Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. Концепции современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

ских

рядов почти во всех классах органических соединений

воз-^

можности

получения этих соединений практически безграничны.

В современной химии накапливаются данные о химической

эволюции вещества во Вселенной, что позволяет составить об-

щую картину эволюции природы. На этом пути химия активно

интегрируется с другими естественными науками, в результате

чего появились геохимия, гидрохимия, химия атмосферы; био-

геохимия. В перечисленных науках постепенно формируются

представления о планетарных миграциях химических элементов.

Биохимия изучает жизненные циклы, осуществляемые с участи-

ем белковых катализаторов — ферментов. Есть совсем новая

наука — молекулярная психология, связывающая молекулярную

биологию с наукой о поведении живых организмов.

Но самые тесные связи издавна связывают химию с физи- 1

кой. Результатом становится возникновение все новых и новых I

смежных физико-химических отраслей знания. Огромное значе-

ние, которое имеет эта связь, требует специального рассмотре-

ния вопроса о связи химии и физики.

15.6. Взаимосвязь химии с физикой

История взаимодействия химии и физики полна примеров

обоюдного обмена идеями, объектами и методами исследования.

На разных этапах своего развития физика «снабжала» химию

понятиями и теоретическими концепциями, оказавшими силь-

ное воздействие на развитие химии. При этом, чем больше ус-

ложнялись химические исследования, тем больше аппаратуры и

методов физических расчетов проникало в химию. Необходи-

мость измерения тепловых эффектов реакции, развитие спек-

трального и

рентгеноструктурного

анализа, изучение изотопов и

радиоактивных элементов, кристаллических решеток вешеств,

молекулярных структур

потребовали

создания и привели к ис-

пользованию сложнейших физических приборов — спектроско-

пов, масс-спектрографов, дифракционных решеток, электрон-

ных микроскопов и т.д.

Развитие современной науки подтвердило глубокую связь

между физикой и химией. Они связаны между собой по проис-

хождению. Связь эта носит генетический характер, т.е. образо-

вание атомов химических элементов, соединение их в молекулы

вещества произошло на определенном этапе развития неоргани-

ческого мира. Также эта связь основывается на общности строе-

ния конкретных видов материи, в том числе и молекул веществ,

366

состоящих в конечном итоге из одних и тех же химических эле-

ментов, атомов и элементарных частиц. Химические процессы

базируются на электромагнитном взаимодействии, изучаемом фи-

зикой. На основе периодического закона ныне осуществляется

прогресс не только в химии, но и в ядерной физике, на стыке

которых возникли химия изотопов и радиационная химия.

Физика

и химия практически изучают одни и те же объекты,

но только каждая наука видит в этих объектах свой предмет ис-

следования. Так, молекула является объектом, изучаемым не

только химией, но и молекулярной физикой. Химия изучает ее с

точки зрения закономерностей образования, состава, химиче-

ских свойств, связей, условий ее диссоциации на составляющие

атомы. Молекулярная физика статически изучает поведение

масс молекул, обусловливающее тепловые явления, различные

агрегатные состояния, переходы из газообразной в жидкую и

твердую фазу и обратно — свойства, не связанные с изменением

состава молекул и их внутреннего химического строения.

Сопровождение каждой химической реакции механическим

перемещением масс молекул реагентов, выделение или поглоще-

ние тепла за счет разрыва или образования связей в новых моле-

кулах также убедительно свидетельствует о тесной связи химиче-

ских и физических явлений. Так, энергетика химических процес-

сов тесно связана с законами термодинамики, изложенными вы-

ше. Химические реакции, протекающие с выделением энергии

(обычно в виде тепла и света), называются экзотермическими ре-

акциями. Существуют также эндотермические реакции, проте-

кающие с поглощением энергии. Все

сказанное

не противоречит

законам термодинамики: в случае горения энергия высвобождает-

ся одновременно с уменьшением внутренней энергии системы. В

эндотермических реакциях идет повышение внутренней энергии

системы за счет притока тепла. Измеряя количество энергии, вы-

деляющейся при реакции (тепловой эффект химической реакции),

можно судить об изменении внутренней энергии системы. Он

измеряется в килоджоулях на моль

(кДж/моль).

Частным случаем первого начала термодинамики является

закон Гесса. Он гласит, что тепловой эффект реакции зависит

только от начального и конечного состояния вещества и не за-

висит от промежуточных стадий процесса.

Закон Гесса позволяет вычислить тепловой эффект реакции

в тех случаях, когда его непосредственное измерение почему-

либо неосуществимо.

367

С возникновением теории относительности, квантовой

ме-У

ханики и учения об элементарных частицах раскрылись еше

бо-

]

лее глубокие связи между физикой и химией. Оказалось, что I

ключ к объяснению свойств химических соединений, самого ме-

ханизма превращения веществ лежит в строении атомов, в кван- .

тово-механических процессах его элементарных частиц и особен- 1

но электронов его внешней оболочки. Именно новейшая физика

блестяще решила такие вопросы химии, как природа химиче-

ской связи, особенности химического строения молекул органи-

ческих и неорганических соединений и т.д.

На стыке физики и химии возникла и успешно развивается фи-

зическая химия — сравнительно молодое направление, которое

оформилась в конце

XIX

в. в результате успешных попыток коли- |

чественного изучения физических свойств химических веществ и

смесей, теоретического объяснения молекулярных структур. Экс-

периментальной и теоретической базой для этого послужили рабо-

ты Д.И. Менделеева (открытие периодического закона), Я. Вант-

Гоффа (термодинамика химических процессов), С. Аррениуса

(теория электролитической диссоциации) и т.д. Предметом ее изу-

чения стали общетеоретические вопросы, касающиеся строения и

свойств молекул химических соединений, процессов превращения

вещества в связи с взаимной обусловленностью их физическими

свойствами, условия протекания химических реакций и совер- |

шатощиеся

при этом физические явления.

В первой половине XX в. на стыке химии и новых разделов

физики (квантовой механики, электронной теории атомов и мо-

лекул) возникает пограничная наука, которую стали называть

химической физикой. Она широко применила теоретические и

экспериментальные методы новейшей физики к исследованию

строения химических элементов и соединений, а также к изуче-

нию механизма химических реакций. Химическая физика изуча-

ет взаимосвязь и взаимопереход химической и субатомной форм

движения материи.

Внутри физической химии к настоящему времени выдели-

лись и вполне сложились в качестве самостоятельных разделов,

обладающих своими особыми методами и объектами исследова-

ния, электрохимия, учение о растворах, фотохимия, кристалло-

химия. В начале XX в. в самостоятельную науку выделилась так-

же выросшая в недрах физической химии коллоидная химия. Со

второй половины XX в. в связи с интенсивной разработкой про-

блем ядерной энергетики возникла и получила большое развитие

новейшая отрасль физической химии — химия высоких энергий:

368

р.ииаиионная

химия, изучающая реакции, протекающие под дей-

ствием ионизирующего излучения, и химия изотопов.

Вообще физическая химия сейчас рассматривается как

наи-

оолее

широкий общетеоретический фундамент всей химической

науки. Многие ее теории имеют большое значение для развития

как неорганической, так и органической химии. С возникнове-

нием физической химии изучение вещества стало

осуществлять-

ел

не только традиционными химическими методами исследо-

вания, не только с точки зрения его состава и

свойств,

но и со

стороны структуры, термодинамики и кинетики химического

процесса. Также во внимание стали браться связи и зависимости

химического процесса от воздействия явлений, присущих дру-

гим формам движения материи (светового и радиационного об-

лучения, светового и теплового воздействий и т.д.).

Таким образом, химия XX в. предстает перед нами как весь-

ма многообразная и разветвленная система знаний, которая на-

ходится в процессе интенсивного развития. В основной своей

массе

развитие химии идет в виде узкоориентированных при-

кладных исследований, но вместе с тем сегодня развиваются и

концептуальные направления фундаментального характера, оп-

ределяющие статус и положение этой науки в системе совре-

менного естествознания. С некоторыми из этих положений мы

познакомимся в следующей теме.

|^?

Вопросы для обсуждения

Какова основная цель и важнейшие идеи алхимии?

2. Насколько обоснованна алхимическая идея трансмутации элементов?

3. Что такое ятрохимия? В чем в чем ее схордство с

алхимией

и в чем их

отличие?

4. Каким образом Лавуазье объяснил процессы дыхания в живом орга-

низме с помощью кислородной теории горения?

5. Кто ввел современные обозначения химических элементов?

6. От чего зависят свойства и реакционная способность химических эле-

7. Какие химические элементы отличаются наибольшей активностью?

Почему?

8.Чем

отличаются старое и современное представление об атоме?

Что такое химическая связь? Как она связана с валентностью? Какие

вы знаете виды химической связи?

Глава 1 6

Современные

концепции химии

Основания

химии

16.1. Химия как наука. Система химии

Стремясь показать специфику химии как науки, мы

рассмаг

рели в предыдущей главе историю химии. С

позиции

современ

ной науки можно также выявить общие закономерности разви

тин химического знания, описать его основные концептуальны

системы.

Еще Д.И. Менделеев обратил внимание на

то, что химия, в отличие от многих других

наук (например, биологии или

географии),

сама создает свой предмет исследования. Как никакая друга)

наука, она является одновременно и наукой, и

производством.

Химия всегда была нужна человечеству в основном для того,

что-

бы получат» из

вешеств

природы необходимые металлы и

кера

мику,

известь и цемент, стекло и бетон, красители и фармацевти-

ческие препараты, взрывчатые вещества и горюче-смазочные ма

териалы,

каучук и пластмассы, химические волокна и

материалы:

с заданными электрофизическими свойствами. Поэтому все хи

мические знания, приобретенные за многие столетия и представ-

ленные в виде теорий, законов, методов, технологий, объединяет

одна-единственная

непреходящая, главная задача химии — задача

получения веществ с необходимыми свойствами. Но это произ-

водственная задача, и чтобы ее реализовать, надо уметь из одних

веществ производить другие, т.е. осуществлять качественные пре-

вращения вещества. А поскольку качество — это совокупность

свойств вещества, надо знать, от чего зависят эти свойства. Иначе

говоря, чтобы решить названную производственную задачу,

хи-

мия должна справиться с теоретической проблемой генезиса

(происхождения) свойств вещества.

Таким образом, основанием химии выступает двуединая про- I

блема — получения веществ с заданными свойствами (на дос- ]

370

тиж'ение

ее направлена производственная деятельность челове-

ка) и выявления способов управления свойствами

вещества

(на

реализацию этой задачи направлена научно-исследовательская

работа ученых).

5>го

и есть так называемая основная двуединая

проблема химии.

/%..__-„

Эта проблема является системообразующим

CTG

„

-»

химии началом данной науки. Она возникла в глу-

бокой древности и не теряет

своего

значе-

ния и в наши дни. Естественно, что в разные исторические эпо-

чи эта задача решалась по-разному, так как способы ее решения

зависят от уровня материальной и духовной культуры общества,

а также от внутренних

закономерностей,

присущих научному по-

знанию. Достаточно сказать, что изготовление таких материалов,

как, например, стекло и керамика, краски и душистые вещества,

древности

осуществлялось иначе, чем в XVIII в. и позже.

Важнейшей особенностью основной проблемы химии явля-

ется то, что она имеет всего четыре способа решения. Речь при

этом идет не о частных методах изучения и превращения веще-

ства — их множество, а о самых общих способах решения во-

проса: от чего, от каких факторов зависят свойства вещества. А

они зависят от четырех факторов:

1) от элементного и молекулярного состава вещества;

2) структуры молекул вещества;

3) термодинамических и кинетических условий (наличия ка-

тализаторов, воздействия материала стенок сосудов и т.д.), в ко-

торых вещество находится в процессе химической реакции;

4) уровня химической организации вещества.

Поскольку способы решения основной проблемы химии по-

являлись последовательно, мы можем в истории химии выде-

лить четыре последовательно сменявших

друг

друга этапа. В то

Же

время, с каждым из названных способов решения основной

проблемы химии связана своя концептуальная система знаний.

Эти четыре концептуальных системы знания находятся в отно-

шениях иерархии (субординации). В системе химии они явля-

ются подсистемами, так же как сама химия представляет собой

подсистему естествознания. Концептуальные системы химии

можно представить наглядно в виде схемы.

Середина XX века

XX век

XIX век

ХУПвек

4. Эволюционная химия

3. Учение о

химических

процессах

2. Структурная химия

1. Учение о составе вещества

371

В развитии химии происходит не смена, а строго

законом™

ное, последовательное появление концептуальных систем.

ГН

этом, каждая вновь появляющаяся система не отрицает прем

дущую, а наоборот, опирается на нее и включает в себя в

преов

разованном виде. Таким образом, появляется система химии

единая целостность всех химических знаний, которые

появлш

ютея

и существуют не отдельно друг от друга, а в тесной

взан

мосвязи,

дополняют друг друга и объединяются в

концептуали

ные системы химических знаний, которые находятся между

са

бой в отношениях иерархии,

16.2. Первый способ решения

основной проблемы химии.

Первый уровень химического знания

Первый по-настоящему действенный способ решения

пробле

мы происхождения свойств вещества появился во второй

половив

XVII в. в работах английского ученого Р. Бойля. Его исследовани

показали, что качества и свойства тел не имеют абсолютного

та

рактера

и зависят от того, из каких химических элементов эти тали

составлены. Такой подход оказался принципиально новым.

Ои

позволил примирить два существующих натурфилософских

пре™

ставления — атомизм Демокрита и элементаризм Аристотеля.

Бойля наименьшими частичками вещества оказывались

неосязаем

мые органами чувств мельчайшие частички — атомы, или, как он

их называл, — minima

naturalia.

Эти частицы могли связываться

друг с другом, образуя более крупные соединения — кластеры, по

терминологии Бойля. Связь частиц в кластерах была

достаточно!

прочной, и поэтому кластеры сами были невидимыми глазу кир-]

пичиками

для построения реальных физических тел. В

зависимо-!

сти от объема и формы кластеров, от того, находились ли кластеры •

в движении или покоились, зависели и свойства природных

тел.

Сегодня мы вместо термина

«кластер»

используем понятие

«моле-1

кула». Таким образом, с этого момента стали считать, что

наи-1

меньшей

частицей

простого тела является молекула.

С середины XVII в. до первой половины XIX в. учение о со-|

ставе вещества представляло собой всю тогдашнюю химию. Оно]

существует и сегодня, представляя собой первую

концептуаль-1

ную систему химии. На этом уровне химического знания ученые 1

решают три важнейшие проблемы — химического элемента,

хи-

]

мического соединения и задачу создания новых материалов из ]

вновь открытых химических элементов.

Решение Концепция химического элемента появилась

проблемы

хими-

в химии

благодаря стремлению человека об-

ческого

элемента

на

РУ

жить

первоэлемент природы. Корни ре-

шения этой проблемы уходят в Древнюю

Грецию, где возникли учения о первоэлементах природы. Там

же

возникла и атомистическая концепция природы, возрожден-

ная а Новое время в химии Р. Бойлем. Именно он положил

на-

чало

современному представлению о химическом элементе как о

простом теле, пределе химического разложения вещества, перехо-

лящем

без изменения из состава одного сложного тела в другое.

Но еще целый век после этого химики делали ошибки в вы-

делении химических элементов. Дело в том, что, сформулировав

понятие химического элемента, химики еще не знали ни одного

из них. Стремясь получить элементы в чистом виде, они поль-

зовались считавшимся тогда универсальным методом

прокали-

вания, и окалину принимали за чистый элемент. Так что из-

вестные тогда металлы — железо, медь, свинец — принимали за

сложные тела, состоявшие из соответствующего элемента и фло-

гистона. Но именно флогистонная теория, ложная по сути, дала

толчок многочисленным исследованиям, приведшим в итоге к

истинным выводам.

Этот вывод был сделан Д.И. Менделеевым, доказавшим, что

свойства химического элемента зависят от его места в периоди-

ческой системе. Сам Менделеев определял это место по атомной

массе, но в XX в. было выяснено, что порядковый номер эле-

мента

зависит не от атомной массы, а от заряда атомного ядра и

количества электронов. Сегодня мы знаем, что

атом представляет собой сложную

квантово-механическую

систему, состоящую из положительно заряженного ядра и отри-

цательно заряженной электронной оболочки.

сой и имеющие

\—1

электрона на внешнем электронном

уров|

(барий, цезий), стремящиеся отдать их и таким образом

приобр]

сти

устойчивую электронную конфигурацию.

Также нужно отметить, что

химическим элементом называют все атомы, имеющие

оди~*

маковый

заряд ядра.

Однако атомы с одинаковым зарядом ядра могут

отличать^

величиной атомной массы — это изотопы.

Аналитическая химия и ее методы Долгое время своей

осжн

ной задачей химики считали определение состава тел. Это %

сих пор является главной задачей аналитической химии. Но

наши дни она поднялась на качественно новую ступень,

широ«

используя самые современные методы и достижения разных

о:

раслей естествознания и в первую очередь физики.

Определение характеристик атомных и молекулярных части

называют качественным анализом, а измерение их

относитещ

ного содержания — количественным анализом.

Многие методы количественного анализа связаны с

необха

димостью разделения исследуемого вещества на составляюши

его компоненты. Для этого используется хроматография — уни

версальный

метод разделения вещества, основанный на

тон

что различные вещества в жидкой или газообразной фазе обла

дают разной прочностью связи с поверхностью, с которой он

находятся в контакте. С помощью жидкостной

хроматографт

можно разделить и зафиксировать очень малое количество ве

щества —

10~

г.

Также используется метод ядерного магнитного резонанса,

ка

торый основан на анализе резонансного поглощения электро

магнитных волн. Метод позволяет определить число и вид свя

зей в молекуле вещества массой

10~

г.

На основе этого метода 1

1973 г. был создан томограф, позволяющий наблюдать

картин>

распределения химических отклонений и концентраций ядер та-

ких крупных объектов, как тело человека. Поэтому данный ме-

тод широко используется в медицине для диагностики ряда за-

болеваний, в том числе злокачественных опухолей.

Оптическая спектроскопия позволяет анализировать спектр;

излучения вещества, находящегося в различных агрегатных со-

стояниях — твердом, жидком и газообразном. В качественном

спектральном анализе полученный спектр интерпретируют с по-,

мощью таблиц и атласов спектров химических элементов и ин-

дивидуальных соединений. Содержание исследуемого вещества

при количественном спектральном анализе определяют по

отно-

374

тигельной

или абсолютной интенсивности линий или полос

спектре.

Сегодня спектрометры способны обнаружить отдель-

ную молекулу или даже атом любого вешества.

Используются также масс-спектрографы, в которых исследуе-

мое вещество сначала превращается в газовую фазу, затем газ ио-

низируется, и ионы ускоряются электрическим полем до заданной

кинетической

энергии. Масса

частиц

при этом определяется либо

1пмерением

радиуса кривизны траектории иона, либо измерением

времени пролета им заданного расстояния.

Эти

приборы обладают

высокой чувствительностью и могут обнаружить до трех атомов

кшества.

Для идентификации неизвестного вещества с помощью

масс-спектрографа достаточно всего

10~

г соединения.

Сколько всего химических элементов? Во времена Менделеева

было известно всего 62 химических элемента. В

ЗО-е

годы XX в.

таблица Менделеева включала 88 элементов, а всего в ней было

клетки (элемент под номером 92 — это уран). Сегодня науке

известны 110 химических элементов

{элемент

109 получил на-

звание

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 !06-го. Такие элементы имели небольшую продолжительность

лизни по сравнению с возрастом Земли и поэтому

полностью

распались, не сохранившись до наших дней. Самым долгоживу-

шим элементом из данной группы оказался плутоний-244 с пе-

риодом 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 транс-

урановых

элементов с номерами до 107-го.

Трансурановые элементы с атомными номерами до сотого

можно получить в ядерном реакторе методом бомбардировки

ядер изотопа

урана-238

нейтронами. Более тяжелые элементы

получают только в ускорителях и в очень незначительных коли-

чествах. Для этого уран бомбардируют ионами ксенона, гадоли-

ния, самария, гафния или самого урана. В результате образуют-

ся

очень тяжелые промежуточные ядра. Но такие реакции стали

возможны

лишь с 1971 г., когда появились новые мощные уско-

рители, способные разогнать тяжелые ионы до высоких энергий.

Современная теория позволяет с большой вероятностью рас-

считать стабильность сверхтяжелых элементов и предсказать их

375

физические и химические

свойства.

Поэтому химики

прсдполи

гают, что элементы с порядковыми номерами между

114-м

164-м должны обладать неожиданно высокой стабильность™

Считается, что в районе этих порядковых номеров в

периодичШ

ской системе должен существовать так называемый острове

стабильности, на котором возможно получение изотопов с

пеЯ

риодом полураспада

лет. Предполагается, что свойства

элеИ

ментов с номерами

112—118

должны быть аналогичны свойств

вам элементов в ряду ртуть — радон. Верхняя граница стабилЛ

ности должна приближаться к номеру 174. Если эти элементе

будут получены, их можно будет использовать в промышленном

производстве и энергетике. Но для их синтеза нужны

новый

экспериментальные методы и технические средства.

Радиоактивные изотопы и их использование. Выше мы уже

упоминали

изотопы — разновидности химических элементов, у

которыхШ

ядра атомов отличаются числом нейтронов (поэтому у них 1

разная атомная масса), но содержат одинаковое число протонов ]

и поэтому занимают одно и то же место в периодической

сие-

теме элементов.

Термин

«изотоп*

был введен в 1910 г. Фредериком Содди,

из!

вестным английским радиохимиком, лауреатом Нобелевской

пре-1

мии. Различают стабильные (устойчивые) и нестабильные

(ра*

диоактивные) изотопы.

С момента открытия изотопов наибольший интерес вызвали

радиоактивные изотопы, которые стали широко

использоваться

в атомной энергетике, приборостроении, медицине и т.д.

Сега-1

дня выпускается огромное количество различных приборов,

со-1

держащих радиоактивные изотопы. Они служат для определения

плотности, однородности, гигроскопичности и

других

характер

ристик материалов.

В наши дни широко используется метод меченых

атомов^

который позволяет проследить за перемещением химические

соединений при физических, химических и биологических

проЧ

цессах. Для этого в исследуемое вещество вводят

радиоактивный

изотопы определенных элементов и наблюдают за их

передви-1

жением.

Благодаря им можно проследить за превращением

ве-'|

ществ как в доменной печи, так и в живом организме.

Напри-1

мер, с помощью изотопа

кислорода-18

стало возможным выяс-

нение механизма дыхания живых организмов.

С помощью радиоактивных методов анализа вещества можно

определить содержание различных металлов в очень малых кон-

центрациях — до

10"

10~

вещества.

376

В медицине с помощью радиоактивных изотопов лечат мно-

гие заболевания, в том числе онкологические. Кроме того,

ба-

гареи небольшой мощности, работающие на изотопах плуто-

ния-238

и кюрия-224, применяются в приборах для стабилиза-

ции ритма сердца.

Правильное использование радиоактивных изотопов прино-

сит несомненную пользу человечеству. К сожалению, в послед-

нее

время об этом стали забывать и все меньше доверять

радиа-

шш,

которая ассоциируется с атомной бомбой или с Чернобы-

лем. Забыты те времена, когда радиоактивность и рентгеновское

излучение были только что открыты и их посчитали панацеей в

медицине. Мало кто помнит о том, что в начале XX в. в свобод-

ной продаже были радиевые подушки, радиоактивная зубная

наста

и косметика, считавшиеся полезными для здоровья. Уже в

20—30-е

гг. XX в, появились первые свидетельства того, что ра-

диоактивное излучение неблагоприятно влияет на живые орга-

низмы, вызывая генетические изменения — мутации, а также

различные виды онкологических заболеваний. Поэтому сегодня

медицина двойственно относится к использованию радиоактив-

ных

изотопов.

Долгое время химики эмпирическим путем

б мы определяли, что относится к химическим со-

химических

единениям,

что — к простым телам или

соединений смесям. Еще в начале XIX в. Ж. Пруст сфор-

мулировал закон постоянства состава, в со-

ветствии с которым любое индивидуальное химическое соеди-

нение обладает строго определенным, неизменным составом —

прочным притяжением составных частей (атомов) и тем самым

отличается от смесей. Также Пруст установил, что всякое чистое

вещество независимо от его происхождения и способа получе-

ния имеет один и тот же состав.

Теоретическое обоснование закона Пруста, как мы уже гово-

рили выше, было дано Дж. Дальтоном в законе кратных отноше-

ний. Согласно этому закону, состав любого вещества можно было

представить как простую формулу, а эквивалентные составные

частя молекулы — атомы, обозначавшиеся соответствующими

символами, могли замещаться на другие атомы.

После этого долго считали, что состав химического соедине-

ния может быть только постоянным. Но дальнейшее развитие

химии и изучение все большего числа соединений приводили

химиков к мысли, что наряду с веществами, имеющими опреде-

ленный состав, существуют еще и соединения переменного со-

377

става —

бертоллиды.

В результате были переосмыслены

прем

ставления о молекуле в целом. Молекулой, как и прежде,

прЗ

должали называть наименьшую частичку вещества,

способную

определять его свойства и существовать самостоятельно.

Но!

XX в. была раскрыта сущность химической связи, которая стан

пониматься как вид взаимодействия между атомами и

атомнЯ

молекулярными частицами, обусловленного совместным

исполЯ

зованием их электронов. Поэтому теперь к молекулам стали

оа

носить и такие необычные квантово-механические системы,

каи

ионные, атомные и металлические монокристаллы, а также

ло|

лимеры,

образованные за счет водородных связей. По этой

причине оксиды металлов, хлориды, сульфиды, нитриды мет»

лов относят к веществам молекулярного строения, не

имеюшЛ

постоянного состава. Также стало ясно, что свойства тел опрЯ

делятотся

не столько тем, постоянен или не постоянен

сосйИ

химического соединения, а физической природой химизма,

тщ

природой тех сил, которые заставляют несколько атомов

объв

диняться в одну молекулу.

Поэтому теперь под химическим соединением понимают ом

ределенное вещество, состоящее из одного или нескольких

хими

ческих элементов, атомы которых за счет взаимодействия

друг

другом объединены в частицу, обладающую устойчивой

струк™

рой, — молекулу, комплекс, монокристалл или иной агрегат.

Проблема

уже

ыло

°™

ечено

современной

наую|

создания новых известны ПО химических элементов, но их

материалов распределение (по удельному весу)

крайя

неравномерно. Так, 98,6% массы физически

доступного слоя Земли составляют всего восемь химических эля

ментов: кислород (47%), кремний (27,5), алюминий

(8,8),

желез!

(4,6), кальций (3,6), натрии (2,6), калий (2,5), магний (2,1%). Од]

нако все эти элементы используются непропорционально.

Нм

пример, железа содержится в Земле в два раза меньше, чем алю-

миния. Но сегодня более 95% всех металлических изделий

изгш

товляются из железорудного сырья. Поэтому в современной хи-

мии важнейшей задачей является рациональное

использована!

имеющихся ресурсов. Для этого нужно использовать химически

элементы в производстве в соответствии с их реальными

ресур-

сами в природе, заменить дефицитное сырье имеющимся в

изо!

билии,

утилизировать отходы и использовать вторичное сырье. ]

Полезные ископаемые и их использование в промышленности.

Промышленное производство в наши дни требует большого

ко|

личества металлов, хотя в тех соединениях, из которых они

из!

378

рлскаются,

их доля весьма ограниченна. При современных мас-

штабах добычи основные запасы свинца, меди, цинка, золота,

олова, серебра и урана будут исчерпаны в ближайшие десятиле-

тия. С железом, марганцем, хромом, никелем и алюминием дело

обстоит лучше.

Самым необходимым сегодня металлом является железо —

четвертый по распространенности в земной коре элемент. Раз-

веданные запасы этого металла составляют около 100 млрд т.

Вторым по практической значимости металлом является медь.

Ее запасы в разведанных месторождениях составляют не более

250 млн т, поэтому в ближайшем будущем они будут исчерпаны.

В связи с этим сегодня обсуждается возможность замены меди

алюминием — третьим по распространенности элементом в зем-

ной коре. Но в наши дни алюминий добывается из бокситов, ко-

торых не так много на Земле. Поэтому ученые работают над воз-

можностью получения алюминия из повсеместно распространен-

ных пород — глины и алюмосиликатов вулканических пород.

В последнее время возросла роль редких металлов — тита-

на,

рубидия, тантала, лития и других. Они названы так потому,

что добываются в относительно небольших количествах. Хотя их

не так уж мало в земной коре, но пригодные для рентабельной

разработки месторождения этих металлов встречаются редко.

Тем не менее, использование редких металлов даже в небольших

количествах в качестве добавок позволяет намного улучшить

свойства применяемых в промышленности материалов. Напри-

мер, титан придает коррозионную стойкость, тантал использует-

ся для получения кислото- и термостойких сплавов, платина,

палладий и радий применяются в качестве катализаторов.

Промышленность нуждается не только в металлах, но и в

неметаллах — сере, фосфоре, азоте, кислороде, хлоре и в обра-

зуемых

ими соединениях. Запасы неметаллов вполне достаточны

и в обозримом будущем их дефицита не предвидится.

Так, сера на Земле встречается в чистом виде, в виде серной

руды (пирита), а также во многих минералах. Очень велики раз-

веданные запасы фосфорных месторождений. Важным элемен-

том является азот, применяющийся для производства удобрений

других промышленных продуктов. В земной коре его не очень

много, но атмосфера Земли содержит 78% азота. Нет недостатка

и в кислороде — самом распространенном элементе на Земле. С

его

участием протекают многие химические реакции. Кислород

в основном находится в связанном состоянии: в виде оксидов.

Кроме того, запасы кислорода постоянно восполняются благо-

379

даря процессу фотосинтеза, протекающему в зеленых растеши

В последнее время постоянно возрастает потребность в хлор

запасы которого велики в соляных залежах и морской воде. I ]

Одним из самых востребованных химических элементов я

ляется углерод, занимающий тринадцатое место по распростр

ненности в природе. Он содержится в карбонатных порода

(99,5%), в виде углекислого газа в атмосфере и воде

(0,5%)

Лишь 0,02% углерода приходится на уголь, нефть и газ, на до

бычу

и переработку которых ориентирована промышленность

энергетика. На сегодняшний день 90% всех органических

единений производится из нефти и природного газа. Но

разве

данных запасов нефти при нынешних темпах потребления хвал

только до 2050 г. Примерно на 80 лет хватит разведанных запаса

природного газа. А затем вновь придется вернуться к добыче

переработке угля, запасы которого велики, но не

бесконечт

Поэтому важнейшей задачей является разработка новых

технола

гий получения углеродного сырья из карбонатов и воздуха.

Поскольку полезные сырьевые запасы при современных

тев

пах потребления быстро истощаются и одновременно

накаплмвя

ется огромное количество отходов, важнейшей задачей

становго

ся включение этих отходов в новые производственные циклы,

чп

будет способствовать как сохранению природных ресурсов, так

охране окружающей среды.

Определенные успехи в использовании вторичного сырья

есп

Лучше всего налажено использование металлолома, в больших к(

личествах потребляемого промышленностью. Отработаны техно

логии

переработки использованной бумаги и картона,

позво

ляющие сберегать лес, но, к сожалению, этим материалом част

пренебрегают.

Намного хуже обстоит дело с вторичной переработкой

зол!

и шлаков, которые могут быть использованы в качестве напол

нителей цемента. Кроме того, из них можно извлекать железо

производить силикатные строительные материалы, но такой пе

реработки практически не происходит.

Из нефтяных отходов в хозяйственный цикл

возвращаете)

25—35%, хотя эта цифра могла быть гораздо выше. То же каса

ется использования пластмасс. Так, полистирол, поливинилхло

рид могут быть успешно возвращены в промышленность. К со

жалению, некоторые виды пластмасс (полиуретан) с трудом под

даются переработке.

Традиционные и новые материалы. Замена старых материалов но-

выми. Вещества, из которых изготавливается различная продукция,

380

называются материалами. Для каждого вида продукции нужны

свои материалы, обладающие определенными характеристиками.

Наряду с давно известными, апробированными материалами, тех-

нический прогресс производства требует создания новых материа-

лов,

обладающих уникальными

свойствами.

Кроме того, в связи с

истощением природных ресурсов возникает необходимость в заме-

не старых, традиционных материалов новыми и более доступными.

Среди давно используемых материалов в первую очередь нуж-

но назвать камень. Огромный период в истории человечества

получил название каменного века, так как основным материалом,

из

которого изготовлялись оружие и орудия труда, был камень.

Так же хорошо знакома человеку древесина и изделия из глины,

вначале из сырой, а позже — из обожженной. Около 6—7 тыся-

челетий назад человек научился обрабатывать металлы. Затем

были

получены первые сплавы, важнейшим из которых стала

бронза. И наконец, решающий шаг был сделан во II тысячеле-

тии до н.э., когда человек научился обрабатывать железо.

Современные технологии позволяют получить металлы с са-

мыми разными свойствами —

жаропрочные,

высокотвердые, ки-

слотоустойчивые и т.д.

По-прежнему в мире добывается огромное количество древеси-

ны. Но если раньше она использовалась в качестве топлива, строи-

тельного материала и материала для изготовления мебели, сегодня

сфера применения древесины значительно расширилась. Огромное

значение имеет выработка целлюлозы для бумажной промышлен-

ности, поскольку, несмотря на то что в последнее время бумага

производится из синтетических материалов, однако значительная

часть бумаги и картона до сих пор производится из древесины.

Кроме того, древесина постепенно становится важным химиче-

ским сырьем для получения искусственных веществ — текстиля,

топлива, сахара, белков, витаминов. Например, из 100 кг древе-

сины можно получить 20 л спирта, 22 кг кормовых дрожжей или

кг этилена. В производстве мебели и

стройиндустрии

совре-

менные химические технологии открывают новые возможности

использования

древесины. В частности, древесноволокнистые и

Древесностружечные плиты можно получать из любого древес-

ного материала, в том числе и из такого, который раньше счи-

тался отходами.

Стекло долгое время использовалось лишь в качестве укра-

шений. Затем из него стали делать посуду, оконные стекла и т.д.

XX в. умели выплавлять стекло более 800 разновидностей, из

чего производили около 43 тысяч различных изделий. Но стекло

381

ооладало

серьезным недостатком — оно было хрупким, изделия

него легко приходили в негодность. Поэтому

важнейшей

задач

ученых и инженеров в XX в. стало получение небьющегося

стекл

Это стало возможным лишь в

20—ЗО-е

годы XX в., когда

б[

на выяснена структура стекла, после чего было налажено

про!

водство

не только небьющегося, но и жаропрочного стекла,

сп

собного выдерживать перепад температур до

1000"

С.

Кроме того, было получено стекло, которое можно было

о(

рабатывать,

как обычный металл. А композиционные материала

изготовленные из химически обработанного стекла со слоя»

пластика, обладают прочностью металла (бронестекло).

Стекла с напыленным на них тонким слоем металла лето

задерживают лучи палящего солнца, а зимой сохраняют тепло.

Производится огромное количество стекловолокнистых м

териалов, которые используются для армирования,

отделк

склеивания, декорирования, изолирования и т.п. Некоторые вид

стекловолокна используются в качестве светопровода, по кото

рому можно передавать большое количество

информации.

Помимо традиционного стекла, являющегося хорошим

из<

лятором, в последнее время появилось стекло с

полупроводш

ковыми свойствами, которое изготавливается методом

тонког

леночной технологии.

Таким образом, область применения стекла постоянно

рас

ширяется, традиционный материал приобрел новые свойства.

Меняют в наши дни свои свойства также силикатные и ке

рамические

материалы,

уже давно известные человеку. Сегодн

90% всех производимых в мире строительных материалов при

ходится на силикаты. К ним относятся бетон и цемент. В

хозя*

ственной

деятельности широко используются высокопрочны

полимербетон; огнеупорный бетон, выдерживающий

температур

ру до 1800° С; легкий бетон, в который можно забивать

гвозд*

бетон с высокими теплоизолирующими свойствами;

бетой

с ма

лым влагопоглощением.

Традиционная керамика — это фаянс, фарфор, каменная ке

рамика. Она получается из смеси глины, кварца и

полевоп

шпата, обработанной при высокой температуре. Из нее

изготаа

ливаются кирпичи разных видов, изоляторы, а также различны

виды посуды. В последнее время была получена керамика высо-

кой термической и коррозионной стойкости и прочности. Неко-

торые материалы начинают разрушаться только при

температур*

выше 1600°С. В сосудах из такой керамики можно плавить

ме

таллы, из нее можно делать камеры сгорания для

космически*

ракет и детали для металлорежущих инструментов. А в начале

382

90-х годов XX в. был синтезирован керамический материал на

основе оксидов меди, обладающий свойством высокотемпера-

турной

сверхпроводимости — он переходит в сверхпроводящее

состояние при 170 К.

В XX в. наряду с традиционными материалами появились

новые — полимерные и синтетические. Они находят все боль-

шее применение, потеснив традиционные материалы.

На основе природных или синтетических полимеров полу-

чают пластмассы — материалы, способные приобретать задан-

ную форму при нагревании под давлением и устойчиво сохра-

нять ее после охлаждения.

| Полимеры — это искусственные органические соединения,

построенные из макромолекул, которые состоят из множества

малых основных молекул — мономеров.

Процесс их образования зависит от множества факторов. Ва-

риации и комбинации этих факторов позволяют получить мно-

жество разновидностей полимерной продукции с различными

свойствами.

Массовое производство различных видов пластмасс было на-

лажено только во второй половине XX в., хотя первые пластмас-

сы были получены еще в конце

XIX

в. Около 2/3 мирового про-

изводства полимеров составляют материалы массового промыш-

ленного потребления. К ним относятся:

• полиэтилен, из которого делают пластиковые сумки, игруш-

ки, различного рода емкости, изоляционные покрытия для

проводов и кабелей;

• политетрафторэтилен (кухонная посуда и изоляционные

материалы);

• полипропилен (ковровые изделия, синтетические покры-

тия для спортивных площадок);

• поливинилхлорид (пластиковые упаковки, трубы, шланги

для полива, детали системы внутренней канализации);

• полистирол (изоляционные материалы, мебель, упаковоч-

ные материалы);

• полиакрилонитрил (пряжа, ткани, парики);

• поливинилацетат (клеи, краски, текстильные покрытия);

• полиметилметакрилат (заменители стекла, краски).

Сегодня созданы пластмассы, способные заменить металлы,

термостойкие пластмассы для авиационной и ракетной техники.

Все больше пластмасс используется в строительстве — пластмас-

совые рамы, облицовочные материалы, кровля и т.д. Существуют

проекты создания полностью пластмассовых автомобилей, хотя

сейчас доля пластмасс в автомобилестроении по сравнению с

металлами становится все большей.

383

более

эффективны,

чем

старые. Кроме того, мы уже говорили о

1ефиците

традиционных видов сырья, которым нужно искать за-

менители. Поэтому исследования ученых направлены на изуче-

ние и использование силикатов, составляющих 97% массы зем-

ной коры. Именно они должны стать основным сырьем для про-

изводства всех строительных материалов и полуфабрикатов при

изготовлении керамики, способной конкурировать с металлами.

Внимание химиков к металлам и керамике неслучайно,

именно они составляют на 90% современную материально-

техническую базу производства. В мире ежегодно производится

около 600 млн тонн металла — более

150

кг на каждого жителя

планеты. Примерно столько же производится и керамики вместе

с кирпичом. Но металлов не так много, кроме того, их изготов-

ление обходится в сотни и тысячи раз дороже, чем получение

керамики. Разница в их стоимости до недавнего времени никого

особенно не волновала, так как каждый материал имел свое

строго определенное назначение. Но сегодня благодаря химии

открывается все больше возможностей для замены металла кера-

микой. Очевидное преимущество керамики в том, что ее плот-

ность на 40% ниже, чем плотность металлов, что позволяет сни-

зить

массу изготовляемых из керамики деталей. А при использо-

вании

в производстве керамики таких химических элементов, как

цирконий,

титан, бор, германий, хром,

молибден,

вольфрам и

1р., можно получать керамические изделия с заранее заданными

свойствами. Как уже говорилось выше, в последнее время была

синтезирована огнеупорная, термостойкая, высокотвердая кера-

мика с набором заданных электрофизических свойств.

Так, еще в 60-е годы XX в. в нашей стране был получен

сверхтвердый материал гексанит — одна из разновидностей нит-

рида бора с температурой плавления

3200°С

твердостью,

близ-

кой к твердости алмаза. У него отсутствует

хрупкость,

присущая

кг-рамике.

Такая керамика производится методом прессования по-

рошков с получением необходимых форм и размеров, что делает

ненужной механическую обработку изделий.

Еше одна революционная новация в химии — производство

шментооргантеских

соединений. Это соединения, в состав ко-

торых входят как органические элементы (углерод, водород, се-

ра, 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 свойст-

вами и незаменимыми

авиации и энергетике. Фторорганиче-

ские соединения исключительно устойчивы даже в очень агрес-

К полимерным материалам относится и каучук, из

которог

изготавливается всем известная резина. Натуральный каучук

сих пор добывают из каучукового дерева в Бразилии и

Индою

тае. Но он имеет сравнительно невысокую термостойкость

подвержен старению. Кроме того, количество натурального ка

чука недостаточно для современной промышленности.

Поэто]

химики разработали способы получения синтетического каучу

с заданными свойствами. Таким образом восполняется

нехвад

природного сырья и производится продукция с

высокими

пок

зателями износостойкости, химической стойкости. Эти

матерщ

лы применяются в обувной промышленности, в машиностро

нии и для производства шин.

Настоящая революция произошла в текстильной

промышле!

ности, в которой постоянно увеличивается доля

искусственщ

тканей и синтетических материалов. Более 50% современных вода

кон производится из материалов, синтезированных за

последннЯ

полвека, — вискозы, полиамида, полиакрилонитрила и

полиэфЛ

ров. Кроме того, разработаны технологии химической обработки

и отделки тканей из натуральных волокон

(например,

обработЛ

шерсти для обеспечения устойчивости против моли,

уменьшен™

усадки материала и придания ему

несминаемости,

обеспечении

антистатических, антимикробных и грязеотталкиваюших

свойст^И

Сегодня химики работают над созданием нового

поколе*^И

искусственных волокон со свойствами, максимально

прибл^И

женными к естественным материалам. Уже созданы ткани,

^Ш

ладающие

высокой степенью защиты от солнечных лучей;

т^Ш

ни, обладающие лучшими свойствами льна, хлопка,

шерс^И

Появились микроволокна с диаметром в десять раз тоньше

вИ

лоса. Они позволяют ткать материалы мягкие,

защищающиеН

сырости, но пропускающие при этом воздух к телу.

Пустотел^И

волокна, также разработанные химиками, лучше

противостой

холоду. Есть волокна с триклозаном — веществом,

останавл»

вающим размножение микробов. Одной из

разновидностей

сии-*

тетических тканей является кевлар — материал, который в

пя1В

раз прочнее на разрыв, чем сталь. Он идет на

изготовление

пу4

ленепробиваемых

жилетов, курток и т.д. Создание

космический

скафандров — также заслуга химиков, создавших

уникальнуЛ

ткань: в нее встроены миллионы микроскопических капсул с

парафином, которые при нагревании плавятся, забирая тепло У.

веществ, находящихся рядом, а при охлаждении они отвердевав

ют и выделяют тепло, нагревающее космонавта.

Сегодня на смену старым материалам во всех областях

хозяЙИ

ства

приходят новые. Это связано с тем, что новые

материал!*!