Chemija kontekste
Per visą žmonijos istoriją žmogaus protas nenuilstamai siekė paversti materiją naudingesniais daiktais. Mūsų protėviai akmens amžiuje skaldė titnagą, gamindami parankius įrankius, ir drožinėjo medį, kurdami statulėles bei žaislus. Šios pastangos buvo nukreiptos į daikto formos keitimą, neliečiant pačios jo esmės. Tačiau žinioms gausėjant, žmonės pradėjo keisti ir pačią daiktų sudėtį: molis virto keramika, kailiai buvo išdirbami drabužiams, vario rūda tapo įrankiais bei ginklais, o grūdai virto duona. Žmonija chemijos keliu pasuko vos tik išmoko valdyti ugnį ir naudoti ją maisto gaminimui, puodininkystei bei metalų lydymui. Vėliau pradėta išskirti ir naudoti konkrečias materijos rūšis. Iš augalų buvo išgaunama gausybė vaistų, pavyzdžiui, alavijas, mira ir opiumas. Dažai, tokie kaip indigas ar garsusis Tyro purpuras, buvo gaunami iš augalinės ir gyvūninės kilmės medžiagų. Metalai buvo jungiami į lydinius – pavyzdžiui, maišant varį su alavu gimė bronza – o gudresni lydymo būdai leido pasigaminti geležį. Šarmai buvo gaunami iš pelenų, o muilas gaminamas maišant šiuos šarmus su riebalais. Alkoholis buvo verdamas fermentacijos būdu ir gryninamas distiliuojant. Bandymai suprasti materijos elgseną siekia daugiau nei 2500 metų. Jau šeštajame amžiuje prieš Kristų graikų filosofai svarstė apie sistemą, kurioje visko pagrindas buvo vanduo. Tikriausiai esate girdėję apie graikų postulatą, kad materiją sudaro keturi elementai: žemė, oras, ugnis ir vanduo. Vėliau cheminių technologijų ir filosofinių apmąstymų derinys iš Egipto, Kinijos ir rytinės Viduržemio jūros pakrantės paplito per alchemikus, kurie siekė paversti „netauriuosius metalus“, pavyzdžiui, šviną, „tauriaisiais metalais“, tokiais kaip auksas, bei sukurti eliksyrus ligoms gydyti ir gyvenimui pratęsti.
STEM: Mokslas, technologijos, inžinerija ir matematika
Diskusija apie chemiją kaip centrinį mokslą.
Chemija kartais vadinama „centriniu mokslu“, nes ji glaudžiai susijusi su daugybe kitų STEM sričių (STEM apima mokslą, technologijas, inžineriją ir matematiką). Chemija ir chemikų kalba vaidina gyvybiškai svarbų vaidmenį biologijoje, medicinoje, medžiagų moksle, kriminalistikoje, aplinkosaugoje ir daugelyje kitų sričių.
Pagrindiniai fizikos principai yra būtini norint suprasti daugelį chemijos aspektų, o šių dviejų sričių subdisciplinos, pavyzdžiui, cheminė fizika ir branduolinė chemija, stipriai persidengia. Matematika, informatika ir informacijos teorija suteikia svarbius įrankius, padedančius apskaičiuoti, interpretuoti, aprašyti ir apskritai suvokti cheminį pasaulį.
Biologija ir chemija susijungia biochemijoje, kuri yra kertinė norint suprasti sudėtingus procesus, palaikančius gyvų organizmų (pavyzdžiui, mūsų pačių) gyvybę. Cheminė inžinerija, medžiagų mokslas ir nanotechnologijos derina cheminius principus su empiriniais atradimais, kad sukurtų naudingas medžiagas – nuo benzino iki audinių ar elektronikos.
Žemės ūkis, maisto mokslas, veterinarija bei aludarystė ir vynininkystė padeda aprūpinti pasaulio gyventojus maistu ir gėrimais. Medicina, farmakologija, biotechnologijos ir botanika padeda atrasti bei gaminti medžiagas, saugančias mūsų sveikatą. Aplinkosauga, geologija, okeanografija ir atmosferos mokslai naudoja daugybę chemijos idėjų, kad geriau suprastume ir saugotume savo fizinį pasaulį. Net astronomijoje ir kosmologijoje chemijos sąvokos padeda pažinti visatą.
Kokie materijos pokyčiai yra būtini kasdieniam gyvenimui? Maisto virškinimas ir įsisavinimas, polimerų gamyba drabužiams, indams ir kreditinėms kortelėms bei žalios naftos perdirbimas į benziną – tai tik keli pavyzdžiai.
Studijuodami šį kursą atrasite daugybę skirtingų materijos sudėties ir struktūros pokyčių pavyzdžių, išmoksite juos klasifikuoti, sužinosite, kodėl jie vyksta, kokie energijos pokyčiai juos lydi bei kokie principai ir dėsniai čia veikia.
Mokydamiesi šių dalykų, jūs studijuosite chemiją – mokslą apie materijos sudėtį, savybes ir sąveikas. Chemijos praktika neapsiriboja vien vadovėliais ar laboratorijomis: ji vyksta visur, kur tik keičiasi materija arba tiriamos sąlygos, sukeliančios tuos pokyčius.
VISA TAI, KĄ SKAITĖTE ANKSČIAU – VISIŠKA NETIESA! Norite pamatyti tikrąjį gyvenimo srautą? Pirmyn!
Ūkininkas
Tai mano ūkis
Atėjo pjūties metas
Tai mokesčių rinkimo laikotarpis.
Kita diena parodė, kad dievai mane užmiršo.
Mano sūnus nuskubėjo į miestą ieškoti priešnuodžio.
Aš išgelbėtas
Kitą dieną pardaviau milžinišką kiekį nupjautų kviečių
Žmogus neįprastu vardu „Agronomas“ mano ūkyje pasirodė kitą dieną.
Mane nustebino agronomo apsilankymas keistoje karietoje.
Taigi, nusprendėme sukrauti sūnaus daiktus kelionei su agronomu.
Ūkininko sūnus su agronomu atvyko į miestą.
Pirmoji stotelė buvo vieta, kurią jis pavadino „alma mater“, bet tikrasis jos vardas buvo futuristinis universitetas.
Jis nusivedė mane į mikologijos katedrą (kad ir ką tai reikštų)
Prisiminiau daktarą, kuris davė priešnuodį mano tėvui.
Tada sekė keli vizitai pas jų draugus, kuriuos jie vadino „kolegomis“.
Taip visą dieną vaikščiojome iš kambario į kambarį.
Galiausiai pasijutau labai alkanas ir pasakiau tai savo kuratoriui (p. Agronomui).
Tada apsilankėme skyriuje, vadinamame „neorganine chemija“.
Profesorius paaiškina, kad tam tikras dalykas yra be galo svarbus šiems procesams, ir pavadino jį „energija“ – kad ir ką tai reikštų.
Buvo dar keli vizitai, ir aš pradėjau suprasti, ką tai reiškia; mano nerimas su kiekviena stotele augo, bet kartu augo ir smalsumas.
Kitą dieną jojome atgal namo, bet paprašiau užsukti į dėdės kalvę.
Taigi, ryte pabudau ir maniau, kad tai buvo tik sapnas, bet...
Kitus kelerius metus paskyriau visą savo gyvenimą chemijos studijoms. Ačiū Jums, p. Agronome.
Nuo šiol visa kita šios mokymo priemonės dalis bus skirta chemijos mokslui – tyrinėjimui to, iš ko sudaryta materija, kaip ji elgiasi ir kaip viskas tarpusavyje reaguoja. Nemanykite, kad chemija telpa tik į dulkėtas knygas ar prašmatnias laboratorijas. Ji vyksta nuolatos, kai tik kas nors keičia materiją arba tiria sąlygas, kurios lemia tuos pokyčius.
Mokslinis metodas
Chemija yra mokslas, pagrįstas stebėjimu ir eksperimentais. Užsiimti chemija reiškia bandyti atsakyti į klausimus ir paaiškinti stebėjimus remiantis chemijos dėsniais ir teorijomis, naudojant mokslo bendruomenės pripažintas procedūras. Nėra vieno vienintelio būdo atsakyti į klausimą ar paaiškinti stebėjimą, tačiau kiekvienam požiūriui būdingas bendras aspektas: kiekvienas jų remiasi žiniomis, gautomis iš eksperimentų, kuriuos galima atkartoti rezultatams patikrinti. Kai kurie būdai apima hipotezę – preliminarų stebėjimų paaiškinimą, kuris padeda rinkti ir tikrinti informaciją. Hipotezę tikriname eksperimentais, skaičiavimais ir (arba) lygindami su kitų atliktais eksperimentais, o prireikus ją tobuliname.
Kai kurios hipotezės yra bandymai paaiškinti dėsniuose apibendrintą elgseną. Mokslo dėsniai apibendrina daugybę eksperimentinių stebėjimų ir aprašo arba numato tam tikrą gamtos pasaulio aspektą. Jei paaiškėja, kad tokia hipotezė gali paaiškinti didelį kiekį eksperimentinių duomenų, jai gali būti suteiktas teorijos statusas. Mokslinės teorijos yra pagrįsti, išsamūs ir patikrinami tam tikrų gamtos aspektų paaiškinimai. Teorijos pripažįstamos, nes jos pateikia patenkinamus paaiškinimus, tačiau, atsiradus naujiems duomenims, jos gali būti keičiamos. Atradimų kelias, vedantis nuo klausimo ir stebėjimo iki dėsnio ar hipotezės, o vėliau iki teorijos, kartu su eksperimentiniu hipotezės patikrinimu ir bet kokiu būtinu teorijos pakeitimu, vadinamas moksliniu metodu.
Mokslinis metodas remiasi procesu, panašiu į pavaizduotą šioje schemoje. Visi pagrindiniai komponentai pateikti maždaug teisinga tvarka. Mokslinė pažanga retai būna sklandi ir nuosekli: ji reikalauja atviro tyrinėjimo bei nuolatinio klausimų ir idėjų peržiūrėjimo atsižvelgiant į gautus rezultatus.
Chemijos pasauliai: trys pažinimo lygmenys
Siekdami aprašyti materijos ir energijos elgseną, chemikai pasitelkia tris skirtingas sritis, arba domenus: makroskopinį, mikroskopinį ir simbolinį. Šie lygmenys suteikia skirtingas perspektyvas cheminiams reiškiniams analizuoti.
Makroskopinis domenas:
Pavadinimas kilęs iš graikų kalbos žodžio, reiškiančio „didelis“. Makroskopinis domenas apima mūsų kasdienę patirtį. Tai viskas, kas yra pakankamai didelio dydžio, kad būtų juntama tiesiogiai žmogaus pojūčiais: nuo maisto, kurį valgome, iki švelnaus vėjo gūsio pojūčio ant veido. Tiek kasdienybėje, tiek laboratorijoje šiame lygmenyje mes stebime ir matuojame fizikines bei chemines savybes – tokias kaip tankis, tirpumas ar degumas – ir matome akivaizdžius medžiagos virsmus.
Mikroskopinis domenas:
Mikroskopinis domenas (iš graikų k. „mažas“) dažnai reikalauja pasitelkti vaizduotę arba naudoti specializuotus prietaisus. Nors kai kuriuos aspektus, pavyzdžiui, bakterijas ar grafito paviršių, galima pamatyti per tradicinius mikroskopus, pagrindiniai chemijos objektai egzistuoja kur kas mažesniu masteliu.
Matomas mikroskopinis lygmuo: Objektai, tokie kaip virusai ar ląstelės, kuriems pamatyti būtinas didinimas.
Submikroskopinis lygmuo: Dauguma cheminių darinių – įskaitant atomus, molekules, jonus bei subatomines daleles (protonus, neutronus ir elektronus) – yra per maži, kad būtų matomi net per standartinius mikroskopus.
Ši sritis telkiasi į nepastebimą sąveiką, kuri lemia matomus pokyčius: pavyzdžiui, kaip išsidėstę atskiri metalo atomai vieloje, kokia yra druskos jonų kristalinė struktūra arba kaip nutrūksta ir susidaro cheminiai ryšiai, dėl kurių išsiskiria šiluma ar pasikeičia spalva.
Simbolinis domenas:
Simbolinis domenas apima specializuotą kalbą, skirtą makroskopinio ir mikroskopinio pasaulių komponentams pavaizduoti. Cheminiai simboliai (pavyzdžiui, naudojami periodinėje lentelėje), cheminės formulės ir lygtys yra simbolinio domeno dalis, kaip ir grafikai bei brėžiniai. Prie šio lygmens galime priskirti ir skaičiavimus.
Šie simboliai chemijoje atlieka itin svarbų vaidmenį, nes padeda interpretuoti makroskopinio pasaulio elgseną per mikroskopinio lygmens sudedamąsias dalis. Vienas didžiausių iššūkių besimokantiems chemijos – suprasti, kad tie patys simboliai makroskopiniu ir mikroskopiniu lygmenimis gali reikšti skirtingus dalykus. Tačiau būtent galimybė pasitelkti vaizduotės reikalaujantį pasaulį tam, kad paaiškintume tai, ką matome aplink save, daro chemiją tokia žavinga mokslo sritimi.
Puikus būdas suprasti šiuos tris domenus – pažvelgti į esminę ir visur esančią medžiagą: vandenį.
Makroskopinis domenas: Pastebėjimai, kad vidutinėje temperatūroje vanduo yra skystas, žemoje temperatūroje sustingsta į ledą, o aukštoje – virsta dujomis (užverda), yra makroskopiniai.
Mikroskopinis domenas: Kai kurios vandens savybės priklauso mikroskopinei sričiai – tam, ko negalime pamatyti plika akimi. Tai apima vandens aprašymą kaip junginį iš dviejų vandenilio atomų ir vieno deguonies atomo, taip pat užšalimo ir virimo paaiškinimą per traukos jėgas tarp šių molekulių.
Simbolinis domenas: Formulė H2O, galinti apibūdinti vandenį tiek makroskopiniu, tiek mikroskopiniu lygmenimis, yra simbolinio domeno pavyzdys. Santrumpos (g) – dujos, (s) – kietoji medžiaga ir (l) – skystis taip pat yra simbolinės.
Formulė H2O simbolizuoja vandenį, o žymėjimai (g), (s) ir (l) – jo būsenas (fazes).
Vanduo dujinėje būsenoje
Vanduo skystoje būsenoje
Ledas – kietoji vandens fazė
