Сведения об экологии. Связь химии с другими науками.

В свойствах смесей есть еще одна интересная закономерность: температура плавления смеси нескольких веществ всегда ниже, чем температура плавления каждого из чистых веществ по отдельности. Например, температура плавления чистой воды (в виде льда или снега) 0 ^оС. Если внести в лед примесь другого чистого вещества - поваренной соли, то лед начинает плавиться при более низких - минусовых температурах. Температура плавления зависит от соотношения льда и соли, скорости перемешивания и даже степени измельчения льда. Химик, умело смешав ровно 100 г измельченного льда и ровно 33 г поваренной соли, может получить температуру -21,3 ^оС. Разумеется, здесь дело не столько в механическом смешивании двух веществ, сколько в их взаимном растворении. Много энергии растворителя тратится на разрушение кристаллов соли и льда, что ведет к резкому понижению температуры смеси.

В этом опыте термометр, погруженный в смесь льда с солью, показывает -16 ^оС. В принципе такой способ позволяет достичь температуры ниже -20 ^оС.

Когда-то этим явлением пользовались для очистки улиц зимой от льда - посыпали тротуары и дороги солью, после чего даже на морозе лед таял, а загрязненная солью вода стекала в ливневую канализацию. Соленая вода на улицах портила обувь прохожих, заставляла быстрее ржаветь металл автомобилей, вредила зеленым насаждениям, попадала в реки и загрязняла их. В данном случае риск нанести ущерб природе и людям выше, чем выгода от экономии труда по уборке снега. Поэтому необходимо отказаться от такого использования законов природы для нужд человека. Соотношение риска и выгоды в разных сферах человеческой деятельности, в том числе и в химии, изучает специальная наука - экология.

Химия, физика, биология только на первый взгляд могут показаться далекими друг от друга науками. Хотя лаборатории физика, химика и биолога очень непохожи, все эти исследователи имеют дело с природными (естественными) объектами. Это отличает естественные науки от математики, истории, экономики и многих других наук, изучающих то, что создано не природой, а прежде всего самим человеком.

Близко к естественным наукам примыкает экология. Не следует думать, будто экология - это "хорошая" химия, в отличие от классической "плохой" химии, которая загрязняет окружающую среду. Нет "плохой" химии или "плохой" ядерной физики - есть научный и технический прогресс или его недостаток в какой-нибудь области деятельности. Задача эколога - использовать новые достижения естественных наук для того, чтобы при максимальной выгоде свести к минимуму риск нарушения среды обитания живых существ. Баланс "риск-выгода" является предметом изучения экологов. Между естественными науками нет строгих границ. Например, мы уже познакомились с атомами нескольких видов. Открытие и изучение свойств новых видов атомов когда-то было принято считать задачей химиков. Однако получилось так, что из известных на сегодняшний день видов атомов часть открыта химиками, а часть - физиками. Это лишь один из многих примеров "открытых границ" между физикой и химией. Жизнь является сложной цепью химических превращений. Все живые организмы поглощают из окружающей среды одни вещества и выделяют другие. Значит, серьезному биологу, врачу, ботанику, агроному, зоологу не обойтись без знания химии. Позже мы убедимся в том, что нет совершенно точной границы между превращениями физическими и химическими. Природа едина, поэтому мы всегда должны помнить о том, что невозможно разобраться в устройстве окружающего нас мира, углубившись только в одну из областей человеческого знания.

ЗАДАЧИ К ГЛАВЕ 1.

1.10. Придумайте опыт, в котором можно было бы выяснить, не пробуя на язык, что в колбе находится раствор поваренной соли, а не чистая вода.

1.11. Одно из следующих выражений не имеет смысла. Найдите его: а) "молекула аспирина", б) "молекула воздуха", в)"молекула терпинеола", г) "молекула азота".

1.12. Среди перечисленных явлений только одно - химическое. Найдите его: а) сахар расплавили на огне, б) сахар растворили в воде, в) соль растворили в воде, г) сахар обуглили на огне, д) смешали соль и сахар.

1.13. Среди перечисленных простых, сложных веществ и смесей только одно можно назвать сложным веществом. Найдите его: а) раствор углекислого газа в воде, б) углекислый газ, в) кислород, г) раствор кислорода в воде, д) озон.

1.14. Азот растворили в воде под давлением. Назовите полученное физическое тело.

1.15. В параграфе 1.4 была изображена молекула лекарственного вещества аспирина C₉H₈O₄. Ответьте на следующие вопросы:

а) Каким веществом является аспирин - простым или сложным?

б) Аспирин, как и многие другие вещества, состоящие в основном из атомов углерода (обозначение атома углерода - символ "С"), сгорает в кислороде без остатка с образованием углекислого газа СО₂ и воды Н₂О. Если мысленно разобрать молекулу аспирина на атомы и добавить к ним некоторое количество атомов кислорода, то сколько молекул Н₂О и СО₂ получится из одной молекулы аспирина?

в) Сколько молекул кислорода О₂ потребуется для превращения одной молекулы аспирина в углекислый газ СО₂ и воду Н₂О?

2) Нашего неудачливого исследователя из параграфа 1.1, который пытался погрузить натрий в воду, зовут Юх (от слов "юный химик"). Если бы в замечательной сказке Николая Носова "Приключения Незнайки и его друзей" был коротышка, который любил всё смешивать и смотреть, что получится, то его, вероятно, звали бы именно так. Правда, химию он знал пока не очень хорошо, но зато очень любил химические опыты. Однажды Юх нашел кусок какого-то металла и расплавил его на электрической печке. Сняв с печи щипцами тигель (это чашечка из тугоплавкого материала), в котором булькал расплавленный металл, Юх поставил его на деревянный стол и вышел за своим рабочим журналом, в который всегда старался аккуратно записывать результаты опытов. Когда через минуту он вернулся, то обнаружил, что стол горит, а на стенах комнаты оседает черная копоть. Не растерявшись, Юх вылил на стол ведро воды. Раздалось шипение, комната наполнилась паром, тигель треснул на несколько осколков, а бесформенный кусок металла упал на пол. Убирая комнату, Юх задумался над тем, какие явления он наблюдал и пришел к выводу, что происходили только физические явления. На самом деле он ошибся. Найдите в тексте задачи вещество (или вещества), которое (или которые) образовались в результате химического превращения.

 

Глава №2

Атомы.

Атомы не сразу вошли в научный обиход, хотя само слово "атом" появилось еще в сочинениях древнегреческих философов. В переводе с греческого оно означает "неделимый". Философы объясняли окружающий мир доступными средствами, среди которых не было современных приборов, но были наблюдательность и логика. Чисто логическим путем можно прийти к выводу, что дробление вещества не может происходить бесконечно. В конце концов должна остаться некая мельчайшая и неделимая крупинка вещества или атом вещества. Если бы таких неделимых крупинок не оставалось, то любую вещь можно было бы уничтожить до конца. А раз так, то новые вещи (и даже животные, растения) создавались бы из ничего. По мнению древнегреческих философов Левкиппа и Демокрита, это противоречило бы здравому смыслу.

О том, каким образом атомы соединяются в более крупные физические тела, люди того времени не имели представления. Было много и других неясностей, поэтому учение об атомах практически не развивались долгие два тысячелетия. Но постепенно накапливалось все больше и больше фактов, которые в конце концов привели к тем представлениям, с которыми вы уже коротко познакомились в первой главе. Строение веществ начали описывать с помощью молекул, составленных из атомов одного или нескольких видов.

В предыдущей главе было показано устройство молекул некоторых простых и сложных веществ. Эти очень разные по своим свойствам вещества состоят из молекул, "построенных" из атомов только пяти видов. Но атомы взяты в разных количествах и соединены по-разному. Чем отличаются атомы разных видов друг от друга? Почему атомы в этих молекулах соединились именно так, а не иначе? Почему атомы азота и кислорода соединились по два, но атом аргона остается в одиночестве? Можно ли в молекуле углекислого газа соединить тот же набор атомов по-иному? Как атомы "прикрепляются" друг к другу?

Ответы на эти и многие другие вопросы, которые встретятся нам дальше, невозможно получить, не разобравшись в устройстве атома. Дело в том, что знание внутреннего устройства атома позволяет объяснять и даже предсказывать многочисленные свойства окружающих нас веществ. Конечно, выяснить строение такого необычного, невидимого глазу объекта было чрезвычайно трудно. Однако изобретательный человеческий ум справился даже с такой сверхтрудной задачей. О

том, как это удалось осуществить, коротко рассказывается в следующем параграфе (а более подробно - в параграфе 2.7).

Те из вас, кому не терпится узнать - что же именно удалось выяснить в строении атома, могут перейти к параграфу 2.3. Но если вам интересно разобраться в том, как это происходило, мы советуем сначала прочитать.