Явления природы. Физические и химические явления. 5 класс

Презентация к уроку природоведения
в 5 классе по теме:
« Явления природы. Физические и
химические явления.»
Автор: учитель химии Винник Наталья Дмитриевна
МБОУ « Знаменская СОШ» Боградского района
Республики Хакасия
Что пользы в том, что ты
многое знаешь ,раз ты не
умеешь применять свои
знания в твоей жизни.
Франческо Петрарка
В природе с момента ее зарождения:
Все время с телами идут превращения.
Про эти природные изменения
Мы с вами сказали бы: “Это явления!”
Явления бывают различными,
Рассмотрим химические и физические.
Должны научиться мы их наблюдать,
А главное — уметь различать.

5. Явления природы. Физические и химические явления.

Какие явления происходят вокруг нас?
Все изменения
происходящие с
веществами в природе
называются — явлениями
Какие явления происходят
вокруг нас?

8. Явления

физические
химические
Явления, при
которых вещества
не изменяются.
Явления, в
результате
которых одни
вещества
превращаются в
другие.
Физические явления изучает наука о
природе – ФИЗИКА
Химические явления изучает наука о
природе – ХИМИЯ

10. ВИДЫ ХИМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ

горение
окисление

11. Последний день Помпеи

12. ВИДЫ ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ

Физические
явления
механические
тепловые
электрические
световые
……………
………
…..
……
ФИЗИЧЕСКОЕ
ФИЗИЧЕСКОЕ
ХИМИЧЕСКОЕ
ЯВЛЕНИЕ
ЯВЛЕНИЕ
ЯВЛЕНИЕ
1) ШКОЛЬНЫЙ МЕЛОК УПАЛ
И РАСКОЛОЛСЯ
2) В ПЕЧИ СГОРЕЛИ
ДРОВА
3) ЗАКИПЕЛА ВОДА
В ЧАЙНИКЕ
ФИЗИЧЕСКОЕ
ЯВЛЕНИЕ
ФИЗИЧЕСКОЕ
ЯВЛЕНИЕ
1) СТАЛЬНОЙ ГВОЗДЬ
ЗАРЖАВЕЛ
ХИМИЧЕСКОЕ
ЯВЛЕНИЕ
2) ПРОЗВУЧАЛ ЗВОНОК 3) ГРЕБЕНКА, КОТОРОЙ
НА УРОК
РАСЧЕСАЛИСЬ,
ПРИТЯНУЛА БУМАЖКИ
ФИЗИЧЕСКОЕ
ЯВЛЕНИЕ
1) НА СТЕНЕ ПОЯВИЛСЯ
СОЛНЕЧНЫЙ «ЗАЙЧИК»
ХИМИЧЕСКОЕ
ЯВЛЕНИЕ
ФИЗИЧЕСКОЕ
ЯВЛЕНИЕ
2) ГВОЗДИ ПРИТЯНУЛИСЬ 3) БУМАГА СГОРЕЛА
К МАГНИТУ
И ПРЕВРАТИЛАСЬ
В ПЕПЕЛ
Определите явления:
Сжатие пружины
1.Образование накипи при кипячении воды
2.Гниение растительных остатков
3.Ледоход на реке
4.Ковка металла
5.Горение спирта
6.Прокисание яблочного сока
7.Растворение уксусной кислоты в воде
8.Обугливание лучинки
9.Замерзание воды
10.Прокисание молока
11.Горение природного газа
12.Образование инея
Как Вы думаете, где в жизни
могут пригодиться знания,
которые Вы получили по этой теме?
Начните Ваш ответ
словами:
Мне удалось
•узнать…
•понять…
•объяснять…
• находить…
•обобщать…
•другое
…
Растения, поглощая свет,
Нам кислород дают в ответ.
В листе зеленом сахар создают.
Процесс же – фотосинтезом зовут.
Предупреждаю вас я, дети,
За безопасность вы в ответе.
Ты осенью к реке не подходи.
Там тонкий лед, там полыньи.
Всем вам из космоса привет,
И дайте нам простой советЧто за явления средь звезд
Раз видим мы их яркий свет
?

28. Знание — сила Источник:

ЗНАНИЕ —
СИЛА
ИСТОЧНИК:
HTTP://NSPORTAL.RU/SHKOLA/PRIRODOVEDENIE
/LIBRARY/2013/12/26/PREZENTATSIYAYAVLENIYA-PRIRODYFIZICHESKIE-IKHIMICHESKIE

муниципальное общеобразовательное учреждение «Средняя школа № 37 с углубленным изучением английского языка»

Неделя наук естественно-математического цикла. 5 класс. «Физические и химические явления».

Максюта Ирина Николаевна, Либман София Айзиковна

В рамках недели предметов естественно-математического цикла для учащихся 5-х классов прошел урок «Физические и химические явления»

Ребята выполняли задания (смотри практическую работу) и в конце работы подвели итог.

Многообразие явлений в природе (химические и физические явления).

Задачи:

-закрепить и расширить знания о явлениях природы,

-обобщить знания о многообразии явлений в природе,

-актуализировать знания учащихся о телах природы, их состоянии и свойствах.

В окружающей нас природе постоянно происходят разные явления ,изменения некоторые из которых вы знаете .Явления природы —  это таяние льда на реке, набухание почек на деревьях весной, летние дожди ,осенний листопад, сверкание молнии при грозе, появление ржавчины на железных изделиях, горение свечи…

Из всего многообразия явлений природы рассмотрим физические и химические. Вам на столах выданы инструкции- руководства. Вы читаете описание работы и выполняете необходимые действия.( Объяснить правила работы). Выполняете опыт и заносите результаты в таблицу. В конце работы вы делаете вывод:

Какие из опытов демонстрируют явления физические, а какие – химические.

Практическая  работа.

1. Вам выдан кубик льда в стакане. Изменилась ли его форма и объем в конце вашей работы?

2. Зажгите спичку. Обратите внимание на запах и цвет спички после её затухания.

3. Вам в спичечной коробке выданы железные опилки. Закройте опилки листочком бумаги и поднесите к

   ним магнит.

4.  В ячейке пластины соедините 2-3 капли кислоты НNO₃ и 1 каплю лакмуса. Каким стал цвет раствора?

5.  Надуйте воздушный шарик (не очень сильно) и завяжите его ниткой. Надавите на шарик и отпустите

     руку. Что произошло с шариком? 

6. В ячейке пластины соедините 2-3 капли соли Na₂CO₃ и 1 каплю кислоты НNO₃.  Что вы  увидели?

7.  Возьмите надутый шар из опыта №5 и потрите им свои волосы. Поднесите этот шар к маленьким

    кусочкам бумаги, которые вам выданы.

8. В ячейке пластины соедините 2-3 капли соли К₃РO₄ и 1 каплю соли АgNO₃.  Что вы  увидели?

Заполните таблицу.

Сделайте вывод:

                                         физические явления (номера)     _______________________

                                         химические явления (номера)     _______________________

Отзывы учеников после окончания работы:

«Опыты мне очень понравились. Работа с веществами очень занимательная. Я узнал много нового из опытов. Особенно мне понравился опыт №8, когда мы с Ворониным Темой соединили соль KPO₃ и соль  ArNO₃. И что мы увидели… Мы увидели, как смесь солей превратилась в желтый порошок. Но как это случилось? Ведь вещества были разных цветов. Это для меня загадка. В общем, работа мне очень понравилась, в ней были и физические, и химические явления. Я хотел бы побольше таких работ, и буду в них с удовольствием участвовать.»

Сорокин Максим 5 «в»

«В эксперименте с шариком было интересно, что иногда все происходило наоборот и вместо притяжения к шарику бумажек, получалось, что бумажки прилипали к волосам!»

Терентьева Полина 5 «в»

«Было очень весело. В начале урока нам рассказали правила  безопасности, все отнеслись к этому серьезно.»

Варакина Настя   5 «в»

«Мне очень понравились физические и химические эксперименты, особенно с азотной кислотой.  Было опасно, но и забавно. И я научилась пользоваться пипеткой, хотя раньше не представляла, как набирать в нее вещества.»

Бугрова Юлия   5 «а»

Презентация к уроку «Физические и химические явления»

Просмотр содержимого документа

«Презентация к уроку «Физические и химические явления»»

Презентация к уроку природоведения

в 5 классе по теме:

« Явления природы. Физические и химические явления.»

Что пользы в том, что ты многое знаешь ,раз ты не умеешь применять свои знания в твоей жизни.

Франческо Петрарка

Простые веществ Сложные вещества

h3O

О

NaCl

Cl

Fe2О3

Al

N

Органические Неорганические вещества вещества

вода

белки

железо

жиры

соль

углеводы

кислород

В природе с момента ее зарождения: Все время с телами идут превращения. Про эти природные изменения

Мы с вами сказали бы: “Это явления!” Явления бывают различными, Рассмотрим химические и физические. Должны научиться мы их наблюдать, А главное — уметь различать.

Явления природы. Физические и химические явления.

Какие явления происходят вокруг нас?

Все изменения происходящие с веществами в природе называются — явлениями

Какие явления происходят вокруг нас?

Явления

химические

физические

Явления, при которых вещества не изменяются.

Явления, в результате которых одни вещества превращаются в другие.

• Физические явления изучает наука о природе – ФИЗИКА
• Химические явления изучает наука о природе – ХИМИЯ

ВИДЫ ХИМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ

окисление

горение

Последний день Помпеи

ВИДЫ ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ

Физические

явления

электрические

тепловые

механические

световые

……………

………

… ..

……

ФИЗИЧЕСКОЕ

ХИМИЧЕСКОЕ

ФИЗИЧЕСКОЕ

ЯВЛЕНИЕ

ЯВЛЕНИЕ

ЯВЛЕНИЕ

1) ШКОЛЬНЫЙ МЕЛОК УПАЛ 2) В ПЕЧИ СГОРЕЛИ 3) ЗАКИПЕЛА ВОДА

И РАСКОЛОЛСЯ ДРОВА В ЧАЙНИКЕ

ХИМИЧЕСКОЕ ЯВЛЕНИЕ

ФИЗИЧЕСКОЕ ЯВЛЕНИЕ

ФИЗИЧЕСКОЕ

ЯВЛЕНИЕ

1) СТАЛЬНОЙ ГВОЗДЬ 2) ПРОЗВУЧАЛ ЗВОНОК 3) ГРЕБЕНКА, КОТОРОЙ

ЗАРЖАВЕЛ НА УРОК РАСЧЕСАЛИСЬ,

ПРИТЯНУЛА БУМАЖКИ

ФИЗИЧЕСКОЕ ЯВЛЕНИЕ

ХИМИЧЕСКОЕ ЯВЛЕНИЕ

ФИЗИЧЕСКОЕ

ЯВЛЕНИЕ

1) НА СТЕНЕ ПОЯВИЛСЯ 2) ГВОЗДИ ПРИТЯНУЛИСЬ 3) БУМАГА СГОРЕЛА

СОЛНЕЧНЫЙ «ЗАЙЧИК» К МАГНИТУ И ПРЕВРАТИЛАСЬ

В ПЕПЕЛ

• Определите явления :

• Сжатие пружины

• Образование накипи при кипячении воды
• Гниение растительных остатков
• Ледоход на реке
• Ковка металла
• Горение спирта
• Прокисание яблочного сока
• Растворение уксусной кислоты в воде
• Обугливание лучинки
• Замерзание воды
• Прокисание молока
• Горение природного газа
• Образование инея

Как Вы думаете, где в жизни

могут пригодиться знания, которые Вы получили по этой теме?

Начните Ваш ответ словами:

Мне удалось

• уз нать…
• понять…
• объяснять…
• находить…

• обобщать…
• другое …

Знание — сила

Презентация «Явления природы.Физические явления. Химические явления.» по химии – проект, доклад

Слайд 1

Явления природы. Физические явления. Химические явления.

Презентацию по курсу «Природоведение. 5 кл.» подготовила учитель биологии средней школы № 138 г. Санкт- Петербурга.

Слайд 2

Нас окружает бесконечно разнообразный мир веществ и явлений. В нем непрерывно происходят изменения.

Любые изменения, которые происходят с телами, называют явлениями.

Слайд 3

Как вы думаете, что такое явления природы?

Явления природы – это процессы (изменения), которые происходят с телами в живой и неживой природе.

Слайд 4

Физические явления —

— это явления, при которых могут изменяться размеры, форма тел, состояние веществ, но вещества остаются прежними, не превращаются в другие (испарение воды, свечение электрической лампочки, звучание струн музыкального инструмента и т. п.).

— это изменения веществ, которые не ведут к образованию новых веществ (с иными свойствами).

Рассмотрим примеры…

Слайд 5

1. Вода при нагревании может переходить в пар, а при охлаждении – в лед.

2. Длина медных проводов изменяется летом и зимой: увеличивается при нагревании и уменьшается при охлаждении.

Слайд 6

3. Объем воздуха в шаре увеличивается в теплом помещении или в солнечную погоду.

Изменения с веществами произошли, но при этом вода осталась водой, медь – медью, воздух – воздухом. Новых веществ, несмотря на их изменения, не образовалось.

Слайд 7

Физические явления чрезвычайно разнообразны. Они подразделяются на механические, тепловые, электрические, световые и др. Задание. Приведите примеры различных явлений.

Выполните в тетради таблицу:

Физические явления

Заполните таблицу, используя материал учебника (§ ), выше приведенные примеры и дальнейшие…

Слайд 8

Рассмотрим еще примеры различных физических явлений…

Слайд 9

Химические явления —

— это явления, при которых одни вещества превращаются в другие. Химические явления называют также химическими реакциями.

Химические реакции нетрудно отличить от физических явлений по некоторым признакам:

— Выделение газа — Образование ( или растворение) осадка — Изменение окраски — Выделение или поглощение тепла — Выделение света — Появление запаха — Изменение вкуса

Слайд 10

В воду с крахмалом капнули несколько капель йода – Изменение цвета

Изменение вкуса Выделение газа

Обугливание бумаги — изменение цвета, состояния, выделение запаха.

Реакция Признаки

Слайд 12

Подведем итоги. Чем же отличаются физические явления от химических?

Химические явления (химич. реакции)

Изменение состояния, положения или формы вещества

Реагирование веществ друг с другом, образование новых веществ

Образование новых веществ не происходит

Образуются новые вещества или вещество

Слайд 13

При создании презентации использованы материалы сайтов: http://chemistry.150shelkovo011.edusite.ru/p91aa1.html — Яндекс. Физические и химические явления. Яндекс. «Физические явления. Фото.», «Химические явления. Фото» Фотографии из сети Интернет

Ломоносов – первый профессор химии в России

Среди всех наук, которыми занимался энциклопедист Ломоносов, первое место объективно принадлежит химии: 25 июля 1745 года специальным указом Ломоносову было присвоено звание профессора химии (то, что сегодня называется академиком – тогда такого звания просто ещё не было).

Ломоносов подчёркивал, что в химии «высказанное должно быть доказываемо», поэтому он добивался издания указа о строительстве первой в России химической лаборатории, которое было завершено в 1748 году. Первая химическая лаборатория в Российской академии наук – это качественно новый уровень в её деятельности: впервые в ней был осуществлён принцип интеграции науки и практики. Выступая на открытии лаборатории, Ломоносов сказал: «Изучение химии имеет двоякую цель: одна – усовершенствование естественных наук. Другая – умножение жизненных благ».

Среди множества исследований, выполненных в лаборатории, особое место занимали химико-технические работы Ломоносова по стеклу и фарфору. Он провел более трёх тысяч опытов, давших богатый экспериментальный материал для обоснования «истинной теории цветов». Сам Ломоносов не раз говорил, что химия – его «главная профессия».

Ломоносов читал в лаборатории лекции студентам, учил их экспериментальному мастерству. Фактически это был первый студенческий практикум. Лабораторным опытам предшествовали теоретические семинары.

Уже в одной из своих первых работ – «Элементы математической химии» (1741) Ломоносов утверждал: «Истинный химик должен быть теоретиком и практиком, а также философом». В те времена химия трактовалась как искусство описывать свойства различных веществ и способы их выделения и очистки. Ни методы исследования, ни способы описания химических операций, ни стиль мышления химиков того времени не удовлетворяли Ломоносова, поэтому он отошел от старого и наметил грандиозную программу преобразования химического искусства в науку.

В 1751 году на Публичном собрании Академии наук Ломоносов произнёс знаменитое «Слово о пользе химии», в котором изложил свои взгляды, отличные от господствующих, на задачи и значение химии для химических производств. То, что задумал свершить Ломоносов, было грандиозным по своему новаторскому замыслу: он хотел всю химию сделать физико-химической наукой и впервые особо выделил новую область химического знания – физическую химию. Он писал: «Я не токмо в разных авторах усмотрел, но и собственным искусством удостоверен, что химические эксперименты, будучи соединены с физическими, особливые действия показывают». Он впервые стал читать студентам курс по «истинной физической химии», сопровождая его демонстрационными опытами.

В 1756 году в химической лаборатории Ломоносов провел серию опытов по кальцинации (прокаливанию) металлов, о которых писал: «…деланы опыты в заплавленных накрепко стеклянных сосудах, чтобы исследовать, прибывает ли вес от чистого жару; оными опытами нашлось, что славного Роберта Бойля мнение ложно, ибо без пропущения внешнего воздуха вес сожженного металла остается в одной мере…». В результате Ломоносов на конкретном примере применения всеобщего закона сохранения доказал неизменность общей массы вещества при химических превращениях и открыл основной закон химической науки – закон постоянства массы вещества. Так Ломоносов впервые в России, а позднее Лавуазье во Франции окончательно превратили химию в строгую количественную науку.

Многочисленные опыты и материалистический взгляд на явления
природы привели Ломоносова к идее о «всеобщем законе природы».
В письме к Эйлеру в 1748 году он писал: «Все встречающиеся в при роде изменения происходят так, что если к чему-либо нечто прибавилось, то это отнимается у чего-то другого. Так, сколько материи прибавляется к какому-нибудь телу, столько же теряется у другого. Так как это всеобщий закон природы, то он распространяется и на правила движения: тело, которое возбуждает своим толчком другое к движению, столько же теряет от своего движения, сколько сообщает другому, им двинутому». Через десять лет он изложил этот закон на собрании Академии наук, а в 1760 году опубликовал в печати. В упомянутом выше письме Эйлеру Ломоносов сообщил ему, что этот очевидный закон природы некоторые члены Академии ставят под сомнение. Когда директор академической Канцелярии Шумахер, без согласования с Ломоносовым, направил ряд работ Ломоносова, представленных к печати, на отзыв к Эйлеру, ответ великого математика был восторженным: «Все сии сочинения не токмо хороши, но и превосходны – писал Эйлер, – ибо он (Ломоносов) изъясняет физические материи, самые нужные и трудные, кои совсем неизвестны и невозможны были к толкованию самым остроумным ученым людям, с таким основательством, что я совсем уверен в точности его доказательств. При сем случае я должен отдать справедливость господину Ломоносову, что он одарован самым счастливым остроумием для объяснения явлений физических и химических. Желать надобно, чтобы все прочие Академии были в состоянии показать такие изобретения, которые показал господин Ломоносов».

Урок 4. живая и неживая природа. явления природы. что такое погода — Окружающий мир — 2 класс

Окружающий мир, 2 класс

Урок 4. «Живая и неживая природа. Явления природы. Что такое погода»

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1. Объекты и явления неживой и живой природы.
2. Связи неживой и живой природы.
3. Из чего складывается погода.
4. Что такое температура и как её измеряют.

Глоссарий по теме:

Природа – всё существующее во Вселенной.

Температура – величина, характеризующая тепловое состояние чего-либо.

Термометр – прибор для измерения температуры.

Погода – состояние атмосферы в данном месте, в данное время.

Метеорология – наука о физическом состоянии земной атмосферы и происходящих в ней процессах

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Основная литература:

1. Окружающий мир. Учебник, 2 кл. в 2 ч. / Плешаков А. А. – М.: Просвещение, 2017. Ч. 1. – С. 24–35.

Дополнительная литература:

1. Окружающий мир. Рабочая тетрадь. 2 кл.: учебное пособие для общеобразоват. организаций. В 2 ч. / Плешаков. А. А. – М.: Просвещение, 2017. – Ч. 1. – С. 17–26.
2. Окружающий мир. Тесты. 2 класс: пособие для учащихся общеобразоват. учреждений / А. А. Плешаков, Н. Н. Гара, З. Д. Назарова – 6-е изд. – М.: Просвещение, 2012. – С. 7–12.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Растения и грибы, птицы и звери, рыбы и насекомые, а также сам человек – всё это живые организмы или живая природа. А знаете ли вы, чем живая природа отличается от неживой? Давайте рассмотрим основные признаки. Всё живое рождается и развивается, дышит и питается, размножается и умирает.

Человек – часть живой природы, он появляется из нее, растет и развивается в ней.

Неживая природа не дышит, не питается, не растёт и не размножается.

Всё в природе взаимосвязано. Чтобы дышать нужен воздух, чтобы питаться – вода и почва. Чтобы расти и развиваться необходимы солнечный свет и тепло.

Речка – это неживая природа, но она является местом обитания многих рыб и животных, растений и насекомых.

Растения могут помочь реке в период дождей удерживать берег от размывания, скрепляя береговую линию своими корнями.

Живая и неживая природа тесно связаны друг с другом и не могут существовать по отдельности.

Все изменения, происходящие в природе, называются явлениями природы или природными явлениями. Они происходят как в неживой, так и в живой природе.

Многие явления, которые мы наблюдаем, связаны со сменой времён года – сезонов. Такие природные изменения называются сезонными явлениями. Какие вы знаете времена года? Как меняются при этом деревья? Существует 4 времени года или сезона – весна, лето, осень и зима. Посмотрите, какие явления природы вы можете наблюдать из окна прямо сейчас?

Перемена погоды и изменения в поведении животного мира в природе зависят от количества солнечного тепла, которое получают разные части земного шара. Количество тепла чего-либо называют температурой и измеряют при помощи термометра. Термометр – это прибор для измерения температуры. Термометры бывают комнатные – для измерения температуры воздуха в комнате; уличные – для измерения температуры воздуха на улице; водные – для измерения температуры воды; медицинские – для измерения температуры тела человека.

Температура измеряется в градусах. Она записывается при помощи знаков плюс (тепло) или минус (холодно).

Утром, перед тем как выйти из дома, мы смотрим в окно, чтобы узнать какая там погода. Как вы думаете, зачем нам это нужно знать? Конечно же, от погоды на улице зависит наша одежда. Что же такое погода? Погода – это состояние воздушной оболочки Земли в данном месте и в данное время. Из чего же она складывается? Во-первых, это температура воздуха. На улице может быть холодно или тепло, и жарко или морозно. Во-вторых, это облачность, то есть наличие в небе облаков и туч. Если на небе светит солнце и видны лишь отдельные облака, говорят, что сегодня ясно. Если облаков много, и они часто закрывают солнце, говорят: переменная облачность. Если же всё небо затянуто облаками и солнца не видно, говорят, что сегодня пасмурно. В-третьих, это осадки: вода в жидком или твёрдом состоянии, выпадающая на землю из облаков или из воздуха. Это может быть дождь, снег, град, туман, роса, иней. В-четвёртых, это ветер. Он может быть слабым, сильным или умеренным. Итак, из чего же складывается погода? Из температуры воздуха, облачности, ветра и осадков.

Наука о погоде называется метеорология. Во многих местах на Земле есть метеорологические станции, где учёные постоянно ведут наблюдения за погодой. Многие природные явления учёные обозначают специальными метеорологическими условными знаками. Этими знаками пользуются учёные разных стран. При помощи долгих наблюдений учёные составляют прогнозы, то есть предсказания погоды. Составлять их помогают специальные космические спутники, метеорологические самолеты и корабли, оснащённые необходимым оборудованием. Иногда предсказывать погоду можно, используя народные приметы. Первые народные приметы появились давным-давно, когда люди стремились разгадать секреты окружающего мира и приоткрыть его тайны. Приметы создавались веками и переходили из поколения в поколение. Они становились частью народных пословиц и песен. Знание народных примет и сейчас помогает людям планировать свои дела. Берегите живую и неживую природу. Знайте, что жизнь на земле невозможна без природы. Человек должен охранять и беречь её!

Разбор типового тренировочного задания

Текст вопроса: Заполните таблицу:

Ответ:

Разбор типового контрольного задания

Соедините объект и явление:

Ответ:

Поверхность воды — фантастическое место для химических реакций — ScienceDaily

Используя передовую технику, ученые из кластера новаторских исследований RIKEN продемонстрировали, что химическая реакция, вызванная светом, протекает в десять тысяч раз быстрее на границе раздела воздух-вода. — то, что мы обычно называем водной поверхностью — чем в основной массе воды, даже когда свет имеет эквивалентную энергию. Это открытие может помочь нам понять многие важные химические и биологические процессы, происходящие на поверхности воды.

Вода — самая важная жидкость в природе, и исследования показали, что на самом деле в интерфейсе есть что-то особенное. По не совсем понятным причинам некоторые химические реакции происходят легко, когда молекулы частично находятся в воде, но не тогда, когда они полностью растворяются.

Одна проблема, затрудняющая понимание, заключается в том, что не совсем понятно, как на самом деле протекают химические реакции на границе раздела. Чтобы исследовать это, группа RIKEN использовала передовую методику, называемую сверхбыстрой фазочувствительной интерфейс-селективной колебательной спектроскопией.Это непросто, но, по сути, это означает, что вы можете получить высокоскоростной фильм о промежуточных молекулах, созданных в результате химической реакции, протекающей на интерфейсе. В этом случае «высокая скорость» означает около ста фемтосекунд или менее одной триллионной секунды.

Используя этот метод, они проанализировали фотоионизацию фенола, реакцию, которая была хорошо изучена в объемной воде, с использованием эквивалентных высокоскоростных импульсов ультрафиолетового света. Эксперименты показали, что на границе раздела протекала та же реакция, но из-за различий в условиях там реакция протекала примерно в десять тысяч раз быстрее.

По словам Сатоши Нихоньянаги, одного из авторов исследования, опубликованного в Nature Chemistry , «было захватывающе обнаружить, что скорость реакции фенола настолько феноменально различается, но, кроме того, наш метод прямого наблюдения химических реакций поверхность воды в реальном времени также может быть применена к другим реакциям и может помочь нам лучше понять, как реакции протекают в этой особой среде ».

По словам Тахеи Тахары, руководителя исследовательской группы: «Тот факт, что существует 10 000-кратная разница в скорости реакции основной органической молекулы, такой как фенол, между объемной водой и поверхностью воды, также очень важен для каталитическая химия, область исследований, цель которой — стимулировать и контролировать химические реакции.Кроме того, вода в природе существует в виде морской воды, которая имеет пузырьки и аэрозоли, поэтому имеет большую площадь поверхности. Наша работа может помочь нам понять, как молекулы адсорбируются на поверхности воды, что приводит к химическим реакциям, оказывающим огромное влияние на окружающую среду ».

История Источник:

Материалы предоставлены RIKEN . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

1.11: Природа науки — химия LibreTexts

Слово наука заставляет вас думать о высокотехнологичных лабораториях и исследователях в белых халатах? Этот — это часто точный образ науки, но не всегда.Если вы поищете науку в словаре, вы обнаружите, что оно происходит от латинского слова, которое означает «обладать знаниями». Однако это тоже неадекватное определение.

Что такое наука?

Наука — это больше о получении знаний, чем о простом обладании знаниями. Наука — это способ познания мира природы, основанный на доказательствах и логике. Другими словами, наука — это процесс, а не просто совокупность фактов. Благодаря научному процессу наши знания о мире развиваются.

Ученые могут сосредоточиться на самых разных аспектах мира природы. Например, некоторые ученые сосредотачиваются на мире крошечных объектов, таких как атомы и молекулы. Другие ученые уделяют внимание огромным объектам, таким как солнце и другие звезды. Но всех ученых объединяет по крайней мере одно — они хотят понять, как и почему что-то происходит. Достижение этого понимания — цель науки.

Вы когда-нибудь испытывали острые ощущения от захватывающего шоу фейерверков, подобного изображенному ниже? Фейерверк показывает, как цель науки ведет к открытиям.Фейерверки были изобретены в Китае не менее 2000 лет назад, но объяснение того, как и почему они работают, появилось гораздо позже. Только после того, как ученые узнали об элементах и ​​химических реакциях, они смогли объяснить, что заставляет фейерверк создавать яркие вспышки света и глубокие грохочущие удары.

Рисунок: Фейерверки были изобретены задолго до того, как ученые смогли объяснить, как и почему они взрываются. (слева) Сиднейский фейерверк, Новый год 2006. Оперный театр и гавань (CC-SA-BY-2.0; Роб Чендлер) . (справа) Иллюстрация фейерверка из издания 1628–1643 годов романа о династии Мин «Цзинь Пин Мэй» (общественное достояние) .

Как наука развивается

Иногда изучение науки разочаровывает, потому что научные знания постоянно меняются. Но это также то, что делает науку интересной! Иногда наука продвигается вперед гигантскими шагами. Однако чаще наука продвигается вперед маленькими шагами.

Гигантские шаги в науке могут произойти, если ученый предложит новую важную идею.Например, в 1666 году Исаак Ньютон представил идею универсальности гравитации. Люди давно знали, что вещи падают на землю, потому что их привлекает Земля. Ньютон предположил, что все во Вселенной оказывает силу притяжения на все остальное. Эта идея известна как закон всемирного тяготения Ньютона.

Как вы думаете, закон всемирного тяготения Ньютона мог повлиять на развитие науки? Закон Ньютона позволил ученым понять множество различных явлений.Это объясняет, почему вещи всегда падают на землю или скатываются с горы. Это также объясняет движение многих других объектов. Например, это объясняет, почему планеты вращаются вокруг Солнца. Идея всемирной гравитации даже помогла ученым открыть планеты Нептун и Плутон; см. схему и подпись ниже для получения более подробной информации.

Рисунок 2: В начале 1800-х годов астрономы заметили колебание орбиты Урана вокруг Солнца. Они предсказали, что колебание было вызвано притяжением другой, еще не открытой планеты.Ученые искали в небе «пропавшую» планету. Когда они открыли Нептун в 1846 году, они думали, что нашли пропавшую планету. После того, как астрономы приняли во внимание влияние гравитации Нептуна, они увидели, что Уран все еще испытывает необъяснимое колебание. Они предсказали, что за Нептуном должна быть другая планета. Эта планета, теперь называемая Плутоном, была наконец открыта в 1930 году. Особо следует отметить, что в 2006 году Международный астрономический союз (МАС) понизил Плутон в статусе планеты, поскольку он не соответствует одному из критериев планетарных стандартов.Для получения дополнительной информации см. Http://www.nature.com/news/2006/0608…060821-11.html. (CC-BY-SA; WP)

Детские шаги в науке происходят по мере накопления небольших свидетельств. Накапливающиеся данные позволяют ученым уточнить и развить более ранние идеи. Например, научная идея атома была представлена ​​в начале 1800-х годов. Однако ученые пришли к пониманию структуры атома только по мере накопления доказательств в течение следующих двух столетий. Их понимание атомной структуры продолжает расширяться сегодня.

Развитие науки — это иногда очень ухабистая дорога. Новые знания и идеи поначалу не всегда принимаются, и ученых могут высмеивать за их идеи. Идея о том, что континенты Земли дрейфуют по поверхности планеты, является хорошим примером. Эта идея была впервые предложена ученым по имени Альфред Вегенер в начале 1900-х годов. Вегенер также предположил, что все современные континенты когда-то образовали один суперконтинент, который он назвал Пангеей (см. Ниже). Другие ученые не только отвергли идеи Вегенера, но и высмеяли Вегенера за то, что он даже предложил их.Только в 1950-х годах ученые накопили достаточно доказательств, чтобы понять, что Вегенер был прав. К сожалению, Вегенер не прожил достаточно долго, чтобы его идеи были приняты.

На этой карте показан суперконтинент Пангея, впервые предложенный Альфредом Вегенером. Пангея включала в себя все отдельные континенты, которые мы знаем сегодня. Ученые теперь знают, что отдельные континенты дрейфовали до своего нынешнего местоположения за миллионы лет.

Несколько типов свидетельств подтверждают идеи Вегенера. Например, похожие окаменелости и скальные образования были обнаружены на континентах, которые теперь разделены океанами. Также теперь известно, что земная кора состоит из твердых пластин, которые скользят по расплавленной породе под ними. Это объясняет, как континенты могут дрейфовать. Даже формы сегодняшних континентов показывают, как они когда-то подходили друг к другу, как кусочки гигантской головоломки.

Сводка

• Наука — это способ познания мира природы, основанный на доказательствах и логике.
• Цель науки — понять, как и почему что-то происходит.
• Наука развивается по мере накопления новых данных и позволяет ученым заменять, уточнять или расширять общепринятые представления о мире природы.

Узнать больше

Постарайтесь ответить на вопросы студентов о природе науки в анимационном ролике ниже. Затем нажмите на ответы, чтобы убедиться, что вы правы. evolution.berkeleley.edu/evos…IIIQuiz.shtml#

Авторы и авторство

• Фонд CK-12 Шэрон Бьюик, Ричард Парсонс, Тереза ​​Форсайт, Шонна Робинсон и Жан Дюпон.

Как использовать антитела для контроля химических реакций

Художественное изображение двух антител, запускающих две химические реакции. Предоставлено: Оскар Мелендре Ойос.

Совместными усилиями группа международных ученых недавно продемонстрировала способ управления различными синтетическими химическими реакциями с помощью определенных антител. Их работа опубликована в журнале « Nature Communications ».

Антитела — замечательные биомаркеры: они являются сигналами, которые указывают нам на многие болезни и то, как наша иммунная система им противодействует. Теперь группа ученых из Римского университета в Тор Вергата (Италия) нашла способ изменить их назначение, чтобы они могли запускать определенную химическую реакцию.

«Мы продемонстрировали стратегию использования специфических антител для контроля химических реакций, образующих широкий спектр молекул, от визуализации до терапевтических агентов», — говорит Франческо Риччи, профессор Римского университета Тор Вергата и старший автор статьи.«Наш подход позволяет синтезировать функциональную молекулу из неактивных предшественников только тогда, когда в реакционной смеси присутствует конкретное антитело».

Для достижения этой цели исследователи воспользовались универсальностью синтетических ДНК-олигонуклеотидов и предсказуемостью взаимодействий ДНК-ДНК. «Синтетические олигонуклеотиды — удивительные молекулы, они могут быть модифицированы с помощью ряда реактивных групп, а также распознающих элементов, которые могут нацеливаться на специфические антитела», — говорит Лорена Баранда, доктор философии.Студент D. в группе профессора Риччи и первый автор статьи. «В нашей работе мы рационально разработали и синтезировали пару модифицированных последовательностей ДНК, которые могут распознавать конкретное антитело и связываться с ним. Когда это произойдет, реактивные группы, присоединенные на других концах цепей ДНК, будут находиться в непосредственной близости, и их реакция будет «может привести к образованию химического продукта», — объясняет она.

Стратегия, продемонстрированная в этой работе, может быть использована, например, для контроля образования функциональных молекул, таких как терапевтические агенты, с помощью антител-биомаркеров.В качестве доказательства принципа этого возможного применения исследователи продемонстрировали образование антикоагулянта, способного подавлять активность тромбина, ключевого фермента свертывания крови и важной мишени для лечения тромбоза. «Мы продемонстрировали, что специфические антитела IgG могут запускать образование антикоагулянта, который, как было доказано, эффективно подавляет активность тромбина», — говорит профессор Риччи. «Стратегия очень специфична для интересующего антитела и также может быть программируемой.Мы предполагаем, что это откроет новый путь к таргетной терапии и диагностике », — заключает он.

Наем антител в качестве строителей нанотехнологий

Дополнительная информация:
Лорена Баранда Пелледжеро и др., Использование антител для контроля химических реакций по шаблону ДНК, Nature Communications (2020).DOI: 10.1038 / s41467-020-20024-3

Предоставлено
Università Roma Tor Vergata

Ссылка :
Как использовать антитела для контроля химических реакций (2020, 7 декабря)
получено 16 мая 2021 г.
с https: // физ.org / news / 2020-12-antibodies-chemical-Reaction.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Неужели простейшая химическая реакция так проста?

ИЗОБРАЖЕНИЕ: Схематическое изображение двух топологических путей в реакции H + HD к H ₂ + D: путь прямой реакции абстрагирования (против часовой стрелки) и путь перемещающейся реакции вставки (по часовой стрелке)…
посмотреть еще

Кредит: DICP

Большинство людей думают, что квантовая теория, описывающая движение молекул, атомных и субатомных частиц, противоречит здравому смыслу, поскольку квантовая механика описывает поведение, противоречащее классической механике. Даже Альберт Эйнштейн, который никогда не принимал квантовую механику, как известно, сказал, что «Он (Бог или Природа) не играет в кости», имея в виду, что законы физики не подчиняются неопределенности или случайности, как это подразумевается квантовой теорией.

Химическая реакция иногда протекает странным образом, поскольку с микроскопической точки зрения ход реакции определяется квантовой теорией.

Новое исследование, проведенное учеными Даляньского института химической физики (DICP) Китайской академии наук (CAS), на удивление показало, что в простейшей, хорошо изученной реакции все еще существует не раскрытый механизм. Это приводит к явной квантовой интерференции и еще раз подтверждает, что Природа «играет в кости».

Рассматриваемая реакция: H + HD → H ₂ + D.В исследовании, опубликованном 15 мая в журнале Science , группы под руководством проф. Ян Сюэмин, Чжан Дунхуэй, САН Чжиган и Сяо Чунлей из DICP открыли новый вид квантовой интерференции в этой простой реакции.

В физике интерференция — это комбинация двух или более форм волны для формирования результирующей волны, в которой смещение либо усиливается, либо отменяется. Квантовая интерференция может происходить между частицами, которые достигают одного и того же положения или квантового состояния, но разными путями.

Поскольку химическая реакция — это, по сути, процесс столкновения и рассеяния с участием атомов и / или молекул, мы можем ожидать явления интерференции в химической реакции.

Среди всех химических реакций реакция H + H ₂ и ее изотопологи являются наиболее простыми. В этой реакции участвуют только три электрона; таким образом, удобно иметь дело с точной квантовой химией для расчета энергии взаимодействия с участием трех атомов.

В прошлом году исследователи DICP обнаружили сильные и регулярные колебания как функцию энергии при определенном угле рассеяния продукта H ₂ во время реакции H + HD в определенных колебательных состояниях.

На самом деле подобные колебания наблюдались и в других реакциях, но они не так регулярны, как в реакции H + HD. Физическая природа таких колебаний остается неясной.

Чтобы понять это интересное явление, исследователи провели совместное теоретическое и экспериментальное исследование реакции H + HD.

Экспериментально, усовершенствовав устройство с перекрестным молекулярным пучком, они зарегистрировали сигналы реактивного рассеяния при определенном угле рассеяния как функцию относительно высокой энергии.

Они продолжили развитие методов квантовой динамики, применив топологическую теорию для анализа путей, по которым протекала реакция. Топологическая теория показала, что наблюдаемые регулярные колебания являются результатом интерференции продуктов, генерируемых двумя разными путями.

Исследователи проанализировали механизмы динамики реакции с помощью теории квазиклассических траекторий (ККТ). Результаты показали, что реакция протекает по одному пути с использованием традиционного механизма прямой экстракции, т.е.е., входящий атом H столкнулся с атомом H в молекуле двухатомного реагента HD и извлек его, образуя новую химическую связь H ₂ .

Реакция также прошла по другому пути с использованием нового механизма роуминга. Снимки из теории QCT для механизма роуминга показывают, что входящий атом H сначала приближался к молекуле HD через область конического пересечения (Cl) в направлении конца атома D, а затем перемещался вокруг атома D в HD. Когда входящий атом H приблизился к области CI, связь HD начала растягиваться, давая возможность перемещающемуся атому H вставить себя в растянутую молекулу HD.Затем входящий атом H образовал новую химическую связь с атомом H в HD.

Продукты (H ₂ ) от этих двух путей были рассеяны под тем же углом рассеяния, где произошла квантовая интерференция.

Более того, вероятность возникновения такого необычного механизма роуминга довольно мала — всего около 0,3% от всех реакций.

Эта работа еще раз демонстрирует квантовую природу химической реакции на микроскопическом уровне. Это также показывает, что химические реакции сложны.

Даже простая реакция H + HD → H ₂ + D, которая изучалась десятилетиями, имеет небольшую вероятность использования неожиданных механизмов.

В жизни многие большие события запускаются маловероятными событиями. Кто может гарантировать, что такой маловероятный механизм реакции не приведет к неожиданным результатам?

###

Заявление об отказе от ответственности: AAAS и EurekAlert! не несут ответственности за точность выпусков новостей, размещенных на EurekAlert! участвующими учреждениями или для использования любой информации через систему EurekAlert.

The Chemistry of Nature, Reimagined

ТАКОЕ МНОГИЕ ЧТО ДЕЛАЕТ ПРИРОДА без особых усилий, например, использование солнечного света в качестве топлива для растущих растений, было практически невозможно для химиков. Но теперь у них есть инструмент, который помогает им использовать тот же тип сложной химии, что и в природе, и создавать новые виды структур практически по своему желанию.

Секрет — это наноразмерная клетка, называемая металлоорганическим каркасом, и его чисто органический аналог, ковалентный органический каркас.Они похожи на кристаллы, построенные из игрушек Tinker Toys, со стержнями на основе металла или углерода, соединенными стержневидными молекулами. Что отличает эти кристаллы от любых структур ранее, так это то, что они в основном представляют собой воздух, поэтому они могут захватывать молекулы внутри, где эти молекулы могут вступать в химическую реакцию с клеткой или с другими, находящимися поблизости. Эти «ружные браки» могут стать ключом к производству жидкого топлива из солнечного света, или к удалению токсичных химикатов в окружающей среде, или к изучению сложных молекул, необходимых для жизни.

Недавно Омар Яги, содиректор Kavli Energy NanoSciences Institute, показал, как использовать эти открытые каркасы для изучения молекул, которые трудно изолировать каким-либо другим способом, а также для химического создания прочных текстильных тканых структур. Чтобы обсудить эту новую химию и то, как она может трансформировать такие разные области, как транспорт, производство топлива, электроника и медицина, Фонд Кавли собрал трех лидеров исследований для обсуждения за круглым столом.

Участников:

• Омар М.Яги — профессор химии в Калифорнийском университете в Беркли и содиректор Энергетического нано-научного института Кавли и Калифорнийского исследовательского альянса BASF. Его считают изобретателем металлоорганических каркасов и ковалентных органических каркасов. В период с 2000 по 2010 год он был вторым химиком в мире по цитируемости.
• Джозеф Хапп — профессор химии Северо-Западного университета и старший научный сотрудник отдела материаловедения Аргоннской национальной лаборатории.Его исследовательская группа изучает применение MOF для искусственного фотосинтеза, химического разделения, молекулярных сит и хранения топлива.
• Томас Бейн — заведующий кафедрой физической химии и профессор нанонауки в Мюнхенском университете Людвига-Максимилиана в Германии. Исследовательская группа Bein исследует использование MOF и COF в электронике, солнечных батареях и целевой доставке лекарств.

Ниже приводится отредактированная стенограмма их обсуждения за круглым столом.Участникам была предоставлена ​​возможность вносить поправки или редактировать свои замечания.

ОСНОВАНИЕ КАВЛИ: Профессор Яги, в чем преимущество этого нового способа ведения химии с использованием металлоорганических каркасов (MOF)?

Омар Яги — содиректор Kavli Energy NanoSciences Institute и Калифорнийского исследовательского альянса BASF. (Предоставлено: Berkeley Lab)

OMAR YAGHI: Если вы подумаете о том, как люди обычно занимаются химией, она обычно включает в себя некоторую комбинацию высоких температур и высокого давления, а также производит множество отходов в дополнение к химическим веществам, которые нам нужны.Это ограничивает нас созданием довольно простых и небольших молекул.

Теперь сравните это с природой. Биологические системы проводят свои реакции при комнатной температуре и давлении и многократно и без потерь производят одну и ту же молекулу. И они часто делают молекулы такими большими и сложными, что мы все еще пытаемся понять их структуру.

В течение долгого времени химики не могли создавать сложные химические структуры, как это делает природа, поэтому они обычно заканчивали беспорядок. Теперь, с этими металлоорганическими каркасами, у нас есть более простой способ сделать это, потому что они по сути являются каркасами.Как и каркас небоскреба, они имеют очень четкую, открытую, повторяющуюся структуру. Мы можем привязать к ним группы химикатов.

Это позволяет нам создавать что-то похожее на сложные природные среды. Примером этого являются ферменты — белки, запускающие химические реакции в живых существах. Они работают только в том случае, если их форма соответствует молекуле, с которой они предназначены для реакции, и если их активный центр, где происходит реакция, окружен правильными молекулами. Измените эти молекулы или их форму, и он сделает что-то совершенно другое.С помощью каркасных кристаллов мы можем создать среду, похожую на среду фермента, с определенной формой и конкретным активным центром, который инициирует реакцию.

Именно в этом и состоит будущее химии — выборочный разрыв и формирование связей. Наша работа делает это возможным, потому что мы можем спроектировать строительные леса и модифицировать их так, чтобы они действовали очень избирательно.

На самом деле, в некотором смысле мы можем выйти за рамки того, что делает природа. Например, мы можем создать эти структуры, которые будут более стабильными, чем их естественные аналоги.

TKF: Значит, вам не нужно копировать природу, чтобы создать реакцию, которую делает природа?

Джозеф Хапп — профессор химии Северо-Западного университета и старший научный сотрудник отдела материаловедения Аргоннской национальной лаборатории. (Источник: Северо-Западный университет) YAGHI: Совершенно верно, но нам нужно учиться у природы.

ДЖОЗЕФ ХУПП: Согласен. Есть очень важное различие между биомимикрией и биоинспирацией.Живые организмы делают многое, чтобы выжить, и многого требуют от своей биохимии. Этих открытых структур не существует, поэтому мы можем сосредоточиться на тех частях этой биохимии, которые нам нужны.

Кроме того, по мере того, как наши фундаментальные знания об этих фреймворках расширяются, мы увеличиваем нашу способность делать с ними больше. Например, мы научились строить структуры с широкими порами. Это позволяет большим молекулам, таким как белки, строительные блоки жизни, проникать в них.

И у нас все еще есть место для других химических веществ, которые могут войти и вступить в реакцию с этими белками, чтобы сделать то, что мы хотим.

YAGHI: Мы также можем изменить химию по длине металлоорганического каркаса, чтобы после того, как молекула претерпела одну реакцию, она могла пройти через каркас и претерпеть последовательность дополнительных изменений, чтобы произвести определенный продукт.

HUPP: Да, и помните, молекула движется через каркас очень быстро, со скоростью один нанометр за наносекунду. В этой среде мы могли бы производить нестабильные промежуточные химические вещества, которые существуют всего одну микросекунду, и у нас все еще будет достаточно времени, чтобы их модифицировать.Итак, эти открытые структуры делают возможным такой тип химии, с которым, похоже, сегодня легко справляются только клетки.

TKF: И мы можем создать эти открытые структуры для достижения конкретных результатов?

Томас Бейн — заведующий кафедрой физической химии и профессор нанонауки в Мюнхенском университете Людвига-Максимилиана в Германии.

HUPP: И для разных сред. Наше коллективное понимание принципов проектирования значительно улучшилось, и мы можем создавать открытые фреймворки, которые по химическому составу довольно близки к пуленепробиваемым.Теперь можно создавать металлоорганические каркасы, которые расщепляют воду на кислород и водород, работают под водой и выдерживают экстремальные условия. Это позволяет нам быстрее реагировать или реагировать, с которыми природа не справляется. Благодаря всему, что мы узнали, изучая их на протяжении многих лет, хороший химик может создавать каркасы с правильным размером пор, представлением каркаса, иерархией каналов — что угодно — потому что мы понимаем правила их создания.

THOMAS BEIN: Есть много интересных и очень стабильных построек.Нам просто нужно научиться настраивать эти свойства.

HUPP: Это, безусловно, большая часть удовольствия от создания нового химического состава. Сегодня во многих лабораториях мы разрабатываем открытые фреймворки, чтобы делать именно то, что мы хотим от них.

TKF: Так что же эта новая химия позволяет нам делать то, что когда-то было трудным или невозможным?

HUPP: Произведет революцию в развитии зеленой энергетики. С помощью этого инструмента мы можем более точно имитировать фотосинтез, то есть то, как природа преобразует солнечный свет в энергию.Разница в том, что природа использует солнечный свет для превращения воды и углекислого газа в сахар и создает кислород из воды и углекислого газа. Мы хотим превратить воду и углекислый газ в жидкое топливо.

TKF: Имитация фотосинтеза была одним из трудных моментов в развитии солнечной энергии.

HUPP: Однако природа делает это каждый день, используя свет из больших участков цветового спектра с помощью сложных молекул. Как нам продублировать его сложные системы? Один из прорывов заключается в построении каркасов слой за слоем, как бутерброд.И вы можете настроить химию каждого из этих слоев, чтобы он захватил разные части цветового спектра. Поэтому вместо того, чтобы пытаться создать одну очень сложную молекулу, мы делаем кучу более простых молекул, которые работают вместе, чтобы делать одно и то же.

TKF: Насколько сложно сделать эти «многослойные» конструкции?

HUPP: Построение такой сложной структуры по одному слою за один раз переживет терпение любого. Но терпение робота не выдержит.В нашей лаборатории их строят пять роботов.

BEIN: Слои полезны и для других целей. Обычно, чтобы сделать полимерные солнечные элементы, преобразующие солнечный свет в энергию, вам нужно построить очень точные, выровненные структуры, чтобы контролировать, как полимеры взаимодействуют друг с другом. Это очень сложный эмпирический процесс. Но использование молекулярных каркасов может дать нам правильное выравнивание для имитации поведения органического фотоэлемента. Это намного проще.

«Эти открытые структуры делают возможным такой тип химии, который, похоже, сегодня легко осуществить только клеткам.»- Джозеф Хапп

TKF: Профессор Яги, используя ковалентные органические каркасы (COF), вы становитесь первым человеком, который сплетает молекулы вместе, как ткань, что, по мнению большинства химиков, было невозможным. Почему это важно?

YAGHI: Мы производим ткани путем вплетения нитей друг в друга. Это создает ткань, которую очень трудно разорвать. Химики десятилетиями искали способы манипулировать молекулами, чтобы сделать то же самое.

Мы можем построить кристалл-каркас с частью этой пересекающейся структуры. Когда они соединяются вместе, они образуют молекулы с внутренней и наружной структурой ткани. По сути, эта структура неотличима от плетеной. Возможно, мы сделали его необычным способом, но он выглядит одинаково, и молекулы соединяются механически, поэтому он не может « расстегнуться ». Это означает, что однажды мы сможем разработать прочный молекулярный текстиль, который сможет проводить химические реакции в условиях это может разрушить обычные молекулы.

BEIN: Описание тканых структур Омаром показывает, как далеко мы продвинулись. Не так давно химики делали подобные вещи методом проб и ошибок.

TKF: Что еще мы могли бы делать с этими открытыми фреймворками?

Открытые каркасы могут захватывать более мелкие молекулы, что позволяет ученым делать снимки их структур без необходимости их кристаллизовать. (Кредит: Лаборатория Яги)
BEIN: Мы могли бы использовать их поры, чтобы улавливать более мелкие молекулы и изучать их.Молекулы в наномасштабе легко теряются, когда мы пытаемся выделить их для изучения. Но мы могли бы разработать каркасные структуры, чтобы улавливать интересующие нас молекулы. Омар недавно опубликовал важную работу, показывающую, что это можно сделать с помощью молекул, от простого алкоголя до сложного растительного гормона.

После того, как мы их запечатлели, мы могли бы использовать рассеяние рентгеновских лучей или нейтронов, чтобы сделать снимки их структуры и того, как они взаимодействуют с активными центрами каркаса. Представьте, мы могли бы увидеть химическую реакцию, как это происходит.Мы могли видеть, как эти молекулы меняют форму и как они реагируют, когда сталкиваются с разными активными центрами. Мы могли бы изучить последовательность шагов реакции, определить, верны ли наши теории, и использовать то, что мы узнали, для создания более эффективных химических реакций.

TKF: Другими словами, используйте эти открытые фреймворки в качестве лабораторий.

BEIN: Да. И я также хотел рассказать о другом, над чем мы работаем, — о адресной доставке лекарств.Примером может служить лечение рака. С помощью интеллектуальной химии мы могли поместить лекарство в поры открытого каркаса, а затем украсить каркас каркаса комбинацией молекул, которые раковые клетки распознают как пищу. Затем раковая клетка с радостью и надеждой совершит самоубийство, проглотив каркас и выпуская целевое лекарство. Мы могли бы сделать их — или более мелкие молекулы, на которые они распадаются — достаточно маленькими, чтобы проходить через почки, которые являются системой очищения организма.Или, возможно, мы могли бы доставить их через легкие или кожу, или с помощью инъекции.

TKF: Кто-нибудь сегодня запускает эту технологию?

BEIN: В настоящее время компании работают над использованием этих каркасных кристаллов для хранения природного газа и водорода для использования в качестве топлива в транспортных средствах. Наша цель — сделать топливные баки меньшего размера и безопаснее, что сделает эти автомобили гораздо более практичными.

«Компании сейчас работают над использованием этих каркасных кристаллов для хранения природного газа и водорода для использования в качестве топлива в транспортных средствах.Наша цель — меньшие и более безопасные топливные баки, которые сделают эти автомобили намного более практичными ». — Томас Бейн

YAGHi: Фактически, немецкий химический гигант BASF использовал металлоорганические конструкции для хранения метана в транспортных средствах, работающих на природном газе. За последние три года он испытал их на автопарке Германии и США. Они прошли более 100 000 циклов заправки без потери пористости и производительности.

После 10 лет разработки компания BASF показала, что может производить тонны этих материалов и использовать их для создания топливных баков для природного газа, которые прослужат весь срок службы автомобиля.Это доступная и практичная технология, а не лабораторная диковинка. Низкие цены на нефть затрудняют выход на рынок. Но если цены на нефть снова начнут расти, это станет более привлекательным для владельцев газовых парков.

Соединив открытые каркасные единицы, команда Яги создала ткань из переплетенных молекул, достижение, которое ускользало от исследователей более века. (Фото: Лаборатория Яги)

TKF: Следует ли исследователям сосредоточиться на разработке коммерческих продуктов, таких как этот топливный бак, или нам нужно сначала лучше понять фундаментальную науку?

HUPP: Есть много направлений, в которых мы могли бы развить это исследование, но позвольте мне сказать кое-что провокационное.Коммерциализация такого крупного бизнеса, как хранение метана, действительно заставит химиков по-другому думать о каркасных материалах.

Сейчас никто не хочет быть первым. Я думаю, что Омар получит свою поездку в Стокгольм — извините, что смущаю вас, Омар, — когда металлоорганические конструкции вытеснят существующую технологию, потому что у них есть экономическое преимущество. Тогда запреты отпадут, и последуют многие, многие приложения. Но сначала кто-то должен прорваться.

Это уже начало происходить.NuMat Technologies, дочерняя компания Northwestern, в партнерстве с Linde, компанией по доставке газа, теперь производит и продает системы на основе MOF для доставки газов, используемых для производства полупроводников в сложных условиях. Я думаю, что в будущем таких компаний может стать больше.

YAGHI: Я думаю, что BASF продемонстрировал, что уже можно производить большие количества. Но для себя я всегда подчеркиваю важность фундаментальной науки и изучения свойств. Это связано с тем, что доставка материалов из лаборатории на рынок имеет мало общего с наукой, а во многом связана с рынками, экономикой и другими вещами, которые мы не можем контролировать в лаборатории.

Кристаллы открытого каркаса переживают революцию в возможных приложениях. Небольшая группа исследователей недавно провела семинар и предложила 200 возможных применений для них, а также новые свойства, над которыми мы и другие работаем.

В этом отношении металлоорганические каркасы похожи на другие новые технологии. Есть время для развития фундаментальной науки, время для детального изучения свойств и систем, а затем время для вывода этих систем на рынок. Так что я думаю, что мы идем по правильному пути, и я знаю, что мы меняем то, как химики думают о создании материалов.Фактически, совсем недавно несколько компаний объявили о выпуске на рынок первой волны коммерческих MOF-продуктов.

«Я думаю, мы все поражены красотой структур и явным волнением от фундаментальной науки. Есть так много вещей, которые нужно изучить, что было невозможно сделать в прошлом. Когда-то мы мечтали о последовательностях реакции, построение, подобное природе, или создание органических схем … Сегодня эти мечты становятся частью области возможного.»—Омар Яги

Открытые каркасы можно использовать для захвата молекул, чтобы они реагировали с элементами каркасной структуры или друг с другом. (Кредит: Лаборатория Яги)

TKF: Мы много говорили о потенциале кристаллов с открытым каркасом. Давайте закончим с проблемами. Какие пробелы в исследованиях нам нужно закрыть?

YAGHI: Мы должны подумать о способах создания систем, которые, как биология, делают более одного дела одновременно.Мы должны начать думать о том, как мы могли бы построить последовательность активных сайтов, и как их характеризовать и контролировать. Это вопросы, которые бросают вызов не только химикам, работающим с каркасными кристаллами, но и всей научной области.

BEIN: Мои интересы связаны с электронными свойствами каркасных структур. Я хотел бы улучшить правила проектирования для управления электрическими взаимодействиями между строительными блоками в высоко упорядоченных структурах. Это тот случай, когда даже самые незначительные изменения расстояния и углов между атомами могут повлиять на электрическое поведение, и они будут важны в будущем.

HUPP: Я чувствую себя рыбой, плавающей в воде, потому что везде, куда бы я ни посмотрел, есть чем заняться. Обсуждая дипломные проекты со своими студентами, я всегда спрашиваю: «Есть ли способ сделать это лучше?» Если не думают, значит, они нашли достойную проблему. Что касается моей собственной работы, то вода, в которой я плаваю, включает в себя понимание того, как далеко мы можем зайти в создании ферментативных сред и катализаторов, а также использование компьютерных моделей для изменения того, как мы проводим химические реакции.

YAGHI: Я думаю, мы все чувствуем себя пораженными красотой структур и абсолютным азартом фундаментальной науки.Есть так много вещей, которые нужно изучить, что было невозможно сделать в прошлом. Когда-то мы мечтали о последовательностях реакций, построении как природа или создании органических схем. Сегодня эти мечты становятся частью области возможного.

Химия: Молекулярная природа вещества, 7-е издание

0 Очень краткая история химии 1

0,1 Важные концепции химии 2

0,2 ​​Сверхновые звезды и элементы 3

0.3 Элементы и Земля 5

0,4 Атомная теория Дальтона 7

0,5 Внутренняя структура атома 8

Инструменты для решения проблем 20

Обзорные вопросы и проблемы 21

1 Научные измерения 24

1.1 Законы и теории : Научный метод 25

1.2 Материя и ее классификации 27

1.3 Физические и химические свойства 31

1.4 Измерение физических и химических свойств 32

1.5 Неопределенность измерений 41

1.6 Анализ размеров 45

1.7 Плотность и удельный вес 49

Инструменты для решения проблем 55

Обзорные вопросы и проблемы 56

2 Элементы, соединения и периодическая таблица 63

2.1 Периодическая таблица 64

2.2 Металлы, неметаллы и металлоиды 67

2.3 Молекулы и химические формулы 70

2.4 Химические реакции и химические уравнения 77

2.5 Ионные соединения 80

2.6 Номенклатура ионных соединений 86

2.7 Молекулярные соединения 91

2.8 Номенклатура молекулярных соединений 94

Инструменты для решения проблем 99

Обзорные вопросы и проблемы 100

3 Молекула и стехиометрия

3.1 Моль и число Авогадро 109

3.2 Моль, формульная масса и стехиометрия 115

3.3 Химическая формула и процентный состав 118

3.4 Определение эмпирических и молекулярных формул 120

3.5 Стехиометрия и химические уравнения 129

3.6 Ограничение реагентов 137

3.7 Теоретический выход и процентный выход 141

Инструменты для решения проблем 144

Обзорные вопросы и проблемы 146

904 реакций в водных растворах 155

4.1 Описание растворов 156

4.2 Электролиты и неэлектролиты 158

4.3 Уравнения для ионных реакций 160

4.4 Введение кислот и оснований 164

4.5 Кислотно-основная номенклатура 172

4.6 Реакции двойного замещения (метатезиса) 174

4,7 Молярность 184

4,8 Стехиометрия раствора 191

4.9 Титрование и химический анализ 195

Инструменты для решения проблем 203

Обзорные вопросы и проблемы 204

5 Реакции окисления – восстановления 212

5.1 Реакции окисления-восстановления 213

5.2 Уравновешивание окислительно-восстановительных уравнений 220

5.3 Кислоты как окислители 225

5.4 Окислительные реакции металлов 229

5.5 Молекулярный кислород как окислитель 233

5.6 Стехиометрия окислительно-восстановительных реакций 9000 237 9 для решения проблем 241

Обзорные вопросы и проблемы 242

6 Энергетические и химические изменения 251

6.1 Энергия: способность выполнять работу 252

6.2 Тепло, температура и внутренняя энергия 255

6.3 Измерение тепла 258

6.4 Энергия химических реакций 264

6.5 Тепло, работа и первый закон термодинамики 266

6.6 Теплоты реакции 270

6.7 Термохимические уравнения 275

6,8 Закон Гесса 277

6,9 Стандартные температуры реакции 283

Инструменты для решения проблем 291

Обзорные вопросы и проблемы 292

7 Квантово-механический атом 300

7.1 Электромагнитное излучение 301

7.2 Спектры линий и уравнение Ридберга 309

7.3 Теория Бора 311

7.4 Модель волновой механики 314

7.5 Квантовое число электронов в атомах 319

7.6 Спин электронов 322

7.7 Уровни энергии и электронные конфигурации в основном состоянии 324

7.8 Периодическая таблица и электронные конфигурации в основном состоянии 326

7.9 Атомные орбитали: формы и ориентации 332

7.10 Периодическая таблица и свойства элементов 336

Инструменты для решения проблем 346

Обзорные вопросы и проблемы 346

8 Основы химической связи 352

8.1 Энергетические требования для образования связи 353

8.2 Ионная связь 354

8.3 Октетное правило и электронные конфигурации ионов 358

8.4 Символы Льюиса: отслеживание валентных электронов 362

8.5 Ковалентные связи 364

8.6 Полярность связи и электроотрицательность 368

8.7 Структуры Льюиса 373

8.8 Резонансные структуры 384

8.9 Ковалентные соединения углерода 387

Инструменты для решения проблем 395

Обзорные вопросы и проблемы 396

9.1 Пять основных молекулярных геометрий 404

9.2 Молекулярные формы и модель VSEPR 407

9.3 Молекулярная структура и дипольные моменты 415

9.4 Теория валентных связей 420

9,5 Гибридные орбитали и молекулярная геометрия 423

9,6 Гибридные орбитали и множественные связи 434

9.7 Основы теории молекулярных орбиталей 440

9,8 Делокализованные молекулярные орбитали и соединения 447

9000

в твердых телах 447

Аллотропы элементов 450

Инструменты для решения проблем 456

Обзорные вопросы и проблемы 458

10 Свойства газов 465

10.1. Молекулярный взгляд на газы 466

10.2. Измерение давления 467

10.3. Закон о газе 472

10.4. Стехиометрия по объемам газа 478

10.5. Закон об идеальном газе 482

10.6. Закон парциальных давлений Дальтона 490

10.7. Кинетическая молекулярная теория газов 501

10.8. Реальные газы 504

Инструменты для решения проблем 507

Обзорные вопросы и проблемы 508

11 Межмолекулярные притяжения и свойства жидкостей и твердых тел 515

11.1 Межмолекулярные силы 516

11.2 Межмолекулярные силы и физические свойства 525

11.3 Изменения состояния и динамическое равновесие 531

11,4 Давление паров жидкостей и твердых тел 533

11,5 Точки кипения жидкостей 535

11,6 Энергия и изменения состояния 537

11.7 Фазовые диаграммы 541

11.8 Принцип Ле Шателье и изменения состояния 546

11.9 Определение теплоты испарения 547

11.10 Структуры кристаллических твердых тел 549

11.11 Определение структуры твердых тел 557

11.12 Типы и физические свойства кристаллов 560

Инструменты для решения проблем 565

Обзорные вопросы и проблемы 566

12 Смеси на молекулярном уровне: Свойства Решения 575

12.1. Межмолекулярные силы и образование растворов 576

12.2. Температура раствора 580

12.3. Растворимость как функция температуры 584

12.4. Закон Генри 586

12.5. Концентрационные установки 588

12.6. Коллигативные свойства 595

12.7. Гетерогенные смеси 614

Инструменты для решения проблем 618

Обзорные вопросы и проблемы 619

13 Химическая кинетика 625

13.1 Факторы, влияющие на скорость химического изменения 626

13.2 Измерение скорости реакции 628

Законы скорости 9000 1334

13.4 Закон о комплексных тарифах 643

13.5 Молекулярные основы теории столкновений 654

13.6 Молекулярные основы теории переходных состояний 657

13.7 Энергии активации 660

13,8 Механизмы реакций 665

13,9 Катализаторы 671

Инструменты для решения проблем 671

Инструменты для решения проблем 675

14 Химическое равновесие 686

14.1 Динамическое равновесие в химических системах 687

14.2 Законы равновесия 690

14.3 закона равновесия, основанные на давлении или концентрации 694

14.4 Законы равновесия для гетерогенных реакций 698

14.5 Положение равновесия и константа равновесия 699

14.6 Равновесие и принцип Ле Шателье 701

14.7 Расчет равновесия

с использованием констант равновесия 9,8 Константы для расчета концентраций 709

Инструменты для решения проблем 722

Обзорные вопросы и проблемы 724

15 Кислоты и основания, молекулярный взгляд 731

15.1. Кислоты и основания Бренстеда – Лоури 732

15.2. Сильные стороны кислот и оснований Бренстеда – Лоури 737

15.3. Периодические тенденции силы кислот 741

15.4. Кислоты и основания Льюиса 746

15.5. Кислотно-основные свойства элементов и их оксидов 750

15.6. Продвинутая керамика и кислотно-основная химия 753

Инструменты для решения проблем 757

Обзорные вопросы и проблемы 758

16 Кислотно-основные равновесия в водных растворах 762

16.1 Вода, pH и «p» Обозначение 763

16,2 pH сильных кислот и основных растворов 767

16.3 Константы ионизации, K _a и K _b 769

16.4 Определение K _a и K _b Значения 773

16,5 pH растворов слабой кислоты и слабого основания 776

16,6 Кислотно-основные свойства солевых растворов 781

16,7 Буферные растворы 785

16.8 Полипротонные кислоты 792

16,9 Кислотно-основное титрование 798

Инструменты для решения проблем 807

Обзорные вопросы и проблемы 808

17 Растворимость и одновременное равновесие 816

17,1 Равновесия в растворах 92 17 9,2 На растворимость основных солей влияют кислоты 828

17.3 Равновесия в растворах оксидов и сульфидов металлов 831

17.4 Выборочное осаждение 834

17.5 Равновесия с участием сложных ионов 841

17.6 Комплексообразование и растворимость 845

Инструменты для решения проблем 848

Обзорные вопросы и проблемы 848

18 Термодинамика 855

18.1 Первый закон термодинамики 856

18.3 Энтропия 862

18.4 Второй закон термодинамики 867

18.5 Третий закон термодинамики 871

18.6 Стандартное изменение свободной энергии, Δ G ° 874

18.7 Максимальная работа и Δ G 876

18,8 Свободная энергия и равновесие 880

18,9 Константы равновесия и Δ G ° 886

18,10 Энергия связи 890

Инструменты для решения проблем 894

Вопросы и проблемы для обзора 895

19 Электрохимия 904

19.1 Гальванические (гальванические) элементы 905

19.2 Потенциалы элементов 910

19.3 Использование стандартных потенциалов восстановления 917

19.4 E ° _ячейка и Δ G ° 923

19,5 Потенциалы и концентрации элементов 926

19,6 Электролитические ячейки 932

19,7 Электролитические ячейки 939

19,8 Стехиометрия электролиза 945

19,9 Инструменты для решения проблем 954

Обзорные вопросы и проблемы 954

20 Ядерные реакции и их роль в химии 962

20.1 Сохранение массы и энергии 963

20.2 Энергия связывания ядер 965

20,3 Радиоактивность 967

20,4 Диапазон стабильности 973

20,5 Трансмутация 977

20,6 Измерение радиоактивности 980

20,7 Медицинские и аналитические приложения 204 9,80003 Ядерное деление и синтез 986

Инструменты для решения проблем 995

Обзорные вопросы и проблемы 995

21 Металлические комплексы 1002

21.1 Комплексные ионы 1003

21.2 Номенклатура металлических комплексов 1009

21.3 Координационное число и структура 1011

21.4 Изомеры металлических комплексов 1013

21.5 Связывание в металлических комплексах 1017

21.6 Биологические функции ионов металлов 1024

Инструменты для решения проблем 1027

Обзорные вопросы и проблемы 1028

22 Органические соединения, полимеры и биохимические вещества 1033

22.1 Органические структуры и функциональные группы 1034

22.2 Углеводороды: структура, номенклатура и реакции 1039

22,3 Органические соединения, содержащие кислород 1046

22,4 Органические производные аммиака 1054

22,5 Органические полимеры 1056

22,6 Углеводы, липиды и белки 1063

кислоты RNA 1072

Инструменты для решения проблем 1077

Обзорные вопросы и проблемы 1079

Приложения

Приложение A: Обзор математики A-1

Приложение B: Ответы на практические упражнения и избранные задачи обзора A-5

Приложение C: Таблицы избранных данных A-28

Глоссарий G-1

Указатель I-1

Исследование химии | Введение в химию

Цель обучения

• Изложение общих целей и предмета химии

Ключевые моменты

• Химию иногда называют «центральной наукой», потому что она связывает физику с другими естественными науками, такими как геология и биология.
• Химия — это изучение вещества и его свойств.
• Подразделы химии включают: аналитическую химию, биохимию, неорганическую химию, органическую химию, физическую химию и биофизическую химию.

Условия

• химия Раздел естествознания, изучающий состав вещества и изменения, которым он претерпевает в результате химических реакций.
• материя — то, что имеет массу, занимает пространство (имеет объем) и составляет почти все в мире.

Химия — это изучение вещества и химических реакций между веществами. Химия также изучает состав, структуру и свойства материи. Материя — это, по сути, все в мире, занимающее пространство и обладающее массой. Химию иногда называют «центральной наукой», потому что она связывает физику с другими естественными науками, такими как геология и биология.

История химии

Основная химическая гипотеза впервые возникла в классической Греции, когда Аристотель определил четыре элемента: огонь, воздух, землю и воду.Лишь в XVII и XVIII веках такие ученые, как Роберт Бойль (1627–1691) и Антуан Лавуазье (1743–1794), начали преобразовывать старые алхимические традиции в строгую научную дисциплину.

Антуан-Лоран де Лавуазье Антуан-Лоран де Лавуазье считается «отцом современной химии» за его работу над принципом сохранения массы и за разработку новой системы химической номенклатуры.

Как одна из естественных наук, химия дает ученым возможность познакомиться с другими физическими науками и дает мощные аналитические инструменты для инженерных приложений.Биологические науки и их ответвления, такие как психология, уходят корнями в биохимию, и ученые только сейчас начинают понимать, как разные уровни организации влияют друг на друга. Например, в основе современной медицины лежат биохимические процессы человеческого организма.

Химия и мир природы

Химия способна объяснить бесчисленные явления в мире, от обычных до причудливых. Почему ржавеет железо? Что делает пропан таким эффективным и экологически чистым топливом? Как сажа и алмаз могут быть такими разными по внешнему виду, но при этом такими химически похожими? Химия дает ответы на эти и многие другие вопросы.