Химическая, физическая и биологическая
картина мира.
(Реферат)

Выполнила:
Студентка 5 курса
Косинская К.А.
Проверил:
Преподаватель
Белова О.В.
Подпись________

Барнаул, 2011
Содержание
Введение…………………………………………………… ………………..3

Химическая картина мира……………………………………………..5

ВВЕДЕНИЕ.
Человеку всегда было свойственно описывать окружающий мир, изучать и представлять его строение, рассказывать о своих представлениях об окружающем мире другим людям.
Естественно-научной картиной мира называется часть общей научной картины мира, которая включает в себя представления о природе.
Создание единой естественно-научной картины мира предполагает установление связей между науками. В структуре конкретных наук в их главных компонентах выражена собственная целостная картина природы, которая называется специальной (или локальной) картиной мира. Эти картины являются в какой-то степени фрагментами окружающего мира, которые изучаются методами данной науки (например, биологическая картина мира, химическая картина мира, физическая картина мира). Такие картины часто рассматривают как относительно самостоятельные фрагменты единой научной картины мира.
Научное знание представляет собой огромную массу взаимодействующих между собой элементов знаний. Существуют самые разнообразные формы описания этого взаимодействия слоев научных знаний.
В рамках картин мира осуществляется систематизация знаний соответствующей науки (или группы наук), они являются наглядным воплощением системы взаимодействующих элементов знаний - теорий (фундаментальных и прикладных), которые представляют собой развитые системы научных понятий и связей между ними.
В рамки картин мира вписываются известные научные факты. Картины мира обеспечивают целостность научной отрасли (науки), формируют нам методы научного познания и определяют стратегию научного поиска, ставят задачи эмпирических и теоретических исследований, наглядно отображают их результаты.
Раньше других возникла физическая картина мира как общая теоретическая основа для всех наук о неживой природе.
Биологическая картина мира в качестве теоретической основы наук о живой природе возникла лишь в XIX веке. Биологические науки долгое время были чрезвычайно обособлены друг от друга, менее взаимосвязаны, чем группа физико-химических наук. Объединение биологических наук произошло вместе с введением Ч. Дарвином основных понятий современной биологии (приспособление, наследственность и изменчивость, естественный отбор, борьба за существование, эволюция и др.). На их основе строится единая картина биологических явлений, связывающая все науки о природе в одну область наук и дающая возможность построения законченных биологических теорий.
Ядром единой естественно-научной картины мира в целом является физическая картина мира, поскольку физика является фундаментальным базисом современного миропонимания. Многовековое развитие физики привело к созданию целостной естественно-научной картины нашего мира и его развития.

1. Химическая картина мира.
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.

2. Физическая картина мира.
История науки свидетельствует, что естествознание, возникшее в ходе научной революции XVI–XVII вв., было связано долгое время с развитием физики. Именно физика была и остается наиболее развитой и концепциям и аргументам, во многом определившим эту картину. Степень разработанности физики была настолько велика, что она могла создать собственную физическую картину мира, в отличие от других естественных наук, которые лишь в XX в. смогли поставить перед собой эту задачу (создание химической и биологической картин мира). Поэтому, начиная разговор о конкретных достижениях естествознания, мы начнем его с физики, с картины мира, созданной этой наукой.
Понятие "физическая картина мира" употребляется давно, но лишь в последнее время оно стало рассматриваться не только как итог развития физического знания, но и как особый самостоятельный вид знания - самое общее теоретическое знание в физике (система понятий, принципов и гипотез), служащее исходной основой для построения теорий. Физическая картина мира, с одной стороны, обобщает все ранее полученные знания о природе, а с другой - вводит в физику новые философские идеи и обусловленные ими понятия, принципы и гипотезы, которых до этого не было и которые коренным образом меняют основы физического теоретического знания: старые физические понятия и принципы ломаются, новые возникают, картина мира меняется. Ключевым в физической картине мира служит понятие "материя", на которое выходят важнейшие проблемы физической науки. Поэтому смена физической картины мира связана со сменой представлений о материи. В истории физики это происходило два раза. Сначала был совершен переход от атомистических, корпускулярных представлений о материи к полевым - континуальным. Затем, в XX в., континуальные представления были заменены современными квантовыми. Поэтому можно говорить о трех последовательно сменявших друг друга физических картинах мира.
Одной из первых возникла механистическая картина мира, поскольку изучение природы началось с анализа простейшей формы движения материи - механического перемещения тел.

2.1. Механистическая картина мира.
Она складывается в результате научной революции XVI-XVII вв. на основе работ Галилео Галилея, который установил законы движения свободно падающих тел и сформулировал механический принцип относительности. Но главная заслуга Галилея в том, что он впервые применил для исследования природы экспериментальный метод вместе с измерениями исследуемых величин и математической обработкой результатов измерений. Если эксперименты ставились и раньше, то математический их анализ впервые систематически стал применять именно Галилей.
Принципиальное отличие нового метода исследования природы от ранее существовавшего натурфилософского способа состояло, следовательно, в том, что в нем гипотезы систематически проверялись опытом. Эксперимент можно рассматривать как вопрос, обращенный к природе. Чтобы получить на него определенный ответ, необходимо так сформулировать вопрос, чтобы получить на него вполне однозначный и определенный ответ. Для этого следует так построить эксперимент, чтобы по возможности максимально изолироваться от воздействия посторонних факторов, которые мешают наблюдению изучаемого явления в "чистом виде". В свою очередь гипотеза, представляющая собой вопрос к природе, должна допускать эмпирическую проверку выводимых из нее некоторых следствий. В этих целях, начиная с Галилея, стали широко использовать математику для количественной оценки результатов экспериментов.
Таким образом, новое экспериментальное естествознание в отличие от натурфилософских догадок и умозрений прошлого стало развиваться в тесном взаимодействии теории и опыта, когда каждая гипотеза или теоретическое предположение систематически проверяются опытом и измерениями.
Ключевым понятием механистической картины мира было понятие движения. Именно законы движения Ньютон считал фундаментальными законами мироздания. Тела обладают внутренним врожденным свойством двигаться равномерно и прямолинейно, а отклонения от этого движения связаны с действием на тело внешней силы (инерции). Мерой инертности является масса, другое важнейшее понятие классической механики. Универсальным свойством тел является тяготение.
Ньютон, как и его предшественники, придавал большое значение наблюдениям и эксперименту, видя в них важнейший критерий для отделения ложных гипотез от истинных. Поэтому, он резко выступал против так называемых скрытых качеств, с помощью которых последователи Аристотеля пытались объяснить многие явления и процессы природы.
Ньютон выдвигает совершенно новый принцип исследования природы, согласно которому вывести два или три общих начала движения из явления и после этого изложить, каким образом свойства и действия всех телесных вещей вытекают из этих явных начал, - было бы очень важным шагом в философии, хотя причины этих начал и не были еще открыты.
Эти начала движения и представляют собой основные законы механики, которые Ньютон точно формулирует в своем главном труде "Математические начала натуральной философии", опубликованном в 1687г.
Открытие принципов механики действительно означает подлинно революционный переворот, который связан с переходом от натурфилософских догадок и гипотез о "скрытых" качествах и спекулятивных измышлений к точному экспериментальному естествознанию, в котором все предположения, гипотезы и теоретические построения проверялись наблюдениями и опытом. Поскольку в механике отвлекаются от качественных изменений тел, постольку для её анализа можно было широко пользоваться математическими абстракциями и созданным самим Ньютоном и одновременно Лейбницем (1646-1716) анализом бесконечно малых. Благодаря этому изучение механических процессов было сведено к точному математическому их описанию.
На основе механистической картины мира в XVIII-начале XIX вв. была разработана земная, небесная и молекулярная механика. Быстрыми темпами шло развитие техники. Это привело к абсолютизации механистической картины мира, к тому, что она стала рассматриваться в качестве универсальной.
В это же время в физике начали накапливаться эмпирические данные, противоречащие механистической картине мира. Так, наряду с рассмотрением системы материальных точек, полностью соответствовавшей корпускулярным представлениям о материи, пришлось ввести понятие сплошной среды, связанное по сути дела, уже не с корпускулярными, а с континуальными представлениями о материи. Так, для объяснения световых явлений вводилось понятие эфира - особой тонкой и абсолютно непрерывной световой материи.
Эти факты, не укладывающиеся в русло механистической картины мира, свидетельствовали о том, что противоречия между установившейся системой взглядов и данными опыта оказались непримиримыми. Физика нуждалась в существенном изменении представлений о материи, в смене физической картины мира.

2.2. Электромагнитная картина мира.
В процессе длительных размышлений о сущности электрических и магнитных явлений М. Фарадей пришел к мысли о необходимости замены корпускулярных представлений о материи континуальными, непрерывными. Он сделал вывод, что электромагнитное поле сплошь непрерывно, заряды в нем являются точечными силовыми центрами. Тем самым отпал вопрос о построении механистической модели эфира, несовпадении механистических представлений об эфире с реальными опытными данными о свойствах света, электричества и магнетизма.
Одним из первых идеи Фарадея оценил Максвелл (1831-1879). При этом он подчеркивал, что Фарадей выдвинул новые философские взгляды на материю, пространство, время и силы, во многом изменявшие прежнюю механистическую картину мира.
Взгляды на материю менялись кардинально: совокупность неделимых атомов переставала быть конечным пределом делимости материи, в качестве такового принималось единое абсолютно непрерывное бесконечное поле с силовыми точечными центрами - электрическими зарядами и волновыми движениями в нем.
и т.д.................

Лекция 10. Система химии.

1. Основная проблема химии. Концептуальные системы химии.

2. Учение о составе вещества. Решение проблем химического элемента и химического соединения. Периодическая система элементов.

3. Структурная химия.

4. Кинетическая химия.

5. Эволюционная химия.

Основная проблема химии как науки. Концептуальные системы химии. Д. И. Менделеев называл химию «наукой о химических элементах и их соединениях». В одних учебниках химию определяют как «науку о веществах и их превращениях», в других - как “науку, изучающую процессы качественного превращения веществ” и т.д. Все эти определения по своему хороши, но они не учитывают тот факт, чтохимия является не просто суммой знаний о веществах, а упорядоченной, постоянно развивающейся системой знаний , имеющей определенное социальное назначение и свое место в ряду других наук.

Вся история развития химии является закономерным процессом смены способов решения ее основной проблемы. Все химические знания, которые были приобретены в течение многих веко, подчинены единственной главной задаче химии - задаче получения веществ с необходимыми свойствами .

Итак, основная двуединая проблема химии - это:

1.Получение веществ с заданными свойствами - производственная задача.

2. Выявление способов управления свойствами вещества - задача научного исследования.

По мере развития науки изменялись представления об организации материи, составе веществ, структуре молекул, были получены новые данные о самих химических процессах, что, конечно же, в корне изменяло и способы синтеза новых соединений, и методы исследования их свойств. Существует только четыре способа решения этой проблемы , которые связаны, прежде всего, с наличием всего четырех основных природных факторов, от которых зависят свойства получаемых веществ:

1. Состав вещества (элементарный, молекулярный).

2. Структура молекул.

3. Термодинамические и кинетические условия химической реакции, в процессе которой это вещество получается.

4. Уровень организации вещества.

Последовательное появление сначала первого, затем второго, третьего и, наконец, четвертого способов решения основной проблемы химии приводит к последовательному появлению и сосуществованию четырех уровней развития химических знаний, или, как принято теперь их называть, четырех концептуальных систем , находящихся в отношениях иерархии, т. е. субординации. В системе всей химии они являются подсистемами так же как сама химия представляет собой подсистему всего Естествознания в целом. Существование всего четырех способов решения основной проблемы химии нашло свое отражение в делении Системы химии на четыре подсистемы.

Таким образом, в развитии химии происходит не смена, а строго закономерное, последо­ва­тельное появление концептуальных систем. При этом каждая вновь появляю­щаяся система не отрицает предыдущую, а, наоборот, опирается на нее и включает в себя в преобразованном виде.

Подводя некоторые итоги, можно дать следующее определение: 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 химических знаний, которые находятся между собой в отношениях иерархии .

На каждом из четырех исторических этапов добычи химических знаний возникали свои задачи, которые требовали решения.

Первый этап развития химии - XVII в: Учение о составе вещества. Основные проблемы, стоявшие перед учеными на самом первом этапе - этапеизучения состава вещества :

1.Проблема химического элемента.

2.Проблема химического соединения.

3.Проблема создания новых материалов, в состав которых входят вновь открываемые химические элементы.

Действенный способ решения проблемы происхождения свойств вещества появился во второй половине XVII в. в работах английского ученогоРоберта Бойля . Его исследования показали, что качества и свойства тел не имеют абсолютного характера и зависят от того, из каких материальных элементов эти тела составлены.

Бойль тем самым способствовал решению основной проблемы химии посредством установления взаимосвязи:

СОСТАВ ВЕЩЕСТВА ---------> СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА

Этот способ положил начало учению о составе веществ, которое явилось первым уровнем научных химических знаний . Вплоть до первой половины XIX в. учение о составе веществ представляло собой всю тогдашнюю химию.

Решение проблемы химического элемента. Исторические корни решения этой проблемы уходят в глубокую древность. В Древней Греции возникают первые атомистические теории о строении мира и в противовес им - представления об элементах; свойствах и элементах, - качествах, подхваченных позже ложными учениями алхимиков.

Р.Бойль положил начало современному представлению о химическом элементе как о «простом» теле или как о пределе химического разложения вещества. Химики, стремясь получить «простые вещества», пользовались при этом самым распространенным в то время методом - прокаливанием «сложных веществ». Прокаливание же приводило к окалине, которую и принимали за новый элемент. Соответственно, металлы - железо, например, принимали за сложные тела, состоящие из соответствующего элемента и универсального «невесомого тела» -флогистона (флогистос - греч. зажженный). Теория флогистона (ложная по своей сути) была первой научной химической теорией и послужила толчком к множеству исследований.

В 1680-1760 гг. появились точные количественные методы анализа вещества, а они, в свою очередь, способствовали открытию истинных химических элементов. В это время были открытыфосфор, кобальт, никель, водород, фтор, азот, хлор и марганец .

В 1772-1776 гг. одновременно в Швеции, Англии и Франции был открыт кислород . Во Франции его первооткрывателем был замечательный химикА.Л. Лавуазье (1743-1794 гг.). Он установил роль кислорода в образовании кислот, оксидов и воды, опроверг теорию флогистона и создал принципиально новую теорию химии. Ему принадлежала также первая попытка систематизации химических элементов, которая в дальнейшем была исправлена Д. И. Менделеевым.

Периодический закон и периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева. Русский химик Д. И. Менделеев сделал это открытие в 1869 г., совершив революцию в естествознании, т.к. оно не просто устанавливало связь между химическими и физическими свойствами отдельных элементов, но и взаимную связь между всеми химическими элементами. Группы и ряды периодической системы стали надежной основой для выявления семейств родственных элементов.

N . B ! Первым практическим применением периодического закона было исправление величин валентности и атомных весов некоторых элементов, для которых в то время принимались неверные значения. Это относилось, в частности, к индию, церию, другим редкоземельным элементам: торию, урану.

Основным принципом, по которому Менделеев строил свою таблицу, было размещение элементов в порядке возрастания их атомных весов. Основываясь на валентности и химических свойствах элементов, Менделеев расположил все элементы по 8 группам, в каждой из которых размещались элементы со сходными свойствами.

Причина периодических изменений физических и химических свойств элементов кроется в периодичности строения электронных оболочек атомов .

N . B ! В начале каждого периода валентные электроны находятся на s-подуровнях соответствующих уровней энергии в атомах. Затем в малых периодах происходит заполнение электронами s и p-подуровней, а в больших периодах также и d-подуровней. В VI и VII периодах, кроме того, наблюдается заполнение f-подуровней. Атомы инертных газов содержат наружные электроны всегда на полностью сформированных s и p-подуровнях. Таким образом, химические элементы одинаковых подгрупп периодической системы характеризуются аналогичным строением электронных оболочек атома.

Одними из наиболее важных свойств атомов, связанных со строением их электронных оболочек, являются эффективные атомные и ионные радиусы. Оказывается, что они также периодически изменяются в зависимости от величины атомного номера элемента. Для элементов одного периода по мере увеличения порядкового номера сначала наблюдается уменьшение атомных радиусов, а затем, к концу периода, их увеличение. Это необычное физическое свойство находит простое объяснение, основанное на знании строения внешней электронной оболочки атомов, принадлежащих одному периоду: все дело в электростатике .

Но самое главное заключалось в том, что таблица Менделеева не просто давала объяснение физическим свойствам элементов, а ставила им в соответствие и их химические свойства. Основным постулатом таблицы являлось то, что валентность химического элемента определяется числом электронов на внешней электронной оболочке (эти электроны так и называются -валентные электроны ).

Важная роль периодического закона заключается в том, что в нем устанавливается связь между строением атомов и влиянием этого строения на физические и химические свойства элементов.

Решение проблемы химического соединения. Начало решению этой проблемы было положено благодаря работам французского химикаЖ. Пруста , который в 1801-1808 гг. установилзакон постоянства состава , согласнокоторомулюбое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным, неизменным составом - прочным притяжением составных частей (атомов) и тем самым отличается от смесей.

Теоретическое обоснование закона Пруста было дано англичанином Дж. Дальтоном , являющимся автором другого основополагающего закона в учении о составе веществ -закона кратных отношений . Он показал, что все вещества состоят из молекул, а все молекулы, в свою очередь, - из атомов, и что состав любого вещества можно представить себе как простую формулу типа АВ, АВ2, А2 В3 и т.д., где символы А и В обозначают названия двух атомов, из которых состоит молекула. Согласно этому закону эквивалентов «составные части молекулы» - атомы А и В могут замещаться на другие атомы - С и D, например, согласно реакциям:

АВ + С --> АС + В или

А2В3 + 3D ---> А2D3 + 3В

Закон кратных отношений Дальтона (1803 г.) гласит:Если определенное количество одного элемента вступает в соединение с другим элементом в нескольких весовых отношениях, то количества второго элемента относятся между собой как целые числа.

Молекулярная теория строения вещества позволила по-новому взглянуть на процессы, происходящие в газовой фазе, и дала начало новой науке, стоящей на стыке химии и физики - молекулярной физике . Настоящей сенсацией стало откры­тиезакона Авогадро в 1811г.Итальянский ученыйАмадео Авогадро (1776-1856 гг.) установил, чтопри одинаковых физических условиях (давлении и температуре) равные объемы различных газов содержат равное число молекул . Другими словами, это означает, чтограмм-молекула любого газа при одинаковой температуре и давлении занимает один и тот же объем.

Однако, развитие химии и изучение все большего числа соединений приводили химиков к мысли, что наряду с веществами, имеющими определенный состав , существуют еще и соединенияпеременного состава - и это явилось причиной пересмотра представлений о молекуле в целом. Молекулой, как и прежде, продолжали называть наименьшую частичку вещества, способную определять его свойства и существовать самостоятельно, но теперь к молекулам стали относить и такие необычные квантово-механические системы, такие как ионные, атомные и металлическиемонокристаллы , а такжеполимеры , образованные за счет водородных связей.

В результате применения физических методов исследования вещества стало ясно, что свойства реального тела определяются не столько тем, постоянен или не постоянен состав химического соединения, а скорее физической природой химизма , т.е. природой тех сил, которые заставляют несколько атомов объединяться в одну молекулу. Поэтому теперь подхимическим соединением понимаютопределенное 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. Это более широкое понятие, чем понятие «сложное вещество». Действительно, ведь всем известны химические соединения, состоящие не из разных, а из одинаковых элементов. Это молекулы водорода, кислорода, хлора, графита, алмаза и т.д.

Особое положение в ряду молекулярных частиц занимают макромоле­кулы полимеров . Они содержат большое число повторяющихся, химически связанных друг с другом в единое целое структурных единиц -фрагментов мономерных молекул , обладающих одинаковыми химическими свойствами.

Дальнейшее усложнение химической организации материи идет по пути образования более сложной совокупности взаимодействующих атомных и молекулярных частиц, так называемых молекулярных ассоциатов и агрегатов , а также их комбинаций. При образовании агрегатов изменяется фазовое состояние системы, чего не происходит при образовании ассоциатов.Ф азовое состояние -это основное физическое состояние, в котором может существовать любое вещество (газ, жидкость, твердое тело).

Проблема создания новых материалов . Природа щедро «разбросала» свои материальные ресурсы по всей планете. Но вот какую странную закономерность обнаружили ученые: оказывается, чаще всего в своей деятельности человек использует те вещества, запасы которых в природе ограничены.

Поэтому в настоящее время перед учеными-химиками стоят три задачи:

1. Приведение в соответствие практики использования химических элементов в производстве с их реальными ресурсами в природе.

2. Последовательная замена металлов различными видами керамики.

3. Расширение производства элементоорганических соединений на базе органического синтеза. Элементоорганические соединени я -это соединения, в состав которых входят как органические элементы (углерод, водород, сера, азот, кислород), так и производ­ные ряда других химических элементов: кремния, фтора, магния, кальция, цинка, натрия, лития и т.д.

Предлагается сосредоточить внимание на увеличении использования на производстве таких элементов как алюминий, магний, кальций, кремний. В природе эти элементы встречаются довольно часто, и их добыча не составляет особого труда. Кроме того, использование этих веществ, составленных из наиболее часто встречающихся природных элементов, приведет к меньшему загрязнению окружающей среды отходами, - проблеме, так остро ощущаемой всеми в настоящее время.

Возросшая необходимость замены металлов керамикой вызвана тем, что производство керамики легче и экономически выгоднее и, кроме того, на некоторых производствах она просто не может быть заменена металлами. Химики научились получать огнеупорную, термостойкую, химически стойкую, высокотвердую керамику, а также керамику для электротехники. В последнее время было обнаружено удивительное свойство некоторых керамических изделий обладать высокотемпера­турной сверхпроводимостью, т.е. сверхпроводимостью при температурах выше температуры кипения азота. Открытию этого уникального физического свойства способствовали работы химиков по созданию новой керамики на основе комплексов с барием, лантаном и медью, взятых в едином комплексе.

Химия элементооргани­ческих материалов с применением крем­ния (кремнийорганическая химия) лежит в основе создания производства многих полимеров, обладающих ценными свойствами и незаменимых в авиации и энергети­ке. А фторорганичес­кие соединения обладают исключительной устойчивос­тью (даже в кислотах и щелочах) особой поверхностной активностью и поэтому могут переносить, например, кислород как молекула гемоглобина! Фторорганичес­кие соединения активно используются в медицине для создания всевозможных покрытий и т.д.

Решение практических задач, стоящих перед химиками в настоящее время сопряжено с синтезом новых веществ и анализом их химического состава. Поэтому, как и много лет тому назад, проблема состава веществ остается в химии по-прежнему актуальной.

Второй этап развития химии как науки - XIX в: Структурная химия.

В 1820 - 1830 гг. мануфактурная стадия производства с ее ручной техникой сменилась фабричной стадией. На производстве появились новые машины, возникла потребность в поиске новых сырьевых материалов для использования в промышленности. В химическом производстве стала преобладать переработка огромных масс веществ растительного и животного происхождения, качественное разнообразие которых было потрясающе велико, а состав однообразен: углерод, водород, кислород, сера, азот, фосфор. Значит, свойства веществ, определяется не одним только составом - сделали вывод химики.

Химики выяснили, что свойства веществ, а значит и их качествен­ное разнообразие обусловливается не только их составом, но и структурой молекул. Если знание состава вещества отвечает на вопрос о том, из каких химических элементов состоит молекула данного вещества , тознание структуры вещества дает представление о пространственном расположении атомов в этой самой молекуле.

Вместе с тем стало ясно, что не все атомы, входящие в состав моле­кулы данного вещества одинаково хорошо вступают во взаимодействие с атомами других молекул. Каждую молекулу можно условно подразделить на несколько так называемых функциональных или реактивных блоков, в которые входят группы атомов, просто отдельные атомы или даже отдельные химические связи. Каждая из таких структур обладает своей уникальной способностью вступать в химические реакции, т.е. своей реакционной способностью .

Второй уровень развития химических знаний получил условное название структурная химия .Главным достижением этого этапа можно было назвать установление связи между структурой молекулы и функциональной активностью соединения:

СТРУКТУРА МОЛЕКУЛЫ ---> ФУНКЦИЯ (РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ)

Таким образом, познание структуры молекул перевело химию на второй уровень развития химических знаний и способствовало превращению химии из преимущественно аналитической науки в наукусинтетическую . Возникла такжетехнология органических веществ , которой ранее не было.

Эволюция понятия «структура» в химии. Согласно теории, выдвинутойДж. Дальтоном, любое химическое вещество представляет собой совокупность молекул, обладающих строго определенным качественным и количественным составом, т. е. состоящих из определенного количества атомов одного, двух или трех химических элементов. Теория строения вещества Дж. Дальтона отвечала на вопрос:как можно отличить индивидуальное вещество от смесей веществ , но она не давала ответа на множество других вопросов: каким образом объединяются атомы в молекулу, существует ли какая-то упорядоченность в расположении атомов в молекуле или они объединены как попало, случайно?

На эти вопросы попытался дать ответ шведский химик И.Я. Берцелиус , живший в первой половине XIX в. И. Я. Берцелиус полагал, что молекула представляет собой не простое нагромождение атомов, а определенную упорядоченную структуру атомов, связанных между собой электростатическими силами. Он предложил новуюмодель атома в виде электрического диполя . И.Я. Берцелиус выдвинул гипотезу, согласно которойвсе атомы разных химических элементов обладают различной электроотрицательностью и расположил их в своеобразный ряд по мере ее увеличения .

N . B ! И.Я. Берцелиус на основании определения данного им процентного состава многих веществ и поиска элементарных стехиометрических закономернос­тей, а также изучения разложения сложных веществ в растворе под действием электрического тока, задался вопросом: что влияет на знак и величину электрического заряда конкретного вещества? Почему существуют электроположительные и электроотрицательные вещества? В чем различие в строении молекул кислоты и щелочи или щелочи и нейтральной соли?

В 1840 г. в работах французского ученого Ш. Жерара было показано, что структуры И. Я. Берцелиуса справедливы не во всех случаях: есть масса веществ, молекулы которых невозможно разложить на отдельные атомы под действием электрического тока, они представляют как бы единую целую систему и именно такуюнеделимую систему взаимосвязанных друг с другом атомов Ш. Жерар и предлагал называтьмолекулой . Он разработал теорию типов органических соединений.

В 1857 г. немецкий химик А. Кекуле обнародовал свои наблюдения о свойствах отдельных элементов, которые могут замещать атомы водорода в ряде соединений. Он пришел к выводу о том, что некоторые из них могут замещать три атома водорода, другие же - только два или даже один. А.Кекуле также установил, что «один атом углерода... эквивалентен четырем атомам водорода». Это были основополагающие положениятеории валентности веществ .

А. Кекуле ввел в обиход новый химический термин сродство , который и обозначал количество атомов водорода, которое может заместить данный химический элемент. Он приписал всем элементам соответственно три, две или одну единицу сродства. Углерод же находился при этом в необычном положении - его атом обладал четырьмя единицами сродства.Число единиц сродства, присущее данному химическому элементу ученый назвал валентностью атома .

При объединении атомов в молекулу происходит замыкание свободных единиц сродства.

Понятие структура молекулы с легкой руки А.Кекуле свелось к построению наглядных формульных схем, которые служили химикам руководством в их практической работе, конкретным указанием на то, какие исходные вещества следует брать для того, чтобы получить необходимый химический продукт.

N . B ! Схемы А. Кекуле, однако, не всегда можно было осуществить на практике: хорошо продуманная (или придуманная) реакция не хотела протекать согласно красивой схеме. Это происходило потому, что формульный схематизм не учитывал реакционную способность веществ, вступающих в химическое взаимодействие друг с другом.

Ответы на волнующие практических химиков вопросы дала теория химического строения русского ученого Александра Михайловича Бутлерова. Бутлеров, так же как и Кекуле, признавал, что образование молекул из атомов происходит за счет замыкания свободных единиц сродства, но одновременно с этим он указывал на важность того, с каким «напряжением, большей или меньшей энергией (это сродство) связывает вещества между собой».

Теория А. М. Бутлерова стала для химиков руководством в их практической деятельности. Позже она нашла свое подтверждение и физическое обоснование в квантовой механике.

Химическая связь. Химической связью называется взаимодействие между атомами элементов, обуславливающее их соединение в молекулы и кристаллы.

Тип связи определяется характером физического взаимодействия атомно-молекулярных частиц друг с другом. Фундаментальную теорию химических связей создал в 30-е годы ХХ века американский химикЛайнус Полинг .

В настоящее время понятие «химическая связь» стало более широким. Теперь подхимической связью понимается такойвид взаимодействия не просто между отдельными атомами, а иногда и между атомно-молекулярными частицами, который обусловлен совместным использованием их электронов . При этом имеется в виду, что такое обобществление электронов взаимодействую­щими частицами может изменяться в широких пределах. Существуютковалентная (полярная, неполярная), водородная и ионная (ионно-ковалентная) связи, а также металлическая связь .

Ионная связь образуется в том случае, когда, объединяясь в одну молекулу, один из атомов теряет электроны со своей внешней оболочки (катион), а другой их приобретает (анион) противоположно заряженные ионы притягиваются друг к другу, образуя прочные связи. Ионные соединения – как правило, твердые вещества, имеющие очень высокую температуру плавления (соли, щелочи, напр., поваренная соль).

Ковалентная связь образуется в результате электронной пары, принадлежащей одновременно обоим атомам, создающим молекулу вещества. Поскольку такие молекулы удерживаются слабыми силами, они неустойчивы и существуют в виде жидкостей или газов с низкими температурами плавления и кипения (кислород, бутан).

Водородная связь обусловлена поляризацией ковалентных связей , когда совместные электроны большую часть времени находятся у атома элемента, связанного с атомом водорода. В результате такой атом получает небольшой отрицательный заряд, что делает соединения с водородными связями более крепкими по сравнению с другими ковалентными соединениями (вода).

Металлические связи обусловлены свободным перемещением электронов внешних оболочек атомов металлов . Атомы в металлах выстраиваются в точно подогнанные друг к другу ряды, удерживаемые вместе электронным полем.

Благодаря развитию структурных представлений в 1860-1880 гг. в химии появился термин органический синтез , обозначавший не только действия по получению новых органических веществ, но и целую область науки, названную так в противоположность всеобщему увлечению анализом природных веществ.

Итак, под валентностью атомных частиц понимается ихсвойство вступать в химическое взаимодействие, количественной мерой которого является суммарное число неспаренных электронов, неподеленных электронных пар и вакантных орбиталей, участвующих в образовании химических связей. Валентность атомной частички не является постоянной величиной и может изменяться от единицы до некоторого максимального значения в зависимости от природы частиц-партнеров и условий образования химического соединения.

Под понятием структура понимаютустойчивую упорядоченность качественно неизменной системы.

Под молекулярной структурой понимаютсочетание ограниченного числа атомов, имеющих закономерное расположение в пространстве и связанных друг с другом химической связью с помощью валентных электронов . Молекулярную структуру подразделяют наатомную (геометрическую) иэлектронную .

В первом приближенииподатомной структурой следует пониматьустойчивую совокупность ядра и окружающих его электронов, находящихся в электромагнитном взаимодействии друг с другом.

Третий этап развития химии как науки - первая половина XX в: Учение о химических процессах - кинетическая химия.

В связи с развитием техники и именно в это времяхимия становится наукой уже не только и не столько о веществах, сколько наукой о процессах и механизмах изменения веществ.

Интенсивное развитие автомобильной промышленности, авиации, энергетики и приборостроения в начале нашего века требовало качественного топлива для работы моторов. Специальные высокопрочные каучуки для шин автомобилей, пластмассы для облегчения их веса, всевозможные полимеры и полупроводники,- все это было необходимо получать в больших количествах, но, увы, развитие химических навыков не соответствовало запросам производства.

Дело в том, что сама по себе химическая реакция - вещь достаточно капризная. Взаимодействие веществ в ходе реакции приводит к изменению состава вещества. Для этого должна быть разрушена одна комбинация атомов и создана другая. Для разрушения старого соединения необходимо затратить энергию. Образование нового соединения, как правило, сопровождается выделением энергии.

Химические реакции описываются уравнениями, основанными на законе сохранения вещества . Согласно этому закону, полная масса веществ, вступивших в реакцию, должна точно соответствовать массе образовавшихся веществ. Для расчетов массы используется счетная единица – моль, содержит одинаковое количество частиц (6 10 23 , число Авогадро)

Учение о химических процессах. Методы управления химическим процессом. Учение о химических процессах - это такая область науки, в которой существует наиболее глубокое взаимопроникновение физики, химии и биологии. В основе этого учения находятсяхимическая термодинамика и кинетика , поэтому все это учение о химических процессах в равной степени относится как к химии, так и к физике.

Существует большое количество решаемых проблем в связи с созданием учения о химических процессах. Подробное их описание можно найти в любом современном учебнике по физической химии. Но, пожалуй, одной из самых основных проблем являлась задача создания методов, позволяющих управлять химическими процессами.

В самом общем виде все методы управления можно подразделить на две большие группы: термодинамические и кинетические. Первая группа - термодинамические методы - этометоды, влияющие на смещение химического равновесия реакции ; вторая группа - кинетические методы -это методы, влияющие на скорость протекания реакции.

В 1884 г. появляется книга выдающегося голландского химика Я. Вант-Гоффа , в которой он обосновал законы, устанавливающие зависимость направления химической реакции от изменения температуры и теплового эффекта реакции. В том же году французский химикА. Ле-Шателье сформулировал свой знаменитыйпринцип подвижного равновесия , вооружив химиков методами смещения равновесия в сторону образования продуктов реакции. Основными управляющими рычагами в данном случае выступалитемпература, давление и концентрация реагирующих веществ. Поэтому эти методы управления и получили свое название -термодинамические .

Вспомним, что любая химическая реакция обратима. Например, реакция типа:

AB + CD <=> AC + BD

Обратимость реакций служит основанием равновесия между прямой и обратной реакциями. На практике равновесие смещается в ту или иную сторону. Для того, чтобы химическая реакция пошла в сторону увеличения продуктов реакции АС и BD, необходимо либо увеличить концентрацию веществ AB и CD, либо изменить температуру или давление.

Нотермодинамические методы позволяли управлять тольконаправлением реакций, а не их скоростями.Управлением скоростью химических реакций в зависимости от различных факторов занимается специальная наука -химическая кинетика . На скорость химической реакции может влиять очень многое, даже стенки сосуда, в котором протекает реакция.

Третий способ решения основной проблемы, учитывающий всю сложность организации химических процессов и обеспечивший экономически приемлемую производительность этих процессов в химических реакторах, может быть представлен схемой:

ОРГАНИЗАЦИЯ ХИМИЧЕСКОГО ---> ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ

ПРОЦЕССА В РЕАКТОРЕ РЕАКТОРА

Катализ и химия экстремальных состояний. В 1812 г. русским академикомК.С.Кирхгофом было открыто явлениехимического катализа .Катализ представляет собой наиболее общий и распространенный способ проведения химических реакций, особенность которого состоит в активации молекул реагента при их контакте с катализатором . При этом происходит как бы «расслабление» химических связей в исходном веществе, «растаскивание» его на отдельные части, которые затем легче вступают во взаимодействие друг с другом.

Нестационарная кинетика. Развитие представлений об эволюции систем. В 1970 годы было обнаружено много химических систем, в которых использовались катализаторы, в которых с течением времени все происходило наоборот, - процесс не стабилизировался, как обычно, а становилсянестационар­ным . Было открыто несколько типовавтоколебательных химических реакций , в которых с течением времени происходят периодические изменения выхода продуктов реакции. Другими словами, необходимый продукт химической реакции то выделяется в большом количестве, то, напротив, реакция почти не идет или даже изменяет свое направление, а затем все это повторяется вновь. Оказалось, что в ряде случаев общее количество вещества, получаемое в ходе такойнестабильной химической реакции, даже превышает то количество вещества, которое выделялось бы в ходе реакции, если бы она проходиластационарно или, т.е. имела быпостоянную скорость .

Изучение нестационарной кинетики началось недавно. Но уже есть и практические результаты. С ее помощью были исследованы некоторые энергетически сопряженные процессы, т.е. такие химические процессы, в которых принимают участие сразу несколько реакций, обменивающихся энергией друг с другом. Нестационарные химические процессы были обнаружены и в живой природе.

Четвертый этап развития химии как науки - вторая половина XX в: Эволюционная химия. В 1960 - 1979 г. г. появился новый способ решения основной проблемы химии, который получил названиеэволюционная химия . В основе этого способа лежит принцип использования в процессах получения химических продуктов таких условий, которые приводят к самосовершенствованию катализаторов химических реакций, т.е. к самоорганизации химических систем.

Таким образом, четвертый этап развития химии, который продолжает­ся и до настоящего времени,устанавливает связь самоорганизации системы реагентов с поведением этой системы:

САМООРГАНИЗАЦИЯ -----> ПОВЕДЕНИЕ СИСТЕМЫ РЕАГЕНТОВ СИСТЕМЫ РЕАГЕНТОВ

Эволюционные проблемы химии. Начало эволюционной химии связывают с 1950-1960 гг. Подэволюционными проблемами следует пониматьпроблемы синтеза новых сложных, высокоорганизо­ванных соединений без участия человека.

Теория химической эволюции и биогенеза А.П.Руденко. В 1960-х годах были отмечены случаи самосовершенствования некоторых химических катализаторов в ходе химической реакции. Обычные катализаторы со временем (как и все на свете) стареют и изнашиваются. Но химикам удалось обнаружить такие катализаторы, которые не только не старели, а, напротив, «молодели» с каждой химической реакцией. Ответ на этот вопрос попыталась дать теория химической эволюции и биогенеза, предложенная ученым мира в 1964 г. русским профессоромА. П. Руденко . Сущность этой теории состоит в том, что химическая эволюция представляет собойсаморазвитие каталитических систем . В ходе реакции происходит отбор тех каталитических центров, которые обладают наибольшей активностью (основной закон химической эволюции):Эволюционные изменения катализатора происходят в том направлении, где проявляется его максимальная активность. Саморазвитие систем происходит за счет постоянного поглощения катализаторами потока энергии, которая выделяется в ходе самой химической реакции, поэтому эволюционируют каталитические системы с большей энергией. Такие системы разрушают химическое равновесие и в результате являются инструментом отбора наиболее устойчивых эволюционных изменений в катализаторе.

Изучение строения и функционирования ферментов в живой природе - это такая ступень химического познания, которая откроет в дальнейшем создание принципиально новых химических технологий.

Несмотря на то, что химия в настоящее время все еще далека от совершенства, которым обладает «лаборатория живого организма», пути к этому идеалу намечены. Сегодня химики пришли к выводу, что используя те же принципы, на которыхпостроена химия живых организмов, в будущем (не повторяя в точности природу) можно будет «построить» принципиально новую химию, новое управление химическими процессами - так, как это происходит в любой живой клетке. Химики надеются получить катализаторы нового поколения, которые бы позволили создавать, например, необычные преобразователи солнечного света.

Ученые стремятся создавать промышленные аналоги химических процессов, происходящих в живой природе. Они исследуют опыт работы биохимических катализаторов и создают такие катализаторы в лабораторных условиях. Особой сложностью работы с биохимическими катализаторами - ферментами , является то обстоятельство, что они очень неустойчивы при хранении и быстро портятся, теряя свою активность. Поэтому химики долгое время работали над созданием стабилизации ферментови в результате научились получать так называемыеиммобилизованные ферменты - этоферменты, выделенные из живого организма и прикреплен­ные к твердой поверхности путем их адсорбции . Такие биокатализаторы очень стабильны и устойчивы в химических реакциях и их можно использовать многократно. Основоположникомхимии иммобилизованных систем является русский химикИ. В. Березин.

Среди перспективных направлений химии XXIвека особый интерес вызывают:

Химия мозга

Макрохимия Земли

Когерентная химия

Спиновая химия и химическая радиофизика

Химия экстремальных состояний

Холодный синтез

Физика химических реакций.

Развитие химических знаний стимулируется необходимостью получения человеком различных веществ для своей жизнедеятельности. В наши дни химическая наука дает возможность получать вещества с заданными свойствами, находить способы управления этими свойствами, что является основной проблемой химии и системообразующим началом ее как науки.

Химия обычно рассматривается как 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.

Термин «химия » происходит, по Плутарху, от одного из древних названий Египта, Хеми («черная земля»). Именно в Египте задолго до нашей эры достигли значительного развития металлургия, керамика, изготовление стекла, крашение, парфюмерия, косметика и др. Существует и иная точка зрения, связанная с греческим hymia - искусство литья (от hyma - литье).

На арабском Востоке появился термин «алхимия ». Целью алхимиков, главным образом, было создание «философского камня», способного все металлы превращать в золото. В основе этого лежал практический заказ: золото в Европе было необходимо для развития торговли, а известных месторождений было мало. Алхимики накопили огромный практический опыт превращения веществ, разработали соответствующий инструментарий, методику, химическую посуду и др.

Что касается химии , то, несмотря на многообразие эмпирического материала, в этой науке вплоть до открытия в 1869 г. периодической системы химических элементов Д.И.Менделеевым (1834 – 1907), по существу, не существовало объединяющей концепции , с помощью которой можно было бы объяснить весь накопленный фактический материал. Следовательно, невозможно было представить все наличное знание как систему теоретической химии.

Было бы, однако, неправильным не учитывать той громадной исследовательской работы, которая привела к утверждению системного взгляда на химические знания. Если обратиться к фундаментальным теоретическим обобщениям химии, то могут быть выделены четыре концептуальных уровня.

Уже с первых шагов химики на интуитивном и эмпирическом уровне поняли, что свойства простых веществ и химических соединений зависят от тех неизменных начал , которые впоследствии стали называть элементами . Выявление и анализ этих элементов, раскрытие связи между ними и свойствами веществ охватывает значительный период в истории химии. Этот первый концептуальный уровень можно назвать учением о составе веществ. На этом уровне проходило исследование различных свойств и превращений веществ в зависимости от их химического состава, определяемого их элементами. Очевидна поразительная аналогия с концепцией атомизма в физике. Химики, как и физики, искали ту первоначальную основу, с помощью которой пытались объяснить свойства всех простых и сложных веществ. Сформулирована эта концепция была довольно поздно – в 1860 году, на первом Международном съезде химиков в Карлсруэ в Германии. Ученые-химики исходили из того, что:

· все вещества состоят из молекул, которые находятся в непрерывном и самопроизвольном движении;

· все молекулы состоят из атомов;

· атомы и молекулы находятся в непрерывном движении;

Второй концептуальный уровень познания связан с исследованием структуры , то есть способа взаимодействия элементов в составе веществ и их соединений. Было установлено, что свойства веществ, полученных в результате химических реакций, зависят не только от элементов, но и от взаимосвязи и взаимодействия этих элементов в процессе реакции. Так, алмаз и уголь обладают различными свойствами именно вследствие различия структур, хотя их химический состав одинаков.

Третий концептуальный уровень познания представляет собой исследование внутренних механизмов и условий протекания химических процессов , таких, как температура, давление, скорость протекания реакций и некоторые другие. Все эти факторы оказывают громадное влияние на характер процессов и объем получаемых веществ, что имеет первостепенное значение для массового производства.

Четвертый концептуальный уровень – уровень эволюционной химии – является дальнейшим развитием предыдущего уровня, связанным с более глубоким изучением природы реагентов, участвующих в химических реакциях, а также применением катализаторов, значительно ускоряющих скорость их протекания. На этом уровне осмысливается процесс происхождения живой материи из материи косной.

2. Учение о составе вещества.

На этом уровне решались вопросы определения химического элемента, химического соединения и получения новых материалов на базе более широкого использования химических элементов.

Первое научное определение химического элемента, как «простого тела», сформулировал в XVII в. английский химик и физик Р. Бойль. Но в это время еще не было открыто ни одного из них. Первым был открыт химический элемент фосфор в 1669 г., потом кобальт, никель и другие.

Рис. 1. Основные концепции химической науки.

Но еще и в XVIII веке железо, медь и другие, известные в то время металлы, ученые рассматривали как сложные тела, а окалину, получающуюся при их нагревании – за простое тело. Но окалина – это оксид металла, сложное тело.

Ошибочное представление, существовавшее в XVIII веке, было связано с ложной гипотезой флогистона немецкого врача и химика Георга Шталя (1660 – 1734). Он считал, что металлы состоят из окалины и флогистона (от греч. flogizein – зажигать, гореть), особого невесомого вещества, которое при нагревании улетучивается и остается чистый элемент. В состав пчелиного воска и угля, по его мнению, входит преимущественно флогистон, который при горении улетучивается и в результате остается лишь немного золы.

Открытие французским химиком А. Л. Лавуазье кислорода и установление его роли в образовании различных химических соединений позволило отказаться от прежних представлений о флогистоне. Лавуазье впервые систематизировал химические элементы на базе имевшихся в XVIII в. знаний. Постепенно химики открывали все новые и новые химические элементы, описывали их свойства и реакционную способность и благодаря этому накопили огромный эмпирический материал, который необходимо было привести в определенную систему . Такие системы предлагались разными учеными, но были весьма несовершенными потому, что в качестве системообразующего фактора брались несущественные, второстепенные и даже чисто внешние признаки элементов.

Великая заслуга Д. И. Менделеева состоит в том, что, открыв в 1869 г. периодический закон , он заложил фундамент для построения подлинно научной системы химических элементов. В качестве системообразующего фактора он выбрал атомный вес . В соответствии с атомным весом он расположил химические элементы в систему и показал, что их свойства находятся в периодической зависимости от величины атомного веса. До системного подхода Менделеева учебники по химии были очень громоздки. Так, учебник химии Л.Ж. Тенара состоял из 7 томов по 1000 – 1200 страниц каждый.

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)». Например, элемент хлор имеет два изотопа , отличающиеся друг от друга по массе атома. Но оба они относятся к одному химическому элементу - хлору из-за одинакового заряда их ядер. Атомный же вес является средним арифметическим величин масс изотопов, из которых состоит элемент.

В Периодической системе Д.И. Менделеева насчитывалось 62 элемента, в 1930-е гг. она заканчивалась ураном (Z = 92). В 1999 г. было сообщено, что путем физического синтеза атомных ядер открыт 114-й элемент.

Длительное время химикам казалось очевидным, что именно относится к химическим соединениям , а что - к простым телам или смесям. Однако применение в последнее время физических методов исследования вещества позволило выявить физическую природу химизма , т.е. те внутренние силы, которые объединяют атомы в молекулы, представляющие собой прочную квантово-механическую целостность. Такими силами оказались химические связи.

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. Химические связи представляют собой обменное взаимодействие электронов с соответствующими характеристиками. Речь идет, прежде всего, об электронах, расположенных на внешней оболочке и связанных с ядром наименее прочно. Их назвали валентными электронами. В зависимости от характера взаимодействия между этими электронами выделяют типы 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, например, NaCl.

Металлическая связь - это связь между положительными ионами в кристаллах атомов металлов, образующаяся за счет притяжения электронов, но перемещающаяся по кристаллу в свободном виде.

Дальнейшее развитие науки позволило уточнить, что свойства химических элементов зависят от заряда ядра атомов, который определяется числом протонов или соответственно электронов. В настоящее время химическим элементом называют совокупность атомов с конкретным зарядом ядра Z, хотя и различающихся по своей массе, вследствие чего атомные веса элементов не всегда выражаются целыми числами.

Простое вещество – это форма существования химического элемента в свободном состоянии. Однако, к примеру, даже газообразный (не говоря уже о жидком и твердом агрегатном состоянии) водород существует в двух разновидностях, различающихся магнитной ориентацией ядер Н – ортоводород и параводород. Они различаются, к примеру, теплоемкостью. Существует также две разновидности газообразного и четыре – жидкого кислорода. Поэтому простых веществ насчитывается св. 500, в то время как химических элементов – чуть более ста.

С позиций атомизма решается также проблема химического соединения. Что считать смесью, а что химическим соединением? Обладает ли такое соединение постоянным или переменным составом?

Французский химик Жозеф Пруст (1754 – 1826) считал, что любое химическое соединение должно обладать вполне определенным, неизменным составом: «…природа дала химическому соединению постоянный состав и тем самым поставила его в совершенно особое положение по сравнению с раствором, сплавом и смесью» . При этом состав химического соединения не зависит от способа его получения.

Впоследствии закон постоянства состава с позиций атомно-молекулярного учения обосновал выдающийся английский химик Джон Дальтон (1766 – 1844). Он ввел в науку понятие «атомный вес» и утверждал, что всякое вещество, простое или сложное, состоит из мельчайших частиц – молекул, которые в свою очередь образованы из атомов. Именно молекулы являются наименьшими частицами, обладающими свойствами вещества.

Долгое время сформулированный Прустом закон постоянства химического состава считался абсолютной истиной, хотя другой французский химик Клод Бертолле (1748 – 18232) указывал на существование соединений переменного состава в форме растворов и сплавов. Впоследствии были найдены более убедительные доказательства существования химических соединений переменного состава в школе известного русского физикохимика Николая Семеновича Курнакова (1860 – 1940). В честь К. Бертолле он назвал их бертоллидами. К ним он отнес те соединения, состав которых зависит от способа их получения . Например, соединения таких двух металлов, как марганец и медь, магний и серебро и других характеризуются переменным составом, но они составляют единые химические соединения. Со временем химики открыли другие соединения такого же переменного состава и пришли к выводу, что они отличаются от соединений постоянного состава тем, что не обладают специфическим молекулярным строением.

Поскольку выяснилось, что природа соединения, то есть характер связи атомов в его молекуле зависит от их химических связей , то расширилось и представление о молекуле. Молекулой по-прежнему называют наименьшую частицу вещества, которая определяет его свойства и может существовать самостоятельно. Однако к молекулам теперь относят также разнообразные другие квантово-механические системы (ионные, атомные монокристаллы, полимеры, возникающие на основе водородных связей, и другие макромолекулы). В них химическая связь осуществляется не только путем взаимодействия внешних , валентных электронов, но и ионов, радикалов и других компонентов. Они обладают молекулярным строением, хотя и не находятся в строго постоянном составе.

Таким образом, ныне исчезает резкое прежнее противопоставление химических соединений постоянного состава, обладающих специфическим молекулярным строением, и соединений переменного состава, лишенных этой специфики. Теряет также силу отождествление химического соединения с молекулой, состоящей из нескольких разных атомов химических элементов. В принципе молекула соединения может состоять и из двух или нескольких атомов одного элемента: это молекулы Н 2 , О 2 , графит, алмаз и другие кристаллы.

Ныне имеются сведения о 8 млн. индивидуальных химических соединений постоянного и миллиардах – переменного состава.

В рамках учения о составе и строении элементов важное место занимает проблема производства новых материалов. Речь идет о включении в их состав новых химических элементов. Дело в том, что 98,7% массы слоя Земли, на котором осуществляет свою производственную деятельность человек, составляют восемь химических элементов: 47,0% - кислород, 27,5% - кремний, 8,8% - алюминий, 4,6% - железо, 3,6% - кальций, 2,6% - натрий, 2,5% - калий, 2,1% - магний. Однако эти химические элементы распределены на Земле неравномерно и также неравномерно используются. Более 95% изделий из металла в своей основе содержат железо. Такое потребление ведет к дефициту железа. Поэтому стоит задача использовать для человеческой деятельности и другие химические элементы, способные заменить железо, в частности, наиболее распространенный кремний. Силикаты, различные соединения кремния с кислородом и другими элементами составляют 97% массы земной коры.

На основе современных достижений химии появилась возможность замены металлов керамикой не только как более экономичным продуктом, но во многих случаях и как более подходящим конструкционным материалом по сравнению с металлом. Более низкая плотность керамики (40%) дает возможность снизить массу изготовляемых из нее предметов. Включение в производство керамики новых химических элементов: титана, бора, хрома, вольфрама и других позволяет получать материалы с заранее заданными специальными свойствами (огнеупорность, термостойкость, высокая твердость и т.д.).

Во второй половине XX в. стали использоваться все новые и новые химические элементы в синтезе элементоорганических соединений от алюминия до фтора. Часть таких соединений служит в качестве химических реагентов для лабораторных исследований, а другая - для синтеза новейших материалов.

Около 10 лет назад насчитывалось более 1 млн. разновидностей продукции, выпускаемой химической промышленность. Ныне в химических лабораториях нашей планеты ежедневно синтезируется 200 – 250 новых химических соединений.

3. Уровень структурной химии.

Структурная химия представляет собой уровень развития химических знаний, на котором доминирует понятие «структура», т.е. структура молекулы, макромолекулы, монокристалла.

С возникновением структурной химии у химической науки появились неизвестные ранее возможности целенаправленного качественного влияния на преобразование вещества. Известный немецкий химик Фридрих Кекуле (1829 – 1896) стал связывать структуру с понятием валентности элемента. Известно, что химические элементы обладают определенной валентностью (от лат. valentia – сила, способность) – способностью образовывать соединения с другими элементами. Валентность как раз и определяет, с каким числом атомов способен соединяться атом данного элемента. Еще в 1857 г. Ф.А. Кекуле показал, что углерод четырехвалентен, и это дает возможность присоединить к нему до четырех элементов одновалентного водорода. Азот может присоединить до трех одновалентных элементов, кислород - до двух.

Эта схема Кекуле натолкнула исследователей на понимание механизма получения новых химических соединений. А. М. Бутлеров заметил, что в таких соединениях большую роль играет энергия , с которой вещества связываются между собой . Эта трактовка Бутлерова подтвердилась исследованиям квантовой механики. Таким образом, исследование структуры молекулы неразрывно связано с квантово-механическими расчетами.

На основе представлений о валентности возникли те структурные формулы , которыми пользуются при изучении химии, особенно органической. Комбинируя атомы различных химических элементов по их валентности, можно прогнозировать получение различных химических соединений в зависимости от исходных реагентов. Таким путем можно было управлять процессом синтеза различных веществ с заданными свойствами, а именно это и составляет важнейшую задачу химической науки.

В 60 – 80-е гг. XIX века появился термин «органический синтез». Из аммиака и каменноугольной смолы были получены анилиновые красители - фуксин, анилиновая соль, ализарин, а позднее - взрывчатые вещества и лекарственные препараты - аспирин и др. Структурная химия дала повод для оптимистических заявлений, что химики могут все.

Однако дальнейшее развитие химической науки и основанного на ее достижениях производства показали более точно возможности и пределы структурной химии . На уровне структурной химии не представлялось возможным указать эффективные пути получения этилена, ацетилена, бензола и других углеводородов из парафиновых углеводородов. Многие реакции органического синтеза на основе структурной химии давали очень низкие выходы необходимого продукта и большие отходы в виде побочных продуктов. А сам технологический процесс является многоэтапным и трудноуправляемым . Вследствие этого их нельзя было использовать в промышленном масштабе. Требовалось углубление знаний о химических процессах.

4. Учение о химических процессах.

Химические процессы представляют собой сложнейшее явление как в неживой, так и в живой природе. 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.

Все химические реакции имеют свойство обратимости , происходит перераспределение химических связей. Обратимость удерживает равновесие между прямой и обратной реакциями. В действительности равновесие зависит от условий прохождения процесса и чистоты реагентов. Смещение равновесия в ту или другую стороны требует специальных способов управления реакциями. Например, реакция получения аммиака: N 2 + 3H 2 ↔ 2NH 3

Эта реакция проста по составу элементов и своей структуре. Однако на протяжении целого столетия с 1813 по 1913 гг. химики не могли ее провести в законченном виде, так как не были известны средства управления ею. Она была осуществима только после открытия соответствующих законов нидерландским и французским физико-химиками Я.Х. Вант-Гофом и А.Д. Ле-Шателье . Было установлено, что синтез аммиака происходит на поверхности твердого катализатора (специально обработанного железа) при сдвиге равновесия за счет высоких давлений. Получение таких давлений сопряжено с большими технологическими трудностями. С открытием возможностей металлорганического катализатора синтез аммиака происходит при обычной температуре 180 о С и нормальном атмосферном давлении,

Проблемы управления скоростью химических процессов решает химическая кинетика. Она устанавливает зависимость химических реакций от различных факторов.

Термодинамическими факторами , которые оказывают существенное влияние на скорость химических реакций, являются температура и давление в реакторе. Например, смесь водорода и кислорода в условиях комнатной температуры и нормального давления можно хранить годами , и никакой реакции при этом не произойдет. Но стоит пропустить через смесь электрическую искру , как произойдет взрыв .

Скорость реакции в существенной степени зависит от температуры . Каждый знает, что сахар скорее растворяется в горячем чае, чем в холодной воде. Так, для большинства химических реакций скорость протекания при повышении температуры на 100 о С возрастает приблизительно в два раза.

Наиболее активны в этом отношении соединения переменного состава с ослабленными связями между их компонентами. Именно на них и направлено в первую очередь действие разных катализаторов , которые значительно ускоряют ход химических реакций.

5. Эволюционная химия

Химики давно пытались понять, какая лаборатория лежит в основе процесса возникновения жизни из неорганической безжизненной материи - лаборатория, в которой без участия человека получаются новые химические соединения» более сложные, чем исходные вещества?

И. Я. Берцелиус (1779-1848)первым установил, 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. Возникновение и эволюция жизни на Земле была бы невозможна без существования ферментов , служащих по сути дела живыми катализаторами.

Несмотря на то, что ферменты обладают общими свойствами, присущими всем катализаторам, тем не менее, они не тождественны последним, поскольку функционируют в рамках живых систем. Поэтому попытки использовать опыт живой природы для ускорения химических процессов в неорганическом мире наталкиваются на серьезные ограничения .

Тем не менее, современные химики считают, что на основе изучения химии организмов можно будет создать новое управление химическими процессами. Для решения проблемы биокатализа и использования его результатов в промышленных масштабах химическая наука разработала ряд методов:

· изучение и использование приемов живой природы,

· применения отдельных ферментов для моделирования биокатализаторов,

· освоение механизмов живой природы,

· развитие исследований с целью применения принципов биокатализа в химических процессах и химической технологии.

В эволюционной химии существенное место отводится проблеме самоорганизации систем. В процессе самоорганизации предбиологических систем шел отбор необходимых элементов для появления жизни и ее функционирования. Из более чем ста химических элементов, открытых к настоящему времени, многие принимают участие в жизнедеятельности живых организмов. Наука же считает, что только шесть элементов - углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера 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.

Из такого количества органических соединений в строительстве биомира задействованы природой всего несколько сотен. Из 100 известных аминокислот в состав белков входит только 20; лишь по четыре нуклеотида ДНК и РНК лежат в основе всех сложных полимерных нуклеиновых кислот, ответственных за наследственность и регуляцию белкового синтеза в любых живых организмах.

Каким образом природа из такого ограниченного количества химических элементов и химических соединений образовала сложнейший высокоорганизованный комплекс - биосистему ?

Этот процесс ныне представляется следующим образом.

1. На ранних стадиях химической эволюции мира катализ отсутствовал . Условия высоких температур - выше 5 тыс. градусов по Кельвину, электрических разрядов и радиации препятствуют образованию конденсированного состояния.

2. Проявления катализа начинаются при смягчении условий ниже 5 тыс. град, по Кельвину и образования первичных тел.

3. Роль катализатора возрастала (но пока еще незначительно), по мере того, как физические условия (главным образом температура) приближались к современным земным. Появление таких, даже относительно несложных систем, как: СН 3 ОН, СН 2 = СН 2 ; НС ≡ СН, Н 2 СО, НСООН, НС ≡ N, а тем более аминокислот, первичных сахаров, было своеобразной некаталитической подготовкой старта для большого катализа.

4. Роль катализа в развитии химических систем после достижения стартового состояния, т.е. известного количественного минимума органических и неорганических соединений, начала возрастать с фантастической быстротой . Отбор активных соединений происходил в природе из тех продуктов, которые получились относительно большим числом химических путей и обладали широким каталитическим спектром.

В 1969 г. появилась общая теория химической эволюции и биогенеза , выдвинутая ранее в самых общих положениях профессором Московского университета А.П. Руденко. Сущность этой теории состоит в том, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем и, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы . Открытый А.П. Руденко основной закон химической эволюции гласит, что эволюционные изменения катализатора происходят в том направлении, где проявляется его максимальная активность. Теория саморазвития каталитических систем позволяет выявлять этапы химической эволюции; дать конкретную характеристику пределов в химической эволюции и перехода от химогенеза (химического становления) к биогенезу.

Химическая эволюция на Земле создала все предпосылки для появления живого из неживой природы. А Земля оказалась в таких специфических условиях, что эти предпосылки смогли реализоваться. 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. Видимо, одним из проявлений природы и является появление человека как самосознающей себя материи. На определенном этапе он может оказывать ощутимое воздействие на среду собственного обитания, причем как позитивное, так и негативное.

В последующих лекциях мы будем более подробно говорить о сущности жизни.

Вопросы для повторения

1. Что изучает химия, и какие основные методы она использует?

2. Какая связь существует между атомным весом и зарядом ядра атома?

3. Что называют химическим элементом?

4. Что называется простым и сложным веществом?

5. От каких факторов зависят свойства веществ?

6. Кто стал основоположником системного подхода в развитии химических знаний? Какую систему он построил?

7. Какой вклад в развитие химических знаний внесли физики?

8. Что такое катализаторы?

9. Какие элементы называют органогенами?

10. Для чего химики изучают лабораторию «живой природы»?

11. Чем отличаются ферменты от химических катализаторов?

12. Каковы потенциальные возможности эволюционной химии?

Литература

Основная:

1. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания: Курс лекций. – М.: Гардарики, 2006. Гл. 11.

2. Концепции современного естествознания / Под ред. В.Н. Лавриненко и В.П. Ратникова. – М.: ЮНИТИ-ДАНА.2003. – Гл. 5.

3. Карпенков С.Х. Основные концепции естествознания. – М.: Академический Проект, 2002. Гл. 4.

Дополнительная:

1. Азимов А. Краткая история химии: Развитие идей и представлений химии от алхимии до ядерной бомбы. – СПб.: Амфора, 2002.

2. Некрасов Б.В. Основы общей химии. Изд. 4-е. В 2 т. – СПб., М., Краснодар: Лань, 2003.

3. Пиментел Д., Курод Д. Возможности химии сегодня и завтра. М., 1992.

4. Фримантл М. Химия в действии: В 2 ч. – М.: Мир, 1998.

5. Эмсли Дж. Элементы. - М.: Мир, 1993.

6. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия / Глав. Ред. В.А. Володин. – М.: Аванта+, 2000.

Изотопами называются разновидности атомов, которые имеют одинаковый заряд ядра, но отличаются по своей массе.

Цит. по: Колтун Марк. Мир химии. – М.: Дет. лит., 1988. С.48.

Истоки химических знаний лежат в глубокой древности. В их основе – потребность человека получить необходимые вещества для своей жизнедеятельности. Происхождение термина «химия» не выяснено до сих пор, хотя по этому вопросу существует несколько версий. Согласно одной из них, это название произошло от египетского слова «хеми», что означало Египет, а также «черный». Историки науки переводят этот термин также как «египетское искусство». Таким образом, в этой версии слово химия означает искусство производить необходимые вещества, в том числе и искусство превращать обыкновенные металлы в золото и серебро или их сплавы.

Однако в настоящее время более популярно другое объяснение. Слово «химия» произошло от греческого термина «химос», который можно перевести как «сок растений». Поэтому «химия» означает «искусство получения соков», но сок, о котором идет речь, может быть и расплавленным металлом. Так что химия может означать и «искусство металлургии».

История химии показывает, что ее развитие происходило неравномерно: периоды накопления и систематизации данных эмпирических опытов и наблюдений сменялись периодами открытия и бурного обсуждения фундаментальных законов и теорий. Последовательное чередование таких периодов позволяет разделить историю химической науки на несколько этапов.

Основные периоды развития химии

1. Период алхимии – с древности до XVI в. нашей эры. Он характеризуется поисками философского камня, эликсира долголетия, алкагеста (универсального растворителя). Кроме того, в алхимический период почти во всех культурах практиковалось «превращение» неблагородных металлов в золото или серебро, но все эти «превращения» у каждого народа осуществлялись самыми разными способами.

2. Период зарождения научной химии , который продолжался в течение XVI - XVIII веков. На этом этапе были созданы теории Парацельса, теории газов Бойля, Кавендиша и др., теория флогистона Г. Шталя и, наконец, теория химических элементов Лавуазье. В течение этого периода 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.

3. Период открытия основных законов химии охватывает первые шестьдесят лет XIX века и характеризуется возникновением и развитием атомной теории Дальтона, атомно-молекулярной теории Авогадро, установлением Берцелиусом атомных весов элементов и формированием основных понятий химии: атом, молекула и др.

4. Современный период длится с 60-х годов XIX века до наших дней. Это наиболее плодотворный период развития химии, так как в течение немногим более 100 лет были разработаны периодическая классификация элементов, теория валентности, теория ароматических соединений и стереохимия, теория электролитической диссоциации Аррениуса, электронная теория материи и т.д.

Вместе с тем, в этот период значительно расширился диапазон химических исследований. Такие составные части химии, как неорганическая химия, органическая химия, физическая химия, фармацевтическая химия, химия пищевых продуктов, агрохимия, геохимия, биохимия и т.д., приобрели статус самостоятельных наук и собственную теоретическую базу.

Период алхимии

Исторически алхимия сложилась как тайное, мистическое знание, направленное на поиски философского камня, превращающего металлы в золото и серебро, и эликсира долголетия. В течение своей многовековой истории алхимия решала многие практические задачи, связанные с получением веществ и заложила фундамент для создания научной химии.

Наивысшего развития алхимия достигла в трех основных типах:

· греко-египетском;

· арабском;

· западно-европейском.

Родина алхимии – Египет. Еще в древности там были известны способы получения металлов, сплавов, применявшихся для производства монет, оружия, украшений. Эти знания держались в секрете и были достоянием ограниченного круга жрецов. Увеличивающийся спрос на золото подтолкнул металлургов к поиску способов превращения (трансмутации) неблагородных металлов (железа, свинца, меди и др.) в золото. Алхимический характер древней металлургии связал ее с астрологией и магией. Каждый металл имел астрологическую связь с соответствующей планетой. Погоня за философским камнем позволила углубить и расширить знания о химических процессах. Получила развитие металлургия, были усовершенствованы процессы очистки золота и серебра. Тем не менее, в период правления императора Диоклетиана в Древнем Риме алхимия стала преследоваться. Возможность получения дешевого золота напугала императора и по его приказу были уничтожены все труды по алхимии. Значительную роль в запрете алхимии сыграло христианство, которое рассматривало ее как дьявольское ремесло.

После завоевания арабами Египта в VII в. н. э. алхимия стала развиваться в арабских странах. Самым выдающимся арабским алхимиком был Джабир ибн Хайям , известный в Европе как Гебер . Он описал нашатырный спирт, технологию приготовления свинцовых белил, способ перегонки уксуса для получения уксусной кислоты. Основополагающей идеей Джабира являлась теория образования всех известных тогда семи металлов из смеси ртути и серы как двух основных составляющих. Эта идея предвосхитила деление простых веществ на металлы и неметаллы.

Развитие арабской алхимии шло двумя параллельными путями. Одни алхимики занимались трансмутацией металлов в золото, другие искали эликсир жизни, дававший бессмертие.

Появление алхимии в странах Западной Европы стало возможным благодаря крестовым походам. Тогда европейцы позаимствовали у арабов научно-практические знания, среди которых была алхимия. Европейская алхимия попала под покровительство астрологии и поэтому приобрела характер тайной науки. Имя самого выдающегося средневекового западноевропейского алхимика осталось неизвестным, известно лишь, что он был испанцем и жил в XIV веке. Он первым описал серную кислоту, процесс образования азотной кислоты, царской водки. Несомненной заслугой европейской алхимии было изучение и получение минеральных кислот, солей, спирта, фосфора и т. д. Алхимиками была создана химическая аппаратура, разработаны различные химические операции: нагревание на прямом огне, водяной бане, прокаливание, перегонка, возгонка, выпаривание, фильтрование, кристаллизация и др. Таким образом, были подготовлены соответствующие условия для развития химической науки.

2. Период зарождения химической науки охватывает три столетия: с XVI по XIX вв. Условиями становления химии как науки были:

Ø обновление европейской культуры;

Ø потребность в новых видах промышленного производства;

Ø открытие Нового света;

Ø расширение торговых отношений.

Отделившись от старой алхимии, химия приобрела большую свободу исследования и утвердилась как единая независимая наука.

В XVI в. на смену алхимии пришло новое направление, которое занималось приготовлением лекарств. Это направление получило название ятрохимии . Основателем ятрохимии был швейцарский ученый Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм , известный в науке под именем Парацельс .

Ятрохимия выражала стремление соединить медицину с химией, переоценивая при этом роль химических превращений в организме и приписывая определенным химическим соединениям способность устранять в организме нарушения равновесия. Парацельс свято верил, что если человеческое тело состоит из особых веществ, то происходящие в них изменения должны вызывать болезни, которые могут быть излечены лишь путем применения лекарств, восстанавливающих нормальное химическое равновесие. До Парацельса в качестве лекарств использовались преимущественно растительные препараты, но он полагался только на эффективность лекарственных средств, изготовленных из минералов, и поэтому стремился создавать лекарства такого типа.

В своих химических изысканиях Парацельс заимствовал из алхимической традиции учение о трех основных составных частях материи – ртути, сере и соли, которым соответствуют основные свойства материи: летучесть, горючесть и твердость. Эти три элемента составляют основу макрокосма (вселенной), но относятся и микрокосму (человеку), состоящему из духа, души и тела. Определяя причины болезней, Парацельс утверждал, что лихорадка и чума происходят от избытка в организме серы, при избытке ртути наступают параличи, а избыток соли может вызвать расстройство желудка и водянку. Точно также и причины многих других болезней он приписывал избытку или недостатку этих трех основных элементов.

В сохранении здоровья человека Парацельс придавал большое значение химии, так как исходил из наблюдения, что медицина покоится на четырех опорах, а именно на философии, астрологии, химии и добродетели. Химия должна развиваться в согласии с медициной, потому что этот союз приведет к прогрессу обеих наук.

Ятрохимия принесла значительную пользу химии, так как способствовала освобождению ее от влияния алхимии и существенно расширила знания о жизненно важных соединениях, оказав тем самым благотворное влияние и на фармацию. Но одновременно ятрохимия была и помехой для развития химии, потому что сужала поле ее исследований. По этой причине в XVII и XVIII вв. целый ряд исследователей отказались от принципов ятрохимии и избрали иной путь своих исследований, внедряя химию в жизнь и ставя ее на службу человеку.

Именно эти исследователи своими открытиями способствовали созданию первых научных химических теорий.

В XVII столетии, в век бурного развития механики, в связи с изобретением паровой машины, возник интерес химии к процессу горения. Итогом этих исследований стала теория флогистона , основоположником которой был немецкий химик и врач Георг Шталь.

Теория Флогистона

Задолго до XVIII века греческие и западные алхимики пытались ответить на эти вопросы: почему одни предметы горят, а другие не горят? Что представляет собой процесс горения?

По представлениям древних греков все, что способно гореть, содержит в себе элемент огня, который в соответствующих условиях может высвобождаться. Алхимики придерживались примерно той же точки зрения, но считали, что способные к горению вещества содержат в себе элемент «сульфур». В 1669 году немецкий химик Иоганн Бехер попытался дать рациональное объяснение явлению горючести. Он предположил, что твердые вещества состоят из трех видов «земли», и один из этих видов, названный им «жирная земля», служит горючим веществом. Все эти объяснения не отвечали на вопрос о сущности процесса горения, но они стали отправной точкой для создания единой теории, известной под названием теории флогистона.

Шталь вместо понятия Бехера «жирная земля» ввел понятие «флогистона» – от греческого «флогистос» – горючий, воспламеняющийся. Термин «флогистон» получил большое распространение благодаря работам самого Шталя и потому, что его теория объединила многочисленные сведения о горении и обжигании.

Теория флогистона основана на убеждении, что все горючие вещества богаты особым горючим веществом – флогистоном и чем больше флогистона содержит данное тело, тем более оно способно к горению. То, что остается после завершения процесса горения, флогистона не содержит и потому гореть не может. Шталь утверждает, что расплавление металлов подобно горению дерева. Металлы, по его мнению, тоже содержат флогистон, но, теряя его, превращаются в известь, ржавчину или окалину. Однако если к этим остаткам опять добавить флогистон, то вновь можно получить металлы. При нагревании этих веществ с углем металл «возрождается».

Такое понимание процесса плавления позволило дать приемлемое объяснение и процессу превращение руд в металлы – первому теоретическому открытию в области химии.

Теория флогистона Шталя на первых порах встретила резкую критику, но при этом быстро начала завоевывать популярность и во второй половине XVII в. была принята химиками повсеместно, так как позволила дать четкие ответы на многие вопросы. Однако один вопрос ни Шталь, ни его последователи разрешить не смогли. Дело в том, что большинство горючих веществ (дерево, бумага, жир) при горении в значительной степени исчезали. Оставшиеся зола и сажа были намного легче, чем исходное вещество. Но химикам XVIII в. эта проблема не казалась важной, они еще не сознавали важность точных измерений, и изменением в весе они пренебрегали. Теория флогистона объясняла причины изменения внешнего вида и свойств веществ, а изменения веса были неважны.

Влияние идей А.Л. Лавуазье на развитие химического знания

К концу XVIII в. в химии был накоплен большой объем экспериментальных данных, которые необходимо было систематизировать в рамках единой теории. Создателем такой теории стал французский химик Антуан-Лоран Лавуазье.

С самого начала своей деятельности на поприще химии Лавуазье понял важность точного измерения веществ, участвующих в химических процессах. Применение точных измерений при изучении химических реакций позволило ему доказать несостоятельность старых теорий, мешавших развитию химии.

Вопрос о природе процесса горения интересовал всех химиков XVIII в., и Лавуазье также не мог не заинтересоваться им. Его многочисленные опыты по нагреванию различных веществ в закрытых сосудах позволили установить, что независимо от характера химических процессов и их продуктов, общий вес всех участвующих в реакции веществ остается без изменений.

Это позволило ему выдвинуть новую теорию образования металлов и руд. Согласно этой теории, в руде металл соединен с газом. Когда руду нагревают на древесном угле, уголь абсорбирует газ из руды и при этом образуется углекислый газ и металл.

Таким образом, в отличие от Шталя, который считал, что плавка металла включает переход флогистона из древесного угля в руду, Лавуазье представляет себе этот процесс как переход газа из руды в уголь. Идея Лавуазье позволяла объяснить причины изменения веса веществ в результате горения.

Обдумывая результаты проведенных им опытов, Лавуазье пришел к мысли, что если учитывать все вещества, участвующие в химической реакции и все образующиеся продукты, то изменений в весе никогда не будет. Другими словами, Лавуазье пришел к выводу, что масса никогда не создается и не уничтожается, а лишь переходит от одного вещества к другому. Этот вывод, известный сегодня как закон сохранения массы, стал основой для всего процесса развития химии XIX века.

Однако сам Лавуазье был неудовлетворен полученными результатами, так как не понимал, почему при соединении воздуха с металлом образовывалась окалина, а при соединении с деревом – газы, и почему при этих взаимодействиях участвовал не весь воздух, а только примерно пятая часть его?

Вновь в результате многочисленных опытов и экспериментов Лавуазье пришел к выводу, что воздух является не простым веществом, а смесью двух газов. Одну пятую часть воздуха, по мнению Лавуазье, составляет «дефлогистированный воздух», который соединяется с горящими и ржавеющими предметами, переходит из руд в древесный уголь и необходим для жизни. Лавуазье назвал этот газ кислородом, то есть порождающим кислоты, так как ошибочно полагал, что кислород – компонент всех кислот.

Второй газ, составляющий четыре пятых воздуха («флогистированный воздух») был признан совершенно самостоятельным веществом. Этот газ не поддерживал горения, и его Лавуазье назвал азотом – безжизненным.

Важную роль в исследованиях Лавуазье сыграли результаты опытов английского физика Кавендиша, который доказал, что образующиеся при горении газы конденсируются в жидкость, которая, как показали анализы, является всего-навсего водой.

Важность этого открытия была огромной, так как выяснилось, что вода – не простое вещество, а продукт соединения двух газов.

Лавуазье назвал выделяющийся при горении газ водородом («образующим воду») и отметил, что водород горит, соединяясь с кислородом, и, следовательно, вода является соединением водорода и кислорода.

Новые теории Лавуазье повлекли за собой полную рационализацию химии. Было окончательно покончено со всеми таинственными элементами. С того времени химики стали интересоваться только теми веществами, которые можно было взвесить или измерить каким-либо другим способом.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Пензенский Государственный Университет

Кафедра Зоологии и Экологии

Реферат на тему: «Химическая картина мира. Этапы развития»

Выполнила:

Шкутова Олеся Олеговна

Рецензент:

канд. биол. наук, доцент - Ильина Н.Л

1. Основные этапы развития химии

История химии изучает и описывает сложный процесс накопления специфических знаний, относящихся к изучению свойств и превращений веществ; её можно рассматривать как пограничную область знания, которая связывает явления и процессы, относящиеся к развитию химии, с историей человеческого общества. При изучении истории развития химии возможны два взаимно дополняющих подхода: хронологический и содержательный.

При хронологическом подходе историю химии принято подразделять на несколько периодов. Следует учитывать, что периодизация истории химии, будучи достаточно условной и относительной, имеет скорее дидактический смысл. При этом на поздних этапах развития науки (в случае химии - уже с начала XIX века) в связи с её дифференциацией неизбежны отступления от хронологического порядка изложения, поскольку приходится отдельно рассматривать развитие каждого из основных разделов науки.

Как правило, большинство историков химии выделяют следующие основные этапы её развития:

1. Предалхимический период: до III в. н.э.

В предалхимическом периоде теоретический и практический аспекты знаний о веществе развивались относительно независимо друг от друга. Происхождение свойств вещества рассматривала античная натурфилософия, практические операции с веществом являлись прерогативой ремесленной химии.

2. Алхимический период: III - XVII вв.

Алхимический период, в свою очередь, разделяется на три подпериода - александрийскую (греко-египетскую), арабскую и европейскую алхимию. Алхимический период - это время поисков философского камня, считавшегося необходимым для осуществления трансмутации металлов. В этом периоде происходило зарождение экспериментальной химии и накопление запаса знаний о веществе; алхимическая теория, основанная на античных философских представлениях об элементах, была тесно связана с астрологией и мистикой. Наряду с химико-техническим "златоделием" алхимический период примечателен также и созданием уникальной системы мистической философии.

3. Период становления (объединения): XVII - XVIII вв.

В период становления химии как науки произошла её полная рационализация. Химия освободилась от натурфилософских и алхимических взглядов на элементы как на носители определённых качеств. Наряду с расширением практических знаний о веществе начал вырабатываться единый взгляд на химические процессы и в полной мере использоваться экспериментальный метод. Завершившая этот период химическая революция окончательно придала химии вид самостоятельной (хотя и тесно связанной с другими отраслями естествознания) науки, занимающейся экспериментальным изучением состава тел.

4. Период количественных законов (атомно-молекулярной теории): 1789 - 1860 гг.

Период количественных законов, ознаменовавшийся открытием главных количественных закономерностей химии - стехиометрических законов, и формированием атомно-молекулярной теории, окончательно завершил превращение химии в точную науку, основанную не только на наблюдении, но и на измерении.

5. Период классической химии: 1860 г. - конец XIX в.*

Период классической химии характеризуется стремительным развитием науки: были созданы периодическая система элементов, теория валентности и химического строения молекул, стереохимия, химическая термодинамика и химическая кинетика; блестящих успехов достигли прикладная неорганическая химия и органический синтез. В связи с ростом объёма знаний о веществе и его свойствах началась дифференциация химии - выделение её отдельных ветвей, приобретающих черты самостоятельных наук.

В большинстве учебников и учебных пособий при рассмотрении периодизации истории химии за периодом количественных законов следует современный период. Однако, по мнению автора, это не совсем корректно, т. к. в начале XX в. теоретические основания химии претерпели существеннейшие изменения. Вторая половина XIX в. является чрезвычайно важным особым этапом развития химических знаний. В этот период окончательно формируется атомно-молекулярная теория и учение о химических элементах, классические разделы химии, создаётся периодический закон, возникают две новых концептуальных системы химии - структурная химия и учение о химическом процессе.

6. Современный период: с начала XX века по настоящее время

В начале ХХ века произошла революция в физике: на смену системе знаний о материи, основанной на механике Ньютона, пришли квантовая теория и теория относительности. Установление делимости атома и создание квантовой механики вложили новое содержание в основные понятия химии. Успехи физики в начале XX века позволили понять причины периодичности свойств элементов и их соединений, объяснить природу валентных сил и создать теории химической связи между атомами. Появление принципиально новых физических методов исследования предоставило химикам невиданные ранее возможности для изучения состава, структуры и реакционной способности вещества. Всё это в совокупности обусловило в числе прочих достижений и блестящие успехи биологической химии второй половины XX века - установление строения белков и ДНК, познание механизмов функционирования клеток живого организма.

2. Концептуальные системы химии

Содержательный подход к истории химии основывается на изучении того, как изменялись со временем теоретические основы науки. Вследствие изменений в теориях на всём протяжении существования химии постоянно менялось её определение. Химия зарождается как "искусство превращения неблагородных металлов в благородные"; Менделеев в 1882 г. определяет её как "учение об элементах и их соединениях". Определение из современного школьного учебника в свою очередь значительно отличается от менделеевского: "Химия - наука о веществах, их составе, строении, свойствах, взаимных превращениях и законах этих превращений".

Следует отметить, что изучение структуры науки мало способствует созданию представления о путях развития химии в целом: общепринятое деление химии на разделы основано на целом ряде различных принципов. Деление химии на органическую и неорганическую произведено по различию их предметов (каковое различие, кстати, может быть правильно понято только при историческом рассмотрении). Выделение физической химии основано на её близости к физике, аналитическая химия выделена по признаку используемого метода исследования. В целом общепринятое деление химии на разделы является в значительной степени данью исторической традиции; каждый раздел в той или иной степени пересекается со всеми остальными.

Основной задачей содержательного подхода к истории химии является, говоря словами Д. И. Менделеева, выделение "неизменного и общего в изменяемом и частном". Таким неизменным и общим для химических знаний всех исторических периодов является цель химии. Именно цель науки - не только теоретический, но и исторический её стержень.

Целью химии на всех этапах её развития является получение вещества с заданными свойствами. Эта цель, иногда именуемая основной проблемой химии, включает в себя две важнейших задачи - практическую и теоретическую, которые не могут быть решены отдельно друг от друга. Получение вещества с заданными свойствами не может быть осуществлено без выявления способов управления свойствами вещества, или, что то же самое, без понимания причин происхождения и обусловленности свойств вещества. Таким образом, химия есть одновременно и цель и средство, и теория и практика.

Теоретическая задача химии имеет ограниченное и строго определённое число способов решения, которые задаются структурной иерархией самого вещества, для которого можно выделить следующие уровни организации:

1. Субатомные частицы.

2. Атомы химических элементов.

3. Молекулы химических веществ как унитарные (единые) системы.

4. Микро- и макроскопические системы реагирующих молекул.

5. Мегасистемы (Солнечная система, Галактика и т.п.)

Объектами изучения химии является вещество на 2 - 4 уровнях организации. Исходя из этого, для разрешения проблемы происхождения свойств необходимо рассмотреть зависимость свойств вещества от трёх факторов:

1. От элементарного состава;

2. От структуры молекулы вещества;

3. От организации системы.

Таким образом, иерархия изучаемых материальных объектов предопределяет иерархию т.н. концептуальных систем химии - относительно самостоятельных систем теорий и методологических принципов, используемых для описания и изучения свойств вещества на каком-либо уровне организации. Обычно выделяют три концептуальных системы, а именно:

1. Учение о составе;

2. Структурная химия;

3. Учение о химическом процессе.

Учение о составе возникло значительно раньше двух других концептуальных систем - уже в античной натурфилософии появляется понятие об элементах как о составных частях тел. Научная химия воспринимает это учение, но уже основанное на принципиально новых представлениях об элементах, как о неразложимых далее телах (частицах), из которых состоят все "смешанные тела" (соединения). Основной тезис учения о составе состоит в следующем: свойства вещества определяются его составом, т.е. тем, из каких элементов и в каком их соотношении образовано данное вещество. Объектом учения о составе является вещество как совокупность атомов. алхимический атомный молекулярный

Структурная химия, появившаяся в первой половине XIX-го века, исходит из следующего тезиса: свойства вещества определяются структурой молекулы вещества, т.е. её элементным составом, порядком соединения атомов между собой и их расположением в пространстве. Причиной появления структурной химии стало открытие явлений изомерии и металепсии (см. гл. 5.2.), которые не могли быть объяснены в рамках существующих понятий. Для объяснения этих экспериментальных фактов предлагаются новые теории; объектом структурной химии становится молекула химического вещества как единое целое. Применительно к химической практике появление новой концептуальной системы означало в данном случае ещё и превращение химии из науки преимущественно аналитической в науку синтетическую.

Учение о химическом процессе, сформировавшееся во второй половине XIX столетия, исходит из посылки, что свойства вещества определяются его составом, структурой и организацией системы, в которой это вещество находится. Учение о процессе выделяется в самостоятельную концепцию химии, когда накапливаются экспериментальные факты, указывающие на то, что законы, управляющие химическими реакциями, не могут быть сведены к составу вещества и структуре его молекулы. Знания состава вещества и структуры молекул часто оказывается недостаточно для предсказания свойств вещества, которые в общем случае обусловлены ещё и природой сореагентов, относительными количествами реагентов, внешними условиями, в которых находится система, наличием в системе веществ, стехиометрически не участвующих в реакции (примесей, катализаторов, растворителя и т.п.). Предметом изучения химии на этом уровне становится вся кинетическая система, в которой состав вещества и структура его молекул представлены лишь как частности. Эмпирические понятия химического сродства и реакционной способности получают теоретическое обоснование в химической термодинамике, химической кинетике и учении о катализе. Создание учения о химическом процессе дало возможность решить важнейшие практические вопросы управления химическими превращениями, внедрить в химическую технологию принципиально новые процессы.

Иногда выделяется ещё одна концептуальная система - эволюционная химия, представляющая собой, по мнению сторонников такого подхода, учение о высших формах химизма и о химической эволюции материи. Эволюционная химия изучает процессы самоорганизации вещества: от атомов и простейших молекул до живых организмов.

Таким образом, в рамках содержательного подхода история химии может быть рассмотрена как история возникновения и развития концептуальных систем, каждая из которых представляет собой принципиально новый способ решения основной задачи химии. Следует отметить, что указанные концептуальные системы не противоречат друг другу и не сменяют одна другую, но являются взаимно дополняющими.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Этапы развития химии, эволюция теоретического и практического аспектов знаний о веществе. Основные черты натурфилософии, решение вопроса о делимости материи. Тенденции в средневековой алхимии. Период количественных законов (атомно-молекулярной теории).

реферат , добавлен 26.01.2015


От алхимии - к научной химии: путь действительной науки о превращениях вещества. Революция в химии и атомно-молекулярное учение как концептуальное основание современной химии.Экологические проблемы химической компоненты современной цивилизации.

реферат , добавлен 05.06.2008


Основные этапы развития химии. Алхимия как феномен средневековой культуры. Возникновение и развитие научной химии. Истоки химии. Лавуазье: революция в химии. Победа атомно-молекулярного учения. Зарождение современной химии и ее проблемы в XXI веке.

реферат , добавлен 20.11.2006


Происхождение термина "химия". Основные периоды развития химической науки. Типы наивысшего развития алхимии. Период зарождения научной химии. Открытие основных законов химии. Системный подход в химии. Современный период развития химической науки.

реферат , добавлен 11.03.2009


Вклад Ломоносова в развитие химии как науки: обоснование закона сохранения массы вещества, исследование природы газового состояния, изучение явления кристаллизации. Основные направления развития физической химии во второй половине XVIII-XX веках.

реферат , добавлен 26.08.2014


Теоретическая основа аналитической химии. Спектральные методы анализа. Взаимосвязь аналитической химии с науками и отраслями промышленности. Значение аналитической химии. Применение точных методов химического анализа. Комплексные соединения металлов.

реферат , добавлен 24.07.2008


Краткий обзор концептуальных направлений развития современной химии. Исследование структуры химических соединений. Эффективные и неэффективные столкновения реагирующих частиц. Химическая промышленность и важнейшие экологические проблемы современной химии.

реферат , добавлен 27.08.2012


Истоки и развитие химии, ее связь с религией и алхимией. Важнейшие особенности современной химии. Основные структурные уровни химии и ее разделы. Основные принципы и законы химии. Химическая связь и химическая кинетика. Учение о химических процессах.

реферат , добавлен 30.10.2009


Процесс зарождения и формирования химии как науки. Химические элементы древности. Главные тайны "трансмутации". От алхимии к научной химии. Теория горения Лавуазье. Развитие корпускулярной теории. Революция в химии. Победа атомно-молекулярного учения.

реферат , добавлен 20.05.2014


Законы атомно-молекулярной теории. Стехиометрические соотношения, газовые смеси. Решение стандартных и сложных многовариантных задач; вывод формул химических соединений. Расчет природного минерала, вещества в жидкости, в твердой смеси; концентрация.