Синтез органических и неорганических соединений. Биосинтез. Применение синтезированных соединений в технике и технологиях.

В процессе развития производства для различных систем и технических устройств требуются материалы с различными свойствами, работающими в разных внешних условиях и подвергающихся различным внешним воздействиям. В последние десятилетия широкое применение стали находить искусственные органические материалы, обладающие разнообразными свойствами, многие из которых можно задавать при их производстве, получая материалы с наперед заданными свойствами.

Органические вещества — это соединения углерода с другими веществами. Углерод образует соединения с большинством элементов и обладает наиболее выраженной способностью к образованию молекул цепного и циклического строения. Скелет таких молекул может состоять из практически неограниченного числа атомов углерода, непосредственно соединенных друг с другом и включать в себя и другие элементы. Для соединений углерода характерно явление изомерии, т. е. существование веществ, одинаковых по составу и молекулярной массе, но различающихся последовательностью сцепления атомов или расположением их в пространстве и поэтому различных по физическим и химическим свойствам. Все органические вещества делятся на три класса:

ациклические — соединения с незамкнутыми цепями (метановые углеводороды — насыщенные углеводороды, ненасыщенные углеводороды — этилен, ацетилен и др.);

изоциклические, в молекулах которых имеются циклы из атомов углерода (циклопарафиновые или полиметиленового ряда, а также ароматические углеводороды);

гетероциклические, в молекулах которых имеются циклы, содержащие кроме углерода атомы О, N, S, Р, Аs и другие.

От каждого углеводорода образуется целый генетический ряд путем замены атома водорода иной функциональной группой.

Основным поставщиком органических веществ в природе являются растительный и животный мир. Растения усваивают из атмосферы углекислый газ и при помощи хлорофилла, содержащегося в листьях, и солнечной энергии образуют органические вещества, являющиеся строительным материалом для самих растений. Животные, поедая растения, накапливают органические вещества в своем теле, которые затем после гибели животных, переходят в почву, разлагаются, а затем также поглощаются растениями. В результате развития органической химии оказалось возможным создание широкого спектра искусственных органических веществ, которые нашли применение в технике, медицине, биологии. Полимеры — это химические соединения с высокой молекулярной массой, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся группировок. Природными полимерами (биополимерами) являются белки, нуклеиновые кислоты, природные смолы. Синтетическими полимерами искусственного происхождения являются всякого рода производные от углеводородов — полиэтилены, полипропилены, фенолоформальдегидные смолы и т. п.

Пластмассы (пластические массы) — это материалы, содержащие в своем составе полимер, который в период формирования изделий находится в вязко текущем или высокопластичном состоянии, а при эксплуатации — в стеклообразном или кристаллическом состоянии. В зависимости от характера процессов, сопутствующих формированию изделий, пластмассы делятся на реактопласты и термопласты. Реактопласты — это материалы, переработка в изделия которых сопровождается химической реакцией образования сетчатого полимера — отвердением; при этом пластик необратимо утрачивает способность переходить в вязко текучее состояние. При формировании термопластов не происходит отверждения, и материал в изделии сохраняет способность вновь переходить в вязко текучее состояние.

Биосинтез — процесс синтеза природных органических соединений живыми организмами. Путь биосинтеза соединения — это приводящая к образованию этого соединения последовательность реакций, как правило, ферментативных (генетически детерминированных), но изредка встречаются и спонтанные реакции, обходящиеся без ферментативного катализа. Например, в процессе биосинтеза лейцина одна из реакций является спонтанной и протекает без участия фермента. Биосинтез одних и тех же соединений может идти различными путями из одних и тех же или из различных исходных соединений. Процессы биосинтеза играют исключительную роль во всех живых клетках.

Электрический заряд и электрическое поле, законы электростатики и их применение в технике и технологиях. Напряженность, электрическая индукция, взаимодействие зарядов, закон Кулона. Энергия электрического поля.

Электрический заряд — это свойство материальных тел, выражающееся к способности особого рода взаимодействия; количественная характеристика, показывающая степень возможного участия тела в электромагнитном взаимодействии. Единица измерения заряда в СИ — кулон. Впервые электрический заряд был введён в законе Кулона в 1785 году. Носителями электрического заряда являются электрически заряженные элементарные частицы — электрон (один отрицательный элементарный электрический заряд) и протон (один положительный элементарный заряд). Величина электрического заряда (иначе, просто электрический заряд) – численная характеристика носителей заряда и заряженных тел, которая, может принимать положительные и отрицательные значения. Эта величина определяется таким образом, что силовое взаимодействие, переносимое полем между зарядами, прямо пропорционально величине зарядов взаимодействующих между собой частиц или тел, а направления сил, действующих на них со стороны электромагнитного поля, зависят от знака зарядов. Электрический заряд любой элементарной частицы присущ этой частице в течение всего времени ее жизни, поэтому элементарные заряженные частиц зачастую отождествляют с их электрическими зарядами. В системе СИ электрический заряд измеряется в кулонах (Кл). Наиболее известные элементарные носители заряда – электроны, имеющие отрицательный заряд и протоны, имеющие такой же по величине положительный заряд. Электрический заряд любого заряженного тела кратен модулю заряда электрона, так называемому, элементарному заряду Кл. Электрические заряды атомов и молекул равны нулю, а заряды положительных и отрицательных ионов в каждой ячейке кристаллических решеток твердых тел скомпенсированы. Электрическое поле — особая форма материи, существующая вокруг тел или частиц, обладающих электрическим зарядом, а также в свободном виде при изменении магнитного поля (например, в электромагнитных волнах). Для количественного определения электрического поля вводится силовая характеристика - напряженность электрического поля. Напряжённость электрического поля — векторная характеристика электрического поля в данной точке, равная отношению силы (F), действующей на пробный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда q: E=F/q.

Направление вектора совпадает в каждой точке пространства с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд.

Основным действием электрического поля является силовое воздействие на неподвижные (относительно наблюдателя) электрически заряженные тела или частицы. Если заряженное тело фиксировано в пространстве, то оно под действием силы не ускоряется. На движущиеся заряды силовое воздействие оказывает и магнитное поле.

Электростатика -раздел электродинамики, изучающий взаимодействие и электрические поля покоящихся электрических зарядов.

Закон Кулона - сила взаимодействия двух точечных зарядов пропорциональна зарядам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Закон сохранения электрического заряда – Замкнутая система тел алгебраическая сумма зарядов есть величина постоянная.

Замкнутая система – система тел, при котором они взаимодействуют только между собой.

Электрическая индукция (D) - величина, характеризующая электрическое поле в веществе наряду с напряженностью (Е): D = eЕ, где e - диэлектрическая проницаемость вещества. Поток электрической индукции через замкнутую поверхность определяется свободными зарядами, находящимися внутри этой поверхности (т. е. не зависит от связанных зарядов, входящих в состав нейтральных атомов и молекул).

Электрические заряды взаимодействуют между собой, т.е. одноименные заряды взаимно отталкиваются, а разноименные при­тягиваются. Силы взаимодействия электрических зарядов определяются законом Кулона и направлены по прямой линии, соединяю­щей точки, в которых сосредоточены заряды.