Эксклюзив
Карпенков Степан Харланович
21 апреля 2017
628

Свойства вещества

Main okr

Окружающая среда состоят из множества сложных органических и неорганических соединений, играющих важную роль в жизнедеятельности всех живых организмов. Каждый день синтезируются всё новые химические вещества, не существующие в природе. Поэтому очень важен синтез таких веществ, которые были безопасны для окружающей среды, включая всё живое.  

Химические превращения вещества сопровождаются изменением его состава и строения и зависят от внешних условий: давления, температуры и различных излучений. При одних и тех же внешних условиях химические свойства вещества зависят от его состава. Такую зависимость впервые установил в XVII в. английский химик и физик Р.Р. Бойль (1627–1691). Почти через два столетия, в 1861 г., выдающийся российский химик А.М. Бутлеров (1828–1896) создал и обосновал теорию химического строения вещества, согласно которой свойства вещества определяются порядком связи атомов в молекулах и их взаимным влиянием. Немного позднее, в 1869 г., другой выдающийся российский химик – Д.И. Менделеев (1834–1907) открыл периодический закон химических элементов – один из фундаментальных законов природы. Современная формулировка этого закона такова: свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от заряда их атомных ядер. Заряд ядра равен атомному (порядковому) номеру элемента в Периодической системе Менделеева.

Важнейшие задачи современной химии – разработка способов управления химическими процессами и синтез химических соединений с уникальными свойствами. В последние десятилетия благодаря открытию новых явлений и эффектов, прежде всего физических, и разработке на их основе высокочувствительных приборов: электронных микроскопов, спектроскопов, масс-спектрометров и др. – появилась реальная возможность проводить экспериментальные химические исследования на молекулярном уровне. Такие исследования позволяют изучать механизм многих процессов в живом организме, синтезировать не существующие в природе вещества с необычными свойствами, установить сложную структуру молекулы ДНК, расшифровать молекулярный генный механизм наследственности и сделать многое другое.

 В результате экспериментальных исследований на молекулярный уровне синтезируются не только сверхпрочные, сверхпроводящие и другие материалы с уникальными свойствами, но и производятся тончайшие операции на фрагментах молекул ДНК с изменением генетического кода. Не за горами и решение одной из сложнейших технологических задач – конструирование устройства из отдельных молекул.

Долгое время товары повседневного спроса, продовольственные и непродовольственные, производились путём переработки растительного и животного сырья. Современные химические технологии позволяют синтезировать из искусственного сырья многочисленную и многообразную по свойствам продукцию, не уступающую по качеству природным аналогам. Потенциальные возможности химических превращений природных веществ по истине безграничны. Всё возрастающие потоки ископаемого сырья: нефти, газа, угля, минералов, силикатов и руды – превращаются в различные виды промышленной продукции: краски, лаки, мыло, минеральные удобрения, моторное топливо, пластмассы, искусственные волокна, средства защиты растений, пищевые наполнители, биологически активные вещества, лекарства и др.

Синтез новой химической продукции – трудоёмкий и дорогостоящий процесс, включающий множество сложнейших технологических операций. Так, для промышленного производства всего лишь несколько лекарственных препаратов необходимо синтезировать не менее 4000 разновидностей веществ, а для средств защиты растений эта цифра может быть в несколько раз больше. В недалёком прошлом на каждый внедряемый в массовое производство вид химической продукции приходилось примерно 450 научно-исследовательских разработок, из которых для опытного производства отбиралось не более 100. После опытно-промышленных испытаний только около половины отобранных видов продукции находили широкое применение. Несмотря на это, при промышленном производстве такой продукции затраты на исследования и разработку очень быстро окупались.

Химические технологии и основанное на них производство различной продукции прямо или косвенно касаются многих отраслей промышленности.

Приведём несколько примеров внедрения химических технологий. Один из них связан с изготовлением и серийным производством интегральных схем для микро- и наноэлектроники с применением химически чистого кремния, которого нет в природе. Однако такой кремний получается при химическом превращении диоксида кремния, содержащегося в песке, а это означает, что химические технологии позволяют извлечь из обычного песка элементный кремний. Другой характерный пример касается сжигания моторного топлива, потребляемого автомобильным транспортом в больших объёмах. Одна из задача потребления топлива заключается в снижении загрязнения атмосферы выхлопными газами. Частично такая непростая проблема решается с помощью автомобильного каталитического конвертера выхлопных газов. Радикальное же её решение – химическое превращение исходного сырья – сырой нефти – в очищенные продукты. Химические технологии широко применяются для разработки средств защиты окружающей среды.

Представляют интерес некоторые цифры характеризующие выпускаемую и потребляемую химическую продукцию. Во второй половине ХХ в. горожанин использовал в повседневной жизни в среднем 300–500 разнообразных  её видов, из них около 60 –  текстильные изделия, примерно 200 – в быту, на рабочем месте и во время отдыха, более 50 медикаментов, и столько же видов продуктов питания и средств приготовления пищи. Технология производства некоторых пищевых продуктов включает не менее 200 различных химических процессов.

Одно из важнейших достижений химии сверхвысоких давлений  – синтез искусственных алмазов.

В 1985 г. были синтезированы фуллерены – новая разновидность многоатомных молекул углерода, состоящая из большого числа (от 32 до 90 ) атомов углерода и имеющая сферическую форму. Предполагается, что фуллерены –  промежуточное звено между живой и неживой материей.

В начале 90-х годов прошлого века насчитывалось более одного миллиона разновидностей продукции, выпускаемой химической промышленностью. К тому времени общее число известных химических соединений превышало 8 млн, в том числе примерно 60 000 неорганических соединений. Сегодня известно более 18 млн химических соединений. В последние десятилетия во всех лабораториях нашей планеты ежедневно синтезируется 200–250 новых химических соединений. Всё это свидетельствует об огромных масштабах современной химической индустрии.

 Все вещества подразделяются на простые (с атомами одного химического элемента) и сложные – химические соединения. В природе чаще всего встречаются химические соединения. Они условно делятся на органические – соединения углерода с другими элементами – и неорганические. Например, к неорганическим соединениям относятся металлы и их сплавы. В последнее время синтезируются металлоорганические вещества, композиты и др., которые занимают промежуточное положение между неорганическими и органическими соединениями и из которых производятся перспективные материалы с уникальными свойствами.

Продукты питания, растения, организмы животных, природный газ, нефть, бумага, пластмасса и многое другое – всё это многообразие материальных объектов состоит преимущественно из органических соединений. Большинство видов таких соединений включает атомы углерода, связанные между собой и атомами одного или нескольких других элементов: водорода, кислорода, азота, серы, фосфоры, хлора и фтора. В настоящее время известно более 7 млн видов органических соединений. Среди них наиболее часто встречаются углеводороды, моносахариды, углеводы, протеины, нуклеиновые кислоты, хлоропроизводные углеводороды и др.

Углеводороды – соединение атомов углерода и водорода (один из них – метан (СН4) – основной компонент природного газа). Моносахариды включают атомы углерода, водорода и кислорода. К ним относятся, например глюкоза (С6H12О6), расщепляемая в клетках большинства видов растений и животных и обеспечивающая их запасами энергии. Углеводы образуются при объединении нескольких молекул моносахаридов, например, таких как глюкоза. Характерный пример углеводов – крахмал, содержащийся в рисе и картофеле. Протеины, широко известные как белки,  состоят  из остатков аминокислот.  К ним относятся многие ферменты. Белки – важнейшая составляющая живых клеток – по своей структуре и составу представляет собой высокомолекулярные органические соединения – полимеры. Их молекулы имеют форму длинных цепей из повторяющихся молекул. По своей химической природе ферменты – белки. Нуклеиновые кислоты – природные органические соединения-полимеры, обеспечивающие хранение и передачу наследственной информации в живых организмах. Хлоропроизводные углеводороды – соединения атомов углерода, водорода и хлора. К ним относятся, например, инсектицид ДДТ и токсичные полихлорированные дифенилы, применяемые в качестве изолятора в электрических трансформаторах. Хлорфторуглероды состоят из атомов углерода, хлора и фтора. Один из видов таких соединений – фреон – используется при производстве пластмасс, например пенастерона, а совсем недавно он широко применялся как охладитель в рефрижераторах и кондиционерах.

Окружающая среда состоят из множества сложных органических и неорганических соединений, играющих важную роль в жизнедеятельности всех живых организмов. Каждый день синтезируются всё новые химические вещества, не существующие в природе. Поэтому очень важен синтез таких веществ, которые были безопасны для окружающей среды, включая всё живое.

 

Библиографические ссылки

Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Учебник для вузов, 12-е изд. М.: Директ-Медиа, 2014.

Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Практикум, 6-е изд. М.: Директ-Медиа, 2016.

Карпенков С.Х. Экология. Учебник в 2-х кн. М.: Директ-Медиа, 2017.      

Карпенков С.Х. Экология. Практикум. М.: Директ-Медиа, 2014.

Карпенков С.Х. Экология. Учебник для бакалавров. М.: Логос, 2014.

Карпенков С.Х. Технические средства информационных технологий.          3-е изд. М.: Директ-Медиа, 2015.

Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Справочник.  М.: Высшая школа, 2004.

Карпенков С.Х. Незабытое прошлое. М.: Директ-Медиа, 2015.     

Карпенков С.Х. Воробьёвы кручи. М.: Директ-Медиа, 2015.

Карпенков Степан Харланович

Рейтинг всех персональных страниц

Избранные публикации

Как стать нашим автором?
Прислать нам свою биографию или статью

Присылайте нам любой материал и, если он не содержит сведений запрещенных к публикации
в СМИ законом и соответствует политике нашего портала, он будет опубликован