Хімія в контексті
Протягом усієї людської історії люди намагалися перетворити матерію на щось більш корисне. Наші предки часів кам'яного віку обтісували кремені для створення зручних знарядь праці та вирізали з дерева статуетки й іграшки. Ці зусилля були спрямовані на зміну форми предмета без зміни самої його суті. Проте з накопиченням знань люди почали змінювати і склад речовин: глину перетворювали на кераміку, шкури вичиняли для виготовлення одягу, мідні руди ставали знаряддями та зброєю, а зерно перетворювалося на хліб. Людство ступило на шлях хімії, щойно навчилося приборкувати вогонь і використовувати його для приготування їжі, випалювання гончарних виробів та виплавки металів. Згодом люди почали виокремлювати та застосовувати специфічні види матерії. З рослин отримували різноманітні ліки, як-от алое, мирру та опіум. Барвники, наприклад індиго та тирський пурпур, добували з рослинної та тваринної сировини. Метали поєднували для створення сплавів — змішували мідь і олово, щоб отримати бронзу, а вдосконалення методів плавки дозволило виробляти залізо. Луги добували з попелу, а мило виготовляли, змішуючи ці луги з жирами. Спирт отримували шляхом бродіння та очищували за допомогою дистиляції. Спроби зрозуміти природу матерії сягають корінням у глибину віків — понад 2500 років тому. Вже у VI столітті до н. е. грецькі філософи обговорювали систему, де основою всього сущого була вода. Можливо, ви чули про грецький постулат, згідно з яким матерія складається з чотирьох елементів: землі, повітря, вогню та води. Пізніше поєднання хімічних технологій та філософських роздумів поширилося з Єгипту, Китаю та Східного Середземномор'я завдяки алхімікам, які прагнули перетворити «неблагородні метали» (наприклад, свинець) на «благородні» (золото), а також створити еліксири для лікування хвороб і продовження життя.
STEM: Наука, Технології, Інженерія та Математика
Обговорення хімії як центральної науки.
Хімію часто називають «центральною наукою», оскільки вона тісно пов'язана з величезним спектром інших дисциплін STEM (абревіатура, що охоплює науку, технології, інженерію та математику). Хімія та її термінологія відіграють життєво важливу роль у біології, медицині, матеріалознавстві, криміналістиці, екології та багатьох інших галузях.
Базові принципи фізики є необхідними для розуміння багатьох аспектів хімії; між піддисциплінами цих двох галузей, як-от хімічна фізика чи ядерна хімія, існує величезна зона перетину. Математика, інформатика та теорія інформації надають важливі інструменти, що допомагають нам обчислювати, інтерпретувати, описувати та загалом осягати хімічний світ.
Біологія та хімія об'єднуються в біохімії, яка є ключовою для розуміння складних факторів і процесів, що підтримують життя в організмах. Хімічна інженерія, матеріалознавство та нанотехнології поєднують хімічні принципи з емпіричними даними для створення корисних речовин — від бензину до тканин та електроніки.
Сільське господарство, харчова наука, ветеринарія та виноробство забезпечують населення планети їжею та напоями. Медицина, фармакологія, біотехнологія та ботаніка займаються пошуком і виробництвом речовин, що підтримують наше здоров'я. Екологія, геологія, океанографія та науки про атмосферу використовують безліч хімічних ідей для кращого розуміння та захисту нашого світу. Навіть в астрономії та космології хімічні концепції допомагають осягнути Всесвіт.
Які ж зміни матерії є важливими для нашого повсякдення? Перетравлення та засвоєння їжі, створення полімерів для одягу, контейнерів, посуду та кредитних карток, а також переробка сирої нафти на бензин — це лише кілька прикладів.
Вивчаючи цей курс, ви відкриєте для себе багато прикладів змін у складі та структурі матерії, дізнаєтеся, як класифікувати ці зміни, як і чому вони відбуваються, які енергетичні перетворення їх супроводжують, а також які принципи та закони ними керують.
Опановуючи ці знання, ви вивчатимете хімію — науку про склад, властивості та взаємодію матерії. Практична хімія не обмежується лише підручниками чи лабораторіями: вона проявляється всюди, де відбуваються зміни речовини або створюються умови для таких змін.
ВСЕ, ЩО ВИ ЧИТАЛИ ДО ЦЬОГО — ПОВНА ОМАНА! Хочете побачити справжній життєвий потік? Вперед!
Фермер
Це моя ферма
Час жнив
Період сплати податків
Наступний день показав, що боги забули про мене.
Мій син помчав до міста за протиотрутою.
Я врятований
Наступного дня я продав велику кількість зібраної пшениці
Чоловік з незвичайним ім'ям «Агроном» прибув на мою ферму наступного дня.
Я був здивований візитом агронома у дивному екіпажі.
Отже, ми вирішили зібрати речі сина для поїздки з агрономом.
Син фермера прибув до міста з агрономом.
Перша зупинка була в місці, яке він назвав «alma mater», але справжньою назвою був футуристичний університет.
Він привів мене на кафедру мікології (що б це не означало)
Я згадав лікаря, який дав протиотруту для мого батька.
Потім було кілька візитів до їхніх друзів, яких вони називали «колегами».
Так ми цілий день ходили з кімнати в кімнату.
Зрештою я дуже зголоднів і сказав про це своєму куратору (пану Агроному).
Потім ми відвідали відділення під назвою «неорганічна хімія».
Професор пояснює, що для цих процесів надзвичайно важливий певний предмет, який він назвав «енергією» — що б це не означало.
Було ще кілька візитів, і я почав розуміти, що це означає; з кожною зупинкою моя тривога зростала, але водночас зростав і мій інтерес.
Наступного дня ми поїхали назад додому, але я попросив завітати до кузні мого дядька.
Отже, вранці я прокинувся і подумав, що все це був сон, але...
Протягом наступних кількох років я присвятив усе своє життя вивченню хімії. Дякую, пане Агрономе.
Що ж, решта цього посібника буде присвячена вивченню хімії — науки про те, з чого складається матерія, як вона поводиться і як взаємодіє. І не думайте, що хімія — це лише пильні підручники чи дорогі лабораторії. Вона оточує нас повсюди: щоразу, коли хтось створює зміни в матерії або досліджує умови, за яких ці зміни стають можливими.
Науковий метод
Хімія — це наука, заснована на спостереженнях та експериментах. Займатися хімією означає намагатися відповісти на запитання та пояснити спостереження з точки зору законів і теорій хімії, використовуючи процедури, прийняті науковою спільнотою. Не існує єдиного шляху до відповіді на запитання або пояснення спостереження, але в кожному підході є спільний аспект: кожен використовує знання, засновані на експериментах, які можна відтворити для перевірки результатів. Деякі шляхи передбачають гіпотезу — попереднє пояснення спостережень, яке слугує орієнтиром для збору та перевірки інформації. Ми перевіряємо гіпотезу за допомогою експериментів, розрахунків та/або порівняння з експериментами інших, а потім уточнюємо її за потреби.
Деякі гіпотези є спробами пояснити поведінку, що узагальнена в законах. Закони науки підсумовують величезну кількість експериментальних спостережень і описують або передбачають певний аспект природного світу. Якщо така гіпотеза виявляється здатною пояснити великий масив експериментальних даних, вона може отримати статус теорії. Наукові теорії — це добре обґрунтовані, всебічні, перевірені пояснення окремих аспектів природи. Теорії приймаються тому, що вони дають задовільні пояснення, але вони можуть бути змінені, якщо з'являться нові дані. Шлях відкриття, що веде від запитання та спостереження до закону чи гіпотези і далі до теорії, у поєднанні з експериментальною перевіркою гіпотези та будь-якою необхідною модифікацією теорії, називається науковим методом.
Науковий метод базується на процесі, подібному до того, що зображений на цій схемі. Усі ключові складники наведені у приблизно правильному порядку. Науковий поступ рідко буває гладким та бездоганним: він потребує відкритого пошуку та постійного перегляду питань і ідей відповідно до отриманих результатів.
Світи, в яких живе хімія
Для того, щоб осягнути природу матерії та енергії, хіміки розглядають світ крізь призму трьох окремих вимірів: макроскопічного, мікроскопічного та символічного. Кожен із них дає змогу подивитися на хімічні явища під різним кутом.
Макроскопічний світ:
Назва цього світу походить від грецького слова, що означає «великий». Це сфера нашого повсякденного досвіду. До неї належить усе, що ми можемо відчути на дотик, смак чи зір: від їжі на столі до легкого подиху вітру. Саме тут, у звичному житті та в стінах лабораторій, ми спостерігаємо за властивостями речовин — їхньою густиною, здатністю розчинятися чи горіти — і бачимо на власні очі, як змінюється матерія.
Мікроскопічний світ:
Мікроскопічний світ (від грецького «малий») часто вимагає від нас живої уяви або допомоги надскладних приладів. Хоча дещо — як-от бактерії чи структуру графіту — можна побачити крізь звичайний мікроскоп, серце хімії б'ється на значно менших глибинах.
Видиме мікро: Живі клітини чи віруси, які стають доступними оку лише за умови значного збільшення.
Субмікроскопічне: Більшість хімічних частинок — атоми, молекули, іони, а також протони, нейтрони та електрони — настільки малі, що їх не побачити навіть у найпотужніші мікроскопи.
Цей вимір зосереджений на невидимих процесах, що стоять за кожною зміною: як вишиковуються атоми металу в дроті, як тримаються один за одного іони в кристалику солі або як розриваються і створюються нові хімічні зв’язки, вивільняючи тепло чи змінюючи колір речовини.
Символічний світ:
Символічний світ — це особлива мова знаків, яку вигадали вчені, щоб описувати складні речі просто. Хімічні символи з таблиці Менделєєва, формули та рівняння реакцій, графіки та схеми — усе це мешканці символічного світу. Сюди ж ми відносимо і математичні розрахунки.
Ці символи є надзвичайно важливими, бо вони стають містком між тим, що ми бачимо (макросвіт), і тим, що ми лише уявляємо (мікросвіт). Складнощі у вивченні хімії часто виникають через те, що один і той самий знак може позначати щось відчутне і водночас — щось невидиме. Проте саме можливість пояснити побачене за допомогою того, що малює наша уява, і робить хімію такою захопливою наукою.
Найкраще зрозуміти ці три світи допоможе звичайна вода — така звична і така необхідна кожному.
Макроскопічний світ: Наші спостереження за тим, як вода тече, як вона перетворюється на кригу на морозі або випаровується у чайнику — це і є макросвіт.
Мікроскопічний світ: Тут ми вже говоримо про те, що не побачити очима. Наприклад, про те, що кожна краплина складається з двох атомів гідрогену та одного атома оксигену, а танення чи кипіння води пояснюємо тим, як ці молекули притягуються одна до одної.
Символічний світ: Формула H2O — це символ, що описує воду на обох рівнях одразу. Позначки (g) для газу, (s) для твердого тіла та (l) для рідини також є частиною цієї мови символів.
Отже, формула H2O — це знак води, а літери (g), (s) та (l) позначають її стан.
Вода у стані газу
Рідка вода
Лід — тверде втілення води
