Эволюция Вселенной

Однако  атомы с одинаковым зарядом ядра могут отличаться величиной атомной массы - это изотопы.

 

 

 

 

Сколько всего химических элементов?

 

Во  времена Менделеева было известно всего 62 химических элемента. В 30-е годы XX в. таблица Менделеева включала 88 элементов, а всего в ней было 92 клетки (элемент под номером 92 - это уран). Сегодня науке известны 110 химических элементов (элемент 109 получил название мейтнерий, 110-й элемент еще не имеет официального названия), и химиков продолжает волновать вопрос, сколько всего элементов в таблице Менделеева.

Предполагается, что на первоначальной стадии развития Земли существовали трансурановые элементы с порядковыми номерами до 106-го. Такие элементы имели небольшую продолжительность жизни по сравнению с возрастом Земли и поэтому полностью распались, не сохранившись до наших дней. Самым долгоживущим элементом из данной группы оказался плутоний-244 с периодом полураспада 82,2 млн лет. В 1971 г. из минерала бастнезита удалось выделить некоторое количество атомов этого элемента.

Но  в основном все трансурановые  элементы были получены искусственным путем: в 1940 г. нептуний, позже еще 15 трансурановых элементов с номерами до 107-го.

Современная теория позволяет с большой вероятностью рассчитать стабильность сверхтяжелых элементов и предсказать их физические и химические свойства. Поэтому химики предполагают, что элементы с порядковыми номерами между 114-м и 164-м должны обладать неожиданно высокой стабильностью. Считается, что в районе этих порядковых номеров в периодической системе должен существовать так называемый островок стабильности, на котором возможно получение изотопов с периодом полураспада 10⁸ лет. Предполагается, что свойства элементов с номерами 112—118 должны быть аналогичны свойствам элементов в ряду ртуть — радон. Верхняя граница стабильности должна приближаться к номеру 174. Если эти элементы будут получены, их можно будет использовать в промышленном производстве и энергетике. Но для их синтеза нужны новые экспериментальные методы и технические средства.

Радиоактивные изотопы и их использование.

Изотопы - разновидности химических элементов, у которых ядра атомов отличаются числом нейтронов (поэтому у них разная атомная масса), но содержат одинаковое число протонов и поэтому занимают одно и то же место в периодической системе элементов.

Термин  «изотоп» был введен в 1910 г. Фредериком Содди, известным английским радиохимиком, лауреатом Нобелевской премии. Различают стабильные (устойчивые) и нестабильные (радиоактивные) изотопы.

С момента  открытия изотопов наибольший интерес  вызвали радиоактивные изотопы, которые стали широко использоваться в атомной энергетике, приборостроении, медицине и т.д.

В медицине с помощью радиоактивных изотопов лечат многие заболевания, в том числе онкологические. Кроме того, батареи небольшой мощности, работающие на изотопах плуто-ния-238 и кюрия-224, применяются в приборах для стабилизации ритма сердца.

Правильное  использование радиоактивных изотопов приносит несомненную пользу человечеству.

Под химическим соединением понимают определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет взаимодействия друг с другом объединены в частицу, обладающую устойчивой структурой, - молекулу, комплекс, монокристалл или иной агрегат.

           Как уже было отмечено, современной науке известны 110 химических элементов, но их распределение (по удельному весу) крайне неравномерно. Так,

 98,6% массы физически доступного слоя Земли составляют всего восемь химических элементов: кислород (47%), кремний (27,5), алюминий (8,8), железо (4,6), кальций (3,6), натрий (2,6), калий (2,5), магний (2,1%). Однако все эти элементы используются непропорционально. Например, железа содержится в Земле в два раза меньше, чем алюминия. Но сегодня более 95% всех металлических изделий изготовляются из железорудного сырья. Поэтому в современной химии важнейшей задачей является рациональное использование имеющихся ресурсов. Для этого нужно использовать химические элементы в производстве в соответствии с их реальными ресурсами в природе, заменить дефицитное сырье имеющимся в изобилии, утилизировать отходы и использовать вторичное сырье.

 

Традиционные  и новые материалы. Замена старых материалов новыми. Вещества, из которых изготавливается различная продукция, называются материалами.

 Среди давно используемых материалов в первую очередь нужно назвать камень.

Так же хорошо знакома человеку древесина  и изделия из глины, вначале из сырой, а позже - из обожженной. Около 6-7 тысячелетий назад человек научился обрабатывать металлы. Затем были получены первые сплавы, важнейшим из которых стала бронза. И наконец, решающий шаг был сделан во II тысячелетии до н.э., когда человек научился обрабатывать железо.

Современные технологии позволяют получить металлы  с самыми разными свойствами — жаропрочные, высокотвердые, кислотоустойчивые и т.д.

 По-прежнему в мире добывается огромное количество древесины. Но если раньше она использовалась в качестве топлива, строительного материала и материала для изготовления мебели, сегодня сфера применения древесины значительно расширилась.

  Стекло долгое время использовалось лишь в качестве украшений. Затем из него стали делать посуду, оконные стекла и т.д.

  В XX в. наряду с традиционными материалами появились новые - полимерные и синтетические. Они находят все большее применение, потеснив традиционные материалы.

   На основе природных или синтетических полимеров получают пластмассы - материалы, способные приобретать заданную форму при нагревании под давлением и устойчиво сохранять ее после охлаждения.

   Полимеры — это искусственные органические соединения, построенные из макромолекул, которые состоят из множества малых основных молекул - мономеров.

Около 2/3 мирового производства полимеров составляют материалы массового промышленного потребления. К ним относятся:

• полиэтилен, из которого делают пластиковые сумки, игрушки, различного рода емкости, изоляционные покрытия для проводов и кабелей;
• политетрафторэтилен (кухонная посуда и изоляционные материалы);
• полипропилен (ковровые изделия, синтетические покрытия для спортивных площадок);
• поливинилхлорид (пластиковые упаковки, трубы, шланги для полива, детали системы внутренней канализации);
• полистирол (изоляционные материалы, мебель, упаковочные материалы);
• полиакрилонитрил (пряжа, ткани, парики);
• поливинилацетат (клеи, краски, текстильные покрытия);

• полиметилметакрилат (заменители стекла, краски).

             Еще одна революционная новация в химии – производство элементоорганических соединений. Это соединения, в состав которых входят как органические элементы (углерод, водород, сера, азот, кислород), так и производные ряда других химических элементов (кремния, фтора, магния, кальция, цинка, натрия, лития и т.д.). Химия кремнийорганических материалов лежит в основе производства полимеров, обладающих ценными свойствами и незаменимыми в авиации и энергетике. Фторорганические соединения исключительно устойчивы даже в очень агрессивных средах кислот и щелочей и к тому же обладают особой поверхностной активностью, способностью поглощать кислород и перекиси, поэтому изделия из фторуглерода являются материалом для изготовления внутренних органов человека, а также используются в медицине для создания всевозможных покрытий.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Второй способ решения основной проблемы химии.

Второй уровень химического  знания

 

Главным достижением этого этапа стало установление связи между структурой молекул и реакционной способностью веществ.

Термин  «структурная химия» — понятие условное. Под ним прежде всего подразумевается  такой уровень химических знаний, при котором, комбинируя атомы различных  химических элементов, можно создать структурные формулы любого химического соединения. Возникновение структурной химии означало, что появилась возможность для целенаправленного качественного преобразования веществ, для создания схемы синтеза любых химических соединений, в том числе и ранее неизвестных.

Важнейшим шагом  в развитии структурной химии  стало появление теории химического строения органических соединений русского химика A.M. Бутлерова.

Бутлеров впервые  в истории химии обратил внимание на энергетическую неравноценность разных химических связей. Эта теория позволила строить структурные формулы любого химического соединения, так как показывала взаимное влияние атомов в структуре молекулы, а через это объясняла химическую активность одних веществ и пассивность других. Кроме того, она указывала на наличие активных центров и активных группировок в структуре молекул.

       Появление этой теории позволило превратить химию из науки аналитической, занимающейся изучением состава готовых веществ, в науку преимущественно синтетическую, способную создавать новые вещества и новые материалы.

В XX в. структурная  химия получила дальнейшее развитие. В частности, было уточнено понятие структуры, под которой стали понимать устойчивую упорядоченность качественно неизменной системы. Также было введено понятие атомной структуры - устойчивой совокупности ядра и окружающих его электронов, находящихся в электромагнитном взаимодействии друг с другом; и молекулярной структуры - сочетания ограниченного числа атомов, имеющих закономерное расположение в пространстве и связанных друг с другом химической связью с помощью валентных электронов.

Кроме того, современная  наука дает возможность определять не только состав, но и строение молекул. Изучить пространственное расположение атомов позволяет метод рентгеноструктурного анализа, основанный на явлении дифракции. Он позволяет изучить все соединения, которые удается получить в кристаллическом состоянии, причем для определения параметров кристаллической структуры требуется всего 10 мкг вещества. Также существует метод нейтронографии, основанный на дифракции нейтронов. Он позволяет с высокой точностью определить относительное расположение атомов.

Современная структурная химия достигла больших результатов. Сегодня синтез новых органических веществ позволяет получить полезные и ценные материалы, отсутствующие в природе. Так, ежегодно в мире синтезируют тысячи килограммов аскорбиновой кислоты (витамина С), множество новых лекарств, среди которых безвредные антибиотики, лекарства против гипертонии, язвенной болезни и т.д.

Исследования  в области современной структурной  химии идут по двум перспективным  направлениям:

• синтез кристаллов с максимальным приближением к идеальной решетке для получения материалов с высокими техническими показателями: максимальной прочностью, термической стойкостью, долговечностью в эксплуатации и др.;
• создание кристаллов с заранее запрограммированными дефектами для производства материалов с заданными электрическими, магнитными и другими свойствами.

Решение каждой из этих проблем имеет свои сложности. Так, для решения первой проблемы необходимо соблюдение таких условий выращивания кристаллов, которые исключали бы воздействие на процесс всех внешних факторов, в том числе и поля гравитации (земного притяжения). Поэтому такие кристаллы выращиваются на орбитальных станциях в космосе. Решение второй проблемы затруднено тем, что наряду с запрограммированными дефектами практически всегда образуются и нежелательные нарушения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Третий способ решения основной проблемы химии.

Третий уровень развития химического  знания.

 

Под влиянием новых требований производства возник третий способ решения проблемы генезиса свойств, учитывающий всю сложность организации химических процессов в реакторах и обеспечивающий их экономически приемлемую производительность.

Важнейшей задачей для химиков становится умение управлять химическими процессами, добиваясь нужных результатов.

Meтоды  управления химическими процессами  можно подразделить на термодинамические и кинетические. Среди последних ведущую роль играют каталитические методы. Термодинамические методы влияют на смещение химического равновесия реакции. Кинетические методы влияют на скорость протекания химической реакции.

Термодинамические методы преимущественно влияют на направление химических процессов, а не на их скорость. Управлением скоростью химических процессов занимается химическая кинетика, которой изучается зависимость протекания химических процессов от различных структурно-кинетических факторов - строения исходных реагентов, их концентрации, наличия в реакторе катализаторов и других добавок, способов смешения реагентов, материала и конструкции реактора и т.п.

  Задача исследования химических реакций является очень сложной. Ведь при ее решении необходимо выяснить механизм взаимодействия не просто двух реагентов, а еще и «третьих тел», которых может быть несколько. В этом случае наиболее целесообразно поэтапное решение, при котором вначале выделяется наиболее сильное действие какого-либо одного из «третьих тел», чаще всего катализатора.

На  интенсивность химических процессов  оказывают влияние случайные  примеси. Вещества различной степени  чистоты проявляют себя в одних  случаях как более активные реагенты, в других — как инертные. Примеси  могут оказывать как каталитическое, так и ингибирующее действие. Поэтому для управления химическим процессом в реагирующие вещества вносятся те или иные добавки.

Таким образом, влияние «третьих тел» на ход  химических реакций может быть сведено  к катализу, то есть положительному воздействию на химический процесс, и к ингибированию, сдерживающему процесс.