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.

Химия — обширная наука, поэтому её принято делить на разделы по объекту или методу исследования.

• 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). Основные классы: углеводороды, спирты, альдегиды, кислоты, амины, а также биомолекулы.
• Физическая химия — исследует общие законы, лежащие в основе химических явлений: термодинамику, кинетику, электрохимию, коллоидную химию, квантовую химию.
• Аналитическая химия — разрабатывает методы качественного и количественного определения состава веществ и материалов.
• Биохимия — химия живых организмов: обмен веществ, ферменты, нуклеиновые кислоты, метаболизм.
• Геохимия, космохимия, ядерная химия, радиохимия, коллоидная химия — специализированные разделы, изучающие вещество в конкретных природных или экстремальных условиях.

Междисциплинарные направления

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

Метод химии — это способ получения знания о веществе. Классические методы дополнены современными инструментальными.

1. Наблюдение — фиксирование признаков реакции: изменение цвета, выделение газа, образование осадка, тепловой эффект.
2. Эксперимент — воспроизводимая постановка опыта в контролируемых условиях.
3. Измерение — количественное определение массы, объёма, температуры, давления, концентрации.
4. Моделирование — построение химических формул, структурных моделей, компьютерных моделей молекул.
5. Спектроскопия — ИК, УФ-видимая, ЯМР, масс-спектрометрия. Позволяет судить о структуре и составе.
6. Хроматография — разделение и идентификация компонентов смесей (ГЖХ, ВЭЖХ, ТСХ).
7. Дифракционные методы — рентгеновская дифракция, электронография — определяют геометрию кристаллов и молекул.

Химия — одна из наиболее прикладных фундаментальных наук. Без неё невозможно представить современную цивилизацию.

• Медицина и фармация: синтез антибиотиков, вакцин, обезболивающих, противораковых препаратов.
• Энергетика: топлива, литий-ионные и натрий-ионные аккумуляторы, водородная энергетика, фотоэлементы.
• Сельское хозяйство: удобрения, средства защиты растений, стимуляторы роста.
• Материаловедение: полимеры, композиты, керамика, наноматериалы, металлы с заданными свойствами.
• Пищевая промышленность: консерванты, ароматизаторы, антиокислители, ферментные препараты.
• Экология: очистка воды и воздуха, утилизация отходов, зелёные технологии.

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.

Работа с веществами требует соблюдения правил безопасности. Основные принципы:

• Всегда носить средства индивидуальной защиты: халат, очки, перчатки.
• Не пробовать вещества на вкус, не нюхать напрямую — использовать движение ладонью «на себя».
• Работать с летучими и ядовитыми веществами только под вытяжным шкафом.
• Хранить реактивы в подписанной таре, отдельно окислители от восстановителей, кислоты от оснований.
• Знать пиктограммы GHS: пламя, череп, коррозия, восклицательный знак и т. д.
• Иметь план действий при проливе, пожаре, ожоге кислотой/щёлочью, отравлении.