединились, наряду с вышеназванными наукообразными компонентами (в смысле современного понимания методологии науки), философские представления эпохи и новые для того времени ремесленные навыки, а также магические и мистические представления; последними, впрочем, и была наделена в отдельных своих проявлениях и особенностях философская мысль той поры.

Известными алхимиками того времени были

Джабир ибн Хайян (Гебер),
Ибн Сина (Авиценна)
Абу Бакр ар-Рази.

В античности, благодаря интенсивному развитию торговли, золото и серебро становятся всеобщим эквивалентом производимых товаров. Трудности, с которыми связано получение этих сравнительно редких металлов, побудили к попыткам практического использования натурфилософских воззрений Аристотеля о преобразовании одних веществ в другие; возникновение учения о «трансмутации», вместе с уже названным Гермесом Трисмегистом, традиция алхимической школы связывала и с его именем. Представления эти претерпели мало изменений вплоть до XIV века.

В VII веке н. э. алхимия проникла в Европу. В то время, как и на протяжении всей истории, у представителей господствовавших слоёв общества особой «популярностью» пользовались предметы роскоши, в особенности — золото, поскольку именно оно являлось, как уже отмечено, эквивалентом торговой оценки.

Способы получения золота из других металлов, а также проблемы их обработки — главный интерес алхимии.

Арабская алхимия стала отдаляться от практики и утратила влияние. Из-за особенностей технологий, обусловленных, в числе прочего — системой герметических взглядов, различием знаковых систем, терминологии и сугубо корпоративного распространения знаний «алхимическое действо» развивалось очень медленно.

Известные европейские алхимики

Никола Фламель,
Альберт Великий,
Джон Ди,
Роджер Бэкон
Раймонд Луллий.

Эпоха алхимиков

Эпоха алхимиков ознаменовала получение многих первичных веществ, разработку способов их получения, выделения и очистки. Только в XVI веке, с развитием различных производств, в том числе металлургии, а также фармацевтики, обусловленным возрастанием её роли в медицине, начали появляться исследователи, чья деятельность выразилась существенными преобразованиями в этой науке, которые приблизили становление хорошо осмысленных и актуальных практических методов этой дисциплины. Среди них, прежде всего, следует назвать Георгия Агриколу и Теофраста Бомбаста Парацельса

Химия как наука

Химия как самостоятельная дисциплина определилась в XVI—XVII веках, после ряда научных открытий, обосновавших механистическую картину мира, развития промышленности, появления буржуазного общества. Однако из-за того, что химия, в отличие от физики, не могла быть выражена количественно, существовали споры, является ли химия количественной воспроизводимой наукой или это некий иной вид познания.

В 1661 году Роберт Бойль создал труд «Химик-скептик», в котором объяснил разность свойств различных веществ тем, что они построены из разных частиц (корпускул), которые и отвечают за свойства вещества. Ван Гельмонт, изучая горение, ввёл понятие газ для вещества, которое образуется при нём, открыл углекислый газ. В 1672 году Бойль открыл, что при обжиге металлов их масса увеличивается, и объяснил это захватом «весомых частиц пламени».

М. В. Ломоносов уже в первой известной своей работе, именно к данной области естествознания отношение имеющей — «Элементы математической химии» (1741), в отличие от большинства химиков своего времени, считавших эту сферу деятельности искусством, классифицирует её как науку, начиная свой труд словами:

« Химия — наука об изменениях, происходящих в смешанном теле, поскольку оно смешанное. …Не сомневаюсь, что найдутся многие, которым это определение покажется неполным, будут сетовать на отсутствие начал разделения, соединения, очищения и других выражений, которыми наполнены почти все химические книги; но те, кто проницательнее, легко усмотрят, что упомянутые выражения, которыми весьма многие писатели по химии имеют обыкновение обременять без надобности свои исследования, могут быть охвачены одним словом: смешанное тело. В самом деле, обладающий знанием смешанного тела может объяснить все возможные изменения его, и в том числе разделение, соединение и т. д.

Тепло и флогистон.

Газы В начале XVIII века Шталь сформулировал теорию флогистона — вещества, удаляющегося из материалов при их горении.

В 1749 году М. В. Ломоносов написал «Размышления о причине теплоты и холода» (замысел работы относится к 1742—1743 годам — см. его же «Заметки по физике и корпускулярной философии»). Высочайшую оценку этому труду дал Л. Эйлер (письмо 21 ноября 1747 года). В 1848 году профессор Д. М. Перевощиков, обстоятельно излагая важнейшие идеи М. В. Ломоносова, подчёркивает, что его теория теплоты опередила науку на полстолетия («Современник», январь 1848, т. VII, кн. 1, отд. II, с. 41—58) — с мнением этим, до того и в дальнейшем, согласуется мнение многих других исследователей.
В 1754 году Блэк открыл углекислый газ, Пристли в 1774 — кислород, а Кавендиш в 1766 — водород. В период 1740—1790 годов Лавуазье и Ломоносов химически объяснили процессы горения, окисления и дыхания, доказали, что огонь — не вещество, а следствие процесса. Пруст в 1799—1806 годах сформулировал закон постоянства состава. Гей-Люссак в 1808 открыл закон объёмных отношений (закон Авогадро).
Дальтон в труде «Новая система химической философии» (1808—1827) доказал существование атомов, ввёл понятие атомный вес, элемент — как совокупность одинаковых атомов.

В 1811 году Авогадро выдвинул гипотезу о том, что молекулы элементарных газов состоят из двух одинаковых атомов; позднее на основе этой гипотезы Канниццаро осуществил реформу атомно-молекулярной теории. Эта теория была утверждена на первом международном съезде химиков в Карлсруэ 3-5 сентября 1860 года.

1869 году Д. И. Менделеев открыл периодический закон химических элементов и создал периодическую систему химических элементов. Он объяснил понятие химический элемент и показал зависимость свойств элемента от атомной массы. Открытием этого закона он основал химию как количественную науку, а не только как описательную и качественную

Радиоактивность и спектры

Важную роль в познании структуры вещества сыграли открытия XIX века. Исследование тонкой структуры эмиссионных спектров и спектров поглощения натолкнуло учёных на мысль о их связи со строением атомов веществ. Открытие радиоактивности показало, что некоторые атомы нестабильны (изотопы) и могут самопроизвольно превращаться в новые атомы (радон — «эманация»)

Квантовая химия

Квантовая химия — это направление химии, рассматривающее строение и свойства химических соединений, реакционную способность, кинетику и механизм химических реакций на основе квантовой механики.

Разделы квантовой химии

квантовая теория строения молекул,
квантовая теория химических связей и межмолекулярных взаимодействий,
квантовая теория химических реакций
квантовая теория реакционной способности и др.

Атомарный уровень химических и физических свойств веществ

Квантовая химия находится на стыке химии и квантовой физики (квантовой механики). Она занимается рассмотрением химических и физических свойств веществ на атомарном уровне (моделях электронно-ядерного строения и взаимодействий, представленных с точки зрения квантовой механики).

Сложность изучаемых объектов во многих случаях не позволяет находить явные решения уравнений, описывающих процессы в химических системах, применяют приближённые методы расчёта.
С квантовой химией неразрывно связана вычислительная химия — дисциплина, использующая математические методы квантовой химии, адаптированные для составления специальных компьютерных программ, используемых для расчёта молекулярных свойств, амплитуды вероятности нахождения электронов в атомах, симуляции молекулярного поведения.

Элементарная частица

Это все частицы, не являющиеся атомными ядрами или атомами (протон — исключение).
В узком смысле — частицы, которые нельзя считать состоящими из других частиц (при заданной энергии воздействия/наблюдения).
Элементарными частицами также являются электроны (-) и протоны (+).

Атом

Наименьшая частица химического элемента, обладающая всеми его свойствами. Атом состоит из ядра и «облака» электронов вокруг него. Ядро состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Взаимодействуя, атомы могут образовывать молекулы. Атом — предел химического разложения любого вещества. Простое вещество (если оно не является одноатомным, как, например, гелий He) разлагается на атомы одного вида, сложное вещество — на атомы разных видов. Атомы (точнее, атомные ядра) неделимы химическим пут

Молекула

Частица, состоящая из двух или более атомов, которая может самостоятельно существовать. Имеет постоянный качественный и количественный состав. Свойства молекулы зависят от атомов, входящих в её состав, и от характера связей между ними, от молекулярной структуры и от пространственного расположения (изомеры). Может иметь несколько разных состояний и переходить от одного состояния к другому под действием внешних факторов. Свойства вещества, состоящего из определённых молекул, зависят от состояния молекул и от свойств молекулы.

Вещество

В соответствии с классическими научными воззрениями различаются две физические формы существования материи — вещество и поле. Вещество — это форма материи, обладающая массой (масса не равна нулю).

Химия изучает вещества, организованные в

атомы,
молекулы,
ионы
радикалы.

Состоят из элементарных частиц:

электронов,
протонов,
нейтронов и т. д.

Простые и сложные вещества. Химические элементы

Среди чистых веществ принято различать простые (состоящие из атомов одного химического элемента) и сложные (образованы из атомов нескольких химических элементов) вещества. Простые вещества следует отличать от понятий «атом» и «химический элемент».

Химический элемент

Химический элемент — это вид атомов с определённым положительным зарядом ядра. Все химические элементы указаны в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева; каждому элементу отвечает свой порядковый (атомный) номер в Периодической системе.

Значение порядкового номера элемента и значение заряда ядра атома того же элемента совпадают, то есть химический элемент — это совокупность атомов с одинаковым порядковым номером.

Формы существования химических элементов, одноатомные и многоатомные простые вещества

Простые вещества представляют собой формы существования химических элементов в свободном виде; каждому элементу соответствует, как правило, несколько простых веществ (аллотропных форм), которые могут различаться по составу, например атомный кислород O, кислород O2 и озон O3, или по кристаллической решётке, например алмаз и графит для элемента углерод C. Очевидно, что простые вещества могут быть одноатомными и многоатомными.

Сложные вещества иначе называются химическими соединениями. Этот термин означает, что вещества могут быть получены с помощью химических реакций соединения из простых веществ (химического синтеза) или разделены на элементы в свободном виде (простые вещества) с помощью химических реакций разложения (химического анализа).

Простые вещества представляют собой конечные формы химического разложения сложных веществ.
Сложные вещества, образующиеся из простых веществ, не сохраняют химические свойства составляющих веществ.

Суммируя всё сказанное выше, можно записать:

E{\overset S{\underset A\rightleftarrows ))C, где
E — простые вещества (элементы в свободном виде),
C — сложные вещества (химические соединения),
S — синтез,
A — анализ.

Синтезу химический процесс

Понятия «синтез» и «анализ» химических веществ используются в более широком смысле. К синтезу относят любой химический процесс, который приводит к получению необходимого вещества и при этом существует возможность его выделения из реакционной смеси. Анализом считается любой химический процесс, позволяющий определить качественный и количественный состав вещества или смеси веществ, то есть установить, из каких элементов составлено данное вещество и каково содержание каждого элемента в этом веществе. Соответственно различают качественный и количественный анализ — две составные части одной из химических наук — аналитической химии.

Металлы и неметаллы, химические элементы

Все химические элементы по их свойствам, то есть свойствам свободных атомов и свойствам образуемых элементами простых и сложных веществ, делят на металлические и неметаллические элементы.

Неметаллы химические элементы:

He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn, F, Cl, Br, I, At, O, S, Se, N, P, C и H.

Полуметаллы химические элементы:

B

Бор

5
10,811
[He]2s²2p¹

Si

Кремний

14
28,0855
[Ne]3s²3p²

Ge

Германий

32
72,61
4s²4p²

As

Мышьяк

33
74,9216
4s²4p³

Sb

Сурьма

51
121,760
Kr]4d¹⁰5s²5p³

Te

Теллур

52
127,60
5s²5p⁴

Po

Полоний

84
[209]
[Xe]4f¹⁴5d¹⁰6s²6⁴

Остальные элементы считаются металлами.

Мы сами – химия! – Наука – Коммерсантъ

Юлия Горбунова — член-корреспондент РАН, доктор химических наук, профессор, вице-президент Российского химического общества им. Д. И. Менделеева, главный научный сотрудник Института общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова РАН и главный научный сотрудник Института физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН

2019 год был провозглашен Международным годом периодической таблицы химических элементов (IYPT — The International Year of the Periodic Table) Генеральной ассамблеей Организации Объединенных Наций и ЮНЕСКО. Проведение международного года в 2019 году имеет принципиальное значение для нашей страны, поскольку именно 150 лет тому назад, в 1869 году, великий русский ученый Дмитрий Менделеев опубликовал первую схему периодической таблицы в статье «Соотношение свойств с атомным весом элементов» в журнале Русского химического общества. Это общество (сегодня Российское химическое общество имени Менделеева), которому уже больше 150 лет, выступило инициатором проведения Международного года периодической таблицы химических элементов. Нас очень поддержали ведущие международные сообщества: Международный союз по теоретической и прикладной химии (IUPAC), Международный союз теоретической и прикладной физики (IUPAP), Европейская ассоциация химических и молекулярных наук (EuCheMS), Международный астрономический союз (IAU) и более 80 научных сообществ мира, в основном химических. Появились два сайта международного года: русскоязычный iypt2019.ru и англоязычный iypt2019.org — с картой, где можно увидеть мероприятия по всему миру, посвященные этому году.

Я считаю, что задача «рассказать обществу о важности роли химии» была вполне успешно решена. Конечно, полностью результаты этой деятельности мы увидим только через несколько лет. Но уже есть примеры, как общество реагировало на этот год. Например, в колонии под Екатеринбургом на конкурсе ледовых скульптур победил барельеф Менделеева и периодической таблицы. Студенты одного из университетов поднялись на вершину горы на Алтае и там поставили портрет Менделеева и провели химический опыт — сделали «вулканчик». Девушки из общества пэчворка (лоскутного шитья) позвонили и рассказали, что проводят конкурс на пошив элементов таблицы Менделеева: сто с лишним швей из разных городов и стран участвовали и сшили 118 элементов. Им нужен был консультант: в интернете есть разные таблицы, а они хотели сделать правильную. Одна швея написала, что в школе не любила химию, так как она казалась ей очень сложным предметом, но появился конкурс, и стало интересно. Чтобы сшить какой-то элемент, надо было о нем прочитать. Она начала читать, и это ее захватило, возвратилась к школьным программам химии. Оказывается, химия — это ужасно интересно!

В России прошло более 800 мероприятий абсолютно разного уровня: научные конференции, выставки, фестивали, форумы, квесты, показы моды и т. д. На XXI Менделеевский съезд по общей и прикладной химии в Санкт-Петербурге приехало более 4000 человек из 60 стран, он стал самым крупным событием в химической науке.

Основная задача международного года сводилась к международному признанию заслуг великого русского ученого Дмитрия Менделеева, имеющих краеугольное значение для всей линейки естественных наук. Не только химики, но и физики, биологи, медики, астрономы и многие другие ученые считают периодическую таблицу своей. Все вокруг состоит из элементов, все мы состоим из элементов. Кстати, когда задаешь химикам вопрос: «Из каких элементов состоит человек?» — практически никто не отвечает правильно. Человек состоит из 23 элементов, смартфон — из 40 элементов, а в таблице их 118 — причем два десятка синтезированы человеком! Человеческий разум, зная основополагающие законы природы, к которым относится и Периодический закон, может создавать очень сложные вещи, которые меняют наш мир.

Кроме того, была задача показать роль науки и химии в жизни человечества, в устойчивом развитии и решении глобальных проблем. Одной из задач была борьба с хемофобией. У среднестатистического гражданина слово «химия» ассоциируется с вредными продуктами, вредными выбросами и т. д. Но мы сами — химия, и в нас идут химические процессы: мы можем научиться их понимать, регулировать, бороться с болезнями. Все новые лекарства, которые спасают людей,— это результат работы химиков-синтетиков.

Сегодняшние школьники при выборе ЕГЭ избегают химию — только около 3% выбирают этот предмет. Мы хотим посмотреть, как скажутся мероприятия года на этой статистике.

Нобелевскую премию по химии в этом году дали за литий-ионные источники тока. Это пример того, как химический элемент изменил жизнь: благодаря литиевым аккумуляторам появились мобильные устройства и гибридные автомобили. Если мы возьмем приоритеты, которые существуют в Стратегии научно-технологического развития России, они будут так или иначе связаны с химией. Новые материалы, лекарства, виды энергии — все химия. Химики делают устройства, которые позволяют фиксировать опасные вещества или создавать покрытия, защищающие от разных видов излучений и т. д. И в гуманитарных науках есть химия — так называемая «химия отношений», когда включаются гормоны радости и страха, настроения и т. д.

Мои иностранные коллеги говорят, что химикам очень сложно получить в Европе грант на фундаментальные исследования из государственных научных фондов, потому что им говорят: «Пусть вас финансирует химическая промышленность, которая заинтересована в разработках новых технологий». В нашей стране нас поддерживают Российский научный фонд, Российский фонд фундаментальных исследований. Хочу сказать спасибо, что они есть и очень помогают нам развиваться. Но, к сожалению, мы потеряли связку между наукой и промышленностью, которая была в советское время. В самые сложные времена химия выручала нашу страну, разрушенную после войны и попавшую за железный занавес. Тогда, в 1950-х годах, была создана и развернута уникальная государственная программа химизации, и буквально в считаные годы большая химия стала на ноги. Химики накормили страну: удобрения и средства защиты растений резко подняли урожаи. Химики одели страну: появились искусственные волокна. Химики обеспечили оборону страны, а затем — полет в космос: создали твердое ракетное топливо.

Поэтому еще одна наша задача — объединять научные, образовательные и бизнес-сообщества.

Международный год периодической таблицы химических элементов широко прошел по многим странам. В январе 2019 года в Париже в штаб-квартире ЮНЕСКО состоялось открытие международного года, которое посетило более 1500 человек со всего мира. В Москве открытие было в канун Дня науки 6 февраля в РАН, а закрытие — в МГУ им. М. В. Ломоносова 28 ноября. В декабре на закрытии года в Токио выступали президенты химических обществ России, США, Тайваня, Китая, Индии, Японии, Франции и прочие. Они рассказали о большом количестве мероприятий в своих странах. Кроме того, на церемонии закрытия года было предложено ходатайствовать перед ЮНЕСКО и ООН об объявлении 2022 года «Годом фундаментальной науки», и Россия предполагает активно в этом участвовать, ведь именно наша страна отвечает за программу развития фундаментальных наук в ЮНЕСКО.

Главный международный итог для России — на 207-й сессии Исполнительного совета ЮНЕСКО было принято решение об учреждении международной премии ЮНЕСКО—России им. Д. И. Менделеева за достижения в области фундаментальных наук. Премия будет ежегодной, ее размер составит $500 тыс., она будет присуждаться двум лауреатам. В следующем году будет первое вручение. Мы надеемся, что эта премия со временем станет престижной в науке и таким образом утвердит имя Дмитрия Менделеева как величайшего ученого современности. Кроме того, премия станет отличной возможностью провести широкий спектр мероприятий на ее «полях», привлечь внимание международной научной общественности к науке в России и ее достижениям. Новая награда, названная в честь великого русского ученого, преподавателя, популяризатора науки Дмитрия Менделеева, призвана закрепить в программе ЮНЕСКО результаты проведения Международного года периодической таблицы химических элементов и подчеркнуть ведущую роль России в области фундаментальных наук.

Наука химия — что изучает, научные открытия, достижения, Нобелевские премии, перспективы

Рамис Ганиев

14.09.2021

Во времена Второй мировой войны нацисты пытались разработать первую в мире ядерную бомбу. Известно, что в их распоряжении было около 1000 необходимых для создания оружия кубиков урана. Размер их граней составлял только 5 сантиметров, но при этом каждый объект весил более 2 килограммов. В этом нет ничего удивительного, потому что уран является самым тяжелым элементом на Земле. Нацистская Германия так и не смогла разработать ядерную бомбу, поэтому после окончания войны около 600 радиоактивных кубиков были вывезены на территорию США. Скорее всего, они были использованы при создании американского ядерного оружия в рамках «Проекта Манхэттен». Ученым известно о точном местоположении только 14 кубиков, причем пара из них находятся в частной коллекции исследователя Тимоти Коэта (Timothy Koeth). Но где именно находятся еще несколько сотен потенциально объектов? На этот счет есть весьма правдоподобные предположения.

Рамис Ганиев

04.09.2021

Некоторые виды насекомых сильно вредят сельскому хозяйству, поедая растения и распространяя приводящие к их гибели заболевания. В 2018 году американские ученые заметили, что из-за глобального потепления вредители стали еще активнее. По их подсчетам, в будущем из-за них страны будут терять по 59 миллионов тонн урожая пшеницы, что нанесет сильный урон по экономике. И это только потери пшеницы, а ведь существует много других сельскохозяйственных культур. Фермеры на протяжении многих лет борются с насекомыми при помощи пестицидов, однако они плохо влияют на окружающую среду и даже вредят человеческому здоровью. Ученые пытаются изобрести альтернативные способы борьбы с вредителями, но чаще всего терпят в этом деле неудачу. Но недавно на очередном заседании Американского химического общества экологи Джессика Кансман (Jessica Kansman) и Сара Херманн (Sara Hermann) рассказали о новом методе отпугивания вредителей, который не вредит природе.

Любовь Соковикова

08.08.2021

Едва ли большинство из нас часто задумывается о том, какие молекулы составляют все вокруг нас и в том числе во Вселенной. Между тем, по мере того как мы удаляемся от нашей планеты, число сложных химических процессов возрастает с бешеной скоростью. Космическое пространство – как и межзвездные и межгалактические области – на самом деле содержит множество молекул. Вот только как именно эти молекулы образовались и как превратились в те сложные химические процессы, что мы наблюдаем сегодня – по-прежнему неизвестно. Считается, что ранняя Вселенная состояла всего из нескольких видов атомов, и только в возрасте 100 000 лет водород и гелий объединились, образовав первую молекулу – гидрид гелия. Однако, хотя теоретически он существовал, обнаружить его не удавалось. Дальнейшие попытки, вероятно, могли закончиться неудачей, но команда ученых из Софийского научного центра NASA исправила ситуацию, обнаружив сигнатуру недостающей молекулы в нашей собственной галактике. А результаты исследования британских ученых и вовсе поражают воображение. Но обо всем по порядку.

Рамис Ганиев

18.05.2021

Сегодня большинство автомобильных дорог и тротуаров покрыты асфальтом и это явно один из самых распространенных строительных материалов в мире. Благодаря ровному асфальтовому покрытию автомобили едут максимально ровно, а люди не спотыкаются на тротуарах. Но это только при условии, что покрытие свежее и на нем нет разрушений. Асфальт стал массово применяться в 1800-е годы и в те времена был очень прочным — ему были не страшны ни капризы природы, ни тяжесть множества автомобилей. А сейчас асфальт начинает разрушаться в первые же месяцы после укладки. Если не верите, обратите внимание на дороги и тротуары у вашего дома — вы наверняка найдете огромное количество неровностей. Недавно японские ученые решили выяснить, что именно является причиной хрупкости асфальта и провели эксперимент, результаты которого хотя бы отчасти прояснили ситуацию. Возможно, благодаря этому открытию, асфальт станет прочнее.

Рамис Ганиев

12.05.2021

Тиоацетон считается одним из самых опасных веществ в мире. Он не может стать причиной взрыва или отравления, однако способен вызывать у людей приступ рвоты или даже потерю сознания. Дело в том, что это химическое соединение очень быстро улетучивается в воздухе и испускает ужасную вонь, с которой вряд ли что-то может сравниться. Ученые впервые получили его в конце XIX века и почти сразу же решили остановить свою научную работу — вонь была невыносимой и распространилась по всему городу. Можно было бы подумать, что это вещество отлично подходит для использования в качестве химического оружия, но на самом деле все не так просто и в военной сфере оно практически бесполезно. Давайте разберемся, как ученые впервые создали тиоацетон, каковы были последствия этого эксперимента и в каких еще опытах его использовали? Заодно выясним, почему его невозможно использовать в военных целях.

Рамис Ганиев

01.04.2021

В 1879 году профессор Константин Фальберг проводил химические эксперименты в своей лаборатории. Он заметил, что при смешивании определенных ингредиентов на его руках остается сладкое вещество. Таким образом, совершенно случайно, он и его коллега Айра Ремсен открыли сахарин. Так называется искусственный подсластитель, который примерно в 300 раз слаще сахара, но стоит гораздо дешевле. Также он не содержит в себе калории, не разрушает зубную эмаль, подходит для приготовления самых разных блюд и признан безопасным продуктом. Насчет первых преимуществ особых сомнений не возникает, но действительно ли сахарин не вредит здоровью? Это довольно важный вопрос, потому что этот искусственный подсластитель добавляется во многие диетические продукты и употребляется в очень больших количествах. Давайте разбираться.

Любовь Соковикова

23.12.2020

Вкус – наименее понятное из пяти чувств. В человеческом организме нет ни одного органа, химического рецептора или нейрона, который бы отвечал исключительно за расшифровку молекул и соединений в пище и ее перевод во вкусы. Тем не менее, наши тела и мозг работают вместе, чтобы быстро отличить соленое от сладкого, горькое от кислого и отвратительное от вкусного. Сегодня мы знаем, что некоторые природные вещества и химические добавки обладают таинственным эффектом усиления вкуса пищи. Соль – классический усилитель вкуса. В течение 10 000 лет люди добавляли соль в свою пищу, первоначально в качестве консерванта, но также и потому, что соль обладает способностью делать даже самые горькие овощи и острое мясо вкусными. Вообще, в качестве усилителя вкуса соль не имеет себе равных. Исследования показывают, что вкус обработанной пищи улучшается непосредственно с добавлением все большего количества соли. Но какие еще бывают усилители вкуса и почему некоторых следует опасаться?

Любовь Соковикова

21.12.2020

Природа богата удивительными материалами. Возьмем, к примеру, дерево: этот материал настолько прочный и универсальный, что его можно использовать практически для всего на свете – от изготовления бумаги до строительства домов. Еще есть шерсть, которая позволяет животным сохранять тепло при минусовых температурах и кожа – материал, способный к восстановлению после повреждений всего за несколько дней. Однако, какими бы невероятными ни были эти материалы, они далеко не идеальны и не подходят для универсального применения. Но есть ли материал, которым мы пользуемся ежедневно? Прочный синтетический материал с красивым названием кевлар, часто описывают как материал «в пять раз прочнее стали при равном весе». Интересно, что применяется кевлар как в изготовлении лодок, тетивы для лука, так и в автомобильной промышленности. В этой статье поговорим о кевларе и причинах, по которым он настолько прочный.

Рамис Ганиев

21.12.2020

Сегодня многие люди отказываются от сигарет и переходят на так называемые «вейпы». Вместо табачного дыма они вдыхают в себя пар, который содержит никотин и различные ароматизаторы. Производители электронных сигарет уверяют, что их продукция несет гораздо меньше вреда для здоровья, чем обычные сигареты. Но это совершенно не значит, что они безвредны. Недавно австралийские ученые решили выяснить, как содержащиеся в жидкостях для «вейпов» ароматизаторы влияют на состояние легких. Оказалось, что они не только вредят дыхательной системе людей, но и могут ослабить иммунитет. В ходе научной работы исследователи смогли выявить два вкуса, которые наносят курильщикам наибольший вред. Так что людям рекомендуется перестать их покупать, а лучше — вообще бросить курение, потому что оно может нанести непоправимый вред.

Рамис Ганиев

16.12.2020

В 1976 году американская компания Mattel выпустила в продажу необычную игрушку «слайм», которая в России до сих пор известна как «лизун». По своей сути, это вязкий материал, который похож на слизь из фантастических фильмов 1980-х годов. Он очень эластичен и при этом не разваливается на части. Если положить его на стол, со временем он растекается по поверхности. В детских магазинах можно купить слаймы разных цветов, но изготовить эту игрушку можно даже в домашних условиях. Покупать редкие ингредиенты не придется, потому что в состав «лизуна» входят жидкое мыло, соль, клей, шампунь и другие вещества, которые есть практически в каждом доме. Но смешивать все это нужно в определенном порядке. Иногда слайм нужно предварительно держать в холодильнике.

Что такое химия? | Живая наука

Вы можете думать о химии только в контексте лабораторных тестов, пищевых добавок или опасных веществ, но область химии включает в себя все, что нас окружает.

«Все, что вы слышите, видите, запах, вкус и прикосновение, связано с химией и химическими веществами (материей)», согласно Американскому химическому обществу (ACS), некоммерческой научной организации по развитию химии, учрежденной США. Конгресс. «А слышание, видение, дегустация и прикосновение — все это связано с запутанной серией химических реакций и взаимодействий в вашем теле.»

Итак, даже если вы не работаете химиком, вы занимаетесь химией или чем-то, что связано с химией, практически со всем, что вы делаете. В повседневной жизни вы занимаетесь химией, когда готовите, когда используете уборку. моющие средства, чтобы вытереть столешницу, когда вы принимаете лекарства или разбавляете концентрированный сок, чтобы вкус не был таким интенсивным.

Связанный: Вау! Огромный взрыв «сахарной ваты» в детской химической лаборатории

Согласно ACS, химия — это исследование материи, определяемой как все, что имеет массу и занимает пространство, а также изменения, которые материя может претерпеть, когда она находится в различных средах и условиях.Химия стремится понять не только свойства материи, такие как масса или состав химического элемента, но также то, как и почему материя претерпевает определенные изменения — трансформировалось ли что-то из-за того, что оно объединилось с другим веществом, замерзло, потому что оно было оставлено на две недели в морозильник или изменил цвет из-за слишком большого количества солнечного света.

Основы химии

Причина, по которой химия затрагивает все, что мы делаем, заключается в том, что почти все, что существует, можно разбить на химические строительные блоки.

Основными строительными блоками в химии являются химические элементы, которые представляют собой вещества, состоящие из одного атома. Каждое химическое вещество уникально, состоит из определенного количества протонов, нейтронов и электронов и идентифицируется по названию и химическому символу, например «C» для углерода. Элементы, которые ученые обнаружили на данный момент, перечислены в периодической таблице элементов и включают как элементы, встречающиеся в природе, такие как углерод, водород и кислород, так и созданные человеком, например Лоуренсий.

Связанный: Как элементы сгруппированы в периодической таблице?

Химические элементы могут связываться вместе, образуя химические соединения, которые представляют собой вещества, состоящие из нескольких элементов, таких как диоксид углерода (который состоит из одного атома углерода, соединенного с двумя атомами кислорода), или нескольких атомов одного элемента, как газообразный кислород (который состоит из двух атомов кислорода, соединенных вместе). Эти химические соединения могут затем связываться с другими соединениями или элементами, образуя бесчисленное множество других веществ и материалов.

Химия — это физическая наука

Химия обычно считается физической наукой в соответствии с определением Британской энциклопедии, потому что изучение химии не связано с живыми существами. Большая часть химии, связанной с исследованиями и разработками, такими как создание новых продуктов и материалов для клиентов, относится к этой сфере.

Но, по мнению Биохимического общества, различия как физическая наука становятся немного размытыми в случае биохимии, которая исследует химию живых существ.Химические вещества и химические процессы, изучаемые биохимиками, технически не считаются «живыми», но их понимание важно для понимания того, как устроена жизнь.

Химия — это физическая наука, что означает, что она не затрагивает «живые» существа. Один из способов, которым многие люди регулярно занимаются химией, возможно, даже не осознавая этого, — это приготовление пищи и выпечка. (Изображение предоставлено Shutterstock)

Пять основных разделов химии

Согласно онлайн-учебнику химии, опубликованному LibreText, химия традиционно делится на пять основных разделов.Существуют также более специализированные области, такие как пищевая химия, химия окружающей среды и ядерная химия, но в этом разделе основное внимание уделяется пяти основным субдисциплинам химии.

Аналитическая химия включает в себя анализ химикатов и включает качественные методы, такие как изучение изменений цвета, а также количественные методы, такие как изучение точной длины (длин) волны света, которую поглощает химическое вещество, что приводит к изменению цвета.

Эти методы позволяют ученым охарактеризовать множество различных свойств химических веществ и могут принести пользу обществу разными способами.Например, аналитическая химия помогает пищевым компаниям делать замороженные обеды вкуснее, обнаруживая, как химические вещества в продуктах питания меняются с течением времени. Аналитическая химия также используется для мониторинга состояния окружающей среды, например, путем измерения химических веществ в воде или почве.

Биохимия , как упоминалось выше, использует химические методы, чтобы понять, как биологические системы работают на химическом уровне. Благодаря биохимии исследователи смогли составить карту генома человека, понять, что различные белки делают в организме, и разработать лекарства от многих болезней.

Связано: Раскрытие генома человека: 6 молекулярных вех

Неорганическая химия изучает химические соединения в неорганических или неживых объектах, таких как минералы и металлы. Традиционно неорганическая химия рассматривает соединения, которые не , а содержат углерод (которые охватываются органической химией), но это определение не совсем точное, согласно ACS.

Некоторые соединения, изучаемые в неорганической химии, такие как «металлоорганические соединения», содержат металлы, которые связаны с углеродом — основным элементом, изучаемым в органической химии.Таким образом, такие соединения считаются частью обеих областей.

Неорганическая химия используется для создания различных продуктов, включая краски, удобрения и солнцезащитные кремы.

Органическая химия занимается химическими соединениями, содержащими углерод, элемент, который считается необходимым для жизни. Химики-органики изучают состав, структуру, свойства и реакции таких соединений, которые наряду с углеродом содержат другие неуглеродные элементы, такие как водород, сера и кремний.Органическая химия используется во многих приложениях, как описано в ACS, таких как биотехнология, нефтяная промышленность, фармацевтика и пластмассы.

Физическая химия использует концепции физики, чтобы понять, как работает химия. Например, выяснение того, как атомы движутся и взаимодействуют друг с другом, или почему некоторые жидкости, включая воду, превращаются в пар при высоких температурах. Физические химики пытаются понять эти явления в очень малом масштабе — на уровне атомов и молекул — чтобы сделать выводы о том, как работают химические реакции и что придает конкретным материалам их уникальные свойства.

Согласно ACS, этот тип исследований помогает информировать другие отрасли химии и важен для разработки продуктов. Например, физико-химики могут изучать, как определенные материалы, такие как пластик, могут реагировать с химическими веществами, для контакта с которыми этот материал предназначен.

Чем занимаются химики?

Химики работают в различных областях, включая исследования и разработки, контроль качества, производство, защиту окружающей среды, консалтинг и право. Согласно ACS, они могут работать в университетах, в правительстве или в частном секторе.

Вот несколько примеров того, чем занимаются химики:

Исследования и разработки

В академических кругах химики, проводящие исследования, стремятся получить дополнительные знания по определенной теме и не обязательно имеют в виду конкретное приложение. Однако их результаты все еще могут быть применены к соответствующим продуктам и приложениям.

В промышленности химики, занимающиеся исследованиями и разработками, используют научные знания для разработки или улучшения конкретного продукта или процесса.Например, пищевые химики улучшают качество, безопасность, хранение и вкус пищи; химики-фармацевты разрабатывают и анализируют качество лекарств и других лекарственных форм; а агрохимики разрабатывают удобрения, инсектициды и гербициды, необходимые для крупномасштабного растениеводства.

Иногда исследования и разработки могут включать не улучшение самого продукта, а скорее производственный процесс, связанный с его изготовлением. Инженеры-химики и инженеры-технологи придумывают новые способы упростить производство своей продукции и сделать ее более рентабельной, например, увеличить скорость и / или выход продукта при заданном бюджете.

Охрана окружающей среды

Химики-экологи изучают, как химические вещества взаимодействуют с окружающей средой, характеризуя химические вещества и химические реакции, присутствующие в естественных процессах в почве, воде и воздухе. Например, ученые могут собирать почву, воду или воздух в интересующем месте и анализировать их в лаборатории, чтобы определить, загрязнила ли деятельность человека окружающую среду или повлияет на нее иным образом. Некоторые химики-экологи также могут помочь восстановить или удалить загрязняющие вещества из почвы.С. Бюро статистики труда.

Связано: Почему удобрения опасны (инфографика)

Ученые, имеющие опыт работы в области химии окружающей среды, также могут работать консультантами в различных организациях, таких как химические компании или консалтинговые фирмы, предоставляя рекомендации о том, как можно выполнять практические действия и процедуры. соответствие экологическим нормам.

Закон

Химики могут использовать свое академическое образование, чтобы давать советы или защищать научные вопросы.Например, химики могут работать в сфере интеллектуальной собственности, где они могут применять свои научные знания в вопросах авторского права в науке или в области экологического права, где они могут представлять группы с особыми интересами и подавать заявки на одобрение регулирующих органов до того, как начнутся определенные действия.

Химики также могут выполнять анализы, помогающие правоохранительным органам. Судебные химики собирают и анализируют вещественные доказательства, оставленные на месте преступления, чтобы помочь определить личности причастных к делу людей, а также ответить на другие жизненно важные вопросы о том, как и почему было совершено преступление.Судебные химики используют широкий спектр методов анализа, таких как хроматография и спектрометрия, которые помогают идентифицировать и количественно определять химические вещества.

Дополнительные ресурсы:

Что такое химия? | New Scientist

Находясь между биологией и физикой, область химии иногда называют центральной наукой. Эта отрасль науки имеет дело не с самыми основными элементами реальности, такими как элементарные частицы или сложный мир живых организмов, а с промежуточным миром атомов, молекул и химических процессов.

Химия — это изучение материи, анализ ее структуры, свойств и поведения, чтобы увидеть, что происходит, когда они изменяются в химических реакциях. Таким образом, он может считаться отраслью физических наук наряду с астрономией, физикой и науками о Земле, включая геологию.

Важной областью химии является понимание атомов и того, что определяет их реакцию. Оказывается, реакционная способность часто в значительной степени определяется электронами, вращающимися вокруг атомов, и тем, как они обмениваются и используются для создания химических связей.

В настоящее время химия разделилась на множество отраслей. Например, химики-аналитики могут измерить следы соединений в древней керамике, чтобы определить, что люди ели тысячи лет назад.

Биохимия — это изучение химических процессов, происходящих в живых организмах, например, в сельском хозяйстве, а также влияние получаемых продуктов на метаболизм нашего организма.

Органическая химия, изучение соединений, содержащих углерод, соединяет молекулы новыми способами для создания и анализа множества материалов, от лекарств до пластмасс и гибкой электроники.Неорганическая химия — это изучение материалов, в основе которых лежат не углеродные элементы, а другие элементы. Неорганические соединения могут быть пигментами, удобрениями, катализаторами и т. Д.

Физическая химия предполагает рассмотрение химии через призму физики для изучения изменений давления, температуры и скорости превращения, например, при реакции веществ.

Химики помогают нам понять природу и свойства окружающего нас мира, и история химии изобилует открытиями, которые способствовали этому.Антуан Лавуазье проложил путь современной химии. Он помог создать структуру поля, разработав упорядоченный язык и символику. А его понимание составных частей воздуха, а также процесса горения опровергло многовековое неверное мышление. Но, возможно, нет более важного химика, чем Дмитрий Менделеев, русский, который в 1869 году записал символы для всех известных химических элементов, расположив их в соответствии с их атомным весом. Он создал периодическую таблицу, позволяющую предсказать, как один элемент будет реагировать с другим, какие соединения он будет образовывать и какие физические свойства он будет иметь.

Химики впоследствии дали нам лекарства от рака, расширили наше понимание радиоактивных элементов и разработали мобильные рентгеновские лучи для использования в полевых госпиталях — и это всего лишь Мария Кюри. Розалинда Франклин помогла нам понять, что ДНК имеет структуру двойной спирали, проложив путь современной революции в генетической науке.

Совсем недавно достижения в области химии и биологии способствовали разработке вакцин против коронавируса, используя наши знания о ДНК и РНК для создания первых одобренных вакцин с информационной РНК (мРНК).От разработки пластмасс, а с ним и нейлона, водонепроницаемой одежды и даже пуленепробиваемых жилетов до жидкокристаллических дисплеев, на которых вы, скорее всего, читаете эту информацию, вплоть до полного синтеза лекарств — вклад химии в современную жизнь огромен.

Химия | Введение в химию

Цель обучения

Изложите общие цели и предмет химии

Ключевые моменты

Химию иногда называют «центральной наукой», потому что она связывает физику с другими естественными науками, такими как геология и биология.
Химия — это изучение вещества и его свойств.
Подразделы химии включают: аналитическую химию, биохимию, неорганическую химию, органическую химию, физическую химию и биофизическую химию.

Условия

химия Раздел естествознания, изучающий состав вещества и изменения, которым он претерпевает в результате химических реакций.
материя: То, что имеет массу, занимает пространство (имеет объем) и составляет почти все в мире.

Химия — это изучение вещества и химических реакций между веществами. Химия также изучает состав, структуру и свойства материи. Материя — это, по сути, все в мире, занимающее пространство и обладающее массой. Химию иногда называют «центральной наукой», потому что она связывает физику с другими естественными науками, такими как геология и биология.

История химии

Основная химическая гипотеза впервые возникла в классической Греции, когда Аристотель определил четыре элемента: огонь, воздух, землю и воду.Лишь в XVII и XVIII веках такие ученые, как Роберт Бойль (1627–1691) и Антуан Лавуазье (1743–1794), начали преобразовывать старые алхимические традиции в строгую научную дисциплину.

Антуан-Лоран де Лавуазье Антуан-Лоран де Лавуазье считается «отцом современной химии» за его работу над принципом сохранения массы и за разработку новой системы химической номенклатуры.

Как одна из естественных наук, химия дает ученым возможность познакомиться с другими физическими науками и дает мощные аналитические инструменты для инженерных приложений.Биологические науки и их ответвления, такие как психология, уходят корнями в биохимию, и ученые только сейчас начинают понимать, как разные уровни организации влияют друг на друга. Например, в основе современной медицины лежат биохимические процессы человеческого организма.

Химия и мир природы

Химия способна объяснить бесчисленные явления в мире, от обычных до причудливых. Почему ржавеет железо? Что делает пропан таким эффективным и экологически чистым топливом? Как сажа и алмаз могут быть такими разными по внешнему виду, но при этом такими химически похожими? Химия дает ответы на эти и многие другие вопросы.Понимание химии — ключ к пониманию мира, каким мы его знаем.

Химия Химия — это изучение свойств, состава и превращения материи.

Различные отрасли химии

Изучение химии можно разделить на отдельные разделы, в которых особое внимание уделяется подмножествам химических понятий. Аналитическая химия стремится определить точный химический состав веществ. Биохимия — это исследование химических веществ, содержащихся в живых организмах (таких как ДНК и белки).Неорганическая химия изучает вещества, не содержащие углерода. Органическая химия изучает вещества на основе углерода. Физическая химия — это изучение физических свойств химических веществ. Биофизическая химия — это приложение физической химии в биологическом контексте.

Показать источники

Boundless проверяет и курирует высококачественный контент с открытой лицензией из Интернета. Этот конкретный ресурс использовал следующие источники:

Обзор химии | Безграничная химия

Исследование химии

Химия — это изучение состава, структуры, свойств и превращения материи.

Цели обучения

Изложите общие цели и предмет химии

Основные выводы

Ключевые моменты

Химию иногда называют «центральной наукой», потому что она связывает физику с другими естественными науками, такими как геология и биология.
Химия — это изучение вещества и его свойств.
Подразделы химии включают: аналитическую химию, биохимию, неорганическую химию, органическую химию, физическую химию и биофизическую химию.

Ключевые термины

материя : что-то, что имеет массу, занимает пространство (имеет объем) и составляет почти все в мире.
химия : Раздел науки, изучающий состав и строение веществ, а также изменения, которым они подвергаются в результате изменений в строении их молекул.

Антуан-Лоран де Лавуазье : Антуан-Лоран де Лавуазье считается «отцом современной химии» за его работу над принципом сохранения массы и за разработку новой системы химической номенклатуры.

История химии

Как одна из естественных наук, химия дает ученым возможность познакомиться с другими физическими науками и дает мощные аналитические инструменты для инженерных приложений. Биологические науки и их ответвления, такие как психология, уходят корнями в биохимию, и ученые только сейчас начинают понимать, как разные уровни организации влияют друг на друга.Например, в основе современной медицины лежат биохимические процессы человеческого организма.

Химия и мир природы

Химия способна объяснить бесчисленные явления в мире, от обычных до причудливых. Почему ржавеет железо? Что делает пропан таким эффективным и экологически чистым топливом? Как сажа и алмаз могут быть такими разными по внешнему виду, но при этом такими химически похожими? Химия дает ответы на эти и многие другие вопросы. Понимание химии — ключ к пониманию мира, каким мы его знаем.

Химия : Химия изучает свойства, состав и преобразование материи.

Различные отрасли химии

Изучение химии можно разделить на отдельные разделы, в которых особое внимание уделяется подмножествам химических понятий. Аналитическая химия стремится определить точный химический состав веществ. Биохимия — это исследование химических веществ, содержащихся в живых организмах (таких как ДНК и белки). Неорганическая химия изучает вещества, не содержащие углерода.Органическая химия изучает вещества на основе углерода. Физическая химия — это изучение физических свойств химических веществ. Биофизическая химия — это приложение физической химии в биологическом контексте.

Научный метод

Научный метод — это процесс, посредством которого наблюдения ставятся под сомнение; гипотезы создаются и проверяются; и результаты анализируются.

Цели обучения

Обсудить гипотезы и компоненты научного эксперимента как часть научного метода

Основные выводы

Ключевые моменты

В научном методе наблюдения приводят к вопросам, требующим ответов.
В научном методе гипотеза — это проверяемое утверждение, предлагаемое для ответа на вопрос.
В рамках научного метода эксперименты (часто с элементами управления и переменными) разрабатываются для проверки гипотез.
В научном методе анализ результатов эксперимента приводит к принятию или отклонению гипотезы.

Ключевые термины

научный метод : способ открытия знаний, основанный на создании фальсифицируемых прогнозов (гипотез), их проверке и разработке теорий на основе собранных данных
гипотеза : обоснованное предположение, которое обычно встречается в формате «если… то…»
контрольная группа : группа, которая содержит все особенности экспериментальной группы, за исключением того, что в ней нет предполагаемых манипуляций

Научный метод

Биологи изучают живой мир, задавая вопросы о нем и ища научно обоснованные ответы.Этот подход характерен и для других наук, и его часто называют научным методом. Этот научный метод использовался даже в древние времена, но впервые он был задокументирован английским сэром Фрэнсисом Бэконом (1561–1626), который ввел индуктивные методы для научных исследований. Научный метод может применяться практически во всех областях обучения как логический, рациональный метод решения проблем.

Сэр Фрэнсис Бэкон : Сэр Фрэнсис Бэкон (1561–1626) считается первым, кто определил научный метод.

Научный процесс обычно начинается с наблюдения (часто проблема, которую необходимо решить), которая приводит к вопросу. Давайте подумаем о простой проблеме, которая начинается с наблюдения, и применим научный метод для ее решения. Подросток замечает, что его друг действительно высокий, и задается вопросом, почему. Поэтому его вопрос может быть таким: «Почему мой друг такой высокий? ”

Научный метод : Научный метод состоит из серии четко определенных шагов.Если гипотеза не подтверждается экспериментальными данными, может быть предложена новая гипотеза.

Предложение гипотез

Напомним, что гипотеза — это обоснованное предположение, которое можно проверить. Гипотезы часто также включают объяснение обоснованного предположения. Для решения одной проблемы можно предложить несколько гипотез. Например, ученик может подумать, что его друг высокий, потому что он пьет много молока. Его гипотеза может быть такой: «Если человек пьет много молока, он вырастет очень высоким, потому что молоко полезно для ваших костей.Как правило, гипотезы имеют формат «Если… то…» Имейте в виду, что на вопрос могут быть другие ответы; поэтому могут быть предложены другие гипотезы. Вторая гипотеза может быть такой: «Если у человека высокие родители, то они тоже будут высокими, потому что у них есть гены, чтобы быть высокими. ”

После выбора гипотезы ученик может сделать прогноз. Прогноз подобен гипотезе, но на самом деле это предположение. Например, они могут предсказать, что их друг высокий, потому что он пьет много молока.

Проверка гипотез

Действительная гипотеза должна быть проверена. Он также должен быть опровергнутым, что означает, что он может быть опровергнут экспериментальными результатами. Важно отметить, что наука не претендует на «доказательство» чего-либо, потому что научное понимание всегда может быть изменено с добавлением дополнительной информации. Этот шаг — открытость опровергающим идеям — и есть то, что отличает науки от ненаучных. Например, присутствие сверхъестественного нельзя ни проверить, ни опровергнуть. Чтобы проверить гипотезу, исследователь проведет один или несколько экспериментов, направленных на устранение одной или нескольких гипотез.Каждый эксперимент будет иметь одну или несколько переменных и один или несколько элементов управления. Переменная — это любая часть эксперимента, которая может изменяться или меняться в ходе эксперимента. Контрольная группа содержит все особенности экспериментальной группы, за исключением предполагаемых манипуляций. Например, контрольной группой может быть группа разных подростков, которые не пили молоко, и их можно сравнить с экспериментальной группой, группой разных подростков, которые действительно пили молоко. Таким образом, если результаты экспериментальной группы отличаются от результатов контрольной группы, разница должна быть связана с предполагаемой манипуляцией, а не с каким-то внешним фактором.Чтобы проверить первую гипотезу, ученик должен выяснить, влияет ли употребление молока на рост. Если употребление молока не влияет на рост, значит, у роста друга должна быть другая причина. Чтобы проверить вторую гипотезу, ученик мог проверить, есть ли у его друга высокие родители. Каждую гипотезу следует проверять путем проведения соответствующих экспериментов. Имейте в виду, что отклонение одной гипотезы не определяет, будут ли приняты другие гипотезы. Он просто исключает одну неверную гипотезу.Используя научный метод, отвергаются гипотезы, не согласующиеся с экспериментальными данными.

Хотя этот пример «высоты» основан на результатах наблюдений, другие гипотезы и эксперименты могут иметь более четкий контроль. Например, ученик может прийти на урок в понедельник и понять, что ему трудно сосредоточиться на лекции. Одна из гипотез, объясняющих это происшествие, может быть такой: «Если я завтракаю перед уроком, то могу лучше обращать внимание». Затем учащийся может разработать эксперимент с контролем, чтобы проверить эту гипотезу.

Научный метод может показаться слишком жестким и структурированным. Важно помнить, что, хотя ученые часто следуют этой последовательности, существует гибкость. Часто наука не работает линейно. Вместо этого ученые постоянно делают выводы и обобщения, находя закономерности по мере продвижения своих исследований. Научное мышление сложнее, чем предполагает один научный метод.

1.1: Что такое химия? — Химия LibreTexts

Цели обучения

Чтобы узнать широту, глубину и размах химии.
Дайте определение химии по отношению к другим наукам.
Определите основные дисциплины химии.

Химия — это изучение материи: из чего она состоит, каковы ее свойства и как они меняются. Возможность описать ингредиенты торта и то, как они меняются при выпекании торта, называется химией. Материя — это все, что имеет массу и занимает пространство, то есть все, что является физически реальным. Некоторые вещи легко идентифицировать как материальные — например, эту книгу.Остальные не так очевидны. Поскольку мы так легко перемещаемся по воздуху, мы иногда забываем, что это тоже материя.

Химия — одна из отраслей науки. Наука — это процесс, с помощью которого мы изучаем естественную Вселенную, наблюдая, проверяя, а затем создавая модели, объясняющие наши наблюдения. Поскольку физическая вселенная настолько обширна, существует множество различных областей науки (рис. \ (\ PageIndex {1} \)). Таким образом, химия изучает материю, биология изучает живые существа, а геология изучает горные породы и землю.Математика — это язык науки, и мы будем использовать его для передачи некоторых идей химии.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Взаимосвязь между некоторыми из основных разделов науки. Химия находится более или менее посередине, что подчеркивает ее важность для многих областей науки.

Хотя мы разделяем науку на разные области, между ними есть много общего. Например, некоторые биологи и химики так много работают в обеих областях, что их работа называется биохимией.Точно так же геология и химия пересекаются в области, называемой геохимией. Рисунок \ (\ PageIndex {1} \) показывает, сколько отдельных областей науки связаны между собой.

Есть много других областей науки, помимо перечисленных (биология, медицина и т. Д.)

Алхимия — это ни в коем случае не химия!

Поскольку наше понимание Вселенной со временем изменилось, изменилась и научная практика. Химия в ее современной форме, основанная на принципах, которые мы считаем актуальными сегодня, была разработана в 1600-х и 1700-х годах.До этого изучение материи было известно как алхимия и практиковалось в основном в Китае, Аравии, Египте и Европе.

Алхимия была несколько мистическим и скрытным подходом к изучению того, как управлять материей. Практики, называемые алхимиками, считали, что вся материя состоит из четырех основных элементов — огня, воды, земли и воздуха в разных пропорциях, — и считали, что если вы измените относительные пропорции этих элементов в веществе, вы сможете изменить это вещество. .Давние попытки «превратить» обычные металлы в золото представляли одну цель алхимии. Другой важной целью алхимии было синтезировать философский камень, материал, который может дать долгую жизнь — даже бессмертие. Алхимики использовали символы для обозначения веществ, некоторые из которых показаны на прилагаемом рисунке. Это было сделано не для лучшего обмена идеями, как сегодня делают химики, а для сохранения секретности алхимических знаний, не позволяя другим делиться ими.

Первая таблица соответствия.Таблица различных соотношений, наблюдаемых в химии между различными веществами; Воспоминания Королевской академии наук, стр. 202-212. Алхимики использовали подобные символы для обозначения веществ.

Несмотря на эту секретность, в свое время алхимию уважали как серьезное научное занятие. Исаак Ньютон, великий математик и физик, также был алхимиком.

Алхимия и ACS (Американское химическое общество)

Пока смотрите видео ниже и ответьте на следующие вопросы.

Вопросы

Какова была главная цель алхимика согласно видео?
Что философский камень может сделать с мочой?
Алхимия — истинная наука?
Когда моча превращается в белую пасту, как называется и символ полученного элемента?
Перечислите некоторые свойства этого элемента, которые обсуждались в видео.
Богатые люди производили больше этого элемента, чем бедные?
К каким типам приложений (прикладная наука) привел нас этот элемент?
Как можно собрать более высокие концентрации этого элемента вместо сбора мочи?
В видео обсуждается фосфорная кислота (формула: H ₃ PO ₄).Назовите все элементы в этом соединении.
Каковы упомянутые применения фосфорной кислоты?
Каковы некоторые органические и биохимические применения элемента 13?

Направления химии

Изучение современной химии имеет множество разделов, но обычно может быть разбито на пять основных дисциплин или областей исследования:

Физическая химия: Физическая химия — это изучение макроскопических свойств, атомных свойств и явлений в химических системах.Физик-химик может изучать такие вещи, как скорость химических реакций, перенос энергии, происходящий в реакциях, или физическую структуру материалов на молекулярном уровне.
Органическая химия: Органическая химия — это изучение химических веществ, содержащих углерод с водородом. Углерод — один из самых распространенных элементов на Земле, способный образовывать огромное количество химических веществ (на данный момент более двадцати миллионов). Большинство химических веществ, содержащихся во всех живых организмах, основаны на углероде.
Неорганическая химия: Неорганическая химия — это изучение химических веществ, которые, как правило, не содержат углерода. Неорганические химические вещества обычно встречаются в горных породах и минералах. Одна из важных в настоящее время областей неорганической химии связана с конструкцией и свойствами материалов, используемых в энергетике и информационных технологиях.
Аналитическая химия: Аналитическая химия — это изучение состава вещества. Основное внимание уделяется разделению, идентификации и количественному определению химических веществ в образцах вещества.Химик-аналитик может использовать сложные инструменты для анализа неизвестного материала с целью определения его различных компонентов.
Биохимия: Биохимия — это исследование химических процессов, происходящих в живых существах. Исследования могут охватывать основные клеточные процессы, вплоть до понимания болезненных состояний, чтобы можно было разработать более эффективные методы лечения.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): (слева) Измерение следов металлов с помощью атомной спектроскопии. (справа) Измерение концентрации гормона.

На практике химические исследования часто не ограничиваются одной из пяти основных дисциплин. Конкретный химик может использовать биохимию для выделения определенного химического вещества, обнаруженного в организме человека, такого как гемоглобин, переносящий кислород компонент красных кровяных телец. Затем он или она может приступить к анализу гемоглобина, используя методы, относящиеся к областям физической или аналитической химии. Многие химики специализируются в областях, которые представляют собой сочетание основных дисциплин, таких как биоинорганическая химия или физическая органическая химия.

Химики за работой

Американское химическое общество (ACS) разработало серию видеороликов, иллюстрирующих различные области, которыми может заниматься химик. Пожалуйста, посмотрите это 2-х минутное 23-секундное видео и ответьте на вопросы ниже:

Какой тип химии исследует доктор Джейкобс (посмотрите на пять типов химиков, перечисленных выше).
Как доктор Джейкобс и связанные с ней исследования применяют свою химию к реальной проблеме?
Какие типы профессионалов делает Dr.Джейкобс сотрудничает с?
Что труднее охарактеризовать и почему: белки или небольшие молекулы?

Сводка

Химия изучает материю и изменения, которым она претерпевает, и учитывает как макроскопическую , так и микроскопическую информацию.
Материя — это все, что имеет массу и занимает пространство.
Пять основных дисциплин химии: физическая химия, органическая химия, неорганическая химия, аналитическая химия и биохимия.
Многие цивилизации внесли свой вклад в развитие химии. Многие ранние химические исследования были сосредоточены на практическом использовании. Основные теории химии были разработаны в девятнадцатом веке. Новые материалы и аккумуляторы — лишь некоторые из продуктов современной химии.

Авторы и авторство

Что такое химия?

1 Область химических наук

Химия — слишком универсальный и динамично меняющийся предмет, чтобы ограничиваться фиксированным определением; Возможно, было бы лучше думать о химии как о точке зрения , которая уделяет основное внимание структуре и свойствам веществ — определенных видов материи — и особенно изменениям, которым они подвергаются.

В некотором смысле, физика может считаться более «фундаментальной», поскольку она имеет дело с материей и энергией в более общем смысле, без акцента на конкретных веществах. Но различие может быть довольно расплывчатым; в конечном итоге довольно бесполезно ограничивать любой аспект человеческих усилий маленькими коробками.

Химия: центральная наука

Реальная важность химии заключается в том, что она служит интерфейсом практически для всех других наук, а также для многих других областей человеческой деятельности.По этой причине химию часто называют (по крайней мере, химиками!) «Центральной наукой».

Химия может быть «центральной» в гораздо более личном плане: с солидным опытом в области химии вам будет намного легче перейти в другие области по мере развития ваших интересов.

Химия может улучшить любую карьеру. Химия настолько глубоко укоренилась во многих областях бизнеса, государственного управления и охраны окружающей среды, что некоторый опыт в этой области может быть полезен (и может дать вам карьерный рост как члена команды, обладающего особыми навыками) в таких разнообразных областях, как производство продукции. разработка, маркетинг, менеджмент, информатика, техническое письмо и даже право.

Итак, что такое

— это химия ?

Вы помните историю о группе слепых, которые столкнулись со слоном? Каждый провел руками по разным частям тела слона — хоботу, уху или ноге — и придумал совершенно другое описание зверя.

К химии можно подходить одинаково по-разному, каждый из которых дает разный, достоверный (и все же безнадежно неполный) взгляд на предмет.
Таким образом, мы можем рассматривать химию с разных точек зрения, от теоретических до в высшей степени практических:

В основном теоретический	Практически
Почему одни комбинации атомов держатся вместе, а другие нет?	Каковы свойства определенного соединения?
Как я могу предсказать форму молекулы?	Как я могу приготовить определенное соединение?
Почему одни реакции протекают медленно, а другие — быстро?	Продолжается ли определенная реакция до завершения?
Возможна ли определенная реакция?	Как определить состав неизвестного вещества?

Доведение до основ

На самом фундаментальном уровне химия может быть организована в соответствии с показанными здесь направлениями.

Динамика: относится к деталям тех перегруппировок атомов, которые происходят во время химического изменения и которые сильно влияют на скорость, с которой происходят изменения.
Энергетика: относится к термодинамике химического изменения, относящегося к поглощению или выделению тепла. Что еще более важно, этот аспект химии контролирует направление, в котором происходят изменения, и полученную смесь веществ.
Состав и структура: определяют вещества, являющиеся результатом химического изменения. Структура конкретно относится к относительному расположению атомов в пространстве. Степень, в которой данная структура может существовать, сама определяется энергетикой и динамикой.

Синтез: , строго говоря, относится к образованию новых (и обычно более сложных) веществ из более простых, но в данном контексте мы используем его в более общем смысле для обозначения операций, необходимых для осуществления химических изменений и выделения желаемых продуктов.

Этот взгляд на химию является довольно строгим, и, вероятно, он больше ценится людьми, которые уже знакомы с предметом, чем теми, кто собирается его изучать, поэтому мы будем использовать несколько расширенную схему для организации фундаментальных концепций химической науки. Но если вам нужно определение химии, состоящее из одного предложения, это довольно хорошо его завершает:

Химия — это исследование веществ ; их свойства, структура и изменения, которым они подвергаются.

Микромакро: лес или деревья

Химия, как и все естественные науки, начинается с непосредственного наблюдения за природой — в данном случае материей. Но когда мы смотрим на материю в массе, мы видим только «лес», а не «деревья» — атомы и молекулы, из которых состоит материя, — свойства которых в конечном итоге определяют природу и поведение материи, на которую мы смотрим.

Эта дихотомия между тем, что мы можем и не можем непосредственно видеть, составляет два противоположных взгляда, которые проходят через всю химию, которую мы называем макроскопическим и микроскопическим .

В контексте химии «микроскопический» подразумевает детали на атомном или субатомном уровнях, которые нельзя увидеть напрямую (даже в микроскоп!)
Макроскопический мир — это мир, который мы можем узнать, наблюдая за физическими свойствами, такими как масса, объем и т. Д.

В следующей таблице представлен концептуальный обзор химической науки в соответствии с обсуждаемой нами макроскопической / микроскопической дихотомией.Конечно, это только один из многих способов взглянуть на предмет, но вы можете найти его полезным средством систематизации множества фактов и идей, с которыми вы столкнетесь при изучении химии. Мы организуем обсуждение в этом уроке аналогичным образом.

область	Макроскопический вид	вид под микроскопом
состав	формул, смесей	структуры твердых тел, молекул и атомов
недвижимость	интенсивные свойства сыпучего материала	размеры, массы и взаимодействия частиц
изменение (энергетика)	энергетика и равновесие	статистика распределения энергии
изменение (динамика)	кинетика (скорости реакций)	механика

2 Химический состав

Смесь или «чистое вещество»?

В науке необходимо точно знать, о чем мы говорим, поэтому, прежде чем мы сможем даже начать рассматривать материю с химической точки зрения, нам нужно кое-что узнать о ее составе ; Я смотрю на одно вещество или на смесь ? (Мы подробно рассмотрим эти определения в другом месте, но на данный момент вы, вероятно, уже хорошо понимаете различия; подумайте об образце кристаллической соли (хлорид натрия), а не о растворе соли в воде — смесь соли и воды.)

Для химика существует фундаментальное различие между чистым веществом и смесью.
Но маркетологи, а через них и широкая публика, не колеблясь, называют сложную смесь, такую как арахисовое масло, «чистой». Чистый какой ?

Элементы и соединения

Уже не менее тысячи лет известно, что некоторые вещества можно разложить путем нагревания или химической обработки на «более простые», но всегда есть предел; в конечном итоге мы получаем вещества, известные как элементов , которые не могут быть преобразованы в какие-либо более простые формы обычными химическими или физическими средствами.Каков наш критерий «проще»? Самым наблюдаемым (и, следовательно, макроскопическим) свойством является вес.
Идея минимальной единицы химической идентичности, которую мы называем элементом , возникла на основе экспериментальных наблюдений за относительным весом веществ, участвующих в химических реакциях. Например, оксид ртути может быть разложен на два других вещества:
2 HgO → 2 Hg + O ₂
… но эти два продукта, металлическая ртуть и дикислород, не могут быть разложены на более простые вещества, поэтому они должны быть элементами.
Определение элемента, приведенное выше, — это рабочий ; определенный результат (или, в данном случае, не результат!) процедуры, которая может привести к разложению вещества на более легкие единицы, предварительно отнесет это вещество к одной из категорий, элементов или соединений. Поскольку эта операция выполняется с объемным веществом, понятие элемента также является макроскопическим элементом.
Картина Джозефа Райта из Дерби (1734-97) Алхимик в поисках философского камня обнаруживает фосфор
[ссылка на изображение]
Элементы и атомы: в чем разница?
Атом , напротив, представляет собой микроскопическую концепцию , которая в современной химии связывает уникальный характер каждого химического элемента с реальной физической частицей.
Идея об атоме как о мельчайшей частице материи возникла в греческой философии около 400 г. до н.э., но с самого начала была спорной (и Платон, и Аристотель утверждали, что материя бесконечно делима). Лишь в 1803 г. Джон Дальтон предложил понятие рациональная атомная теория для объяснения фактов химического сочетания в том виде, в каком они были тогда известны, и, таким образом, была первой, кто использовал макроскопические доказательства для освещения микроскопического мира.
Потребовалось почти до 1900 года, чтобы теория атома стала общепринятой.В 1920-х годах стало возможным измерять размеры и массы атомов, а в 1970-х годах были разработаны методы, позволяющие получать изображения отдельных атомов.
← Атом кобальта, полученный с помощью сканирующего туннельного микроскопа [ссылка на изображение]
Формула и структура
Формула вещества выражает относительное количество атомов каждого содержащегося в нем элемента. Поскольку формулу можно определить путем экспериментов с объемным веществом, это макроскопическая концепция, даже если она выражена в терминах атомов.
Обычная химическая формула , а не сообщает нам порядок, в котором атомы компонентов соединены, независимо от того, сгруппированы ли они в дискретные единицы ( молекул, ) или представляют собой двух- или трехмерные протяженные структуры, как в случае с твердые вещества, такие как обычная соль. Микроскопический аспект композиции — это структура , которая наиболее подробно показывает относительные положения (в двух- или трехмерном пространстве) каждого атома в минимальной совокупности, необходимой для определения структуры вещества.
Макроскопический
Микроскоп
Вещества определяются на макроскопическом уровне их формулами или составами , а на микроскопическом уровне их структурами . Элементы водород и кислород объединяются с образованием соединения, состав которого выражается формулой H ₂ O. Молекула воды имеет структуру, показанную здесь.
Химические вещества, которые нельзя разделить на более простые, известны как элементов . Фактические физические частицы, из которых состоят элементы, — это атомов или молекул . Сера- элемент в ромбической кристаллической форме.
Молекула S ₈ представляет собой восьмиугольное кольцо из атомов серы .Кристалл, показанный слева, состоит из упорядоченного массива этих молекул.
(Эта анимация неправильно отображает реальные колебательные движения молекулы.)
Соединения и молекулы
Как мы указали выше, соединение — это вещество, содержащее более одного элемента. Поскольку концепция элемента является макроскопической, а различие между элементами и соединениями было признано задолго до того, как было принято существование физических атомов, концепция соединения также должна быть макроскопической, которая не делает никаких предположений о природе конечного.
Таким образом, когда углерод горит в присутствии кислорода, полученный диоксид углерода может быть показан (макроскопическими) измерениями веса как содержащий оба исходных элемента:
К + О ₂ → СО ₂
10,0 г + 26,7 г = 36,7 г
Одной из важных характеристик соединения является то, что массовые пропорции каждого элемента в данном соединении постоянны. Например, независимо от того, какой у нас вес углекислого газа, процент углерода, который он содержит, составляет (10.0 / 36,7) = 0,27, или 27%.
Молекулы
Молекула представляет собой совокупность атомов, имеющих фиксированный состав, структуру и отличительные, измеримые свойства.
В самом общем смысле термин молекула может описывать любую частицу (даже отдельный атом), имеющую уникальную химическую идентичность. Даже в конце XIX века, когда соединения и их формулы давно использовались, некоторые выдающиеся химики сомневались, что молекулы (или атомы) были чем-то большим, чем удобная модель.
Компьютерная модель молекулы никотина, C ₁₀ H ₁₄ N ₂, Рональд Перри ↑
Молекулы внезапно стали реальностью в 1905 году, когда Альберт Эйнштейн показал, что броуновское движение, нерегулярные микроскопические движения крошечных частиц пыльцы, плавающих в воде, можно напрямую приписать столкновениям с частицами размером с молекулу.
Наконец-то мы увидим одну! В 2009 году ученым IBM в Швейцарии удалось создать изображение реальной молекулы с помощью метода, известного как атомно-силовая микроскопия, в котором металлический зонд толщиной с атомы очень немного над поверхностью иммобилизованной молекулы пентацена, охлажденной почти до абсолютного нуля. .Для улучшения качества изображения на конец зонда помещалась молекула окиси углерода.
Изображение, полученное зондом АСМ, показано в самом низу. Фактически отображается поверхность электронных облаков молекулы, состоящая из пяти гексагональных колец атомов углерода с атомами водорода на периферии. Крошечные выпуклости, соответствующие этим атомам водорода, свидетельствуют о замечательном разрешении этого эксперимента.
Исходная статья была опубликована в журнале Science ; см. здесь понятный отчет об этой исторической работе.
Атомный состав молекулы определяется формулой . Таким образом, формулы CO, CH ₄ и O ₂ представляют молекулы монооксида углерода, метана и дикислорода. Однако тот факт, что мы можем написать формулу для соединения, не подразумевает существования молекул с таким составом. Газы и большинство жидкостей состоят из молекул, но многие твердые тела существуют в виде протяженных решеток атомов или ионов (электрически заряженных атомов или молекул.) Например, не существует такой вещи, как «молекула» обычной соли NaCl (см. Ниже).
Не знаете о различиях между молекулами и соединениями?
Может быть поможет следующее:
Молекула, но не соединение — Озон, O ₃, является , а не соединением, потому что оно содержит только один элемент. Эта хорошо известная молекула представляет собой соединение , поскольку содержит более одного элемента. [ссылка] Обычная твердая соль — это соединение, но не молекула . Он построен из взаимопроникающих решеток ионов натрия и хлора, которые растягиваются бесконечно.
Строение и свойства
Состав и структура лежат в основе химии, но они охватывают лишь очень небольшую ее часть.В основном нас интересуют свойства химических веществ; именно через них мы испытываем и находим применение веществам, и большая часть химии как науки посвящена пониманию взаимосвязи между структурой и свойствами. Для некоторых целей удобно проводить различие между химическими свойствами и физическими свойствами, но, как и в случае с большинством построенных человеком дихотомий, различие становится более расплывчатым при более внимательном рассмотрении.
Собираем все вместе
Эта концептуальная карта дает хороший обзор идей, которые мы разработали на данный момент.Найдите время, чтобы просмотреть его и убедиться, что вы понимаете все термины и отношения между ними.
Для более глубокого изучения большей части рассматриваемого здесь материала см. Основы атомов, молей, формул, уравнений и номенклатуры .
3 Химическая замена
Химическое изменение макроскопически определяется как процесс образования новых веществ.С микроскопической точки зрения это можно представить как переупорядочение атомов. Данное химическое изменение обычно называют химической реакцией и описывается химическим уравнением, имеющим форму
.
реактивы → продукты
Химические изменения по сравнению с физическими изменениями
На начальных курсах принято различать «химическое» и «физическое» изменение, последнее обычно связано с изменениями физического состояния, такими как плавление и испарение.Как и в случае с большинством дихотомий, созданных человеком, при внимательном рассмотрении это начинает разрушаться. Во многом это происходит из-за некоторой двусмысленности в том, что мы считаем отдельной «субстанцией».
Пример: дихлор, Cl
₂.
Элементарный хлор существует в виде двухатомной молекулы Cl ₂ в газообразном, жидком и твердом состояниях; основное различие между ними заключается в степени организованности. В газе молекулы движутся беспорядочно, тогда как в твердом теле они ограничены местоположениями в трехмерной решетке.В жидкости эта плотная организация расслаблена, позволяя молекулам скользить и скользить друг вокруг друга.
Поскольку основные молекулярные единицы остаются неизменными во всех трех состояниях, процессы плавления, замораживания, конденсации и испарения обычно рассматриваются как физические , а не химические изменения.
Пример: хлорид натрия, NaCl.
Твердая соль состоит из неограниченно протяженного трехмерного массива ионов Na ⁺ и Cl ^— (электрически заряженные атомы.)
При нагревании выше 801 ° C твердое вещество плавится с образованием жидкости, состоящей из тех же ионов. Эта жидкость закипает при 1430 ° с образованием пара, состоящего из дискретных молекул, имеющих формулу
Na ₂ Cl ₂.
Соль растворяется в воде с образованием раствора, содержащего отдельные ионы Na ⁺ и Cl ^—, к которым свободно присоединено различное количество молекул H ₂ O. Полученные гидратированные ионы представлены как Na ⁺ (водн.) и Cl ^— (водн.) .
Поскольку ионы в твердом теле, гидратированные ионы в растворе и молекула Na ₂ Cl ₂ действительно представляют собой разные химические соединения, различие между физическими и химическими изменениями становится немного нечетким.
4 Энергетика химических изменений
Вы, наверное, видели уравнения химических реакций, такие как «общее», показанное ниже:
А + В → С + D
Уравнение такого рода не подразумевает , а не , что реагенты A и B полностью превратятся в продукты C и D, хотя во многих случаях это, по-видимому, и происходит.Большинство химических реакций протекает до некоторой промежуточной точки, в результате чего образуется смесь реагентов и продуктов.
Например, если два газа, трихлорид фосфора и хлор, смешать вместе при комнатной температуре, они будут объединяться до тех пор, пока примерно половина из них не превратится в пентахлорид фосфора:
PCl ₃ + Cl ₂ → PCl ₅
При других температурах степень реакции будет меньше или больше.Результатом в любом случае будет равновесная смесь реагентов и продуктов.
Самый важный вопрос, который мы можем задать о любой реакции, — это «каков равновесный состав»?
Если ответ — «все продукты и незначительное количество реагентов», то мы говорим, что реакция может иметь место и «идет до завершения».
Если ответ — «незначительное количество продуктов», то мы говорим, что реакция не может происходить в прямом направлении, но возможна обратная реакция.
Если ответ — «в равновесной смеси присутствуют значительные количества всех компонентов» (как реагентов, так и продуктов), то мы говорим, что реакция «обратима». или «неполный».
Аспект «изменения», который мы здесь рассматриваем, — это свойство химической реакции , а не какого-либо одного вещества. Но если вы остановитесь и задумаетесь об огромном количестве возможных реакций между более чем 15 миллионами известных веществ, вы увидите, что было бы невозможно измерить и записать равновесные составы каждой возможной комбинации.
К счастью, нам это не нужно. Одно или два непосредственно измеряемых свойства отдельных реагентов и продуктов можно объединить, чтобы получить число, по которому можно легко рассчитать равновесный состав при любой температуре. Нет необходимости проводить эксперимент!
Это в значительной степени макроскопическая точка зрения, потому что мы должны непосредственно интересоваться свойствами реагентов и продуктов. Точно так же равновесный состав — мера степени протекания реакции — выражается в количествах этих веществ.
Химическая термодинамика
Практически все химические изменения связаны с поглощением или высвобождением энергии, обычно в форме тепла. Оказывается, что эти изменения энергии, которые являются прерогативой химической термодинамики , служат мощным средством предсказания того, может ли данная реакция протекать и в какой степени. Более того, все, что нам нужно, чтобы сделать этот прогноз, — это информация об энергетических свойствах реагентов и продуктов; нет необходимости изучать саму реакцию.Поскольку это объемные свойства вещества, химическая термодинамика полностью макроскопична по своему видению.
[ссылка на изображение] ↑
5 Динамика химического изменения
Энергетика химического изменения, которую мы обсуждали непосредственно выше, относится к конечному результату химического изменения: состав конечной реакционной смеси и количество выделяемого или поглощенного тепла.
Энергетика определяет, может ли и в какой степени иметь место реакция ; динамика химического изменения связано с , как (и как точно ) реакция протекает
Что должно произойти, чтобы реакция началась (какая молекула ударяется первой, насколько сильно и в каком направлении?)
Происходит ли реакция в один этап или в нем участвуют несколько этапов и промежуточных структур?
Механизм химического изменения
Эти детали составляют то, что химики называют механизмом реакции.
Например, реакция между оксидом азота и водородом (обозначенная как результирующая реакция внизу слева), как полагают, происходит в двух этапах, показанных здесь. Обратите внимание, что закись азота, N ₂ O, образуется на первом этапе и расходуется на втором, поэтому он не появляется в итоговом уравнении реакции. Сообщается, что N ₂ O действует как промежуточное соединение в этой реакции. Некоторые промежуточные соединения представляют собой нестабильные виды, часто искаженные или неполные молекулы, не имеющие независимого существования; они известны как переходные состояния .
Микроскопическая сторона динамики рассматривает механизмы химических реакций. Это относится к «пошаговому» описанию того, что происходит, когда атомы в реагирующих частицах перестраиваются в конфигурации, которые они имеют в продуктах.
[ссылка на изображение]
Механизмы, в отличие от энергетики, не могут быть предсказаны на основе информации о реагентах и продуктах; химическая теория еще не достигла того уровня, когда мы можем сделать гораздо больше, чем делать обоснованные предположения.Чтобы еще больше усложнить ситуацию (или, для химиков, интересно ! ), одна и та же реакция может часто протекать по разным механизмам в разных условиях.
Кинетика химического изменения
Поскольку мы не можем напрямую наблюдать за молекулами, когда они реагируют, лучшее, что мы обычно можем сделать, — это вывести механизм реакции на основе экспериментальных данных, особенно тех, которые относятся к скорости реакции, поскольку на нее влияют концентрации реагентов.Эта полностью экспериментальная область химической динамики известна как кинетика .
Скорости реакций, как их называют, сильно различаются: одни реакции завершаются за микросекунды, другие могут длиться годами; многие из них настолько медленны, что их ставки практически равны нулю. Чтобы сделать вещи еще более интересными, нет никакой связи между скоростью реакции и «тенденцией реагировать», определяемой факторами в верхней половине вышеприведенной диаграммы; последнее можно точно предсказать на основе энергетических данных о веществах (свойства, которые мы упоминали на предыдущем экране), но скорость реакции должна определяться экспериментально.
Катализаторы
Катализаторы могут резко изменить скорость реакций, особенно в тех, у которых некаталитическая скорость практически равна нулю. Рассмотрим, например, данные о скорости разложения перекиси водорода. H ₂ O ₂ — это побочный продукт дыхания, который ядовит для живых клеток, которые, как следствие, развили высокоэффективный фермент (биологический катализатор), который способен разрушать пероксид так же быстро, как и он. формы.Катализаторы работают, позволяя реакции протекать по альтернативному механизму.
В некоторых реакциях даже свет может действовать как катализатор. Например, газообразные элементы водород и хлор могут оставаться смешанными в темноте неопределенно долго без каких-либо признаков реакции, но на солнечном свете они соединяются взрывоопасно.
6 течений современной химии
В предыдущем разделе мы рассмотрели химию с концептуальной точки зрения.Если это можно считать «макроскопическим» взглядом на химию, что такое «микроскопический» взгляд? Скорее всего, это то, что на самом деле делают химики. Поскольку тщательное изучение этого вопроса приведет нас к гораздо более подробному описанию, чем мы можем здесь вместить, мы упомянем лишь некоторые из областей, которые стали особенно важными в современной химии.
Разделение наук в химии
Удивительно большая часть химии связана с выделением одного компонента из смеси.Это может происходить на любом количестве стадий производственного процесса, включая очень важные стадии, связанные с удалением токсичных, пахнущих или иным образом нежелательных побочных продуктов из потока отходов. Но даже в исследовательской лаборатории значительные усилия часто тратятся на отделение желаемого вещества от многих компонентов реакционной смеси или на отделение компонента от сложной смеси (например, метаболита лекарственного средства из образца мочи). перед измерением присутствующего количества.
Дистилляция
используется для разделения жидкостей с разной температурой кипения. Эта древняя техника (которая, как полагают, возникла у арабских алхимиков в 3500 г. до н.э.) до сих пор остается одной из наиболее широко используемых операций как в лаборатории, так и в промышленных процессах, таких как очистка нефти.
[ссылка на изображение]
Экстракция растворителем —
Разделение веществ на основе их различной растворимости.Обычный лабораторный инструмент для выделения веществ из растений и химических реакционных смесей. Практическое применение включает переработку радиоактивных отходов и обезжиривание кофейных зерен. Показанная здесь делительная воронка представляет собой простейшее устройство для жидкостно-жидкостной экстракции; для твердожидкостной экстракции обычно используется аппарат Сокслета.
Статья в Википедии об экстракции растворителем
Хроматография
Этот чрезвычайно универсальный метод зависит от тенденции различных типов молекул адсорбироваться (прикрепляться) к разным поверхностям, когда они движутся вдоль «столба» адсорбирующего материала.Так же, как прогресс людей, идущих по торговому центру, зависит от того, сколько времени они проводят, глядя в окна, мимо которых проходят, те молекулы, которые сильнее адсорбируются материалом, будут выходить из хроматографической колонки медленнее, чем молекулы, которые не так сильно адсорбируются.
Бумажная хроматография сока растений [ссылка] →
бопринтид>
Статья в Википедии — Попробуйте сами
некоторые биохимические приложения —
Гель-электрофорез
представляет собой мощный метод разделения и «снятия отпечатков пальцев» с макромолекул, таких как нуклеиновые кислоты или белки, на основе физических свойств, таких как размер и электрический заряд.
Дополнительная информация — Статья в Википедии — Его использование в анализе ДНК — Проведите свой собственный виртуальный анализ ДНК
Как это работает: разделение ДНК (1,5 мин, SheaAndrews)
Идентификация и химический анализ
Что общего у следующих людей?
Директор завода решает, принимать ли железнодорожную цистерну с винилхлоридом для производства в пластмассовую трубу
Агрохимик, который хочет узнать о содержании витаминов в новом гибриде овощей
Управляющий городской водоочистной станции, который должен следить за тем, чтобы содержание карбонатов в воде поддерживалось на достаточно высоком уровне, чтобы предотвратить коррозию, но на достаточно низком уровне, чтобы предотвратить накопление накипи
Ответ состоит в том, что все зависит от аналитических методов — измерений природы или количества («анализов») какого-либо интересующего вещества, иногда при очень низких концентрациях.

«В начале 1900-х годов химик мог анализировать около 200 образцов в год на предмет основных породообразующих элементов. Сегодня, используя современные инструменты, два химика могут выполнять один и тот же тип анализа на 7000 образцов в год».
[изображение из Геологической службы США]
Большое количество исследований посвящено поиску более точных и удобных способов идентификации веществ. Многие из них включают сложные инструменты; к наиболее широко используемым относятся следующие:
Спектрофотометрия
исследует способы поглощения, излучения или изменения света различных длин волн атомными и молекулярными частицами, предоставляя ключи к их структурам, а также как средство «снятия отпечатков пальцев» с вещества.В показанном здесь примере свет находится в инфракрасном диапазоне, который возбуждает пружинные движения химически связанных атомов. Это обеспечивает быстрый способ определения типа химических связей, присутствующих в молекуле — важный инструмент для определения ее структуры.
Подробнее об ИК-спектрах [ссылка на изображение]
Атомно-эмиссионная спектрофотометрия, еще один широко используемый метод спектроскопии, анализирует свет, излучаемый различными атомами в веществе.Когда любой атом нагревается до очень высокой температуры, энергия электронов повышается до короткоживущих «возбужденных» состояний, которые излучают свет при распаде обратно в «основное» состояние. Каждый вид атомов создает характерный линейчатый спектр, который однозначно его идентифицирует. Это важный инструмент в лаборатории, где возбуждение обеспечивается пламенем или электрическим разрядом. Но он также важен для астрономов как средство определения как состава звезд, так и расстояний до них. [ссылка на изображение]
Подробнее об атомных линейчатых спектрах
Вы, вероятно, наблюдали каждый из этих спектров, даже не подозревая об этом! Na (натрий) излучает видимый свет только в желтой области; это объясняет желтый цвет уличных фонарей с испарениями натрия.Лампы с ртутным паром (Hg), также используемые в наружном освещении, имеют самые сильные линии излучения в синей области, что объясняет их характерный оттенок. Наконец, трубки, наполненные неоновым (Ne) газом, широко используются в рекламных вывесках.
Масс-спектрометры
разбивает молекулы на фрагменты, которые можно охарактеризовать, разбивая их на ионы, которые затем ускоряются электрическим полем.Результирующий луч проходит через магнитное поле, которое отклоняет их на отдельные компоненты в соответствии с их отношением заряда к массе. Детектор на конце луча затем измеряет интенсивность каждого компонента и отправляет эту информацию в компьютер, который строит спектр масс.
[ссылка на изображение] ↓ [ссылка на изображение] →
Красные линии справа показывают, как эта молекула распалась на ионизированные фрагменты, в результате чего получился спектр, показанный слева.
[адаптировано из изображения
в Университете Майми, Огайо]
Подробнее о масс-спектрометрии: Iowa State U — Wikipedia
ЯМР-спектрометрия
анализирует действие радиоволн и магнитных полей на атомные ядра, чтобы изучить природу химических связей, связанных с определенным типом атома.
ЯМР — один из наиболее часто используемых инструментов для определения структуры молекулы.
Здесь показан ЯМР-спектр этанола, CH ₃ -CH ₃ -OH. Три пика в спектре представляют три окружения атомов водорода в молекуле. Самый правый пик, представляющий атомы водорода CH ₃, в три раза выше, чем крайний левый пик, что отражает меньшее содержание атомов водорода -ОН. [Ссылка на изображение] →
Дополнительная информация: RSC Wiki — Wikipedia
Рентгеновская флуоресценция (XRF)
Этот широко используемый метод аналогичен атомно-эмиссионной спектрометрии (описанной выше), но имеет важное преимущество в том, что он не разрушает образец.XRF и другие неразрушающие методы теперь позволяют историкам искусства определять виды пигментов, используемых в старых картинах и древней керамике. [ссылка] →
Как это работает. Рентгеновские лучи временно выбивают электроны с атомных орбиталей; когда электроны падают обратно в атомы, они производят новые рентгеновские лучи, которые отражают различные уровни энергии электронов, характерные для этого конкретного элемента. XRF может обнаруживать элементы, присутствующие в чрезвычайно широком диапазоне концентраций, от 100% до уровней ниже частей на миллиард.
Химия материалов, полимеров и нанотехнологий
Материаловедение пытается связать физические свойства и характеристики конструкционных материалов с их основной химической структурой с целью разработки улучшенных материалов для различных применений. Роль химии в материаловедении (нетехнический обзор)
Химия полимеров
разрабатывает полимерные («пластмассовые») материалы для промышленного использования.Соединение отдельных молекул полимера поперечными связями (красный цвет) увеличивает прочность материала. Таким образом, обычный полиэтилен представляет собой довольно мягкий материал с низкой температурой плавления, но сшитая форма более жесткая и устойчивая к нагреванию. [ссылка] →
Статья в Википедии
Органические полупроводники
предлагают ряд потенциальных преимуществ по сравнению с обычными устройствами на основе металлоидов.
Статья в Википедии
Роль органических полупроводников в улавливании солнечной энергии (5 мин, ACS)
Фуллерены, нанотрубки и нанопроволоки
Фуллерены были впервые идентифицированы в 1985 году как продукты экспериментов, в которых графит был испарен с помощью лазера, работа, за которую Р. Ф. Керл-младший, Р. Э. Смалли и Х. В. Крото разделили Нобелевскую премию по химии 1996 года.Ожидается, что исследования фуллерена приведут к новым материалам, смазкам, покрытиям, катализаторам, электрооптическим устройствам и медицинским приложениям.
Страница Кима Аллена о фуллеренах — Научный модуль по фуллеренам — C&EN Cagey Chemistry article
Наноустройство химии
создание сборок молекулярного масштаба для конкретных задач, таких как вычисления, создание движений и т. Д.
Этот «молекулярный мотор» был разработан в
vrije Universiteit Amsterdam.Он питается от тепловой энергии окружающей среды.
[ссылка на изображение]
Наноустройства в медицине (7 мин, ChemMatters)
Биосенсоры и биотранспортеры
поверхности металлов и полупроводников, «украшенные» биополимерами, могут служить чрезвычайно чувствительными детекторами биологических веществ и инфекционных агентов.
К этой золотой наночастице прикреплена единственная цепь ДНК.Если к золоту присоединены и другие агенты, ДНК позволяет сборке нацеливаться на конкретные клетки для доставки лекарств, обнаружения опухолей и генной терапии. [ ~~ссылка на изображение~~ ]
Подробнее: Использование в медицинских исследованиях (Википедия) — Свойства и приложения — Разработка инженерных полимеров и сенсоров (Duke U.)
Биохимия и молекулярная биология
Эта область охватывает широкий спектр исследований, начиная от фундаментальных исследований химии экспрессии генов и взаимодействий фермент-субстрат до дизайна лекарств.Большая часть деятельности в этой области направлена на открытие лекарств .
Подробнее об открытии лекарств: статья в Википедии — статья ScienceCareers;
см. также это 4 мин. Видео на YouTube из Национального института здравоохранения США.
Открытие и проверка лекарств
начинался как в значительной степени разрозненный подход, при котором патоген или линия раковых клеток проверяли на сотни или тысячи веществ-кандидатов в надежде найти несколько «зацепок», которые могли бы привести к полезной терапии.
Эта область сейчас в высокой степени автоматизирована и обычно включает комбинаторную химию (см. Ниже) в сочетании с инновационными методами разделения и анализа.
Но это только первый шаг; Затем многообещающий лекарственный свинец должен быть тщательно изучен, чтобы убедиться, что его действительно можно превратить в практическое лекарство. Его молекулярная структура часто может быть изменена для оптимизации таких свойств, как растворимость, токсичность и эффективность. Этот процесс может занять годы, а количество отказов очень велико; Стоимость вывода на рынок нового лекарства часто достигает 100 миллионов долларов.
После того, как лекарство-кандидат найдено, его молекулярная структура часто может быть изменена, чтобы превратить ее в гидратацию. Компьютерное моделирование — важный инструмент в этой работе.
Статья в Википедии о разработке лекарств
«Умный» препарат
начинается с определения конкретного белка или другой цели, которая должна быть атакована или изменена, чтобы облегчить заболевание.Посредством компьютерного молекулярного моделирования разрабатывается молекула-кандидат в лекарство, которая может связываться с мишенью и тем самым изменять ее поведение.
В этом примере лекарственное средство (малая молекула в «сайте связывания лиганда») специально сконструировано так, чтобы соответствовать этому месту на большом белке, которое оно должно модифицировать.
[ссылка на изображение]
Несколько интересных видеороликов об открытии и разработке лекарств:
Протеомика
Эта огромная область фокусируется на взаимосвязи между структурой и функцией белков, которых у человека насчитывается около 400 000 различных видов.Протеомика связана с генетикой в том смысле, что последовательности ДНК в генах расшифровываются в белки, которые в конечном итоге определяют и регулируют конкретный организм.
[ссылка на изображение]
Статья в Википедии — обзор из C&E News — некоторые статьи из Nature
Химическая геномика
исследует цепочку событий, в которых сигнальные молекулы регулируют экспрессию генов.
Информационный бюллетень NIH по химической геномике
Статья о химической геномике (pdf)
Изображение: Путь передачи сигнала рецептора TGFβ
Некоторые видеоролики по протеомике и геномике:
Химический синтез
В самом общем смысле это слово относится к любой реакции, которая приводит к образованию определенной молекулы.Это одна из старейших областей химии и одна из наиболее активно развивающихся. Некоторые из основных потоков:
Синтез новой молекулы
Перед химиками всегда стоит задача придумывать молекулы, содержащие новые свойства, такие как новые формы или необычные типы связей.
Эта конкретная молекула, галантамин, содержится в некоторых растениях, которые долгое время использовались в народной медицине Восточной Европы.Сейчас он одобрен для лечения деменции.
Его систематическое название (которое однозначно описывает его структуру): (4a S , 6 R , 8a S ) -5,6,9,10,11,12-Гексагидро-3-метокси-11- метил-4a H — [1] бензофуро [3a, 3,2- ef ] [2] бензазепин-6-ол.
Комбинаторная химия
относится к группе в значительной степени автоматизированных методов для создания крошечных количеств огромного количества различных молекул («библиотек») и последующего выбора тех, которые обладают определенными желаемыми свойствами.Хотя это крупный метод открытия лекарств, он также имеет много других применений.
[ссылка на изображение]
Что такое комбинаторная химия?
Зеленая химия
разрабатывает синтетические методы, направленные на сокращение или устранение использования или выброса токсичных или не поддающихся биологическому разложению химических веществ или побочных продуктов.
Что такое зеленая химия?
Технологическая химия
устраняет разрыв между химическим синтезом и химической инженерией, адаптируя пути синтеза к эффективным, безопасным и экологически ответственным методам крупномасштабного синтеза.(Проектирование и строительство действующих заводов находится в ведении химического машиностроения.)
Что такое технологическая химия?
[ссылка на изображение]
Поздравляем! Вы только что завершили головокружительный тур по миру химии, сведенный в один быстрый и безболезненный урок — самый короткий курс химии в мире! Да, мы упустили много деталей, наиболее важные из которых вы узнаете через несколько месяцев счастливого открытия.Но если вы будете иметь в виду глобальную иерархию состава / структуры, свойств веществ и изменений (равновесия и динамики), которую мы разработали как с макроскопической, так и с микроскопической точки зрения, вам будет намного проще собирать детали по мере их знакомства. и увидеть, как они вписываются в общую картину.
Что вы должны уметь
Убедитесь, что вы полностью понимаете следующие основные концепции, представленные выше.
Различают по химии и по физике ;
Предложите способы, которыми области техники, экономики и геологии связаны с химией;
Определите следующие термины и классифицируйте их как микроскопические или макроскопические концепции: элемент, атом, соединение, молекула, формула, структура.
Две основные концепции, которые управляют химическими изменениями, — это энергетика и динамика .Какие аспекты химических изменений описывает каждая из этих областей?
Концептуальная карта
Что для вас сделала химия?
Для многих химия — это чуждое понятие, принадлежащее миру академических кругов и учебников, имеющее мало отношения к нашей повседневной жизни. На самом деле, вам будет сложно найти аспект вашей повседневной жизни, на который химические исследования не повлияют напрямую.
Химия — это изучение молекул: строительных блоков материи. Он занимает центральное место в нашем существовании и ведет наши исследования человеческого тела, Земли, продуктов питания, материалов, энергии, а также всего и везде между ними. Химическая промышленность, поддерживаемая химическими исследованиями, во многом способствует нашему экономическому прогрессу и обеспечивает благосостояние и процветание для общества. В Австралии в химической промышленности занято 60 000 человек, и она вносит в наш ВВП около 11,6 миллиардов долларов ежегодно.
Далее следует краткий снимок — лишь небольшая выборка — основных открытий в химии, которые помогли сформировать наш образ жизни. От первых работ по металлу в медном веке в 5000 году до нашей эры до цифровой эры и новых передовых технологий сегодня, таких как нанонаука и биотехнология, химики чаще всего были движущей силой прогресса в нашем мире. уровень жизни.
Металлы
Химическая теория развивалась задолго до того, как «химик» стал возможным выбором профессии.Явление огня было одним из первых чудес, которые человечество стремилось понять, а использование огня привело к изучению металлов и манипуляциям с ними. Это восходит к 5000 году до нашей эры, когда впервые была обнаружена медь, которая заменила камень в качестве материала для изготовления инструментов. Он был получен с помощью процесса, называемого плавка , и считалось, что он также произвел первое стекло в качестве побочного продукта.
Бронзовый век наступил, когда было обнаружено, что медь может быть объединена с оловом для получения более твердого металла — как вы уже догадались, бронзы.Это был первый сплав когда-либо производились и привели к более сильному оружию и инструментам. Торговля этими инструментами способствовала обмену технологиями и знаниями между ранними цивилизациями. Железный век, наступивший примерно в 1200 г. до н.э., стал свидетелем роста преобладания железа как основного металла для изготовления режущих инструментов и оружия. Железо как материал эволюционировало медленнее, потому что для обработки металла требовались более высокие температуры. Этот сдвиг привел к изменению методов плавки, совершенствованию печных технологий, а также развитию ковка , в отличие от Кастинг техники, использовавшиеся в бронзовом веке.
Открытие бронзы (сплава, созданного при соединении меди с оловом) привело к созданию более прочного оружия и инструментов в бронзовом веке. Источник изображения: Национальный музей Кореи, Сеул / Wikimedia Commons.
Материалы и производство
Железный век также стал свидетелем развития многих основных элементов городского развития, с которыми мы знакомы сегодня, таких как цемент, строительные растворы и битум.В этот период население крупных городов становилось все более урбанизированным, что привело к строительству первых надлежащих дорог.
Около 500 лет назад химия стала серьезным занятием. Идентифицировались элементы, отличные от встречающихся в природе металлов, и изучались их свойства, хотя они все еще не были полностью изучены. Люди еще не очень хорошо понимали фундаментальную науку, которая определяет свойства материалов, и было неясно, сколько существует различных базовых или элементарных строительных блоков.
Еще одним важным событием стало развитие вулканизированная резина , в 1843 году Чарльзом Гудиером. Это привело к пневматический шины и положили начало производству полимеров и пластмасс, которые позже произвели революцию в производстве товаров для дома. Открытие Альфредом Нобелем динамита в 1867 году и более совершенных взрывчатых веществ позже привело к быстрому расширению горнодобывающей промышленности как средства добычи руд и минералов.
Изобретение Чарльзом Гудиером вулканизированной резины в 1843 году положило начало производству полимеров и пластмасс.Источник изображения: Anthony / Flickr.
Синтез первого искусственного красителя, пурпурного цвета, позже названного мовеином, произошел в 1856 году. Это было случайное открытие, сделанное 18-летним Уильямом Перкином, который на самом деле пытался создать искусственный хинин. Исторически сложилось так, что синие и пурпурные пигменты были невероятно редкими, и мовен пользовался большим спросом. Его развитие привело к дальнейшим исследованиям в области органической химии и производства соответствующих красок и пигментов. Некоторые из крупнейших мировых компаний в области органической химии сегодня были основаны примерно в это время из-за спроса на производство красителей.
Несмотря на растущее использование химических соединений, только в 1870 году Дмитрий Менделеев придумал систематический способ упорядочить все известные химические элементы в периодической таблице. Таблица основана на общих химических свойствах и тенденциях их поведения. Это краткий, насыщенный информацией каталог всех известных различных типов атомов, и он по-прежнему является важным инструментом для изучения химии сегодня.
Совсем недавно Гарольд Крото, Ричард Смолли, Джеймс Хит, Шон О’Брайен и Роберт Керл из Университета Райса сделали новое открытие, касающееся того, что, как мы думали, мы полностью поняли — они открыли новую форму углерода.Крото, Керл и Смолли позже были удостоены Нобелевской премии по химии 1996 года за открытие фуллеренов, совершенно нового расположения атомов углерода, образующих шарообразные структуры, похожие на клетки. Они были полезны при разработке материалов и могли иметь ряд биомедицинских приложений.
Эта область исследований также привела к разработке углеродных нанотрубок. Углеродные нанотрубки используются для создания сверхпрочных и легких материалов, например, для использования в самолетах.
Волокнистый материал из углеродных нанотрубок.Диаметр каждой нанотрубки более чем в тысячу раз меньше диаметра человеческого волоса. Источник изображения: Кристиан Хоккер, инженер Кембриджа / Flickr.
Другой формой углерода, обладающей уникальными свойствами, является графен. Графен представляет собой лист, состоящий из одного слоя атомов углерода, и хотя один слой атомов может казаться чрезвычайно хрупким, на самом деле он чрезвычайно прочный, в 200 раз прочнее стали, сверхлегкий, гибкий и отличный проводник. Хотя ученые давно знали, что графит состоит из листов атомов углерода, только в 2004 году профессора Андре Гейм и Костя Новоселов смогли самостоятельно выделить один слой и сделать графен.Графен еще не так широко распространен в нашей повседневной жизни, как некоторые другие великие открытия в области химии — в данном случае это скорее вопрос: «Что графен сделает для вас в будущем?» Благодаря своим уникальным свойствам он имеет потенциал для имеют огромное влияние в нескольких областях, включая электронику, материалы, энергетические технологии и биомедицинские приложения.
Энергия
Один из ключевых вкладов, который область химии внесла в наше растущее общество, — это способность использовать и хранить электрическую энергию — электричество.Электричество долгое время было предметом интеллектуального любопытства, и этот феномен стал более понятным благодаря экспериментам химиков и физиков.
Традиционное производство энергии за счет сжигания и термодинамики ископаемого топлива привело к промышленной революции. Этот бум в промышленности с середины 1700-х до 1800-х годов был эпохой роста, когда инженеры-химики выходили на первый план, чтобы масштабировать и индустриализировать процессы производства. Именно в это время были разработаны многие практические применения химии, на которые мы полагаемся сегодня.
Батареи, от которых зависят многие наши устройства, поддерживаются химической реакцией, в результате которой образуется электричество. Первую электрическую батарею создал Алессандро Вольта, который доказал, что электричество течет по проводам, прикрепленным к разным металлам, а используемые типы металлов влияют на напряжение. Термин «вольт» как мера электрического потенциала назван в честь него. Хотя современные батареи намного сложнее, чем во времена Вольты, наблюдается возобновление интереса к дальнейшему продвижению этой жизненно важной химической технологии, чтобы можно было хранить устойчивую энергию, производимую солнечными элементами или ветровой энергией.
Продовольствие и сельское хозяйство
Комплексные технологии используются в современном пищевом производстве. От почвоведения до анализа питания, от испытаний на безопасность до упаковки и консервирования пищевых продуктов — задействованные химические процессы обширны и часто не получают должного внимания. Например, если бы не охлаждение, наши системы распределения продуктов питания были бы ограничены, а хранение — недолговечным.Первые системы охлаждения были разработаны в 1874 году. В них использовался диметиловый эфир, но вскоре появились системы на основе аммиака, которые до сих пор используются в промышленных холодильниках.
Аммиак также является неотъемлемой химической инновацией для производства продуктов питания, в основном из-за его использования в производстве удобрений. Действительно, по оценкам, около 1 процента мировой энергии используется для производства аммиака. Повышение продуктивности наших систем выращивания продуктов питания стало необходимым из-за совокупного давления роста населения, изменения климата и нехватки воды.Если бы не процесс Габера-Боша, наше нынешнее сельскохозяйственное производство было бы неустойчивым. Впервые он был разработан в 1909 году и позволяет эффективно производить крупномасштабное производство аммиака (NH ₃) путем взаимодействия атмосферного азота (N ₂) с водородом (H ₂) при высокой температуре и давлении. Это привело к легкодоступному пути к производству удобрений и привело к четырехкратному увеличению продуктивности сельского хозяйства. Открытие пестицидов и гербицидов еще больше повысило урожайность сельскохозяйственных культур, ключевыми соединениями которых являются ДДТ и глифосат.Сегодня около 40–60 процентов урожайности мирового сельского хозяйства зависит от искусственных удобрений.
Химические процессы, особенно те, которые связаны с созданием удобрений, необходимы для современного производства продуктов питания. Источник изображения: Андреас Коллморген / Flickr.
Человеческое население во всем мире полагается на химию для обеспечения безопасных запасов чистой воды. Переработка будет иметь важное значение для сохранения этого ресурса в будущем. Здесь, в Австралии, засуха вынудила нас за последнее десятилетие сократить потребление воды и пересмотреть нашу зависимость от плотин и водохранилищ и подумать об альтернативных источниках воды.Уже есть три крупных завода по опреснению воды в Сиднее, Мельбурне и Перте. Без этого развития химического машиностроения страны, включая Саудовскую Аравию, Кувейт, Объединенные Арабские Эмираты, Бахрейн и Ливию, скорее всего, не имели бы достаточно пригодной для использования воды, чтобы поддерживать свое нынешнее население. Эффективное управление ресурсами становится все более важным, поскольку мы сталкиваемся с экологической неопределенностью, когда химия играет решающую роль в потенциальных решениях.
Здоровье
Современное здравоохранение основано на многих важных достижениях в области химии.Сюда входит разработка новых фармацевтических препаратов, диагностических инструментов и улучшенного диагностического оборудования, такого как рентгеновские аппараты, МРТ, тесты на рак и наборы для беременных. Аналитическая химия и судебная медицина имеют решающее значение для выявления ядов и токсинов в продуктах питания, растениях и животных, а также для отслеживания и идентификации неизвестных химических веществ и материалов.
Медицинская практика также резко изменилась по мере развития химических знаний. Открытие обезболивающих и анестетиков открыло совершенно новые возможности для практикующих врачей.Стало возможным продвинутое хирургическое вмешательство (а не простая ампутация). Такие соединения как оксид азота (N ₂ O), или веселящий газ, стали популярными, и незначительные хирургические вмешательства и стоматологическая работа стали немного менее рискованными, хотя инфекция по-прежнему оставалась серьезной проблемой. Здесь на помощь (снова!) Пришла химия с первыми антисептиками. В 1867 году Джозеф Листер представил карболовую кислоту в качестве антисептика для очистки хирургических ран. Смертность в его хирургии снизилась с 45,7% до 15%.
Прорыв в химических процессах привел к открытию анестетиков, что сделало возможным продвинутую хирургию. Источник изображения: Медиаархив Королевского военно-морского флота / Flickr.
Еще на этом фронте, но несколько позже, Александр Флеминг в 1928 году открыл первый антибиотик, пенициллин. Это открытие открыло новую эру в борьбе с болезнями, передаваемыми бактериями. Однако только в 1940-х годах, когда Ховард Флори, ученый из Аделаиды, начал производить пенициллин в больших масштабах, он стал широко применяться.Его работа позволила легко вылечить инфекцию, а также спасла миллионы жизней. Но микробы начали сопротивляться, а это значит, что наши дни просто излеченных инфекций могут скоро позади. В связи с постоянно растущей распространенностью устойчивости к противомикробным препаратам дальнейшая работа в этой области химии важна как никогда.
Мария Кюри была первой женщиной, получившей Нобелевскую премию, и первым человеком, получившим две Нобелевские премии, и по сей день является одной из двух обладателей двух в двух разных научных областях (физика и химия).Она является важным символом науки и, в частности, химии, поскольку ее работа по открытию радиоактивные элементы обеспечил основу для инноваций в области рентгеновской визуализации, ядерной энергетики и лучевой терапии.
В 1953 году Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон опубликовали структуру и механизмы ДНК, которые во многом основывались на работах Розалинды Франклин и Мориса Уилкинса. Крик, Уотсон и Уилкинс были удостоены Нобелевской премии по медицине 1962 года за это открытие, когда Розалинда Франклин, к сожалению, умерла от рака.С тех пор эта работа помогла объяснить, как болезни передаются из поколения в поколение, и объясняет другие загадки, например, почему мы похожи на своих родителей, как клетки функционируют на микроуровне и как развивается жизнь. Это был поворотный момент для академических исследований, который сформировал направление исследований в области лекарств и здоровья с толчком к персонализированной медицине.
Технологии
Одним из аспектов химических инноваций, который в значительной степени считается само собой разумеющимся, но сейчас является неотъемлемой частью повседневной жизни многих людей, являются экраны дисплеев в смартфонах, телевизорах и компьютерах.Эти устройства используют молекулы, известные как жидкие кристаллы, для управления светом и изображениями, что и дало им название — ЖК-экраны (жидкокристаллические дисплеи). Жидкие кристаллы возникают, когда вещество находится в промежуточном состоянии между твердым телом и жидкостью. Вместо одной точки плавления, описывающей переход от твердого тела к жидкости, жидкий кристалл имеет две — начальную температуру, при которой вещество плавится с образованием мутный жидкость, и четкая вторичная точка плавления, при которой эта мутная жидкость становится прозрачной.Между этими двумя точками находится жидкокристаллическое состояние.
ЖК-экраны используют молекулы, известные как жидкие кристаллы, для управления светом и изображениями. Источник изображения: e3Learning / Flickr.
Жидкие кристаллы обладают светомодулирующими свойствами и поэтому используются в экранах. Впервые они были обнаружены в 1888 году ботаником и химиком Фридрихом Рейнитцером, который наблюдал эффект холестерина, извлеченного из моркови. В ближайшее десятилетие ЖК-технологии, вероятно, будут вытеснены светодиодами.Светодиодные экраны более долговечны и потребляют меньше электроэнергии. Их влияние будет зависеть от дальнейших достижений в области материалов в области проводящих полимеров и наноматериалов, таких как квантовые точки, которые обеспечивают яркие живые цвета, необходимые для экранов дисплеев.
Вывод
Химия имеет далеко идущие последствия. Химия в значительной степени способствовала формированию общества в том виде, в каком мы его знаем; от разработки более прочных материалов для крупномасштабного строительства до того, какие косметические продукты вы используете каждый день.Общество извлекло огромную пользу из достижений в этой области, и несколько ключевых открытий, описанных здесь, представляют собой лишь небольшую часть химических инноваций, которые стимулировали развитие общества. Хотя открытия в химии оказали огромное влияние и по-прежнему обладают огромным потенциалом, нам также необходимо обеспечить их ответственное использование для обеспечения устойчивости в будущем.


Молекула, но не соединение — Озон, O ₃, является , а не соединением, потому что оно содержит только один элемент.	Эта хорошо известная молекула представляет собой соединение , поскольку содержит более одного элемента. [ссылка]	Обычная твердая соль — это соединение, но не молекула . Он построен из взаимопроникающих решеток ионов натрия и хлора, которые растягиваются бесконечно.