Химические концепции естествознания

     Особой разновидностью химических элементов являются изотопы, ядра их атомом различаются числом нейтронов (поэтому у них разная атомная масса), но содержат одинаковое число протонов и поэтому занимают одно и то же место в периодической системе элементов. Термин «изотоп» был введен в 1910 г. Фредериком Содди, известным английским радиохимиком, лауреатом Нобелевской премии. Различают стабильные (устойчивые) и нестабильные (радиоактивные) изотопы.

     С момента открытия изотопов наибольший интерес вызвали радиоактивные изотопы, которые стали широко использоваться в атомной энергетике, приборостроении, медицине и т. д.. Сегодня выпускается огромное количество различных приборов, содержащих радиоактивные изотопы. Они служат для определения плотности, однородности, гигроскопичности и других характеристик материалов.

     В наши дни широко  используется метод  меченых атомов, который позволяет  проследить за перемещением химических соединений при физических, химических и биологических процессах. Для этого в исследуемое вещество вводятся радиоактивные изотопы определенных элементов, и ведется наблюдение за их продвижением. Так можно проследить за превращением веществ, как в доменной печи, так и в живом организме. Например, с помощью изотопа кислорода- 18 стало возможным выяснение механизма дыхания живых организмов.

     С помощью радиоактивных методов  анализа вещества можно определить содержание в нем различных металлов в очень малых концентрациях – до 10^-10 в 10^-12г вещества.

     В медицине с помощью радиоактивных  изотопов лечат многие забеливания, в том числе онкологические. Кроме  того, батареи небольшой мощности на изотопах плутония-238 и кюрия -224 применяются в приборах для стабилизации ритма сердца. В химической промышленности изотопы используются для обучения полиэтилена и других полимеров для повышения их термостойкости и прочности.

     Таким образом, правильное использование радиоактивных изотопов приносит несомненную пользу человечеству. К сожалению, в последнее время об этом стали  забывать, все меньше доверяя радиации, которая ассоциируется с атомной бомбой или с Чернобылем. Забыты те времена, радиоактивность и рентгеновское излучение были только что открыты и их посчитали панацеей в медицине. Мало кто помнит, что в начале XX в. в свободной продаже были радиевые подушки, радиоактивная зубная паста и косметика, считавшиеся полезными для здоровья. Уже в 20-30-е годы XX в. появились первые свидетельства того, что радиоактивное излучение неблагоприятно влияет на живые организмы, вызывая генетические изменения – мутации, а также различные виды онкологических заболеваний. Последствия атомной бомбардировки Хиросимы и Нагасаки подтвердили эти выводы. Поэтому сегодня медицина двойственно относится к радиации. С одной стороны, говорится, что только в малых дозах радиации безопасна (в природе есть естественный радиоактивный фон ), с другой – продолжают использовать рентгеновское обследование и лучевую терапию в лечебных целях. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

           Глава 3. Концепции структурной химии. 

     Характер  любой системы зависит не только от состава и строения её элементов, но и от их взаимодействия. Совокупность тех специфических взаимосвязей и взаимодействий, благодаря которым возникают новые целостные свойства, присущие только системе и отсутствующие у отдельных её элементов, называется структурой системы.  Поэтому при исследовании разнообразных веществ и их реакционной способности учёным-химикам приходится заниматься и изучением их структур. В качестве первичной химической системы рассматривается при этом молекула, и поэтому под структурой веществ прежде всего понимается структура молекулы как наименьшей частицы вещества.

     Многочисленные  эксперименты по изучению свойств химических элементов в первой половине XIX века привели учёных к убеждению, что свойства веществ и их качественное разнообразие обусловлены не только составом элементов, но и структурой их молекул. Так было положено начало второму уровню развития химических знаний, который получил название структурной химии. Она стала более высоким уровнем по отношению к учению о составе вещества, включив его в себя. При этом химия из науки преимущественно аналитической превратилась в науку синтетическую. Главным достижением этого этапа развития химии стало установление связи между структурой молекул и реакционной способностью веществ.

     Сам термин «структурная химия» - понятие  условное. Под ним прежде всего  подразумевается такой уровень  химических знаний, при котором, комбинируя атомы различных химических элементов, можно создать структурные формулы любого химического соединения. Возникновение структурной химии означало, что появилась возможность для целенаправленного качественного преобразования веществ, для создания схемы синтеза любых химических соединений, в том числе и ранее неизвестных.

     Основы  структурной химии были заложены ещё Дж. Дальтоном, который показал, что любое химическое вещество представляет собой совокупность молекул, состоящих  из определённого количества атомов одного, двух или трёх химических элементов. Затем И. Берцелиус выдвинул идею, что молекула представляет собой не простое нагромождение атомов, а определённую упорядоченную структуру атомов, связанных между собой электростатическими силами. Как позже показал химик Ш. Жерар, это утверждение было верно не всегда, поэтому ещё в середине XIX века структура молекул оставалась загадочной.

     В 1857 году немецкий химик А. Кекуле опубликовал  свои наблюдения о свойствах некоторых  элементов, могущих занять атомы  водорода в ряде соединений, и ввёл новый термин – сродство. Он стал обозначать количество атомов водорода, которые может заместить данный химический элемент. Число единиц сродства, присущее данному химическому элементу, Кекуле назвал валентностью. При объединении атомов в молекулу происходило замыкание свободных единиц сродства. Таким образом, понятие «структура молекул» свелось к построению наглядных формульных схем, которые служили химикам руководством в их практической работе, показывали, какие исходные вещества нужно было брать для получения конечного продукта.

     Структурная химия позволяет наглядно демонстрировать  валентность химических элементов  как число единиц сродства, присущих атому: =С=; -О-; Н-. Комбинируя атомы различных  химических элементов с их единицами сродства, можно создать структурные формулы любого химического соединения. А это означает, что химик в принципе может создавать план синтеза любого химического соединения – как уже известного, так и неоткрытого. То есть химик может прогнозировать получение неизвестного соединения и проверить свой прогноз синтезом.

     К сожалению, схемы Кекуле не всегда можно  применить на практике. Часто придуманная  химиками реакция, которая должна была привести к получению вещества с  нужной структурной формулой, не происходила. Это было вызвано тем, что подобные формальные схемы не учитывали реакционной способностью веществ, вступавших в химическую реакцию.

     Поэтому важнейшим шагом в развитии структурной  химии стало появление теории химика А. М. Бутлерова. Бутлеров вслед  за Кекуле признавал, что образование молекул из атомов происходит за счёт замыкания свободных единиц сродства, но при этом он указывал на то, с какой энергией (большей или меньшей) это сродство связывает вещества между собой. Иными словами, Бутлеров впервые в истории химии обратил внимание на энергетическую неравноценность разных химических связей. Эта теория позволила строить структурные формулы любого химического соединения, так как показывала взаимное влияние атомов в структуре молекулы, а через это объяснила химическую активность одних веществ и пассивность других. Кроме того, она указывала на наличие активных центров и активных группировок в структуре молекул.

     В XX веке структурная химия получила дальнейшее развитие. В частности, было уточнено понятие структуры, под которой стали понимать устойчивую упорядоченность качественно неизменной системы. Также было введено понятие атомной структуры – устойчивой совокупности ядра и окружающих его электронов, находящихся в электромагнитном взаимодействии друг с другом, и молекулярной структуры – сочетания ограниченного числа атомов, имеющих закономерное расположение в пространстве и связанных друг с другом химической связью с помощью валентных электронов.

     Кроме того, современная наука даёт возможность  определять не только состав, но и строение молекул. Изучить пространственное расположение атомов позволяет метод рентгеноструктурного анализа, основанный на явлении дифракции. Он помогает изучить все соединения, которые удаётся получить в кристаллическом состоянии, причём для определения параметров кристаллической структуры требуется всего 10 мкг вещества. Также существует метод нейтронографии, основанный на дифракции нейтронов. Он позволяет с высокой точностью определить относительное расположение атомов.

     На  основе достижений структурной химии у исследователей появилась уверенность в положительном исходе экспериментов в области органического синтеза. Сам термин «органический синтез» появился в 60 – 80-е годы XIX века и стал обозначать целую область науки, названную так в противоположность общему увлечению анализом природных веществ. Этот период в химии был назван триумфальным шествием органического синтеза. Химики гордо заявили о своих ничем не сдерживаемых возможностях, обещая синтезировать из угля, воды и воздуха все самые сложные тела, вплоть до белков, гормонов и прочее. И действительность, казалось, подтверждала эти заявления: за вторую половину XIX века число органических соединений возросла за счёт вновь синтезированных с полумиллиона до двух миллионов.

     В это время появились, например, всевозможные азокрасители для текстильной промышленности, различные препараты для фармации, искусственный шёлк. Раньше подобные материалы добывались в ограниченных количествах и с огромными затратами низкопроизводительного, преимущественно сельскохозяйственного, труда.

     Современная структурна химия достигла больших  успехов. Синтез новых органических веществ позволяет получить полезные и ценные материалы, отсутствующие  в природе. Так, ежегодно в мире синтезируют  тысячи килограммов аскорбиновой кислоты (витамина С), множество новых лекарств, среди которых – безвредные антибиотики, лекарства против гипертонии, язвенной болезни и другие.

     Самое последнее достижение структурной  химии – открытие совершенно нового класса металлоорганических соединений, которые за свою двухслойную структуру получили название «сэндвичевых». Молекула этого вещества представляет собой две пластины из соединений водорода и углерода, между которыми находится атом какого-либо металла.

     Исследования  в области современной структурной химии идут по двум перспективным направлениям:

• синтез кристаллов с максимальным приближением к идеальной решётке для получения материалов с высокими техническими показателями: максимальной прочностью, термической стойкостью, долговечностью в эксплуатации и другие;
• создание кристаллов с заранее запрограммированными дефектами для производства материалов с заданными электрическими, магнитными и другими свойствами.

     Решение каждой из этих задач имеет свои сложности. Так, для решения первой необходимо соблюдение таких условий выращивания кристаллов, которые исключали бы воздействие на процесс всех внешних факторов, в том числе и поля гравитации (земного притяжения). Поэтому такие кристаллы выращиваются на орбитальных станциях в космосе. Решение второй задачи затруднено тем, что наряду с запрограммированными дефектами, практически всегда образуются и нежелательные нарушения.

     Тем не менее, классическая структурная  химия ограничивалась только сведениями о молекулах вещества, находящегося в дореакционном состоянии. Этих сведений недостаточно, чтобы управлять процессами превращения вещества. Так, согласно структурным теориям, должны быть вполне осуществимы многие реакции, которые на практике не происходят. Большое количество реакций органического синтеза, основанных лишь на принципах структурной химии, имеют столь низкие выходы продукции и такие большие отходы в виде побочных продуктов, что их нельзя использовать в промышленности. К тому же такой синтез потребовал бы в качестве исходного сырья дефицитные активные реагенты и сельскохозяйственную продукцию, в том числе и пищевую, что крайне невыгодно в экономическом отношении.

     Поэтому изумление успехами структурной  химии оказалось недолгим. Интенсивное  развитие автомобилестроения, авиации, энергетики, приборостроения в первой половине XX века выдвинуло новые требования к производству материалов. Необходимо было получить высокооктановое моторное топливо, специальные синтетические каучуки, пластмассы, высокостойкие изоляторы, жаропрочные органические и неорганические полимеры, полупроводники. Для получения этих материалов способ решения основной проблемы химии, основанный на учении о составе и структурных теориях, был явно недостаточен. Он не учитывал резкие изменения свойств вещества в результате влияния температуры, давления, растворителей и многих других факторов, воздействующих на направление и скорость химических процессов. Учёт и использование этих факторов вывели химию на новый качественный уровень её развития.