Современные естественно-научные знания о свойствах вещества
В последние десятилетия при детальном исследовании процесса горения топлива были выявлены азотнокислые и серосодержащие продукты сгорания, приводящие к кислотным осадкам, а также хлоросодержащие и другие соединения, загрязняющие атмосферу. В результате переработке нефти получается более двух десятков основных соединений. Наиболее важные из них олефины, диолефины (этилен, пропилен, бутадиен… Читать ещё >
Современные естественно-научные знания о свойствах вещества (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Содержание
- Введение
- 1. История развития знаний о веществе. Фундаментальные законы о составе и свойствах вещества
- 2. Масштабы химической индустрии
- 3. Управление химическими процессами
- 4. Синтез химических веществ
- 5. Современный катализ
- 6. Образование земных и внеземных веществ
- 7. Природные запасы сырья
- 8. Органическое сырье
- 9. Новые химические элементы и изотопы
- 10. Перспективные химические процессы
- 11. Синтетические материалы
- 12. Традиционные материалы с новыми свойствами
- 13. Перспективные материалы
- Заключение
- Список использованных источников
Естествознание как наука о явлениях и законах природы включает одну из важнейших отраслей химию. Хи́мия одна из важнейших и обширных областей естествознания, наука о веществах, их свойствах, строении и превращениях, происходящих в результате химических реакций. Поскольку все вещества состоят из атомов, которые благодаря химическим связям способны формировать молекулы, то химия занимается в основном изучением взаимодействий между атомами и молекулами, полученными в результате таких взаимодействий .
В современном понимании химия наука о превращениях веществ, сопровождающихся изменением их состава и (или) строения.
На протяжении всей истории человечества накапливались знания о веществе, его свойствах, строении и превращениях.
Целью написания реферата является изучение современных естественнонаучных знаний о свойствах вещества.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
Описать историю накопления знаний по химии и современные тенденции в рассматриваемой науке;
Рассмотреть характерные черты современных материалов, используемых в быту и производстве;
Изучить перспективы использования новых материалов.
Работа написана на основе литературных источников отечественных и зарубежных авторов, периодической печати и интернета.
1. История развития знаний о веществе. Фундаментальные законы о составе и свойствах вещества
История развития химических знаний начинается с древних времен. Древнегреческие философы Демокрит (ок. 470 или 460 г. до н. э.) и Эпикур (341 270 до н. э.) основоположники античной атомистики высказали идею: все тела состоят из неделимых материальных частиц атомов. Натурфилософскому атомистическому учению о строении вещества противопоставлялась алхимия донаучное направление в развитии химии, возникшее в IIIIV вв. н. э. и получившее развитие в Западной Европе в XIXVI вв. Основная цель алхимии нахождение «философского камня» для превращения неблагородных металлов в золото и серебро, получения эликсира долголетия и т. д. В эпоху Возрождения результаты химических исследований все в большей степени стали использоваться в металлургии, стеклоделии, производстве керамики, красок.
Первое научное определение химического элемента в 1661 г. сформулировал Р. Бойль (16 271 691 гг.). В современном представлении химический элемент совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Основываясь на результатах своих экспериментов, Р. Бойль сделал важный вывод: качества и свойства вещества зависят от того, из каких химических элементов оно состоит. Возникшее таким образом учение о составе вещества развивается и сегодня на качественно новом уровне.
Химия стала подлинной наукой во второй половине XVIII в., когда М. В. Ломоносов (17 111 765) сформулировал принцип сохранения материи и движения. В начале XIX в. Дж. Дальтон (17 661 844) заложил основы химической атомистики. Он впервые ввел понятие «атомный вес» и определил атомные массы (веса) ряда элементов. Он установил в 1803 г. закон кратных отношений: если два химических элемента образуют друг с другом более одного соединения, то массы одного элемента, приходящиеся на одну и ту же массу другого, относятся, как целые числа, обычно небольшие.
В 1811 г. А. Авогадро (17 761 856) ввел понятие «молекула» и выдвинул молекулярную гипотезу строения вещества. Молекула микрочастица, образованная из атомов и способная к самостоятельному существованию. Атомно-молекулярные представления утвердились лишь в 60-х годах XIX в. В 1861 г., A.M. Бутлеров (18 281 886) создал и обосновал теорию химического строения вещества, согласно которой свойства веществ определяются порядком связей атомов в молекулах и их взаимным влиянием. В 1869 г. Д. И. Менделеев (1834 1907) открыл периодический закон химических элементов: свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда их атомных ядер. С конца XIX в. важнейшим направлением химии стало изучение закономерностей химических процессов .
2. Масштабы химической индустрии
Темпы научно-технических разработок химических технологий быстро растут. Если в середине XIX в. на промышленное освоение электрохимического процесса получения алюминия потребовалось 35 лет, то в 50-е годы XX в. крупномасштабное производство полиэтилена при низком давлении было налажено за 4 года. На крупных предприятиях развитых стран примерно 25% оборотных средств расходуется на научно-исследовательские работы, разработку новых технологий и материалов, что позволяет примерно через 10 лет существенно обновлять ассортимент выпускаемой продукции. Во многих странах промышленные предприятия выпускают около 50% продукции, которая 20 лет назад вообще не производилась.
Разработка новых химических веществ трудоемкий и дорогостоящий процесс. Например, для нахождения и синтеза всего лишь нескольких лекарственных препаратов, пригодных для промышленного производства, необходимо изготовить не менее 4000 разновидностей веществ.
Благодаря успешному взаимодействию химиков, физиков, математиков, биологов, инженеров и других специалистов появляются новые разработки, обеспечивающие в последнее десятилетие внушительный рост производства химической продукции. Если общий выпуск продукции в мире за 10 лет (19 501 960) увеличился примерно в 3 раза, то объем химической продукции за этот же период возрос в 20 раз. За десятилетний период (1961 1970гг.) средний годовой прирост промышленной продукции в мире составлял 6,7%, а химической 9,7%. В 70-е годы прирост химической продукции, составляющий около 7%, обеспечил ее увеличение вдвое. При таких темпах роста к концу нынешнего столетия химическая промышленность займет первое место по выпуску продукции.
Химические технологии и связанное с ними промышленное производство охватывают все важнейшие сферы народного хозяйства.
К концу 80-х годов XX в. только в одной стране США в химической индустрии и родственных отраслях было занято более 1 млн. человек, в том числе свыше 150 000 ученых и инженеров-технологов. В те годы в США продавали химической продукции примерно на 175 180 млрд долл. в год.
Химические технологии и связанная с ними индустрия вынуждены реагировать на стремление общества сохранить окружающую среду. В начале 70-х годов XX в. средний горожанин использовал в повседневной жизни 300 500 разнообразных химических продуктов, из них около 60 в виде текстильных изделий, 200 в быту, на рабочем месте и во время отдыха, примерно 50 медикаментов и столько же продуктов питания и средств приготовления пищи.
Около десяти лет назад насчитывалось более 1 млн. разновидностей продукции, выпускаемой химической промышленностью. Общее число известных химических соединений составляло более 8 млн., в том числе примерно 60 тыс. неорганических соединений. Сегодня известно более 18 млн. химических соединений. Во всех лабораториях планеты ежедневно синтезируется 200 250 новых соединений.
3. Управление химическими процессами
Успехи в развитии современной химии во многом определяются степенью управления химическими превращениями, которые непосредственно зависят от химической реакционной активности реагентов.
Современные лазерные источники излучения существенно расширили временной диапазон исследований от 10−6 до 10−15 с. Сейчас физики умеют получать лазерные импульсы длительностью менее 5 фемтосекунд (1 фс = 10−15) и уже приближаются к аттосекундам (1 ас = 10−18 с). За основополагающие работы в области фемтохимии Ахмед Зивейл удостоен Нобелевской премии по химии 1999 г. Свои первые экспериментальные исследования сверхбыстрых реакций, инициируемых лазерным импульсом феттосекундной длительности, он начал в конце 80-х годов с изучения распада молекул цианида йода.
Электромагнитное излучение играет важную роль не только в детальном исследовании промежуточных процессов химических превращений, но и в их инициировании. Например, видимое или ультрафиолетовое излучение, поглощаемое некоторыми молекулами, сообщает им энергию, достаточную для изменения распределения электронной плотности, ослабления химических связей и возникновения новой молекулярной структуры.
Приобретенная при поглощении молекулой энергия может высвободиться в виде излучения света, цвет которого часто отличается от цвета поглощенного света. Если излучение происходит быстро в течение 10−910−12 с, то оно называется флуоресценцией.
Применение современной лазерной техники позволяет изучать возбужденное состояние молекул. Определение характеристик атомных и молекулярных частиц (их структуры и состава) в аналитической химии называют качественным анализом, а измерение их относительного содержания количественным анализом. Новые методы качественного и количественного анализа основываются на важнейших достижениях различных отраслей естествознания и, в первую очередь, физики.
Один из универсальных методов разделения хроматография. Сущность данного метода заключается в том, что различные вещества в жидкой или газообразной фазе обладают разной прочностью связи с поверхностью, с которой они находятся в контакте. С помощью жидкостной хроматографии можно разделить и зафиксировать чрезвычайно малое количество вещества в смеси, составляющее lO-12 г. Хромотографический метод позволяет разделить газообразные смеси, содержащие тысячи компонентов, а также разделить вещества, отличающиеся только изотопным составом.
Широко применяются основанные на физических принципах экспериментальные методы ядерного магнитного резонанса, оптической спектроскопии, масс-спектроскопии, рентгеноструктурного анализа, нейтронографии и т. п.
4. Синтез химических веществ
Синтез органических и неорганических соединений
Живые системы нельзя считать полностью чисто органическими. Они весьма чувствительны к ионам металлов почти всей периодической системы элементов Менделеева. Некоторые ионы принимают участие в таких жизненно важных процессах, как связывание и транспорт кислорода (железо в гемоглобине), поглощение и конверсия солнечной энергии (магний в хлорофилле, марганец в фотосистеме, железо в ферродоксине, медь во фталоцианине), обмен электрическими импульсами между клетками (кальций, калий в нервных клетках), мышечное сокращение (кальций), ферментативный катализ (кобальт в витамине В12) и др .
Важнейший предмет изучения неорганической химии биосистем строение ближайшего и дальнего окружения атомов металлов и его изменение под воздействием кислотных агентов, давления кислорода и других факторов.
Быстро развивается химия элементоорганических соединений. Для исследования сложнейших структур и связей таких соединений применяются новейшие методы спектроскопии и рентгеноструктурного анализа, позволившие открыть большое семейство соединений со сложной структурой. Пример таких соединений синтезированный ферроцен вещество, атомы железа которого расположены между двумя плоскими кольцами.
Вторичное сырье
Среди многообразия вторичного сырья металлы занимают первое место по потреблению. За счет них покрывается существенная доля потребностей промышленности. Для разных целей используется чуть больше половины растительной массы древесины. В производстве целлюлозы лишь ¼ общей биомассы деревьев переходит в конечный продукт, при этом теряется большое количество весьма ценных ароматических соединений. В данной связи одна из важнейших задач потребителей древесины более эффективная переработка биомасс. Отработана технология переработки использованной бумаги и картона, и их утилизация особенно важна: 50 тыс. т макулатуры экономят 120 тыс. м3 древесины и тем самым сберегают 500 га леса.
Весомый сырьевой потенциал представляют зола и шлаки после сжигания угля. Часть золы можно было бы использовать в качестве наполнителя цемента. Так, 1,3 т золы бурого угля, извлеченной из дымовых газов, заменяет 1 т цемента. Кроме того, такая зола содержит 530% окиси железа, около 30% извести и заметное количество коксованного остаточного угля. Железная руда, известь и кокс главные сырьевые компоненты для металлургии. Из нефтяных отходов в хозяйственный цикл возвращается 2535%.
В настоящее время выпускаются большие объемы пластмассовой продукции. Однако не все виды пластмасс поддаются утилизации. Если полистирол, поливинилхлорид и другие пластмассы успешно возвращаются в промышленность, то полиуретан и различные искусственные волокна труднее поддаются переработке.
8. Органическое сырье
Нефть
В последние десятилетия потребление нефти в мире постоянно увеличивается. Потребность в нефтепродуктах продолжает возрастатьЗначительная ее доля расходуется на производство топлива для различных энергоустановок, в том числе и для транспорта.
Сырая нефть включает компоненты, молекулярная масса которых находится в пределах от значений для природных газов: 14 (метан СН4), 30 (этан С2H6), 44 (пропан C3H8) и 58 (бутан С4Н10) до значения для парафинового воска С30Н62, равного 422.
В последние десятилетия при детальном исследовании процесса горения топлива были выявлены азотнокислые и серосодержащие продукты сгорания, приводящие к кислотным осадкам, а также хлоросодержащие и другие соединения, загрязняющие атмосферу. В результате переработке нефти получается более двух десятков основных соединений. Наиболее важные из них олефины, диолефины (этилен, пропилен, бутадиен, изопрен), ароматические соединения (бензол, толуол, ксилол) и газовая смесь оксида углерода с водородом. На основе данных соединений синтезируется тысячи промежуточных и конечных продуктов. В настоящее время около 90% всех органических соединений производится из нефти и природного газа.
Уголь
Мировые запасы доступного для разработки угля в 2040 раз превосходят нефтяные ресурсы. Например, в США угля в 50 100 раз больше, чем нефти. Уголь наиболее распространенное в природе минеральное топливо, роль которого в ближайшие десятилетия будет расти по мере истощения нефтяных и газовых месторождений. В данной связи будет расти и практическая значимость фундаментальных и прикладных исследований, направленных на разработку эффективных и экологически чистых способов превращения весьма ценного угольного сырья.
Уголь содержит, кроме углерода и водорода, серу и азот, а также некоторое количество минералов и влаги. Соотношение водород/углерод в угле примерно равно 1, что вдвое меньше, чем в бензине, поэтому как топливо уголь менее эффективен. При химическом превращении угля вначале удаляются из него сера и азот, затем отделяются неорганические примеси и, наконец, уголь превращается в жидкий: синтез-газ, представляющий собой смесь моноксида углерода и водорода. Применение синтез-газа весьма перспективно, но его производство пока экономически не выгодно. Переработка угля может достигать крупных масштабов.
Природный газ
Природный газ представляет собой смесь углеводородов с относительно небольшой молекулярной массой. Состав природного газа разнообразен. Обычно он содержит 6080% метана, остальное приходится на этан СH4, пропан C3H8 и бутан С4H10, соотношение которых может быть различным. В природном газе есть и примеси, включающие серу, азот и другие элементы. Обычно этан и пропан каталитически превращают в этилен С2Н4, пропилен С3Н6 и ацетилен С2Н2 ценное сырье для производства разнообразной полезной продукции.
Природный газ легко транспортируется по трубопроводу. В последние десятилетия его потребление резко возросло. Значительная доля мировых ресурсов природного газа принадлежит России.
Горючие сланцы, смоляные пески и торф
Горючие сланцы разновидность осадочных горных пород. Из них производят жидкие углеводороды. Например, согласно некоторым оценкам, только в сланцах трех штатов Колорадо, Юта и Вайоминг содержится около 60 млрд. т углеводородов.
Смоляные пески состоят из остаточных асфальтовых фракций нефти.
Мировые запасы торфа составляет около 500 млрд. т (1990 г.), в том числе свыше 186 млрд т в России. Торф образуется при скоплении остатков растений, подвергшихся неполному разложению в условиях болот, и содержит 5060% углерода. Используется торф комплексно как топливо, удобрение, теплоизоляционный материал и др. По коллорийности он уступает углю и нефтяному топливу. Однако для широкомасштабной промышленной добычи еще предстоит решить сложные химические, геохимические и технологические проблемы.
Биомасса
Биомасса один из потенциальных источников энергоресурсов. Из нее в результате жизнедеятельности анаэробных бактерий, называемой анаэробным дыханием, ежегодно в атмосферу выделяется 500 800 млн. т метана, что эквивалентно 0,61,0 млн. т высококачественной нефти. Однако практическое применение анаэробных процессов для производства метана как источника энергии из биомассы, включающей различные растительные отходы, сдерживается относительно небольшой их скоростью и высокой чувствительностью к кислотности среды.
Древесина
Лесная древесина превосходный строительный материал и органическое сырье для производства многих ценных продуктов. Однако к соалению часто лесные массивы истребляются пожарами и беспощадно вырубаются. Например, в Бразилии ежегодно вырубается около 15 тыс. м3 тропического леса. Во многих странах древесина один из основных источников тепловой энергии.
Леса сегодня в огромных количествах переводятся на дрова. Это происходит в относительно холодной Финляндии, лидирующей в использовании древесины на топливо, и в теплой Франции, где сжигается почти четверть заготовляемой в стране древесины. Но особенно много древесины идет на дрова в бедных странах Азии и Африки. В России, несмотря на суровый климат и отнюдь не повсеместный комфорт, на дрова переводится не более 21% всей древесины.
Но главная и постоянно увеличивающаяся ценность лесов это их способность поглощать углекислоту и выделать кислород.
9. Новые химические элементы и изотопы
Продолжение периодической системы элементов
Еще до 30-х годов нашего столетия эта система состояла из 88 элементов. С учетом свободных клеток с номерами: 43 (технеций), 61 (прометий), 85 (астат) и 87 (франций), в ней было всего 92 места. Элемент с атомным номером 92 это уран.
В 1971 г. из калифорнийского минерала бастнезитс удалось выделить от 10 до 20 млн. атомов плутония Рu244, которые были надежно идентифицированы с помощью массспектроскопии. В 1940 г. был получен первый трансурановый элемент нептуний, а за три года до этого открыт первый искусственный элемент технеций. Затем в лабораторных условиях были зарегистрированы еще 15 трансурановых элементов с атомными номерами до 107. В Объединенном институте ядерных исследований в Дубнн были открыты элементы с номерами 104 (1964г.), 105 (1970г.), 106 (1974 г.) и 107 (1976 г.). Элемент с номером 104 носит название курчатовий.
Международный союз чистой и прикладной химии в сентябре 1997 г. узаконил названия искусственных сверхтяжелых элементов: резерфордий, дубний, сиборгий, борий, хассий и мейтнерий. В феврале 1999 г. появилось сообщение о том, что ученые из Объединенного института ядерных исследований в Дубне открыли выходящий за пределы периодической таблицы Менделеева новый химический элемент с периодом полураспада намного большим, чем для открытых в последнее время сверхтяжелых элементов.
Радиоактивные изотопы
Изотопы разновидности химических элементов, у которых ядра атомов отличаются числом нейтронов, но содержат одинаковое число протонов и поэтому занимают одно и то же место в периодической системе элементов. Различают устойчивые (стабильные) и радиоактивные изотопы. Радиоактивные изотопы широко применяются не только в атомной энергетике, но и в разнообразной приборной технике, медицине и т. п.
С помощью радиоактивных изотопов можно проследить за перемещением химических соединений при физических, технологических, биологических или химических процессах. Для этого используются меченые атомы (радиоактивные индикаторы). Данный способ позволяет исследовать механизмы реакций при превращениях веществ в сложных условиях, например, в доменной печи или в аммиачном реакторе, а также изучать процессы обмена веществ в живых организмах. Радиоактивный метод анализа вещества дает возможность определить содержание в нем различных металлов от кальция до цинка, в чрезвычайно малых концентрациях до 10−10.
Список литературы
- Глинка Н. Л. Общая химия. М.: «Интеграл-Пресс», 2008. С. 728
- Джон Мур Химия для «чайников» = Chemistry For Dummies. М.: «Диалектика», 2006. С. 320.
- Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. 6-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 2003. 488 с.
- Химическая энциклопедия http://rushim.ru/books/books.htm
- Современные материалы www.sovmat.ru/