Учебник для вузов Издательство: Питер, 2008 г.; 336 стр - shikardos.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
Похожие работы
Учебник для вузов Издательство: Питер, 2008 г.; 336 стр - страница №3/9

Глава 4 ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫЕ ЗНАНИЯ О ВЕЩЕСТВЕ
4.1. Химия как наука. Краткая историческая справка. Проблемы и перспективы современной химии

Согласно общепринятому определению,


► химия – это наука о веществах и их превращениях, или, как вариант, наука о химических элементах и их соединениях.

В этих определениях подразумевается структурный уровень изучения вещества и, так сказать, «разделение полномочий» между физикой и химией. Физика изучает строение атома и мир элементарных частиц (атомный и нуклонный уровень микромира), с одной стороны, и проявление физических свойств веществ, пребывающих в разных агрегатных состояниях, – с другой (классические механика и электродинамика, теплофизика как изучение явлений макромира). Химия же рассматривает процессы «сборки» молекул из атомов, традиционно называемые «химическими реакциями», а также проявление химических свойств веществ, то есть способность веществ вступать в химические реакции определенного вида. Таким образом, структурный уровень вещества, изучаемый в химии, оказывается помещенным между двумя «физическими» уровнями структуры вещества, а «химические» явления происходят на границе микромира и макромира.

Химия – полноправный представитель семейства точных естественных наук, то есть химическое научное знание сформировано из теорий, законов и закономерностей, формулировки которых исключают множественное толкование и которые многократно подтверждены и проверены на практике. И, как для любой естественной науки, для химии имеют большое значение проверяемость, достоверность и воспроизводимость результатов, доказательность знания, соответствие научных теорий и наблюдаемых фактов.

Химия – рациональная наука, даже гипотезы в химии имеют чисто рациональный характер. Современная химия счастливо избежала того «налета» иррациональности, который присутствует в физике, биологии, астрономии, особенно когда обсуждаются вопросы происхождения Вселенной, вещества и жизни. Традиционно также слаба связь химии и философии (в течение последних 250–300 лет после исключения алхимических представлений из химии). И в дискуссиях между ортодоксальными «материалистами» и «идеалистами» химики всегда остаются в стороне, а оппоненты прибегают к разным аспектам химического знания для доказательства своих, порой противоположных по сущности, доводов.

И хотя современная химия имеет очень мало общего с алхимией средних веков, а алхимические тексты интересны для нас, ученых XXI столетия, с литературно-исторической, но никак не научной точки зрения, забавно, что свое название «химия» получила именно от алхимии. Название же «алхимия» исходит, предположительно, от слова «Кеми»; страна Кеми (или Кемь) – одно из старинных названий современного Египта, откуда, согласно средневековым легендам, были родом первые алхимики.

Химия развивалась и развивается традиционно в двух направлениях – как фундаментальная наука (создание и изучение теоретических основ химического знания) и как наука прикладная (решение практических задач применения различных химических соединений). И если в XVIII–XIX вв. второе направление развивалось более интенсивно, обслуживая промышленную революцию, а теоретическое направление вынуждено было «догонять» в попытке объяснить и систематизировать быстро растущий объем химических знаний, то все изменилось на рубеже XIX–XX вв. и особенно в начале XX в. Великие открытия в физике микромира, приведшие к смене парадигмы естествознания, предопределили развитие теоретической неорганической и органической химии в свете квантовых представлений. Таким образом был усовершенствован механизм объяснения химического строения и структуры вещества, и в дальнейшем оба направления химической науки развивались уже в тесном взаимодействии, решая основную проблему современной химии – получение (синтез) вещества с заданными свойствами. Важным этапом решения этой задачи является решение проблемы управления свойствами вещества. Химия как наука не только о химическом составе и структуре вещества, но и о химических процессах, развивается в рамках парадигмы современного естествознания – квантово-релятивистской механики. В частности, существует фундаментальная химическая наука – квантово-органическая химия, которая изучает механизмы органических реакций с позиции квантовых представлений.

Однако наряду с квантовой химией сосуществует и классическая химия, например химия анализа состава вещества и химия промышленного синтеза известных продуктов, где для выполнения рутинных процедур не обязательно прибегать к квантовым представлениям.

4.2. Химический элемент. Строение атома. Периодический закон

Объект изучения химической науки, лежащий в основе всех теоретических представлений о составе и структуре вещества, некое простое начало, из которого собираются сложные системы, так сказать, элемент, – это атом в его современном определении.

► Атом – электронейтральная система взаимодействующих элементарных частиц. Составные части атома – ядро и электроны.

Электрон – истинная элементарная частица, заряженная отрицательно. Ядро состоит из частиц двух типов: положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Оба типа частиц имеют общее название «нуклоны» и относятся к классу адронов и, как и другие андроны, в свою очередь сами состоят из элементарных частиц – кварков; поэтому протон и нейтрон в строгом смысле элементарными частицами не являются. Протоны и нейтроны характеризуются одинаковой массой, равной 1,67 · 10-24 г, называемой «атомной единицей массы» (сокращенно – а. е. м.); электрон же намного легче нуклонов, его масса равна 0,00055 а. е. м. Из этих данных понятно, что наибольший вклад в массу атома вносят именно нуклоны. Достаточно большое разнообразие элементов (и их изотопов) обеспечивается наличием частиц всего трех типов, которые принимают участие в создании атомов.

► Химический элемент – это определенный вид атомов, характеризующийся одинаковым зарядом ядра.

Установлено, что численно заряд электрона (-1,6 · 10-19 Кл) и протона (1,6 · 10-19 Кл) равны и имеют название «условный единичный заряд»; для соблюдения правила электронейтральности атомов необходимо, чтобы сумма условных единичных зарядов была равна нулю, то есть чтобы количества протонов и электронов в атоме были одинаковы. А вот количество нейтронов в ядре атома, которое не влияет на суммарный заряд атома, может варьировать. Атомы одного и того же элемента, имеющие в ядре разное количество нейтронов и, соответственно, разную массу, называются изотопами.

Каждый элемент имеет свое название и краткое стандартное обозначение из одной или двух букв латинского алфавита (например, С – от лат. carbon – для углерода, Н – от лат. hydrogen – для водорода, Fe – отлат. ferrum – для железа). Из этих знаков складывается своеобразный язык химии – химические формулы, которые зашифровывают строение вещества; химические реакции тоже пишутся с использованием химических формул. Специальные международные конгрессы ИЮПАК (International Union of Pure and Applied Chemistry) неоднократно собирались в течение всего XX в. для того, чтобы привести к единому международному стандарту химические формулы и термины. Поэтому химикам разных стран не обязательно изучать иностранные языки, они хорошо понимают друг друга с помощью интернационального языка химиков.

В настоящее время известно 110 элементов. Некоторые элементы известны с древних времен (не в чистом виде, с возможными примесями, – например, железо, а также любимые алхимиками ртуть, сера), еще до того, как в XVII в. известный английский ученый Роберт Бойль дал первое научное определение понятия «химический элемент». Согласно его определению,

► Элемент – это простое тело, предел химического разложения вещества, переходящее без изменения из состава одного сложного тела в состав другого.

Примерно за 200 последующих лет, к моменту открытия Д. И. Менделеевым его знаменитой Периодической системы элементов, ученые владели знаниями о 63 элементах. Сравнительный анализ показывал, что многие элементы обладают похожими физическими и химическими свойствами и их можно объединять в группы, создавая тем самым классификацию химических элементов. Необходимость в подобной классификации как в удобном и эффективном методе познания свойств вещества, а главное, предсказания свойств известных к тому времени и еще не открытых элементов, стала настоятельной к середине XIX в.

Открытие в 1869 г. великим русским ученым Дмитрием Ивановичем Менделеевым Периодического закона и разработка Периодической системы химических элементов, в которой сумма знаний об элементах была приведена в стройный порядок, полностью решили эту задачу.

Менделеев считал, что основой классификации химических элементов являются их атомные веса. Периодический закон в его интерпретации был сформулирован следующим образом: «Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов». Менделеев не только классифицировал в своей системе известные к тому времени элементы, но и предсказал открытие новых элементов, для которых он зарезервировал определенные места в своей Периодической таблице, причем не только предсказал открытие, но и описал физические и химические свойства этих элементов. Все предсказанные Менделеевым элементы были впоследствии открыты разными учеными разных стран в XIX и ХХ вв. Среди них полоний и радий, открытые Пьером и Марией Кюри, радон, открытый Эрнстом Резерфордом, и др. Все пустые места в таблице Менделеева были заполнены, и сейчас таблица наращивается, продолжая заполняться новыми трансурановыми элементами, которые образуются в результате ядерного синтеза в искусственных условиях циклотронов, то есть ускорителей элементарных частиц.

Периодический закон и система Менделеева представляли собой гениальное эмпирическое обобщение фактов, а их физический смысл долгое время оставался непонятным. Происходило это потому, что ученые того времени не имели представления о сложной структуре атома. Открытие протона, нейтрона, электрона и других элементарных частиц, открытие деления ядра атома, разработка квантовой модели атома Бора-Резерфорда и квантовой физики в целом – все это научные реалии ХХ в.

На базе современных фундаментальных физических представлений периодический закон был сформулирован несколько иначе: «Свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атома».

В заключение следует сказать об изотопах элементов. Как правило, изотопы различных элементов не имеют собственных названий, а повторяют название элемента; при этом атомная масса данного изотопа – его единственное отличие от других изотопов этого же элемента – отражается с помощью верхнего индекса в химической формуле элемента: например, для изотопов урана – 235Ии 238U. Единственным исключением из правил номенклатуры изотопов является элемент № 1 – водород. Все три известных на настоящий момент изотопа водорода имеют не только собственные специальные химические символы, но и собственное название: 1Н – протий, 2D – дейтерий, 3Т – тритий; при этом ядро протия – это просто один протон, ядро дейтерия содержит один протон и один нейтрон, ядро трития – один протон и два нейтрона. С названиями изотопов водорода так исторически сложилось потому, что относительное различие масс изотопов водорода, вызванное добавлением одного нейтрона, является максимальным среди всех химических элементов.

Все изотопы можно подразделить на стабильные (устойчивые), то есть не подверженные самопроизвольному распаду ядер атомов на части (распад в таком случае называется радиоактивным), и нестабильные (неустойчивые) – радиоактивные, то есть подверженные радиоактивному распаду. Большинство широко распространенных в природе элементов состоит из смеси двух или большего числа стабильных изотопов: например, 16О, 12С. Из всех элементов наибольшее число стабильных изотопов имеет олово (10 изотопов), а, например, алюминий существует в природе в виде только одного стабильного изотопа – остальные его известные изотопы неустойчивы. Ядра нестабильных изотопов самопроизвольно распадаются, выделяя при этом α-частицы (дважды ионизованные атомы гелия, то есть два протона и два нейтрона) и β-частицы (электроны) до тех пор, пока не образуется стабильный изотоп другого элемента: например, распад 238U (радиоактивного урана) завершается образованием 206Pb (стабильного изотопа свинца). При изучении изотопов установлено, что они не различаются по химическим свойствам, которые, как нам известно, определяются зарядом их ядер и не зависят от массы ядер.

4.3. Химическое соединение, химическая связь

Многообразие объектов, изучаемых в рамках химии, вовсе не исчерпывается только элементами и изотопами. Химические элементы объединяются в более сложные системы, называемые химическими соединениями. На уровне микромира это описывается как образование из атомов более сложных (составных) частиц – молекул.

► Молекула – это электронейтральная наименьшая совокупность атомов, образующих определенную структуру посредством так называемых химических связей.



Химическая связь представляет собой одно из фундаментальных физических взаимодействий – электромагнитное. Возможность вступить в химическую связь атомы получают за счет потери своей электронейтральности в результате отрыва одного или нескольких электронов (положительный заряд) или присоединения одного или нескольких электронов (отрицательный заряд). Далее противоположно заряженные частицы – ионы – притягиваются к другу, нейтрализуя свои заряды и образуя в итоге молекулу химического соединения, обладающую свойством электро-нейтральности. В данном примере рассмотрена так называемая ионная химическая связь, характеризующаяся наивысшей энергией связи, возможной среди всех ее типов. Другие известные типы химической связи – ковалентная, донорно-акцепторная и др. – также связаны с электромагнитными взаимодействиями; только в этих случаях происходит не отрыв электронов от атома, а их некоторое смещение от нейтрального положения, в результате чего также образуется некий заряд.

► Процесс образования молекул из атомов называется химической реакцией.

Периодическая система элементов определяет для каждого элемента:

♦ тип и заряд заряженной частицы (иона);

♦ типы химических соединений, в которые могут вступать атомы данного элемента, то есть, по сути, химические формулы молекул;

♦ типы химических связей, которые могут реализоваться в таких молекулах;

♦ типы химических реакций, в которые может вступать данный элемент.

Молекулы могут содержать атомы только одного элемента, в этом случае такие вещества называются простыми. Многочисленные примеры – существование чистых металлов (особенно химически инертных драгоценных металлов – золота, платины), инертных газов – неона, радона и др. У некоторых простых веществ молекулы состоят из двух и более одинаковых атомов – это так называемые двухатомные газы, например кислородО2, галогены – газы фтор F2 и хлор Cl2, жидкость бром Br2, твердое вещество йод J2. Молекула известного газа озона содержит три атома кислорода по формуле О3, а молекула белого фосфора – четыре атома фосфора Р4.

Вещества, молекулы которых состоят из атомов разных элементов, называются сложными веществами, или химическими соединениями, например: соединения разных элементов с кислородом называются оксидами, с фтором – фторидами, с хлором – хлоридами. Все химические соединения объединены в классы, и названия соединений разных классов определяется согласно международным стандартам номенклатуры химических соединений ИЮПАК.

Традиционно химические соединения подразделяют на неорганические – соединения всех элементов Периодической системы, и органические – соединения углерода и некоторых других элементов, в которых атомы углерода соединены между собой в цепи (соответственно оформились фундаментальные направления химической науки – неорганическая и органическая химия). Всего химических соединений на настоящий момент известно несколько миллионов, и их количество постоянно растет за счет синтеза новых органических соединений.

В настоящее время известно 110 элементов, а число образуемых ими простых веществ – около 400. Такое различие объясняется способностью некоторых элементов существовать в виде различных простых веществ, отличающихся как по химическим, так и по физическим свойствам. Это явление получило название аллотропии, а сами различные вещества – аллотропными модификациями. Свойством образовывать аллотропные модификации обладают как простые вещества, например рассмотренные выше соединения двухатомный кислород и трехатомный озон (не менее известный пример – аллотропия углерода С: уголь, алмаз, графит, шунгит – химическая формула всех перечисленных соединений одна и та же), так и сложные соединения, например многочисленные аллотропные формы оксида кремния (речной песок, минерал кварц и др.) и оксида алюминия (глинозем и корунд).

4.4. Химическая реакция, ее скорость, кинетика и катализ, биокатализаторы

Для установления состава химических соединений очень важен закон постоянства их состава. Положения этого закона позволили химикам отделять настоящие химические соединения от простых смесей. Впервые в истории химии этот закон был сформулирован французским химиком Ж. Прустом в начале XIX в.:

► Любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным неизменным составом, прочным притяжением составных частей и тем самым отличается от смесей.

Теоретически закон постоянства состава обосновал английский естествоиспытатель Д. Дальтон в своем знаменитом законе кратных отношений: «соединения состоят из атомов двух или нескольких соединений, образующих определенные сочетания друг с другом». В его честь все химические соединения постоянного состава (а их подавляющее большинство среди веществ) называют дальтонидами.

Закон постоянства состава вещества использовал и Д. И. Менделеев при разработке своей периодической системы – постоянство состава соединений, которые может образовывать данный элемент, следует из его положения в периодической таблице Менделеева. Представление о составе вещества – одно из концептуальных понятий для химии как естественной науки. Постоянство состава химических соединений обусловлено физической природой химических связей, объединяющих атомы в одну квантово-механическую систему – молекулу.

Необходимость выработки строгих научных принципов относительно состава вещества позволила химикам успешно развить строгое научное понятие химической реакции как процесса образования новых химических соединений. В химической реакции участвуют исходные вещества, которые реагируют друг с другом и с течением времени превращаются в новые вещества, называемые продуктами реакции. Из закона постоянства состава вещества следует постоянство не только состава молекул продуктов реакции, но и постоянство количественных соотношений (массовых долей) исходных веществ.

► Стехиометрия – раздел химии, в котором рассматриваются массовые или объемные отношения между реагирующими веществами. Законы стехиометрии так же непреложны, как и любые другие естественнонаучные законы; кроме того, их знание очень полезно для прикладной химии, потому что позволяет количественно рассчитать выход химической реакции и необходимое количество исходных веществ.

Процесс получения новых химических соединений с учетом сте-хиометрических соотношений обычно записывается в виде уравнения химической реакции, например:

6HCL + 2HNO3 = 3CL2 + 2NO + 4H2O,

где

♦ химические формулы слева от знака равенства обозначают исходные вещества;



♦ химические формулы справа от знака равенства обозначают продукты реакции;

♦ цифры перед формулами химических соединений являются так называемыми стехиометрическими коэффициентами; они раскрывают массовые (или объемные) соотношения веществ.

В уравнении химической реакции нашел свое отражение еще один фундаментальный закон естествознания – закон сохранения вещества, открытый нашим соотечественником М. В. Ломоносовым и независимо от него – французом А. Л. Лавуазье. Именно в соответствии с этим законом и получается математическое выражение – уравнение: масса данного элемента слева от знака равенства должна быть равна массе этого же элемента справа от знака равенства, а стехиометрические коэффициенты уравнивают (не только математический, но и химический термин!) данную реакцию.

Проникновение математических понятий, выражений, терминов (уравнения, коэффициенты) в химию, смешение терминологий означает, что на важном историческом этапе формирования химии как науки (XVIII–XIX вв.) она развивалась в соответствии с научной парадигмой того времени – классической механикой. Применительно к химии эта парадигма могла бы быть выражена следующим образом: любой закон природы можно представить в виде математического соотношения, записываемого с участием химических формул.

Еще один интересный случай проникновения классического ньютоновского подхода в химию – понятие о скорости химической реакции. Пытаясь получить новые химические соединения, ученые-химики разных эпох неоднократно отмечали тот факт, что некоторые вещества реагируют друг с другом мгновенно, часто со взрывом, а другие – медленно, в течение нескольких часов (суток). Скорости многих химических процессов были установлены эмпирическим путем. И для вычисления скорости химических реакций было использовано ньютоновское представление о времени как о не зависящей от свойств вещества и пространства простой длительности. Процесс химической реакции можно рассматривать как процесс изменения концентраций начальных и конечных продуктов реакции, и, согласно классической механике, для любого процесса изменения (движения) во времени всегда можно рассчитать скорость этого изменения.

Современные квантовые представления о химических процессах рассматривают химическую реакцию как перераспределение электронов между статистически вероятными энергетическими уровнями участвующих молекул, создание межмолекулярных промежуточных реакционных комплексов и получение новых продуктов как энергетически выгодных состояний молекул. В рамках этих представлений классическая скорость реакций не имеет смысла, так как каждое новое энергетическое состояние рассматривается в рамках пространственно-временного континуума и перебор энергетических состояний продолжается до достижения наиболее энергетически выгодного. Тем не менее классические представления о химических процессах активно используются в современной химии, особенно в прикладных областях химии и в химических науках, лежащих «на стыке» с биологией, – биохимии, молекулярной биологии и др.

Закономерным этапом применения знаний об условиях протекания химических процессов стало развитие науки о том, как можно оказывать на них влияние и ими управлять. Такая наука получила название химической кинетики, в котором также нашла отражение классическая парадигма, ведь кинетика – это наука о движении. Но в классической кинетике скорость – векторная величина, то есть имеет направление. Точно так же и в химической кинетике имеет значение направление химической реакции – различают реакцию прямую, то есть такую, в результате которой из исходных веществ получаются продукты реакции, и реакцию обратную, при которой происходит разложение продуктов с получением исходных веществ. Так в химическую кинетику было введено понятие о химическом равновесии – состоянии, когда скорости прямой и обратной реакции равны между собой.

В рамках химической кинетики было сделано немало полезных открытий, которые показывают, как можно увеличивать скорость химических процессов за счет подбора условий – повышения температуры реакции, давления (если реакция протекает в газовой фазе), как можно сдвинуть химическое равновесие в сторону получения полезных продуктов реакции, не содержащих остатков непрореагировавших исходных продуктов, и т. д.

Эпохальным стало открытие веществ, которые при добавлении к реакционной смеси способны увеличить скорость реакции, при этом оставаясь неизменными (не меняя своего состава). Эти вещества получили название катализаторов, то есть ускорителей, а их применение – катализ. Сейчас сложно даже перечислить все химические промышленные процессы, где применяются катализаторы, – столь велико их число, особенно в органической химии. Известные примеры промышленного катализа – каталитический крекинг нефтепродуктов с получением углеводородов, применяемых в качества топлива (бензины, дизельное топлива и т. д.), получение твердого заменителя сливочного масла – маргарина – из жидких растительных масел и т. д.

Интересно, что наряду с огромным количеством реализованных учеными ускоряемых искусственными катализаторами химических процессов существуют природные катализаторы и природные каталитические процессы. Пример природного катализа – процесс коррозии металлического железа, «ржавение», то есть его окисление в природе с образованием оксидов – ржавчины, происходит под действием катализатора воды. В связи с этим интересен факт применения веществ, замедляющих некоторые нежелательные химические процессы, например тот же процесс коррозии металлического железа. Эти вещества называются ингибиторы, то есть замедлители. Легирующие добавки к сталям для защиты их от коррозии (получение нержавеющих сталей) – вот пример применения ингибиторов в промышленности. Как и катализаторы, ингибиторы бывают природного происхождения, например ингибиторы гниения – натуральные консерванты, которые продуцируются некоторыми растениями.

Катализаторы и ингибиторы играют большую роль в биологических процессах. Известные всем ферменты – биокатализаторы, то есть вещества, которые ускоряют биохимические процессы внутри организмов живых существ, причем живые существа самостоятельно синтезируют эти ферменты в различных органах и тканях. Ферменты управляют всеми процессами метаболизма у всех растений и животных, причем чем выше уровень организма, тем большее количество ферментов используется в нем. На настоящий момент неизвестно даже приблизительно общее количество ферментов человеческого организма, оценочное число – несколько тысяч.

Интересны факты использования жизненно важных ферментов, которые не может синтезировать человеческий организм, и поэтому исходные вещества для внутреннего синтеза ферментов – так называемые коферменты – он, как гетеротрофный организм, получает извне от растений и животных. Это всем известные витамины, «вещества жизни», необходимые человеку на протяжении всего его жизненного цикла. Внутри человеческого организма они трансформируются в ферменты. Согласно представлениям современной эволюционной химии, роль природных катализаторов очень важна в процессах эволюции неживой и живой материи.

4.5. Взаимосвязь химического строения и структуры неорганических и органических соединений

Изомерия и ее виды

Для описания химического соединения часто бывает важным знание не только его состава, то есть записи его химической формулы, но и так называемой структуры. Говоря о структуре вещества, химики всегда имеют в виду его молекулярное строение. Под термином «структура» подразумевается расположение в пространстве атомов при образовании молекулы вещества. Для понимания этого концептуального для химии понятия важно рассмотреть молекулы с квантовых позиций.

Согласно современным представлениям, структура молекул – это пространственная и энергетическая упорядоченность квантово-механической системы, состоящей из атомных ядер и электронов. Суть дела в том, что электроны, реализуя статистический набор состояний вблизи собственного атомного ядра при образовании химической связи, вступают во взаимодействие с электронами и ядрами других атомов и некоторые до этого статистически доступные «места» в пространстве занять не могут. Особенности фундаментального электромагнитного взаимодействия нескольких заряженных объектов микромира приводят к тому, что атомы в молекулах оказываются «локализованы» в строго определенных «местах», положение в пространстве которых можно рассчитать с помощью математического аппарата квантовой химии.

В современной химии разработана система наглядного изображения пространственных структур молекул, которая очень полезна как в процессе познания природы химических соединений, особенно в органической химии, так и для решения практических задач химического синтеза этих соединений. Начало изучению структуры органических соединений было положено в теории строения органических соединений, разработанной великим русским химиком А. М. Бутлеровым (1860 г.). Изучением пространственных структур химических соединений занимается современная наука стереохимия, являющаяся подразделом органической химии.

С понятием «пространственная структура органических соединений» неразрывно связано одно из интереснейших явлений природы нашей планеты, аналогичное явлениям радиоактивной изотопии элементов и аллотропии простых и сложных неорганических веществ. Как и в упомянутых случаях, одной химической формуле органического соединения, то есть одному составу вещества, соответствуют разные соединения с разными физическими или химическими свойствами, и основное различие между ними заключено в разной пространственной структуре молекул этих соединений. Это явление называется изомерией органических соединений. Изомеры органических соединений, несмотря на то что имеют одинаковые химические формулы, называются по-разному, и их названия также соответствуют строгой номенклатуре химических соединений. В стереохимии рассматривается изомерия разных видов – изомерия предельных углеводородов, цистранс-изомерия непредельных углеводородов, таутомерия кислородсодержащих органических соединений (кетонов и альдегидов), оптическая изомерия и диастереомерия сложных органических соединений.

А что же неорганические соединения? Есть ли в этом классе химических соединений проблемы, связанные с пространственной структурой молекул? Да, есть. Неорганические соединения (не все) в твердом состоянии способны образовывать надмолекулярные комплексы повторяющегося состава и сложной объемной пространственной структуры. Они называются кристаллами. А структура кристаллов, характеризующаяся высокой степенью упорядоченности, называется кристаллической структурой, или кристаллической решеткой.

4.6. Эволюционная химия – отбор химических элементов во Вселенной

В XX в. в свете общих эволюционных представлений в естествознании развивается новая наука – эволюционная химия, наука о самоорганизации и саморазвитии химических систем. В рамках эволюционной химии изучаются процессы самопроизвольного синтеза новых химических соединений, являющихся более сложными и высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами.

Начало этой науки было положено при разработке теории биохимической эволюции, объясняющей происхождение жизни на Земле в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам. Первой стадией биохимической эволюции считается химическая эволюция, или абиогенез, которая, согласно этой теории, протекала в три этапа. Первый этап – синтез низкомолекулярных органических соединений из газов первичной атмосферы; второй этап – полимеризации мономеров с образованием цепей белков и нуклеиновых кислот; третий этап – образование фазово-обособленных систем органических веществ, отделенных от внешней среды мембранами. В процессе развития нашей планеты происходил отбор химических элементов в биотических и абиотических системах.

Основу живых систем составляют только 6 элементов, получивших название органогенов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера. Их общая весовая доля в организме составляет более 97 %. За ними следуют 11 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важных компонентов биосистем: натрий, калий, кальций, магний, железо, кремний, алюминий, хлор, медь, цинк, кобальт. Их весовая доля в организме – 1,6 %. Есть еще 20 элементов, участвующих в построении и функционировании отдельных специфических биосистем, доля которых составляет 1 %. Участие всех остальных элементов в построении биосистем практически не зафиксировано. И в абиотической среде есть свидетельства об отборе элементов. Более 99 % всех природных соединений содержат те же 17 элементов, на долю всех остальных приходится менее 1 % соединений.

Если говорить о химической картине мира в целом, учитывая как природные, так и синтетические продукты, то оказывается, что в настоящее время известно около 8 млн химических соединений. Из них 96 % – органические соединения, а на долю неорганических соединений (4 %) приходится всего около 300 тыс. простых и сложных веществ. Большую часть вещества во Вселенной составляют водород и гелий. Более тяжелые элементы существуют во Вселенной в очень малых количествах: например, наша звезда – Солнце – содержит не более 2 % тяжелых элементов.

4.7. Концептуальные системы химических знаний

Подводя итоги данного раздела, посвященного концептуальным основам современной химии, мы можем выделить в развитии химии как естественной науки четыре концептуальных этапа, причем каждый новый возникал на основе предыдущего и включал его в себя в преобразованном виде.

1. Учение о составе вещества связано с исследованием различных свойств веществ в зависимости от их химического состава, понятием химического элемента и химического соединения.

2. Структурная химия – положение о том, что свойства веществ обусловливаются не только составом, но и структурой молекул.

3. Учение о химических процессах связано с исследованием механизмов и условий протекания химических процессов, с понятием о катализе.

4. Эволюционная химия изучает процессы самоорганизации химических систем с позиций представлений о всеобщем эволюционном процессе во Вселенной и отборе химических элементов.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое химический элемент, простое вещество, химическое соединение? В чем различие двух последних понятий?

2. В чем различие формулировки Периодического закона, данной Д. И. Менделеевым, и современной интерпретации этого закона?

3. Сколько изотопов водорода известно в настоящее время? Как они называются? Какие различия в строении атомов наблюдаются у разных изотопов водорода?

4. Какое из фундаментальных физических взаимодействий реализуется в химической связи?

5. Что такое аллотропия? Чем аллотропные модификации отличаются от изомеров и изотопов? Дать определение всем терминам.

6. Что такое стехиометрия? Кто из ученых открыл закон кратных отношений, закон сохранения вещества? Как называются в химии вещества постоянного состава?

7. Что такое прямая и обратная химические реакции? Что такое химическое равновесие? Можно ли оказать влияние на величину скорости и направление химической реакции, изменяя ее условия?

8. Как можно было бы дать определение химическим процессам с точки зрения парадигмы естествознания XVIII–XIX вв. – классической механики? Как в рамках современных квантовых представлений о химических процессах рассматривается химическая реакция?

9. Что такое катализаторы и ингибиторы химических реакций? Дать определение и привести примеры природных и искусственных катализаторов и ингибиторов.

10. В чем проявляются особенности структур органических и неорганических соединений? Как называется раздел химии, изучающий структуры химических соединений?

11. Расскажите об отборе химических элементов во Вселенной. Приведите примеры.

12. Перечислите этапы формирования концептуальных знаний в современной химии, дайте определение каждому этапу и краткое разъяснение сущности описываемых явлений.

Глава 5 НАНОТЕХНОЛОГИИ
Прощай, ХХ век!..

Век квантово-релятивистской механики и ускорителей элементарных частиц, генетики и молекулярной биологии, космических аппаратов и Интернета, но также век атомной бомбы, геноцида и масштабных техногенных катастроф. Что получаем мы, люди XXI в., в наследство от ушедшего столетия?

Минувший век ознаменовался торжеством естественных наук, их высоким авторитетом, общественный престиж науки вообще и образования был чрезвычайно высок практически во всех странах мира, что было закономерно связано с успехами в фундаментальных и прикладных науках. Человечество как никогда близко подошло к разгадке тайн Вселенной, при этом компетентные и научно обоснованные решения чисто бытовых проблем человечества серьезно улучшили условия его обитания в окружающей природной среде. ХХ век был вообще веком масштабов, веком укрупнения и объединения. На фоне объединения государств, капиталов и создания транснациональных корпораций было естественным и объединение усилий ученых по решению актуальных научных проблем: отныне они решаются коллективами ученых, гениальные ученые-одиночки остались в XIX в.

Во второй половине ХХ в. был дан старт реализации нескольких долговременных научных программ, важность которых для развития науки и для человечества в целом не вызывает сомнения. Выполнение их продолжается и в настоящее время, а завершение работ по ним (если оно вообще возможно, так как в рамках этих программ ставятся все новые и новые актуальные задачи) планируется в середине XXI в. Таковой является программа исследования космоса. Объединение усилий научных коллективов разных стран мира для исследования как ближайшего космоса, так и отдаленных уголков Вселенной привело в результате реализации этой программы к созданию международных космических станций, использованию на них новейшего оборудования и т. д.

К таким программам относится также грандиозная по замыслу, а также по объемам денежных вложений международная программа «Геном человека», целью которой является расшифровка генного кода человека (и не только человека: параллельно развиваются программы «Геномы животных»). Успешно реализуются международные экологические программы, международные программы мониторинга объектов окружающей среды и т. д. Вот далеко не полный перечень успешных научных проектов, начатых в прошлом веке, в которые были вовлечены ученые разных стран.

Следует, однако, отметить, что деловые круги различных стран мира, вкладывающие средства в реализацию научных программ, интересует не столько идея объединения ученых, сколько борьба за техническое лидерство в наиболее доходных отраслях промышленности, таких как компьютерная техника, системы связи, автомобилестроение, авиационная, медицинская и фармацевтическая промышленности. Примером сплава науки и техники является интереснейшая и перспективнейшая научная программа, впечатляющие достижения которой удивляли мир в последние два десятилетия XX в. и которая, по мнению многих ученых, приведет к следующей промышленной революции. В названии этой программы отражен ее прикладной характер. Она называется «Развитие нанотехнологий».

Что же это такое – нанотехнологии?

Название нового направления в науке возникло просто в результате добавления к общему понятию «технология» приставки «нано». «Нано», так же как и «милли», и «микро», – приставки к выражениям единиц линейных размеров для создания производных этих единиц в системе СИ, причем в сторону уменьшения линейных размеров: например, 1 миллиметр (мм) означает одну тысячную долю метра (1 мм = 10-3 м), 1 микрометр (другое название – микрон) составляет одну миллионную долю метра (1 мкм = 10-6 м), а 1 нанометр (нм) означает одну миллиардную долю метра (1 нм = 10-9 м).

Для наглядности можно указать, что 1 нм составляет одну миллионную долю миллиметра (представим себе любой измеритель длины с делениями – линейки, рулетки, штангенциркули и т. п.), и если считается, что человеческий волос имеет в среднем диаметр 100 мкм, то 1 нм примерно в 100 тысяч раз меньше его толщины. Или еще можно сказать так: величины, измеряемые в нанометрах, на 9 порядков меньше величин, сравнимых по размерам с человеческим телом.

К нанотехнологиям принято относить процессы и объекты с характерной длиной от 1 до 100 нм. Верхняя граница нанообласти соответствует минимальным элементам в так называемых БИС (больших интегральных схемах), широко применяемым в полупроводниковой и компьютерной технике. Что касается нижней границы, то размером в 1 нм и около того обладают отдельно взятые молекулы; при этом интересно, что радиус знаменитой двойной спирали молекулы ДНК равен 1 нм, а многие вирусы имеют размер приблизительно 10 нм.

Для понятия «нанотехнология», пожалуй, не существует исчерпывающего определения, но по аналогии с существующими ныне микротехнологиями следует, что нанотехнологии, оперирующие величинами порядка нанометра, имеют дело с ничтожно малыми величинами, в сотни раз меньшими длины волны видимого света и сопоставимыми с размерами атомов. Поэтому переходот «микро» к «нано» – это уже не количественный, а качественный переход, скачок от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами. Квантовая физика XX в. при изучении объектов микромира оперировала в основном их математическими моделями. Теперь ученые могут оперировать объектами микромира непосредственно: искусственно создавать микрообъекты, перемещать их в пространстве, закреплять их на поверхности, то есть действовать так, как будто мы имеем дело с привычными нам макрообъектами.

В научных центрах мира развитие нанотехнологий как технологий изготовления сверхмикроскопических конструкций из мельчайших частиц материи идет в основном по трем направлениям: изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, величиной примерно со среднюю молекулу; разработка и изготовление наномашин, то есть механизмов и роботов такого же размера; непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из них всего сущего. Именно поэтому они представляются весьма перспективными для получения новых конструкционных материалов, полупроводниковых приборов, устройств для записи информации, ценных фармацевтических препаратов и т. д. Нанотехнологии могут привести мир к новой технологической революции и изменить среду обитания человека.

Из сказанного ясно, что нанотехнологии объединяют все связанные непосредственно с атомами и молекулами технические процессы, осуществляемые и изучаемые в разных естественных науках. Тем самым подчеркивается междисциплинарный характер нового направления в естествознании. Наряду с другими междисциплинарными научными направлениями в естествознании – синергетикой, кибернетикой, системным методом – развитие нанотехнологий является очень ценным научным наследием XX в., неким связующим звеном, обеспечивающим преемственность научных направлений в современном естествознании.

По мнению многих источников по истории естествознания, начало нанонауки положил в 1959 г. знаменитый американский физик, лауреат Нобелевской премии РичардФ. Фейнман при прочтении лекции под названием «Внизу полным-полно места». В ней впервые была рассмотрена возможность создания веществ (а затем, естественно, отдельных элементов, деталей и целых устройств) совершенно новым способом, а именно «атомной укладкой», при которой человек манипулирует нужными атомами поштучно, располагая их в требуемом ему порядке.

В 1986 г. американский физик Эрик К. Дрекслер в своей известной книге «Машины творения» предложил создавать устройства, названные им «молекулярными машинами», и раскрыл удивительные возможности, связанные с развитием нанотехнологии. Начиная с 1980 г. в технологии производства транзисторов и лазеров все чаще стали использоваться искусственно создаваемые пленки толщиной около 10 нм, что позволяло изготавливать устройства с новыми, повышенными техническими характеристиками. В 1980 г. в Японии был изготовлен первый полевой транзистор с высокой подвижностью носителей (High Electron Mobility Transisteor, HEMT).

В 1981 г. сотрудники фирмы IBM создали сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), позволявший получать изображение с разрешением на уровне размеров отдельных атомов. Это явилось исключительно важным научным достижением, поскольку исследователи впервые получили возможность непосредственно наблюдать и изучать мир в нанометровом, атомарном масштабе. Как работает СТМ? Экспериментатор подводит тончайший золотой щуп (зонд, пробник) на расстояние около 1 мкм к поверхности исследуемого образца, в результате чего между зондом и поверхностью возникает электрический ток, обусловленный квантово-механическим туннельным эффектом, величина которого меняется в зависимости от состояния изучаемой поверхности (например, из-за наличия на поверхности впадин или выступов). Меняя величину туннельного тока или, наоборот, сохраняя ее постоянной (за счет регулирования потенциала зонда), экспериментатор может «сканировать» поверхность и получать ее прямое «изображение», подобно тому как электронный луч создает изображение, сканируя поверхность экрана обычного телевизора. Этот методпозволяет не только изучать атомарную структуру поверхности, но и проводить разнообразные и весьма ценные физические эксперименты (например, можно проверять теоретические расчеты, относящиеся к изменению поверхности в определенных условиях, и т. п.).

Работая со сканирующим микроскопом описываемого типа, экспериментаторы неожиданно вышли на следующий этап развития, а именно стали проводить прямые технологические операции на атомарном уровне. Прикладывая к зонду СТМ соответствующее напряжение, его можно использовать в качестве своеобразного атомного «резца» или гравировального инструмента. Впервые это удалось сделать в США сотрудникам Армаденской лаборатории 1MB под руководством Д. Эйглера, которые сумели выложить на поверхности монокристалла никеля название своей фирмы из 35 атомов ксенона. Это стало своеобразным рекордом в методах миниатюризации записи «текста». Позднее, в 1991 г., из этого выросла методика перемещения атомов ксенона вверх-вниз (относительно поверхности монокристалла), названная атомным переключением (atomic switch). В целом описанная техника создает много возможностей как для манипуляций на уровне отдельных атомов, так и для изучения их структур и поведения.

Японские фирмы и научные организации в свою очередь начали энергично развивать методики в области микроскопии, в результате чего за короткое время были созданы новые типы сканирующих туннельных микроскопов, а также электронных микроскопов с очень высоким разрешением (разрешением оптического прибора физики называют размер наименьшей детали, которую можно выделить на получаемом изображении), позволяющих исследовать движение отдельных атомов и молекул. Это привело к энергичному развитию экспериментальной техники в нанометровом диапазоне и значительно расширило представления ученых о микромире и нанообъектах.

В 1990 г. началась реализация огромного международного проекта по определению последовательности укладки около 3 млрд нуклеотидных остатков в записи генетической информации – проекта «Геном человека», ставшего ярким прорывом в биологии и медицине. Этот проект одновременно является исключительно важным для развития нанотехнологий, поскольку открывает новые огромные возможности в информационных технологиях, позволяя понять, а затем и использовать принципы обработки информации в живой природе (биоинформатика). В 1991 г. в Японии начала осуществляться первая государственная программа по развитию техники манипулирования атомами и молекулами (проект «Атомная технология»), которая привлекла внимание исследователей во многих странах мира. Это ознаменовало новый этап в развитии нанонауки и нанотехнологий: государство стало поддерживать направление, признав его приоритетность не только для национальной науки, но и для государства в целом.

В настоящее время нанотехнологии все больше и больше входят в нашу жизнь. Нанотехнологический контроль изделий и материалов, буквально на уровне атомов, в некоторых областях промышленности стал обыденным делом. Реальный пример – DVD-диски, производство которых было бы невозможно без нанотехнологического контроля матриц. Очень популярны в промышленных устройствах очистки питьевой воды и получении сверхчистой воды так называемые нанофильтрационные мембранные фильтры, позволяющие задерживать частицы молекулярного размера. Стали реальностью квантовые точки в технологии получения полупроводников, которые эффективнее известных в 1000 раз. Этот список можно продолжить:

♦ «нанотрубки» и «нанонити» («нановолокна»), состоящие из 6070 молекул, как новое состояние поверхности вещества и создание сверхлегких материалов;

♦ нанозеркало для лазеров со сверхвысокой отражающей способностью;

♦ атомная игла – сверхтонкая игла, сужающаяся на острие едва ли не до единственного атома, которая как атомный щуп изучает рельеф поверхности на молекулярном уровне;

♦ нанороботы-манипуляторы, создающие разные типы поверхностей путем переноса отдельных молекул;

♦ наногенераторы электрического заряда внутри человеческого организма для электропитания имплантатов;

♦ сверхскоростной нано-Интернет с потенциалом увеличения скорости в сотни раз;

♦ диагностика качества пищевых продуктов с помощью наносенсоров (квантовых точек) для выявления опасных химических или биологических загрязнителей пищевых продуктов;

♦ наногранулы, которые внутри человеческого тела доставляют молекулу лекарственного препарата не просто к органу-мишени, но прямо к рецептору, который, по сути, также является молекулой и отвечает за реализацию физиологического эффекта;

♦ нанокод, то есть молекулы антител, иммобилизованные на поверхности нанонитей для идентификации антигенов (то есть чужеродных веществ) по иммунной реакции;

♦ наночастицы косметического крема, проходящие через мембраны клеток кожи, для настоящего клеточного питания дермы – и это далеко не полный перечень использования нанотехнологий в мире XXI в.

Что-то из вышеперечисленного уже становится реальностью «на глазах», поскольку скорость технического прогресса в современном мире огромна; что-то еще находится в стадии доработки. Важно, что уже сейчас все это работает и приносит огромную пользу.

А потенциальные возможности нанотехнологий поистине не знают границ. Xотелось бы особо подчеркнуть, что мы пока не можем, конечно, оценить и представить себе масштабы развития и возможности применения нанотехнологий в целом, но количество научных исследований и затраты на них будут расти с каждым годом, учитывая перспективность тематики. Исследования в данном направлении все время расширяются. В 2004 г. человечество истратило на нанотехнологии $ 8,6 млрд. Причем больше половины – $ 4,6 млрд – это расходы правительственных организаций разных стран.

В связи с этим необходимо отметить государственное участие в проектах по нанотехнологиям. Япония и США начиная с 90-х гг. XX в. тратят на государственную поддержку нанопроектов миллиарды долларов; существует Объединенный комитет Евросоюза по нанотехнологиям, который также с этого времени активно финансирует развитие нанотехнологий как одно из самых приоритетных направлений. Не остается в стороне и Россия, которая вступила в борьбу за мировое лидерство в области развития нанотехнологий. Некоторое запоздание России в области развития нанотехнологий имеет исторические причины. То, что отставание в этой области может повлечь неконкурентоспособность России в различных областях техники и промышленности, в которых растет удельный вес нанотехнологий, и, как следствие, отставание в экономическом развитии в целом, понимают в России на высшем государственном уровне.

Ниже приводится выдержка из выступления президента Российской Федерации В. В. Путина перед Федеральным собранием 26 апреля 2007 г.:

Переднами стоит задача формирования научно-технологического потенциала, адекватного современным вызовам мирового технологического развития. И в этой связи хочу особо подчеркнуть необходимость создания эффективной системы исследований и разработок в области нанотехнологий, основанных на атомном и молекулярном конструировании.

Сегодня для большинства людей «нанотехнологии» – это такая же абстракция, как и ядерные технологии в 30-е гг. прошлого века. Однако нанотехнологии уже становятся ключевым направлением развития современной промышленности и науки. На их основе, в долгосрочной перспективе, мы в состоянии обеспечить повышение качества жизни наших людей, национальную безопасность и поддержание высоких темпов экономического роста. Оценки ученых говорят о том, что изделия с применением нанотехнологий войдут в жизнь каждого – без преувеличения – человека, позволят сэкономить невозобновляемые природные ресурсы.

Учитывая масштабность и уникальность российского проекта по нанотехнологиям, президент призвал страны СНГ принять участие в этом объединяющем взаимовыгодном и направленном в будущее деле. Придание проекту статуса международного повысит интерес к этому проекту и будет способствовать распространению достоверной и позитивной информации об этом очень непростом для понимания, но чрезвычайно перспективном направлении развития не только отечественной науки, но и человечества в целом.

Особые задачи стоят перед педагогами российских школ и высших учебных заведений. Настала необходимость для разработки новых программ по курсу концепций современного естествознания, включающих нанонауку и нанотехнологии как неотъемлемое междисциплинарное направление современного естествознания; в этих программах особенное внимание следует уделить углубленному изучению проблем микромира, с тем чтобы достижения нанотехнологий были понятны специалистам гуманитарного профиля.

В заключение этой главы приведем «наноцитату».

«Следующая промышленная революция» – данная фраза была отпечатана на поверхности, площадь которой меньше площади сечения человеческого волоса, буквами шириной 50 нанометров.

Вопросы для самопроверки

1. Что означает приставка «нано» к терминам: технологии, мембраны, транзисторы, сенсоры, зеркала и т. д.?

2. Только ли с изменением линейных размеров связан переходот микротехнологий к нанотехнологиям? Какие качественные изменения он предполагает? Обоснуйте ответ.

3. Приведите примеры использования нанотехнологий в современной жизни.

4. Является ли развитие нанотехнологий делом ученых-одиночек или небольших отраслевых лабораторий? Расскажите о масштабе программы «Развитие нанотехнологий».


<< предыдущая страница   следующая страница >>