Наука химия и ее предмет

Грани между различными разделами химии размыты. Невозможно провести границу между неорганической и органической химией, поскольку обе науки изучают соединения углерода. Широко используется введение органических фрагментов с состав неорганических веществ и различных химических элементов, в том числе металлов – в состав органических. Аналитическая химия широко применяет различные физико-химические методы. В то же время существование физической химии невозможно без объектов неорганической и органической химии.

2. Основные принципы химического взаимодействия

Химия тесно связана как с другими науками, так и со всеми отраслями народного хозяйства. Качественная особенность химической формы движения материи и её переходов в др. формы движения обусловливает разносторонность химической науки и её связей с областями знания, изучающими и более низшие, и более высшие формы движения. Познание химической формы движения материи обогащает общее учение о развитии природы, эволюции вещества во Вселенной, содействует становлению целостной материалистической картины мира. Соприкосновение химии с другими науками порождает специфические области взаимного их проникновения. Так, области перехода между химией и физикой представлены физической химией и химической физикой. Между химией и биологией, химией и геологией возникли особые пограничные области — геохимия, биохимия, биогеохимия, молекулярная биология. Важнейшие законы химии формулируются на математическом языке, и теоретическая химия не может развиваться без математики. Химия оказывала и оказывает влияние на развитие философии и сама испытывала и испытывает её влияние. Все больше стираются границы и между химией и другими естественными науками.

Биохимия – биологическая химия – изучает химический состав и структуру веществ, содержащихся в живых организмах; пути и способы регуляции их превращений; энергетическое обеспечение процессов, происходящих в клетке и в организме. Становление биохимии как науки произошло на рубеже 19 и 20 веков, хотя истоки биохимических знаний обнаружены еще в трудах ученых античного периода, а первые сведения о составе растительных и животных тканей начали появляться в средние века. В наши дни из биохимии уже выделились биоорганическая и бионеорганическая химия.

В начале 20 века химик, минералог и кристаллограф Владимир Иванович Вернадский (1863–1945) разработал основы геохимии – науки о распространенности и миграции химических элементов на Земле. С одной стороны, геохимия широко использует достижения физики и химии, новейшие методы анализа и представления о строении вещества, с другой – огромный материал, накопленный геологическими науками, в частности, минералогией.

Наряду с физической химией возникла химическая физика, изучающая физические законы, которые управляют строением и превращениями химических веществ.

В ходе эволюции химии образовалась новая инженерная отрасль – химическая технология. Эта наука разрабатывает наиболее экономичные и экологически целесообразные методы и средства химической переработки сырых природных материалов в продукты потребления.

Расширение и углубление математических методов в химии позволяет говорить о формировании математической химии. Ее возникновение предсказал еще Ломоносов, назвавший одну из своих книг "Элементы математической химии".

3. Важнейшие особенности и направления современной химии

Современная химия – это фундаментальная система знаний, основанная на богатом экспериментальном материале и теоретических положениях. Химия занимает особое место среди естественных наук. Она имеет поразительную созидательную силу. На сегодняшний день известно более 20 миллионов химических веществ. Часть из них встречается в природе. Однако большинство химических веществ ранее вообще не существовало. Они были получены человеком в химических лабораториях. В этом состоит уникальность химии: она не довольствуется тем, что дано природой, а постоянно создает для себя все новые и новые объекты исследований.

Каждое из химических веществ имеет свое внутреннее строение и может претерпевать разнообразные превращения, то есть вступать в химические реакции. Эти два аспекта взаимосвязаны. Внутреннее строение определяет химические свойства, а по химическим свойствам можно судить о строении вещества. В то же время невозможно одновременно исследовать и строение и химические свойства вещества, поскольку в ходе химической реакции структура вещества неизбежно изменяется. Изучение строения и реакционной способности химических веществ, создание веществ и материалов с заранее заданными свойствами – основные задачи химической науки.

Особенности развития химии в 20 веке во многом обусловлены достижениями физики в конце 19 века. Открытие рентгеновских лучей, радиоактивности, электрона и развитие квантовой теории привели к открытию радиоактивных элементов, новым представлениям о строении атома и природе химической связи. В 20 веке было синтезировано 23 новых химических элемента, не найденных в природе, в том числе находящихся в Периодической системе после урана.

Дальнейшее развитие получил органический синтез. Во второй половине 20 века искусственным путем были получены такие сложные природные вещества как хлорофилл и инсулин. Современная химия стала величайшей "производительной силой". Это выражается не только в многотоннажном производстве разнообразных химических продуктов. Стремительно растет число новых химических соединений, главным образом, органических.

Еженедельно в мире синтезируется не менее 10 тысяч новых веществ. Естественно, лишь немногие из них вызывают интерес и находят практическое применение, но ведь никто не знает, какое именно вещество понадобится завтра. Так что классическое определение химии может быть расширено: химики не только изучают вещества и их превращения, но и постоянное получают новые, ранее неизвестные. Постоянно разрабатываются новые химические материалы, необходимые для современной промышленности, техники, медицины и других сфер человеческой деятельности.

В аналитической химии широко стали использоваться физико-химические и физические методы. Физические методы изучения веществ и воздействия на них получили применение и в других областях химии. Это привело к формированию новых важных направлений химии, например, радиационной химии, плазмохимии. Химия экстремальных воздействий играет большую роль в получении новых материалов, например для электроники, или давно известных ценных материалов, например алмазов, сравнительно дешевым синтетическим путем.

Проникнув в механизмы химических реакций и особенности строения химических соединений, исследователи вплотную подошли к решению проблемы целенаправленного получения химических веществ и материалов, имеющих те или иные полезные свойства.

Химия тесно связана с экологией – наукой об отношениях растительных и животных организмов и их сообществ между собой и окружающей средой, поскольку и сами живые организмы, и окружающая их среды состоят из химических веществ.

В наше время заметно усилилось влияние человека на природную среду. Это привело к тому, что во второй половине 19 века перед человечеством встала проблема, с которой оно никогда не сталкивалось. Производственная деятельность достигла такого уровня, что стала сильно сказываться на состоянии окружающей среды. Возникла реальная угроза для здоровья не только существующего населения, но и будущих поколений, а при наиболее неблагоприятном развитии – для жизни на Земле.

Одной из проблем, имеющих глобальный характер, стало возрастание содержание диоксида углерода в атмосфере в связи с деятельностью человека. Наиболее существенная его часть образуется при сжигании топлива для получения различных видов энергии. Кроме того, деятельность человека привела к заметному истреблению растений, которые усваивают диоксид углерода в процессе фотосинтеза. Небольшой рост концентрации диоксида углерода в атмосфере не представляет опасности для жизни человека, но вызывает повышение температуры воздуха благодаря парниковому эффекту. Это может привести к глобальным изменениям климата.

Отходы предприятий и транспорта существенно нарушают природные атмосферные процессы в индустриальных районах. Следствием выбросов оксидов серы и азота является образование кислотных дождей, которые выпадают на поверхность Земли не только в окрестностях промышленных предприятий, но и в соседних с ними районах.

В крупных городах и промышленных центрах обычным явлением стало образование смога, в состав которого входят дым, туман, пыль и различные вредные для здоровья газообразные вещества.

Чтобы предотвратить ухудшение состояния атмосферы необходимо сокращать газовые и пылевые выбросы промышленных предприятий и других загрязнителей атмосферы либо предварительно удалять из них вредные вещества. Для этого используются различные химические процессы: нейтрализация, окисление, восстановление. В частности, на пути выхлопных газов автомобиля устанавливают каталитические конверторы, способствующие превращению вредных веществ в менее опасные продукты.

Безусловно, затраты на очистку выхлопных газов и дымовых выбросов вызывает удорожание товаров и энергии, однако загрязнение воздуха также приводит к расходам, связанным с разрушением конструкций и ухудшением здоровья людей. Так что за право дышать чистым воздухом человечеству приходится платить немалую цену.

То же самое относится к питьевой воде. Запасы природных вод огромны, но для питья пригодна лишь ничтожная часть имеющейся на Земле воды. Без специальной обработки использовать для питья можно только воду из глубинных источников. Во всех других случаях для того, чтобы использовать природную воду в качестве питьевой, ее приходится предварительно очищать. Для очистки воды обязательно используют химические методы.

Чтобы выжить, человеку требуется около полутора литров воды в сутки. Однако каждый горожанин ежесуточно расходует на бытовые нужды до 600 литров воды. В общей сложности на производственные и бытовые нужды используется около 10 процентов общего объема речных вод. Взамен в природные водоемы поступает огромное количество бытовых, промышленных и сельскохозяйственных стоков. Загрязнение природных вод несет опасность для жизни на Земле, поэтому нельзя допускать сброса неочищенных сточных вод. Технология очистки сточных вод включает различные биохимические и химические процессы.

На ранних этапах истории человечества деятельность людей почти не затрагивала глубины Земли. Но с началом бурного развития промышленности человеку стало требоваться все больше и больше химических веществ, добываемых из земных недр.

Добыча и переработка полезных ископаемых оказывает существенное воздействие на природу. В открытых горных выработках образуется много пыли, загрязняющей окрестности. Откачка воды из подземных выработок и карьеров приводит к образованию пустот. Многие горноперерабатывающие заводы сбрасывают в реки недостаточно очищенные стоки, что ведет к загрязнению природных вод. В окружающую среду попадают вредные вещества из отвалов этих предприятий. Немало опасных веществ рассеивается при транспортировке руд и продуктов их переработки.

Загрязнение окружающей среды в результате добычи и переработки полезных ископаемых можно уменьшить, если использовать более совершенные технологии, в том числе и химические способы обогащения и переработки природного сырья. Другой путь решения этой проблемы – уменьшение добычи полезных ископаемых за счет более рационального использования химических веществ и материалов.

Нашу планету нередко сравнивают с космическим кораблем, на борту которого имеется определенных запас различных материалов и продуктов. Но этого запаса может оказаться недостаточно для долгого путешествия.

Некоторые ресурсы, например, свежий воздух, плодородная почва, растения и животные сравнительно быстро могут возобновляться. Если не вмешиваться слишком активно в эти процессы, природа почти всегда сможет восполнить израсходованные запасы. Нужно лишь следить за тем, чтобы ресурсы расходовались не быстрее, чем они могут образовываться в ходе естественных процессов.

В отличие от возобновляемых ресурсов, полезные ископаемые не могут образовываться так же быстро. Невозобновляемые ресурсы могут быть полностью израсходованы. Это означает не исчезновение тех или иных химических элементов, а распыление их по планете и превращение в такие химические формы, из которых экономически невыгодно или даже просто невозможно вновь получить полезные вещества и материалы.

Некоторые химические вещества и материалы уже сейчас пытаются заменить другими, имеющими аналогичные свойства, но взятыми из возобновляемых ресурсов. Например, вместо нефтепродуктов в качестве топлива предлагают использовать продукты переработки древесины.

Отработанные материалы можно не отправлять в отходы, а химически перерабатывать и использовать вторично. Экономически выгодно, например, производство дешевой бумаги из макулатуры, металлов из металлолома. Многие отходы производства и потребления после химической переработки целесообразно использовать как исходное сырье для других отраслей промышленности.

Главной перспективой развития современной индустрии должно стать создание безотходных и малоотходных производств. Только так можно уменьшить нагрузку на окружающую среду и сберечь природные ресурсы. Большую роль в решении этой задачи должна сыграть химия.

Наиболее динамично развивающейся отраслью промышленности является энергетика. Она же в наибольшей степени загрязняет окружающую среду.

Большая часть энергетических ресурсов нашей планеты образовалась в результате разнообразных химических реакций. Энергия, заключенная в веществах – это энергия химических связей. Вся энергия, используемая живыми существами, имеет солнечное происхождение. Реакции образования органических веществ из неорганических в процессе фотосинтеза идут с поглощением энергии. Запасенная солнечная энергия может быть использована при сжигании органических веществ или образованных из них полезных ископаемых подобно тому, как при распрямлении пружины освобождается запасенная механическая энергия.