Устроены сложнее чем неорганические и многие имеют большое значение
§ 1. Предмет органической химии
Вы приступаете к изучению органической химии, с которой только немного ознакомились в 9 классе. Почему «органической»? Обратимся к истории.
Еще на рубеже IX—X вв. арабский алхимик Абу Бакр ар-Рази (865—925) впервые разделил все химические вещества по их происхождению на три царства: минеральные, растительные и животные вещества. Эта уникальная классификация просуществовала почти тысячу лет. Тем не менее в начале XIX в. возникла необходимость объединить химию веществ растительного и животного происхождения в единую науку. Такой подход покажется вам логичным, если вы имеете хотя бы элементарные представления о составе живых организмов.
Из курса естествознания и начальных курсов биологии вы знаете, что в состав любой живой клетки, как растительной, так и животной, обязательно входят белки, жиры, углеводы и другие вещества, которые принято называть органическими. По предложению шведского химика Й. Я. Берцелиуса с 1808 г. науку, изучающую органические вещества, стали называть органической химией.
Идея химического единства живых организмов на Земле так восхитила ученых, что они даже создали красивое, но ложное учение — витализм, согласно которому считалось, что для получения (синтеза) органических соединений из неорганических необходима особая «жизненная сила» (vis vitalis). Ученые полагали, что жизненная сила обязательный атрибут только живых организмов. Отсюда следовал и ложный вывод о том, что синтез органических соединений из неорганических вне живых организмов — в пробирках или промышленных установках — невозможен.
Виталисты резонно утверждали, что важнейший основополагающий синтез на нашей планете — фотосинтез (рис. 1) невозможен вне зеленых растений. Упрощенно процесс фотосинтеза описывают уравнением
Невозможны, по утверждению виталистов, и любые другие синтезы органических соединений вне живых организмов. Однако дальнейшее развитие химии и накопление новых научных фактов доказало, что виталисты глубоко заблуждались.
В 1828 г. немецкий химик Ф. Вёлер синтезировал органическое соединение мочевину из неорганического вещества цианата аммония. Французский ученый М. Бертло в 1854 г. получил в пробирке жир. В 1861 г. русский химик А. М. Бутлеров синтезировал сахаристое вещество. Витализм потерпел крах.
Сейчас органическая химия представляет собой бурно развивающуюся отрасль химической науки и производства. В настоящее время насчитывается более 25 миллионов органических соединений, среди которых есть и такие вещества, которые до сегодняшнего дня не были обнаружены в живой природе. Получение этих веществ стало возможным благодаря результатам научной деятельности химиков-органиков.
Все органические соединения по происхождению можно условно разделить на три типа: природные, искусственные и синтетические.
Природные органические соединения — это продукты жизнедеятельности живых организмов (бактерий, грибов, растений, животных). Это хорошо известные вам белки, жиры, углеводы, витамины, гормоны, ферменты, натуральный каучук и др. (рис. 2).
Синтетические органические соединения получают синтетическим путем, т. е. соединением более простых молекул в более сложные. К ним относятся, например, синтетические каучуки, пластмассы, лекар-
Синтетические органические соединения получают синтетическим путем, т. е. соединением более простых молекул в более сложные. К ним относятся, например, синтетические каучуки, пластмассы, лекарственные препараты, синтетические витамины, стимуляторы роста, средства защиты растений и др. (рис. 4).
Несмотря на огромное многообразие, все органические соединения имеют в своем составе атомы углерода. Поэтому органическую химию можно назвать химией соединений углерода.
Наряду с углеродом, в состав большинства органических соединений входят атомы водорода. Эти два элемента образуют ряд классов органических соединений, которые так и называют — углеводороды (приложение 1). Все остальные классы органических соединений можно рассматривать как производные углеводородов (приложение 2). Это позволило немецкому химику К. Шорлеммеру дать классическое определение органической химии, которое не потеряло своего значения и более 120 лет спустя.
Например, при замене одного атома водорода в молекуле этана С2Н6 на гидроксильную группу —ОН образуется хорошо знакомый вам этиловый спирт С2Н5ОН, а при замене атома водорода в молекуле метана СН4 на карбоксильную группу — СООН образуется уксусная кислота СН3СООН.
Почему же из более чем ста элементов Периодической системы Д. И. Менделеева именно углерод стал основой всего живого? Многое вам станет понятно, если вы прочтете следующие слова Д. И. Менделеева, написанные им в учебнике «Основы химии»: «Углерод встречается в природе как в свободном, так и в соединительном состоянии, в весьма различных формах и видах. Способность атомов углерода соединяться между собой и давать сложные частицы проявляется во всех углеродистых соединениях. Ни в одном из элементов. способности к усложнению не развито в такой степени, как в углероде. Ни одна пара элементов не дает столь много соединений, как углерод с водородом ».
Химические связи атомов углерода между собой и с атомами других элементов (водорода, кислорода, азота, серы, фосфора), входящих в состав органических соединений, могут разрушаться под влиянием природных факторов. Поэтому углерод совершает непрерывный круговорот в природе: из атмосферы (углекислый газ) — в растения (фотосинтез), из растений — в животные организмы, из живого — в неживое, из неживого — в живое (рис. 5).
И в заключение отметим ряд особенностей, характеризующих органические соединения.
Так как молекулы всех органических соединений содержат атомы углерода, а практически все — и атомы водорода, то большинство из них горючи и в результате горения образуют оксид углерода (IV) (углекислый газ) и воду.
В отличие от неорганических веществ, которых насчитывается около 500 тысяч, органические соединения более многообразны, поэтому их число насчитывает сейчас более 25 миллионов.
Многие органические соединения построены более сложно, чем неорганические вещества, и многие из них имеют огромную молекулярную массу, например белки, углеводы, нуклеиновые кислоты, т. е. вещества, благодаря которым происходят жизненные процессы.
Органические соединения образованы, как правило, за счет ковалентных связей и потому имеют молекулярное строение, а следовательно, обладают невысокими температурами плавления и кипения, термически неустойчивы.
1. Используя знания по курсу биологии, сравните химический состав растительной и животной клеток. Какие органические соединения входят в их состав? Чем отличаются органические соединения растительной и животной клеток?
2. Опишите круговорот углерода в природе.
3. Объясните, почему возникло учение витализм и как оно потерпело крах.
4. Какие типы органических соединений (по происхождению) вы знаете? Приведите примеры и укажите области их применения.
5. Вычислите объем кислорода (н. у.) и массу глюкозы, образующиеся в результате фотосинтеза из 880 т углекислого газа.
Органические и неорганические вещества – что это и отличия
Органические и неорганические вещества – эти термины знакомы каждому человеку из школьной программы по биологии или химии. Также о них слышали садоводы. Что представляют собой и чем отличаются подобные вещества, способны объяснить не все. Для того чтобы лучше разобраться в особенностях и понять нюансы, рекомендуется сначала дать определение для каждого из рассматриваемых понятий, а затем провести сравнение по ключевым характеристикам.
Определение понятий
Органические вещества – соединения, которые имеют сложную химическую структуру (молекулярное строение). Они имеют невысокую температуру плавления, при воздействии высоких температур распадаются на несколько простых компонентов. Реакция протекает с выделением углекислого газа и воды. В молекулах присутствуют углерод и водород. Происхождение природное.
Неорганические вещества – химические соединения, имеющие простое молекулярное строение и небольшую массу. Температуры плавления высокие. Разложение происходит длительное время. Природа происхождения как биологическая, так и искусственная (промышленность).
Сравнение
Некоторые отличия между органикой и неорганическими веществами стала понятна из приведенных определений, но для более подробного разбора и выявления отличий, следует провести сравнение. Органика распадается за короткий промежуток времени на простые составные элементы – белки, углеводы, липиды. Разнообразие органики – результат наличия в ее молекулах углерода. Органические вещества способны к процессу изометрии. В результате образуются соединения, которые имеют одинаковый набор атомов в молекулах. Достичь разнообразия в этом случае позволяет различное положение атомов в молекулах образовавшихся веществ. Самыми распространенными являются такие соединения, как фруктоза и глюкоза. В них находится одинаковый набор атомов, но расположение отличается, поэтому свойства этих компонентов и их работа в химических реакциях различаются.
Неорганические вещества, самым распространенным из которых является вода, обладают небольшой молекулярной массой. Неорганики по современной классификации насчитывается всего около 100 тысяч, против органических соединений, которых представлено более 18 млн. Неорганические составляющие не способы к процессам изометрии. К неорганике также относятся различные металлы, соли, оксиды, различные смеси и простые вещества.
Выводы
Проведя сравнение, можно с уверенностью сказать, что различия между органическими и неорганическими веществами выражены в особенностях молекулярной структуры. Температура плавления и скорость разложения также являются факторами, указывающими на различия между рассматриваемыми понятиями. Наличие таких составляющих как водород и углерод характерны для органических соединений. Происхождение неорганики не всегда природное, многие компоненты являются плодом технических, производственных и научных изысканий. Общее количество неорганических веществ составляет по современной классификации 100 тысяч. Органика же превосходит числом, таких элементов в классификации представлено более чем в 10 раз больше. Органика имеет сложную структуру молекулярной сетки, неорганика — простую. Для того чтобы запустить процессы разложения в первом случае не требуется нагрева до высоких температур (например, мясо портиться при комнатной температуре, а для плавления металлов требуется длительный нагрев).
В состав молекул всех органических веществ входит углерод, но нужно учитывать и особенности этой группы компонентов. Так в карбидах или цианидах нет этого элемента. Уникальным свойством углерода является способность образовывать цепочки из атомов. Благодаря подобной способности соединений из одного и того же атомного набора может появляться очень много.
Различия между органическими и неорганическими соединениями
Основное различие между органическими и неорганическими соединениями это присутствие атома углерода.
Органические соединения содержат атом углерода и обычно также имеют атом водорода с образованием углеводородов. Со своей стороны, почти ни одно из неорганических соединений не содержит атомов углерода и / или водорода..
Основные различия между органическими и неорганическими соединениями
Хотя подавляющее большинство неорганических соединений не содержат углерода, есть некоторые исключения. Например, окись углерода и двуокись углерода содержат атомы углерода.
Однако этого количества недостаточно для образования прочных связей с кислородом, присутствующим в молекуле. Из-за этого ученые всегда считали эти соединения неорганическими. Поэтому, даже если соединение содержит уголь, оно не обязательно считается органическим.
Со своей стороны, неорганические соединения включают такие элементы, как соли, металлы и другие необходимые компоненты. Вещества, изготовленные из отдельных элементов, и любое соединение, которое не имеет атомов углерода, связанных с атомами водорода, также считаются неорганическими.
Несмотря на эти характеристики, химики-органики не достигли окончательного согласия между разницей между органическими и неорганическими соединениями. Будучи спорным вопросом, они называют присутствие углерода в молекуле наиболее приемлемым методом идентификации..
Органические соединения
В этих соединениях один или несколько атомов углерода присоединены к атомам других элементов. Наиболее распространенными элементами, к которым они присоединены, обычно являются водород, кислород и азот. Те немногие соединения, которые содержат углерод и не считаются органическими, представляют собой цианиды, карбонаты и карбиды..
Традиционно считается, что органические соединения имеют большое значение, поскольку вся известная жизнь основана на органических соединениях. Самые основные нефтехимические вещества рассматриваются в качестве основы органической химии.
Есть несколько соединений, которые считаются органическими, хотя они не имеют связи водорода и углерода. К ним относятся бензолексол, мезоксалевая кислота и четыреххлористый углерод.
Органические соединения можно классифицировать на природные и синтетические соединения..
Природные соединения
Они относятся к тем соединениям, которые вырабатываются растениями и животными. Многие из этих соединений извлекаются из природных источников, потому что было бы очень дорого производить их искусственно.
Наиболее распространенными являются сахара, некоторые алкалоиды и питательные вещества, такие как витамин B12. Как правило, все они представляют собой соединения, которые имеют большие или сложные молекулы и которые можно найти в разумных количествах в живых организмах..
Синтетические соединения
Соединения, которые получают реакцией других соединений, считаются синтетическими. Это могут быть соединения, встречающиеся в природе, или соединения, которые не встречаются в природе..
Большинство полимеров, таких как пластмассы и резина, являются полусинтетическими органическими соединениями..
биотехнология
Многие органические соединения, такие как этанол и инсулин, производятся в промышленности с использованием организмов из бактерий и дрожжей. Обычно ДНК организма изменяется, чтобы выразить соединения, которые обычно не вырабатываются в организме..
Многие соединения, полученные биотехнологией, ранее не существовали в природе..
Неорганические соединения
Соединение может считаться неорганическим, если оно не содержит в своем составе связи между углеродом и водородом, называемой в химическом цикле C-H. Кроме того, неорганические соединения, как правило, представляют собой минералы или соединения, основанные на геологии, которые не содержат углерод, связанный с молекулами водорода. Вот почему многие из неорганических соединений являются металлами.
Можно сказать, что соединение считается неорганическим, если оно соответствует одному из следующих критериев:
В настоящее время неорганические соединения также могут быть определены как любое соединение, которое не имеет органической природы..
По этой причине некоторые простые соединения, содержащие углерод, называются неорганическими. Некоторые из этих соединений включают монооксид углерода, диоксид углерода, бикарбонат натрия, карбиды, карбонаты и цианиды..
Многие из этих соединений являются нормальными частями многих в основном органических систем, в том числе организмов. Это означает, что химическое вещество может быть описано как неорганическое, но это не означает, что оно не присутствует в живых организмах..
Минералы в основном оксиды и сульфаты, которые являются строго неорганическими, хотя они имеют биологическое происхождение. На самом деле, большая часть планеты Земля неорганическая.
Хотя компоненты слоев Земли хорошо изучены, процесс минерализации и состав глубокого слоя остаются активными областями в исследованиях..
Правда заключается в том, что большинство соединений во вселенной неорганического характера. По этой причине неорганические соединения имеют большое применение и много практического применения в повседневной жизни. Поскольку многие из соединений в мире неорганические, эти соединения могут иметь много различных форм и могут иметь очень разные характеристики.
Например, поскольку многие металлы, они могут передавать электричество. Они также имеют тенденцию иметь высокие точки кипения, а также очень яркие и яркие цвета. Обычно они очень хорошо растворяются в воде, и многие из них обладают способностью образовывать кристаллы..
Содержание:
Значение химии в современном обществе:
Химические знания — это мощная сила в руках человечества. Знание свойств химических веществ и способов их получения не только позволяет изучать и понимать природу, но и получать новые, еще неизвестные вещества, предполагать существование веществ с необходимыми свойствами.
Только ответственное, рациональное природопользование может стать залогом устойчивого развития нашей цивилизации!
Химия в повседневной жизни
Без химии невозможно представить современный быт людей. И не только опосредованно, через использование пищи, одежды, обуви, топлива, жилья, но и непосредственно, через использование стеклянных, пластмассовых, фарфоровых и фаянсовых изделий, лекарственных препаратов, средств для дезинфекции, косметических изделий, различных клеев, лаков, красок, пищевых добавок и т. п.
Окончательно вошли в наш быт различные моющие средства. Но кроме мыла и шампуней мы используем много других средств, в частности отбеливателей. Действие большинства из них основано на свойствах хлорсодержащих соединений, являющихся сильными окислителями. На некоторых средствах указывают «Не содержат Хлора». Такие средства содержат другие сильные окислители, например натрий перборат 
Создание новых материалов
Создание новых материалов — необходимость современной жизни. Материалы с новыми, улучшенными свойствами должны заменить устаревшие. Новых материалов требуют и высокотехнологичные отрасли: космическая и атомная техника, электроника. Для практических потребностей необходимы металлы, полимеры, керамика, красители, волокна и многое другое.
Особое место среди новых материалов занимают композиты. По многим свойствам — прочности, вязкости — композиты значительно превышают традиционные материалы, благодаря чему потребности общества в них постоянно растут. На создание композитов тратится все больше ресурсов, а главными потребителями композитов сегодня являются автомобильная и космическая отрасли (рис. 40.1).
Биоматериалы
С развитием медицины возникла потребность в замене органов и тканей в организме человека. Материалы, которые можно использовать для изготовления различных имплантов, создают в химических лабораториях. Металлические протезы просты в изготовлении, очень прочны, химически инертны и относительно дешевы. Главным недостатком металлов является то, что они подвергаются коррозии, из-за которой снижается механическая прочность, а организм отравляют ионы металлических элементов. Достаточно перспективными для изготовления имплантов являются сплавы титана (например, Ti–Al–V). Они прочные, относительно легкие и устойчивые к коррозии.
Сегодня все больше используют керамические биоимпланты. Керамика — замечательный биоматериал: она прочная, не поддается коррозии. Кроме того, керамика не стирается, что важно для искусственных суставов, а также характеризуется биосовместимостью.
Рациональное использование природного сырья
Природа кажется неисчерпаемой кладовой, из которой человечество берет необходимое сырье. За последние 20 лет полезных ископаемых было потреблено больше, чем за всю историю человечества. В мире ежегодно добывают и перерабатывают около 100 млрд тонн горных пород. Многие сырьевые источники уже истощены, поэтому остро стоит сырьевая проблема. Уже сегодня многие страны испытывают недостаток в отдельных природных ресурсах. В Украине, например, не хватает нефти и природного газа.
Комплексное использование сырья и отходов — основа комбинированных производств (разных химических, химических с металлургическими и др.). Необходимо внедрять безотходные технологии, т. е. такие производственные процессы, при которых отходы одного производства становятся сырьем (реагентами) для другого.
Неисчерпаемым источником сырья являются промышленные и бытовые отходы. Задача химиков состоит в разработке методов эффективного использования таких отходов. Применение вторичного сырья дает возможность экономить природные сырье и энергию, а также снизить себестоимость продукта, поскольку расходы ресурсов в 2–3 раза (а по некоторым видам до 6 раз) меньше, чем производство из первичного сырья. Например, выплавка стали из металлолома требует в 6–7 раз меньше энергетических затрат и в 25 раз дешевле, чем получение стали из руды.
Химия вошла во все сферы жизни и деятельности человечества. В повседневной жизни мы используем много продуктов химической промышленности. Химия позволяет создавать новые материалы, не существующие в природе.
Место химии в системе наук
Классификация наук:
Удобно классифицировать науки по тому, в каком «мире», т. е. в какой области знаний «действует» наука. Можно выделить четыре таких «мира»: мир идей, мир природы, мир культуры и мир человека (жизненный, или практический). По этому критерию науки группируют в четыре класса: интеллектуалистика, естествознание, культурология и праксеология.
Интеллектуалистика как предмет использует мир идей, понятия о числах, фигурах, ценностях. К таким наукам относят математику, философию, теологию и др. Интеллектуальные науки не ставят перед собой никакой практической цели. Интеллектуальные науки «не волнует», будут применяться их результаты или нет.
Естествознание как класс наук принципиально отличается от интеллектуалистики. Его предмет — природа, живая и неживая. Естествознание возникает в процессе столкновения человека с окружающей действительностью. Основа естествознания — опыт, который приобретают при непосредственном изучении объектов или явлений. Этот опыт невозможно получить путем размышлений.
Культурология объединяет общественные и исторические науки: социологию, историю, этнографию и др.
Место химии среди естественных наук
Химия — одна из естественных наук, т. е. наук, изучающих объекты и явления природы. Все естественные науки изучают природу, но с разных сторон. Так, например, одно и то же тело может изучать и химия, и физика, и астрономия. Но для химии прежде всего важен химический состав тела и преобразования, которые с ним могут происходить. Поскольку в химических реакциях ядра атомов не меняются, а происходит только перестройка электронной структуры атомов и молекул, то для химии можно предложить следующее определение:
Химия — наука о преобразованиях веществ, связанных с изменением электронного окружения атомных ядер.
Составными частями химических веществ являются химические частицы: атомы, молекулы и ионы. Их размеры — около 
м (рис. 41.1, с. 236). Объекты больших и меньших размеров изучают другие естественные науки.
Химия, изучая атомы, молекулы, химические вещества и их взаимодействия, должна в полном объеме использовать законы физики.
В свою очередь, биология и геология, изучая свои объекты, должны брать на вооружение и химические законы.
Еще в XVIII веке связь химии и физики заметил и использовал в своей работе М. В. Ломоносов, писавший: «Химик без знания физики подобен человеку, который должен все искать на ощупь. И эти две науки так взаимосвязаны, что друг без друга совершенными быть не могут».
Структура химической науки
В современной химии выделяют по крайней мере пять разделов: неорганическую, органическую, физическую, аналитическую и химию высокомолекулярных соединений. Каждый из этих разделов также разбит на самостоятельные дисциплины (схема 7). Иногда также выделяют общую химию, предмет изучения которой тесно связан с неорганической химией: химические элементы, образованные ими простейшие неорганические соединения и общие физические и химические законы. Однако четких границ между отдельными разделами не существует.
Схема 7. Структура химической науки
Для современной химии характерна интеграция с другими науками, благодаря этому возникают новые ее разделы.
Взаимосвязь химии и физики
Особенно интенсивно развиваются взаимосвязи между химией и физикой. На разных этапах своего развития физика была для химии источником различных теоретических концепций, оказывая значительное влияние на ее развитие. Чем сложнее становились химические эксперименты, тем больше аппаратуры и физических методов исследований они требовали. Для измерения тепловых эффектов реакций, проведения спектрального и структурного анализа, изучения изотопов и радиоактивных химических элементов, кристаллических решеток веществ, молекулярных структур необходимы сложные физические приборы — спектроскопы, масс-спектрографы, электронные микроскопы и др.
Современная физика способствовала изучению природы химической связи, особенностей химического строения молекул органических и неорганических соединений.
На границе физики и химии возник новый раздел химии — физическая химия. Предметом ее изучения являются строение и свойства молекул химических соединений, влияние различных факторов на условия протекания химических реакций. Физическая химия сегодня является общетеоретическим фундаментом всей химической науки. Ее теории имеют большое значение для развития неорганической и, особенно, органической химии.
В первой половине XX века сформировался новый раздел физики — квантовая механика, электронная теория атомов и молекул, который позже стали называть химической физикой. Она изучает взаимосвязь и взаимные превращения химической и субатомной форм энергии.
Взаимосвязь химии и биологии
Взаимосвязи химии с биологией способствовало становление органической химии. Развитие науки дало возможность детально исследовать строение и состав живой клетки, химические процессы в живых организмах, позволило выявить взаимосвязь между биологическими функциями организма и химическими реакциями.
Такие свойства живого, как рост, размножение, подвижность, способность реагировать на изменения внешней среды, связаны с определенными комплексами химических превращений в клетках.
Значение химии в биологических исследованиях чрезвычайно велико. Именно благодаря химии была раскрыта роль хлорофилла как химической основы фотосинтеза, гемоглобина как основы процесса дыхания. Была выяснена химическая природа передачи нервного возбуждения, определена структура нуклеиновых кислот и др. Оказалось, что все функции и процессы, происходящие в живом организме, можно изложить языком химии в виде конкретных химических реакций.
На границе биологии, химии и физики возникли следующие науки: биохимия — наука об обмене веществ и химических процессах в живых организмах; биоорганическая химия — наука о строении, функциях и способах синтеза соединений, из которых состоят живые организмы; физико-химическая биология — наука о функционировании сложных систем передачи информации и регулировании биологических процессов на молекулярном уровне, а еще биофизика, биофизическая химия и радиационная биология.
Все естественные науки изучают природу, но каждая со своей стороны. Только объединение всех знаний воедино создает целостную картину мира.
Химия вокруг нас
В этой главе вы посмотрите на окружающий мир глазами химии, познакомитесь с химическими процессами, узнаете, какую важную роль они играют в живой и неживой природе.
Вы изучите основные принципы защиты окружающей среды, проблемы химической безопасности и грамотного использования достижений химии
Оглянемся вокруг и попробуем посмотреть на все, что нас окружает, глазами химии — науки, с которой вы уже немного знакомы.
Мы живем в мире химических превращений веществ, протекающих не только в химических лабораториях или на промышленных предприятиях. Они происходят везде — в недрах земли, на ее поверхности, в океане, в атмосфере. Любой живой организм — это лаборатория, где одновременно происходят сотни и тысячи химических процессов. Дыхание, горение, переработка пищевых продуктов, получение металлов из руд — все это примеры химических превращений веществ.
Эти превращения могут быть видимыми, как, например, выделение дыма при горении древесины, ржавление железа, почернение сахара при нагревании. В то же время фотосинтез, протекающий в зеленых растениях, или процессы жизнедеятельности, осуществляющиеся в организмах животных, невидимы для наших глаз.
Одни химические превращения происходят в очень малых объемах, например в клетках растений, другие — в колбах, пробирках, разнообразных аппаратах, третьи — на производстве, четвертые — в масштабах всей планеты — на суше, в воде, в атмосфере. Эти процессы имеют особое значение для жизни на Земле. Они вовлекают различные вещества в гигантский круговорот, подобно круговороту воды в природе. Вы уже познакомились с круговоротами в природе таких важнейших для жизни на Земле элементов, как кислород, азот, фосфор, углерод (см. рис. 43, 66, 78, 87).
В этих глобальных процессах участвуют как неорганические, так и органические вещества, микроорганизмы, животные, растения и, конечно, человек. Он обрабатывает землю, строит заводы и фабрики для изготовления самых разнообразных изделий, активно использует полезные ископаемые, воду, воздух.
Человек научился управлять многими химическими реакциями, применять их для получения необходимых веществ и материалов — металлов, сплавов, лекарств, минеральных удобрений, пластмасс, строительных материалов, синтетических тканей, моющих средств и т. д. (рис. 151).
Химия стала играть ключевую роль в обеспечении людей продовольствием, одеждой, жильем, энергией. Достаточно сказать, что почти 90 % используемой энергии вырабатывается с помощью химических реакций. Без знания химии нельзя понять процессы, которые происходят в живом организме, невозможно бороться с различными нарушениями в его работе.
Химия постоянно изменяет окружающий мир. Сегодня химическая промышленность выпускает полезную продукцию, половины которой 30 лет назад не было вообще.
Наша страна располагает высокоразвитой химической промышленностью. В Гродно, Гомеле, Могилеве, Бобруйске, Новополоцке, Светлогорске и других городах Республики Беларусь работают крупные, даже по мировым масштабам, химические предприятия (рис. 63, 86, 152). Они производят минеральные удобрения, пластмассы, химические волокна, лаки, краски, автомобильные шины, товары бытовой химии и многое другое.
Однако развитие химической индустрии, как и других видов производственной деятельности, ставит перед человечеством очень серьезные экологические проблемы. Неконтролируемая деятельность человека, неправильное использование многих химических веществ часто оказывают негативное влияние на состояние окружающей среды, приводят к загрязнению почвы, воды, атмосферы, а иногда и к гибели животного и растительного мира.
Общество осознает растущую опасность. В последние годы активно разрабатываются безотходные производственные технологии. Ведется поиск новых источников энергии, все более широко применяются различные охранные меры, которые приводят к снижению уровня загрязнений и вредных воздействий на окружающую среду. Конечно, эти проблемы не могут быть решены силами одной страны, для этого требуются усилия всех государств мира, всех людей.
И химии принадлежит особо важная роль в решении этих общепланетарных проблем. Именно химическая промышленность производит вещества и материалы, без которых невозможна ни очистка сточных вод, ни подготовка питьевой воды, ни поглощение вредных газов. В решении экологических проблем химики работают в тесном сотрудничестве с биологами, физиками, географами, учеными и инженерами других специальностей.
Химия и защита окружающей среды
Одной из глобальных проблем современной цивилизации является проблема охраны окружающей среды, в том числе минимизация воздействия химических веществ и материалов на биосферу нашей планеты.
Биосфера — это область жизни на Земле. В состав биосферы входят атмосфера, литосфера (часть земной коры и почва), гидросфера (океаны, моря, реки, озера), флора и фауна.
Биосфера, в которой существует жизнь на нашей планете, складывается из ряда экологических систем. До конца XVII в. между деятельностью человека и природой существовало равновесие. Вырубка лесов, распахивание почв, выброс различных веществ в атмосферу компенсировались природой. Но в последующий период истории производственная деятельность человека привела к нарушению сложившегося экологического равновесия. Загрязнение окружающей среды связано прежде всего с отравлением воды, воздуха, почвы, которое непосредственно влияет на здоровье и самочувствие людей. На рисунке 154 приведены основные типы загрязнений воды и воздуха и их источники.
Химическое загрязнение окружающей среды
Многие химические реакции, о которых шла речь в предыдущих параграфах учебного пособия, осуществляются при производстве химической продукции в промышленных масштабах.
Химическая промышленность выпускает огромное количество химических веществ и материалов, среди которых пластмассы и минеральные удобрения, синтетические волокна и каучуки, строительные материалы, лаки и краски, моющие средства и лекарства, пищевые добавки, кислоты, щёлочи, соли и др. Технологии их производства никогда не были безотходными и в большинстве своем остаются таковыми и сегодня.
Загрязнение воды приводит к повышению концентрации биогенных элементов (азота, серы, фосфора, калия и др.). Это в свою очередь вызывает бурное развитие водорослей, водоемы превращаются в болота (рис. 154). Загрязнение воды соединениями металлов (свинца, ртути, кадмия, селена и др.) при превышении их ПДК (предельно допустимых концентраций) вызывает серьезные нарушения здоровья людей. Загрязнение органическими веществами промышленного и природного происхождения приводит к уменьшению количества растворенного в воде кислорода, водоемы теряют способность к самоочищению, вода приобретает гнилостный запах, гибнут рыба и другие обитатели водоемов.
Воздействие на атмосферу продуктов сжигания топлива из-за содержания в них оксидов углерода, азота и серы приводит к снижению качества воздуха и вызывает кислотные дожди. Из-за переноса воздушных масс на большие расстояния кислотные дожди могут выпадать за сотни километров от источника загрязнения. Они губительно действуют на строительные сооружения, памятники архитектуры (рис. 155). Выбросы углекислого газа и химических веществ, снижающих содержание озона в верхних слоях атмосферы, могут привести к изменению климата или образованию озоновых дыр. Загрязнение атмосферы может быть связано также с попаданием в нее твердых частиц (цементной пыли, пыли горно-металлургических предприятий и т. д.). Накопление в атмосфере пыли, задерживающей солнечные лучи, способно привести к понижению температуры на Земле.
Загрязнение атмосферы выбросами промышленных предприятий, двигателей внутреннего сгорания и продуктами сгорания твердого топлива в условиях высокой влажности могут приводить к образованию смога в больших городах. Известно много экологических катастроф, связанных с образования смога, которые привели к массовой заболеваемости и гибели людей.
Загрязнение почвы возможно не только в случае попадания в нее отходов химических производств или солей тяжелых металлов, но и при неграмотном применении минеральных удобрений и ядохимикатов. Загрязняющие вещества из почвы по пищевым цепочкам способны попадать в организм человека, концентрироваться в нем и приводить к отравлению.
Главная причина загрязнения окружающей среды — безграмотное применение и использование различных процессов, химических веществ и материалов. Поэтому изучение химических и экологических свойств веществ позволяет не только их рационально использовать, но и свести к минимуму отрицательные воздействия на окружающую среду.
Защита окружающей среды
Лучшим способом защиты окружающей среды является применение безотходных или малоотходных технологий. При безотходной технологии рационально используются все компоненты сырья и энергии. В малоотходном производстве вредное воздействие на среду не превышает допустимого уровня. Например, при промышленном синтезе оксида серы(VI) непрореагировавший, экологически опасный сернистый газ 
многократно возвращается в производство.
Примерно с середины 90-х гг. прошлого века в химической промышленности начало развиваться новое научное направление — так называемая Зеленая химия, что предполагает вдумчивый отбор исходных материалов и схем процессов, который полностью исключает использование вредных веществ, позволяет получать нужные вещества и материалы, не нанося вреда окружающей среде на всех стадиях производства.
На любом производстве необходимо стремиться к использованию безотходных технологий и предусматривать возможность переработки и утилизации промышленных отходов.
Методы очистки отходов можно разделить на физические, химические и биологические. К физическим методам относят фильтрацию, осаждение в специальных отстойниках, промывание, пыле- и газоулавливание и др. Химические методы очистки связаны с переводом отходов в нерастворимое или малорастворимое состояние с целью последующей нейтрализации, окисления или восстановления. Например, промышленные отходы хлороводорода можно нейтрализовать содой:
Большое значение имеет биологическая очистка сточных вод (рис. 156). После отстойников сточные воды помещают в специальные камеры, где через воду пропускают воздух. Это приводит к быстрому росту бактерий, которые питаются органическими примесями в воде. Бактерии образуют массу, называемую активным илом. Этот ил оседает в отстойниках. Степень очистки воды при использовании данного биохимического способа достигает 90 %.
Необходимо отметить, что отходы производства могут рассматриваться как источники вторичного сырья. Так, переработка отходов ОАО «Гомельский химический завод» позволит получать гипс, а твердые отходы использовать при строительстве дорог. Металл в виде вторичного сырья используется уже довольно широко: примерно половина мирового производства связана с его переработкой.
Очень актуальным в последнее время является решение проблемы защиты окружающей среды от бытового мусора — так называемых твердых бытовых отходов (ТБО). В Беларуси ежегодно скапливается около 3 млн т таких отходов. Их количество, приходящееся на одного жителя страны, составляет примерно 2,5 т в год. Как показывает практика, одним из эффективных способов решения данной проблемы является раздельный сбор бытового мусора (рис. 157). Он позволяет использовать значительную часть ТБО (битое стекло, пластиковые бутылки, бумагу) для вторичной переработки, значительно упрощает и удешевляет утилизацию других бытовых отходов.
Загрязнение окружающей среды — это прежде всего отравление воды, воздуха, почвы, непосредственно влияющее на здоровье и самочувствие человека.
Главная проблема загрязнения окружающей среды связана с безграмотным использованием химических веществ.
Наилучшим способом защиты окружающей среды является применение безотходных или малоотходных технологий, комплексная переработка отходов.
Существуют физические, химические и биологические методы очистки отходов.
Место химии среди я естественных наук. Значение химии для развития человечества
Химия и другие естественные науки:
Вы знаете, что химия — наука о веществах, их строении, свойствах и превращениях. Химики изучают природные вещества, а также получают вещества, которых нет в природе, исследуют их и определяют перспективы применения в той или иной области.
Химия — естественная наука. О связях ее с биологией, физикой, геологией, другими естественными науками (схема 6) вы узнали в 7 классе. Вам известно, что биологи исследуют живые организмы, а в них постоянно протекают химические реакции с участием органических и неорганических веществ. Геологи ведут поиск полезных ископаемых, новых минералов; им необходимо знать, в каких условиях в земной коре могут образовываться различные вещества.
Химия тесно связана с экологией — наукой о связях живых организмов между собой и с окружающей средой, их влиянии друг на друга. 
Химики определяют степень загрязнения веществами окружающей среды в разных регионах, составляют вместе с экологами соответствующие прогнозы на будущее. Они разрабатывают методы обезвреживания опасных веществ промышленного происхождения и удаления их из промышленных стоков и газовых выбросов.
Медики направляют свои усилия на борьбу с распространенными болезнями, эпидемиями, а это невозможно осуществлять без новых фармацевтических препаратов, полученных и исследованных химиками.
За последние полтора столетия на стыке химии и других естественных наук возникли новые науки — физическая химия, биохимия, геохимия, космохимия, фармацевтическая химия, экологическая химия, которые развиваются ускоренными темпами.
Химия и прогресс человечества:
Нашу жизнь трудно представить без использования достижений химической науки. Мы являемся свидетелями того, что многочисленные полимеры и пластмассы успешно заменяют традиционные природные вещества и материалы. Развитие современной техники, энергетики, связи, транспорта, авиации, средств исследования космоса обусловлено применением новых соединений, сплавов, созданием эффективных материалов с особыми механическими, физическими и другими свойствами.
Химические заводы выпускают миллионы тонн минеральных удобрений (рис. 102), разнообразные средства защиты сельскохозяйственных растений от вредителей и болезней. Это способствует развитию земледелия и животноводства, помогает решать проблему дефицита пищевых продуктов в некоторых регионах планеты.
Поскольку растения являются неисчерпаемым органическим сырьем, необходимо разрабатывать и внедрять технологии получения из растительных остатков биогаза, биотоплива, биогорючего (рис. 103). Такие новации значительно облегчат решение глобальных энергетических проблем.
Пищевая промышленность также использует достижения химии. Пищевые добавки улучшают вкус продуктов, эмульгаторы поддерживают их необходимую консистенцию, консерванты позволяют значительно увеличить срок пригодности. Естественно, что все эти вещества должны быть безвредными для человека.
Высокими темпами развивается производство химических товаров для быта. В торговой сети покупателям предлагают эффективные моющие и чистящие средства, клеи, лаки, краски и пр. Использование современных 
средств бытовой химии в значительной мере помогает в домашнем хозяйстве, высвобождает человека для профессиональной и другой деятельности.
Трудно оценить количество производимых косметических средств. Многие вещества, полученные в химических лабораториях, являются компонентами кремов, гелей, лосьонов; они оказывают положительное влияние на кожу, волосы, лечат и восстанавливают их.
Роль химиков очень важна в сфере разработки эффективных, малоотходных технологий (рис. 104), схем повторного использования воды в промышленности, утилизации промышленных и бытовых отходов. 
По объему выпускаемой продукции химическая промышленность занимает ведущее место в экономике нашей страны. Она охватывает производство минеральных удобрений, соды, щелочей, кислот, других неорганических и органических веществ, полимеров и материалов на их основе (резины, пластмасс), синтетических смол, химических волокон, стекла, цемента, переработку нефти.
Многие виды отечественной химической продукции направляются на экспорт.
Химия и восприятие окружающего мира
Химические знания помогают лучше понять научную картину мира. В космическом пространстве в условиях высокого вакуума и экстремальных температур существуют лишь
отдельные атомы, ионы, молекулы, а на планетах, их спутниках, кометах — некоторые простые и сложные вещества. Условия Земли (умеренные температуры и атмосферное давление), энергия Солнца способствуют образованию разнообразных неорганических и органических соединений, существованию живых организмов на планете.
Многие изменения в природе Земли связаны с круговоротом элементов и веществ, накоплением их в одних регионах и рассеиванием в других. Зная об этих процессах, можно объяснить, например, образование различных полезных ископаемых, известняковых пещер, пустынь, наличие в природной воде тех или иных растворенных солей, других соединений.
Химические знания являются составной частью общей культуры человека, облегчают его повседневную деятельность и быт, помогают понять, как устроен окружающий мир, какова роль в нем веществ и химических реакций. Используя эти знания, мы сможем предотвратить загрязнение природы и сохранить ее для будущих поколений.
Это интересно 5 июня — Всемирный день охраны окружающей среды.
выводы
Химия тесно связана с другими естественными науками. Это обусловило возникновение таких наук, как биохимия, геохимия, физическая химия, экологическая химия. Химические знания используют специалисты, работающие в различных сферах.
Прогрессивное развитие человечества в значительной мере обязано достижениям химической науки, применению веществ и материалов, полученных химиками.
Химическая промышленность охватывает производство минеральных удобрений, извести, соды, полимеров, пластмасс, стекла, цемента, многих неорганических и органических веществ, переработку нефти.
Химические знания помогают понять научную картину мира, объяснить круговорот химических элементов в природе, разнообразные превращения веществ на Земле и в живых организмах, существование наименьших частиц вещества в космосе.
Химическая наука в мире и выдающиеся химики
Многое в нашей жизни связано с достижениями химической науки. Компьютеры, современные средства связи, космические станции, лекарства от ранее неизлечимых болезней, новые материалы, значительно превосходящие по свойствам традиционные, — это далеко не полный перечень того, что стало реальным благодаря открытиям, исследованиям и разработкам ученых-химиков. Химическая наука имеет замечательные перспективы для дальнейшего развития.
Химия — одна из фундаментальных наук. Подтверждением этого является ежегодное присуждение Нобелевской премии (рис. 105) ученым-химикам за выдающиеся достижения — создание теорий, синтез и исследование новых веществ, химических реакций. Начиная с 1901 года, этой премией награждали ученых с мировыми именами. С. А. Аррениус (Швеция) в 1903 г. получил Нобелевскую премию за создание теории электролитической диссоциации, А. Муассан (Франция) в 1906 г. — за получение фтора, Д. Хевеши (Швеция) в 1943 г. — за использование изотопов для изучения химических реакций, Дж. Полани (Канада), Ли Юаньчже и Д. Херш-бах (США) в 1986 г. — за вклад в исследование протекания химических реакций, Р. Керл, Р. Смолли (США) и Г. Крото (Великобритания) в 1996 г. — за открытие фуллеренов — необычных простых веществ Карбона (рис. 106). Немало открытий нобелевских лауреатов произошло на стыке химии с другими науками, прежде всего с биологией, медициной.
Это интересно Мария Склодовская-Кюри (Франция) получила Нобелевскую премию дважды — по физике в 1903 г. за исследование радиоактивного распада и по химии в 1911 г. за открытие Радия и Полония.
Выводы:
Положительные изменения в жизни человечества, каждого из нас в значительной мере обязаны достижениям химии. Эта наука занимает почетное место среди фундаментальных наук. Выдающимся ученым-химикам ежегодно присуждают Нобелевские премии.
При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org
Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи
Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей
Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.
Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.