Химия и научная картина мира

По своим химическим свойствам выделились 4 группы: металлы, неметаллы, газы, инертные газы.

Значительно позже, в связи с открытиями в ядерной физике, стало известно, что валентность отражает количество электронов на последней орбитали. Их количество и ответственно за химическую активность элементов: чем меньше электронов на последней орбитали, - тем более они активны: щелочные и щелочно-земельные металлы – это 1-2 электрона, которые слабо удерживаются ядром и легко теряются атомом.

Чем больше электронов на последней орбите, тем пассивнее химический элемент. Химическую активность утрачивают все неметаллы с нарастающей валентностью, поэтому этим элементам свойственно захватывать электроны других элементов.

Открытая периодическая зависимость означала возможность пустых клеток в системе элементов, которые еще не были открыты, но их свойства можно было описать.

Менделеев предсказал, таким образом, открытие скандия , галлия , германия. Это стало практическим подтверждением верности исходной гипотезы, лежащей в основе классификации.

Открытия в ядерной физики конца ХIХ в. позволили использовать другой критерий – заряд атомного ядра, хотя таблица осталась без изменений, поскольку блестящая интуиция Менделеева подсказала почти верный критерий систематизации.

Начиная с ХIХ столетия, можно говорить о возникновении органической химии, которая изучает сложные соединения, содержащие углерод. Неорганическая химия исследует свойства химических элементов и их соединений. Органическая химия изучает только соединения, и эти соединения могут быть созданы искусственно.

Началом органической химии можно считать счастливую случайность: в 1824 г. немецкий химик Фридрих Велер совершенно случайно синтезировал мочевину – природное органическое соединение.

Вторым шагом явилось создание искусственных материалов с необходимыми свойствами. В ХIХ в. были синтезированы первые искусственные органические вещества – анилиновые красители. Затем возникла идея создать материалы, которые должны были заменить дорогостоящие шеллак и гуттаперчу.

Шеллак был продуктом жизнедеятельности червеца – насекомого, проживающего исключительно в Индии и Юго-Восточной Азии.

Гуттаперча – застывший сок каучукового дерева из Южной Америки. Так возникла идея пластика – самого популярного, дешевого и распространенного ныне искусственного материала на основе углеводородов.

Уже в 1869 г. англичанин Александр Паркес синтезирует так называемый парксин. В том же году американец Джон Хаятт создает целлулоид.

В 1907 г. другой американский экспериментатор - Лео Бэкленд синтезирует наконец первый настоящий пластик, известный как бакелит. Он был на редкость прочен, не горел и не плавился. Он стал незаменим как теплоизолятор в различных устройствах и в промышленности.

Следующий шаг в синтезе пластмасс делают европейские химики. 20-е гг. ХХ в. известны работами немецкого химика Карла Циглера. В 1953 г. ему удалось получить, как он выразился, «большой белый кекс белоснежного полиэтилена».

Циглер некоторое время работал над созданием катализаторов для синтеза полиэтилена при низких температурах. Он познакомил со своими разработками итальянца Джулио Натта. Используя эти катализаторы, в 1954 г. Натта получил высокопрочный полиэтилен с высокой температурой плавления. В 1956 г. он же синтезирует совершенно новый искусственный материал – полипропилен. По словам его создателя, полипропилен можно было использовать для выработки особо прочных и легких ниток, которые нашли бы применение в легкой промышленности.

Так ХХ в. стал веком пластмасс – искусственных полимеров, необходимых для человека.

А.М. Бутлеров предположил, что атомы в молекулах расположены в определенном порядке в соответствии с их валентностью - способностью удерживать атомы другого химического элемента.

Свойства органических веществ зависят не только от состава молекул, но и от их пространственного расположения. Бутлеров назвал этот феномен изомерией. Так был открыт изобутан – изомер известного всем нам газа в наших горелках - бутана, который подтвердил верность позиции русского химика. Качественно и количественно изобутан не отличен от бутана, но его пространственная структура иная, поэтому физические и химические свойства также отличаются.

Внутренне строение вещества может быть установлено экспериментально и выражено химической формулой.

Все органические вещества можно систематизировать по принципу гомологических рядов, начиная с метана – простейшего органического соединения.

Замена атома водорода приводит к возникновению различных органических соединений – спиртов, щелочей и т.д. Последующий элемент отличается о предыдущего на СН2. Гомологический ряд – это совокупность всех однородных органических соединений, которые отличаются только на эту величину.

 

 

Антропогенный химизм и его влияние на среду обитания

 

Антропогенный химизм - успехи искусственного органического синтеза и его последствия для среды обитания на нашей планете.

Задача органического синтеза – создание веществ со специфическими свойствами, не существующие в природе и обладающие почти неограниченным сроком жизни.

Один из важнейших энергетических и сырьевых источников на нашей планете выступают природные углеводороды: нефть, природный газ, каменные угли, которые являются результатом животного и растительного метаболизма. Это реликтовые продукты. Они не возобновляются. Это исчерпаемые ресурсы.

Еще одна проблема: углеводороды – главный сырьевой ресурс для производства синтетических материалов, в частности, пластмасс – полиэтиленов и полипропиленов. Все искусственные полимеры практически не разрушаются в естественных условиях, не теряют своих свойств в течение 50-100 лет. Единственный способ их утилизации – уничтожение: либо сжигание, либо затопление. При сжигании углеводородов, выделяется углекислота – один из основных загрязнителей атмосферы, наряду с метаном и хлорсодержащими веществами. Именно углекислота ответственна за катастрофические процессы в атмосфере, которые находят выражение в эффекте климатических изменений. За последние сто лет средняя температура на планете поднялась на градус, что существенно для нашей планеты.

Углекислый газ и метан не изменяют температуру, но влияют на прозрачность атмосферы Земли. Спектр солнечного излучения приходится на видимый диапазон. Эти электромагнитные волны свободно проходят через атмосферу, единственным естественным препятствием служат только облака. Далее свет, попадая на земную поверхность, частично рассевается и уходит обратно в космос. Однако за счет рассеивания теряется далеко не все излучение, а лишь около 40%, остальное поглощается планетой. Как следствие, растет ее температура.

В результате сжигания ископаемого топлива и продуктов его переработки ежегодно в атмосферу попадает 26 млрд. тонн CO2. 40% поглощается Мировым океаном. Возникает вопрос: куда девать вредную избыточную углекислоту?

Некоторые ученые предлагают «хоронить» ее в пустых природных резервуарах, где откачивалась нефть, или даже отправлять в космическое пространство. Американские ученые задумали проект ловушек, которые будут находиться на нашей планете, отсасывать воздух из атмосферы, обрабатывать его NaOH, связывая избыточную кислоту с образованием безвредной соды, а затем возвращать в атмосферу отработанный воздух, где углекислоты уже вдвое меньше.

Общепризнанно, что наиболее агрессивный источник экологического загрязнения на нашей планете – растущий парк автомобилей. Это заставило химиков поразмышлять о синтезе новых видов топлива, а работников автоконцернов - производителей об увеличении КПД сжигания бензина для снижения экологической нагрузки от использования автомобилей.

Новые популярные источники энергии ХХI: биоэтанол, электричество, энергия солнечная батарей, водород и обычная вода.

Биоэтанол – это возобновляемый вид топлива. Этанол, этиловый спирт может добываться различными способами. Сложность заключается в том, что это не совсем рентабельный источник энергии: для его развития необходимы дополнительные территории и вода. Кроме того, добыча этанола в технических целях – угроза пищевой безопасности на планете. Увлечение автомобилистов могут обернуться глобальным голодом.

Еще одно популярное направление исследований альтернативных источников энергии – возможность использования энергии нашей звезды. В Европе активно разрабатываются модели автомобилей и мотоциклов, использующие энергию солнечных батарей.

Силикон, который уже давно и с успехом используют в пластической хирургии и косметологии, японские инженеры рискнули применить для замены металлического корпуса автомобиля. Машины не деформируются, люди не страдают в авариях. Органический синтез и прикладная химия открывает широкую дорогу для замены естественного – искусственным, снижая индустриальный прессинг на среду обитания.

Вопрос утилизации пластмасс, твердых промышленных и бытовых отходов решается за счет улучшения дорог. Дорожное покрытие в США на скоростных магистралях, которыми славится это страна, – размельченные, расплавленные и вновь отвердевшие отходы быта и производств. Японцы насыпают острова в Тихом океане, решая проблему дефицита территорий, а заодно избавляются от мусора.

В 1980-е гг. были изобретены и синтезированы первые пластики, способные к биологическому разложению. Канадский химик Джеймс Гуиллер добавил в молекулярные цепи центры, которые распадаются под действием ультрафиолета. К сожалению, от идеи пришлось вскоре отказаться, потому что в южных странах с высоким уровнем инсоляции товары из подобного пластика были непрактичны. Не слишком огорчившись своей неудаче, через два года Гуиллер синтезировал первый экологически чистый пластик – биопал, который разлагается бактериями, живущими в почве.

Еще одно перспективное направление исследований, требующее активного междисциплинарного взаимодействия различных наук, - это создание искусственных материалов на основе нанотехнологий. Корень «нано» с древнегреческого переводится как «малыш», «карлик». Нанотехнологии – это способы манипулирования веществом на атомном и молекулярном уровне, в результате чего оно приобретает принципиально новые, уникальные химические, физические и биологические свойства

Сегодня нанопроизводства заняты созданием сверхтонких, сверхпрочных материалов, которые можно использовать на нашей планете и в космическом пространстве.

Лидеры в создании наноматериалов – США и Европа.

Есть кое-какие успехи в синтезе наноматериалов российскими учеными.

Примерами могут служить наноструктурированные композитные материалы для изготовления арф высокого качества, которые гораздо дешевле в производстве, чем традиционные музыкальные инструменты. Очень возможно, что драгоценные скрипки, созданные искусными руками Гварнери и Страдивари, также имеют отношение к нанопроизводству.

Российским ученым удалось синтезировать радиоэкранирующие и радиозащищающие материалы на основе кремния, которые отражают вредные излучения и могут быть использованы для защиты военной техники. Это - весьма эффективные средства защиты, поскольку экранируют более 99% электромагнитного излучения.

Еще одно достижение российской науки - наноалмазы. Это искусственные материалы, содержащие алмазы, – твердые, стойкие к коррозии, к износу. Их можно использовать в нефтяной и металлургической промышленности для бурения скважин и при резке металла. Наноалмазы добавляют и в смазочно-охлаждающие жидкости в качестве катализаторов химических реакций. 
Список используемой литературы

1. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. М., 2004.
2. http://alfa2omega.ru/load/referaty/kse/857/48-1-0-857
3. Грядовой Д.И. Концепции современного естествознания., 2003.
4. Пластик. Мир из пластмассы // Что нового в науке и технике? 2008.
5. Ловушка для углекислоты // Что нового в науке и технике? – 2008.