Химию обычно рассматривают как науку о свойствах, составе и качественном превращении различных веществ. Свойства, которые при этом изучаются, принято называть химическими потому, что они характеризуют способность веществ участвовать во взаимодействии с другими веществами и вступать с ними в химические реакции. Состав же определяется теми компонентами, которые непосредственно реагируют с другими компонентами, так как в ходе реакции используются также другие вещества (катализаторы), которые после реакции не изменяются. Поскольку при химических реакциях происходят качественные изменения и превращения веществ, то одна из основных задач химии состоит в тщательном изучении этих реакций, а именно, в какой мере они зависят от состава реагирующих веществ и условий их протекания.
Уровни познания химических веществ. Несмотря на обилие эмпирического материала о свойствах различных веществ, особенностях протекания разнообразных реакций, в химии до открытия в 1869 г. Периодической системы химических элементов Дмитрием Ивановичем Менделеевым (1834-1907) не существовало объединяющей концепции, с помощью которой можно было бы объяснить весь накопленный фактический материал. Следовательно, невозможно было представить все наличное знание как систему теоретической химии.
Было бы, однако, неправильным не учитывать ту громадную исследовательскую работу, которая привела к утверждению системного взгляда на химические знания. Уже с первых шагов химики на интуитивном и эмпирическом уровнях поняли, что свойства простых веществ и химических соединений зависят от тех неизменных начал, которые впоследствии стали называть элементами. Выявление и анализ этих элементов, раскрытие связи между ними и свойствами веществ охватывает значительный период в истории химии, начиная от гипотезы Роберта Бойля (1627-1691) и кончая современными представлениями о химических элементах как разновидностях изотопов, т.е. атомов, обладающих одинаковым зарядом ядра и отличающихся по своей массе.
Этот первый концептуальный уровень можно назвать исследованием различных свойств и превращений веществ в зависимости от их химического состава, определяемого их элементами. Здесь мы видим поразительную аналогию с той концепцией атомизма, о которой шла речь в предыдущих главах. Химики, как и физики, искали ту первоначальную основу, с помощью которой можно было бы объяснить свойства всех простых и сложных веществ.
Второй концептуальный уровень познания связан с исследованием структуры, т.е. способа взаимодействия элементов в составе веществ и их соединений. Эксперимент и производственная практика убедительно доказывали, что свойства веществ, полученных в результате химических реакций, зависят не только от элементов, но и от взаимосвязи и взаимодействия этих элементов в процессе реакции. Именно поэтому в процессе познания и использования химических явлений необходимо было учитывать их структуру, т.е. особый характер взаимодействия составных элементов реагирующих веществ.
Третий уровень познания представляет собой исследование внутренних механизмов и условий протекания химических процессов, таких, как температура, давление, скорость протекания реакций и некоторые другие. Все эти факторы оказывают большое влияние на характер процессов и объем получаемых веществ, что имеет первостепенное значение для массового производства.
Наконец, четвертый концептуальный уровень является дальнейшим развитием предыдущего уровня, связанным с более глубоким изучением природы реагентов, участвующих в химических реакциях, а также применением катализаторов, значительно ускоряющих скорость их протекания. На этом уровне мы встречаемся также с простейшими явлениями самоорганизации, изучаемыми синергетикой.
Химической системой называется совокупность находящихся во взаимодействии веществ или частиц, мысленно или фактически обособленная от окружающей среды. Все, что находится вне системы, называется внешней средой. Различают гомогенные и гетерогенные системы. Гомогенные состоят из одной фазы, гетерогенные - из двух и более фаз. Фаза - это часть системы, однородная во всех ее точках по химическому составу и свойствам и отделенная от других фаз системы поверхностью раздела.
Исследуя изменение химических свойств элементов в зависимости от величины их относительной атомной массы (атомного веса), Д. И. Менделеев в 1869 г. открыл закон периодичности этих свойств: «Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел стоят в периодической зависимости от атомных весов элементов».
Великая заслуга Д. И. Менделеева состоит в том, что, открыв периодический закон, он заложил фундамент для построения подлинно научной системы химических знаний. В качестве системообразующего фактора, или "неизменного общего в изменяемом и частном", он выбрал атомную массу, или атомный вес. В соответствии с атомным весом он расположил химические элементы в систему и показал, что их свойства находятся в периодической зависимости от атомного веса. Более того, он предсказал существование неизвестных элементов, оставив для них пустые клетки в своей таблице. Впоследствии эти элементы были открыты химиками и свойства их оказались такими, какие предсказал Д. И. Менделеев.
Физическая основа периодического закона была установлена в 1922 г. Н. Бором. Поскольку химические свойства обусловлены строением электронных оболочек атома, периодическая система Менделеева – это естественная классификация элементов по электронным структурам их атомов. Простейшая основа такой классификации – число электронов в нейтральном атоме, которое равно заряду ядра. Но при образовании химической связи электроны могут перераспределяться между атомами, а заряд ядра остается неизменным, поэтому современная формулировка периодического закона гласит: «Свойства элементов находятся в периодической зависимости от зарядов ядер их атомов».
Таблица разделена на периоды, ряды, группы. Каждому химическому элементу предоставлено определённое место в ней. Каждый химический элемент имеет порядковый номер, атомную массу, название, химический символ.
Нанотехнология - комплекс методов, который позволяет создавать объекты наноразмеров (от 1 до 100 нм). «Нано» - одна миллиардная доля чего-либо. Один нанометр – миллиардная доля метра. 1нм = 0,000000001 м. Такие объекты имеют особые свойства. Именно эти свойства наноматериалов позволят использовать их для новейших научных достижений. Уже сейчас нанотехнологии - наиболее перспективное и финансируемое направление в мировой науке. Сферы применения нанотехнологий:
• Медицина: наносенсоры обеспечат прогресс в ранней диагностике заболеваний. С помощью нанотехнологий лекарство будет доставляться непосредственно в больную клетку.
• Строительство: нанодатчики строительных конструкций будут следить за их прочностью, обнаруживать любые угрозы целостности. Объекты, построенные с использованием нанотехнологий, смогут прослужить в пять раз дольше, чем современные сооружения.
• Энергетика: мы меньше будем зависеть от нефти и газа. У современных солнечных батарей КПД около 20%. С применением нанотехнологий он может вырасти в 2-3 раза.
• Машиностроение: всю громоздкую технику заменят роботы – легко управляемые устройства. Они смогут создавать любые механизмы на уровне атомов и молекул. Для производства машин будут использоваться новые наноматериалы, которые способны снижать трение, защищать детали от повреждений, экономить энергию.
