1.1: Хімія в контексті

Last updated
Save as PDF

Page ID: 22672

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Намітити історичний розвиток хімії
Наведіть приклади важливості хімії в повсякденному житті
Опишіть науковий метод і інформує науковий процес
Диференціювати гіпотези, теорії та закони
Наведіть приклади, що ілюструють макроскопічні, мікроскопічні та символічні області

Протягом людської історії люди намагалися перетворити матерію в більш корисні форми. Наші предки кам'яного віку сколювали шматочки кременя на корисні знаряддя праці та різьбляли з дерева статуї та іграшки. Ці зусилля передбачали зміну форми речовини без зміни самої речовини. Але коли наші знання зростали, люди також почали змінювати склад речовин - глину перетворювали на кераміку, шкури виліковували для виготовлення одягу, мідні руди перетворювалися на мідні знаряддя праці та зброю, а зерно перетворилося на хліб.

Люди почали практикувати хімію, коли навчилися керувати вогнем і використовувати його для приготування їжі, виготовлення кераміки та плавки металів. Згодом вони стали відокремлювати і використовувати конкретні складові речовини. З рослин були виділені різноманітні препарати, такі як алое, мирра, опій. Барвники, такі як індиго і тирійський фіолетовий, були витягнуті з рослинних і тваринних речовин. Метали були об'єднані для утворення сплавів - наприклад, мідь і олово змішувалися разом, щоб зробити бронзу - і більш складні методи виплавки виробляли залізо. Луги витягували з золи, а мило готували шляхом з'єднання цих лугів з жирами. Спирт виробляли шляхом бродіння і очищали шляхом дистиляції.

Спроби зрозуміти поведінку матерії поширюються на більш ніж 2500 років. Ще в шостому столітті до нашої ери грецькі філософи обговорювали систему, в якій вода була основою всього. Можливо, ви чули про грецький постулат, що матерія складається з чотирьох елементів: землі, повітря, вогню та води. Згодом об'єднання хімічних технологій та філософських спекуляцій було поширено з Єгипту, Китаю та східного Середземномор'я алхіміками, які прагнули перетворити «недорогоцінні метали», такі як свинець, в «благородні метали», такі як золото, і створити еліксири для лікування хвороб та продовження життя (рис. \(\PageIndex{1}\)).

Малюнок\(\PageIndex{1}\): На цьому зображенні зображена майстерня алхіміка близько 1580 року. Хоча алхімія зробила певний корисний внесок у те, як маніпулювати матерією, вона не була науковою за сучасними мірками. (кредит: Фонд хімічної спадщини).

З алхімії прийшли історичні прогреси, які призвели до сучасної хімії: виділення ліків з природних джерел, металургія, барвникова промисловість. Сьогодні хімія продовжує поглиблювати наше розуміння та вдосконалювати нашу здатність використовувати та контролювати поведінку матерії. Ці зусилля були настільки успішними, що багато людей не усвідомлюють ні центрального положення хімії серед наук, ні важливості та універсальності хімії в повсякденному житті.

Хімія: Центральна наука

Хімію іноді називають «центральною наукою» через її взаємопов'язаність з величезним масивом інших дисциплін STEM (STEM розшифровується як галузі науки, техніки, техніки та математики). Хімія та мова хіміків відіграють життєво важливу роль у біології, медицині, матеріалознавстві, криміналістиці, науці про навколишнє середовище та багатьох інших галузях (рис.\(\PageIndex{2}\)). Основні принципи фізики мають важливе значення для розуміння багатьох аспектів хімії, і існує велике перекриття між багатьма піддисциплінами в межах двох галузей, таких як хімічна фізика та ядерна хімія. Математика, інформатика та теорія інформації забезпечують важливі інструменти, які допомагають нам обчислювати, інтерпретувати, описувати та загалом зрозуміти хімічний світ. Біологія та хімія сходяться в біохімії, що має вирішальне значення для розуміння багатьох складних факторів і процесів, які підтримують живі організми (такі як ми). Хімічна інженерія, матеріалознавство та нанотехнології поєднують хімічні принципи та емпіричні висновки для отримання корисних речовин, починаючи від бензину до тканин і закінчуючи електронікою. Сільське господарство, харчова наука, ветеринарія, пивоваріння та виноробство допомагають забезпечити харчування у вигляді їжі та напоїв для населення світу. Медицина, фармакологія, біотехнологія та ботаніка ідентифікують та виробляють речовини, які допомагають зберегти нас здоровими. Наука про навколишнє середовище, геологія, океанографія та наука про атмосферу включають багато хімічних ідей, щоб допомогти нам краще зрозуміти та захистити наш фізичний світ. Хімічні ідеї використовуються, щоб допомогти зрозуміти Всесвіт в астрономії та космології.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Знання хімії є центральним для розуміння широкого кола наукових дисциплін. Ця діаграма показує лише деякі взаємозв'язки між хімією та іншими полями.

Які зміни в питанні мають важливе значення для повсякденного життя? Переварювання та засвоєння їжі, синтезування полімерів, які використовуються для виготовлення одягу, контейнерів, посуду та кредитних карток, а також переробки сирої нафти в бензин та інші продукти - лише кілька прикладів. Продовжуючи цей курс, ви відкриєте багато різних прикладів змін у складі та структурі речовини, як класифікувати ці зміни та як вони відбулися, їх причини, зміни енергії, які їх супроводжують, та принципи та закони, що беруть участь. Коли ви дізнаєтеся про ці речі, ви будете вивчати хімію, вивчення складу, властивостей та взаємодій речовини. Практика хімії не обмежується хімічними книгами чи лабораторіями: Це трапляється, коли хтось бере участь у зміні речовини або в умовах, які можуть призвести до таких змін.

Науковий метод

Хімія - це наука, заснована на спостереженні та експериментах. Займатися хімією передбачає спробу відповісти на питання і пояснити спостереження з точки зору законів і теорій хімії, використовуючи процедури, які приймаються науковим співтовариством. Немає єдиного шляху відповіді на запитання чи пояснення спостереження, але є аспект, загальний для кожного підходу: кожен використовує знання, засновані на експериментах, які можна відтворити для перевірки результатів. Деякі маршрути передбачають гіпотезу, попереднє пояснення спостережень, яке виступає керівництвом для збору та перевірки інформації. Ми перевіряємо гіпотезу шляхом експериментів, обчислень та/або порівняння з експериментами інших, а потім уточнюємо її за потребою.

Деякі гіпотези - це спроби пояснити поведінку, яка узагальнена в законі. Закони науки узагальнюють величезну кількість експериментальних спостережень, а також описують або передбачають якусь грань природного світу. Якщо така гіпотеза виявиться здатною пояснити великий обсяг експериментальних даних, вона може досягти статусу теорії. Наукові теорії є добре обґрунтованими, всеосяжними, перевіреними поясненнями окремих аспектів природи. Теорії приймаються, оскільки вони дають задовільні пояснення, але вони можуть бути змінені, якщо нові дані стануть доступними. Шляхи відкриття, що ведуть від питання і спостереження до закону або гіпотези до теорії, в поєднанні з експериментальною перевіркою гіпотези і будь-якою необхідною модифікацією теорії, називається науковим методом (рис.\(\PageIndex{3}\)).

У цій блок-схемі вікно спостереження та цікавості має стрілку, що вказує на поле, позначене гіпотезою форми; зробити прогноз. Вигнута стрілка, позначена поруч, з'єднує це поле з полем з позначкою виконати експеримент; зробити більше спостережень. Інша стрілка вказує назад на поле, де написано гіпотеза форми; зробити прогноз. Ця стрілка позначається результатами, які не відповідають прогнозу. Інша стрілка, помічені результати узгоджуються з точками прогнозування від вікна виконання експерименту до поля з міткою сприяє набору знань. Однак стрілка також вказує від сприяє тілу знань назад до гіпотези форми; зробити вікно передбачення. Ця стрілка позначена подальшим тестуванням не підтримує гіпотезу. Є також дві інші стрілки, що ведуть від сприяє тілу знань. Одна стрілка позначена набагато додатковим тестуванням дає постійні спостереження. Це призводить до того, що спостереження стає правовою коробкою. Інша стрілка позначена набагато додатковим тестуванням підтримує гіпотезу. Ця стрілка призводить до того, що гіпотеза стає теорією коробки.

Домени хімії

Хіміки вивчають та описують поведінку речовини та енергії в трьох різних областях: макроскопічній, мікроскопічній та символічній. Ці області забезпечують різні способи розгляду та опису хімічної поведінки.

Макро - це грецьке слово, що означає «великий». Макроскопічний домен нам знайомий: це царство повсякденних речей, які досить великі, щоб їх відчували безпосередньо людським зором або дотиком. У повсякденному житті це включає їжу, яку ви їсте, і вітер, який ви відчуваєте на обличчі. Макроскопічна область включає щоденну та лабораторну хімію, де ми спостерігаємо та вимірюємо фізичні та хімічні властивості або зміни, такі як щільність, розчинність та горючість.

Мікроскопічна область хімії майже завжди відвідується в уяві. Micro також походить від грецької мови і означає «маленький». Деякі аспекти мікроскопічних доменів видно через мікроскоп, наприклад, збільшене зображення графіту або бактерій. Віруси, наприклад, занадто малі, щоб їх можна було побачити неозброєним оком, але коли ми страждаємо від застуди, нам нагадують про те, наскільки вони реальні.

Однак більшість предметів у мікроскопічній області хімії, такі як атоми та молекули, занадто малі, щоб їх можна було побачити навіть за допомогою стандартних мікроскопів, і часто їх потрібно зображувати в розумі. Інші компоненти мікроскопічного домену включають іони і електрони, протони і нейтрони, а також хімічні зв'язки, кожен з яких занадто малий, щоб побачити. Цей домен включає окремі атоми металів у дроті, іони, що складають кристал солі, зміни окремих молекул, що призводять до зміни кольору, перетворення молекул поживних речовин у тканину та енергію та еволюцію тепла як зв'язки, які утримують атоми разом.

Символічний домен містить спеціалізовану мову, яка використовується для представлення компонентів макроскопічної та мікроскопічної областей. Хімічні символи (такі, як ті, що використовуються в періодичній таблиці), хімічні формули та хімічні рівняння є частиною символьної області, як і графіки та креслення. Ми також можемо розглядати розрахунки як частину символічної області. Ці символи відіграють важливу роль у хімії, оскільки вони допомагають інтерпретувати поведінку макроскопічного домену з точки зору компонентів мікроскопічного домену. Однією з проблем для студентів, які вивчають хімію, є визнання того, що одні й ті ж символи можуть представляти різні речі в макроскопічних та мікроскопічних областях, і однією з особливостей, яка робить хімію захоплюючою, є використання домену, який потрібно уявити, щоб пояснити поведінку в області, яка може бути спостерігається.

Корисний спосіб зрозуміти три області через істотну і всюдисущу речовину води. Те, що вода є рідиною при помірних температурах, замерзне, утворюючи тверду речовину при більш низьких температурах, і кипить, утворюючи газ при більш високих температурах (рис. 1.1.4) - макроскопічні спостереження. Але деякі властивості води потрапляють у мікроскопічну область - те, що ми не можемо спостерігати неозброєним оком. Опис води, що складається з двох атомів водню та одного атома кисню, а також пояснення заморожування та кипіння з точки зору атракціонів між цими молекулами, знаходиться в межах мікроскопічної арени. Прикладом символічної області є формула H ₂ O, яка може описувати воду на макроскопічному або мікроскопічному рівнях. Скорочення (g) для газу, (s) для твердого тіла та (l) для рідини також є символічними.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): (а) Волога в повітрі, айсберги та океан представляють воду в макроскопічній області. (b) На молекулярному рівні (мікроскопічний домен) молекули газу знаходяться далеко один від одного і дезорганізовані, молекули твердої води знаходяться близько один до одного і організовані, а молекули рідини знаходяться близько один до одного і дезорганізовані. (в) Формула H ₂ O символізує воду, а (g), (s) і (l) символізують її фази. Зверніть увагу, що хмари насправді складаються з дуже дрібних крапель рідкої води або кристалів твердої води; газоподібна вода в нашій атмосфері не видно неозброєним оком, хоча це може сприйматися як вологість. (кредит a: модифікація роботи «Горказка» /Вікісховища).

Ключові поняття та резюме

Хімія займається складом, структурою та властивостями речовини, а також способами, за допомогою яких різні форми речовини можуть бути взаємоперетворені. Таким чином, вона займає центральне місце у вивченні і практиці науки і техніки. Хіміки використовують науковий метод для проведення експериментів, викладання гіпотез, формулювання законів і розробки теорій, щоб вони могли краще зрозуміти поведінку природного світу. Для цього вони працюють у макроскопічних, мікроскопічних та символічних областях. Хіміки вимірюють, аналізують, очищають і синтезують найрізноманітніші речовини, важливі для нашого життя.

Глосарій

хімія: вивчення складу, властивостей і взаємодій речовини

гіпотези: попереднє пояснення спостережень, що виступає керівництвом для збору та перевірки інформації

закон: твердження, яке узагальнює величезну кількість експериментальних спостережень та описує або прогнозує якийсь аспект природного світу

макроскопічний домен: царство повсякденних речей, які є достатньо великими, щоб відчувати безпосередньо людським зором і дотиком

мікроскопічний домен: царство речей, які занадто малі, щоб їх відчували безпосередньо

науковий метод: шлях відкриття, який веде від питання і спостереження до закону або гіпотези до теорії, в поєднанні з експериментальною перевіркою гіпотези і будь-якою необхідною модифікацією теорії

символічний домен: спеціалізована мова, що використовується для представлення компонентів макроскопічних та мікроскопічних областей, таких як хімічні символи, хімічні формули, хімічні рівняння, графіки, креслення та розрахунки

теорія: обґрунтоване, всебічне, перевірене пояснення того чи іншого аспекту природи