Современная классификация веществ

	Вещества
Гетерогенные смеси вода и масло	Физические методы разделения	Гомогенные вещества вода и NaCl
	Растворы вода и NaCl	Физические методы разделения	Чистые вещества H2O
		Химические соединения H2O	Химические реакции	Элементы H2 и О2

Прикладной вопрос химии соединений – это разработка новых химических технологий, синтез новых веществ:

Например, фторуглероды – новые органические вещества, устойчивые в агрессивных средах (кислотах, щелочах) и обладающие особой поверхностной активностью (способны поглощать кислород и перекиси). Из фторуглеродов сейчас изготавливают сердечные клапаны и кровеносные сосуды человека.

3. Проблемы структуры химического соединения

Сейчас существует особое направление – структурная химия. В её задачи входит создание структурных формул любых химических соединений и разработка возможностей для целенаправленного качественного преобразования веществ, для создания схемы синтеза любого химического соединения.

Развитие этого направления в химии тесно связано с именем русского химика Александра Михайловича Бутлерова. Его теория позволяла строить структурные формулы любого химического соединения, т.к. показывала взаимное влияние атомов в составе молекулы. Эта теория стала для химиков практическим руководством по синтезу органических веществ. → Химия из аналитической науки (изучала состав готовых веществ) стала наукой синтетической (способной создавать новые вещества).

Эта теория наглядно показала валентность химических элементов, как число единиц сродства, присущих атому → можно комбинировать атомы ХЭ, учитывая их единицы сродства → появилась возможность создавать структурные формулы любых химических соединений:

Н Н Н

Н – С – С – С – О – Н (С₃Н₇ОН – пропанол)

Н Н Н

Появилось понятие изомерии – т.е. существование веществ, имеющих один и тот же качественный и количественный состав, одинаковую молекулярную массу, но отличающихся друг от друга строением, а следовательно и свойствами.

С₅Н₁₂ (пентан):

СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН₂ – СН₃, или СН₃ – СН – СН₂ – СН₃

СН₃

Как результат возникновения структурной химии – возник органический синтез (60-е – 80-е гг. 19 века). Сейчас – большая часть лекарственных препаратов – это продукты органического синтеза.

Исследования в области современной структурной химии идут по двум направлениям:

· Синтез кристаллов с максимальным приближением к идеальной решетке → получение материалов с высокими техническими показателями (прочностью, устойчивостью, долговечностью).

Сложность – для выращивания таких кристаллов необходимо исключить воздействие всех внешних факторов (даже земного притяжения) → такие кристаллы выращивают на орбитальных станциях в космосе;

· Создание кристаллов с заранее запрограммированными дефектами → производство материалов с заданными электрическими, магнитными и другими свойствами, которые основываются на этих дефектах.

Сложность – вместе с запрограммированными дефектами обычно появляются и нежелательные.

4. Проблемы химического процесса.

Эта проблема встала перед учеными - химиками после того как было доказано, что на способность химических веществ к взаимодействию могут влиять и условия протекания химических реакций.

Изучением химических процессов и условий их протекания занимались такие великие химики как Г.И. Гесс, Я. Вант-Гофф, Ле-Шателье и др. Одним из основоположников учения о химических процессах стал и русский химик Николай Николаевич Семенов – лауреат Нобелевской премии 1965 г.

Условия, влияющие на ход химических реакций:

· Термодинамические условия (температура, давление и т.п.) – влияют на направленность химических процессов.

Каждая химическая реакция в принципе обратима, но на практике равновесие может смещаться в ту или иную сторону. Есть реакции, которые не требуют особых средств управления (реакции нейтрализации, реакции с образованием газообразного вещества или твердого осадка). Они протекают как прямые и необратимые реакции:

BaCl₂ + H₂SO₄ = BaSO₄ + 2HCl, или Na₂S + H₂SO₃ = Na₂SO₃ + H₂S

Но существуют реакции, равновесие которых смещено влево, к исходным веществам. И чтобы их осуществить, требуются особые термодинамические условия – увеличение температуры, давления и концентрации реагируемых веществ:

T t

H₂CO₃ + MgO = MgCO₃ + H₂O, или Ba(OH)₂ = BaO + H₂O

Термодинамическое воздействие влияет только на направление химического процесса, а не на его скорость.

· Кинетические условия ( строение исходных реагентов, их концентрация, наличие катализаторов или ингибиторов и т.п.) - влияют на скорость химических процессов.

В большинстве случаев на скорость химических реакций влияют катализаторы (ускоряют процесс) или ингибиторы (замедляют процесс). Сами эти вещества хотя и участвуют в реакции, но в конце ее выделяются в неизменном виде.

Например, реакция разложения бертолетовой соли, или взаимодействие аммиака с кислородом:

MnO₂ Pt

2KClO₃ = 2KCl + 3O₂, или 4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O

Суть катализа в том, что сначала:

Ø Реагирующие вещества вступают в контакт с катализатором, взаимодействуют с ним, в результате чего происходит ослабление химических связей;

Ø Затем происходит перераспределение ослабленных химических связей в результате чего получаются новые вещества, а катализатор выходит из реакции в таком же состояние, как и до неё;

Ø Следствием взаимодействия реагентов с катализатором является увеличение скорости реакции, так как на поверхности катализатора молекулы реагирующих веществ чаще встречаются.

На современном этапе в рамках учения о химических процессах разрабатывается целый ряд актуальных вопросов. Это

¨ Химия плазмы.

Изучает химические процессы в низкотемпературной плазме (плазма – это ионизированный газ). Такие реакции происходят с огромной скоростью (10^-13 сек) при температуре от 1000 до 10 000 ⁰С. Производительность плазмохимических процессов очень высока.

Сейчас химия плазмы внедряется и в промышленное производство – уже созданы плазменные сталеплавильные печи, позволяющие получать самые высококачественные металлы. Плазмохимия позволяет синтезировать новые ранее неизвестные материалы, такие как металлобетон, превосходящий по своим техническим качествам обычный бетон в десятки и сотни раз.

¨ Радиационная химия.

Изучает превращения самых разных веществ под воздействием ионизирующих излучений. Источниками этих излучений служат рентгеновские установки, ускорители заряженных частиц и ядерные реакторы. В результате радиационно-химических реакций вещества получают повышенную термостойкость и твердость.

Наиболее важными направлениями радиационно-химической технологии являются полимеризация, вулканизация, производство композиционных материалов (полимербетон – в 4 раза более прочный, водонепроницаемый, устойчив к коррозии).

¨ Химия высоких давлений и температур.

Основная цель этого направления – высокотемпературный синтез тугоплавких и керамических материалов. Это производство основано на реакциях горения одного металла в другом, или металла в азоте, углероде и т.п.

Горение – это реакция окисления. Горение возможно не только в кислороде, но и в других окислителях. Таким образом, происходит горение порошка титана в порошке бора, или порошка циркония в порошке кремния. В результате таких реакций получают тугоплавкие соединения самого высокого качества.

5. Проблемы эволюционной химии.

До 50 – 60-х годов ХХ века об эволюционной химии еще ничего не было известно. Химиков вопрос о происхождении вещества не волновал, т.к. получение любого нового химического соединения было делом рук и разума человека. Молекулу нового вещества можно построить по законам структурной химии из атомов, как здание из кирпичей.

Возникновению эволюционной химии способствовали исследования в области биокатализаторов (химия ферментов). В этом случае искусственный выбор катализаторов ориентировался на естественную, происходящую в природе эволюцию от неорганических веществ к живым системам.

Сейчас эволюционная химия решает проблемы самопроизвольного ( без участия человека ) синтеза новых химических соединений, являющихся более высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами.

Эволюционная химия – это наука о самоорганизации и саморазвитии

химических систем.

В процессе самоорганизации живых систем происходил определенный отбор химических элементов:

· Из всех химических элементов на Земле наиболее распространены О и Н, а в космосе Н и Не.

· В настоящее время насчитывается около 8 млн. химических соединений. Из них 96% - органические. Они состоят из 6 - 18 элементов.

Из остальных 95 элементов природа создала только 300 тыс. неорганических соединений.

· Основу всех органических соединений, а следовательно, и всех живых систем составляют 6 элементов (органогенов). Это C, H, O, N, P и S. Их общая доля в организме – более 97%.

· За ними следуют 11 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важных компонентов биосистем. Это Na, K, Ca, Mg, Fe, Si, Al, Cl, Cu, Zn и Co. Их общая доля в организме – 1,6%.

· Еще 20 элементов участвуют в построении и функционировании отдельных узкоспециализированных биосистем. Их суммарная доля – 1%.

· Все остальные элементы в построении биосистем практически не участвуют.

Определяющими критериями в отборе химических элементов при формировании биологических систем являются:

Ø Способность образовывать прочные и энергоёмкие химические связи;

Ø Эти химические связи должны быть лабильны (т.е. способны к образованию новых разнообразных связей).

è Элемент № 1 – это углерод (С). Он лучше других элементов соответствует этим критериям.

В настоящее время все процессы, происходящие в живом организме можно изложить на языке химии, в виде конкретных химических процессов.