Сочинение на тему химия будущего
Обновлено: 02.07.2024
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
Государственное бюджетное образовательное учреждение
средняя общеобразовательная школа №225 Адмиралтейского района Санкт-Петербурга
Школа БИОТОП Лаборатории непрерывного математического образования
О прошлом, настоящем и будущем органической химии
Александрова Елизавета Витальевна
Учитель химии: Воронаев И.Г.
1. Основные достижения органической химии………………………………..4
2. Современные направления исследований органической химии ………….5
Список использованной литературы…………………………………………..7
Органическая химия является одним из разделов химии, предметом изучения которой являются соединения углерода. Органическая химия изучает строение и свойства таких соединений, их реакционную способность, а также методы их получения и практического использования.
Интересным фактом является то, что органических соединений, то есть соединений углерода во много раз больше, чем число всех неорганических веществ, которых насчитывается около шестисот тысяч. Органических соединений в настоящее время насчитывается около десяти миллионов [1]. Их многообразие и достаточно тесная связь между ними представляют собой абсолютно удивительное явление, основанное на способности атомов углерода образовывать достаточно прочные химические связи не только между собой, но и с атомами других химических элементов (почти всех элементов периодической системы).
Целью настоящей работы является изучение исторической ретроспективы развития органической химии, а также направлений её развития в настоящее время. Для этого попытаемся, во-первых, выделить основные достижения в этом разделе химии в предыдущие годы, во-вторых, сделать обзор направлений исследований современных химиков, в которых делаются открытия в последнее время, а также в которых предполагаются прорывы в будущем.
1. Основные достижения органической химии
Органическая химия берет своё начало в изучении органической, то есть живой материи, в изучении в первую очередь состава органических молекул. Первоначально её развитие заключалось в накоплении разрозненных экспериментальных фактов. В 70-80-х годах Х1Х века А.М.Бутлеровым была создана теория строения органических соединений, которая и в настоящее время является основой органической химии. Эта теория позволила в дальнейшем систематизировать химические свойства органических соединений. Исследователи стали целенаправленно определять структуру веществ, встречающихся в окружающем мире. Сначала были изучены достаточно простые соединения, такие как этиловый спирт, потом более сложные, такие как аспирин, затем ещё более сложные структуры, такие как таксол - одно из средств для борьбы с онкологическими заболеваниями.
В дальнейшем структурная теория была дополнена стереохимией. Одним из удивительных свойств объектов трехмерного мира, в котором мы живем, является хиральность. Это означает, что объект и его зеркальное отображение - это не одинаковые, а абсолютно разные объекты, обладающие разными свойствами. Многие молекулы, например, почти все аминокислоты, обладают этим свойством и обладают L-конфигурацией. Таким образом, основная концепция органической химии - это структурная теория дополненная стереохимией.
Как пример рассмотрим атом углерода, который имеет связи, направленные под определенными углами. Если исказить эти углы и зафиксировать их, то нужно затратить дополнительную энергию на это. Получится соединение с повышенной внутренней энергией - напряженное соединение. Предполагается, что при его сгорании избыточная энергия должна выделяться, то есть предполагается, что такое соединение - эффективное топливо. Так можно синтезировать, например, структуры с различным набором треугольников, соединенных в различных сочетаниях. Были синтезированы некоторые каркасные структуры, далее - труангуланы (все треугольники соединены углами).
Итак, химики, начав исследования в области установления структуры простых веществ, создали свой уникальный мир структур. Сейчас из уже известных науке веществ около 95% - это соединения углерода - органические вещества.
2. Современные направления исследований органической химии
Еще одно направление развития органической химии находится на её стыке с математическим моделированием и компьютерной химией. Это направление обозначают QSAR (Quantitative Structure-Activity Relationship - количественное соотношение структура-свойство) [2]. Сначала QSAR использовался, чтобы найти зависимость между структурой и свойством на основе знания отдельных характеристик веществ. Сейчас QSAR применяется для предсказания свойств новых, еще не синтезированных структур. Его методология позволяет химикам предсказывать, а затем синтезировать структуру с нужными свойствами. Это активно используется в медицинских целях. Так, в настоящее время хорошо известно как вещество может изменяться и с чем оно реагирует в организме человека. Активно разрабатывается проблема молекулярного узнавания, то есть, как вещество в организме находит цель воздействия, и как эта цель узнаёт вещество, и как они взаимодействуют друг с другом. Итак, сочетание компьютерных методов исследования и биохимии приводит к переориентации органической химии на все большее выявление взаимосвязи структуры и свойства вещества.
Итак, можно сказать, что органическая химия началась с изучения состава природных веществ. Далее она развивалась в направлении изучения структуры веществ, их строения и изучения их свойств. Одной из задач органической химии является синтезирование веществ с заданными свойствами. В настоящее время химики с успехом выполняют такие задачи. Кроме того ими синтезированы вещества не встречающиеся в природе.
Достигнуты высокие результаты в таких направлениях органической химии как создание новых методов получения связей углерод-углерод и углерод-гетероатом, совершенствование методов CH функционализации, проведение многокомпонентных реакций, синтез сложных природных соединений, развитие асимметрического синтеза и органокатализа [3]. Быстро развиваются безотходные и малоотходные методы синтеза.
Основным направлением развития органической химии последних двух десятилетий является направление, связанное с биохимией и фармацевтикой. Считается, что с помощью современного органического синтеза можно за обозримое время синтезировать любую стабильную органическую молекулу массой до 2000 Да [3].
В настоящее время можно выделить два основных направления развития органической химии:
- модификация активных веществ и создание специфических реагентов для этой модификации и
- выявление взаимосвязи молекулярной структуры и свойства вещества на основе сочетания математического моделирования, биохимии и компьютерной химии.
Предполагается, что наиболее интересные задачи будут появляться в междисциплинарных областях и будут связаны с практическим применением результатов. В качестве таких областей можно назвать биотехнологии, геномные технологии для медицины, исследования стволовых клеток, нейрохимию и другие.
Итак, предполагается, что в сочетании с биохимией, биофизикой, математикой и компьютерными технологиями органическая химия получит новый толчок в развитии изучения связей структуры и свойств вещества.
Список использованной литературы
1. Воржев В.Ф. Органическая химия (краткий курс для студентов сельскохозяйственного факультета) / под ред. проф. Стекольникова Ю.А. -Елецкий государственный университет имени И.А.Бунина. - Елец., 2008. 95 с.
2. О тенденциях развития современной органической химии, Зефиров Н.С. /МГУ им. М.В.Ломоносова / Статьи Соросовского Образовательного журнала в текстовом формате., Химия., 1996.
3. Почему развитая страна не может существовать без органической химии, Анаников В.П., Белецкая И.П. / Нанометр. Нанотехнологическое сообщество.[Электронный ресурс] / 18.02.2015.
08.02.2019 12:06:00
Химия – наука будущего
Интерес к химии появился у нашей героини лет тридцать назад, когда она училась в щёкинской школе № 7.
- Предмет трудный, но учительница химии Нина Павловна умела нас заинтересовать, - вспоминает Елена Голышкова. – К выпускным экзаменам я уже твёрдо знала, где продолжу обучение. После окончания химико-биологического факультета Тульского пединститута по распределению попала в Новоогарёвскую школу № 19, проработала семь лет. Потом переехала в Щёкино.
- Казалось бы, что можно открыть, когда Менделеев с Бутлеровым, благодаря своим исследованиям, опытам и трудам, подвели большую фундаментальную базу.
Но современную жизнь невозможно представить без достижений в области химии. И открытия продолжаются! Наши современники, соотечественники вносят свой вклад в науку.
Кстати, восьмого февраля в нашей стране отмечается День российской науки. Возможно, дата была выбрана не случайно, ведь это - день рождения Дмитрия Менделеева. И в нынешнем году отмечается его 185-летие.
Да, наука химия трудна и сложна. И мировые открытия вроде бы позади. Только учить её надо, даже несмотря на сокращение часов в рамках обязательной школьной программы.
– За последние 10 лет количество выпускников, выбирающих на ЕГЭ этот предмет, можно сравнить с волной: один год их больше, на следующий – меньше, - констатирует Елена Эриковна. – Ещё раз повторю: необходимость в изучении предмета не отпадает.
Ребята после школы поступают в медучилища и вузы, некоторые выбирают профессию учителя. Приятно, что трое моих выпускников теперь преподают химию в школах нашего города.
Александр Сысоев – в первой школе, Василий Рассказов – в Лицее, Юлия Гревцова (сейчас – Костюковская) – в школе № 13. Один учится в Московском университете нефти и газа имени Губкина. Многие работают в районной системе здравоохранения.
Химия в программу входит с восьмого класса, но уже в седьмом мы подготавливаем учеников к будущей дисциплине в факультативной форме.
Как развивается органическая химия? Что ждёт человечество в будущем?
Век, в котором мы живем, называют “веком химии” . Это связано с тем, что именно в последние годы развитие этой отрасли достигло пика в сравнении с предыдущими периодами.
Сегодня тысячи химических лабораторий проводят исследования для самых различных отраслей народного хозяйства, развивая коммерческую химию. Парфюмерия, производство самых разнообразных полимерных веществ, пластмасс, строительных материалов с заданными параметрами и множество других областей применения химии – основные потребители этих исследований.
Развитие химии носит и стратегический характер. Важное направление – получение дешевого альтернативного топлива. Не секрет, что запасы нефти и газа, основных на сегодняшний день источников энергии, уменьшаются с каждым днем. Поэтому именно на химию возложена проблема энергии будущего. Закат нефтяной эры вовсе не означает гибель современной цивилизации. Альтернатива нефтяным моторным топливам есть: ученые разработали методы получения высококачественного моторного топлива из природного газа, угля и другого не нефтяного сырья.
Биодизель — биотопливо на основе растительных или животных жиров (масел), а также продуктов их этерификации. Растительное масло переэтерифицируется метанолом, реже этанолом или изопропиловым спиртом (приблизительно в пропорции на 1 т масла 200 кг метанола + гидроксид калия или натрия) при температуре 60°С и нормальном давлении.
Для получения качественного продукта необходимо выдержать ряд требований:
После прохождения реакции переэтерификации содержание метиловых эфиров должно быть выше 96 %.
Для быстрой и полной переэтерификации метанол берется с избытком, поэтому метиловые эфиры необходимо очистить от него.
Использовать метиловые эфиры в качестве топлива для дизельной техники без предварительной очистки от продуктов омыления недопустимо. Мыло засорит фильтр и образует нагар, смолы в камере сгорания. При этом сепарации и центрифугирования недостаточно. Для очистки необходима вода или сорбент.
Заключительный этап — сушка метиловых эфиров жирных кислот. Так как вода приводит к развитию микроорганизмов в биодизеле и способствует образованию свободных жирных кислот, вызывающих коррозию металлических деталей.
Хранить биодизель более 3 месяцев не рекомендуется — разлагается.
Дальнейшее развитие химии предусматривает помимо всего прочего разработку экологически безопасных аналогов для применяемых сегодня технологий, которые негативно влияют на окружающую среду.
С помощью химии мы также можем получать самое необходимое: одежду и лекарства.
Человек давно использует природные полимерные материалы в своей жизни. Это кожа, меха, шерсть, шёлк, хлопок и т. п., используемые для изготовления одежды. После войны возобновилось производство полиамидного волокна и тканей (капрон, нейлон), начатое ещё до войны. В 50-х гг. XX в. было разработано полиэфирное волокно и освоено производство тканей на его основе под названием лавсан или полиэтилентерефталат. Полипропилен и нитрон — искусственная шерсть из полиакрилонитрила которую использует современный человек для одежды и производственной деятельности. Сочетается с натуральными волокнами из целлюлозы или из белка (хлопок, шерсть, шёлк).
Развитие химического синтеза, получение высокоочищенных лекарственных веществ и полимерных соединений в сочетании с высоким уровнем современных технологий создали исключительные возможности для применения высокомолекулярных соединений, для создания лекарственных форм. В настоящее время большинство готовых лекарственных средств содержат в своем составе высокомолекулярные компоненты. При этом последние могут выполнять функции вспомогательных веществ либо быть активными действующими веществами. Рассмотрим к примеру стволовые клетки:
Стволовы́е кле́тки — иерархия особых клеток живых организмов, каждая из которых способна впоследствии изменяться (дифференцироваться) особым образом (то есть получать специализацию и далее развиваться как обычная клетка). Стволовые клетки способны асимметрично делиться, из-за чего при делении образуется клетка, подобная материнской (самовоспроизведение), а также новая клетка, которая способна дифференцироваться. Остаётся только надеяться, что стволовые клетки прочно закрепятся в нашей медицине, и будут служить человечеству.
Итак мы ещё раз убедились в том, что органическая химия движет всеми процессами в жизни человека. Органическая химия уникальна, если человечество будет её развивать, то его ждёт великое будущее. Нужно не забывать, что чем больше будет развитие, тем больший результат будет приносить эта наука.
Жизнь современного человека невозможно представить без химии: лекарства, косметика, мебель, посуда, одежда, обувь и транспорт – список того, что мы имеем благодаря этой области науки, можно продолжать бесконечно. В лабораториях научно-исследовательских институтов и предприятий химики, разрабатывая новые материалы и технологии, отчасти определяют, в каком мире мы будем жить.
Об особенностях важной для общества профессии расскажет кандидат химических наук, доцент кафедры неорганической химии химического факультета БГУ Татьяна Свиридова.
– Татьяна Викторовна, молодые люди, выбирая профессию, определяют свое будущее. Насколько сегодня востребованы специалисты в области химии?
Работа химика, в частности химические исследования – крайне затратная вещь. Именно поэтому современная химия ради химии не имеет никакого смысла: никто не будет тратить деньги на то, чтобы получить какое-то вещество, которое никогда никому не понадобится. Химики творят будущее, занимаясь тем, что имеет практическое применение. Наверное, поэтому наши выпускники, как правило, не имеют проблем с трудоустройством и зачастую даже могут выбирать из нескольких предложений от работодателей.
– Химия прочно ассоциируется с лабораторными работами и экспериментами, а насколько важное значение имеет теоретическая подготовка?
– Ребята, которые собираются связать свою профессиональную жизнь с химией, должны любить учиться. Если мы говорим о химии, то это колоссальное количество фактического материала, и овладеть им – тяжелый труд. Ярким примером является Д. И. Менделеев, создатель периодической системы. Ведь его заслуга была не в том, что он случайно, как думают многие, расположил химические элементы по возрастанию атомных масс, а в том, что увидел закономерность в таком расположении. Дмитрий Иванович, обладая колоссальным объемом фактических знаний о структуре и химических свойствах большого круга неорганических веществ, внешнем виде кристаллов и их растворимости, увидел в полученной системе закономерность и смог ее сформулировать. Более того, ряд элементов, которые на тот момент не были открыты, он предсказал, описав с огромной точностью свойства их соединений.
Со времен алхимии каждый химик – это исследователь, открывающий что-то новое. Поэтому будущим химикам необходимо развить способность постоянно учиться и непрерывно совершенствоваться. Главная задача школьника, который хочет стать химиком, – накопить базовые знания, а также выработать стремление к новому, неосвоенному.
Студенты нашего факультета учатся довольно много. Иногда их занятия длятся с утра до позднего вечера. В частности, продолжительность лабораторных занятий на нашем факультете – шесть часов. В то же время, студенты осознают, что будущие химики должны много трудиться, и если они не отработают положенные часы в лаборатории, то не смогут стать квалифицированными специалистами.
– Каким школьным предметам стоит уделять особое внимание будущему химику?
– Не секрет, что некоторые знания, которые мы получаем в школе, напрямую не пригодятся нам в будущей жизни. Однако не следует забывать, что школа всесторонне развивает человека и формирует у него систему знаний и навыков, которые могут косвенно понадобиться в работе.
Например, будущему химику кроме своего профильного предмета необходимо иметь знания по физике и математике, ведь если он поступит на химический факультет, то будет изучать высшую математику и физику на протяжении нескольких семестров. Без этих знаний будет просто невозможно освоить физико-химические и физические методы исследования, статистическую термодинамику, квантовую химию, моделирование химических процессов и т. д. Также в школе стоит уделить внимание информатике, поскольку она способствует алгоритмизации мышления, что необходимо, в первую очередь, при планировании химического эксперимента.
Может это и не очевидно на первый взгляд, но химику нужны и гуманитарные предметы: история, литература, языки. Они развивают коммуникативные навыки, учат формулировать свои мысли, что критично для того, чтобы в будущем писать научные статьи или читать лекции. Химик, как и представители многих других профессий, в своей работе сталкивается с разными людьми и культурами и должен уметь поддержать диалог, а для этого надо быть человеком образованным. Конечно, не обязательно, чтобы в школьном аттестате были одни десятки, но надо суметь найти баланс и уделять достаточно внимания и сил всем предметам, ведь школа не просто так называется общеобразовательной.
– Какие качества следует развивать в себе человеку, если он собирается связать профессиональную жизнь с химией?
– Кроме хорошей теоретической подготовки, будущий химик должен обладать любознательностью и обязательно аккуратностью. Ведь химические профессии могут быть достаточно опасными. В нашей практике зачастую происходят непредвиденные ситуации: что-то разбилось, синтез пошел явно не так, как ожидалось и т. п. Простой пример: нет ничего сложного в том, чтобы нагреть раствор на плитке. Но даже такая простая операция может стать опасной, если не учесть летучесть компонентов раствора, их реакционную способность при повышенной температуре и т. д. Именно поэтому еще в школе ученики осваивают азы техники безопасности при работе в химической лаборатории.
Аспирант кафедры неорганической химии химфака БГУ
А. Логвинович проводит исследования неорганических фоторезистов на атомно-силовом микроскопе
– Одно из направлений, в которых может себя реализовать химик – наука. Какие есть преимущества в карьере ученого?
– Во-первых, быть ученым – это престижно во все времена. Люди науки, как правило, занимают особое место в обществе, к ним относятся с уважением. Во-вторых, это постоянное общение с коллегами из научного круга – людьми, у которых их работа вызывает интерес и юношеский задор. К тому же, в науку постоянно приходит молодежь, которая заряжает позитивом и энергией. В-третьих, у химиков довольно много возможностей участвовать в конференциях, конкурсах грантов, ездить на стажировки. Это и общение, и возможность обмена опытом, и постоянное самообразование. В-четвертых, работа ученого – непрерывный поиск, позволяющий ему забыть о скуке, неопределенности жизненных целей. Практикующему химику не ведома ситуация, когда себя нечем занять.
И наконец, маленький, но приятный бонус… Результаты статических исследований показывают, что продолжительность жизни ученых больше среднестатистической, что, по-видимому, является результатом активной умственной деятельности.
Читайте также: