Так что же представляет собой химия
Попросту говоря, химия — это наука о веществе, а вещество — это то, что имеет массу и занимает объем. Химия представляет собой исследование строения и свойств вещества, а также происходящих с ним изменений.
Однако, как правило, основной предмет изучения химии — это изменения, происходящие с веществом. Любое вещество либо является чистым веществом, либо состоит из смеси чистых веществ. Превращение одного вещества в другое химики называют химическим превращением или химической реакцией. Такого рода превращение очень важно, ведь если оно происходит, то образуется абсолютно новое вещество (более подробно об этом речь идет в главе 2, «Вещество и энергия»).
Что такое наука
Наука — это не просто собрание фактов, рисунков, графиков и таблиц, это метод исследования физического мира. Это способ задавать вопросы и отвечать на них. Науку лучше всего описывает отношение к ней самих ученых. Они скептики — им надо уметь проверять явления. Они принимают результаты своих экспериментов в качестве рабочих гипотез до тех пор, пока другие ученые их не опровергнут. То, что нельзя проверить, не является наукой. Ученые удивляются, задают вопросы, хотят узнать, почему, и экспериментируют — одним словом, ведут себя как малые дети. Вот, возможно, точное определение ученых: это взрослые люди, которые никогда не теряют способность удивляться окружающему миру и не могут утолить жажду знаний.
Ветви химического древа
Царство химии настолько обширно, что изначально делится на разделы, которые отличаются своими задачами и методами работы, но связаны между собой и имеют ряд пограничных областей.
* Аналитическая химия. Имеет непосредственное отношение к анализу веществ. С помощью этой области химики пытаются определить, какие вещества имеются в смеси (качественный анализ) или сколько конкретного вещества содержится в чем-либо (количественный анализ). В аналитической химии используется множество инструментов.
* Биохимия. Специализируется на изучении химических реакций в живых организмах и системах. Биохимики изучают химические реакции, происходящие на молекулярном уровне организма, компоненты которого настолько малы, что люди не могут их непосредственно видеть. Биохимики изучают такие процессы, как пищеварение, обмен веществ, размножение, дыхание и т.д. Иногда трудно отличить биохимика от молекулярного биолога, ведь и тот и другой изучают живые системы на микроскопическом уровне. Впрочем, биохимиков в действительности больше интересуют происходящие реакции.
* Биотехнология. Относительно новая область науки, которую обычно ставят рядом с химией. Это прикладная область биохимии и биологии. Предметом изучения биотехнологии является создание или модификация генетического материала или организмов для определенных целей. Новейшие исследования в биотехнологии нашли широкое применение при клонировании и получении сельскохозяйственных культур, устойчивых к болезням, а также в борьбе с наследственными заболеваниями.
* Неорганическая химия. Связана с исследованием различных неорганических соединений (например, солей). Включает в себя изучение структуры и свойств этих соединений. Кроме того, в курс неорганической химии входит изучение отдельных компонентов соединений. По мнению химиков-неоргаников, предметом изучения этой области науки должны быть все элементы периодической таблицы, кроме углерода, который они оставляют на долю химиков-органиков.
Так что же такое соединения и элементы? Просто более подробная анатомия вещества. Вещества подразделяются на чистые и состоящие из смеси веществ, которые, в свою очередь, состоят из частиц нескольких веществ. (Анатомическое вскрытие вещества описано в главе 2, «Вещество и энергия». И, как к любому вскрытию, к нему следует хорошо подготовиться — с тампонами в носу и пустым желудком.)
* Органическая химия. Это химия соединений углерода (за исключением оксидов углерода, угольной кислоты и ее солей, карбидов и некоторых других простых соединений углерода); изучает органические вещества и законы их превращений. Вероятно, это самая упорядоченная область химии — так считать есть все основания. Сегодня известны миллионы органических соединений, и каждый год открываются или создаются тысячи новых. От химиков-органиков зависят, например, такие отрасли промышленности, как полимерная, нефтехимическая и фармацевтическая.
* Физическая химия. Изучает физические явления и закономерности химических реакций. Физхимики изучают физические свойства и поведение вещества, а также разрабатывают теории и модели, которые описывают это поведение.
Научный метод
Обычно научный метод описывается как способ, с помощью которого ученые изучают физический мир, окружающий нас. В действительности нет универсального научного метода, который всегда и всеми используется, но тот, о котором я здесь рассказываю, описывает большинство важных действий, с которыми рано или поздно сталкиваются все ученые.
Ученые проводят наблюдения и записывают факты, относящиеся к какой-либо части физического мира. В результате наблюдений может появиться вопрос, на который исследователю нужно найти ответ, или задача, которую ему необходимо решить. Сначала исследователь выдвигает гипотезу — предполагаемое объяснение, которое согласуется с наблюдениями. Затем, чтобы проверить гипотезу, исследователь проводит эксперимент. В результате эксперимента появляются новые наблюдения или факты, с помощью которых можно выдвинуть новую гипотезу или дополнить имеющуюся. Затем проводятся другие эксперименты, и все повторяется в виде цикла.
В подлинной науке этот цикл бесконечен. По мере того как ученые повышают научную квалификацию и совершенствуют инструменты исследования, их гипотезы проверяются снова и снова. В результате повторяющихся циклов могут возникнуть две вещи. Во-первых, может быть открыт закон. Закон — это обобщение того, что происходит в изучаемой научной системе. Как и юридические законы, научные законы также иногда требуют внесения изменений и дополнений на основе выявления новых фактов. А во-вторых, может быть предложена теория или модель. Теория или модель пытается дать объяснение, почему что-либо происходит. В основном она подобна гипотезе, за исключением того, что имеет гораздо больше свидетельств в свою поддержку. Сила теории или модели заключается в возможности прогнозирования. Если модель позволит лучше понять систему, то на основе этой модели можно делать прогнозы, а затем проверять их путем следующего эксперимента. С помощью наблюдений, полученных в ходе этого эксперимента, можно дополнить либо внести исправления в теорию или модель, таким образом начиная новый цикл процесса. Когда же этот процесс закончится? Да никогда.
Сравнение макромира с микромиром
Большинство химиков, которых я знаю, чувствуют себя комфортно в двух мирах. Одним из них является макроскопический мир (макромир), который мы видим, чувствуем и осязаем. Это мир испачканных лабораторных халатов, т. е. взвешивания, например, хлорида натрия для получения, скажем, водорода. Это мир экспериментов, или то, что обычные люди называют «реальным миром».
Однако химики чувствуют себя вполне комфортно и в микроскопическом мире (микромире), который мы не можем непосредственно видеть, чувствовать и осязать. Здесь химики работают с теориями и моделями. В макромире они могут измерять объем и давление газа, но, чтобы узнать, на каком расстоянии друг от друга в микромире расположены частицы газа, химикам нужно обрабатывать полученные результаты.
Зачастую ученые настолько привыкают к перемещениям из мира больших объектов в мир ничтожно малых объектов и наоборот, что даже не замечают своих перемещений. В результате пребывания в макромире или его наблюдения появляется идея, которая применима к микромиру, и наоборот. Поначалу такой ход мыслей может привести в замешательство. Впрочем, изучая химию, вы вскоре к нему привыкнете, и он станет вашей второй натурой.
Сравнение теоретической химии с прикладной
Что касается теоретической химии, то здесь химики могут проводить любое исследование, которое их интересует или которое будет профинансировано. В этом случае не подразумевается практическое применение. Исследователь просто получает знания ради знаний. Такого рода исследования (часто называемые фундаментальными) в основном проводятся в колледжах и университетах. Химикам в этих исследованиях помогают студенты старших и выпускных курсов. Подобная работа становится частью профессиональной подготовки студентов. Исследователь публикует в профессиональных журналах результаты, чтобы их про-
верили и попытались опровергнуть (или подтвердить) другие химики. Немаловажной составляющей теоретической химии является надлежащее финансирование, поскольку на проведение экспериментов, приобретение необходимых химикатов и оборудования требуются довольно большие средства.
Как правило, прикладной химией занимаются химики, работающие на частные компании. Их исследование направлено на узкоспециализированную краткосрочную цель, поставленную компанией: улучшение качества продукции или, например, выведение болезнестойкого сорта кукурузы. Обычно прикладная химия хорошо финансируется, однако при этом всегда следует строго придерживаться целей, поставленных компанией.
Наука и технология имеют такие же различия, как теоретическая и прикладная химия. В науке основной целью является получение знаний и при этом не требуется явное практическое применение. Наука — это получение знаний во имя знаний. Ну а технология — это применение научных знаний для какой-либо специальной цели.
В нашем обществе есть место для науки и технологии — как и для обоих видов химии. Полученные химиком-теоретиком данные и информацию затем использует прикладной химик. И те и другие химики имеют свои проблемы и трудности. Так, ввиду уменьшения государственного финансирования исследований многим университетам все чаще приходится патентовать свои разработки, а затем продавать разработанные технологии.
Чем химик занимаемся целый день
Существует несколько основных направлений работы химиков.
* Химики анализируют вещества. Они определяют, какие компоненты и в каком количестве содержатся в том или ином веществе. Они подвергают анализу вещества в твердом, жидком и газообразном состояниях. Например, химики могут пытаться найти активное соединение в каком-либо веществе, обнаруженном в природе, или анализировать воду, чтобы определить содержание в ней свинца.
* Химики создают или синтезируют новые вещества. Возможно, они пытаются получить синтетический аналог вещества, имеющегося в природе, или же создают совсем новое, уникальное соединение. Они, возможно, пытаются найти способ синтеза инсулина, получения новой пластмассы, лекарственного препарата или краски. А возможно, пытаются найти новое, более эффективное применение для уже имеющегося продукта.
* Химики создают модели и с помощью теорий делают прогнозы. Это так
называемая теоретическая химия. Те, кто работает в этой области химии, моделируют химические системы с помощью компьютеров. Эти химики пребывают в мире математики и компьютеров. Некоторые из них даже не имеют лабораторного халата.
* Химики измеряют физические свойства веществ. Они могут определять точки плавления и кипения новых соединений, измерять прочность нити нового полимера или определять октановое число нового бензина.
Где работают химики
Скорее всего, вы думаете, что все химики работают исключительно в лабораториях и только на некоторую гипотетическую химическую компанию. На самом деле это не так — химики выполняют различные работы в самых разных местах.
* Химик, отвечающий за контроль качества. Эти химики анализируют сырье, промежуточные и конечные продукты на соответствие определенным требованиям. Кроме того, они осуществляют техническую поддержку клиентов, а также анализируют возвращенные продукты. Многие из этих химиков часто решают проблемы, возникающие в производственном процессе.
* Химик, занимающийся исследованиями для промышленности. Химики этой профессии выполняют большое количество физических и химических проверок материалов. Они могут как создавать новые продукты, так и придавать новые качества уже имеющимся. Например, эти специалисты могут разрабатывать для отдельных заказчиков продукты, обладающие определенными свойствами, а также оказывать заказчикам техническую поддержку.
* Торговый представитель. Химики также могут работать в качестве торговых представителей компаний, занимающихся продажей химической или фармацевтической продукции. При этом они должны своевременно сообщать клиентам компаний о появлении новых продуктов, а также оказывать им помощь в решении тех или иных проблем.
* Химик-криминалист. Эти химики проводят анализ улик, собранных с места преступления, или же анализируют пробы на наличие наркотиков. Кроме того, они могут принимать участие в судебных разбирательствах в качестве экспертов, например для дачи показаний.
* Химик-эколог. Эти химики работают на предприятиях по очистке воды, в управлении по защите окружающей среды, в департаменте энергетики и прочих подобных учреждениях. Такая работа интересна тем, кто любит не только химию, но и вылазки на природу. Эти специалисты зачастую принимают непосредственное участие в сборе проб.
* Специалист по сохранению исторических предметов искусства. Работа химиков может понадобиться для реставрации картин или статуй либо для распознания подделок. Эти химики работают для сохранения нашего наследия, поскольку загрязненные воздух и вода медленно, но уверенно разрушают произведения искусства.
* Химик-преподаватель. Эти химики преподают физику и химию в средней школе, а также могут преподавать на уровне колледжа или университета. Химики, преподающие в университетах, как правило, участвуют в исследованиях и сотрудничают со студентами выпускных курсов.
Это лишь малая часть тех профессий, в которых химики могут найти себе применение. А я ведь даже не упомянул юриспруденцию, медицину, создание технической документации, работу в правительственных и консалтинговых структурах. Химикам есть место в любой сфере жизни общества. Следует отметить, что некоторые химики даже пишут книги.
Многие из вас на вопрос «Если я не хочу стать химиком, то почему меня должна интересовать химия?», скорее всего, без тени сомнения ответили бы так: «Чтобы пройти курс». Однако не забывайте, что химия является важной составляющей нашей повседневной жизни и определенные знания в этой области помогут вам видеть простое в сложном.