Химия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

В Википедии есть портал
«Химия»

Хи́мия — наука о химических элементах, их соединениях и превращениях, происходящих в результате химических реакций. Поскольку все вещества состоят из атомов, которые благодаря химическим связям способны формировать молекулы, то химия занимается в основном изучением взаимодействий между атомами и молекулами, полученными в результате таких взаимодействий.

[править] История химии

Основная статья: История химии

Зачатки химии возникли ещё со времён появления человека разумного. Поскольку человек всегда так или иначе имел дело с химическими веществами, то 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. Вначале человек использовал биологические процессы, такие как брожение, гниение, но с освоением огня начал использовать процессы горения, спекания, сплавления. Использовались окислительно-восстановительные реакции, не протекающие в живой природе — например, восстановление металлов из их соединений.

Основы химических ремёсел были заложены в Древнем Египте. Такие ремёсла, как металлургия, керамика, стеклоделие, крашение, парфюмерия, косметика, достигли значительного развития ещё до начала нашей эры. Например, 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, но 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.

Известно, что в Египте уже в 3000 году до н. э. умели получать медь из её соединений, используя 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. Например, в Китае с XXII века до н. э. существовала теория об основных элементах (вода, огонь, дерево, золото, земля). 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 определенных соединений (молекул), которые в свою очередь состоят из неделимых элементов (атомов).

В V веке до н. э. Эмпедокл предложил считать основными элементами (стихиями) воду, огонь, воздух и 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.

[править] Алхимия

В IV—III веках до н. э. в Азии определилась наука алхимия, в которой соединились философские представления и ремесленные навыки того времени, а также магические и мистические представления. Были найдены новые элементы, такие как ртуть, сера, фосфор, охарактеризованы многие соли, уже были известны и использовались кислота HNO₃ и щёлочь NaOH. Известными алхимиками того времени были Джабир ибн Хайян (Гебер), Ибн Сина (Авиценна) и Абу-ар-Рази.

Алхимики в поисках философского камня

В VII веке н. э. алхимия проникла в Европу. В то время особой популярностью пользовались предметы роскоши, а в особенности золото, поскольку именно они служили в основном для торговли с Азией. Алхимиков интересовал способ получения золота из других веществ, также стояла проблема обработки металлов, то есть, практические аспекты. Вместе с тем арабская алхимия стала отдаляться от практики и утратила популярность. Из-за особенностей производства и распространения знаний (только от отца к сыну) алхимия развивалась очень медленно. Наиболее известными европейскими алхимиками считаются Роджер Бэкон и Раймонд Луллий. Только в 16 веке, из-за необходимости развития металлургии (Агрикола) и медицины (Парацельс) был сделан скачок в этой науке

[править] Химия, как наука

Химия как наука определилась в XVI—XVII веках, после ряда научных открытий, обосновавших механистическую картину мира, развития промышленности, создания фабрик, 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».

[править] Тепло и флогистон. Газы

В XVI—XVII веке Шталь сформулировал теорию флогистона — вещества, удаляющегося из материалов при их горении. Флогистон и представлял собой видимое пламя. В 1748 году Михаил Васильевич Ломоносов открыл закон сохранения вещества и объяснил горение вещества как процесс окисления его воздухом. В 1754 году Блэк повторно открыл углекислый газ, Пристли в 1774 — кислород, а Кавендиш в 1766 — водород.

В 1770—1790 годах Лавуазье химически объяснил процессы горения, окисления и дыхания, доказал, 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.

[править] Реинкарнация атомарной теории вещества

В 1811 году Авогадро и Канниццарро создали гипотезу о том, что молекулы простых газов состоят из двух одинаковых атомов.

Дмитрий Иванович Менделеев

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

[править] Радиоактивность и спектры

Важную роль в познании структуры вещества сыграли открытия ХIХ века. Исследование тонкой структуры эмиссионных спектров и спектров поглошения натолкнуло ученых на мысль о их связи со строением атомов веществ. Открытие радиоактивности показало, что некоторые атомы нестабильны, имеют изотопы и могут самопроизвольно превращаться в новые атомы (радон - "эманация").

[править] Квантовая химия

[править] Основные понятия

[править] Элементарная частица

Основная статья: 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).

[править] Атом

Основная статья: 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.

[править] Молекула

Основная статья: Молекула

Частица, состоящая из двух или более атомов, которая может самостоятельно существовать. Имеет постоянный качественный и количественный состав. Её свойства зависят от атомов, входящих в её состав, и от характера связей между ними, и от их 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.

[править] Вещество

Основная статья: Вещество

Это форма материи, обладающая массой покоя. Состоит из элементарных частиц: электронов, протонов, нейтронов и т. д. Химия изучает большей частью вещества, организованные в атомы, молекулы, ионы и радикалы. Вещества принято разделять на простые (состоящие из одного химического элемента) и сложные (образованы несколькими химическими элементами).

[править] Ион

Основная статья: Ион

Это заряженная частица, атом или молекула, которая имеет неодинаковое количество протонов и электронов. Если у частицы больше электронов, чем протонов, то она заряжена отрицательно и называется анион. Например — Cl^-. Если в частице электронов меньше, чем протонов, значит, она заряжена положительно и называется катион. Например — Na⁺.

[править] Радикал

Основная статья: Радикал

Это частица (атом или молекула), содержащая один или несколько неспаренных электронов. В большинстве случаев химическая связь образуется при участии двух электронов. Частица, имеющая неспаренный электрон, очень активна и легко образует связи с другими частицами. Поэтому время жизни радикала в среде, как правило, очень мало.

См.также о свободных радикалах при радиолизе в радиобиологии.

[править] Химическая связь

Основная статья: Химическая связь

удерживает атомы или группы атомов друг около друга. Различают несколько видов химической связи: ионную, ковалентную (полярную и неполярную), металлическую, водородную и другие.

[править] Периодический закон

Основная статья: Периодический закон

Открыт Д. И. Менделеевым 1 марта 1869 года. Современная формулировка: Свойства элементов, а также образуемых ими соединений находятся в периодической зависимости от зарядов ядер их атомов.

[править] Химическая реакция

Основная статья: Химическая реакция

Это процесс изменения структуры молекулы. В результате реакции количество атомов в молекуле может увеличиваться (синтез), уменьшаться (разложение) или оставаться постоянным (изомеризация, перегруппировка). В ходе реакции изменяются связи между атомами и порядок размещения атомов в молекулах.

[править] Номенклатура

Основная статья: Химическая номенклатура

Это свод правил наименования химических соединений. Поскольку общее число известных соединений больше 20 млн, и их число принципиально неограниченно, необходимо пользоваться чёткими правилами при их наименовании, чтобы по названию можно было воспроизвести их структуру. Существует несколько вариантов наименования органических и неорганических соединений, но стандартом считается номенклатура IUPAC.