Концепции современного естествознания - umotnas.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
страница 1страница 2
Похожие работы
Название работы Кол-во страниц Размер
Программа курса «Концепции современного естествознания» 1 167.27kb.
Концепции современного естествознания 16 7261.56kb.
Концепции современного естествознания 3 769.08kb.
Программа по дисциплине «Концепции современного естествознания» 1 193.5kb.
16. Вопросы по курсу «Концепции современного естествознания 5 710.64kb.
Вопросы к экзамену по дисциплине «концепции современного естествознания» 1 64.48kb.
А. В. Миронов кандидат философских наук, доцент 1 15.64kb.
Вопросы по дисциплине «Концепции современного естествознания» 1 259.31kb.
Концепции современного естествознания 4 1321.35kb.
Вопросы для подготовки к практическому занятию №12 «Эволюция живой... 1 24.25kb.
Требования к выполнению контрольных работ по дисциплине «концепции... 2 614.38kb.
Устный журнал «Как развивалась химия…» 1 203.11kb.
Викторина для любознательных: «Занимательная биология» 1 9.92kb.

Концепции современного естествознания - страница №1/2



В. М. Макаров

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ


Часть III



ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ



КАМЫШИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)

ВОЛГОГРАДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

В. М. Макаров

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ


Часть III
Учебное пособие

РПК «Политехник»

Волгоград

2008

УДК 502 (075.8)

М 15
Рецензенты: кандидат сельскохозяйственных наук А. К. Зеленяк; учебно-методический совет представительства СГАП


Макаров, В. М. Концепции современного естествознания: учеб. пособие. Часть III / В. М. Макаров; ВолгГТУ, Волгоград, 2008. – 48 с.
ISBN 5-230-05100-0
В третьей части пособия рассмотрен раздел курса «Химическая картина мира», в который вошли главы: «Уровни развития химических знаний» и «Система химии».

Форма изложения материала в III части пособия полностью соответствует форме изложения в I и II частях. В конце параграфа приводится перечень контрольных вопросов, которые в последующем войдут в карточки программированного тестового контроля по итогам контрольных недель и семестра. В пособии рассмотрен материал вопросов интернет-экзамена по дисциплинам «КСЕ» и «Химия».

Предназначено для студентов очной и очно-заочной форм обучения специальностей 061100 «Менеджмент организации» и 060500 «Бухгалтерский учёт и аудит».
Ил. 8. Библиогр.: 7 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Волгоградского государственного технического университета

ISBN 5-230-05100-0  Волгоградский



государственный

технический



университет, 2008

ОГЛАВЛЕНИЕ




Введение …………………………………...……………………………

4

Глава I. Уровни развития химических знаний ….....…............…

5

1. Развитие химии до начала XVII в. Натурфилософия и ремесленная химия …………........................………………......………….…

5

2. Алхимия Средневековья …….........………………......................

5

3. Возникновение и развитие научной химии …......……………

7

4. Первый этап развития химии – XVII в. Учение о составе вещества.....................................................................................................

8

5. Второй этап развития химии как науки – XIX в. Структурная химия.......................................................................................................

9

6. Третий этап развития химии как науки – первая половина XX в. Учение о химических процессах ...….........…………………...

10

7. Четвертый этап развития химии как науки – вторая половина XX в. Эволюционная химия …………......….........………………

12

Глава II. Система химии………….......…………..…………………

13

8. Учение о составе вещества..........................................………..

14

9. Решение проблемы химического соединения (определение состава химического соединения)……............................…...... ……

16

10. Проблема создания новых материалов………....……………

19

11. Структурная химия. Проблемы и решения. Эволюция понятия «структура» в химии……………….....................……….…….

21

12. Учение о химических процессах. Проблемы и решения.......

23

13. Методы управления химическим процессом ………....…….

28

14. Термодинамические методы…………………................……..

28

15. Химическая кинетика……………..............….........………….

35

16. Эволюционная химия. Проблемы создания лаборатории живого организма ……………….................................………………

36

17. Пути освоения опыта живой природы …......………………..

38

18. Самоорганизация эволюционных систем ……...……………

39

19. Теория химической эволюции и биогенеза ……...………….

43

Список использованной литературы ……...……………………........

47

Введение

Наши знания о природе накапливаются не хаотично, а в строгой последовательности, обусловленной иерархией уровней организации материи. Природа едина по своей сути и деление знаний о ней на отдельные естественные дисциплины, например химию или физику, часто бывает довольно условным: физические идеи находят свое отражение в объяснении химических процессов, а изучение химических превращений веществ друг в друга приводят физиков к открытию новых физических закономерностей и явлений, например, к открытию высокотемпературной проводимости или открытию солитонов. Это обусловлено, прежде всего, существованием общего для химиков и физиков объекта исследования – вещества. Но есть и существенные различия между этими двумя науками: во-первых, круг объектов исследования физики по сравнению с химией более широк – от микромира до масштабов Вселенной; во-вторых, законы физики более универсальны и применимы к целому ряду природных явлений. Об этом свидетельствует развитие большого количества смежных с ней наук: физической химии, геофизики, биофизики, астрофизики и т. д. С другой стороны, к любому процессу с точки зрения ученого любого естественно-научного направления (биолога, биохимика, физика) подход будет разным, что еще раз убедит нас в существовании некой иерархии знаний, когда сложные явления и процессы описываются с точки зрения более простых и знакомых. Если вспомнить еще раз уже известную схему связей физических, химических и биологических наук:



физика химиябиология,

то можно сказать, что эта связь не является чисто механической, придуманной кем-то схемой, она отражает иерархию организации материи, которая действительно существует в природе:



элементарные частицы атом молекула макромолекула надмолекулярные комплексы органеллы клетки живая клетка.

Правда, в действительности отношения между физикой, химией и биологией носят характер обратимых процессов научной информации, и они намного сложнее, чем представлены на схеме. В настоящем разделе попытаемся решить и основную двуединую проблему химии – это:



  1. Получение веществ с заданными свойствами – производственная задача.

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

Автор попытается показать химию в какой-то мере точнее, глубже и до известной степени по-новому по сравнению с тем, как она освещается в традиционных школьных и вузовских учебниках. А для этого существует только один путь – раскрыть логику этой науки, т. е. объективные закономерности ее развития, чего нет в названных учебниках.

Глава I

Уровни развития химических знаний

Вся история развития химии является закономерным процессом смены способов решения ее основной проблемы. 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. Вспомним историю возникновения и развития химии.



  1. Развитие химии до начала XVII в.

Натурфилософия и ремесленная химия

История развития химических концепций начиная с древних времен и до XVII в. – это многочисленные бесплодные попытки решения вопроса о происхождении свойств веществ на протяжении многих сотен лет. За это время было предложено два принципиально разных объяснения происхождения свойств тел. Демокрит (родился в г. Абдерн, на северном побережье Эгейского моря, около 470–460 гг. до н. э.), Эпикур (341–270 гг. до н. э.) и другие представители атомистической натурфилософии высказывали гениальные догадки о том, что все тела состоят из атомов различной величины и разной формы, чем и объясняется их качественное различие. Аристотель (384–322 гг. до н. э.) и Эмпедокл (490–430 гг. до н. э.) объясняли все видимое разнообразие тел с антиатомистических позиций – посредством сочетания в теле различных стихий или элементов, свойств: тепла и холода, сухости и влажности и т. д. Но дело все в том, что в то время ни один из этих способов – ни атомистический, ни антиатомистический – не решали главной задачи химии: получение новых веществ с заданными свойствами. В этот период истории натурфилософия, которая представляла собой вместилище всевозможных идей и догадок, и практическая, так называемая ремесленная химия, существовали раздельно.

Контрольные вопросы


  1. Какова схема связей физических, химических и биологических наук?

  2. В чем различие между двумя науками: физикой и химией?

  3. Чем определяется более высокое место физики в иерархии естественных наук?

  4. Назовите двуединую проблему химии.

  5. Когда возникло учение о дискретном строении материи?

2. Алхимия Средневековья

Алхимия складывалась в эпоху эллинизма на основе слияния прикладной химии египтян с греческой натурфилософией, мистикой и астрологией (золото соотносили с Солнцем, серебро с Луной, медь с Венерой и др.). Во II–VI вв. в александрийской культурной традиции алхимия представляла собой форму ритуально-магического (геометрического) искусства. Алхимия – это самозабвенная попытка найти способ получения благородных металлов. Алхимики считали, что ртуть и сера разной чистоты, соединяясь в различных пропорциях, дают начало металлам, в том числе и благородным. В реализации алхимического рецепта предполагалось участие священных или мистических сил (частицы Бога или дьявола, надъестественного бытия, в котором проявления человеческого мира теряют свою силу), а средством обращения к этим силам было слово (заклинание, молитва) – необходимая сторона ритуала. Поэтому алхимический рецепт выступал одновременно и как действие, и как священнодействие.

В средневековой алхимии (ее расцвет пришелся на XIII–XV вв.) выделялись две тенденции. Первая – это мистифицированная алхимия, ориентированная на химические превращения (в частности, ртути в золото) и в конечном счете на доказательство возможности человеческими усилиями осуществлять космические превращения. В русле этой тенденции арабские алхимики сформулировали идею «философского камня» – гипотетического вещества, ускорявшего «созревание» золота в недрах земли; это вещество заодно трактовалось и как эликсир жизни, дающий бессмертие.

Вторая тенденция была больше ориентирована на конкретную практическую технохимию. В этой области достижения алхимии несомненны. К ним следует отнести открытие способов получения серной, соляной, азотной кислот, «царской водки», селитры, сплавов ртути с металлами, многих лекарственных веществ, создание химической посуды и др.

Деятельность алхимика опиралась на некоторую совокупность «теоретических» представлений и образов. В их основе лежало представление о том, что исходное материальное начало – первичная материя хаотична, бесформенна и потенциально содержит в себе все тела, все минералы и металлы. Порожденные первоматерией тела уже не исчезают, но зато могут быть превращены друг в друга. Между первоматерией и отдельными порожденными ею материальными телами есть два промежуточных «звена». Первое звено – всеобщие качественные принципы мужского (сера) и женского (ртуть) начал; в XV в. к ним добавили третье начало – соль (движение). Второе звено – это состояния, качества, свойства первоэлементов: земля (твердое состояние тела), огонь (лучистое состояние), вода (жидкое состояние), воздух (газообразное состояние), квинтэссенция (эфирное состояние). Алхимики полагали, что в результате взаимодействия качественных принципов (начал) и состояний первоэлементов можно осуществлять любые трансмутации веществ.

Среди алхимиков, наряду с шарлатанами и фальсификаторами, было немало искренне убежденных в реальности всеобщей взаимопревращаемости веществ, в том числе и крупных мыслителей: Раймунд Луллий, Арнольдо да Вилланова, Альберт Великий, Фома Аквинский, Бонавентура и др. Почти невозможно в Средневековье отделить друг от друга деятельность, связанную с химией, и деятельность, связанную с алхимией. Они переплетались самым теснейшим образом.

Особое отношение к алхимии складывалось в системах светской и церковной власти. С одной стороны, крупные феодалы рассчитывали с помощью алхимии поправить свое материальное положение и потому преклонялись перед ней и ее возможностями. С другой стороны, власть имущие к алхимии относились подозрительно. Так, римский император Диоклетиан в 296 г., опасаясь, что получение алхимиками золота ослабит его казну и экономику, приказал уничтожить все алхимические рукописи. По тем же причинам в 1317 г. папа Иоанн XXII предал алхимию анафеме. Но это не помогло, и еще много столетий (вплоть до середины XVIII в.) алхимия оставалась элементом европейской науки.

Контрольные вопросы


  1. На основе слияния каких наук зародилась алхимия?

  2. Как можно охарактеризовать алхимию?

  3. Какие две тенденции можно выделить в средневековой алхимии? Дайте им характеристику.

  4. Какие два звена выделяли алхимики между первоматерией и материальными телами?

  5. Имена каких крупных мыслителей-алхимиков вы знаете?

  6. Какие отношения складывались у алхимии с системой светской и церковной власти?

3. Возникновение и развитие научной химии

Во второй половине XVIII в. алхимическая традиция постепенно исчерпывает себя. В течение более чем тысячи лет алхимики исходили из уверенности в неограниченных возможностях превращений веществ, в том, что любое вещество можно превратить в любое другое вещество. И хотя на полуторатысячелетнем пути развития алхимии были получены отдельные положительные результаты (описание многих химических превращений, открытие некоторых веществ, конструирование приборов, химической посуды, аппаратов и др.), тем не менее главные цели, которые ставили перед собой алхимики (искусственное получение золота, серебра, «философского камня», гомункулуса и др.) оказались недостижимыми. Все более укреплялось представление о том, что существует некоторый предел, граница взаимопревращения веществ. Этот предел определяется составом химических веществ. В XVII–XVIII вв. химия постепенно становится наукой о качественных изменениях тел, происходящих в результате изменения их состава:



состав свойства функции.

Все это происходит на фоне развития технической химии (металлургия, стеклоделие, производство керамики, бумаги, спиртных напитков) и открытия новых химических веществ. Начиная с XV в. представление о мире химических веществ, соединений быстро расширяется. Были открыты новые металлы (висмут, платина и др.), вещества с замечательными свойствами (например, фосфор). Развитие ремесла и промышленности обусловливает постоянную потребность в определенных химикалиях – селитре, железном купоросе, серной кислоте, соде, что дает импульс к созданию химических производств, а это в свою очередь стимулирует развитие научной химии.

Новому пониманию предмета химического познания способствовало возрождение античного атомизма. Здесь важную роль сыграли труды французского мыслителя Пьера Гассенди (1592–1655 гг.). Он критически оценивал картезианское понимание материи, теорию вихрей Декарта, считая, что будущее естествознания связано с программой атомизма. Гассенди возрождает представление о том, что вечная и бесконечная Вселенная состоит из постоянно движущихся атомов (различной формы, размеров, неизменных, неделимых и т. д.) и пустоты, которая является условием возможности движения атомов и тел. Причем, если Декарт полагал, что материя сама по себе пассивна и движение вносится в нее извне Богом, то Гассенди считает материю активной. По его мнению, «атомы обладают и энергией, благодаря которой движутся или постоянно стремятся к движению». В этом Гассенди идет значительно дальше античных атомистов. Весьма важным в учении Гассенди было формулирование понятия молекулы, что имело конструктивное значение для становления научной химии.


  1. Первый этап развития химии – XVII в.

Учение о составе вещества

Первый способ решения проблемы происхождения свойств вещества появился во второй половине XVII в. в работах английского ученого Роберта Бойля (1627–1691 гг.). Он считал, что химия должна быть не служанкой ремесла или медицины, а самостоятельной наукой. Ученый исходил из представления о том, что качественные характеристики и превращения химических веществ могут быть объяснены с помощью понятия о движении, размерах, форме и расположении атомов. Он был на пути к научно обоснованному определению химического элемента как предела разложения вещества с данными свойствами.

Р. Бойль разрабатывает не только теоретические, но и экспериментальные основы химии, обосновывает метод химического эксперимента. В химическом эксперименте, с точки зрения Р. Бойля, главное то, что исследователь не может заранее предсказать, как поведут себя вещества в той или иной реакции. Химический эксперимент призван, прежде всего, заставить природу выдавать ее тайны, а не подтверждать те или иные теоретические гипотезы. В трудах Р. Бойля заложены основы аналитической химии: качественный анализ, применение различных индикаторов (например, лакмус) для распознавания веществ и др.

Исследования ученого показали, что качества и свойства тел не имеют абсолютного характера и зависят от того, из каких материальных элементов эти тела составлены. Вывод этот принципиально новый, новаторство Р. Бойля заключается в следующем:



  • он отверг господствовавшие представления об элементах-качест-вах, о том, что свойства определяются свойствами-стихиями;

  • он утвердил новое представление о химических элементах как простых, далее неразделимых телах, из которых составлены все смешанные тела, т. е. химические соединения;

  • на основе признания материальности элементов он впервые установил общность разрозненных ранее учений атомизма Демокрита и элементаризма Аристотеля; этой общностью стала идея о том, что наименьшей частицей простого тела является состоящая из атомов молекула.

Способ решения основной проблемы химии – проблемы происхождения свойств вещества стал выражаться посредством схемы:

составсвойства.

Этот способ положил начало учению о составе веществ, которое явилось первым уровнем научных химических знаний. В период с 1660-х годов, когда появились работы Р. Бойля, и до первой половины XIX века учение о составе веществ представляло собой всю тогдашнюю химию. Возникшее таким образом учение о составе вещества существует и сегодня и продолжает развиваться на качественно новом уровне.

Контрольные вопросы


  1. Какие положительные результаты были получены алхимиками?

  2. Труды какого ученого Средневековья способствовали возрождению античного атомизма?

  3. Когда и кем был предложен первый способ решения проблемы происхождения свойств веществ? Перечислите все научные достижения этого ученого в области химии.

  4. Какой схемой, по Р. Бойлю, стал выражаться способ решения основной проблемы химии – проблемы происхождения свойств вещества?

  5. Второй этап развития химии как науки – XIX в.

Структурная химия

Учение о составе вещества занимало монопольное положение вплоть до 30–40-х годов XIX века. К этому времени мануфактурная стадия производства с ручной техникой и ограниченным ассортиментом сырья сменилась фабричной стадией с машинной техникой и широкой сырьевой базой. В химическом производстве стала преобладать переработка огромных масс веществ растительного и животного происхождения, качественное разнообразие которых очень велико – сотни тысяч химических соединений, а состав крайне однообразен – лишь несколько основных элементов: углерод, водород, кислород, сера, фосфор. Объяснение необычайно широкому разнообразию органических соединений при столь бедном их элементном составе стали искать не только в составе, но и в структуре молекул. Стало совершенно ясным, что свойства веществ, а следовательно и их качественное разнообразие, обусловливаются не только их составом, но еще структурой их молекул.

В 1860 г. выдающимся русским химиком А. М. Бутлеровым (1828–1886 гг.) была создана теория химического строения вещества, возник более высокий уровень развития химических знаний – структурная химия.

Период становления структурной химии иногда называют «триумфальным маршем органического синтеза». Органические молекулы оказались очень большими и сложными, и порой было непросто понять, какие атомы, входящие в их состав, принимают участие в конкретной химической реакции. Вместе с тем стало ясно, что не все атомы, входящие в состав молекулы данного вещества, одинаково хорошо вступают во взаимодействие с атомами других молекул, оказывается, 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.

На втором уровне своего развития химия превратилась из науки преимущественно аналитической в науку главным образом синтетическую. Возникла технология органических веществ, которой ранее не было.

Главным достижением этапа структурной химии можно назвать установление связи между структурой молекулы и функциональной активностью соединения:



структура молекулы функция (реакционная способность).

Контрольные вопросы



  1. Что заставило ученых обратиться к структуре молекул?

  2. Кем и когда была создана теория химического строения вещества?

  3. Сформулируйте понятие «реакционная способность вещества».

  4. Поясните схему связи между структурой молекулы и функциональ-ной активностью соединения.

6. Третий этап развития химии как науки – первая половина XX в.

Учение о химических процессах

Интенсивное развитие автомобильной промышленности, авиации, энергетики и приборостроения в начале XX в. 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 все в том, что химическая реакция очень капризная вещь. Недаром еще английский химик П. Шоу сравнивал химию с «искусством, суть которого заключена в действии, а цель – в пользе». Действительно, успех синтеза того или иного соединения часто зависел от каких-то непредсказуемых обстоятельств. Этот факт, конечно, не устраивал производителей. В чем отличие производства от науки? Прежде всего, в масштабах: ученый может получить какое-нибудь соединение в малых количествах, исследовать его свойства, опубликовать свой труд и быть несказанно гордым этим обстоятельством. В иных условиях находится химик на производстве: перед ним стоит задача получения, предположим, одного-единственного соединения с известным составом и свойствами, но в больших количествах, с необходимостью тратить на его производство как можно меньше сырья, энергии и контролировать свойства полученного соединения. Требования достаточно жесткие, если иметь в виду, что «ключик» к управлению многими нужными в то время химическими реакциями отсутствовал – одних лишь знаний о составе и структуре веществ для проведения химической реакции было недостаточно: вроде бы и нужное количество веществ, и в нужном соотношении брали химики для проведения требуемой химической реакции, а она не идет – не желают вещества вступать друг с другом в химическое взаимодействие, а если и вступают, то выход реакции крайне низкий – нового соединения получается совсем немного. Какое уж тут производство, если оставалось непонятным, когда и при каких обстоятельствах вещества реагируют друг с другом и какие факторы влияют на этот «неуправляемый» химический процесс?! Поэтому, благодаря развитию техники, и именно в это время химия становится наукой уже не только и не столько о веществах, сколько наукой о процессах и механизмах изменения веществ.

Вследствие того что химики научились управлять химическими процессами, стала бурно развиваться химическая промышленность, в больших количествах стали производиться синтетические материалы, заменяющие дерево и металл, растительные масла. На основе переработки нефти возникло производство искусственных волокон, этилового спирта, каучуков, всевозможных растворителей; азот воздуха научились превращать в минеральные удобрения. Химические изделия прочно вошли и в дома людей – искусственные ткани и кожа стали вытеснять натуральные, мыло «уступило место» стиральным порошкам и шампуням, а пластмассовые штампованные изделия стали дешевыми и доступными любой семье. Быстрыми темпами стала развиваться и фармацевтика – промышленность по производству лекарственных препаратов.

Итак, третий способ решения основной проблемы, учитывающий всю сложность химических процессов и обеспечивающий экономически приемлемую производительность этих процессов в химических реакторах, может быть представлен схемой:



организация химического процесса в реакторе производительность реактора.

7. Четвертый этап развития химии как науки – вторая половина XX в.

Эволюционная химия

В 1960–1979 гг. появился новый способ решения основной проблемы химии, который получил название «эволюционная химия». В основе этого способа лежит принцип использования в процессе получения химических продуктов таких условий, которые приводят к самосовершенствованию катализаторов химических реакций, т. е. к самоорганизации химических систем. Термин «самоорганизация» означает способность самостоятельного упорядочения какой-нибудь системы, состоящей из хаотического множества не связанных между собой элементов.

Такой процесс развивается во времени и не зависит от внешних условий. Время выступает здесь как один из самых весомых факторов, поэтому и говорят об эволюции системы, т. е. о том, что произойдет с системой с течением времени. А что происходит с обычной физической системой с течением времени, если поток энергии извне отсутствует? Все медленно разрушается. Попробуйте прожить в своем доме в течение хотя бы 10 лет без ремонта! Вряд ли вы смиритесь с таким обстоятельством и, скорее всего, замените все вышедшие из строя вещи на новые, переклеите обои, перекрасите полы. А теперь представьте себе, что было бы, если бы вы не проявили инициативы и не внесли бы в систему «ваш дом» энергию по восстановлению его внешнего облика. Может быть, дом сам по себе отремонтировался? Увы, ответ очевиден – чуда бы не произошло! Для самоорганизации необходимы как дополнительная энергия, так и способность системы к этой самоорганизации – ведь сваленные в кучу материалы для ремонта квартиры – далеко не ее ремонт, нужны действующие лица, которые этот ремонт осуществят. В наших рассуждениях мы слишком много времени уделили этому действующему «живому лицу» и не зря – именно наблюдая за химическими процессами, происходящими в живых клетках, химики обнаружили способность биологических систем к самоорганизации, развитию, совершенствованию, чего нет в неживой природе. Химический реактор на уровне эволюционной химии предстает как некое подобие живой системы, для которой характерны саморазвитие и определенное поведение.

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



самоорганизация системы реагентов поведение системы реагентов.

Глава II

Система химии

Важность представлений о системе химии лучше всего охарактеризовал тот ученый, кто начал создавать эту систему, – Дмитрий Иванович Менделеев (1834–1907 гг.). Он считал, что необходимы систематические обобщения (классификация, разделение общего), нужны законы, гипотезы и теории. Если нет еще этих обобщений, «знание еще не наука, не сила, а рабство перед изучаемым». Менделеев полагал, что нет науки в частностях; она в общем, в слиянии частностей, в создании системы знаний. Именно такой подход позволил ученому создать свою знаменитую Периодическую систему химических элементов и разработать в 1860–1870 гг. новый план «здания химии», которое в то время состояло лишь из одного «этажа» – из учения о составе веществ.

Последовательное же 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. Концептуальные системы химии можно представить наглядно в виде схемы (рис. 1):


Объем

химических

знаний

Рис. 1. Уровни развития химических знаний

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. Таким образом, подводя некоторые итоги, можно дать определение Системы Химии: под Системой Химии понимают единую целостность всех химических знаний, которые находятся между собой в отношениях иерархии.

Существование всего четырех способов решения основной проблемы химии нашло свое отражение в делении Системы Химии на четыре подсистемы.

Контрольные вопросы


  1. Какие процессы в промышленном производстве послужили толчком к появлению учения о химических процессах?

  2. В чем отличие науки от производства?

  3. Что дало промышленности развитие учения о химических процессах?

  4. Какой схемой представлено учение о химических процессах?

  5. В какие годы появилась эволюционная химия? Что лежит в ее основе?

  6. Какая схема лежит в основе эволюционной химии? Поясните ее суть.

  7. Кто ввел представление о Системе Химии?

  8. Назовите четыре концептуальные системы, находящиеся в иерархии? Какова последовательность их возникновения?

  9. Что понимают под Системой Химии?

8. Учение о составе вещества

Учение о составе вещества охватывает три основные проблемы:



  • проблему химического элемента (анализ состава химического элемента);

  • проблему химического соединения (анализ состава химического соединения);

  • проблему создания новых материалов, в состав которых входят вновь открываемые химические элементы (применение все большего числа химических элементов для производства новых материалов).

В истории развития учения о составе вещества решение проблемы химического элемента начиналось с ошибочного представления о предмете исследования. Первая научная теория химии – теория флогистона, касающаяся состава вещества, оказалась ошибочной. Дело в том, что 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, например железо, принимали за сложные тела, состоящие из соответствующего элемента и универсального «невесомого тела» – флогистона (флогистос – греч. зажженный). Примерно до середины XVII в. не был известен ни один химический элемент.

Ошибочная теория флогистона, как и гелиоцентрическая теория, послужила толчком к многочисленным исследованиям. Появились точные методы количественного анализа вещества, способствовавшие открытию истинных химических элементов. В то время были открыты фосфор (1680 г.), кобальт (1735 г.), никель (1751 г.), водород (1766 г.), фтор (1771 г.), азот (1772 г.), хлор (1774 г.) и марганец (1774 г.).

В 1772–76 гг. одновременно в Швеции, Англии и Франции был открыт кислород. Во Франции его первооткрывателем был замечательный химик Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794 гг.)1 Он установил роль кислорода в образовании кислот, оксидов и воды, отверг теорию флогистона и создал принципиально новую теорию химии. Лавуазье сделал первую попытку систематизации химических элементов. В свою систему элементов он включил кислород, водород, азот, серу, фосфор, семь известных в то время металлов, известь, магнезию, глинозем, кремнезем. Однако он ошибочно считал, что известь, глинозем, кремнезем и др. неделимы. Ошибку исправил в дальнейшем Д. И. Менделеев, доказав, что место химического элемента в периодической системе определяется атомной массой, и открыв тем самым периодический закон химических элементов (1869 г.).

Более поздние исследования показали, что место элемента в периодической системе определяется не просто порядковым номером, а зарядом атомного ядра. Это означает, что не атомная масса, а именно заряд ядра обеспечивает индивидуальность химического элемента. Например, изотопы хлора и отличаются друг от друга атомной массой, но, тем не менее, они оба относятся к одному химическому элементу – хлору.

В этой связи можно утверждать, что химический элемент – это совокупность атомов, обладающих одинаковым зарядом ядра.

В стандартных учебниках химии дается такое определение химического элемента: «химический элемент – вид атомов (химически не связанных друг с другом) с одинаковым зарядом ядра, т. е. совокупностью «изотопов»». Это определение правильно отражает главную сущность химического элемента, но оно грешит ошибкой: химический элемент – это совокупность всех атомов (в том числе и химически связанных друг с другом или с атомами других элементов), которые обладают одинаковым зарядом ядра. Элемент, например водород, в каком бы химическом соединении он ни находился: HCl, HNO3 или H2, CH4 – всюду остается водородом – химическим элементом. Точно также и хлор остается химическим элементом – хлором, если он переходит из одного химического соединения в другое в таком, например, ряду: HCl, Cl2, CH3 Cl, CHCl3 и т. д.

Физика помогла установить картину сложной структуры атома любого химического элемента. Атом представляет собой единую квантово-механическую систему, состоящую из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки. Выяснены особенности строения электронных орбиталей атомов всех элементов; раскрыт физический смысл периодического закона; создана квантово-механическая теория периодической системы. Обо всем этом можно теперь прочесть в учебниках химии.

Остается нерешенным важный вопрос всего естествознания: сколько же всего имеется в природе химических элементов? Во времена Менделеева было известно всего 62 элемента. В 1930-е годы система элементов заканчивалась ураном (Z = 92). В 1940–1945 гг. были открыты путем физического синтеза атомных ядер следующие элементы: нептуний, плутоний, америций, кюрий; в 1949–1952 гг. – берклий, калифорний и фермий; в 1955 г. – менделеевий. Важно отметить, что за пятнадцать лет, с начала 1940-х и до середины 1950-х годов, были открыты принципиально новыми путями (посредством физического синтеза) 97 элементов. А затем во все последующие 40 лет синтезированы только 8 элементов: № 102 – нобелий, № 103 – лоуренсий, № 104 – резерфордий, № 105 – дубний, № 106 – сиборгий, № 107 – борий, № 108 – хассий, № 109 – мейтнерий, которые только недавно получили название и еще мало исследованы. Все эти элементы от 102 до 109 номера крайне неустойчивы: период их полураспада измеряется сотыми и тысячными долями секунды.

Высказывается предположение, что элементы далее 109–110-го номера могут стать короткоживущими, что будут разваливаться в момент их образования. И все же физики ожидают некоторой стабильности в интервалах Z = 26, 164, 184. И только будущее покажет «верхнюю» границу (от № 109 и выше) периодической системы.

Контрольные вопросы



  1. Какие три проблемы охватывает учение о составе вещества?

  2. Какие теории послужили толчком к развитию учения о составе вещества?

  3. Кому принадлежит первая попытка систематизации химических элементов?

  4. Раскройте роль физики в установлении структуры атома химического элемента.

9. Решение проблемы химического соединения

(определение состава химического соединения)

До недавнего времени химики считали явным, что следует относить к химическим соединениям, а что – к смесям. Ещё в 1800–1808 гг. французский учёный Жозеф Луи Пруст (1754–1826 гг.) установил закон постоянства состава: любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определённым, неизменным составом, прочным притяжением составных частей (атомов) и тем отличается от смесей. На основе идеи об атомическом строении вещества этот закон теоретически обосновал в 1800–1810 гг. английский учёный Джон Дальтон (1768–1844 гг.), являющийся автором другого основополагающего закона в учении о составе вещества – закона кратных отношений. Он показал, что все индивидуальные вещества в отличие от смесей состоят из однородных мельчайших частиц – «сложных атомов» молекул, которые в свою очередь состоят из простых атомов разных химических элементов. Формулировка закона кратных отношений звучит следующим образом: «Если определённое количество одного элемента вступает в соединение с другим элементом в нескольких весовых отношениях, то количества второго элемента относятся между собой как целые числа».

Состав химического соединения может быть только постоянным. В дальнейшем благодаря трудам шведского химика и минералога Йёнса Якоба Берцелиуса (1779–1848 гг.), французского химика и физика Жозефа Луи Гей-Люссака (1778–1850 гг.), немецкого химика, одного из создателей агрохимии Юстуса Либиха (1803–1873 гг.) и других учёных закон постоянства состава вещества был окончательно утверждён и стал одним из основополагающих законов химии.

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 стал закон Авогадро. В 1811 г. итальянский учёный Амадео Авогадро (1776–1856 гг.) установил, что при одинаковых физических условиях (давлении и температуре) равные объёмы различных газов содержат равное число молекул, это означает, что молекула любого газа при одинаковой температуре и давлении занимает один и тот же объём. Он даже смог рассчитать этот объём для стандартных физических условий. При давлении 760 миллиметров ртутного столба и при температуре 0 0С он был равен 22,4 л. В этом объёме при названных условиях находится 6,023 × 1023 молекул газообразного вещества (число Авогадро).

С конца XIX в. возобновились исследования, подвергавшие сомнению абсолютизацию закона постоянства состава. Русский химик Николай Семёнович Курнаков (1860–1941 гг.) в результате точнейших физико-химических исследований интерметаллических соединений, т. е. соединений, состоящих из двух металлов, например, цинк-сурьма, магний-серебро, кадмий-мышьяк, марганец-медь, установил образование настоящих индивидуальных соединений переменного состава и нашёл границы их однородности на диаграмме «состав-свойства», отделив от них области существования соединений стехиометрического состава, т. е. природой установленного состава (греч. «стехия» – первоначально). Химические соединения переменного состава он назвал бертоллидами в честь французского химика Клода Луи Бертолле (1748–1822 гг.), а за соединениями постоянного состава оставил название дальтониды в честь основателя химической атомистики Дж. Дальтона.

Результаты последующих физических исследований показали, что суть проблемы химического соединения состоит не только в постоянстве или непостоянстве химического состава, сколько в физической природе химических связей, объединяющих атомы в единую квантово-механи-ческую систему-молекулу. Молекулой по-прежнему можно называть наименьшую частицу вещества, способную определять его свойства и существовать самостоятельно. Но в число молекул вошли и такие необычные квантово-механические системы, как ионные, атомные и металлические монокристаллы, а также полимеры, образованные за счёт водородных связей – это макромолекулы.

В этой связи теперь под химическим соединением понимают определённое вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счёт взаимодействия друг с другом объединены в частицу, обладающую устойчивой структурой – молекулу, комплекс, монокристалл или иной агрегат. Это более широкое понятие, чем понятие «сложное вещество», ведь известны химические соединения, состоящие не из разных, а из одинаковых элементов. Это молекулы водорода, кислорода, хлора, графита, алмаза и т. д.

Дальнейшее усложнение химической организации материи идёт 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.



Рис. 2. Схема усложнения частиц вещества

Контрольные вопросы


  1. Сформулируйте законы: – постоянства состава;

– кратных отношений;

– Авогадро.



  1. Что такое бертоллиды и чем они отличаются от дальтонидов?

  2. В чем отличие молекулярных ассоциатов и агрегатов?

10. Проблема создания новых материалов

Сравнивая природное распределение химических элементов (рис. 3) с наиболее часто используемыми материалами, учёные установили между ними обратную зависимость: чаще всего человек использует те вещества, запасы сырья которых ограничены, и, наоборот, крайне слабо использует такие химические элементы и их соединения, сырьевые ресурсы которых почти безграничны.



Рис. 3. Природное распространение химических элементов

В связи с этим можно выделить три основные задачи, успешное решение которых позволит преодолеть названные противоречия:


  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.

В самом деле, 98,6 % массы физически доступного слоя Земли составляют всего восемь химических элементов. Среди этих восьми элементов железа почти в два раза меньше, чем алюминия. Между тем более 95 % всех металлических изделий, конструкций самых разнообразных машин и механизмов, транспортных путей производятся из железорудного сырья.

Глядя на приведённые данные о распространённости восьми названных химических элементов, можно смело утверждать о больших возможностях в использовании алюминия, а затем магния и, может быть, кальция в создании металлических материалов ближайшего будущего. Для этого должны быть разработаны энергоэкономические методы производства алюминия с целью получения хлорида алюминия и восстановления последнего до металла. Такой метод был опробован в ряде стран и дал основание для проектирования алюминиевых заводов большой мощности. Но выплавка алюминия в масштабах, сопоставимых с производством чугуна, стали и ферросплавов, ещё не может быть реализована в самое ближайшее время, потому что эта задача должна решаться параллельно с разработкой соответствующих алюминиевых сплавов, способных конкурировать с чугуном, сталью и другими материалами из железорудного сырья. Работы в этом направлении ведутся во всём мире.

Широкая распространённость кремния также служит постоянным укором человечеству в смысле чрезвычайно низкой степени использования этого химического элемента в производстве материалов. Силикаты составляют 97 % всей массы земной коры, и это даёт основание утверждать, что именно они должны быть основным сырьём для производства всех строительных материалов и полуфабрикатов для изготовления керамики, способной конкурировать с металлами. Кроме того, необходимо принимать во внимание ещё и огромные скопления промышленных отходов силикатного характера, таких, как «пустая порода» при добыче угля, «хвосты» при добыче металлов из руд, зола и шлаки энергетического и металлургического производства. И как раз эти силикаты необходимо в первую очередь превращать в сырьё для строительных материалов. С одной стороны, это обещает большую выгоду, так как сырьё не надо добывать, оно в готовом виде ждёт своего потребителя. А с другой – его утилизация является мерой борьбы с загрязнением окружающей среды.

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.

Элементорганические соединения – это соединения, в состав которых входят как органические элементы (углерод, водород, сера, азот, кислород), так и произвольные ряда других химических элементов: кремния, фтора, магния, кальция, цинка, натрия, лития и т. д. Химия элементорганических материалов с применением кремния (кремнийорганическая химия) лежит в основе создания 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.

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 остаётся в химии по-прежнему актуальной.


следующая страница >>