Ķīmija kontekstā
Visas cilvēces vēstures garumā cilvēki ir centušies pārvērst matēriju lietderīgākās lietās. Mūsu akmens laikmeta priekšteči skaldīja kramu, lai izveidotu parocīgus darbarīkus, un greba koku, veidojot statujas un rotaļlietas. Šie centieni ietvēra priekšmeta formas maiņu, nemainot pašu vielu. Taču, zināšanām augot, ļaudis sāka mainīt arī lietu sastāvu — māls tika pārvērsts keramikā, ādas tika apstrādātas apģērbu izgatavošanai, vara rūdas kļuva par darbarīkiem un ieročiem, bet graudi tika pārvērsti maizē. Cilvēce uzsāka ceļu ķīmijā, tiklīdz iemācījās pārvaldīt uguni un izmantot to ēdiena gatavošanai, podniecībai un metālu kausēšanai. Pēc tam cilvēki sāka izdalīt un izmantot konkrētus matērijas veidus. No augiem tika iegūtas dažādas zāles, piemēram, alveja, mirre un opijs. Krāsvielas, piemēram, indigo un Tiras purpurs, tika iegūtas no augu un dzīvnieku valsts materiāliem. Metāli tika apvienoti, lai radītu sakausējumus — piemēram, sajaucot varu ar alvu, ieguva bronzu —, un prasmīgākas kausēšanas metodes ļāva saražot dzelzi. Sārmi tika iegūti no pelniem, un ziepes gatavoja, sajaucot šos sārmus ar taukiem. Alkohols tika ražots fermentācijas procesā un attīrīts ar destilāciju. Centieni izprast matērijas uzvedību aizsākās pirms vairāk nekā 2500 gadiem. Jau sestajā gadsimtā pirms mūsu ēras grieķu filozofi apsprieda sistēmu, kurā visa pamatā bija ūdens. Iespējams, esat dzirdējuši par grieķu postulātu, ka matērija sastāv no četriem elementiem: zemes, gaisa, uguns un ūdens. Vēlāk ķīmisko tehnoloģiju un filozofisko pārdomu apvienojums no Ēģiptes, Ķīnas un Vidusjūras austrumiem izplatījās ar alķīmiķu starpniecību, kuri centās pārvērst "parastos metālus", piemēram, svinu, "cēlmetālos", piemēram, zeltā, un radīt eliksīrus slimību ārstēšanai un mūža pagarināšanai.
STEM: Zinātne, tehnoloģijas, inženierzinātnes un matemātika
Diskusija par ķīmiju kā centrālo zinātni.
Ķīmiju dažkārt dēvē par "centrālo zinātni", jo tā ir saistīta ar plašu citu STEM disciplīnu klāstu (STEM ietver zinātni, tehnoloģijas, inženierzinātnes un matemātiku). Ķīmijai un ķīmiķu valodai ir vitāli svarīga loma bioloģijā, medicīnā, materiālzinātnē, kriminālistikā, vides zinātnē un daudzās citās jomās.
Fizikas pamatprincipi ir būtiski, lai izprastu daudzus ķīmijas aspektus, un starp daudzām abu nozaru apakšdisciplīnām pastāv milzīga pārklāšanās, piemēram, ķīmiskajā fizikā un kodolķīmijā. Matemātika, datorzinātne un informācijas teorija nodrošina svarīgus rīkus, kas palīdz mums aprēķināt, interpretēt, aprakstīt un vispārēji izprast ķīmisko pasauli.
Bioloģija un ķīmija apvienojas bioķīmijā, kas ir izšķiroša, lai izprastu daudzos sarežģītos faktorus un procesus, kas uztur dzīvību dzīvajos organismos (piemēram, mūsos). Ķīmijas inženierija, materiālzinātne un nanotehnoloģijas apvieno ķīmijas principus un empīriskos atradumus, lai radītu noderīgas vielas — no benzīna līdz audumiem un elektronikai.
Lauksaimniecība, pārtikas zinātne, veterinārija, kā arī alus un vīna darīšana palīdz nodrošināt pasaules iedzīvotājus ar pārtiku un dzērieniem. Medicīna, farmakoloģija, biotehnoloģija un botānika identificē un ražo vielas, kas palīdz mums saglabāt veselību. Vides zinātne, ģeoloģija, okeanogrāfija un atmosfēras zinātne izmanto daudzas ķīmijas idejas, lai palīdzētu mums labāk izprast un aizsargāt mūsu fizisko pasauli. Pat astronomijā un kosmoloģijā ķīmijas koncepcijas palīdz izprast Visumu.
Kādas pārmaiņas matērijā ir būtiskas ikdienas dzīvē? Pārtikas sagremošana un asimilācija, polimēru ražošana apģērbam, traukiem un kredītkartēm, kā arī jēlnaftas pārstrāde benzīnā un citos produktos ir tikai daži piemēri.
Apgūstot šo kursu, jūs atklāsiet daudz dažādu piemēru par izmaiņām matērijas sastāvā un struktūrā, iemācīsieties tās klasificēt un saprast, kā un kāpēc tās notikušas, kādas enerģijas izmaiņas tās pavada, kā arī uzzināsiet par iesaistītajiem principiem un likumiem.
Apgūstot šīs lietas, jūs studēsiet ķīmiju — zinātni par matērijas sastāvu, īpašībām un mijiedarbību. Ķīmijas prakse neaprobežojas tikai ar mācību grāmatām vai laboratorijām: tā notiek ikreiz, kad kāds ir iesaistīts matērijas pārvērtībās vai apstākļu pētīšanā, kas var izraisīt šīs pārmaiņas.
VISS, KO LASĪJĀT IEPRIEKŠ, IR PILNĪGI NEPATIESI! Vēlaties redzēt patieso dzīves plūdumu? Uz priekšu!
Zemnieks
Šī ir mana saimniecība
Ir pļaujas laiks
Šis ir nodokļu iekasēšanas laiks.
Nākamā diena parādīja, ka dievi mani ir aizmirsuši.
Mans dēls steidzās uz pilsētu meklēt pretindi.
Esmu glābts
Nākamajā dienā es pārdevu milzīgo daudzumu novākto kviešu
Cilvēks ar neparasto vārdu 'Agronoms' ieradās manā saimniecībā nākamajā dienā.
Mani pārsteidza agronoma ierašanās dīvainos ratiem.
Tāpēc mēs nolēmām sakravāt dēla mantas ceļojumam kopā ar agronomu.
Zemnieka dēls kopā ar agronomu ieradās pilsētā.
Pirmā pietura bija vietā, ko viņš sauca par 'alma mater', bet tās īstais nosaukums bija futūristiskā universitāte.
Viņš mani aizveda uz mikoloģijas katedru (lai ko tas arī nozīmētu)
Es atceros dakteri, kurš iedeva pretindi manam tēvam.
Pēc tam bija vairāki apciemojumi pie viņu draugiem, un viņi viens otru sauca par 'kolēģiem'.
Tā mēs visu dienu staigājām no telpas uz telpu.
Beigās es sajutos ļoti izsalcis un pateicu to savam kuratoram (Agronoma kungam).
Tad mēs apmeklējām nodaļu, ko sauc par 'neorganisko ķīmiju'.
Profesors paskaidro, ka noteikts jēdziens ir ārkārtīgi svarīgs šiem procesiem, un viņš to nosauca par 'enerģiju'.
Bija vēl vairāki apmeklējumi, un es sāku saprast, ko tas nozīmē; mans nemiers ar katru pieturu pārauga augošā interesē.
Nākamajā dienā mēs jājām atpakaļ uz mājām, bet es palūdzu apciemot sava tēva brāļa smēdi.
Tā nu es no rīta pamodos un domāju, ka tas viss bija sapnis, bet...
Nākamos vairākus gadus es visu savu dzīvi veltīju ķīmijas apguvei. Paldies Jums, Agronoma kungs.
Turpmāk visa šī rokasgrāmata būs veltīta ķīmijas apguvei — pētījumiem par to, no kā sastāv matērija, kā tā uzvedas un kā viss savstarpēji reaģē. Nedomājiet, ka ķīmijas prakse aprobežojas tikai ar vecām grāmatām vai smalkām laboratorijām: tā notiek nepārtraukti, ikreiz, kad kāds ir saistīts ar matērijas pārvērtībām vai apstākļiem, kas izraisa šīs izmaiņas.
Zinātniskā metode
Ķīmija ir zinātne, kuras pamatā ir novērojumi un eksperimenti. Nodarboties ar ķīmiju nozīmē mēģināt atbildēt uz jautājumiem un izskaidrot novērojumus, balstoties uz ķīmijas likumiem un teorijām, izmantojot zinātniskās kopienas pieņemtās procedūras. Nav viena vienīga ceļa, kā atbildēt uz jautājumu vai izskaidrot novērojumu, taču katrai pieejai ir kopīgs aspekts: katra izmanto zināšanas, kas balstītas uz eksperimentiem, kurus var reproducēt, lai verificētu rezultātus. Daži ceļi ietver hipotēzi — provizorisku novērojumu skaidrojumu, kas kalpo kā ceļvedis informācijas vākšanai un pārbaudei. Mēs pārbaudām hipotēzi ar eksperimentiem, aprēķiniem un/vai salīdzināšanu ar citu eksperimentiem un pēc tam pēc vajadzības to pilnveidojam.
Dažas hipotēzes ir mēģinājumi izskaidrot uzvedību, kas apkopota likumos. Zinātnes likumi apkopo milzīgu skaitu eksperimentālo novērojumu un apraksta vai prognozē kādu dabas pasaules aspektu. Ja izrādās, ka šāda hipotēze spēj izskaidrot lielu eksperimentālo datu apjomu, tā var sasniegt teorijas statusu. Zinātniskās teorijas ir labi pamatoti, visaptveroši un pārbaudāmi konkrētu dabas aspektu skaidrojumi. Teorijas tiek pieņemtas, jo tās sniedz apmierinošus skaidrojumus, taču tās var tikt modificētas, ja kļūst pieejami jauni dati. Atklājumu ceļu, kas ved no jautājuma un novērojuma līdz likumam vai hipotēzei un tālāk līdz teorijai, apvienojumā ar hipotēzes eksperimentālu pārbaudi un jebkādām nepieciešamajām teorijas modifikācijām, sauc par zinātnisko metodi.
Zinātniskā metode balstās uz procesu, kas līdzīgs šajā diagrammā attēlotajam. Visas galvenās sastāvdaļas ir parādītas aptuveni pareizā secībā. Zinātnes progress reti kad ir vienkāršs un gluds: tas prasa atklātu pētniecību, kā arī jautājumu un ideju pārskatīšanu atkarībā no gūtajiem atradumiem.
Ķīmijas jomas: trīs izziņas līmeņi
Lai aprakstītu vielas un enerģijas uzvedību, ķīmiķi izmanto trīs atšķirīgas jomas: makroskopisko, mikroskopisko un simbolisko. Šie ietvari piedāvā dažādas perspektīvas ķīmisko parādību analīzei.
Makroskopiskā joma:
Makroskopiskā joma, kuras nosaukums cēlies no grieķu vārda „liels”, aptver mūsu ikdienas pieredzes telpu. Tā ietver visu, kas ir pietiekami liels, lai to uztvertu tieši ar cilvēka maņām, piemēram, pārtiku, ko lietojam uzturā, vai vēja brīzes pieskārienu. Gan ikdienā, gan laboratorijā šajā jomā mēs novērojam un mērām fizikālās un ķīmiskās īpašības — tādus kā blīvums, šķīdība un uzliesmojamība — un kļūstam par lieciniekiem redzamām vielas pārvērtībām.
Mikroskopiskā joma:
Mikroskopiskā joma, no grieķu vārda „mazs”, bieži prasa iztēles vai īpašu mērierīču palīdzību. Lai gan dažus aspektus, piemēram, baktērijas vai grafīta virsmu, var saskatīt caur parastu mikroskopu, ķīmijas galvenie izpētes objekti eksistē daudz mazākā mērogā.
Redzamais mikroskopiskais līmenis: Tādi objekti kā vīrusi vai šūnas, kuru saskatīšanai nepieciešams palielinājums.
Submikroskopiskais līmenis: Lielākā daļa ķīmisko objektu — tostarp atomi, molekulas, joni un subatomārās daļiņas (protoni, neitroni un elektroni) — ir pārāk mazi, lai tos ieraudzītu pat ar standarta mikroskopiem.
Šī joma koncentrējas uz diskrēto mijiedarbību, kas izraisa novērojamās izmaiņas, piemēram, atsevišķu metāla atomu izvietojumu stieplē, sāls jonu kristālisko struktūru vai ķīmisko saišu saraušanu un veidošanos, kas rada siltuma izdalīšanos vai krāsas maiņu.
Simboliskā joma:
Simboliskā joma ietver specializētu valodu, ko izmanto makroskopiskā un mikroskopiskā līmeņa komponentu attēlošanai. Ķīmiskie simboli (piemēram, tie, kas atrodami periodiskajā tabulā), ķīmiskās formulas un ķīmiskie vienādojumi ir daļa no simboliskās jomas, tāpat kā grafiki un zīmējumi. Pie simboliskās jomas varam pieskaitīt arī aprēķinus.
Šiem simboliem ķīmijā ir izšķiroša loma, jo tie palīdz interpretēt makroskopiskās pasaules norises caur mikroskopiskā līmeņa komponentiem. Viens no izaicinājumiem ķīmijas studentiem ir apzināties, ka vieni un tie paši simboli makroskopiskajā un mikroskopiskajā skatījumā var apzīmēt dažādas lietas. Tomēr tieši iespēja izmantot iztēles jomu, lai izskaidrotu novērojamās pasaules procesus, padara ķīmiju tik aizraujošu.
Lielisks veids, kā izprast šīs trīs jomas, ir aplūkot fundamentālo un visuresošo vielu — ūdeni.
Makroskopiskā joma: Novērojumi, ka ūdens mērenā temperatūrā ir šķidrums, zemā temperatūrā sasalst par cietvielu, bet augstā — vārās un kļūst par gāzi, pieder makroskopiskajai pasaulei.
Mikroskopiskā joma: Dažas ūdens īpašības pieder mikroskopiskajai jomai — tam, ko nevar saskatīt ar neapbruņotu aci. Tas ietver ūdens aprakstu kā savienojumu, kas sastāv no diviem ūdeņraža atomiem un viena skābekļa atoma, kā arī sasalšanas un vārīšanās skaidrojumu caur pievilkšanās spēkiem starp šīm molekulām.
Simboliskā joma: Formula H2O, kas var aprakstīt ūdeni gan makroskopiskā, gan mikroskopiskā līmenī, ir simboliskās jomas piemērs. Arī saīsinājumi (g) gāzei, (s) cietvielai un (l) šķidrumam ir simboliski.
Formula H2O simbolizē ūdeni, savukārt apzīmējumi (g), (s) un (l) simbolizē tā fāzes.
Ūdens gāzveida fāzē
Ūdens šķidrā fāzē
Ledus ir ūdens cietā fāze
