Эволюция химической картины мира. Концепция единства структурных превращений вещества и химическая картина мира - реферат Химическая картина мира основные понятия химии
Описание презентации по отдельным слайдам:
1 слайд
Описание слайда:
2 слайд
Описание слайда:
1.Введение. Научная картина мира 2.Предмет познания и важнейшие особенности химический науки 2.1. Алхимия как предыстория химии. Эволюция химической науки 2.2.Специфика химии как науки 2.3. Важнейшие особенности современной химии 3. Концептуальные системы химии 3. 1. Понятие о химическом элементе 3. 2. Современная картина химических знаний 3. 2. 1. Учение о составе вещества 3. 2. 2. Органогены 3. 2. 3. Учение о химических процессах 4. Антропогенный химизм и его влияние на среду обитания 5. Выводы
3 слайд
Описание слайда:
Каждый человек пытается познать этот мир и осознать свое место в нем. Чтобы познать мир, человек из частных знаний о явлениях и закономерностях природы пробует создать общее – научная картина мира -основные идеи наук о природе -принципы -закономерности не оторванные друг от друга, а составляющие единство знаний о природе, определяющие стиль научного мышления на данном этапе развития науки и культуры человечества
4 слайд
Описание слайда:
Ученые выделяют разные картины мира и предлагают свои критерии классификации «Мир» - действительность, реальность (объективная), бытие, природа и человек Ученые подразделяют картины мира на научную, философскую, концептуальную, наивную и художественную В наше время в состав общей НКМ входят ее части различной степени универсальности: Физическая КМ (ФКМ) Астрономическая (АКМ) Биологическая (БКМ) Химическая (ХКМ)
5 слайд
Описание слайда:
Научная картина мира - особая форма теоретического знания, репрезентирующая предмет исследования науки соответственно определенному этапу ее исторического развития, посредством которой интегрируются и систематизируются конкретные знания, полученные в различных областях научного поиска. (Новейший философский словарь) Научная картина мира (НКМ) - система представлений о свойствах и закономерностях действительности (реально существующего мира), построенная в результате обобщения и синтеза научных понятий и принципов, а также методология получения научного знания»(интернет-словарь «Википедия») Научная картина мира - это множество теорий в совокупности описывающих известный человеку природный мир, целостная система представлений об общих принципах и законах устройства мироздания
6 слайд
Описание слайда:
Исторические типы Их принято персонифицировать по именам трех ученых сыгравших наибольшую роль в происходивших изменениях 1. Аристотелевская (VI-IV века до нашей эры) в результате этой научной революции возникла сама наука, произошло отделение науки от других форм познания и освоения мира, созданы определенные нормы и образцы научного знания. Наиболее полно эта революция отражена в трудах Аристотеля. Он утвердил своеобразный канон организации научного исследования (история вопроса, постановка проблемы, аргументы за и против, обоснование решения), дифференцировал само знание, отделив науки о природе от математики и метафизики
7 слайд
Описание слайда:
2. Ньютоновская научная революция (XVI-XVIII века) Ее исходным пунктом считается переход от геоцентрической модели мира к гелиоцентрической, этот переход был обусловлен серией открытий, связанных с именами Н. Коперника, Г. Галилея, И. Кеплера, Р. Декарта, И. Ньютон сформулировал базовые принципы новой научной картины мира в общем виде 3. Эйнштейновская революция (рубеж XIX-XX веков) Ее обусловила серия открытий (открытие сложной структуры атома, явление радиоактивности, дискретного характера электромагнитного излучения и т.д.). В итоге была подорвана, важнейшая предпосылка механистической картины мира – убежденность в том, что с помощью простых сил действующих между неизменными объектами можно объяснить все явления природы
8 слайд
Описание слайда:
Основной проблемой химии является получение веществ с заданными свойствами химия неорганическая органическая исследует свойства химических элементов и их простых соединений: щелочи, кислоты, соли изучает сложные соединения на основе углерода - полимеры, в том числе, созданные человеком: газы, спирты, жиры, сахара
9 слайд
Описание слайда:
1. Период алхимии - с древности до XVI в. нашей эры Характеризуется поисками философского камня, эликсира долголетия, алкагеста (универсального растворителя) 2. Период в течение XVI - XVIII веков Созданы теории Парацельса, теории газов Бойля, Кавендиша и др., теория флогистона Г. Шталя и теория химических элементов Лавуазье. Совершенствовалась прикладная химия, связанная с развитием металлургии, производства стекла и фарфора, искусства перегонки жидкостей и т.д. К концу XVIII века произошло упрочение химии как науки, независимой от других естественных наук
10 слайд
Описание слайда:
3. Первые шестьдесят лет XIX века Характеризуется возникновением и развитием атомной теории Дальтона, атомно-молекулярной теории Авогадро и формированием основных понятий химии: атом, молекула и др 4. С 60-х годов XIX века до наших дней Разработаны периодическая классификация элементов, теория ароматических соединений и стереохимия, электронная теория материи и т.д Расширился диапазон составных частей химии, как неорганическая химия, органическая химия, физическая химия, фармацевтическая химия, химия пищевых продуктов, агрохимия, геохимия, биохимия и т.д
11 слайд
Описание слайда:
«Алхимия» - это арабизированное греческое слово, которое понимается как «сок растений» 3 типа: греко-египетская арабская западно-европейская
12 слайд
Описание слайда:
Философская теория Эмпедокла о четырех элементах Земли (вода, воздух, земля, огонь) Согласно ей различные вещества на Земле различаются только по характеру сочетания этих элементов. Эти четыре элемента могут смешиваться в однородные вещества Важнейшей проблемой алхимии считался поиск философского камня Улучшили процесс очистки золота путем купеляции (нагревая богатую золотом руду со свинцом и селитрой) Выделение серебра путем сплавления руды со свинцом Получила развитие металлургия обыкновенных металлов Известен процесс получения ртути
13 слайд
Описание слайда:
Центром арабской алхимии стал Багдад. Персидский алхимик Джабир ибн Хайям описал нашатырный спирт технологию приготовления свинцовых белил способ перегонки уксуса для получения уксусной кислоты развил учение о нумерологии, связав арабские буквы с названиями веществ. Он предположил, что внутреннюю сущность каждого металла всегда раскрывают два из шести свойств. Например, свинец - холодный и сухой, золото - теплое и влажное. Горючесть он ассоциировал с серой, а «металличность» с ртутью, «идеальным металлом». Согласно учению Джабира, сухие испарения, конденсируясь в земле, дают серу, мокрые - ртуть. Сера и ртуть, соединясь затем в различных отношениях, и образуют семь металлов: железо, олово, свинец, медь, ртуть, серебро и золото. Таким образом, он заложил основы ртутно-серной теории. .
14 слайд
Описание слайда:
Монах-доминиканец Альберт фон Больштедт (1193-1280) – Альберт Великий детально описал свойства мышьяка, высказывал мнение о том, что металлы состоят из ртути, серы, мышьяка и нашатыря. Британский философ ХII в. – Роджер Бэкон (около 1214 - после 1294). возможный изобретатель пороха; писал о потухании веществ без доступа воздуха, писал о способности селитры взрываться с горящим углем. испанский врач Арнальдо де Виллановы (1240-1313) и Раймунд Луллия (1235-1313). попытки получить философский камень и золото (неудачно), изготовили бикарбонат калия. итальянский алхимик кардинал Джованни Фиданца (1121-1274) – Бонавентура получил раствор нашатыря в азотной кислоте. самый видный из алхимиков был испанцем, жил в XIV веке - Гебера описал серную кислоту и как образуется азотная кислота, отметил свойство царской водки воздействовать на золото, считавшееся до тех пор неподдающимся изменению
15 слайд
Описание слайда:
Василий Валентин (XIV в.) открыл серный эфир, соляную кислоту, многие соединения мышьяка и сурьмы, описал способы получения сурьмы и ее медицинское применение Теофраст фон Гогенгейм (Парацельс) (1493-1541) основатель ятрохимии – медицинской химии, достиг некоторого успеха в борьбе с сифилисом, одним из первых разрабатывал лекарственные средства для борьбы с умственными расстройствами, ему приписывают открытие эфира.
16 слайд
Описание слайда:
«Химия - наука, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения». Изучает природу и свойства различных химических связей, энергетику химических реакций, реакционную способность веществ, свойства катализаторов. основанием химии выступает двуединая проблема - получение веществ с заданными свойствами (на достижение ее направлена производственная деятельность человека) и выявление способов управления свойствами вещества (на реализацию этой задачи направлена научно-исследовательская работа ученых). Эта же проблема является одновременно и системообразующим началом химии.
17 слайд
Описание слайда:
1.В химии появляются многочисленные самостоятельные научные дисциплины (химическая термодинамика, химическая кинетика, электрохимия, термохимия, радиационная химия, фотохимия, плазмохимия, лазерная химия). 2. Химия активно интегрируется с остальными науками, результатом чего было появление биохимии (изучают химические процессы в живых организмах), молекулярной биологии, космохимии (изучает химический состав вещества во Вселенной, его распространенность и распределение по отдельным космическим телам), геохимии (закономерности поведения химических элементов в земной коре), биогеохимии (изучает процессы перемещения, распределения, рассеяния и концентрации химических элементов в биосфере при участии организмов. Основоположником биогеохимии является В. И. Вернадский).
18 слайд
Описание слайда:
3. В химии появляются принципиально новые методы исследования (рентгеновский структурный анализ, масс-спектроскопия, радиоспектроскопия и др.) Химия способствовала интенсивному развитию некоторых направлений человеческой деятельности. Например, хирургии химия дала три главных средства, благодаря которым современные операции стали безболезненными и вообще возможными: 1) введение в практику эфирного наркоза, а затем и других наркотических веществ; 2)использование антисептических средств для предупреждения инфекции; 3)получение новых, не имеющихся в природе аллопластических материалов-полимеров.
19 слайд
Описание слайда:
В химии большинство химических соединений (96%) - это органические соединения. В их основе лежат 18 элементов (наибольшее распространение имеют всего 6 из них). Химические связи этих элементов прочны (энергоемки) и лабильны. Углерод как никакой другой элемент отвечает этим требованиям. Он совмещает в себе химические противоположности, реализуя их единство. В развитии химии происходит строго закономерное, последовательное появление концептуальных систем. При этом вновь появляющаяся система опирается на предыдущую и включает ее в себя в преобразованном виде. Таким образом, система химии - единая целостность всех химических знаний, которые появляются и существуют не отдельно друг от друга, а в тесной взаимосвязи, дополняют друг друга и объединяются в концептуальные системы знаний, которые находятся между собой в отношениях иерархии.
20 слайд
Описание слайда:
Понятие о химическом элементе Р. Бойль положил начало современному представлению о химическом элементе как о простом теле, переходящем без изменения из состава одного сложного тела в другое. Основоположником системного освоения химических знаний явился Д. И. Менделеев. В 1869 г. открыл периодический закон и разработал Периодическую систему химических элементов, в которой основной характеристикой элементов являются атомные веса. В современном представлении периодический закон выглядит следующим образом: «Свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атома (порядкового номера)»
21 слайд
Описание слайда:
Расположение химических элементов в порядке возрастания атомной массы привело к выявлению периодической зависимости: химические свойства повторяются через каждые семь элементов на восьмой. По химическим свойствам выделились 4 группы: - металлы: К, Мg, Na, Fe – очень активны, легко соединяются с другими веществами, образуя соли, щелочи; - неметаллы: S, Se, Si, Cl – значительно менее активны; в соединениях образуют кислоты; - газы: C, O, H, N – в молекулярном состоянии неактивны, в атомарном – высоко активны; - инертные газы: Ne, Ar, Cr – не вступают в химические соединения с другими веществами.
22 слайд
Описание слайда:
В связи с открытиями в ядерной физике, стало известно, что валентность отражает количество электронов на последней орбитали, а также химическую активность элементов: чем меньше электронов на последней орбитали, - тем более они активны: щелочные и щелочно-земельные металлы – это 1-2 электрона, которые слабо удерживаются ядром и легко теряются атомом. Чем больше электронов на последней орбите, тем пассивнее химический элемент: например, медь, серебро, золото - среди металлов. Неметаллам с нарастающей валентностью свойственно захватывать электроны других элементов. У инертных газов валентность равна 8, и они не вступают в химические реакции. Поэтому их еще называют «благородными».
23 слайд
Описание слайда:
Важнейшей особенностью основной проблемы химии является то, что она имеет всего четыре способа решения вопроса. Свойства вещества зависят от четырех факторов: 1) от элементного и молекулярного состава вещества; 2) от структуры молекул вещества; 3) от термодинамических и кинетических условий, в которых вещество находится в процессе химической реакции; 4) от уровня химической организации вещества. Современную картину химических знаний объясняют с позиций четырех концептуальных систем. На рисунке показано последовательное появление новых концепций в химической науке, которые опирались на предыдущие достижения.
24 слайд
Описание слайда:
Химическим элементом называют все атомы, имеющие одинаковый заряд ядра. Особой разновидностью химических элементов являются изотопы, у которых ядра атомов отличаются числом нейтронов (поэтому у них разная атомная масса), но содержат одинаковое число протонов и поэтому занимают одно и тоже место в периодической системе элементов. Термин «изотоп» был введен в 1910 г. английским радиохимиком Ф. Содди. Различают стабильные (устойчивые) и нестабильные (радиоактивные) изотопы. Наибольший интерес вызвали радиоактивные изотопы, которые стали широко использоваться в атомной энергетике, приборостроении, медицине. Первым был открыт химический элемент фосфор в 1669 г., потом кобальт, никель и другие. Открытие французским химиком А. Л. Лавуазье кислорода и установление его роли в образовании различных химических соединений позволило отказаться от прежних представлений об «огненной материи» (флогистоне). В Периодической системе Д.И. Менделеева насчитывалось 62 элемента, в 1930-е гг. она заканчивалась ураном. В 1999 г. было сообщено, что путем физического синтеза атомных ядер открыт 114-й элемент
25 слайд
Описание слайда:
В начале XIX в. Ж. Пруст сформулировал закон постоянства состава, в соответствии с которым любое химическое соединение обладает строго определенным, неизменным составом и тем самым отличается от смесей. Теоретически обосновал закон Пруста Дж. Дальтон в законе кратных отношений. Согласно этому закону состав любого вещества можно было представить как простую формулу, а эквивалентные составные части молекулы - атомы, обозначавшиеся соответствующими символами, - могли замещаться на другие атомы. Химическое соединение состоит из одного, двух и более разных химических элементов. С открытием сложного строения атома стали ясны причины связи атомов, взаимодействующих друг с другом, которые указывают на взаимодействие атомных электрических зарядов, носителями которых оказываются электроны и ядра атомов.
26 слайд
Описание слайда:
Ковалентная связь осуществляется за счет образования электронных пар, в одинаковой мере принадлежащих обоим атомам. Ионная связь представляет собой электростатическое притяжение между ионами, образованное за счет полного смещения электрической пары к одному из атомов. Металлическая связь - это связь между положительными ионами в кристаллах атомов металлов, образующаяся за счет притяжения электронов, но перемещающаяся по кристаллу в свободном виде.
27 слайд
Описание слайда:
Первая половина XIX в Ученые убеждены, что свойства веществ и их качественное разнообразие обусловлены не только составом элементов, но и структурой их молекул. Сотни тысяч химических соединений, состав которых состоит из нескольких элементов-органогенов (углерода, водорода, кислорода, серы, азота, фосфора). Органогены - элементы, составляющие основу живых систем. В состав биологически важных компонентов живых систем входят еще 12 элементов: натрий, калий, кальций, магний, железо, цинк, кремний, алюминий, хлор, медь, кобальт, бор. На основе шести органогенов и еще около 20 других элементов природа создала около 8 млн. различных химических соединений, обнаруженных к настоящему времени. 96% из них приходится на органические соединения.
28 слайд
Описание слайда:
Возникновение структурной химии означало, что появилась возможность для целенаправленного качественного преобразования веществ, для создания схемы синтеза любых химических соединений. Основы структурной химии были заложены Дж. Дальтоном, который показал, что любое химическое вещество представляет собой совокупность молекул, состоящих из определенного количества атомов одного, двух или трех химических элементов. И.-Я. Берцелиус выдвинул идею, что молекула представляет собой не простое нагромождение атомов, а определенную упорядоченную структуру атомов, связанных между собой электростатическими силами. Бутлеров впервые в истории химии обратил внимание на энергетическую неравноценность разных химических связей. Эта теория позволила строить структурные формулы любого химического соединения, так как показывала взаимное влияние атомов в структуре молекулы, а через это объясняла химическую активность одних веществ и пассивность других.
29 слайд
Описание слайда:
В основе учения находятся химическая термодинамика и кинетика. Основоположник этого направления стал русский химик Н.Н. Семенов, основатель химической физики. Важнейшей задачей химиков становится умение управлять химическими процессами, добиваясь нужных результатов. Методы управления химическими процессами делятся термодинамические (влияют на смещение химического равновесия реакции) кинетические (влияют на скорость протекания химической реакции). Французский химик Ле Шателье в конце XIX в. сформулировал принцип равновесия, т.е. метод смещения равновесия в сторону образования продуктов реакции. Каждая реакция обратима, но на практике равновесие смещается в ту или иную сторону. Это зависит как от природы реагентов, так и от условий процесса. Реакции проходят ряд последовательных стадий, которые составляют полную реакцию. Скорость реакции зависит от условий протекания и природы веществ, вступивших в нее: концентрация температура катализаторы
30 слайд
Описание слайда:
Катализ(1812 г) - ускорение химической реакции в присутствии особых веществ - катализаторов, которые взаимодействуют с реагентами, но в реакции не расходуются и не входят в конечный состав продуктов. Типы: гетерогенный катализ - химическая реакция взаимодействия жидких или газообразных реагентов на поверхности твердого катализатора; гомогенный катализ - химическая реакция в газовой смеси или в жидкости, где растворены катализатор и реагенты; электрокатализ - реакция на поверхности электрода в контакте с раствором и под действием электрического тока; фотокатализ - реакция на поверхности твердого тела или в жидком растворе, стимулируется энергией поглощенного излучения. Применение катализаторов: при производстве маргарина многих пищевых продуктов средств защиты растений
31 слайд
Описание слайда:
Задача органического синтеза – создание веществ со специфическими свойствами, не существующие в природе и обладающие почти неограниченным сроком жизни. Все искусственные полимеры практически не разрушаются в естественных условиях, не теряют своих свойств в течение 50-100 лет. Единственный способ их утилизации – уничтожение: либо сжигание, либо затопление. При сжигании углеводородов, выделяется углекислота – один из основных загрязнителей атмосферы, наряду с метаном и хлорсодержащими веществами. Именно она ответственна за катастрофические процессы в атмосфере, которые находят выражение в эффекте климатических изменений. Новые популярные источники энергии ХХI: биоэтанол, электричество, энергия солнечная батарей, водород и обычная вода.
32 слайд
Описание слайда:
Биоэтанол – это возобновляемый вид топлива. Этанол может добываться различными способами. Например, из зерновых культур: кукурузы, пшеницы, ячменя и корнеплодов - из картофеля, сахарной свеклы и т.п. Сложность заключается в том, что это не совсем рентабельный источник энергии: для его развития необходимы дополнительные территории и вода. Кроме того, добыча этанола в технических целях – угроза пищевой безопасности на планете. Еще одно популярное направление исследований альтернативных источников энергии – возможность использования энергии нашей звезды. В 2009 г. на ежегодной выставке-ярмарке автомобилей японские автопроизводители демонстрировали автомобили, которые работают на основе энергии расщепления молекул воды. Энергия синтеза воды из молекул водорода и кислорода сопровождается выбросом энергии, которая используется в двигателях.
33 слайд
Описание слайда:
Прикладная химия предлагает новые материалы, которые способны заменить металлы, хлопок, лен, шелк, дерево. Французы нашли способ производства бумаги из отходов сахарного производства. Долговечность пластика и синтетических материалов в данном случае – благо, спасение от техногенных катастроф. Силикон, который уже давно и с успехом используют в пластической хирургии и косметологии, японские инженеры рискнули применить для замены металлического корпуса автомобиля. Машины не деформируются, люди не страдают в авариях. Дедерон, лайкра, эластан – материалы, которые активно используют в легкой, текстильной, чулочно-носочной индустрии. Очень популярны гибридные ткани, в которых присутствуют молекулы натуральных материалов: льна, хлопка и синтетические материалы вроде эластанов. Искусственные шелка, искусственные мех, искусственные кожи – все это пути снижения антропогенного давления на животные и растительные виды. Органический синтез и прикладная химия открывает широкую дорогу для замены естественного – искусственным, снижая индустриальный прессинг на среду обитания.
34 слайд
Описание слайда:
Вопрос утилизации пластмасс, твердых промышленных и бытовых отходов решается за счет улучшения дорог. В 1980-е гг. были изобретены и синтезированы первые пластики, способные к биологическому разложению. Канадский химик Джеймс Гуиллер, которого ужаснули груды пустых пластиковых бутылок, разбросанные вдоль итальянских дорог, задумался о возможности их разрушения в естественных условиях и в небольшие сроки. Гуиллер синтезировал первый экологически чистый пластик – биопал, который разлагается бактериями, живущими в почве. В 90-е гг. химики занялись поиском технологий отхода от традиционного сырья для производства пластмасс - нефтепродуктов. В ХХI в. был наконец найден катализатор, позволяющий создавать пластик из апельсиновой кожуры и углекислоты. Он был синтезирован на основе лимонина – органического вещества, входящего в состав цитрусовых. Пластик получил название полилимонин карбонат. Внешне он похож на пенопласт, а его качества не уступают качествам традиционных пластмасс
35 слайд
Описание слайда:
Создание искусственных материалов на основе нанотехнологий. Корень «нано» с древнегреческого переводится как «малыш», «карлик». «Нанотехнологии – это способы манипулирования веществом на атомном и молекулярном уровне, в результате чего оно приобретает принципиально новые, уникальные химические, физические и биологические свойства». Один из опытов по наноманипулированию датируется уже IХ столетием. Это изобретение знаменитой дамасской стали, не заменимой в жестоких сражениях Средневековья. Сегодня нанопроизводства заняты созданием сверхтонких, сверхпрочных материалов, которые можно использовать на нашей планете и в космическом пространстве. Лидеры в создании наноматериалов – США и Европа.
36 слайд
Описание слайда:
Успехи в синтезе наноматериалов российскими учеными Наноструктурированные композитные материалы для изготовления арф высокого качества, которые гораздо дешевле в производстве, чем традиционные музыкальные инструменты. Очень возможно, что драгоценные скрипки, созданные искусными руками Гварнери и Страдивари, также имеют отношение к нанопроизводству. Радиоэкранирующие и радиозащищающие материалы на основе кремния, которые отражают вредные излучения и могут быть использованы для защиты военной техники, экранируют более 99% электромагнитного излучения. Наноалмазы. Это искусственные материалы, содержащие алмазы, – твердые, стойкие к коррозии, к износу. Их можно использовать в нефтяной и металлургической промышленности для бурения скважин и при резке металла. Наноалмазы добавляют в смазочно-охлаждающие жидкости в качестве катализаторов химических реакций.
37 слайд
Описание слайда:
ВЫВОДЫ Химическая наука на ее высшем эволюционном уровне углубляет представления о мире. Концепции эволюционной химии, в том числе о химической эволюции на Земле, о самоорганизации и самосовершенствовании химических процессов, о переходе от химической эволюции к биогенезу, являются убедительным аргументом, подтверждающим научное понимание происхождения жизни во Вселенной. Химическая эволюция на Земле создала все предпосылки для появления живого из неживой природы. Жизнь во всем ее многообразии возникла на Земле самопроизвольно из неживой материи, она сохранилась и функционирует уже миллиарды лет. Жизнь полностью зависит от сохранения соответствующих условий ее функционирования. А это во многом зависит от самого человека.
(структурные уровни организации материи с точки зрения химии).
Химия – одна из отраслей естествознания, предметом изучения которой являются химические элементы (атомы), образуемые ими простые и сложные вещества (молекулы), их превращения и законы, которым подчиняются эти превращения. По определению Д.И. Менделеева (1871), "химию в современном ее состоянии можно назвать учением об элементах". Происхождение слова "химия" выяснено не окончательно. Многие исследователи полагают, что оно происходит от старинного наименования Египта – Хемия (греч. Chemía, встречается у Плутарха), которое производится от "хем" или "хаме" – черный и означает "наука черной земли" (Египта), "египетская наука".
Современная химия тесно связана как с другими науками, так и со всеми отраслями народного хозяйства. Качественная особенность химической формы движения материи и ее переходов в другие формы движения обусловливает разносторонность химической науки и ее связей с областями знания, изучающими и более низшие, и более высшие формы движения. Познание химической формы движения материи обогащает общее учение о развитии природы, эволюции вещества во Вселенной, содействует становлению целостной материалистической картины мира. Соприкосновение химии с другими науками порождает специфические области взаимного их проникновения. Так, области перехода между химией и физикой представлены физической химией и химической физикой. Между химией и биологией, химией и геологией возникли особые пограничные области - геохимия, биохимия, биогеохимия, молекулярная биология. Важнейшие законы химии формулируются на математическом языке и теоретическая химия также не может развиваться без математики. Химия оказывала и оказывает влияние на развитие философии и сама испытывала и испытывает ее влияние. Исторически сложились два основных раздела химии: неорганическая химия, изучающая в первую очередь химические элементы и образуемые ими простые и сложные вещества (кроме соединений углерода), и органическая химия, предметом изучения которой являются соединения углерода с другими элементами (органические вещества). До конца 18 в. термины "неорганическая химия" и "органическая химия" указывали лишь на то, из какого "царства" природы (минерального, растительного или животного) получались те или иные соединения. Начиная с 19 в. эти термины стали указывать на присутствие или отсутствие углерода в данном веществе. Затем они приобрели новое, более широкое значение. Неорганическая химия соприкасается прежде всего с геохимией и далее с минералогией и геологией, т.е. с науками о неорганической природе. Органическая химия представляет отрасль химии, которая изучает разнообразные соединения углерода вплоть до сложнейших биополимерных веществ; через органическую и биоорганическую химию Химия граничит с биохимией и далее с биологией, т.е. с совокупностью наук о живой природе. На стыке между неорганической и органической химией находится область элементоорганических соединений. В химии постепенно сформировались представления о структурных уровнях организации вещества. Усложнение вещества, начиная от низшего, атомарного, проходит ступени молекулярных, макромолекулярных, или высокомолекулярных, соединений (полимер), затем межмолекулярных (комплекс, клатрат, катенан), наконец, многообразных макроструктур (кристалл, мицелла) вплоть до неопределенных нестехиометрических образований. Постепенно сложились и обособились соответствующие дисциплины: химия комплексных соединений, полимеров, кристаллохимия, учения о дисперсных системах и поверхностных явлениях, сплавах и др.
Изучение химических объектов и явлений физическими методами, установление закономерностей химических превращений, исходя из общих принципов физики, лежит в основе физической химии. К этой области химии относится ряд в значительной мере самостоятельных дисциплин: термодинамика химическая, кинетика химическая, электрохимия, коллоидная химия, квантовая химия и учение о строении и свойствах молекул, ионов, радикалов, радиационная химия, фотохимия, учения о катализе, химических равновесиях, растворах и др. Самостоятельный характер приобрела аналитическая химия, методы которой широко применяются во всех областях химии и химической промышленности. В областях практического приложения химии возникли такие науки и научные дисциплины, как химическая технология с множеством ее отраслей, металлургия, агрохимия, медицинская химия, судебная химия и др.
Внешний мир, существующий независимо от человека и его сознания, представляет собой различные виды движения материи. Материя существует в вечном движении, мерой которого выступает энергия. Наиболее изучены такие формы существования материи как вещество и поле. В меньшей степени наука проникла в сущность вакуума и информации как возможных форм существования материальных объектов.
Под веществом понимают устойчивую совокупность частиц (атомов, молекул и др.), обладающих массой покоя. Поле рассматривается как материальная среда, обеспечивающая взаимодействие частиц. Современная наука считает, что поле представляет собой поток квантов, не обладающих массой покоя.
Окружающие человека материальные тела состоят из различных веществ. При этом телами называют объекты реального мира, обладающие массой покоя и занимающие определенный объем пространства.
Каждое тело имеет свои физические параметры и свойства. А вещества, из которых они состоят, обладают химическими и физическими свойствами. В качестве физических свойств можно назвать агрегатные состояния вещества, плотность, растворимость, температура, цвет, вкус, запах и др.
Различают твердое, жидкое, газообразное и плазменное агрегатные состояния вещества. В нормальных условиях (температура 20 градусов Цельсия, давление 1 атмосфера) различные вещества находятся в разных агрегатных состояниях. Например: сахароза, хлорид натрия (соль), сера – это твердые тела; вода, бензол, серная кислота – жидкости; кислород, диоксид углерода, метан – газы.
Главной задачей химии как науки является выявление и описание таких свойств вещества, которые позволяют превращать одни вещества в другие на основе химических реакций.
Химические превращения – это особая форма движения материи, которая обусловлена взаимодействием атомов, приводящим к образованию молекул, ассоциантов и агрегатов.
С точки зрения химической организации атом является исходным уровнем в общей структуре материи.
Химия, таким образом, изучает особую «химическую» форму движения материи, характерной особенностью которой является качественное превращение вещества.
Химия – это наука, изучающая превращение одних веществ в другие, сопровождающееся изменением их состава и структуры, а также исследует взаимные переходы между этими процессами.
Термин «естествознание» означает знание о природе или природоведение. Начало изучению природы положила натурфилософия («природоведение» в переводе с немецкого «naturphilosophie»; а в переводе с латинского – «natura» – природа, «Sophia» – мудрость).
В ходе развития каждой науки, в том числе и химии, развивался математический аппарат, понятийный аппарат теорий, совершенствовалась экспериментальная база и техника эксперимента. Как результат возникла полная дифференциация в предметах исследования различных естественных наук. Химия в основном исследует атомный и молекулярный уровень организации материи, что представлено на рис. 8.1.
Рис. 8.1. Уровни материи, изучаемые химической наукой
Основные понятия и законы химии
В основе современного естествознания лежит принцип сохранения материи, движения и энергии. Сформулированный М.В. Ломоносовым в 1748 г. Этот принцип прочно вошел в химическую науку. В 1756 г. М.В. ломоносов, изучая химические процессы, обнаружил постоянство общей массы веществ, участвующих в химической реакции. Это открытие стало важнейшим законом химии – законом сохранения и взаимосвязи массы и энергии. В современной трактовке он формулируется следующим образом: масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе веществ, образовавшихся в результате реакции.
В 1774 г. Знаменитый французский химик А. Лавуазье дополнил закон сохранения массы представлениями о неизменности масс каждого из веществ, участвующих в реакции.
В 1760 г. М.В. Ломоносов сформулировал закон сохранения энергии: энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно, она превращается из одного вида в другой. Немецкий ученый Р. Майер в 1842 г. Экспериментально подтвердил данный закон. А английский ученый Джоуль установил эквивалентность различных видов энергии и работы (1кал= 4,2 Дж). Для химических реакций этот закон формулируется следующим образом: энергия системы, включающей вещества, вступившие в реакцию, равна энергии системы, включающей вещества, образовавшиеся в результате реакции.
Закон постоянства состава был открыт французским ученым Ж. Прустом (1801г.): всякое химически чистое индивидуальное вещество имеет всегда один и тот же количественный состав независимо от способа его получения. Другими словами, как бы не получали воду –при сгорании водорода или при разложении гидроксида кальция (Ca (OH)2) отношение масс водорода и кислорода в ней равно 1:8.
В 1803г. Дж. Дальтон (английский физик и химик) открыл закон кратных отношений, согласно которому, если два элемента образуют между собой несколько соединений, то массы одного из элементов, приходящиеся на одну и ту же массу другого, относятся между собой как небольшие целые числа. Этот закон является подтверждением атомистических представлений о структуре материи. Если элементы соединяются в кратных отношениях, то химические соединения различаются на целые атомы, которые представляют собой наименьшее количество элемента, вступившего в соединение.
Важнейшим открытием химии XIX столетия является закон Авогадро. В результате количественных исследований реакций между газами французский физик Ж.Л. Гей-Люссак установил, что объемы реагирующих газов относятся между собой и к объемам образующихся газообразных продуктов, как небольшие целые числа. Объяснение этому факту и дает закон Авогадро (открытый итальянским химиком А. Авогадро в 1811г.): в равных объемах любых газов, взятых при одинаковой температуре и давлении, содержится одинаковое число молекул.
Закон эквивалентов часто применяется в химических расчетах. Из закона постоянства состава следует, что взаимодействие элементов друг с другом совершается в строго определенных (эквивалентных) соотношениях. Поэтому термин эквивалент утвердился в химической науке в качестве основного. Эквивалентом элемента называют такое его количество, которое соединяется с одним молем водорода или замещает тоже количество атомов водорода в химических реакциях. Масса одного эквивалента химического элемента называется его эквивалентной массой. Представления об эквивалентах и эквивалентных массах применимы и к сложным веществам. Эквивалентом сложного вещества называется такое его количество, которое взаимодействует без остатка с одним эквивалентом водорода или с одним эквивалентом любого другого вещества. Формулировка закона эквивалентов была дана Рихтером в конце XVIII века: все вещества реагируют друг с другом в количествах, пропорциональных их эквивалентам. Другая формулировка этого закона гласит: массы (объемы) реагирующих друг с другом веществ пропорциональны их эквивалентнвм массам (объемам). Математическая запись этого закона имеет вид: m 1: m 2 = Э 1: Э 2 , где m 1 и m 2 – массы взаимодействующих веществ, Э 1 и Э 2 – эквивалентные массы этих веществ, выраженные в кг/моль.
Важную роль играет периодический закон Д.И. Менделеева, современная трактовка которого гласит, что порядок расположения и химические свойства элементов определяются зарядом ядра.
Научное знание в своих процессах интеграции и дифференциации, а именно в их единстве, являются важной закономерностью развития науки.
Наука как система знаний в своем развитии прошла длинный путь, и превратилась из науки включающей в себя от двух десятков научных дисциплин, таких как философия, геометрия, астрономия, география, медицина и пр., до науки – сложной и разветвленной системы объединяющей около пятнадцати тысяч различных научных дисциплин.
Развитию науки способствовали такие вехи в истории как изобретение телескопа, микроскопа, что позволило человеку заглянуть глубже в мир природных объектов и расширить свои знания.
Рост научного знания привел к тому, что в общей науке начали выделяться различные ее направления, разделы и подразделы, таким образом, происходил процесс дифференциации, при этом возникают смежные естественно-научные дисциплины, такие как биохимия, физическая химия и другие.
На современном этапе развития естествознания можно отметить, что процессы дифференциации уступили место лидерства интегративным процессам. Интеграция естественно-научного познания становиться ведущей закономерностью его развития, что находит свое проявление в различных формах. Так, например, процесс интеграции можно обнаружить в организации исследований на стыке смежных научных дисциплин, в разработке научных методов, таких как хроматография или спектральный анализ, применяемых и в качественной химии и используемый в биологических анализах. Интеграция характерна для теории и принципов, к единству которых сейчас сводят все бесконечное разнообразие явлений природы, так в физике происходит процесс объединения всех типов фундаментальных взаимодействий. Интеграция проявляется и в решение многих научных проблем, где необходим комплексный подход, где необходимо применить знания из нескольких научных сфер.
Таким образом, процессы дифференциация и интеграция в развитии естествознания это не взаимоисключающие, а взаимодополняющие тенденции в развитии научного познания.
Гелиоцентрическая система Н. Коперника и ее значение для естествознания
Главный труд выдающегося польского ученого Николая Коперника (1473-1543) - создание гелиоцентрической системы опубликованной в книге «Об обращении небесных миров», явилось итогом его наблюдений и размышлений в течение более 30 лет. В итоге, в результате сложных математических вычислений Н.Коперник показал, что Земля - только одна из планет, а все планеты обращаются вокруг Солнца.
Изыскания Н.Коперника позволило изменить ложный взгляд на устройство Вселенной, которое существовало в странах почти полтора тысячелетия. Это ложное учение Птолемея утверждало, что Земля неподвижно покоится в центре Вселенной. Такое длительное существование учение Птолемея и его непоколебимость можно объяснить тем, что последователи Птолемея в угоду церкви придумывали все новые «разъяснения» и «доказательства» движения планет вокруг Земли, чтобы сохранить «истинность» и «святость» его ложного учения, но это привело только к тому, что система Птолемея приобрела статус надуманности и искусственности.
В своей книге Н.Коперник утверждает, что Земля и другие планеты - это спутники Солнца. Он показывает, что именно движение Земли вокруг солнца и ее суточным вращением вокруг своей оси объясняется видимое движение Солнца. Коперник объяснял, что мы воспринимаем движение далеких небесных тел так же, как и перемещение различных предметов на Земле. Нам кажется, что Солнце движется вокруг Земли, на самом деле Земля движется вокруг Солнца и в течение года совершает полный оборот по своей орбите.
Коперник полагал, что Вселенная ограничена сферой неподвижных звезд, которые расположены на невообразимо огромных, конечных расстояниях от нас и от Солнца. В учении Коперника утверждалась огромность Вселенной и бесконечность ее. Коперник также впервые в астрономии не только дал правильную схему строения Солнечной системы, но и определил относительные расстояния планет от солнца и вычислил период их обращения вокруг него.
Учение Н.Коперника о солнечной системе – гелиоцентрическое - утверждалось в жесточайшей борьбе с религией, которое подрывало основы религиозного мировоззрения и открывало широкий путь к научному познанию явлений природы.
Принципиальное отличие этой системы мира от прежних теорий состояло в том, что в ней концепция единого однородного пространства и равномерности течения времени обрела реальный эмпирический базис. Признав подвижность Земли, Коперник в своей теории отверг все ранее существовавшие представления о ее уникальности, «единственности» центра вращения во Вселенной. Тем самым теория Коперника не только изменила существовавшую модель Вселенной, но и направила движение естественно-научной мысли к признанию безграничности и бесконечности пространства.
Квантово-полевая физическая картина
В основе современной квантово-полевой картины мира лежит новая физическая теория - квантовая механика, описывающая состояние и движение микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем, а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми на опыте. Законы квантовой механики составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволяют выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, изучить свойства элементарных частиц.
В соответствии с квантово-полевой картиной мира любой микрообъект, обладая волновыми и корпускулярными свойствами, не имеет определенной траектории движения и не может иметь определенных координат и скорости (импульса). В квантовой механике, в отличие от классической физики, поведение каждой микрочастицы подчиняется нединамическим, а статистическим законам.
Общая картина реальности в квантово-полевой картине мира как бы двупланова: с одной стороны, в нее входят характеристики исследуемого объекта, а с другой - условия наблюдения, от которых зависит определенность этих характеристик. Это означает, что картина реальности в современной физике является не только картиной объекта, но и картиной процесса его познания.
Спецификой квантово-полевых представлений о закономерности и причинности является то, что они всегда выступают в вероятностной форме, в виде так называемых статистических законов, которые способствуют более глубокому уровню познания природных закономерностей. Таким образом, в основе мира лежат случайность, вероятность.
Химическая картина мира
На основе системы химических наук складывается химическая картина мира - взгляд на природу с точки зрения химии, определяющий при этом место и роль химических объектов и процессов во всем реальном природном многообразии. Содержание химической картины мира включает:
· обобщенное знание о том, что представляют собой объекты живой и неживой природы со стороны их химического содержания, например, учение о многообразии частиц вещества, о его химической организации;
· представление о происхождении всех основных типов природных объектов, их естественной эволюции;
· зависимость химических свойств природных объектов от их структуры;
· общие закономерности природных процессов как процессов химического взаимодействия реагирующих веществ не только друг с другом, но и с окружающей средой;
· знание о специфических объектах, синтезируемых в практической деятельности химика.
Теория биохимической эволюции жизни (теория Опарина - Холдейна)
В 1924 году А.И. Опарин высказал предположение, что около 4,5 млрд. лет назад атмосфера земли содержала аммиак, метан, углекислый газ и пары воды. Вследствие электрических разрядов в земной атмосфере на планете могли возникнуть простейшие органические соединения, а, следовательно, зародилась жизни. А.И. Опарин считал, что эти процессы могли происходить до тех пор, пока температура Земли не опустилась ниже 100°C, до тех пока вся вода находилась в парообразном состоянии, а атмосфера имела восстановительные свойства, то есть отсутствие в атмосфере кислорода было необходимым условием возникновения жизни.
Гипотеза А.И.Опарина о возникновении жизни на Земле опирается на представление о постепенном усложнении химической структуры и морфологического облика предшественников жизни (пробионтов) на пути к живым организмам. На стыке моря, суши и воздуха создавались благоприятные условия для образования сложных органических соединений. В концентрированных растворах белков, нуклеиновых кислот могут образовываться сгустки подобно водным растворам желатина. А.И.Опарин назвал эти сгустки коацерватными каплями или коацерватами. Коацерваты - это обособленные в растворе органические многомолекулярные структуры.
Гипотеза Опарина была доказана в 1955 году американским исследователем С.Миллером, который пропуская электрические заряды через смесь газов и паров, получил простейшие жирные кислоты, мочевину, уксусную и муравьиную кислоты и несколько аминокислот. Таким образом, в середине XX века был экспериментально осуществлен абиогенный синтез белковоподобных и органических веществ в условиях, воспроизводящих условия первобытной Земли.
Подобную гипотезу о возникновении жизни в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам, то есть теорию происхождения первых живых существ из неживой материи разрабатывали Дж. Холдейн и Р. Бейтнер. Дж. Холдейн говорил: «Я полагаю, что обмен у первых организмов был направлен - а у первых синтетических организмов будет направлен - на синтез нуклеиновых кислот, способных служить матрицей в синтезе белка, а также на синтез одного или более белков, катализирующих образование нуклеиновых кислот и белков»
Но все-таки более детально теория была разработана советским биохимиком академиком А. И. Опариным в его книге «Возникновение жизни».
Теория этногенеза Л.Н. Гумилева
Механизм эволюции этносов, предложенный Гумилевым, близок синергетическому: воздействие извне (солнечное излучение), появление «пассионариев», точка бифуркации, становление и развитие этноса. Гумилев объясняет социальное развитие с помощью энергии Солнца. Солнце посылает импульсы, они приводят к так называемому пассионарному толчку. Пассионарный толчок приводит к появлению некоторого числа энергичных (пассионарных) личностей, а они, формируют этнос, ведя всех людей за собой.
Этногенез включает следующие этапы:
1) подъем - динамичная фаза;
2) «перегрев», надлом - акматическая фаза. Здесь этнос достигает своей высшей точки силы, после которой начинается спуск вниз.
3) переход в нормальное состояние - инерционная фаза. Главным становится лозунг «будь самим собой», каждый проявляет свою индивидуальность.
4) обскурация - фаза затухающих колебаний. Лозунг этой фазы: «будь, как все», продолжается рост культуры и накопление материальных ценностей, а этнос достигает гомеостаза. Природа или консервируется, или деградирует (в этом случае этнос гибнет). Забвение прошлого и настоящего ради будущего, приводит к губительным восстаниям и крушению. Гибель настигает этнос через 1200 лет под слиянием собственного разложения или нашествия других молодых и энергичных этносов.
При снижении солнечной активности защитные свойства ионосферы снижаются и отдельные кванты или пучки энергий могут пролететь невысоко над земной поверхностью; при этом они дадут жесткое излучение по своему пути, а оно, как известно, вызывает мутации.
Являясь частью живой биомассы, человек подвержен всем законам развития живого, в том числе, - закону группировки во внутривидовые таксоны, как группируются в популяции все виды живого на Земле, адаптируясь во вмещающих ландшафтах местообитания. Основой такой группировки служат трофические цепи перераспределения энергии (трофические цепи питания) в биоценозах вмещающих ландшафтов. Именно звенья этих трофических цепей определяют положение живых систем в биосфере планеты Земля и дают живым организмам биохимическую энергию для их функционирования. Этот естественнонаучный взгляд на природу системных процессов, протекающих в человеческих сообществах, лежит в основе биогеографической концепции этногенеза Л. Н. Гумилева.
Представители вида Homo sapiens, подобно всем иным видам живого, должны группироваться в своеобразные энергетические таксоны, в системы с функциональными характеристиками популяций. Структуры, состоящие из подобных систем, Л. Н. Гумилев отождествил с этносами. Сообщества человека популяционного уровня входят в сверхсистемы биоценозов.
Человек и природа: глобальные экологические проблемы
Влияние человечества на природу с появлением производства всё увеличивается, особенно значительно человек стал влиять на окружающую среду с развитием промышленных предприятий. При не полном сгорании углеродистых веществ в результате сжигания твердых отходов, с выхлопными газами и выбросами промышленных предприятий в воздух попадает, например, оксида углерода, что способствует повышению температуры на планете и как следствие к созданию парникового эффекта. А это в свою очередь приводит к глобальному изменению климата, засухам и наводнениям, и замечено таяние ледников в Антарктиде. Соединение фтора и хлора источниками, которых являются предприятия по производству алюминия, эмалей, стекла, органических красителей, и т.д., поступают в атмосферу в виде газообразных веществ и разрушают ее слои.
Помимо того, что выбросы вредных веществ приводят к гибели окружающей флоры и фауны, но и также усугубляют жизнь человека на планете Земля.
Еще одна проблема экологического характера – это загрязнение Мирового океана. Загрязнение вод нефтью и нефтепродуктами поступающих в моря и реки, с бытовыми и ливневыми стоками, а также при авариях на буровых, растекающихся по поверхности в виде пленки, губительно действует на всего живое в океане.
Разрушение озонового слоя атмосферы, а именно озона, являющегося важным компонентом, защищающего человека от вредных веществ, которые поступают из космоса. Разрушая этот слой человека, постепенно приводит себя к гибели.
Также в последнее время встает еще одна проблема – кислотные атмосферные осадки, выпадающие на поверхность, что приводит повышению кислотности почвенного покрова, что снижает плодородие почв и как следствие снижение урожайности и истощение почв. В связи с этим вносятся все большее количество удобрений, а это прямо сказывается на здоровье людей.
Сегодня запущенные процессы уже сложно остановить, поэтому человечеству нужно изменить сознание об использовании природных ресурсов, осознать проблемы охраны окружающей среды. Экологическое отношение человека к природе вместе с преобразующей силой самой Природы поможет избежать плачевных последствий.
Список литературы
1. Горелов А. А. Концепции современного естествознания. - М.: Центр, 1997. - 208 с.
2. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов / Под ред. проф. В.Н. Лавриненко, проф. В.П. Ратникова. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2006. - 317 с.
3. Кунафин М. С. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. Изд-е. – Уфа, 2003. – с. 485
Современная химическая картина мира
1. Предмет познания и важнейшие особенности химический науки
1 Специфика химии как науки
Для человека одной из важнейших естественных наук является химия - наука о составе, внутреннем строении и превращении вещества, а также о механизмах этих превращений.
«Химия - наука, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения». Она изучает природу и свойства различных химических связей, энергетику химических реакций, реакционную способность веществ, свойства катализаторов и т.д.
Химия всегда была нужна человечеству для того, чтобы получать из природных веществ материалы со свойствами, необходимыми для повседневной жизни и производства. Получение таких веществ - производственная задача, и, чтобы ее реализовать, надо уметь осуществлять качественные превращения вещества, т. е. из одних веществ получать другие. Чтобы этого добиться, химия должна справиться с теоретической проблемой генезиса (происхождения) свойств вещества.
Таким образом, основанием химии выступает двуединая проблема - получение веществ с заданными свойствами (на достижение ее направлена производственная деятельность человека) и выявление способов управления свойствами вещества (на реализацию этой задачи направлена научно-исследовательская работа ученых). Эта же проблема является одновременно и системообразующим началом химии.
2 Важнейшие особенности современной химии
В химии, прежде всего в физической химии, появляются многочисленные самостоятельные научные дисциплины (химическая термодинамика, химическая кинетика, электрохимия, термохимия, радиационная химия, фотохимия, плазмохимия, лазерная химия).
Химия активно интегрируется с остальными науками, результатом чего было появление биохимии, молекулярной биологии, космохимии, геохимии, биогеохимии. Первые изучают химические процессы в живых организмах, геохимия - закономерности поведения химических элементов в земной коре.
Биогеохимия - это наука о процессах перемещения, распределения, рассеяния и концентрации химических элементов в биосфере при участии организмов. Основоположником биогеохимии является В. И. Вернадский.
Космохимия изучает химический состав вещества во Вселенной, его распространенность и распределение по отдельным космическим телам.
В химии появляются принципиально новые методы исследования (рентгеновский структурный анализ, масс-спектроскопия, радиоспектроскопия и др.)?
Химия способствовала интенсивному развитию некоторых направлений человеческой деятельности. Например, хирургии химия дала три главных средства, благодаря которым современные операции стали безболезненными и вообще возможными:
) введение в практику эфирного наркоза, а затем и других наркотических веществ;
) использование антисептических средств для предупреждения инфекции;
) получение новых, не имеющихся в природе аллопластических материалов-полимеров.
В химии весьма отчетливо проявляется неравноценность отдельных химических элементов. Подавляющее большинство химических соединений (96% из более 8,5 тыс. известных в настоящее время) - это органические соединения. В их основе лежат 18 элементов (наибольшее распространение имеют всего 6 из них).
Это происходит в силу того, что, во-первых, химические связи прочны (энергоемки) и, во-вторых, они еще и лабильны. Углерод как никакой другой элемент отвечает всем этим требованиям энергоемкости и лабильности связей. Он совмещает в себе химические противоположности, реализуя их единство.
Однако подчеркнем, что материальная основа жизни не сводится ни к каким, даже самым сложным, химическим образованиям. Она не просто агрегат определенного химического состава, но одновременно и структура, имеющая функции и осуществляющая процессы. Поэтому невозможно дать жизни только функциональное определение.
В последнее время химия все чаще предпринимает штурм соседних с нею уровней структурной организации природы. Например, химия все более и более вторгается в биологию, пытаясь объяснить основы жизни.
В развитии химии происходит не смена, а строго закономерное, последовательное появление концептуальных систем. При этом вновь появляющаяся система опирается на предыдущую и включает ее в себя в преобразованном виде. Таким образом, появляется система химии - единая целостность всех химических знаний, которые появляются и существуют не отдельно друг от друга, а в тесной взаимосвязи, дополняют друг друга и объединяются в концептуальные системы знаний, которые находятся между собой в отношениях иерархии.
2. Концептуальные системы химии
1 Понятие о химическом элементе
Концепция химического элемента появилась в химии в результате стремления человека обнаружить первоэлемент природы. Р. Бойль положил начало современному представлению о химическом элементе как о простом теле, пределе химического разложения вещества, переходящем без изменения из состава одного сложного тела в другое. Но еще целый век после этого химики делали ошибки в выделении химических элементов: сформулировав понятие химического элемента, ученые еще не знали ни одного из них.
Химические знания до определенного времени накапливались эмпирически, пока не назрела необходимость в их классификации и систематизации, т.е. в теоретическом обобщении. Основоположником системного освоения химических знаний явился Д. И. Менделеев. Попытки объединения химических элементов в группы предпринимались и ранее, однако не были найдены определяющие причины изменений свойств химических веществ. Д. И. Менделеев исходил из принципа, что любое точное знание представляет систему. Такой подход позволил ему в 1869 г. открыть периодический закон и разработать Периодическую систему химических элементов. В его системе основной характеристикой элементов являются атомные веса. Периодический закон Д. И. Менделеева сформулирован в следующем виде:
«Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов».
Это обобщение давало новые представления об элементах, но в силу того, что еще не было известно строение атома, физический смысл его был недоступен. В современном представлении этот периодический закон выглядит следующим образом:
«Свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атома (порядкового номера)».
Простейшим химическим элементом является водород (1H), состоящий из одного протона (ядра атома, имеющего положительный заряд) и одного электрона, имеющего отрицательный заряд.
Баланс взаимоотношений в атоме водорода, между протоном и электроном, можно описать тождеством
Если учесть отношение масс
то мы получим первое представление о балансе взаимоотношений между протонами и электронами в химических элементах.
2 Магическая матрица периодической системы химических элементов
Приводится следующая структура Периодической таблицы Д.И.Менделеева. Приводимая ниже информация приводится только для ознакомления и последующего осознания, что современные представления о тайнах Периодической системы химических элементов еще далеки от Истины.
Этот рисунок дает четкие представления о строго эволюционном формировании Периодической таблицы, в полном соответствии с законами сохранения симметрии. Все оболочки, подоболочки оказываются здесь строго взаимосвязаны и взаимообусловлены. Каждый химический элемент занимает в этом многомерном и многоуровневом "кубе" строго определенную эволюционную нишу.
В монографиях "Основы миологии", "Миология" были рассмотрены свойства магической матрицы, отражающей свойства подоболочек и оболочек Периодической системы химических элементов.
Из этой матрицы непосредственно видно
Количественный состав подоболочек и по горизонтали, и по вертикали матрицы одинаковы.
Группировки чисел, отражающие состав подоболочек Периодической системы характеризуют группировки этих подоболочек, разные по структуре. Но это так и должно быть, т.к. матрица является "отпечатком" пространственной структуры (монадного кристалла) на плоскость.
Главная диагональ матрицы является суммой всех чисел по горизонтали и по вертикали.
Эта магическая матрица химических элементов заслуживает самого пристального изучения.
Разве здесь не видно двойной спирали, в которой каждое число есть матрица строго определенной размерности?
Из этой матрицы, используя многомерные весы, можно непосредственно увидеть баланс взаимоотношений между подоболочками.
В этих матричных весах неукоснительно соблюдаются правила матричного умножения вектора-столбца на вектор-строку. Данные весы отражают баланс взаимоотношений между оболочками и подоболочками на восходящем участке эволюции химических элементов.
Здесь философским категориям восходящей и нисходящей спиралям нет места, ибо эти категории здесь имеют не философский, а чисто "химический" смысл. Теперь мы можем записать Периодическую систему в форме матричных тождеств, отражающих баланс взаимоотношений ее подоболочек и оболочек.
Нижеприведенный рисунок дает более полное представление о Периодической системе химических элементов.
Напомним, что здесь каждая клетка матрицы является двойственным числом, отражающим смысл взаимоотношения человека и общества. Этот рисунок более глубоко отражает сущность и собственно Периодической системы химических элементов, подтверждая справедливость высказывания: "В каждой самой элементарной частице содержится полная информация о всей вселенной".
Приведенные выше матричные тождества несут в себе самые сокровенные тайны не только химических элементов, но и вообще самых сокровенных тайн мироздания. Эти матричные тождества составлены в полном соответствии с законами сохранения симметрии.
Эта матрица несет в себе информацию не только о "проявленной" Периодической системе химических элементов, но и о ее "непроявленном", волновом "двойнике
Периодическая система химических элементов еще раз утверждает справедливость принципа корпускулярно-волнового дуализма, принцип единства "прерывного" и "непрерывного".
И сегодня наукой уже установлено, что у Периодической таблицы химических элементов (вещественных) есть двойник - Периодическая система химических элементов (волновых).
3 Современная картина химических знаний
Важнейшей особенностью основной проблемы химии является то, что она имеет всего четыре способа решения вопроса. Свойства вещества зависят от четырех факторов:
) от элементного и молекулярного состава вещества;
) от структуры молекул вещества;
) от термодинамических и кинетических условий, в которых вещество находится в процессе химической реакции;
) от уровня химической организации вещества.
Поскольку эти способы появлялись последовательно, мы можем в истории химии выделить четыре последовательно сменявших друг друга этапа ее развития. В то же время с каждым из названных способов решения основной проблемы химии связана своя концептуальная система знаний. Эти четыре концептуальных системы знания находятся в отношениях иерархии (субординации). В системе химии они являются подсистемами, так же как сама химия представляет собой подсистему всего естествознания в целом.
Современную картину химических знаний объясняют с позиций четырех концептуальных систем, которые схематично представлены на рис. I.
На рисунке показано последовательное появление новых, концепций в химической науке, которые опирались на предыдущие достижения, сохраняя в себе все необходимое для дальнейшего развития.
Даже невооруженным взглядом в этих этапах видна симметрия этапов.
В левой части тождества отношение отражает структурный аспект эволюции химии, правая часть тождества, напротив, отражает уже функциональный (процессы) аспект эволюции химии.
3.1 Первый уровень химического знания. Учение о составе вещества
Учение о составе веществ является первым уровнем химических знаний. До 20-30-х гг. XIX в. вся химия не выходила за пределы этого подхода. Но постепенно рамки состава (свойств) - стали тесны химии, и во второй половине XIX в. главенствующую роль в химии постепенно приобрело понятие «структура», ориентированное, что и отражено непосредственно в самом понятии, на структуру молекулы реагента.
Первый действенный способ решения проблемы происхождения свойств вещества появился в XVII в. в работах английского ученого Р. Бойля. Его исследования показали, что качества и свойства тел не имеют абсолютного характера и зависят от того, из каких химических элементов эти тела составлены. У Бойля наименьшими частичками вещества оказывались неосязаемые органами чувств мельчайшие частички (атомы), которые могли связываться друг с другом, образуя более крупные соединения - кластеры (по терминологии Бойля). В зависимости от объема и формы кластеров, от того, находились они в движении или покоились, зависели и свойства природных тел. Сегодня мы вместо термина «кластер» используем понятие «молекула».
В период с середины XVII в. до первой половины XIX в. учение о составе вещества представляло собой всю химию того времени. Оно существует и сегодня, представляя собой первую концептуальную систему химии. На этом уровне химического знания Ученые решали и решают три важнейшие проблемы: химического элемента, химического соединения и задачу создания новых материалов с вновь открытыми химическими элементами.
Химическим элементом называют все атомы, имеющие одинаковый заряд ядра. Особой разновидностью химических элементов являются изотопы, у которых ядра атомов отличаются числом нейтронов (поэтому у них разная атомная масса), но содержат одинаковое число протонов и поэтому занимают одно и тоже место в периодической системе элементов. Термин «изотоп» был введен в 1910 г. английским радиохимиком Ф. Содди. Различают стабильные (устойчивые) и нестабильные (радиоактивные) изотопы.
С момента открытия изотопов наибольший интерес вызвали радиоактивные изотопы, которые стали широко использоваться в атомной энергетике, приборостроении, медицине и т. д.
Первое научное определение химического элемента, когда еще не было открыто ни одного из них, сформулировал английский химик и физик Р. Бойль. Первым был открыт химический элемент фосфор в 1669 г., потом кобальт, никель и другие. Открытие французским химиком А. Л. Лавуазье кислорода и установление его роли в образовании различных химических соединений позволило отказаться от прежних представлений об «огненной материи» (флогистоне).
В Периодической системе Д.И. Менделеева насчитывалось 62 элемента, в 1930-е гг. она заканчивалась ураном. В 1999 г. было сообщено, что путем физического синтеза атомных ядер открыт 114-й элемент.
Концепция химических соединений. Долгое время химики эмпирическим путем определяли, что относится к химическим соединениям, а что - к простым телам или смесям. В начале XIX в. Ж. Пруст сформулировал закон постоянства состава, в соответствии с которым любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным, неизменным составом и тем самым отличается от смесей.
Теоретическое обоснование закона Пруста было дано Дж. Дальтоном в законе кратных отношений. Согласно этому закону состав любого вещества можно было представить как простую формулу, а эквивалентные составные части молекулы - атомы, обозначавшиеся соответствующими символами, - могли замещаться на другие атомы.
Химическое соединение - понятие более широкое, чем «сложное вещество», которое должно состоять из двух и более разных химических элементов. Химическое соединение может состоять и из одного элемента. Это О2, графит, алмаз и другие кристаллы без посторонних включений в их решетку в идеальном случае».
Дальнейшее развитие химии и изучение все большего числа соединений приводили химиков к мысли, что наряду с веществами, имеющими определенный состав, существуют еще и соединения переменного состава - бертоллиды. В результате были переосмыслены представления о молекуле в целом. Молекулой, как и прежде, продолжали называть наименьшую частичку вещества, способную определять его свойства и существовать самостоятельно. Но в XX в. была понята сущность химической связи, которая стала пониматься как вид взаимодействия между атомами и атомно-молекулярными частицами, обусловленный совместным использованием их электронов.
На этой концептуальной основе была разработана стройная атомно-молекулярная теория того времени, которая впоследствии оказалась не в состоянии объяснить многие экспериментальные факты конца XIX - начала XX вв. Картина прояснилась с открытием сложного строения атома, когда стали ясны причины связи атомов, взаимодействующих друг с другом. В частности, химические связи указывают на взаимодействие атомных электрических зарядов, носителями которых оказываются электроны и ядра атомов.
Существуют ковалентные, полярные, ионные и ионно-ковалентные химические связи, отличающиеся характером физического взаимодействия частиц между собой. Поэтому теперь под химическим соединением понимают определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет взаимодействия друг с другом объединены в частицу, обладающую устойчивой структурой: молекулу, комплекс, монокристалл или иной агрегат.
Осуществляют химические связи между атомами электроны, расположенные на внешней оболочке и связанные с ядром наименее прочно. Их назвали валентными электронами. В зависимости от характера взаимодействия между этими электронами различают ковалентную, ионную и металлическую химические связи.
Ковалентная связь осуществляется за счет образования электронных пар, в одинаковой мере принадлежащих обоим атомам.
Ионная связь представляет собой электростатическое притяжение между ионами, образованное за счет полного смещения электрической пары к одному из атомов.
Металлическая связь - это связь между положительными ионами в кристаллах атомов металлов, образующаяся за счет притяжения электронов, но перемещающаяся по кристаллу в свободном виде.
Химическая связь является таким взаимодействием, которое связывает отдельные атомы в более сложные образования, в молекулы, ионы, кристаллы, т.е. в те структурные уровни организации материи, которые изучает химическая наука. Химическую связь объясняют взаимодействием электрических полей, образующихся между электронами и ядрами атомов в процессе химических преобразований. Прочность химической связи зависит от энергии связи.
Основываясь на законах термодинамики, химия определяет возможность того или иного процесса, условия его осуществления, внутреннюю энергию. «Внутренняя энергия - это общий запас энергии системы, который складывается из энергии движения и взаимодействия молекул, энергии движения и взаимодействия ядер и электронов в атомах, в молекулах и т.п.».
2.3.2 Второй уровень химического знания
Многочисленные эксперименты по изучению свойств химических элементов в первой половине XIX в. привели ученых к убеждению, что свойства веществ и их качественное разнообразие обусловлены не только составом элементов, но и структурой их молекул. К этому времени в химическом производстве стала преобладать переработка огромных масс вещества растительного и животного происхождения. Их качественное разнообразие потрясающе велико - сотни тысяч химических соединений, состав которых крайне однообразен, так как они состоят из нескольких элементов-органогенов (углерода, водорода, кислорода, серы, азота, фосфора).
Наука считает, что только эти шесть элементов составляют основу живых систем, из-за чего они получили название органогенов. Весовая доля этих элементов в живом организме составляет 97,4%. Кроме того, в состав биологически важных компонентов живых систем входят еще 12 элементов: натрий, калий, кальций, магний, железо, цинк, кремний, алюминий, хлор, медь, кобальт, бор.
Особая роль отведена природой углероду. Этот элемент способен организовать связи с элементами, противостоящими друг другу, и удерживать их внутри себя. Атомы углерода образуют почти все типы химических связей. На основе шести органогенов и еще около 20 других элементов природа создала около 8 млн. различных химических соединений, обнаруженных к настоящему времени. 96% из них приходится на органические соединения.
Объяснение необычайно широкому разнообразию органических соединений при столь бедном элементном составе было найдено в явлениях изомерии и полимерии. Так было положено начало второму уровню развития химических знаний, который получил название структурной химии.
Структура - это устойчивая упорядоченность качественно неизменной системы (молекулы). Под данное определение подпадают все структуры, которые исследуются в химии: квантово-механические, основанные на понятиях валентности и химического сродства, и др.
Она стала более высоким уровнем по отношению к учению о составе вещества, включив его в себя. При этом химия из преимущественно аналитической науки превратилась в синтетическую. Главным достижением этого этапа развития химии стало установление связи между структурой молекул и реакционной способностью веществ.
Термин «структурная химия» условен. В нем подразумевается такой уровень химических знаний, при котором, комбинируя атомы различных химических элементов, можно создать структурные формулы любого химического соединения. Возникновение структурной химии означало, что появилась возможность для целенаправленного качественного преобразования веществ, для создания схемы синтеза любых химических соединений, в том числе и ранее неизвестных.
Основы структурной химии были заложены Дж. Дальтоном, который показал, что любое химическое вещество представляет собой совокупность молекул, состоящих из определенного количества атомов одного, двух или трех химических элементов. Затем И.-Я. Берцелиус выдвинул идею, что молекула представляет собой не простое нагромождение атомов, а определенную упорядоченную структуру атомов, связанных между собой электростатическими силами.
Важнейшим шагом в развитии структурной химии стало появление теории химического строения органических соединений русского химика A.M. Бутлерова, который считал, что образование молекул из атомов происходит за счет замыкания свободных единиц сродства, но при этом он указывал на то, с какой энергией (большей или меньшей) это сродство связывает вещества между собой. Иными словами, Бутлеров впервые в истории химии обратил внимание на энергетическую неравноценность разных химических связей. Эта теория позволила строить структурные формулы любого химического соединения, так как показывала взаимное влияние атомов в структуре молекулы, а через это объясняла химическую активность одних веществ и пассивность других.
В XX в. структурная химия получила дальнейшее развитие. В частности, было уточнено понятие структуры, под которой стали понимать устойчивую упорядоченность качественно неизменной системы. Также было введено понятие атомной структуры - устойчивой совокупности ядра и окружающих его электронов, находящихся в электромагнитном взаимодействии друг с другом, - и молекулярной структуры - сочетания ограниченного числа атомов, имеющих закономерное расположение в пространстве и связанных друг с другом химической связью с помощью валентных электронов.
Однако дальнейшее развитие химической науки и основанного на ее достижениях производства показали более точно возможности и пределы структурной химии.
Например, многие реакции органического синтеза на основе структурной химии давали очень низкие выходы необходимого продукта и большие отходы в виде побочных продуктов. Вследствие этого их нельзя было использовать в промышленном масштабе.
Структурная химия неорганических соединений ищет пути получения кристаллов для производства высокопрочных материалов с заданными свойствами, обладающих термостойкостью, сопротивлением агрессивной среде и другими качествами, предъявляемыми сегодняшним уровнем развития науки и техники. Решение этих вопросов наталкивается на различные препятствия. Выращивание, например, некоторых кристаллов требует исключения условий гравитации. Поэтому такие кристаллы выращивают в космосе, на орбитальных станциях.
3.3 Третий уровень химического знания. Учение о химических процессах
Учение о химических процессах - область науки, в которой осуществлена наиболее глубокая интеграция физики, химии и биологии. В основе этого учения находятся химическая термодинамика и кинетика, поэтому оно в равной степени принадлежит физике и химии. Одним из основоположников этого научного направления стал русский химик Н.Н. Семенов, основатель химической физики.
Учение о химических процессах базируется на идее, что способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется кроме всего прочего и условиями протекания химических реакций, которые могут оказывать воздействие на характер и результаты этих реакций.
Важнейшей задачей химиков становится умение управлять химическими процессами, добиваясь нужных результатов. В самом общем виде методы управления химическими процессами можно подразделить на термодинамические (влияют на смещение химического равновесия реакции) и кинетические (влияют на скорость протекания химической реакции).
Для управления химическими процессами разработаны термодинамический и кинетический методы.
Французский химик А. Лее Шателье в конце XIX в. сформулировал принцип подвижного равновесия, обеспечив химиков методами смещения равновесия в сторону образования целевых продуктов. Эти методы управления и получили название термодинамических. Каждая химическая реакция в принципе обратима, но на практике равновесие смещается в ту или иную сторону. Это зависит как от природы реагентов, так и от условий процесса.
Термодинамические методы преимущественно влияют на направление химических процессов, а не на их скорость.
Скоростью химических процессов управляет химическая кинетика, в которой изучается зависимость протекания химических процессов от строения исходных реагентов, их концентрации, наличия в реакторе катализаторов и других добавок, способов смешения реагентов, материала и конструкции реактора и т. п.
Химическая кинетика. Объясняет качественные и количественные изменения в химических процессах и выявляет механизм реакции. Реакции проходят, как правило, ряд последовательных стадий, которые составляют полную реакцию. Скорость реакции зависит от условий протекания и природы веществ, вступивших в нее. К ним относятся концентрация, температура и присутствие катализаторов. Описывая химическую реакцию, ученые скрупулезно отмечают все условия ее протекания, поскольку в других условиях и при иных физических состояниях веществ эффект будет разный.
Задача исследования химических реакций является очень сложной. Ведь практически все химические реакции представляют собой отнюдь не простое взаимодействие исходных реагентов, а сложные цепи последовательных стадий, где реагенты взаимодействуют не только друг с другом, но и со стенками реактора, могущими как катализировать (ускорять), так и ингибировать (замедлять) процесс.
Катализ - ускорение химической реакции в присутствии особых веществ - катализаторов, которые взаимодействуют с реагентами, но в реакции не расходуются и не входят в конечный состав продуктов. Он был открыт в 1812 г. российским химиком К. Г. С. Кирхгофом.
Сущность катализа сводится к следующему:
) активная молекула реагента достигается за счет их неполновалентного взаимодействия с веществом катализатора и состоит в расслаблении химических связей реагента;
) в общем случае любую каталитическую реакцию можно представить проходящей через промежуточный комплекс, в котором происходит перераспределение расслабленных (неполновалентных) химических связей.
Каталитические процессы различаются по своей физической и химической природе на следующие типы:
гетерогенный катализ - химическая реакция взаимодействия жидких или газообразных реагентов на поверхности твердого катализатора;
гомогенный катализ - химическая реакция в газовой смеси или в жидкости, где растворены катализатор и реагенты;
электрокатализ - реакция на поверхности электрода в контакте с раствором и под действием электрического тока;
фотокатализ - реакция на поверхности твердого тела или в жидком растворе, стимулируется энергией поглощенного излучения.
Применение катализаторов изменило всю химическую промышленность. Катализ необходим при производстве маргарина, многих пищевых продуктов, а также средств защиты растений. Почти вся промышленность основной химии (60-80 %) основаны на каталитических процессах. Химики не без основания говорят, что некаталитических процессов вообще не существует, поскольку все они протекают в реакторах, материал стенок которых служит своеобразным катализатором.
С участием катализаторов скорость некоторых реакций возрастает в 10 млрд раз. Есть катализаторы, позволяющие не просто контролировать состав конечного продукта, но и способствующие образованию молекул определенной формы, что сильно влияет на физические свойства продукта (твердость, пластичность).
В современных условиях одно из важнейших направлений развития учения о химических процессах - создание методов управления этими процессами. Поэтому сегодня химическая наука занимается разработкой таких проблем, как химия плазмы, радиационная химия, химия высоких давлений и температур.
Химия плазмы изучает химические процессы в низкотемпературной плазме при 1000-10 000 °С. Такие процессы характеризуются возбужденным состоянием частиц, столкновением молекул с заряженными частицами и очень высокими скоростями химических реакций. В плазмохимических процессах скорость перераспределения химических связей очень высока, поэтому они очень производительны.
Одним из самых молодых направлений в исследовании химических процессов является радиационная химия, которая зародилась во второй половине XX в. Предметом ее разработок - стали превращения самых разнообразных веществ под воздействием ионизирующих излучений. Источниками ионизирующего излучения служат рентгеновские установки, ускорители заряженных частиц, ядерные реакторы, радиоактивные изотопы. В результате радиационно-химических реакций вещества получают повышенную термостойкость и твердость.
Еще одна область развития учения о химических процессах - химия высоких и сверхвысоких давлений. Химические превращения веществ при давлениях выше 100 атм относятся к химии высоких давлений, а при давлениях выше 1000 атм - к химии сверхвысоких давлений.
При высоком давлении сближаются и деформируются электронные оболочки атомов, что ведет к повышению реакционной способности веществ. При давлении 102-103 атм исчезает различие между жидкой и газовой фазами, а при 103-105 атм - междутвердой и жидкой фазами. При высоком давлении сильно меняются физические и химические свойства вещества. Например, при давлении 20 000 атм. металл становится эластичным, как каучук.
Химические процессы представляют собой сложнейшее явление как в неживой, так и в живой природе. Эти процессы изучают химия, физика и биология. Перед химической наукой стоит принципиальная задача - научиться управлять химическими процессами. Дело в том, что некоторые процессы не удается осуществить, хотя в принципе они осуществимы, другие трудно остановить - реакции горения, взрывы, а часть из них трудноуправляема, поскольку они самопроизвольно создают массу побочных продуктов.
3.4 Четвертый уровень химического знания. Эволюционная химия
Эволюционная химия зародилась в 1950 - 1960 гг. В основе эволюционной химии лежат процессы биокатализа, ферментологии; ориентирована она главным образом на исследование молекулярного уровня живого, что основой живого является биокатализ, т.е. присутствие различных природных веществ в химической реакции, способных управлять ею, замедляя или ускоряя ее протекание. Эти катализаторы в живых системах определены самой природой, что и служит идеалом для многих химиков.
Идея концептуального представления о ведущей роли ферментов, биорегуляторов в процессе жизнедеятельности, предложенная французским естествоиспытателем Луи Пастером в ХIX веке, остается основополагающей и сегодня. Чрезвычайно плодотворным с этой точки зрения является исследование ферментов и раскрытие тонких механизмов их действия.
Ферменты- это белковые молекулы, синтезируемые живыми клетками. В каждой клетке имеются сотни различных ферментов. С их помощью осуществляются многочисленные химические реакции, которые благодаря каталитическому действию ферментов могут идти с большой скоростью при температурах, подходящих для данного организма, т.е. в пределах примерно от 5 до 40 градусов. Можно сказать, что ферменты - это биологические катализаторы.
В основе эволюционной химии принцип использования таких условий, которые приводят к самосовершенствованию катализаторов химических реакций, т. е. к самоорганизации химических систем.
В эволюционной химии существенное место отводится проблеме «самоорганизации» систем. Теория самоорганизации «отражает законы такого существования динамических систем, которое сопровождается их восхождением на все более высокие уровни сложности в системной упорядоченности, или материальной организации». В сущности, речь идет об использовании химического опыта живой природы. Это своеобразная биологизация химии. Химический реактор предстает как некое подобие живой системы, для которой характерны саморазвитие и определенные черты поведения. Так появилась эволюционная химия как высший уровень развития химического знания.
Под эволюционными проблемами понимают проблемы самопроизвольного синтеза новых химических соединений (без участия человека). Эти соединения являются более сложными и более высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами. Поэтому эволюционную химию заслуженно считают предбиологией, наукой о самоорганизации и саморазвитии химических систем.
До последней трети XX в. об эволюционной химии ничего не было известно. В отличие от биологов, которые вынуждены были использовать эволюционную теорию Дарвина для объяснения происхождения многочисленных видов растений и животных, химики не интересовались вопросом происхождения вещества, потому что получение любого нового химического соединения всегда было делом рук и разума человека.
Постепенное развитие науки XIX в., приведшее к раскрытию структуры атома и детальному познанию строения и состава клетки, открыло перед химиками и биологами практические возможности совместной работы над химическими проблемами учения о клетке. Для освоения опыта живой природы и реализации полученных знания в промышленности химики наметили ряд перспективных путей.
Во-первых ведутся исследования в области металлокомплексного катализа, который обогащается приемами, используемыми живыми организмами в реакциях с участием ферментов (биокатализаторов).
Во-вторых, ученые пытаются моделировать биокатализаторы. Уже удалось создать модели многих ферментов, которые извлекаются из живой клетки и используются в химических реакциях. Но проблема осложняется тем, что ферменты, устойчивые внутри клетки, вне нее быстро разрушаются.
В-третьих, развивается химия иммобилизованных систем, благодаря которой биокатализаторы стали стабильными, устойчивыми в химических реакциях, появилась возможность их многократного использования.
В-четвертых, химики пытаются освоить и использовать весь опыт живой природы. Это позволит ученым создать полные аналоги живых систем, в которых будут синтезироваться самые разнообразные вещества. Таким образом, будут созданы принципиально новые химические технологии.
Изучение процессов самоорганизации в химии привело к формированию двух подходов к анализу предбиологических систем: субстратного и функционального.
Результатом субстратного подхода стала информация об отборе химических элементов и структур.
Химикам важно понять, каким образом из минимума химических элементов (основу жизнедеятельности живых организмов составляют 38 химических элементов) и химических соединений (большинство образовано на основе 6-18 элементов) образовались сложнейшие биосистемы.
Функциональный подход в эволюционной химии. В рамках этого подхода также изучается роль катализа и выявляются законы, которым подчиняются процессы самоорганизации химических систем.
Роль каталитических процессов усиливалась по мере усложнения состава и структуры химических систем. Именно на этом основании некоторые ученые стали связывать химическую эволюцию с самоорганизацией и саморазвитием каталитических систем.
На основе этих наблюдений профессор МГУ А.П. Руденко выдвинул теорию саморазвития открытых каталитических систем. Очень скоро она была преобразована в общую теорию химической эволюции и биогенеза. В ней решены вопросы о движущих силах и механизмах эволюционного процесса, т. е. о законах химической эволюции, об отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, о высоте химической организации и иерархии химических систем как следствии эволюции.
Сущность этой теории состоит в том, что эволюционирующим веществом являются катализаторы, а не молекулы. При катализе идет реакция химического взаимодействия катализатора с реагентами с образованием при этом промежуточных комплексов со свойствами переходного состояния. Именно такой комплекс Руденко назвал элементарной каталитической системой. Если в ходе реакции идет постоянный приток извне новых реактивов, отвод готовой продукции, а также выполняются некоторые дополнительные условия, реакция может идти неограниченно долго, находясь на одном и том же стационарном уровне. Такие многократно возобновляемые комплексы являются элементарными открытыми каталитическими системами.
Саморазвитие, самоорганизация и самоусложнение каталитических систем происходят за счет постоянного притока трансформируемой энергии. А так как основным источником энергии является базисная реакция, то максимальное эволюционное преимущество получают каталитические системы, развивающиеся на базе экзотермических реакций. Таким образом, реакция является не только источником энергии, но и орудием отбора наиболее прогрессивных эволюционных изменений катализаторов.
Тем самым Руденко сформулировал основной закон химической эволюции, согласно которому с наибольшей скоростью и вероятностью реализуются те пути эволюционных изменений катализаторов, которые связаны с ростом их абсолютной каталитической активности. При этом по параметру абсолютной каталитической активности складываются механизмы конкуренции и естественного отбора.
Теория саморазвития каталитических систем дает следующие возможности: выявлять этапы химической эволюции и на этой основе классифицировать катализаторы по уровню их организации; использовать принципиально новый метод изучения катализа; дать конкретную характеристику пределов в химической эволюции и перехода от химогенеза (химического становления) к биогенезу, связанного с преодолением второго кинетического предела саморазвития каталитических систем.
Набирает теоретический и практический потенциал новейшее направление, расширяющее представление об эволюции химических систем, нестационарная кинетика.
Развитие химических знаний позволяет надеяться на разрешение многих проблем, которые встали перед человечеством в результате его наукоемкой и энергоемкой практической деятельности.
Химическая наука на ее высшем эволюционном уровне углубляет представления о мире. Концепции эволюционной химии, в том числе о химической эволюции на Земле, о самоорганизации и самосовершенствовании химических процессов, о переходе от химической эволюции к биогенезу, являются убедительным аргументом, подтверждающим научное понимание происхождения жизни во Вселенной.
Химическая эволюция на Земле создала все предпосылки для появления живого из неживой природы.
Жизнь во всем ее многообразии возникла на Земле самопроизвольно из неживой материи, она сохранилась и функционирует уже миллиарды лет.
Жизнь полностью зависит от сохранения соответствующих условий ее функционирования. А это во многом зависит от самого человека.
элемент ковалентный биорегулятор полярный
Список использованной литературы
1. Краткая химическая энциклопедия, гл. ред. И. Л. Кнунянц, т. 1-5, М., 1961-67;
Краткий справочник по химии, под ред. О. Д. Куриленко, 4 изд.. К., 1974;
Общая химия, Полинг Л., пер. с англ., М., 1974;
Современная общая химия, Кемпбел Дж., пер. с англ., [т.] 1-3, М., 1975.
Репетиторство
Нужна помощь по изучению какой-либы темы?
Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку
с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.
Отсутствие в химии теоретических основ, позволяющих точно предсказывать и рассчитывать протекание химических реакций, не позволяло ставить её в ряд с науками, обосновывающими само бытие. Поэтому высказывание Д.И. Менделеева о химическом понимании мирового эфира не только не было востребовано в начале 20 века, но и оказалось незаслуженно полностью забыто на целое столетие. Связано ли это с тогдашним революционным переворотом в физике, который захватил и увлёк большинство умов в 20 веке в изучение квантовых представлений и теории относительности, сейчас уже не так важно. Жаль только, что выводы гениального учёного, к тому же признанного в то время, не пробудило качественно другие философско-методологические принципы, отличные от философских принципов, которые, кстати, в изобилии фигурировали в рассуждениях физиков.
Объяснение столь нежелательного забвения скорее всего связано с распространением редукционистских течений, вызванных возвеличением физики. Именно сведение химических процессов к совокупности физических как бы прямо указывало на ненужность химических воззрений при анализе первооснов бытия. Кстати, когда химики пытались защитить специфику своей науки доводами о статистическом характере химических взаимодействий в отличие большинства взаимодействий в физике, обусловленных динамическими законами, физики тут же указывали на статистическую физику, которая якобы более полно описывает подобные процессы.
Специфика химии терялась, хотя наличие строгой геометрии связей взаимодействующих частиц в химических процессах вносило в статистическое рассмотрение специфический для химии информационный аспект.
Анализ сущности информационно-фазового состояния материальных систем резко подчёркивает информационный характер химических взаимодействий. Вода как химическая среда, оказавшись первым примером информационно-фазового состояния материальных систем, соединила в себе два состояния: жидкое и информационно-фазовое именно по причине близости химических взаимодействий к информационным.
Вакуум как электромагнитная среда физического пространства, проявившая свойства информационно-фазового состояния, скорее всего, ближе к среде, в которой протекают процессы, по форме напоминающие химические. Поэтому химическое понимание мирового эфира Д.И. Менделеева становится чрезвычайно актуальным. Давно замеченное терминологическое совпадение при описании соответствующих процессов превращения частиц в химии и в физике элементарных частиц как реакций дополнительно подчёркивает роль химических представлений в физике.
Предполагаемая взаимосвязь между информационно-фазовыми состояниями водной среды и электромагнитной среды физического вакуума свидетельствует о сопутствующих химическим процессам изменениях в физическом вакууме, что, вероятно, и ощущал Д.И. Менделеев в своих экспериментах.
Следовательно, в вопросе о природе мирового эфира химия в каких-то моментах выступает даже определяющей по отношению к физическому воззрению.
Поэтому говорить о приоритете физических или химических представлений в выработке научной картины мира, вероятно, не стоит.
