Электронный конспект лекций по курсу Химия (стр. 1 )

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Снежинский физико-технический институт –

филиал ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Кафедра общей физики

Электронный конспект лекций

по курсу

ХИМИЯ

Методическое пособие

Снежинск

2014

&1 Химия как наука. Основные химические понятия и законы.

& 1.1 История развития химии

Нет единого мнения о происхождении слова «химия». Большая часть ученных считают что слово «химия» произошло от арабского ээ, произошедшего, предположительно, от египетского слова km. t (чёрный), откуда возникло также название Египта, чернозёма и свинца — «черная земля». Есть другие мнения о происхождении «химии» - др. греч. чхмпт — «сок», «эссенция», «влага», «вкус» - в древние века знания химии использовались для приготовления лекарственных веществ, др. греч. чхмб — «сплав (металлов)», «литье», «поток» - в средние века химия ассоциировалась с металлургией, др. греч. чхмехуйт — «смешивание». В настоящее время химия - одна из важнейших и обширных областей естествознания, наука о веществах, их свойствах, строении и превращениях, происходящих в результате химических реакций, а также законах, которым эти превращения подчиняются.

Первые представления о химии начали складываться задолго до нашей эры. Такие ремёсла, как металлургия, гончарство, 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. Египтяне раньше других народов средиземного бассейна развили свою керамику. Одним из древнейших производств в Египте было гончарное: глиняные горшки из грубой, плохо перемешенной глины дошли до нас от эпохи неолита (VI-V тысячелетия до н. э.). Изготовление керамической посуды началось, как и в современном Египте, с размешивания ногами глины, политой водой, к которой иногда добавляли мелкорубленую солому - для уменьшения вязкости глины, скорейшего высыхания и предотвращения при этом чрезмерной усадки сосуда.

В китайской провинции Хэнань при раскопках стоянки Яншао (середина III тысячелетия до н. э.) нашли крашеные керамические изделия

Известно, что в Египте уже в 3000 году до н. э. умели получать медь из её соединений, используя древесный уголь в качестве восстановителя, а также получали серебро и свинец. Постепенно в Египте и Месопотамии было развито производство бронзы, а в северных странах — железа.

Древнекитайские ученные в XI-VI вв. до н. э уже умели отливать бронзу, также они знали секреты изготовления керамики с глазурью, чёрной и белой керамики.

Помимо практических знаний в Древнем Мире началась закладка теоретических основ химии. 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 определённых 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.

& 1.1.1 Алхимия

Хотя химические знания тщательно скрывались жрецами от непосвящённых, 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. С раннего Средневековья получает развитие то, что сейчас принято понимать под алхимией, в которой традиционно соединились, наряду с вышеназванными наукообразными компонентами, философские представления эпохи и новые для того времени ремесленные навыки, а также магические и мистические представления. Известными алхимиками того времени были Джабир ибн Хайян (Гебер), Ибн Сина (Авиценна) и Абу Бакр ар-Рази. Ещё в античности, благодаря интенсивному развитию торговли, золото и серебро становятся всеобщим эквивалентом производимых товаров. Трудности, с которыми связано получение этих сравнительно редких металлов, побудили к попыткам практического использования натурфилософских воззрений Аристотеля о преобразовании одних веществ в другие; возникновение учения о «трансмутации», вместе с уже названным Гермесом Трисмегистом, традиция алхимической школы связывала и с его именем. Представления эти претерпели мало изменений вплоть до XIV века.

Первый этап алхимии (2-6 вв.) связан с деятельностью Александрийской академии (2-4 вв.). Это было время становления. Александрийская алхимия занимает срединное положение между ремесленной практикой, направленной на имитацию благородных металлов (золота-хризопея и серебра-аргиропея), и оккультным теоретизированием. Алхимик оперирует с веществом и одновременно размышляет над его природой. Алхимики уже осуществляют химические превращения, описывают вещества. Открывают основные приемы, используемые в химии.

На втором этапе (12-14 вв.) алхимия вступает во взаимоотношения с культурой европейского средневековья, пребывая между практической химией и "естественной философией", основанной на христианизированном  учении Аристотеля о материальном мире. Деятельность алхимиков к концу второго этапа складывается из трех составляющих: 1) ритуально-магический опыт, в котором препаративные процедуры сопровождаются соответствующими заклинательными формулами. 2) система определенных лабораторных приемов. 3) синтетическое искусство, с помощью которого изготавливают конкретную вещь.

Именно в силу обретения алхимией собственного теоретического взгляда на свой предмет главные практические вклады алхимии приходятся на 8-12 вв. в арабском мире и на 12-14 вв. в Европе. Получены серная, соляная и азотная кислоты, винный спирт, эфир, берлинская лазурь. Создано разнообразное оснащение мастерской-лаборатории-стаканы, колбы, фиалы, чаши, стеклянные блюда для кристаллизации, кувшины, щипцы, воронки, ступки, песчаная и водяная бани, волосяные и полотняные фильтры, печи. Разработаны операции с различными веществами - дистилляция, возгонка, растворение, осаждение, измельчение, прокаливание до постоянного веса. Расширен ассортимент веществ, используемых в лабораторной практике: нашатырь, сулема, селитра, бура, оксиды и соли металлов, сульфиды мышьяка, сурьмы. Разработаны классификации веществ. Впервые описано взаимодействие кислоты и щелочи. Открыты сурьма, цинк, фосфор. Изобретены порох, фарфор.

Третий этап алхимии (15-17 вв.) связан с кризисом европейского средневекового мышления. В 16-18 веках возникло также особое медицинское направление алхимии — ятрохимия (иатрохимия), представители которого рассматривали процессы, происходящие в организме, как химические явления, болезни — как результат нарушения химического равновесия и ставили задачу поиска химических средств их лечения.

& 1.1.2 Зарождение химии

Химия как самостоятельная дисциплина 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.  Со 2-й половины 17 в. стал быстро развиваться химический анализ, сначала - качественный (начиная с Бойля), а с середины 18 в. – количественный.  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» - флогистона. Теория флогистона (невесомый флюид, улетучивавшийся из вещества при сжигании) существовала до опытов и создания закона сохранения масс.

18 – 19 века характеризуется открытием фундаментальных законов химии. Химия окончательно сформировалась как наука. Начали выделяться подветви химии:

Органическая химия  - в 1769—1785 г. Шееле выделил несколько органических кислот, таких как яблочная, винная, лимонная, галловая, молочная и щавелевая. В 1773 г. Руэль выделил из человеческой мочи мочевину. Термин «Органическая химия» — раздел химии, изучающий вещества, выделенные из организмов (определение Берцелиуса, 1807 г.). Органическая химия как наука появилась в 1828 году, когда Фридрих Вёлер впервые получил органическое вещество — мочевину Физическая химия – начало развитие от учений (он же ввел термин) Неорганическая химия – самостоятельно как раздел появился после выделения органической химии

Конец 19 -20 века характеризуются прорывом в развитии представлений о строении атома и вещества, природы химических реакций.

&1.2 Основные понятия и законы химии

&1.2.1 Основные понятия

Химия – наука о веществах, закономерностях их превращений (физических и химических свойствах) и применении. В настоящее время известно более 100 тыс. неорганических и более 4 млн. органических соединений.

Атом - наименьшая частица химического элемента, обладающая всеми его свойствами. Химически неделимая часть вещества.

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, от молекулярной структуры и от пространственного расположения (изомеры).