Что означает наука химия

Что изучает наука химия

Химия как наука изучает вещества, их свойства, как и почему вещества соединяются или разделяются, образуя другие вещества, и как они взаимодействуют с энергией.

Многие люди думают, что химики — это научные люди в белых халатах, которые смешивают странные жидкости в лаборатории, но на самом деле мы все химики. Понимание основных понятий химии как науки важно практически для каждой профессии.

Химия-это часть всего в нашей жизни.

Каждый существующий материал состоит из материи — даже наши собственные организмы. Химия участвует во всем, что делает человек, от выращивания и приготовления пищи до уборки дома и запуска космического аппарата.

Химия — это одна из основополагающих наук, которая помогает нам описывать и объяснять наш мир.

Разделы науки химии

Существует пять основных разделов химии, каждый из которых имеет много областей изучения.

Аналитическая

Аналитическая химия как наука развивает теорию химического анализа веществ и материалов, разрабатывает методы идентификации и обнаружения. Проводит анализ и определяет химические элементы веществ с целью получения информации о природе вещества.

Анализ аналитических методов необходим для поиска возможностей практического применения теории.
Аналитическая химия использует качественные и количественные наблюдения для выявления и измерения физических и химических свойств веществ. В определенном смысле вся химия аналитична.

Неорганическая

Неорганическая химия изучает такие вещества и газы в состав которых не входит углерод.
Раздел науки изучает металлы и неметаллы, оксиды и соли, гидроксиды и кислоты, нитриды и гидриды, а также технологии применения в производстве, защите и использовании сельскохозяйственных культур и скота.

Химическая технология

Инженеры-химики исследуют и разрабатывают новые материалы или процессы, связанные с химическими реакциями. Химическая инженерия сочетает в себе основы науки с инженерными и экономическими концепциями для решения технологических проблем.
Химическое машиностроение представляет базовую отрасль экономики как химическая и нефтехимическая промышленность и делится на две основные группы: промышленное применение и разработка новых продуктов.
Отрасли промышленности требуют от инженеров-химиков разработки новых способов сделать производство своей продукции более легким и экономически эффективным. Ученые-химики участвуют в проектировании и эксплуатации перерабатывающих предприятий, разрабатывают процедуры безопасности при обращении с опасными материалами и контролируют производство почти каждого продукта, который мы используем. Ученые-химики работают над разработкой новых продуктов и процессов в любой области-от фармацевтики до топлива и компьютерных компонентов.

Геохимия

Геохимики объединяют химию и геологию для изучения состава и взаимодействия между веществами, находящимися в земле.

Геохимики могут тратить больше времени на полевые исследования, чем другие ученые. Многие работают в службах по охране окружающей среды, определяя, как горнодобывающие операции и отходы могут повлиять на качество воды и окружающую среду. Они могут направляться в отдаленные заброшенные шахты для сбора проб и проведения грубых полевых оценок, а затем следовать за потоком через его водосбор, чтобы оценить, как загрязняющие вещества перемещаются через систему. Ученые раздела нефтяной геологии занимаются вопросами химического изучения состава нефти и связанных с ней природных образований. Они работают в нефтегазовых компаниях, чтобы помочь найти новые запасы энергии. Ученые этой науки также могут работать на трубопроводах и нефтяных вышках, чтобы предотвратить химические реакции, которые могут вызвать взрывы или разливы.

Судебная химия

Судебно-медицинские химики собирают и анализируют вещественные доказательства, оставленные на месте происшествия, чтобы помочь установить личности причастных лиц, а также ответить на другие жизненно важные вопросы, касающиеся того, как и почему было совершено событие. Судебно-медицинские химики используют широкий спектр методов анализа, таких как хроматография, спектрометрия и спектроскопия.
Например, химики разработали систему, которая выходит за рамки идентификации отпечатков пальцев. Этот метод может захватывать молекулы, содержащиеся в отпечатке пальца, включая липиды, белки, генетический материал или даже следовые количества взрывчатых веществ, которые могут быть дополнительно проанализированы. Новый инструмент по существу снимает тайну с определения химического состава отпечатков пальцев на местах событий.

Агрохимия

Агрохимия как неорганическая наука связана с веществами и химическими реакциями, которые участвуют в производстве, защите и использовании сельскохозяйственных культур и скота. Это междисциплинарная область которая опирается на связи со многими другими науками. Сельскохозяйственные химики необходимы в сельском хозяйстве, агентствах по охране окружающей среды, управлениях по контролю за продуктами питания и лекарствами или в частном секторе.

Агрохимия как наука разрабатывает удобрения, инсектициды и гербициды, необходимые для крупномасштабного растениеводства. Ученые занимающиеся этой наукой следят за тем, как используются продукты и как они влияют на окружающую среду. Они также разрабатывают пищевые добавки для повышения продуктивности мясных и молочных стад.
Сельскохозяйственная биотехнология является быстро растущим направлением в науке. Генетически манипулирующие культуры, чтобы быть устойчивыми к гербицидам, используемым для борьбы с сорняками на полях, требуют детального понимания как самих растений, так и химических веществ на молекулярном уровне. Биохимия как наука должна понимать генетику и потребности бизнеса в разработке культур, которые легче транспортировать или которые имеют более длительный срок хранения.

Органическая

Органическая химия специально изучает соединения, содержащие элемент углерод.
Углерод обладает многими уникальными свойствами, которые позволяют ему образовывать сложные химические связи и очень крупные молекулы.
Органическая химия известна как «химия жизни», потому что все молекулы живой ткани, имеют углерод в своем составе.
Органических соединений теоретически может быть бесчисленное множество, а их строение более сложное, чем минеральные (неорганические) вещества.
Ученые, занимающиеся вопросами неорганической химии, разделились на множество самостоятельных наук.

Биохимия

Биохимия-это изучение химических процессов, происходящих внутри живых организмов.

В рамках этих широких категорий находятся бесчисленные области исследований, многие из которых оказывают важное влияние на нашу повседневную жизнь. Химики улучшают многие продукты, начиная с пищи, которую мы едим, и одежды, которую мы носим, и заканчивая материалами, из которых мы строим наши дома. Биохимия помогает защитить нашу окружающую среду и ищет новые источники энергии.

Пищевая

Пищевая наука имеет дело с тремя биологическими компонентами пищи — углеводами, липидами и белками.

Наш организм может синтезировать некоторые аминокислоты, однако восемь из них, незаменимые аминокислоты, должны быть приняты в качестве части нашей пищи. Ученые-пищевики также занимаются неорганическими компонентами продуктов питания, такими как содержание в них воды, минералов, витаминов и ферментов.

Ученые-химики улучшают качество, безопасность, хранение и вкус наших продуктов. Они создают качественные продовольственные изделия и методы анализа пищевых производств. Они также работают в учреждениях по улучшению переработки и контролю за продуктами питания и лекарствами, чтобы проверять пищевые продукты и защищают нас от загрязнения или вредных практик.

Ученые-химики тестируют продукты, чтобы предоставить информацию, используемую для этикеток пищевых продуктов, или определить, как упаковка и хранение влияют на безопасность и качество продуктов питания. Ученые создают пищевые ароматизаторы и работают с химическими веществами, чтобы изменить вкус пищи.

Химики могут также работать над другими способами улучшения сенсорной привлекательности, такими как улучшение цвета, запаха или текстуры.

Химия окружающей среды

Химики-экологи изучают, как химические вещества взаимодействуют с окружающей средой.
Экологическая химия-это междисциплинарная наука, которая включает в себя как аналитическую химию, так и понимание науки об окружающей среде. Химики-экологи должны изучать химические вещества и химические реакции, присутствующие в естественных процессах в почве, воде и воздухе. Отбор проб и анализ показать, не загрязняла ли человеческая деятельность окружающую среду или не вызывала ли она вредных реакций.
Качество воды является важной областью химии окружающей среды. «Чистой» воды в природе не существует, в ней всегда растворены какие-либо минералы или другие вещества. Химики проверяют качество воды в реках, озерах и океанах на такие характеристики, как растворенный кислород, соленость, мутность, взвешенные осадки и водородный показатель РН. Вода, предназначенная для потребления человеком, должна быть свободна от вредных примесей и может быть обработана такими добавками, как фтор и хлор, чтобы повысить ее безопасность.

Физическая химия

Физическая химия как наука изучает общие законы и закономерности, определяющие строение и физикохимические свойства веществ, механизм и динамику их химических превращений при различных природных условиях.

Это активно развивающаяся наука которая решает множество прикладных задач по получению количественных и качественных данных о о свойствах соединений. В этой части развиваются новые направления связанные с пониманием свойств наноразмерных объектов и выяснением влияния биологиче­ски активных сред.

Роль физической химии в понимании фундаментальных. основ химии как науки на современном этапе является определяющей.

Источник

ХИМИЯ

ХИМИЯ, наука о химических элементах, их соединениях и превращениях, происходящих в результате химических реакций. Она изучает, из каких веществ состоит тот или иной предмет; почему и как ржавеет железо, и почему олово не ржавеет; что происходит с пищей в организме; почему раствор соли проводит электрический ток, а раствор сахара – нет; почему одни химические изменения происходят быстро, а другие – медленно. Главная задача химии – выяснение природы вещества, главный подход к решению этой задачи – разложение вещества на более простые компоненты и синтез новых веществ. Используя этот подход, химики научились воспроизводить множество природных химических субстанций и создавать материалы, не существующие в природе. На химических предприятиях уголь, нефть, руды, вода, кислород воздуха превращаются в моющие средства и красители, пластики и полимеры, лекарства и металлические сплавы, удобрения, гербициды и инсектициды и т.д. Живой организм тоже можно рассматривать как сложнейший химический завод, на котором тысячи веществ вступают в точно отрегулированные химические реакции.

ЭЛЕМЕНТЫ И СОЕДИНЕНИЯ

Элементы

Исследование сложного вещества начинается с попыток разложить его на более простые. Простейшая форма материи, в которой сохраняется определенная совокупность физических и химических свойств, называется химическим элементом. Химические элементы – это частицы вещества, представляющие собой совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Водород, кислород, хлор, натрий, железо – все это элементы. Элемент нельзя разложить на более простые составляющие обычными методами: с помощью тепла, света, электричества или под действием другого вещества. Для этого нужны колоссальное количество энергии, специальное оборудование (например, ускоритель частиц) или высокие температуры, сравнимые с температурами в недрах Солнца. Из 109 известных элементов в природе существует девяносто два элемента, остальные получены искусственно. Все они систематизированы в периодической таблице элементов, где каждому элементу соответствует свой порядковый номер, называемый атомным номером (см. ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКИЕ; ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ). В табл. 1 перечислены первые 103 элемента в алфавитном порядке. Из этого ограниченного набора элементов и состоят миллионы химических веществ.

Таблица 1. АТОМНЫЕ МАССЫ ЭЛЕМЕНТОВ

Элемент	Символ	Атомный номер	Атомная масса
Азот	N	7	14,0067
Актиний	Ac	89	(227)
Алюминий	Al	13	26,98154
Америций	Am	95	(243)
Аргон	Ar	18	39,948
Астат	At	85	(210)
Барий	Ba	56	137,33
Бериллий	Be	4	9,01218
Берклий	Bk	97	(247)
Бор	B	5	10,811
Бром	Br	35	79,904
Ванадий	V	23	50,9415
Висмут	Bi	83	208,9804
Водород	H	1	1,0079
Вольфрам	W	74	183,85
Гадолиний	Gd	64	157,25
Галлий	Ga	31	69,723
Гафний	Hf	72	178,49
Гелий	He	2	4,0026
Германий	Ge	32	72,59
Гольмий	Ho	67	164,9304
Диспрозий	Dy	66	162,50
Европий	Eu	63	151,96
Железо	Fe	26	55,847
Золото	Au	79	196,9665
Индий	In	49	114,82
Иод	I	53	126,9045
Иридий	Ir	77	192,22
Иттербий	Yb	70	173,04
Иттрий	Y	39	88,9059
Кадмий	Cd	48	112,41
Калий	K	19	39,0983
Калифорний	Сf	98	(251)
Кальций	Ca	20	40,078
Кислород	O	8	15,9994
Кобальт	Co	27	58,9332
Кремний	Si	14	28,0855
Криптон	Kr	36	83,80
Ксенон	Xe	54	131,29
Кюрий	Cm	96	(247)
Лантан	La	57	138,9055
Лоуренсий	Lr	103	(260)
Литий	Li	3	6,941
Лютеций	Lu	71	174,967
Магний	Mg	12	24,305
Марганец	Mn	25	54,9380
Медь	Cu	29	63,546
Менделевий	Md	101	(258)
Молибден	Mo	42	95,94
Мышьяк	As	33	74,9216
Натрий	Na	11	22,98977
Неодим	Nd	60	144,24
Неон	Ne	10	20,179
Нептуний	Np	93	237,0482
Никель	Ni	28	58,69
Ниобий	Nb	41	92,9064
Нобелий	No	102	(259)
Олово	Sn	50	118,710
Осмий	Os	76	190,2
Палладий	Pd	46	106,42
Платина	Pt	78	195,08
Плутоний	Pu	94	(244)
Полоний	Po	84	(209)
Празеодим	Pr	59	140,9077
Прометий	Pm	61	(145)
Протактиний	Pa	91	231,0359
Радий	Ra	88	226,0254
Радон	Rn	86	(222)
Рений	Re	75	186,207
Родий	Rh	45	102,9055
Ртуть	Hg	80	200,59
Рубидий	Rb	37	85,4678
Рутений	Ru	44	101,07
Самарий	Sm	62	150,36
Свинец	Pb	82	207,2
Селен	Se	34	78,96
Сера	S	16	32,066
Серебро 2)	Ag	47	107,8682
Скандий	Sc	21	44,9559
Стронций	Sr	38	87,62
Сурьма	Sb	51	121,75
Таллий	Tl	81	204,383
Тантал	Ta	73	180,9479
Теллур	Te	52	127,60
Тербий	Tb	65	158,9254
Технеций	Tc	43	[97]
Титан	Ti	22	47,88
Торий	Th	90	232,0381
Тулий	Tm	69	168,9342
Углерод	C	6	12,011
Уран	U	92	238,0289
Фермий	Fm	100	(257)
Фосфор	P	15	30,97376
Франций	Fr	87	(223)
Фтор	F	9	18,998403
Хлор	Cl	17	35,453
Хром	Cr	24	51,9961
Цезий	Cs	55	132,9054
Церий	Ce	58	140,12
Цинк	Zn	30	65,39
Цирконий	Zr	40	91,224
Эйнштейний	Es	99	(252)
Эрбий	Er	68	167,26
1) В расчете на атомную массу изотопа углерода 12 С, равную 12,0000. В круглых скобках указано массовое число наиболее долгоживущего нуклида. 2) См. также АТОМНАЯ МАССА.

Соединения

Элементы, соединяясь друг с другом, образуют сложные вещества – химические соединения. Соль, вода, ржавчина, каучук – это примеры соединений. Соединение состоит из элементов, но обычно по своим свойствам и внешнему виду не напоминает ни один из них. Так, ржавчина образуется при взаимодействии газа – кислорода с металлом – железом, а сырьем для получения многих волокон служат уголь, вода и воздух. Именно индивидуальность свойств – одна из черт, отличающих соединение от простой смеси. Другая, и наиболее важная, характеристика соединения заключается в том, что элементы всегда соединяются между собой в определенных массовых соотношениях. Например, вода состоит из 2,016 массовых частей водорода и 16,000 массовых частей кислорода. Массовое соотношение между водородом и кислородом в водах Волги и льдах Антарктики одинаково и равно 1:8. Иными словами, каждое химическое соединение имеет вполне определенный состав, т.е. всегда содержит одни и те же элементы в одних и тех же массовых соотношениях. Это один из основных химических законов – закон постоянства состава.

Многие элементы образуют несколько соединений. Так, помимо воды известно еще одно соединение водорода и кислорода – пероксид водорода, который состоит из 2,016 частей водорода и 32 частей кислорода. Здесь водород и кислород находятся в массовом соотношении 1:16, что ровно вдвое отличается от их соотношения в воде. Этот пример иллюстрирует закон кратных соотношений: если два элемента образуют между собой несколько соединений, то массовые количества одного элемента, соединяющиеся с одним и тем же массовым количеством другого, относятся между собой как небольшие целые числа.

Атомы и молекулы

Понятия атомов и молекул – основные в химии. Атом – это мельчайшая частица элемента, обладающая всеми его свойствами, а молекула – мельчайшая частица соединения, обладающая его свойствами и способная к самостоятельному существованию. Атомистическая идея восходит к 6–5 вв. до н.э. и принадлежит древнегреческим философам Левкиппу и его ученику Демокриту. По их представлениям, вещество состоит из мельчайших неделимых частиц – атомов, созданных из одного и того же первичного материала. Правда, ни один из этих философов не определил, что это за материал. Впоследствии атомную теорию развил другой греческий философ, Эпикур (4–3 вв. до н.э.). Он утверждал, что атомы обладают весом и перемещаются в горизонтальном и вертикальном направлениях, взаимодействуя друг с другом. Аналогичные идеи высказывал римский поэт Лукреций в 1 в. до н.э., наблюдавший за пылинками, которые танцуют в солнечном луче. Наконец, в 1804–1810 английский химик и физик Дж.Дальтон разработал атомную теорию, которая включала законы кратных соотношений и постоянства состава. Однако убедительные доказательства существования атомов были получены только в 20 в. Когда Лукреций утверждал, что пылинки подталкиваются невидимыми потоками движущихся атомов, он был не так уж далек от истины: их танец действительно могут вызывать воздушные течения, но даже в неподвижном воздухе частички пыли или дыма находятся в постоянном движении. Этот эффект называют броуновским движением (см. также БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ). Спустя два тысячелетия после Лукреция французский ученый Ж.Перрен, вооруженный микроскопом и математической теорией, изучил случайные блуждания суспендированных частичек краски и рассчитал число невидимых молекул, чьи удары заставляли их двигаться. После того, как атомы и молекулы удалось сосчитать, само их существование стало гораздо более убедительным.

Строение атома

Согласно современным представлениям, атом содержит центральное ядро, размеры которого очень малы по сравнению с атомом в целом. Ядро несет положительный электрический заряд и окружено диффузной оболочкой (облаком) из отрицательно заряженных электронов, которая и определяет размер атома. Диаметр атома – ок. 10 –8 см, диаметр ядра в 10 000 раз меньше и равен примерно 10 –12 см. У простейшего из атомов – атома водорода – в ядре всего одна частица – протон. Ядро атомов других элементов содержит более одного протона, а также нейтроны – частицы, близкие к протонам по массе, но не имеющие электрического заряда. Заряд ядра называют его атомным (или порядковым) номером. Атомный номер равен числу протонов в ядре и определяет химическую природу элемента. Так, атом с зарядом ядра +26 содержит 26 протонов в ядре и представляет собой элемент железо. Ядро атома железа окружают 26 электронов, поэтому атом в целом электронейтрален.

Суммарное число протонов и нейтронов в ядре называют массовым числом, поскольку в этих частицах сосредоточена практически вся масса атома. Число нейтронов, содержащихся в ядрах атомов данного элемента, в отличие от числа протонов, может варьировать. Атомы одного элемента, ядра которых содержат разное число нейтронов, называют изотопами. Слово «изотоп» греческого происхождения; оно означает «одно и то же место» – разные изотопы элемента занимают одну и ту же позицию в периодической таблице Менделеева (см. также ИЗОТОПЫ) и обладают очень близкими химическими свойствами. Так, у водорода (массовое число 1) есть изотоп дейтерий, в ядре которого один протон и один нейтрон (массовое число соответственно равно 2). Оба изотопа вступают в одни и те же химические реакции, но не всегда одинаково легко.

Термин «атомная масса» означает массу атома элемента, выраженную в единицах массы атома изотопа углерода 12 С, которую принято считать равной его массовому числу – 12,0000 (атомная масса изотопа близка к его массовому числу, но не равна ему, поскольку при образовании атомного ядра часть массы теряется в виде энергии). До 1961 атомные массы элементов определяли относительно среднего массового числа для смеси изотопов кислорода, равного 16,0000. Атомная масса элемента, существующего в природе в виде смеси изотопов, – это средняя величина атомных масс всех изотопов с учетом их распространенности в природе (см. также АТОМНАЯ МАССА). Молекулярная масса равна сумме масс атомов элементов, составляющих молекулу. Например, мол. масса воды равна сумме 2 · 1,008 (два атома водорода) + 16,0000 (один атом кислорода), т.е. 18,016.

Электронное облако

Физические и химические свойства атомов, а следовательно, и вещества в целом во многом определяются особенностями электронного облака вокруг атомного ядра. Положительно заряженное ядро притягивает отрицательно заряженные электроны. Электроны вращаются вокруг ядра так быстро, что точно определить их местонахождение не представляется возможным. Движущиеся вокруг ядра электроны можно сравнить с облаком или туманом, в одних местах более или менее плотным, в других – совсем разреженным. Форму электронного облака, а также вероятность нахождения электрона в любой его точке можно определить, решив соответствующие уравнения квантовой механики (см. также КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА). Области наиболее вероятного нахождения электронов называют орбиталями. Каждая орбиталь характеризуется определенной энергией, и на ней может находиться не более двух электронов. Обычно вначале заполняются ближайшие к ядру самые низкоэнергетические орбитали, затем орбитали с более высокой энергией и т.д.

Существует четыре типа орбиталей, их обозначают s, p, d и f. На каждом уровне (слое) имеется одна s-орбиталь, которая содержит наиболее прочно связанные с ядром электроны. За ней следуют три p-орбитали, пять d-орбиталей и, наконец, семь f-орбиталей.

Источник