Глава 1. Предмет химии

Химия — это фундаментальная естественная наука о веществах, их составе, строении, свойствах, превращениях и о законах, которым эти превращения подчиняются. Химия связывает физику атомов и молекул с миром биологии, техники и повседневной жизни, объясняя, как из ограниченного набора химических элементов возникает всё бесконечное разнообразие материи.

Химия отвечает на вопросы: из чего сделаны вещи? как одно вещество превращается в другое? какие условия нужны, чтобы это превращение произошло? сколько энергии выделится или поглотится? как управлять этим процессом? Именно поэтому она лежит в основе фармацевтики, металлургии, энергетики, сельского хозяйства, электроники, современного материаловедения и экологии.

Основные понятия

Вещество — форма материи, обладающая массой покоя, определённым составом и характерным набором физических и химических свойств. Каждое вещество однозначно описывается химической формулой.

Химический элемент — совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра (одинаковым числом протонов). Известно 118 элементов; из них около 94 встречаются в природе, остальные получены искусственно.

Химическое явление (реакция) — процесс превращения одних веществ в другие, при котором изменяется состав или строение молекул, но сохраняются атомы элементов и их суммарная масса.

Физическое явление — изменение агрегатного состояния, формы, температуры и т. п., при котором вещество остаётся тем же (например, плавление льда).

Пример: почему меняется цвет листьев

В зелёном листе доминирует пигмент хлорофилл. Осенью его синтез прекращается, хлорофилл разрушается ферментативно, и становятся видимыми ранее замаскированные пигменты — каротиноиды (жёлто-оранжевые) и антоцианы (красно-фиолетовые). Это химический процесс: происходит разрушение и образование новых веществ.

Основные ветви химического древа

Аналитическая химия — раздел химической науки, основанный на качественном анализе (обнаружение элементов, определение присутствия вещества) и количественном анализе (определение концентрации вещества, его содержания в образце).

Неорганическая химия — изучает неорганические соединения, их структуру и свойства. Предмет изучения — все элементы периодической таблицы, кроме углерода, которым занимаются химики-органики.

Органическая химия — химия соединений углерода (кроме оксидов углерода): изучает органические вещества и законы их превращений. Применяется в полимерной, нефтехимической и фармацевтической промышленности.

Физическая химия — изучает закономерности протекания химических реакций.

Биохимия — изучает химические реакции в живых организмах и системах: пищеварение, обмен веществ, размножение, дыхание и т. д.

Основные ветви химического древа

• Неорганическая химия — изучает все элементы и их соединения, кроме углеводородов и большинства производных углерода. К её объектам относятся металлы, минералы, оксиды, кислоты, основания, соли, комплексные соединения.
• Органическая химия — химия соединений углерода (кроме простейших: CO, CO₂, карбонатов, цианидов), изучает органические вещества и законы их превращений. Используется в таких отраслях, как промышленности (полимерная, нефтехимическая, фармацевтическая). Основные классы: углеводороды, спирты, альдегиды, кислоты, амины, а также биомолекулы.
• Физическая химия — изучает закономерности химических реакций и общие законы, лежащие в основе химических явлений: термодинамику, кинетику, электрохимию, коллоидную химию, квантовую химию.
• Аналитическая химия — раздел химической науки, основанный на качественном анализе (обнаружение элементов) и количественном анализе (определение содержания вещества). Разрабатывает методы качественного и количественного определения состава веществ и материалов.
• Биохимия — химия живых организмов: изучает химические реакции в живых системах — обмен веществ, ферменты, нуклеиновые кислоты, метаболизм.
• Геохимия, ядерная химия, радиохимия, коллоидная химия — специализированные разделы, изучающие вещество в конкретных природных или экстремальных условиях.

Междисциплинарные направления

Современная химия почти повсеместно пересекается с другими науками: молекулярная биология, наноматериаловедение, зелёная химия, компьютерная химия. Именно на стыках этих направлений появляются новые лекарства, аккумуляторные материалы, катализаторы и полимеры.

Химия прошла путь от практических ремёсел через алхимию к современной точной науке.

• Древность — металлургия меди, бронзы, железа; получение стекла, красителей, лекарств.
• Алхимия (III–XVII вв.) — попытки трансмутации металлов, поиск философского камня. Именно алхимики разработали значительную часть лабораторной техники.
• XVIII век — А. Лавуазье формулирует закон сохранения массы, вводит понятие химического элемента; М. В. Ломоносов независимо приходит к тому же закону.
• XIX век — Дж. Дальтон предлагает атомистическую теорию; А. Авогадро формулирует закон о газах; Д. И. Менделеев в 1869 г. открывает Периодический закон.
• XX век — открытие электрона, ядра атома, квантовая теория, синтетические полимеры, атомная энергия, ДНК, генетическая инженерия.
• XXI век — CRISPR, MOF-каркасы, нанотехнологии, ИИ-моделирование молекул, зелёная химия.