Интересные задания по теме химическая картина мира. Эволюция химической картины мира. Гелиоцентрическая система Н. Коперника и ее значение для естествознания
Современная химическая картина мира
1. Предмет познания и важнейшие особенности химический науки
1 Специфика химии как науки
Для человека одной из важнейших естественных наук является химия - наука о составе, внутреннем строении и превращении вещества, а также о механизмах этих превращений.
«Химия - наука, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения». Она изучает природу и свойства различных химических связей, энергетику химических реакций, реакционную способность веществ, свойства катализаторов и т.д.
Химия всегда была нужна человечеству для того, чтобы получать из природных веществ материалы со свойствами, необходимыми для повседневной жизни и производства. Получение таких веществ - производственная задача, и, чтобы ее реализовать, надо уметь осуществлять качественные превращения вещества, т. е. из одних веществ получать другие. Чтобы этого добиться, химия должна справиться с теоретической проблемой генезиса (происхождения) свойств вещества.
Таким образом, основанием химии выступает двуединая проблема - получение веществ с заданными свойствами (на достижение ее направлена производственная деятельность человека) и выявление способов управления свойствами вещества (на реализацию этой задачи направлена научно-исследовательская работа ученых). Эта же проблема является одновременно и системообразующим началом химии.
2 Важнейшие особенности современной химии
В химии, прежде всего в физической химии, появляются многочисленные самостоятельные научные дисциплины (химическая термодинамика, химическая кинетика, электрохимия, термохимия, радиационная химия, фотохимия, плазмохимия, лазерная химия).
Химия активно интегрируется с остальными науками, результатом чего было появление биохимии, молекулярной биологии, космохимии, геохимии, биогеохимии. Первые изучают химические процессы в живых организмах, геохимия - закономерности поведения химических элементов в земной коре.
Биогеохимия - это наука о процессах перемещения, распределения, рассеяния и концентрации химических элементов в биосфере при участии организмов. Основоположником биогеохимии является В. И. Вернадский.
Космохимия изучает химический состав вещества во Вселенной, его распространенность и распределение по отдельным космическим телам.
В химии появляются принципиально новые методы исследования (рентгеновский структурный анализ, масс-спектроскопия, радиоспектроскопия и др.)?
Химия способствовала интенсивному развитию некоторых направлений человеческой деятельности. Например, хирургии химия дала три главных средства, благодаря которым современные операции стали безболезненными и вообще возможными:
) введение в практику эфирного наркоза, а затем и других наркотических веществ;
) использование антисептических средств для предупреждения инфекции;
) получение новых, не имеющихся в природе аллопластических материалов-полимеров.
В химии весьма отчетливо проявляется неравноценность отдельных химических элементов. Подавляющее большинство химических соединений (96% из более 8,5 тыс. известных в настоящее время) - это органические соединения. В их основе лежат 18 элементов (наибольшее распространение имеют всего 6 из них).
Это происходит в силу того, что, во-первых, химические связи прочны (энергоемки) и, во-вторых, они еще и лабильны. Углерод как никакой другой элемент отвечает всем этим требованиям энергоемкости и лабильности связей. Он совмещает в себе химические противоположности, реализуя их единство.
Однако подчеркнем, что материальная основа жизни не сводится ни к каким, даже самым сложным, химическим образованиям. Она не просто агрегат определенного химического состава, но одновременно и структура, имеющая функции и осуществляющая процессы. Поэтому невозможно дать жизни только функциональное определение.
В последнее время химия все чаще предпринимает штурм соседних с нею уровней структурной организации природы. Например, химия все более и более вторгается в биологию, пытаясь объяснить основы жизни.
В развитии химии происходит не смена, а строго закономерное, последовательное появление концептуальных систем. При этом вновь появляющаяся система опирается на предыдущую и включает ее в себя в преобразованном виде. Таким образом, появляется система химии - единая целостность всех химических знаний, которые появляются и существуют не отдельно друг от друга, а в тесной взаимосвязи, дополняют друг друга и объединяются в концептуальные системы знаний, которые находятся между собой в отношениях иерархии.
2. Концептуальные системы химии
1 Понятие о химическом элементе
Концепция химического элемента появилась в химии в результате стремления человека обнаружить первоэлемент природы. Р. Бойль положил начало современному представлению о химическом элементе как о простом теле, пределе химического разложения вещества, переходящем без изменения из состава одного сложного тела в другое. Но еще целый век после этого химики делали ошибки в выделении химических элементов: сформулировав понятие химического элемента, ученые еще не знали ни одного из них.
Химические знания до определенного времени накапливались эмпирически, пока не назрела необходимость в их классификации и систематизации, т.е. в теоретическом обобщении. Основоположником системного освоения химических знаний явился Д. И. Менделеев. Попытки объединения химических элементов в группы предпринимались и ранее, однако не были найдены определяющие причины изменений свойств химических веществ. Д. И. Менделеев исходил из принципа, что любое точное знание представляет систему. Такой подход позволил ему в 1869 г. открыть периодический закон и разработать Периодическую систему химических элементов. В его системе основной характеристикой элементов являются атомные веса. Периодический закон Д. И. Менделеева сформулирован в следующем виде:
«Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов».
Это обобщение давало новые представления об элементах, но в силу того, что еще не было известно строение атома, физический смысл его был недоступен. В современном представлении этот периодический закон выглядит следующим образом:
«Свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атома (порядкового номера)».
Простейшим химическим элементом является водород (1H), состоящий из одного протона (ядра атома, имеющего положительный заряд) и одного электрона, имеющего отрицательный заряд.
Баланс взаимоотношений в атоме водорода, между протоном и электроном, можно описать тождеством
Если учесть отношение масс
то мы получим первое представление о балансе взаимоотношений между протонами и электронами в химических элементах.
2 Магическая матрица периодической системы химических элементов
Приводится следующая структура Периодической таблицы Д.И.Менделеева. Приводимая ниже информация приводится только для ознакомления и последующего осознания, что современные представления о тайнах Периодической системы химических элементов еще далеки от Истины.
Этот рисунок дает четкие представления о строго эволюционном формировании Периодической таблицы, в полном соответствии с законами сохранения симметрии. Все оболочки, подоболочки оказываются здесь строго взаимосвязаны и взаимообусловлены. Каждый химический элемент занимает в этом многомерном и многоуровневом "кубе" строго определенную эволюционную нишу.
В монографиях "Основы миологии", "Миология" были рассмотрены свойства магической матрицы, отражающей свойства подоболочек и оболочек Периодической системы химических элементов.
Из этой матрицы непосредственно видно
Количественный состав подоболочек и по горизонтали, и по вертикали матрицы одинаковы.
Группировки чисел, отражающие состав подоболочек Периодической системы характеризуют группировки этих подоболочек, разные по структуре. Но это так и должно быть, т.к. матрица является "отпечатком" пространственной структуры (монадного кристалла) на плоскость.
Главная диагональ матрицы является суммой всех чисел по горизонтали и по вертикали.
Эта магическая матрица химических элементов заслуживает самого пристального изучения.
Разве здесь не видно двойной спирали, в которой каждое число есть матрица строго определенной размерности?
Из этой матрицы, используя многомерные весы, можно непосредственно увидеть баланс взаимоотношений между подоболочками.
В этих матричных весах неукоснительно соблюдаются правила матричного умножения вектора-столбца на вектор-строку. Данные весы отражают баланс взаимоотношений между оболочками и подоболочками на восходящем участке эволюции химических элементов.
Здесь философским категориям восходящей и нисходящей спиралям нет места, ибо эти категории здесь имеют не философский, а чисто "химический" смысл. Теперь мы можем записать Периодическую систему в форме матричных тождеств, отражающих баланс взаимоотношений ее подоболочек и оболочек.
Нижеприведенный рисунок дает более полное представление о Периодической системе химических элементов.
Напомним, что здесь каждая клетка матрицы является двойственным числом, отражающим смысл взаимоотношения человека и общества. Этот рисунок более глубоко отражает сущность и собственно Периодической системы химических элементов, подтверждая справедливость высказывания: "В каждой самой элементарной частице содержится полная информация о всей вселенной".
Приведенные выше матричные тождества несут в себе самые сокровенные тайны не только химических элементов, но и вообще самых сокровенных тайн мироздания. Эти матричные тождества составлены в полном соответствии с законами сохранения симметрии.
Эта матрица несет в себе информацию не только о "проявленной" Периодической системе химических элементов, но и о ее "непроявленном", волновом "двойнике
Периодическая система химических элементов еще раз утверждает справедливость принципа корпускулярно-волнового дуализма, принцип единства "прерывного" и "непрерывного".
И сегодня наукой уже установлено, что у Периодической таблицы химических элементов (вещественных) есть двойник - Периодическая система химических элементов (волновых).
3 Современная картина химических знаний
Важнейшей особенностью основной проблемы химии является то, что она имеет всего четыре способа решения вопроса. Свойства вещества зависят от четырех факторов:
) от элементного и молекулярного состава вещества;
) от структуры молекул вещества;
) от термодинамических и кинетических условий, в которых вещество находится в процессе химической реакции;
) от уровня химической организации вещества.
Поскольку эти способы появлялись последовательно, мы можем в истории химии выделить четыре последовательно сменявших друг друга этапа ее развития. В то же время с каждым из названных способов решения основной проблемы химии связана своя концептуальная система знаний. Эти четыре концептуальных системы знания находятся в отношениях иерархии (субординации). В системе химии они являются подсистемами, так же как сама химия представляет собой подсистему всего естествознания в целом.
Современную картину химических знаний объясняют с позиций четырех концептуальных систем, которые схематично представлены на рис. I.
На рисунке показано последовательное появление новых, концепций в химической науке, которые опирались на предыдущие достижения, сохраняя в себе все необходимое для дальнейшего развития.
Даже невооруженным взглядом в этих этапах видна симметрия этапов.
В левой части тождества отношение отражает структурный аспект эволюции химии, правая часть тождества, напротив, отражает уже функциональный (процессы) аспект эволюции химии.
3.1 Первый уровень химического знания. Учение о составе вещества
Учение о составе веществ является первым уровнем химических знаний. До 20-30-х гг. XIX в. вся химия не выходила за пределы этого подхода. Но постепенно рамки состава (свойств) - стали тесны химии, и во второй половине XIX в. главенствующую роль в химии постепенно приобрело понятие «структура», ориентированное, что и отражено непосредственно в самом понятии, на структуру молекулы реагента.
Первый действенный способ решения проблемы происхождения свойств вещества появился в XVII в. в работах английского ученого Р. Бойля. Его исследования показали, что качества и свойства тел не имеют абсолютного характера и зависят от того, из каких химических элементов эти тела составлены. У Бойля наименьшими частичками вещества оказывались неосязаемые органами чувств мельчайшие частички (атомы), которые могли связываться друг с другом, образуя более крупные соединения - кластеры (по терминологии Бойля). В зависимости от объема и формы кластеров, от того, находились они в движении или покоились, зависели и свойства природных тел. Сегодня мы вместо термина «кластер» используем понятие «молекула».
В период с середины XVII в. до первой половины XIX в. учение о составе вещества представляло собой всю химию того времени. Оно существует и сегодня, представляя собой первую концептуальную систему химии. На этом уровне химического знания Ученые решали и решают три важнейшие проблемы: химического элемента, химического соединения и задачу создания новых материалов с вновь открытыми химическими элементами.
Химическим элементом называют все атомы, имеющие одинаковый заряд ядра. Особой разновидностью химических элементов являются изотопы, у которых ядра атомов отличаются числом нейтронов (поэтому у них разная атомная масса), но содержат одинаковое число протонов и поэтому занимают одно и тоже место в периодической системе элементов. Термин «изотоп» был введен в 1910 г. английским радиохимиком Ф. Содди. Различают стабильные (устойчивые) и нестабильные (радиоактивные) изотопы.
С момента открытия изотопов наибольший интерес вызвали радиоактивные изотопы, которые стали широко использоваться в атомной энергетике, приборостроении, медицине и т. д.
Первое научное определение химического элемента, когда еще не было открыто ни одного из них, сформулировал английский химик и физик Р. Бойль. Первым был открыт химический элемент фосфор в 1669 г., потом кобальт, никель и другие. Открытие французским химиком А. Л. Лавуазье кислорода и установление его роли в образовании различных химических соединений позволило отказаться от прежних представлений об «огненной материи» (флогистоне).
В Периодической системе Д.И. Менделеева насчитывалось 62 элемента, в 1930-е гг. она заканчивалась ураном. В 1999 г. было сообщено, что путем физического синтеза атомных ядер открыт 114-й элемент.
Концепция химических соединений. Долгое время химики эмпирическим путем определяли, что относится к химическим соединениям, а что - к простым телам или смесям. В начале XIX в. Ж. Пруст сформулировал закон постоянства состава, в соответствии с которым любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным, неизменным составом и тем самым отличается от смесей.
Теоретическое обоснование закона Пруста было дано Дж. Дальтоном в законе кратных отношений. Согласно этому закону состав любого вещества можно было представить как простую формулу, а эквивалентные составные части молекулы - атомы, обозначавшиеся соответствующими символами, - могли замещаться на другие атомы.
Химическое соединение - понятие более широкое, чем «сложное вещество», которое должно состоять из двух и более разных химических элементов. Химическое соединение может состоять и из одного элемента. Это О2, графит, алмаз и другие кристаллы без посторонних включений в их решетку в идеальном случае».
Дальнейшее развитие химии и изучение все большего числа соединений приводили химиков к мысли, что наряду с веществами, имеющими определенный состав, существуют еще и соединения переменного состава - бертоллиды. В результате были переосмыслены представления о молекуле в целом. Молекулой, как и прежде, продолжали называть наименьшую частичку вещества, способную определять его свойства и существовать самостоятельно. Но в XX в. была понята сущность химической связи, которая стала пониматься как вид взаимодействия между атомами и атомно-молекулярными частицами, обусловленный совместным использованием их электронов.
На этой концептуальной основе была разработана стройная атомно-молекулярная теория того времени, которая впоследствии оказалась не в состоянии объяснить многие экспериментальные факты конца XIX - начала XX вв. Картина прояснилась с открытием сложного строения атома, когда стали ясны причины связи атомов, взаимодействующих друг с другом. В частности, химические связи указывают на взаимодействие атомных электрических зарядов, носителями которых оказываются электроны и ядра атомов.
Существуют ковалентные, полярные, ионные и ионно-ковалентные химические связи, отличающиеся характером физического взаимодействия частиц между собой. Поэтому теперь под химическим соединением понимают определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет взаимодействия друг с другом объединены в частицу, обладающую устойчивой структурой: молекулу, комплекс, монокристалл или иной агрегат.
Осуществляют химические связи между атомами электроны, расположенные на внешней оболочке и связанные с ядром наименее прочно. Их назвали валентными электронами. В зависимости от характера взаимодействия между этими электронами различают ковалентную, ионную и металлическую химические связи.
Ковалентная связь осуществляется за счет образования электронных пар, в одинаковой мере принадлежащих обоим атомам.
Ионная связь представляет собой электростатическое притяжение между ионами, образованное за счет полного смещения электрической пары к одному из атомов.
Металлическая связь - это связь между положительными ионами в кристаллах атомов металлов, образующаяся за счет притяжения электронов, но перемещающаяся по кристаллу в свободном виде.
Химическая связь является таким взаимодействием, которое связывает отдельные атомы в более сложные образования, в молекулы, ионы, кристаллы, т.е. в те структурные уровни организации материи, которые изучает химическая наука. Химическую связь объясняют взаимодействием электрических полей, образующихся между электронами и ядрами атомов в процессе химических преобразований. Прочность химической связи зависит от энергии связи.
Основываясь на законах термодинамики, химия определяет возможность того или иного процесса, условия его осуществления, внутреннюю энергию. «Внутренняя энергия - это общий запас энергии системы, который складывается из энергии движения и взаимодействия молекул, энергии движения и взаимодействия ядер и электронов в атомах, в молекулах и т.п.».
2.3.2 Второй уровень химического знания
Многочисленные эксперименты по изучению свойств химических элементов в первой половине XIX в. привели ученых к убеждению, что свойства веществ и их качественное разнообразие обусловлены не только составом элементов, но и структурой их молекул. К этому времени в химическом производстве стала преобладать переработка огромных масс вещества растительного и животного происхождения. Их качественное разнообразие потрясающе велико - сотни тысяч химических соединений, состав которых крайне однообразен, так как они состоят из нескольких элементов-органогенов (углерода, водорода, кислорода, серы, азота, фосфора).
Наука считает, что только эти шесть элементов составляют основу живых систем, из-за чего они получили название органогенов. Весовая доля этих элементов в живом организме составляет 97,4%. Кроме того, в состав биологически важных компонентов живых систем входят еще 12 элементов: натрий, калий, кальций, магний, железо, цинк, кремний, алюминий, хлор, медь, кобальт, бор.
Особая роль отведена природой углероду. Этот элемент способен организовать связи с элементами, противостоящими друг другу, и удерживать их внутри себя. Атомы углерода образуют почти все типы химических связей. На основе шести органогенов и еще около 20 других элементов природа создала около 8 млн. различных химических соединений, обнаруженных к настоящему времени. 96% из них приходится на органические соединения.
Объяснение необычайно широкому разнообразию органических соединений при столь бедном элементном составе было найдено в явлениях изомерии и полимерии. Так было положено начало второму уровню развития химических знаний, который получил название структурной химии.
Структура - это устойчивая упорядоченность качественно неизменной системы (молекулы). Под данное определение подпадают все структуры, которые исследуются в химии: квантово-механические, основанные на понятиях валентности и химического сродства, и др.
Она стала более высоким уровнем по отношению к учению о составе вещества, включив его в себя. При этом химия из преимущественно аналитической науки превратилась в синтетическую. Главным достижением этого этапа развития химии стало установление связи между структурой молекул и реакционной способностью веществ.
Термин «структурная химия» условен. В нем подразумевается такой уровень химических знаний, при котором, комбинируя атомы различных химических элементов, можно создать структурные формулы любого химического соединения. Возникновение структурной химии означало, что появилась возможность для целенаправленного качественного преобразования веществ, для создания схемы синтеза любых химических соединений, в том числе и ранее неизвестных.
Основы структурной химии были заложены Дж. Дальтоном, который показал, что любое химическое вещество представляет собой совокупность молекул, состоящих из определенного количества атомов одного, двух или трех химических элементов. Затем И.-Я. Берцелиус выдвинул идею, что молекула представляет собой не простое нагромождение атомов, а определенную упорядоченную структуру атомов, связанных между собой электростатическими силами.
Важнейшим шагом в развитии структурной химии стало появление теории химического строения органических соединений русского химика A.M. Бутлерова, который считал, что образование молекул из атомов происходит за счет замыкания свободных единиц сродства, но при этом он указывал на то, с какой энергией (большей или меньшей) это сродство связывает вещества между собой. Иными словами, Бутлеров впервые в истории химии обратил внимание на энергетическую неравноценность разных химических связей. Эта теория позволила строить структурные формулы любого химического соединения, так как показывала взаимное влияние атомов в структуре молекулы, а через это объясняла химическую активность одних веществ и пассивность других.
В XX в. структурная химия получила дальнейшее развитие. В частности, было уточнено понятие структуры, под которой стали понимать устойчивую упорядоченность качественно неизменной системы. Также было введено понятие атомной структуры - устойчивой совокупности ядра и окружающих его электронов, находящихся в электромагнитном взаимодействии друг с другом, - и молекулярной структуры - сочетания ограниченного числа атомов, имеющих закономерное расположение в пространстве и связанных друг с другом химической связью с помощью валентных электронов.
Однако дальнейшее развитие химической науки и основанного на ее достижениях производства показали более точно возможности и пределы структурной химии.
Например, многие реакции органического синтеза на основе структурной химии давали очень низкие выходы необходимого продукта и большие отходы в виде побочных продуктов. Вследствие этого их нельзя было использовать в промышленном масштабе.
Структурная химия неорганических соединений ищет пути получения кристаллов для производства высокопрочных материалов с заданными свойствами, обладающих термостойкостью, сопротивлением агрессивной среде и другими качествами, предъявляемыми сегодняшним уровнем развития науки и техники. Решение этих вопросов наталкивается на различные препятствия. Выращивание, например, некоторых кристаллов требует исключения условий гравитации. Поэтому такие кристаллы выращивают в космосе, на орбитальных станциях.
3.3 Третий уровень химического знания. Учение о химических процессах
Учение о химических процессах - область науки, в которой осуществлена наиболее глубокая интеграция физики, химии и биологии. В основе этого учения находятся химическая термодинамика и кинетика, поэтому оно в равной степени принадлежит физике и химии. Одним из основоположников этого научного направления стал русский химик Н.Н. Семенов, основатель химической физики.
Учение о химических процессах базируется на идее, что способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется кроме всего прочего и условиями протекания химических реакций, которые могут оказывать воздействие на характер и результаты этих реакций.
Важнейшей задачей химиков становится умение управлять химическими процессами, добиваясь нужных результатов. В самом общем виде методы управления химическими процессами можно подразделить на термодинамические (влияют на смещение химического равновесия реакции) и кинетические (влияют на скорость протекания химической реакции).
Для управления химическими процессами разработаны термодинамический и кинетический методы.
Французский химик А. Лее Шателье в конце XIX в. сформулировал принцип подвижного равновесия, обеспечив химиков методами смещения равновесия в сторону образования целевых продуктов. Эти методы управления и получили название термодинамических. Каждая химическая реакция в принципе обратима, но на практике равновесие смещается в ту или иную сторону. Это зависит как от природы реагентов, так и от условий процесса.
Термодинамические методы преимущественно влияют на направление химических процессов, а не на их скорость.
Скоростью химических процессов управляет химическая кинетика, в которой изучается зависимость протекания химических процессов от строения исходных реагентов, их концентрации, наличия в реакторе катализаторов и других добавок, способов смешения реагентов, материала и конструкции реактора и т. п.
Химическая кинетика. Объясняет качественные и количественные изменения в химических процессах и выявляет механизм реакции. Реакции проходят, как правило, ряд последовательных стадий, которые составляют полную реакцию. Скорость реакции зависит от условий протекания и природы веществ, вступивших в нее. К ним относятся концентрация, температура и присутствие катализаторов. Описывая химическую реакцию, ученые скрупулезно отмечают все условия ее протекания, поскольку в других условиях и при иных физических состояниях веществ эффект будет разный.
Задача исследования химических реакций является очень сложной. Ведь практически все химические реакции представляют собой отнюдь не простое взаимодействие исходных реагентов, а сложные цепи последовательных стадий, где реагенты взаимодействуют не только друг с другом, но и со стенками реактора, могущими как катализировать (ускорять), так и ингибировать (замедлять) процесс.
Катализ - ускорение химической реакции в присутствии особых веществ - катализаторов, которые взаимодействуют с реагентами, но в реакции не расходуются и не входят в конечный состав продуктов. Он был открыт в 1812 г. российским химиком К. Г. С. Кирхгофом.
Сущность катализа сводится к следующему:
) активная молекула реагента достигается за счет их неполновалентного взаимодействия с веществом катализатора и состоит в расслаблении химических связей реагента;
) в общем случае любую каталитическую реакцию можно представить проходящей через промежуточный комплекс, в котором происходит перераспределение расслабленных (неполновалентных) химических связей.
Каталитические процессы различаются по своей физической и химической природе на следующие типы:
гетерогенный катализ - химическая реакция взаимодействия жидких или газообразных реагентов на поверхности твердого катализатора;
гомогенный катализ - химическая реакция в газовой смеси или в жидкости, где растворены катализатор и реагенты;
электрокатализ - реакция на поверхности электрода в контакте с раствором и под действием электрического тока;
фотокатализ - реакция на поверхности твердого тела или в жидком растворе, стимулируется энергией поглощенного излучения.
Применение катализаторов изменило всю химическую промышленность. Катализ необходим при производстве маргарина, многих пищевых продуктов, а также средств защиты растений. Почти вся промышленность основной химии (60-80 %) основаны на каталитических процессах. Химики не без основания говорят, что некаталитических процессов вообще не существует, поскольку все они протекают в реакторах, материал стенок которых служит своеобразным катализатором.
С участием катализаторов скорость некоторых реакций возрастает в 10 млрд раз. Есть катализаторы, позволяющие не просто контролировать состав конечного продукта, но и способствующие образованию молекул определенной формы, что сильно влияет на физические свойства продукта (твердость, пластичность).
В современных условиях одно из важнейших направлений развития учения о химических процессах - создание методов управления этими процессами. Поэтому сегодня химическая наука занимается разработкой таких проблем, как химия плазмы, радиационная химия, химия высоких давлений и температур.
Химия плазмы изучает химические процессы в низкотемпературной плазме при 1000-10 000 °С. Такие процессы характеризуются возбужденным состоянием частиц, столкновением молекул с заряженными частицами и очень высокими скоростями химических реакций. В плазмохимических процессах скорость перераспределения химических связей очень высока, поэтому они очень производительны.
Одним из самых молодых направлений в исследовании химических процессов является радиационная химия, которая зародилась во второй половине XX в. Предметом ее разработок - стали превращения самых разнообразных веществ под воздействием ионизирующих излучений. Источниками ионизирующего излучения служат рентгеновские установки, ускорители заряженных частиц, ядерные реакторы, радиоактивные изотопы. В результате радиационно-химических реакций вещества получают повышенную термостойкость и твердость.
Еще одна область развития учения о химических процессах - химия высоких и сверхвысоких давлений. Химические превращения веществ при давлениях выше 100 атм относятся к химии высоких давлений, а при давлениях выше 1000 атм - к химии сверхвысоких давлений.
При высоком давлении сближаются и деформируются электронные оболочки атомов, что ведет к повышению реакционной способности веществ. При давлении 102-103 атм исчезает различие между жидкой и газовой фазами, а при 103-105 атм - междутвердой и жидкой фазами. При высоком давлении сильно меняются физические и химические свойства вещества. Например, при давлении 20 000 атм. металл становится эластичным, как каучук.
Химические процессы представляют собой сложнейшее явление как в неживой, так и в живой природе. Эти процессы изучают химия, физика и биология. Перед химической наукой стоит принципиальная задача - научиться управлять химическими процессами. Дело в том, что некоторые процессы не удается осуществить, хотя в принципе они осуществимы, другие трудно остановить - реакции горения, взрывы, а часть из них трудноуправляема, поскольку они самопроизвольно создают массу побочных продуктов.
3.4 Четвертый уровень химического знания. Эволюционная химия
Эволюционная химия зародилась в 1950 - 1960 гг. В основе эволюционной химии лежат процессы биокатализа, ферментологии; ориентирована она главным образом на исследование молекулярного уровня живого, что основой живого является биокатализ, т.е. присутствие различных природных веществ в химической реакции, способных управлять ею, замедляя или ускоряя ее протекание. Эти катализаторы в живых системах определены самой природой, что и служит идеалом для многих химиков.
Идея концептуального представления о ведущей роли ферментов, биорегуляторов в процессе жизнедеятельности, предложенная французским естествоиспытателем Луи Пастером в ХIX веке, остается основополагающей и сегодня. Чрезвычайно плодотворным с этой точки зрения является исследование ферментов и раскрытие тонких механизмов их действия.
Ферменты- это белковые молекулы, синтезируемые живыми клетками. В каждой клетке имеются сотни различных ферментов. С их помощью осуществляются многочисленные химические реакции, которые благодаря каталитическому действию ферментов могут идти с большой скоростью при температурах, подходящих для данного организма, т.е. в пределах примерно от 5 до 40 градусов. Можно сказать, что ферменты - это биологические катализаторы.
В основе эволюционной химии принцип использования таких условий, которые приводят к самосовершенствованию катализаторов химических реакций, т. е. к самоорганизации химических систем.
В эволюционной химии существенное место отводится проблеме «самоорганизации» систем. Теория самоорганизации «отражает законы такого существования динамических систем, которое сопровождается их восхождением на все более высокие уровни сложности в системной упорядоченности, или материальной организации». В сущности, речь идет об использовании химического опыта живой природы. Это своеобразная биологизация химии. Химический реактор предстает как некое подобие живой системы, для которой характерны саморазвитие и определенные черты поведения. Так появилась эволюционная химия как высший уровень развития химического знания.
Под эволюционными проблемами понимают проблемы самопроизвольного синтеза новых химических соединений (без участия человека). Эти соединения являются более сложными и более высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами. Поэтому эволюционную химию заслуженно считают предбиологией, наукой о самоорганизации и саморазвитии химических систем.
До последней трети XX в. об эволюционной химии ничего не было известно. В отличие от биологов, которые вынуждены были использовать эволюционную теорию Дарвина для объяснения происхождения многочисленных видов растений и животных, химики не интересовались вопросом происхождения вещества, потому что получение любого нового химического соединения всегда было делом рук и разума человека.
Постепенное развитие науки XIX в., приведшее к раскрытию структуры атома и детальному познанию строения и состава клетки, открыло перед химиками и биологами практические возможности совместной работы над химическими проблемами учения о клетке. Для освоения опыта живой природы и реализации полученных знания в промышленности химики наметили ряд перспективных путей.
Во-первых ведутся исследования в области металлокомплексного катализа, который обогащается приемами, используемыми живыми организмами в реакциях с участием ферментов (биокатализаторов).
Во-вторых, ученые пытаются моделировать биокатализаторы. Уже удалось создать модели многих ферментов, которые извлекаются из живой клетки и используются в химических реакциях. Но проблема осложняется тем, что ферменты, устойчивые внутри клетки, вне нее быстро разрушаются.
В-третьих, развивается химия иммобилизованных систем, благодаря которой биокатализаторы стали стабильными, устойчивыми в химических реакциях, появилась возможность их многократного использования.
В-четвертых, химики пытаются освоить и использовать весь опыт живой природы. Это позволит ученым создать полные аналоги живых систем, в которых будут синтезироваться самые разнообразные вещества. Таким образом, будут созданы принципиально новые химические технологии.
Изучение процессов самоорганизации в химии привело к формированию двух подходов к анализу предбиологических систем: субстратного и функционального.
Результатом субстратного подхода стала информация об отборе химических элементов и структур.
Химикам важно понять, каким образом из минимума химических элементов (основу жизнедеятельности живых организмов составляют 38 химических элементов) и химических соединений (большинство образовано на основе 6-18 элементов) образовались сложнейшие биосистемы.
Функциональный подход в эволюционной химии. В рамках этого подхода также изучается роль катализа и выявляются законы, которым подчиняются процессы самоорганизации химических систем.
Роль каталитических процессов усиливалась по мере усложнения состава и структуры химических систем. Именно на этом основании некоторые ученые стали связывать химическую эволюцию с самоорганизацией и саморазвитием каталитических систем.
На основе этих наблюдений профессор МГУ А.П. Руденко выдвинул теорию саморазвития открытых каталитических систем. Очень скоро она была преобразована в общую теорию химической эволюции и биогенеза. В ней решены вопросы о движущих силах и механизмах эволюционного процесса, т. е. о законах химической эволюции, об отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, о высоте химической организации и иерархии химических систем как следствии эволюции.
Сущность этой теории состоит в том, что эволюционирующим веществом являются катализаторы, а не молекулы. При катализе идет реакция химического взаимодействия катализатора с реагентами с образованием при этом промежуточных комплексов со свойствами переходного состояния. Именно такой комплекс Руденко назвал элементарной каталитической системой. Если в ходе реакции идет постоянный приток извне новых реактивов, отвод готовой продукции, а также выполняются некоторые дополнительные условия, реакция может идти неограниченно долго, находясь на одном и том же стационарном уровне. Такие многократно возобновляемые комплексы являются элементарными открытыми каталитическими системами.
Саморазвитие, самоорганизация и самоусложнение каталитических систем происходят за счет постоянного притока трансформируемой энергии. А так как основным источником энергии является базисная реакция, то максимальное эволюционное преимущество получают каталитические системы, развивающиеся на базе экзотермических реакций. Таким образом, реакция является не только источником энергии, но и орудием отбора наиболее прогрессивных эволюционных изменений катализаторов.
Тем самым Руденко сформулировал основной закон химической эволюции, согласно которому с наибольшей скоростью и вероятностью реализуются те пути эволюционных изменений катализаторов, которые связаны с ростом их абсолютной каталитической активности. При этом по параметру абсолютной каталитической активности складываются механизмы конкуренции и естественного отбора.
Теория саморазвития каталитических систем дает следующие возможности: выявлять этапы химической эволюции и на этой основе классифицировать катализаторы по уровню их организации; использовать принципиально новый метод изучения катализа; дать конкретную характеристику пределов в химической эволюции и перехода от химогенеза (химического становления) к биогенезу, связанного с преодолением второго кинетического предела саморазвития каталитических систем.
Набирает теоретический и практический потенциал новейшее направление, расширяющее представление об эволюции химических систем, нестационарная кинетика.
Развитие химических знаний позволяет надеяться на разрешение многих проблем, которые встали перед человечеством в результате его наукоемкой и энергоемкой практической деятельности.
Химическая наука на ее высшем эволюционном уровне углубляет представления о мире. Концепции эволюционной химии, в том числе о химической эволюции на Земле, о самоорганизации и самосовершенствовании химических процессов, о переходе от химической эволюции к биогенезу, являются убедительным аргументом, подтверждающим научное понимание происхождения жизни во Вселенной.
Химическая эволюция на Земле создала все предпосылки для появления живого из неживой природы.
Жизнь во всем ее многообразии возникла на Земле самопроизвольно из неживой материи, она сохранилась и функционирует уже миллиарды лет.
Жизнь полностью зависит от сохранения соответствующих условий ее функционирования. А это во многом зависит от самого человека.
элемент ковалентный биорегулятор полярный
Список использованной литературы
1. Краткая химическая энциклопедия, гл. ред. И. Л. Кнунянц, т. 1-5, М., 1961-67;
Краткий справочник по химии, под ред. О. Д. Куриленко, 4 изд.. К., 1974;
Общая химия, Полинг Л., пер. с англ., М., 1974;
Современная общая химия, Кемпбел Дж., пер. с англ., [т.] 1-3, М., 1975.
Репетиторство
Нужна помощь по изучению какой-либы темы?
Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку
с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.
(структурные уровни организации материи с точки зрения химии).
Химия – одна из отраслей естествознания, предметом изучения которой являются химические элементы (атомы), образуемые ими простые и сложные вещества (молекулы), их превращения и законы, которым подчиняются эти превращения. По определению Д.И. Менделеева (1871), "химию в современном ее состоянии можно назвать учением об элементах". Происхождение слова "химия" выяснено не окончательно. Многие исследователи полагают, что оно происходит от старинного наименования Египта – Хемия (греч. Chemía, встречается у Плутарха), которое производится от "хем" или "хаме" – черный и означает "наука черной земли" (Египта), "египетская наука".
Современная химия тесно связана как с другими науками, так и со всеми отраслями народного хозяйства. Качественная особенность химической формы движения материи и ее переходов в другие формы движения обусловливает разносторонность химической науки и ее связей с областями знания, изучающими и более низшие, и более высшие формы движения. Познание химической формы движения материи обогащает общее учение о развитии природы, эволюции вещества во Вселенной, содействует становлению целостной материалистической картины мира. Соприкосновение химии с другими науками порождает специфические области взаимного их проникновения. Так, области перехода между химией и физикой представлены физической химией и химической физикой. Между химией и биологией, химией и геологией возникли особые пограничные области - геохимия, биохимия, биогеохимия, молекулярная биология. Важнейшие законы химии формулируются на математическом языке и теоретическая химия также не может развиваться без математики. Химия оказывала и оказывает влияние на развитие философии и сама испытывала и испытывает ее влияние. Исторически сложились два основных раздела химии: неорганическая химия, изучающая в первую очередь химические элементы и образуемые ими простые и сложные вещества (кроме соединений углерода), и органическая химия, предметом изучения которой являются соединения углерода с другими элементами (органические вещества). До конца 18 в. термины "неорганическая химия" и "органическая химия" указывали лишь на то, из какого "царства" природы (минерального, растительного или животного) получались те или иные соединения. Начиная с 19 в. эти термины стали указывать на присутствие или отсутствие углерода в данном веществе. Затем они приобрели новое, более широкое значение. Неорганическая химия соприкасается прежде всего с геохимией и далее с минералогией и геологией, т.е. с науками о неорганической природе. Органическая химия представляет отрасль химии, которая изучает разнообразные соединения углерода вплоть до сложнейших биополимерных веществ; через органическую и биоорганическую химию Химия граничит с биохимией и далее с биологией, т.е. с совокупностью наук о живой природе. На стыке между неорганической и органической химией находится область элементоорганических соединений. В химии постепенно сформировались представления о структурных уровнях организации вещества. Усложнение вещества, начиная от низшего, атомарного, проходит ступени молекулярных, макромолекулярных, или высокомолекулярных, соединений (полимер), затем межмолекулярных (комплекс, клатрат, катенан), наконец, многообразных макроструктур (кристалл, мицелла) вплоть до неопределенных нестехиометрических образований. Постепенно сложились и обособились соответствующие дисциплины: химия комплексных соединений, полимеров, кристаллохимия, учения о дисперсных системах и поверхностных явлениях, сплавах и др.
Изучение химических объектов и явлений физическими методами, установление закономерностей химических превращений, исходя из общих принципов физики, лежит в основе физической химии. К этой области химии относится ряд в значительной мере самостоятельных дисциплин: термодинамика химическая, кинетика химическая, электрохимия, коллоидная химия, квантовая химия и учение о строении и свойствах молекул, ионов, радикалов, радиационная химия, фотохимия, учения о катализе, химических равновесиях, растворах и др. Самостоятельный характер приобрела аналитическая химия, методы которой широко применяются во всех областях химии и химической промышленности. В областях практического приложения химии возникли такие науки и научные дисциплины, как химическая технология с множеством ее отраслей, металлургия, агрохимия, медицинская химия, судебная химия и др.
Внешний мир, существующий независимо от человека и его сознания, представляет собой различные виды движения материи. Материя существует в вечном движении, мерой которого выступает энергия. Наиболее изучены такие формы существования материи как вещество и поле. В меньшей степени наука проникла в сущность вакуума и информации как возможных форм существования материальных объектов.
Под веществом понимают устойчивую совокупность частиц (атомов, молекул и др.), обладающих массой покоя. Поле рассматривается как материальная среда, обеспечивающая взаимодействие частиц. Современная наука считает, что поле представляет собой поток квантов, не обладающих массой покоя.
Окружающие человека материальные тела состоят из различных веществ. При этом телами называют объекты реального мира, обладающие массой покоя и занимающие определенный объем пространства.
Каждое тело имеет свои физические параметры и свойства. А вещества, из которых они состоят, обладают химическими и физическими свойствами. В качестве физических свойств можно назвать агрегатные состояния вещества, плотность, растворимость, температура, цвет, вкус, запах и др.
Различают твердое, жидкое, газообразное и плазменное агрегатные состояния вещества. В нормальных условиях (температура 20 градусов Цельсия, давление 1 атмосфера) различные вещества находятся в разных агрегатных состояниях. Например: сахароза, хлорид натрия (соль), сера – это твердые тела; вода, бензол, серная кислота – жидкости; кислород, диоксид углерода, метан – газы.
Главной задачей химии как науки является выявление и описание таких свойств вещества, которые позволяют превращать одни вещества в другие на основе химических реакций.
Химические превращения – это особая форма движения материи, которая обусловлена взаимодействием атомов, приводящим к образованию молекул, ассоциантов и агрегатов.
С точки зрения химической организации атом является исходным уровнем в общей структуре материи.
Химия, таким образом, изучает особую «химическую» форму движения материи, характерной особенностью которой является качественное превращение вещества.
Химия – это наука, изучающая превращение одних веществ в другие, сопровождающееся изменением их состава и структуры, а также исследует взаимные переходы между этими процессами.
Термин «естествознание» означает знание о природе или природоведение. Начало изучению природы положила натурфилософия («природоведение» в переводе с немецкого «naturphilosophie»; а в переводе с латинского – «natura» – природа, «Sophia» – мудрость).
В ходе развития каждой науки, в том числе и химии, развивался математический аппарат, понятийный аппарат теорий, совершенствовалась экспериментальная база и техника эксперимента. Как результат возникла полная дифференциация в предметах исследования различных естественных наук. Химия в основном исследует атомный и молекулярный уровень организации материи, что представлено на рис. 8.1.
Рис. 8.1. Уровни материи, изучаемые химической наукой
Основные понятия и законы химии
В основе современного естествознания лежит принцип сохранения материи, движения и энергии. Сформулированный М.В. Ломоносовым в 1748 г. Этот принцип прочно вошел в химическую науку. В 1756 г. М.В. ломоносов, изучая химические процессы, обнаружил постоянство общей массы веществ, участвующих в химической реакции. Это открытие стало важнейшим законом химии – законом сохранения и взаимосвязи массы и энергии. В современной трактовке он формулируется следующим образом: масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе веществ, образовавшихся в результате реакции.
В 1774 г. Знаменитый французский химик А. Лавуазье дополнил закон сохранения массы представлениями о неизменности масс каждого из веществ, участвующих в реакции.
В 1760 г. М.В. Ломоносов сформулировал закон сохранения энергии: энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно, она превращается из одного вида в другой. Немецкий ученый Р. Майер в 1842 г. Экспериментально подтвердил данный закон. А английский ученый Джоуль установил эквивалентность различных видов энергии и работы (1кал= 4,2 Дж). Для химических реакций этот закон формулируется следующим образом: энергия системы, включающей вещества, вступившие в реакцию, равна энергии системы, включающей вещества, образовавшиеся в результате реакции.
Закон постоянства состава был открыт французским ученым Ж. Прустом (1801г.): всякое химически чистое индивидуальное вещество имеет всегда один и тот же количественный состав независимо от способа его получения. Другими словами, как бы не получали воду –при сгорании водорода или при разложении гидроксида кальция (Ca (OH)2) отношение масс водорода и кислорода в ней равно 1:8.
В 1803г. Дж. Дальтон (английский физик и химик) открыл закон кратных отношений, согласно которому, если два элемента образуют между собой несколько соединений, то массы одного из элементов, приходящиеся на одну и ту же массу другого, относятся между собой как небольшие целые числа. Этот закон является подтверждением атомистических представлений о структуре материи. Если элементы соединяются в кратных отношениях, то химические соединения различаются на целые атомы, которые представляют собой наименьшее количество элемента, вступившего в соединение.
Важнейшим открытием химии XIX столетия является закон Авогадро. В результате количественных исследований реакций между газами французский физик Ж.Л. Гей-Люссак установил, что объемы реагирующих газов относятся между собой и к объемам образующихся газообразных продуктов, как небольшие целые числа. Объяснение этому факту и дает закон Авогадро (открытый итальянским химиком А. Авогадро в 1811г.): в равных объемах любых газов, взятых при одинаковой температуре и давлении, содержится одинаковое число молекул.
Закон эквивалентов часто применяется в химических расчетах. Из закона постоянства состава следует, что взаимодействие элементов друг с другом совершается в строго определенных (эквивалентных) соотношениях. Поэтому термин эквивалент утвердился в химической науке в качестве основного. Эквивалентом элемента называют такое его количество, которое соединяется с одним молем водорода или замещает тоже количество атомов водорода в химических реакциях. Масса одного эквивалента химического элемента называется его эквивалентной массой. Представления об эквивалентах и эквивалентных массах применимы и к сложным веществам. Эквивалентом сложного вещества называется такое его количество, которое взаимодействует без остатка с одним эквивалентом водорода или с одним эквивалентом любого другого вещества. Формулировка закона эквивалентов была дана Рихтером в конце XVIII века: все вещества реагируют друг с другом в количествах, пропорциональных их эквивалентам. Другая формулировка этого закона гласит: массы (объемы) реагирующих друг с другом веществ пропорциональны их эквивалентнвм массам (объемам). Математическая запись этого закона имеет вид: m 1: m 2 = Э 1: Э 2 , где m 1 и m 2 – массы взаимодействующих веществ, Э 1 и Э 2 – эквивалентные массы этих веществ, выраженные в кг/моль.
Важную роль играет периодический закон Д.И. Менделеева, современная трактовка которого гласит, что порядок расположения и химические свойства элементов определяются зарядом ядра.
План
1. Концептуальные системы химических знаний.
2. Химическая организация материи.
3. Учение о химических процессах.
4. Эволюционная химия.
Темы докладов
1. Алхимия и химия.
2. Химия как наука и производство.
3. Химия в быту.
Задание 1. Составить таблицу «Классификация веществ».
Задание 2. Составить таблицу «Великие химики и их научные открытия».
Контрольные вопросы
1. Что является предметом изучения химии?
2. Что изучает химия, и какие основные методы она использует?
3. Каковы концептуальные системы химических знаний?
4. Что такое химический элемент?
5. Что называется простым и сложным веществом?
6. Какая связь существует между атомным весом и зарядом ядра атома?
7. Перечислите основные уровни химических структур.
8. От чего зависит динамика химических процессов?
9. Какие вещества называют катализаторами?
10. Какую роль играет катализ в эволюции химических систем?
11. В чём отличие химии от алхимии?
Основные понятия и термины
Химия, структура химии, вещество, простое вещество, сложное вещество, химический элемент, молекула, соединение, химическая реакция, катализ, катализатор, химический процесс, органический синтез.
Тест «Химическая картина мира»
1. Происхождение названия «химия» связано с:
а) Индией; б) Китаем; в) Шумером; г) Египтом.
2. На скорость протекания химической реакции значительнее всего влияет:
а) температура; б) давление; в) освещение; в) катализатор.
3. К агрегатным состояниям вещества не относится:
а) твёрдое тело; б) вакуум; в) плазма; г) газ.
4. Нейтральная элементарная частица со спином 1/2, относящаяся к барионам, вместе с протонами образуют ядра атомов:
а) электрон; б) нейтрон; в) фотон; г) нейтрино.
5. Вид материи, который обладает массой покоя, это:
а) физическое поле; б) физический вакуум; в) вещество; г) плазма.
6. Минимальная частица вещества, способная к самостоятельному существованию, это:
а) атом; б) электрон; в) молекула; г) нуклон.
7. Вещества, которые образованы разными химическими элементами, называются:
8. Вещества, образованные одного вида химическими элементами, называются:
а) простыми веществами; в) химическими соединениями;
б) сложными веществами; г) смесями веществ.
9. К сложным веществам относятся:
а) соли; б) металлы; в) воздух; г) вода.
10.К сложным веществам относятся:
а) белки; б) металлы; в) воздух; г) вода.
11.К простым веществам относится:
а) соли; б) металлы; в) озон; г) вода.
12.Явление, замедляющее химические реакции, называется:
а) ингаляция; б) катализ; в) ингибирование; г) катаболизм.
13.Теорию химического строения органических соединений впервые создал:
а) Д. Менделеев; б) А. Бутлеров; в) М. Семёнов; г) А. Берцелиус.
14.Минимальное число атомов в молекуле равно:
а) 1; б) 2; в) 3; г) 4.
15.Химический элемент с атомным номером - 1:
а) азот; б) углерод; в) гелий; г) водород.
16.Из органогенов на Земле более всего распространены:
а) углерод и кислород; в) кислород и азот;
б) углерод и сера; г) кислород и водород.
17.Вне нашей планеты наиболее распространены химические элементы:
а) всей таблицы Менделеева; в) водород и гелий;
б) металлы и неметаллы; г) гелий и углерод
18.Что является первым концептуальным уровнем в процессе развития химии как науки?
19.Что является вторым концептуальным уровнем в процессе развития химии как науки?
а) учение о химических процессах; в) эволюционная химия;
б) структурная химия; г) учение о составе.
20.К органогенам относится:
а) натрий; б) кальций; в) медь; г) фосфор.
21.К органогенам не относится:
а) углерод; б) азот; в) натрий; г) сера..
ЗАНЯТИЕ 10
Тема: Биологический уровень организации материи
План
1. Структурные уровни жизни.
2. Основные отличия живой материи от неживой.
3. Происхождение жизни на Земле.
4. Цитология - наука о клетке.
5. Обмен веществ. Фотосинтез. Биосинтез. Хемосинтез.
6. Размножение и развитие организмов.
7. Основы генетики.
Темы докладов
1. Теория биохимической эволюции.
2. Панспермия.
3. Модель строения молекулы ДНК (Д. Уотсон, Ф. Крик).
4. Геном человека.
5. Клонирование.
Задания для самостоятельной работы
Задание 1. Изучите разные концепции происхождения жизни.
Задание 2. Изучитестроениеклетки, её химический состав, заполнив таблицу.
Строение клетки
Контрольные вопросы
1. Что изучает биология? Какие разделы в ней выделяются?
2. Охарактеризуйте общие особенности развития биологии XX в.
3. Что такое жизнь?
4. Какое определение жизни дал Ф. Энгельс в XIX в.?
5. Каковы существенные черты живого?
6. Почему проблема происхождения жизни одна из самых трудных и интересных в науке?
7. Чем живое отличается от неживого?
8. Как Луи Пастер доказал, что жизнь не может возникнуть сейчас сама по себе?
9. Каковы современные представления о происхождении жизни?
10.Какую гипотезу о происхождении жизни на Земле высказал академик
А. Опарин?
11.Каковы стадии происхождения жизни, по А. Опарину?
12.Что такое коацерваты?
13.В чем сущность метаболизма?
14.Что такое биосинтез и как он происходит в организме?
15.Чем отличается синтез от биосинтеза?
16.Что такое фотосинтез, и каково его значение на Земле?
17.Чем отличается молекулярная структура живых систем от неживых?
18.Можно ли отнести вирусы к живым организмам? Обоснуйте свой ответ.
19.Чем отличаются клетки прокариоты от эукариотов?
20.Какие гипотезы существуют о происхождении эукариотов?
21.Какую роль играют аминокислоты в живом организме?
22.Что такое ДНК, РНК, аминокислота, ген, хромосома, генотип, и как эти понятия взаимосвязаны?
23.Где в клетке находится ДНК?
24.За счёт чего происходит преемственность поколений?
25.Какие уровни размножения вы знаете?
26.Какие формы размножения целого организма вы знаете?
27.Что лежит в основе полового и бесполого размножения?
28.Что изучает генетика?
29.Какие биологические концепции вы знаете? Охарактеризуйте их.
Основные понятия и термины
Биология, жизнь, живое вещество, структурный уровень живого, организм, биоэлементы, отличия живого от неживого, креационизм, панспермия, биохимическая эволюция, коацерваты, абиогенез, симбиогенез, прокариот, эукариот, организм, цитология, органоиды, клеточная мембрана, цитоплазма, митохондрии, пластиды, эндоплазматическая сеть, рибосомы, лизосомы, хромосомы, ядро клетки, химический состав клетки, белок, аминокислоты, липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты, РНК, ДНК, нуклеотид, код ДНК, АТФ, вирусы, обмен веществ, пластический обмен, энергетический обмен, метаболизм, ассимиляция, диссимиляция, синтез, биосинтез, матричный синтез, фотосинтез, хемосинтез, автотрофы, хемотрофы, фототрофы, гетеротрофы, миксотрофы, размножение, уровни размножения, бесполое размножение, вегетативное размножение, половое размножение, гаметы, митоз, мейоз, онтогенез, филогенез, партеногенез, постэмбриональное развитие, генетика, ген, генотип, геном, фенотип, наследственность, изменчивость, хромосомы, мутация, генетика пола, доминантность, рецессивность.
Химию принято подразделять на 5 разделов: неорганическая, органическая, физическая, аналитическая и химия высокомолекулярных соединений.
К важнейшим особенностям современной химии относятся:
1. Дифференциация главных разделов химии на отдельные, во многом самостоятельные научные дисциплины, которая основана на различии объектов и методов исследования.
2. Интеграция химии с другими науками. В результате этого процесса возникли: биохимия, биоорганическая химия и молекулярная биология, которые изучают химические процессы в живых организмах. На стыке дисциплин возникли и геохимия, и космохимия.
3. Появление новых физико-химических и физических методов исследования.
4. Формирование теоретического фундамента химии на основе квантово-волновой концепции.
По мере развития химии до ее современного уровня в ней сложились четыре совокупности подходов к решению основной задачи (исследование происхождения свойств веществ и разработка на этой основе методов получения веществ с заранее заданными свойствами).
1. Учение о составе, в котором свойства веществ связывались исключительно с их составом. На этом уровне содержание химии исчерпывалось ее традиционным определением – как науки о химических элементах и их соединениях.
2. Структурная химия. Эта концепция объединяет теоретические представления в химии, устанавливающие связь свойств веществ не только с составом, но и со структурой молекул. В рамках этого подхода возникло понятие «реакционная способность», включающее представление о химической активности отдельных фрагментов молекулы – отдельных ее атомов или целых атомных групп. Структурная концепция позволила превратить химию из преимущественно аналитической в синтетическую науку. Этот подход позволил в конечном итоге создать промышленные технологии синтеза многих органических веществ.
3. Учение о химических процессах. В рамках этой концепции с помощью методов физической кинетики и термодинамики были выявлены факторы, влияющие на направленность и скорость протекания химических превращений и на их результат. Химия вскрыла механизмы управления реакциями и предложила способы изменения свойств получаемых веществ.
4. Эволюционная химия. Последний этап концептуального развития химии связан с использованием в ней некоторых принципов, реализованных в химизме живой природы. В рамках эволюционной химии осуществляется поиск таких условий, при которых в процессе химических превращений идет самосовершенствование катализаторов реакций. По существу, речь идет о самоорганизации химических процессов, происходящих в клетках живых организмов.
Рождение химии, так же как и всей европейской науки, несмотря на их долгую историю становления, связывают с возникновением идеи существования законов природы в Новое время. Классическим определением химии является определение, согласно которому, химия - это наука о веществах, об их строении, свойствах, о реакциях и законах, которым подчиняются их превращения; одна из отраслей естествознания 1 . Однако уже в 1967 г. в фундаментальной монографии «Эволюция представлений об основных законах химии» В. И. Кузнецова сделан вывод, что определение химии как «науки о веществах и их превращениях» устарело . Изменились понимание структуры вещества и динамики химических процессов и, соответственно, методология их исследования. Это привело к плодотворному развитию всех основных направлений химических исследований. Были открыты новые химические соединения. Так, современная химия располагает более 15 млн химических соединений и химических реакций, обнаруживающие неожиданные свойства и потребовавших введения совершенно новых понятий.
Ю. А. Жданов, обращаясь к проблеме специфики химической формы движения, отмечает, что как это ни парадоксально, но химия в системе современного естествознания занимает несколько двусмысленное положение: ее охотно признают в качестве необходимой научной основы для понимания биологических, геологических явлений, для создания технологических процессов, но нередко ей отказывают в статусе теоретической науки, сводя к квантовой механике, статической физике, термодинамике . Жданов пишет, что существует немало авторитетных свидетелей как из среды философов, так и из числа естествоиспытателей, готовых поклясться, что химия как наука в принципе не существует, что под термином «химия» скрывается смесь точной, элегантной физической теории и грязной, вульгарной кухни, которую лишь из сострадания можно назвать наукой. В такой ситуации справедлив вопрос, который ставит в своих исследованиях не только К). А. Жданов, но и многие ученые и философы: если теоретическая сторона химии исчерпывается физикой, то от химии остается лишь практическое экспериментирование, но кто же решится считать наукой область деятельности, лишенную своей собственной теории?
Несмотря на то, что возникают оценки современного состояния химии как рождения повой химии, одной из проблем, которая требует прояснения, является вопрос о редукции химического знания к физическому . Эта проблема - философский вопрос, поскольку, по сути, это вопрос, как он сформулирован
В. Декельманом о том, имеет ли химия некоторое собственное понятие бытия или же она по самым своим основам является всего лишь частной областью физики . Традиция сведения химических изменений к физическим имеет свои истоки в представлениях о том, что атомы огня, воздуха и земли механически взаимодействуют друг с другом и образуют «смешанные тела» (Р. Декарт, Р. Бойль, И. Ньютон). Согласно М. Волькенштей- ну, не существует теоретической химии, кроме физики. Это понимание утвердилось с развитием, во-первых, классической механики (М. Фарадей) и разделялось многими химиками; например, Д. И. Менделеев признавал, что блеск химических открытий сделал современную химию совершенно специальной наукой, при этом отмечал, что «несомненно, должно настать время, когда химическое сродство будет рассматриваться как механическое явление» . Во-вторых, с развитием квантовой механики, принципы и положения которой применимы для решения традиционных проблем химической науки, что дает основания для убеждений в квантовомеханическом характере фундаментальных основ химии.
Физической основой химического знания являются следующие главные постулаты квантовой механики: 1) понятие волновой функции электрона как распределенного в пространстве и времени заряда и спина (углового момента); 2) принцип Паули, «организующий» электроны по энергетическим уровням, спиновым состояниям и но их собственным орбиталям (волновым функциям); 3) уравнение Э. Шрёдингера как квантовый наследник уравнений классической механики.
В связи с этим многие физики XX в., например, В. Гейзенберг, П. Иордан, Р. Фейнман, развивали тезис о возможности сведения закономерностей любых химических процессов к фундаментальным физическим законам. Более того, физиками выражается уверенность в том, что непременно наступит момент, «когда биология также полностью сольется с физикой и химией, как нынешняя квантовая механика слила воедино физику и химию» . Многие представители отечественной физики и философии также разделяют эту точку зрения. Так, С. В. Вонсовский пишет, что во всех химических процессах мы встречаемся, прежде всего, с атомизмом тел природы . Химия понимается им как одна из важнейших естественно-научных дисциплин, прежде всего наука о структуре молекул, а также о процессах взаимодействия молекул и поведении веществ при различных химических реакциях.
Проблема редукции в химической картине мира - это попытки превратить химию в столь же точную науку, как и теоретическая физика. Однако существует и другая основа химии - математическая, выражением которой стало установление множества количественных закономерностей, точных законов (включая электронную периодичность закона Менделеева), высочайшего измерительного уровня определения атомно-молекулярных, термодинамических и кинетических констант, характеризующих вещество и химический процесс. Наряду с фундаментальной физико-математической основой химии на сегодняшний день сформировалось большое количество исследовательских областей самого химического знания. Более того, тенденции развития междисциплинарных взаимодействий как на стыках химических дисциплин, так и между всеми естественными науками, привели к действию обратных связей между дисциплинами.
Основной тезис традиции, противостоящей редукции химии к физике: «В явлении химическом всегда есть нечто большее, чем в просто явлении физическом» (В. Оствальд, Н. Н. Семенов, Ю. А. Жданов, Б. М. Кедров, А. Н. Несмеянов и др.). Это положение приводит к необходимости постановки проблемы объектной основы химии. Выражением этой проблемы может служить вопрос: имеют ли химия и физика дело с одним и тем же объектом изучения?
Как отмечает Г. А. Крестов, химия изучает мир объединяемым понятием материи, которая существует в форме вещества и поля, обладающих массой, энергией и характеризующихся диалектическим единством корпускулярных и волновых свойств .
Однако понятием «поля» оперирует физика. В. М. Кедров отмечает, что атомы и молекулы могут быть конечной ступенью развития объекта по отношению к своим исходным структурным элементам и являться объектом изучения физики, однако они могут быть и исходной химической единицей по отношению к возникающим из него молекулярным структурам и в этом случае выступать объектом изучения химии 11 .
Сторонники сведения химических связей к физическим постулируют понимание химического взаимодействия как особой разновидности более общего электромагнитного взаимодействия. Если принять во внимание, что индивидуальный атом еще не является химическим веществом, то и периодическая система элементов Д. И. Менделеева не является химической концепцией. Как справедливо отмечает В. А. Энгельгардт, проводя анализ химического процесса: «...часть, ранее бывшая самостоятельной, перестает существовать как таковая, становится компонентом внутренне объединенного интегрального целого. Возникает нечто новое, ранее не существовавшее, со свойственными ему новыми качествами» .
Особенность химической картины мира заключается в том, что основными объектами изучения являются не просто атомы или молекулы, но очень сложная организация вещества. Необходимо принять во внимание, что перестройка электронных орбиталей атома происходит внутри атома как единого целого. То есть перестройка электронных орбиталей обусловлена всей структурой атома, а не только индивидуальными свойствами электронов. Только в рамках целого можно говорить о том, что то или иное взаимодействие является химическим. Необходимо принять во внимание, что химические соединения построены не из индивидуальных атомов, а из атомных ядер (атомных остовов), связанных обобществленным электронным континуумом . Это обусловливает то, что процесс потери электрона одним атомом и присоединение его другим не может отражать сущность химического взаимодействия.
В этом вопросе такие исследователи, как Н. М. Черемных и О. С. Сироткин , справедливо полагают, что именно наличие химической связи в веществе является критерием того, что оно является объектом химического исследования; ни элементарная частица, ни атом (считающийся иногда «законным» объектом химии) этому критерию не удовлетворяют, и поэтому модели элементарного и атомного уровня организации вещества нельзя экстраполировать на химический уровень. Химическая система - это некоторая целостность, поэтому описание отдельных элементов, на основе которых она возникла, не может дать цельную картину химического процесса, например, образования гликогена из глюкозы и т. д. Справедливо утверждение того, что существует различие между физикой и химией, оно не сводится только к различию химического и физического (электромагнитного) взаимодействий. Н. Н. Семёнов выделяет основные принципы, из которых могут быть выведены все химические закономерности, не сводимые к законам физики:
Принцип электронного строения молекулярных систем; учение о взаимосвязи строения и свойств молекулярных
- - учение о реакционной способности химических соединений;
- - концепция единства химических явлений .
Более того, если принять во внимание то, что, согласно авторитетному мнению физикохимика Н. Н. Семёнова, сущностью химического является химический процесс, рассматриваемый в современной химии как кинетический континуум множества веществ, то именно химический процесс образует мост между объектами физики и объектами биологии .
- См.: Химический энциклопедический словарь. М. : Советская энциклопедия,1983.
- См.: Кузнецов В. И. Эволюция представлений об основных законах химии.М. : Наука, 1967.
- См.: Жданов Ю. А. Углерод и жизнь. Ростов н/Д: Изд-во РГУ, 1968 ; Жданов Ю. А. Очерки методологии органической химии. М. : Высш. школа, 1960.
- См.: Кузнецов В. И. Диалектика развития химии. М. : Наука, 1973 ; Соловьёв Ю. И., Трифонов Д. II., Шамин А. II. Развитие основных направлений современной химии. М. : Просвещение, 1978 ; Полит Л. Общая химия. М. : Мир, 1974.
