Лекция 7. Система современного химического знания.

1. Предмет, объект и методы химии. Эволюция химических знаний и современная химическая картина мира.

2. Химические вещества.

3. Растворы.

4. Химические процессы.

5. Химия экстремальных состояний.

1. Предмет, объект и методы химии.

Химия – это наука о строении, структуре и свойствах веществ, а также реакциях, в которых одни вещества превращаются в другие.

Объектом химии выступает материя, предметом – элементы ее строения и процессы, возникающие между ними.

В химии первичным понятием считается “чистое вещество”, а вторичными – смеси и растворы. Смеси можно разделить на чистые вещества физическими методами. Часть вещества, однородная во всем своем объеме, называется гомогенной. Гомогенные смеси называются растворами (смесь поваренной соли и воды). Неоднородные смеси называются гетерогенными (смесь воды и глины).

Вещества разделяют на простые и сложные (соединения). Вещество, которое нельзя разложить, называют либо элементарным, либо просто химическим элементом. Элементы классифицируются на металлы (золото, платина, серебро, железо, медь, алюминий, кальций, ртуть и т. д.) и неметаллы (сера, фосфор, углерод, азот, хлор, кислород и т.д.).

Вещество, которое можно разложить на два или более веществ, является химическим соединением (вода, кислоты, соли и т.д.). Качества различных веществ характеризуются их физическими и химическими свойствами. Физические – это свойства, которые можно наблюдать и изучать, не превращая данное вещество в другое. Химические свойства определяют способность данного вещества участвовать в каких-либо химических реакциях, в связи с чем часто используется понятие “реакционная способность” вещества.

Одним из наиболее важных параметров химической реакции (который одновременно служит условием ее протекания) является температура. Во-первых, температура является мерой интенсивности теплового движения молекул, из которых состоит тело. Во-вторых, температура – это свойство, которое определяет направление перехода тепловой энергии от одного объекта к другому (нагревание или охлаждение). При этом реакции, сопровождающиеся выделением тепловой энергии, называются экзотермическими. Реакции, идущие с поглощением тепловой энергии, - эндотермическими.

Под химическим процессом понимаются превращения одного или нескольких исходных веществ в отличающиеся от них по химическому составу или строению вещества. Химические процессы подчиняются всеобщим законам природы – закону сохранения массы вещества, закону постоянства состава и закону сохранения энергии.

Закон сохранения массы в химических процессах можно сформулировать так: сумма масс исходных веществ (соединений) равна сумме масс продуктов химической реакции. Например, при разложении воды масса воды будет равна сумме массы водорода и массы кислорода. Из закона сохранения вещества вытекает, что вещество нельзя ни создать из ничего, ни уничтожить совсем. Количественным выражением закона сохранения массы веществ применительно к производственному химическому процессу является материальный баланс, в котором подтверждается, что масса веществ, поступивших на технологическую операцию (приход), равна массе полученных веществ (расход). Рассматриваемый закон был открыт М.В. Ломоносовым (1748 г.) и А. Лавуазье (1789 г.) практически независимо друг от друга.

Закон постоянства состава. Впервые сформулирован Ж. Прустом (1808 г.): любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным неизменным составом, прочным притяжением составных частей (атомов) и тем отличается от смесей. Теоретически закон постоянства состава обосновал Д. Дальтон (1803 г.). На основе идеи об атомистическом строении вещества он утверждал, что соединения состоят из атомов двух или нескольких элементов, образующих определенные сочетания друг с другом (закон кратных отношений). В смесях отсутствуют тесные взаимодействия между атомами, которые характерны для соединений. Другими словами, постоянство состава химических соединений обусловлено физической природой химических связей, объединяющих атомы в одну квантомеханическую систему – молекулу.

Закон сохранения энергии действует во всех случаях и повсюду, где одна форма энергии переходит в другую, например, при переходе энергии пара в турбине в энергию вращательного движения, т.е. механическую энергию, при переходе электрической энергии в электрической лампочке в световую и т.д. Так же как нельзя ни уничтожить, ни создать вещество, нельзя ни создать, ни уничтожить энергию.

Специфическим видом энергии является химическая энергия, которая освобождается или расходуется при каждой химической реакции. Химическую энергию, как и любой вид энергии, можно превратить в механическую (использование взрывчатых веществ), тепловую (сжигание топлива), электрическую (гальванические элементы) и т.п. Измерить химическую энергию непосредственно нельзя. Ее величина определяется как величина тепловой энергии в килоджоулях (кДж).

Основными методами химии выступают метод химического синтеза и метод химического анализа.

Под методом химического синтеза понимают производство сложных соединений из исходных элементов (например, производство искусственного каучука, камфоры и т.п.). Материалы, полученные в результате синтеза, называют синтетическими. Химическое разложение, в результате которого получаются простейшие вещества, называется химическим анализом. Все известные на сегодня элементы в систематизированном виде в соответствии с периодическим законом, открытым Д.И. Менделеевым, расположены в периодической системе химических элементов.

Химический анализ включает в себя:

• спектральный анализ – совокупность методов определения состава объекта на основании изучения спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения, радиации, акустических волн, распределения по массам и энергиям элементарных частиц и т.д. Традиционно различают атомный и молекулярный спектральный анализ, “эмиссионный” по спектрам испускания и “абсорбционный” по спектрам поглощения, а также “масс-спектрометрический” по спектрам масс атомарных и молекулярных ионов. Спектральный анализ по оптическим спектрам атомов был предложен в 1859 г. Г. Кирхгофом и Р. Бунзеном. С его помощью гелий был открыт на Солнце раньше, чем на Земле;

• хроматографию – метод разделения и анализа смесей веществ, а также изучения физико-химических свойств веществ. Основан на распределении веществ между двумя фазами – неподвижной и подвижной (элюентом). Название метода связано с первыми эеспериментами по хроматографии, в ходе которых в 1900 г. русский разработчик метода М. Цвет разделял ярко окрашенные растительные пигменты. Традиционно хроматография делится на два вида – газовую (газожидкостная и газотвердофазная) и жидкостную (жидкостно-жидкостная, жидкостно-твердофазная, жидкостно-гелевая);

полярографию – один из важнейших электрохимических методов анализа и исследования. Предложен Я. Гейровским в 1922 г. Измеряют предельный ток, величина которого пропорциональна концентрации определяемого вещества. Величину предельного тока находят по кривой зависимости силы тока от приложенного напряжения (такая кривая называется полярограммой). Для получения полярограммы нужно, чтобы поверхность катода была значительно меньше поверхности анода. Полярография применяется для количественного определения ряда ионов (кадмий, цинк, свинец и т.д.), некоторых органических веществ;

масс-спектрометрию – это метод исследования вещества путем определения отношения массы к заряду (качества) и количества заряженных частиц, образующихся при том или ином процессе воздействия на вещество. История масс-спектрометрии ведется с основополагающих пионерских опытов Дж. Томсона а начале ХХ в. Вторую часть “-метрия” термин получил после повсеместного перехода от детектирования заряженных частиц при помощи фотопластинок к электрическим измерениям ионных токов.

Существенное отличие масс-спектрометрии от других аналитических физико-химических методов состоит в том, что оптические, рентгеновские и некоторые другие методы детектируют излучение или поглощение энергии молекулами или атомами, а масс-спектрометрия непосредственно детектирует сами частицы вещества.

Методология судебно-химического анализа. Основной задачей судебно-химической экспертизы является выбор оптимального метода изолирования веществ. Для обнаружения и идентификации химических и лекарственных веществ используются как предварительные методы (цветные реакции, тонкослойная хроматография, иммунноферментные методы), так и подтверждающие-нструментальные (спектрофотометрия в видимой, УФ- и ИК-областях, атомно-абсорбционная спектрофотометрия, газожидкостная хроматография, высокоэффективная жидкостная хроматография, хроматомасс-спектрометрия).

Судебно-химическое исследование может быть проведено на определенное соединение, группу веществ или на неизвестное вещество по схеме общего судебно-химического исследования в зависимости от вопросов, поставленных в сопроводительном документе. Если в ходе исследования возникает необходимость в проведении анализа на другие вещества, то эксперт обязан расширить исследование.

Химические методы занимают важное место в судебно-почвоведческой экспертизе, которая включает в себя экспертизу почвенных наслоений на объект-носителе, землеустроительную экспертизу, эколого-почвоведческую экспертизу, минералогическую экспертизу.