Другие направления химического производства
§ расширение применения химических технологий, замена естественных источников сырья искусственными аналогами;
§ повышение эффективности производства аграрной сферы (создание минеральных удобрений);
§ экологизация химический технологий (создание замкнутых производственных циклов).
Эволюция химии (6)
Процесс самоорганизации предбиологических систем
§ к элементам-органоменам относятся 6 элементов (S, H, O, P, S, N) – их доля в организме – 97,4%;
§ еще 12 элементов являются важнейшими компанентами живых систем – Na, K, Ca, Mg, Fe, Zn, Si, Al, Cl, Cu, Co, B;
§ углеводород, способны образовывать, множество связей с другими элементами, входит в состав 8 млн. хим. Соедненй;
§ при строительстве биологических систем прродой задействовано лишь несколько сотен органических соединений.
Как протекал процесс самоорганизации живых систем:
§ вектор эволюции были католизаторы, которые появились вместе с первыми химическими соединениями;
§ вслед за неорганическими стали проявляться простейшие органические соденинения;
§ роль катализаторов возрастала и осуществлялась в отношении тех продуктов, у которых ыбло больше количество химических связей и в навравлении их энергоемкости.
Теория химической эволюции
§ в 1969 г. была разработана теория химической эволюции. Сущность ее заключалась в том, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталических систем, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы;
§ эволюционные изменения происходят в напрвдении тех катализаторов, которые проявляют максимальную активность;
§ эволюционируют те каталические систем, которые обладают базисной энергии реакции.
Современные подходы к классификации химических веществ. Многообразие химических веществ. (вопрос № 24).
Роль Д. И. Менделеева в становлении химии как науки. (вопрос № 25)
Периодическая система Д.И. Менделеева
§ Окончательная идея систематизации химических элементов принадлежит Д.И. Менделеву 1869 г.
Периодический закон
§ Д.И. Менделеев открыл переодический закон химических элементов;
§ Свойства простых веществ, а также их соединений, находятся в периодической зависимости от их атомов веса;
§ Этот закон составляет основу построения периодической системы.
Учение о химических процессах. (вопрос № 26)
Учение о химических процессах – область науки, в которой осуществлена наиболее глубокая интеграция физики, химии и биологии. В основе этого учения находится химическая термодинамика и кинетика, поэтому оно в равной степени принадлежит физике и химии.
Учение о химическом процессе базируется на идее, что способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется кроме всего и условиями протекания химических реакций, которые могут оказывать воздействие на характер и результаты этих реакций.
Важнейшей задачей химиков становится умение управлять химическими процессами, добиваясь нужных результатов.
Для управления химическими процессами разработаны термодинамический и кинетический методы.
Термодинамические методы преимущественно влияют на направление химических процессов, а не на их скорость.
Скорость химических процессов управляет химическая кинетика, в которой изучается зависимость протекания химических процессов от строения реагентов, их концентрации, наличия в реакторе катализаторов и других добавок, и т.п.
Химическая кинетика объясняет качественные и количественные изменения в химических процессах и выявляет механизм реакции. Реакции проходит, как правило, ряд последовательных стадий, которые составляют полную реакцию. Скорость реакции зависит от условий протекания и природы веществ, вступивших в нее.
Катализ – ускорение химической реакции в присутствии особых веществ – катализаторов, которые взаимодействуют с реагентами, но в реакции он не расходуется и не в ходит в конечный состав продуктов. Он был открыт в 1812 г. российским химиком Кирхгофом.
Сущность катализатора сводится к следующему:
§ Активная молекула реагента достигается за счет их неполновалетного взаимодействия с веществом катализатора и состоит в расслаблении химических связей реагента;
§ В общем случае любую каталическую реакцию можно представить через промежуточный комплекс, в котором происходит перераспределение расслабленных химических связей.
Применение катализаторов изменило всю химическую промышленность.
Химия плазмы изучает химические процессы в низкотемпературной плазме при 1000-10 000 С. Такие процессы характеризуются возбужденным состоянием частиц, столкновением молекул с заряженными частицами и очень и очень высокими скоростями химических реакций. В плазмохимических процессах скорость перераспределения химических связей очень высока, поэтому они очень производительны.
Химические процессы изучают химия, физика и биология. Перед химической наукой стоит принципиальная задача – научиться управлять химическими процессами. Дело в том, что некоторые процессы не удается осуществить, хотя в принципе они осуществимы, другие трудно остановить – реакции горения, взрывы, а часть из них трудноуправляема, поскольку они самопроизвольны создают массу побочных эффектов.
Органические и неорганические соединения (вопрос № 27)
Органические соединения - класс химических соединений, в состав которых входит углерод (за исключением карбидов, угольной кислоты, карбонатов, оксидов углерода и цианидов).
Основные классы органических соединений биологического происхождения — белки, липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты — содержат, помимо углерода, преимущественно водород, азот, кислород, серу и фосфор.
Соединения углерода с другими элементами составляют — элементоорганические соединения. Металлоорганические соединения содержат связь металл-углерод и составляют обширный подкласс элементоорганических соединений.
Характерные черты:
§ Различная топология образования связей между атомами, образующими органические соединения (прежде всего, атомами углерода), приводит к появлению изомеров — соединений, имеющих один и тот же состав и молекулярную массу, но обладающих различными физико-химическими свойствами. Данное явление носит название изомерии.
§ Явление гомологии — существование рядов органических соединений, в которых формула любых двух соседей ряда (гомологов) отличается на одну и ту же группу. Целый ряд физико-химических свойств в первом приближении изменяется симбатно по ходу гомологического ряда. Это важное свойство используется в материаловедении при поиске веществ с заранее заданными свойствами.
Органические соединения подразделяются:
Органические соединения:
§ Углеводороды
· Ациклические соединения
Ø Предельные углеводороды (алканы)
Ø Непредельные углеводороды
ü Алкены
ü Алкины
ü Алкадиены (диеновые углеводороды)
· Циклические углеводороды
Ø Карбоциклические соединения
ü Алициклические соединения
ü Ароматические соединения
Ø Гетероциклические соединения
§ Другие классы органических соединений
· Спирты, Фенолы
· Альдегиды, Кетоны
· Карбоновые кислоты
· Сложные эфиры
· Жиры
· Углеводы
Ø Моносахариды
Ø Олигосахариды
Ø Полисахариды
Ø Мукополисахариды
· Амины
· Аминокислоты
· Белки
· Нуклеиновые кислоты
Неорганические соединения
Неорганическое вещество или неорганическое соединение — это химическое вещество, химическое соединение, которое не является органическим, то есть оно не содержит углерода (кроме карбидов, цианидов, карбонатов, оксидов углерода и некоторых других соединений, которые традиционно относят к неорганическим). Неорганические соединения не имеют характерного для органических углеродного скелета.
Все неорганические соединения делятся на две большие группы:
§ Простые вещества — состоят из атомов одного элемента;
· металлы (Li, Na, K, Mg, Ca и др.);
· неметаллы (F2, Cl2, O2, S, P и др.);
· амфотерные простые вещества (Zn, Al, Fe, Mn и др.);
· благородные газы (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn).
§ Сложные вещества — состоят из атомов двух или более элементов.
§ оксиды:
Ø осно́вные оксиды (CaO, Na2O и др.);
Ø кислотные оксиды (CO2, SO3 и др.);
Ø амфотерные оксиды (ZnO, Al2O3 и др.);
Ø двойные оксиды (Fe3O4 и др.);
Ø несолеобразующие оксиды (CO, NO и др.);
§ Гидроксиды:
Ø основания (NaOH, Ca(OH)2 и др.);
Ø кислоты (H2SO4, HNO3 и др.);
Ø амфотерные гидроксиды (Zn(OH)2, Al(OH)3 и др.);
§ соли:
Ø средние соли (Na2SO4, Ca3(PO4)2 и др.);
Ø кислые соли (NaHSO3, CaHPO4 и др.);
Ø осно́вные соли (Cu2CO3(OH)2 и др.);
Ø двойные и/или комплексные соли (CaMg(CO3)2, K3[Fe(CN)6], KFeIII[FeII(CN)6] и др.).
§ бинарные соединения:
Ø бескислородные кислоты (HCl, H2S и др.);
Ø бескислородные соли (NaCl, CaF2 и др.);
Ø прочие бинарные соединения (AlH3, CaC2, CS2 и др.).
Высокомолекулярные органические соединения. Эволюционная химия. (вопрос № 28)
Высокомолекулярные соединения
Высокомолекулярными соединениями (полимерами) называются органические вещества, молекулы которых состоят из большого количества повторяющихся звеньев.
В строении полимера можно выделить мономерное звено — повторяющийся структурный фрагмент, включающий несколько атомов. Полимеры состоят из большого числа повторяющихся группировок (звеньев) одинакового строения, например поливинилхлорид, каучук натуральный и др. Высокомолекулярные соединения, молекулы которых содержат несколько типов повторяющихся группировок, называют сополимерами или гетеро полимерами.
Особые механические свойства:
§ эластичность — способность к высоким обратимым деформациям при относительно небольшой нагрузке (каучуки);
§ малая хрупкость стеклообразных и кристаллических полимеров (пластмассы, органическое стекло);
§ способность макромолекул к ориентации под действием направленного механического поля (используется при изготовлении волокон и плёнок).
Особенности растворов полимеров:
§ высокая вязкость раствора при малой концентрации полимера;
§ растворение полимера происходит через стадию набухания.
Особые химические свойства:
§ способность резко изменять свои физико-механические свойства под действием малых количеств реагента (вулканизация каучука, дубление кож и т. п.).
Особые свойства полимеров объясняются не только большой молекулярной массой, но и тем, что макромолекулы имеют цепное строение и обладают гибкостью.
По химическому составу все полимеры подразделяются на органические, элементоорганические, неорганические.
§ Органические полимеры.
§ Элементоорганические полимеры. Они содержат в основной цепи органических радикалов неорганические атомы (Si, Ti, Al), сочетающиеся с органическими радикалами. В природе их нет. Искусственно полученный представитель — кремнийорганические соединения.
По форме макромолекул полимеры делят на линейные, разветвленные (частный случай — звездообразные), ленточные, плоские, гребнеобразные, полимерные сетки и так далее.
Природные органические полимеры образуются в растительных и животных организмах. Важнейшими из них являются полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты, из которых в значительной степени состоят тела растений и животных и которые обеспечивают само функционирование жизни на Земле. Считается, что решающим этапом в возникновении жизни на Земле явилось образование из простых органических молекул более сложных — высокомолекулярных (см. Химическая эволюция).
Эволюционная химия
Эволюционная химия — четвертая концептуальная система химии, связанная с включением в химическую науку принципа историзма и понятия времени, с построением теории химической эволюции материи. Эволюционная химия изучает процессы самоорганизации вещества: от атомов и простейших молекул до живых организмов.
Одним из первых открытий, которые относят к эволюционной химии, является эффект самосовершенствования катализаторов в реакциях, исследованный в работах американских химиков А. Гуотми и Р. Каннингем в 1958—1960 гг. В 1964—1969 гг. советский химик А. П. Руденко, учитывая это открытие, создал теорию саморазвития открытых каталитических систем. В работах немецкого химика М.Эйген была развита теория гиперциклов, объясняющая объединение самовоспроизводящихся макромолекул в замкнутые автокаталитические химические циклы. Теория гиперциклов является абиогенетической теорией химической эволюции и происхождения жизни. В 1987 году Нобелевский лауреат Жан-Мари Лен, основатель супрамолекулярной химии, ввёл понятие супрамолекулярной самоорганизации и само сборки для описания явлений упорядочения в системах высокомолекулярных соединений. Супрамолекулярной самосброской является процесс спонтанной ассоциации двух и более компонентов, приводящий к образованию супер молекул или полимолекулярных ансамблей, происходящий за счет не ковалентных взаимодействий. Это процесс был описан при изучении спонтанного образования неорганических комплексов (двойных геликонов), протекающего как процесс самосброски. Наиболее известным проявлением самосброски в живой природе является самосброска молекул нуклеиновых кислот, матричный синтез белков.
Теории происхождения жизни на Земле (вопрос № 29)
История развития представлений о возникновении жизни
Самозарождение жизни - была распространена в Древнем Китае, Вавилоне и Древнем Египте в качестве альтернативы креационизму, с которым она сосуществовала. Аристотель (384—322 гг. до н. э.), которого часто провозглашают основателем биологии, придерживался теории спонтанного зарождения жизни. Согласно этой гипотезе, определённые «частицы» вещества содержат некое «активное начало», которое при подходящих условиях может создать живой организм. Аристотель был прав, считая, что это активное начало содержится в оплодотворенном яйце, но ошибочно полагал, что оно присутствует также в солнечном свете, тине и гниющем мясе.
Креационизм - теологическая и мировоззренческая концепция, в рамках которой основные формы органического мира (жизнь), человечество, планета Земля, а также мир в целом, рассматриваются как непосредственно созданные Творцом или Богом.
Теория стационарного состояния – согласна теории, Земля никогда не возникала, а существовала вечно; она всегда была способна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень незначительно. Согласно этой версии, виды также никогда не возникали, они существовали всегда, и у каждого вида есть лишь две возможности — либо изменение численности, либо вымирание.