Дисциплина «Химия» читается на первом курсе в первом семестре, поэтому необходимые требования к уровню освоения содержания дисциплины включают усвоение основ химии в объеме средней школы. В данном учебном пособии не предусмотрено применение элементов высшей математики, так как пособие предназначено для студентов первого курса, которые еще не владеют соответствующим математическим аппаратом.

Особое внимание в процессе разработке данного учебного пособия уделялось тому, чтобы сделать его доступным для понимания студентов, с тем, чтобы каждый студент в результате изучения предмета «Химия» в рамках данного курса:

Получил представление о современных взглядах на строение вещества в рамках системного подхода;

Разобрался в главных закономерностях химических процессов;

Научился ориентироваться в вопросах химии, имеющих наибольшее значение для его будущей специальности;

Овладел техникой несложного химического эксперимента посредством химического практикума (предусмотренного Государственным стандартом для студентов технических специальностей).

Для облегчения этой задачи теоретические положения в данном пособии иллюстрируются примерами, приводятся задания для самостоятельной работы, даются рекомендации по выполнению заданий для успешной самостоятельной работы студентов над предметом. Задания, предлагаемые в данном пособии, составлены с учѐтом требований, предъявляемым студентам при Интернеттестировании на федеральном уровне.

Объѐм химических знаний, представленных в данном учебном пособии, ограничен. Оно не может полностью заменить фундаментальный учебник по химии, однако его можно рассматривать именно как пособие, долженствующее облегчить знакомому со школьным курсом химии учащемуся, в том числе и самостоятельно изучающему предмет, успешное усвоение учебного материала фундаментальных учебников, рекомендованный список которых, вместе с перечнем дополнительной литературы, приводится в данном учебном пособии. Пособие также поможет студентам восполнить пробелы в школьном химическом образовании.

Введение

Химия как раздел естествознания

Химия как наука является разделом естествознания - комплекса наук о природе, о мире в его естественном состоянии, независимо от человека. В этот комплекс входят физика и астрономия, химия и биология, геология и география, а также многочисленные приложения этих наук. Химия - это естественная наука, изучающая химические превращения материи, существующей в виде вещества. Материей мы называем всѐ, что окружает нас (и нас самих), действует на наши органы чувств (или на приборы) и отражается нашим сознанием. По современным представлениям, вещество является только одной из трех форм материи; двумя другими формами являются поле и вакуум. В современной физике веществом называют форму материи, состоящую из элементарных частиц, имеющих собственную массу (массу покоя), а именно, из фермионов, которые образуют электронные оболочки и атомные ядра, атомы и молекулы. При химических процессах происходит обмен атомами между различными веществами, перераспределение электронов, разрушение одних химических связей и возникновение других. Химические процессы являются проявлением электромагнитного взаимодействия, переносчиком которого служит фотон.

При физическом изменении вещества не происходит изменений его внутреннего строения, состава и свойств. В результате химических изменений вещества (химической реакции) происходят изменения не только физического состояния веществ (например, его агрегатного состояния), но меняется также химический состав и структура веществ. С углублением знаний о строении материи эволюционировало и понятие «химическая реакция». По современным представлениям, химическая реакция – это процесс, в результате которого изменяются состав, структура или заряд участвующих в процессе частиц (атомов, молекул, ионов или радикалов) при неизменности химической природы атомов.

Химия изучает разнообразные химические процессы, и эти знания помогают человеку получать необходимые для его жизнедеятельности материалы и двигаться по пути материально-технического прогресса.

Значение химии в изучении природы принципиально важно, так как эта наука отвечает на вопрос о строении и свойствах веществ, из которых состоят все объекты природы, в том числе и сам человек. По словам А. Эйнштейна, только теория решает, что именно мы ухитряемся наблюдать, поэтому «нет ничего практичнее хорошей теории». Химия составляет теоретическую основу любого химического производства, от переработки природного сырья (металлических руд, нефти, природного газа) до изготовления бытовых товаров. Понимание законов химии и умение их использовать на практике необходимо каждому инженеру, технологу или экономисту, потому что нет ни одного производства, где не применялись бы те или иные химические процессы (получение чистых металлов и других материалов, нанесение покрытий, очистка воды и т.д.). Любая промышленно развитая страна имеет развитую промышленность, а тем самым обязана тратить большие средства на развитие теоретической химии.

Основные задачи современной химии

Цель любых научных исследований состоит в изучении законов природы для последующего их использования в практической деятельности. Практическое применение химической теории сводится к решению трех основных проблем:

1. Получения максимального количества вещества с заданными свойствами с минимальными затратами исходных веществ и энергии на осуществление процесса; 2. Получения максимального количества энергии (теплоты или электричества) для дальнейшего ее использования;

3. Осуществления всех химических процессов с оптимальной скоростью.

ЛЕКЦИЯ 1. Химические системы

1.1. Вещество как система

Применение теории систем к решению конкретных проблем называют системно-структурным подходом. Этот подход применим и в химии.

Системой вообще называется множество элементов, находящихся в таких отношениях друг с другом, которые придают множеству определенную целостность и единство, то есть взаимодействуют меж собой.

Системным подходом называют такой способ рассмотрения проблемы, при которой ее состояния, свойства и особенности выводятся из состояния и свойств составляющих ее элементов.

Системе свойственна целостность, то есть свойство изменяться при изменении свойств ее элементов. Изменение любого элемента системы оказывает воздействие на все другие элементы системы и изменяет всю систему. И наоборот, воздействие на систему оказывает влияние на свойства составляющих ее элементов. При объединении элементов в целостную систему у них появляются новые свойства, то есть целое не является механической суммой частей. Примером может служить молекула воды, составленная из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Свойства воды не есть линейная комбинация свойств водорода и кислорода, у воды появляются новые, присущие только ей характеристики. Такое свойство системы называется эмерджентностью (от английского слова emerge – внезапно возникать)

Любой объект окружающего нас мира представляет собой целое в одном отношении и часть целого в другом. Любую систему можно расчленить на элементы, которые, в свою очередь, могут рассматриваться как система. В то же время сама данная система может выступать в виде элемента другой более широкой системы. Это свойство систем называют их иерархическим строением. Следствием иерархического строения является возможность изучения систем при последовательном переходе с одного уровня расположения элементов системы на другой. Самой большой и сложной является наш мир в целом, то есть система под названием Вселенная. Во всей этой системе в целом и в каждой ее части материя находится в непрекращающемся движении. Мерой движения материи является энергия, а также ее превращения из одной формы в другую.

Химия как наука о веществе должна, прежде всего, дать ответ на вопрос, как вещество устроено. Системный подход можно применить и к поискам ответов на этот вопрос. Если считать вещество сложной системой, на вопрос, из чего состоит данная сложная система, следует дать ответ – из более простых систем. Отсюда следует, что в данном случае логично применить системный подход с иерархическим усложнением, переходя от более простых систем к системам более сложным. Однако при любом подходе необходима концепция (что в переводе с латинского языка означает «понимание»), то есть основополагающее допущение. Таких концепций о строении вещества существует две, и обе они зародились ещѐ в глубокой древности, в V –

IV вв. до нашей эры в Древней Греции.

1.2. Концептуальный уровень

Одна из двух основополагающих идей о строении вещества называется корпускулярной концепцией. Суть еѐ состоит в том, что любое вещество можно раздробить на первичные структурные элементы, то есть существует предел деления материи. Автором корпускулярной концепции читается греческий философ Демокрит (460370 гг. до н.э), который утверждал, что на свете нет ничего, кроме атомов и пустоты. Рассуждая о том, почему при сильном нагревании улетучивается вода, как можно ощутить запах цветка на расстоянии и куда девалась позолота с рук статуи Зевса в местном храме, Демокрит пришел к выводу о том, что тела только кажутся нам сплошными, а на самом деле состоят из мельчайших частиц – атомов. В переводе с греческого языка слово «атомос» означает «неделимый».