Предмет и задачи химии

Химия – это наука о строении веществ, их свойствах и взаимных превращениях.

Важнейшей задачей химии является изучение закономерностей протекания химических реакций, установление условий их осуществления, чтобы в дальнейшем научиться синтезировать новые вещества с заранее заданными свойствами и отсутствующими в окружающем нас мире.

Современная химия самым тесным образом взаимодействует со всеми другими областями естествознания. Так 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 физические исследования элементарных химических процессов и строения молекул, ее предметом являются отдельные частицы вещества.

На стыке химии и биологии успешно развивается биохимия – наука, изучающая химические основы жизнедеятельности животных и растительных клеток.

Перспективной областью химии является возникшая в последние десятилетия 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.

В современной жизни, особенно в производственной деятельности человека, химия играет исключительно важную роль. Нет почти ни одной отрасли производства, не связанной с применением химии. Природа дает нам лишь исходное сырье: древесину, руду, нефть, уголь и т.д. Подвергая природные материалы химической переработке, получают разнообразные вещества, необходимые для сельского хозяйства, промышленности, медицины, домашнего обихода: удобрения, металлы, пластические массы, краски, лекарственные препараты, моющие средства и т.д. Химия помогает создавать и использовать новые, не существующие в природе вещества и материалы.

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

Атомно-молекулярное учение

Создание атомно-молекулярного учения относится к концу XVIII – началу XIX в.в., т.е. к тому времени, когда в химию были введены количественные методы исследования. Огромный вклад в развитие этой теории внес русский ученый М.В. Ломоносов. В 1741 году в одной из своих работ он впервые сформулировал важнейшие положения созданной им так называемой корпускулярной теории строения вещества. Работы М.В. Ломоносова в дальнейшем были развиты многими западно-европейскими учеными: Лавуазье, Дальтоном, Прустом, Авогадро и другими.

В основе атомно-молекулярного учения лежит принцип дискретности (прерывности строения) вещества: всякое вещество не является чем-то сплошным, однородным, а состоит из отдельных, очень малых частиц. Различие между веществами обусловлено различием между их частицами.

В настоящее время основные положения этого учения формулируются следующим образом:

1. Все вещества состоят из молекул, а молекулы, в свою очередь, состоят из атомов.

Молекула – это наименьшая электронейтральная частица вещества, которая обладает его химическими свойствами. Она способна к самостоятельному существованию и состоит из одинаковых или различных атомов, соединенных в одно целое химическими связями.

Следует подчеркнуть, что всеми физическими свойствами вещества одна его молекула не обладает, т.к. многие из них: агрегатное состояние, плотность, температура кипения, плавления, теплопроводность и т.д. – присущи лишь совокупности молекул и зависят от характера взаимодействия между ними. Так, в част-ности, мы не можем сказать, в каком агрегатном состоянии нахо-дится одна молекула вещества и в соответствии с этим не можем определить ее температуру кипения или плавления.

Атом – это электронейтральная, химически неделимая частица, состоящая из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов.

Важнейшей характеристикой атома является заряд его ядра. Атомы с одинаковым зарядом ядра принадлежат к одному виду, который иначе называется химическим элементом. Атомы с различными зарядами ядер принадлежат к разным видам или к разным химическим элементам.

Электронейтральность атома может быть нарушена в результате потери им или присоединения одного либо нескольких электронов. Образующиеся при этом частицы будут иметь, соответственно, целочисленный положительный или отрицательный заряд и называться ионами.

Вещества, молекулы которых состоят из атомов одного вида, называются простыми, а вещества, молекулы которых состоят из атомов разных видов, называются сложными.

Атомы в молекулах связаны друг с другом посредством химических связей. Качественный и количественный состав вещества показывает, атомы какого вида и в каком числе (или в каком массовом соотношении) входят в его молекулу.

Есть, однако, целый ряд веществ немолекулярного строения. Это, главным образом, твердые вещества, имеющие ионную, металлическую или атомную кристаллическую решетку, в которой отдельные атомы или ионы, соединяясь друг с другом, образуют единый трехмерный агломерат, где нельзя выделить отдельную молекулу. В таких случаях условно считается, что для простых веществ с атомной или металлической кристаллической решеткой молекулы являются одноатомными.

Состав сложных веществ с атомной или ионной кристаллической решеткой выражают с помощью формул, которые показывают простейшее соотношение между числом атомов различных элементов или ионов, образующих эти вещества. Такие формулы называют иначе формульными единицами. Они и выполняют роль структурных единиц (молекул) для данных веществ. С помощью формульных единиц отображают составы металлов (K, Al, Zn, Au), солей (NaCl, AlBr₃, K₂CO₃), оснований (Bа(OH)₂, KOH, Al(OH)₃), оксидов металлов (CaO, Al₂O₃, Na₂O), некоторых неметаллов (алмаз, графит, кремний и др.), сложных веществ, имеющих атомную кристаллическую решетку (SiO₂, SiC).

2. Молекулы находятся в непрерывном тепловом движении, которое является мерой их внутренней энергии.

При этом в твердых веществах атомы, молекулы или ионы совершают только колебательные движения относительно некоторых равновесных положений, называемых узлами кристаллической решетки. Благодаря этому твердые вещества сохраняют свою форму, которую они получили в момент образования.

В жидкостях каждая молекула после некоторого числа колебаний в одном положении осуществляет скачок в соседнее положение, где также совершает некоторое число колебаний и т.д. В связи с этим жидкости текучи, не имеют определенной формы и всегда принимают форму сосуда, в котором находятся.

В газах молекулы совершают хаотическое движение по всему предоставленному им объему.

Таким образом, характер и скорость движения молекул в веществе зависят, в первую очередь, от его агрегатного состояния и определяются силами взаимного притяжения, которые возникают между атомами, молекулами или ионами. В наибольшей степени эти силы выражены в твердых телах, значительно слабее – в жидкостях. Это объясняется тем, что промежутки между отдельными частицами в этих веществах соизмеримы с размерами самих частиц: равны им или даже значительно меньше их (в твёрдых телах).

В газах расстояния между молекулами во много раз превосходят размеры самих молекул, вследствие чего силы межмолекулярного взаимодействия практически отсутствуют, поэтому скорость движения молекул будет определяться только запасами их внутренней энергии, которые в сильной мере зависят от температуры.

3. При физических явлениях состав молекул остается неизменным, меняется, как правило, только характер взаимодействия между ними. При химических явлениях молекулы претерпевают качественные и количественные изменения и из молекул одних веществ образуются молекулы других веществ.

Способность молекул вещества при соответствующих условиях трансформироваться в определенный набор других молекул и определяет совокупность его химических свойств.