Концепции современного естествознания

p align="left">Ученик Левкиппа Демокрит назвал эти мельчайшие частицы «неделимые», что по-гречески значит «атомы». Это название мы используем и сегодня. Демокрит, развивая новое учение - атомистику, приписал атомам такие «современные» свойства, как размер и форму, способность к движению. Последователь Демокрита Эпикур придал древнегреческой атомистике завершенность, предположив, что у атомов существует внутренний источник движения, и они сами способны взаимодействовать друг с другом.

Все положения древнегреческой атомистики выглядят удивительно современно, и нам они, естественно, понятны. Ведь любой из нас, ссылаясь на опыт науки, может описать множество интересных экспериментов, подтверждающих справедливость любой из выдвинутых концепций. Но совершенно непонятны они были 20-25 веков назад, поскольку никаких экспериментальных доказательств, подтверждающих справедливость своих идей, древнегреческие атомисты представить не могли.

Итак, хотя атомистика древних греков и выглядит удивительно современно, ни одно из ее положений в то время не было доказано. Следовательно, атомистика, развитая Левкиппом, Демокритом и Эпикуром была и остается просто догадкой, смелым предположением, философской концепцией, не подкрепленной практикой. Это привело к тому, что одна из гениальных догадок человеческого разума постепенно была предана забвению.

Об учении атомистов не вспоминали почти 20 веков. И лишь в XVII веке идеи древнегреческих атомистов были возрождены благодаря работам французского философа Пьера Гассенди (1592 - 1655 г.г.). Почти 20 лет он потратил, чтобы восстановить и собрать воедино забытые концепции древнегреческих философов, которые он подробно изложил в своих трудах «О жизни, нравах и учении Эпикура» и «Свод философии Эпикура». Эти две книги, в которых воззрения древнегреческих материалистов впервые были изложены систематически, стали учебником для европейских ученых и философов. До этого единственным источником, дававшим информацию о воззрениях Демокрита и Эпикура, была поэма Лукреция «О природе вещей».

История науки знает немало удивительных совпадений. Вот одно из них: возрождение древнегреческой атомистики совпадает по времени с открытием Р. Бойлем (1627 - 1691 г.г.) фундаментальной закономерности, описывающей изменения объема газа от его давления. Качественное объяснение фактов, наблюдаемых Р. Бойлем, может дать только атомистика: если газ имеет дискретное строение, т.е. состоит из атомов и пустоты, то легкость его сжатия обусловлена сближением атомов в результате уменьшения свободного пространства между ними.

Первая робкая попытка применения атомистики для объяснения количественно наблюдаемых явлений природы позволила сделать два очень важных вывода:

· Превращение атомистики из философской гипотезы в научную концепцию позволило бы дать единственно правильную трактовку самым разнообразным явлениям природы.

· Для превращения атомистики из философской гипотезы в научную концепцию, доказательства существования атомов необходимо было изучать газы, а не жидкие и не твердые вещества, чем до этого занимались химики.

Только в XVIII веке ученые вплотную занялись исследованием газов. Последовал каскад открытий простых веществ: водород, азот, кислород, хлор. А несколько позже химики установили те законы, которые принято называть основными законами химии.

Закон сохранения массы сформулирован М.В. Ломоносовым в 1748 году и А. Лавуазье в 1777 году. Он гласит: масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.

В 1801 году Ж. Пруст установил закон постоянства состава, согласно которому каждое химически чистое соединение независимо от способа его получения имеет вполне определенный состав.

Закон эквивалентов был сформулирован В. Рихтером в 1794 году. Он гласит: во всех химических реакциях взаимодействие различных веществ друг с другом происходит в соответствии с их эквивалентами, независимо от того, являются ли эти вещества простыми или сложными.

В 1803 году Д. Дальтон открыл закон кратких отношений, который представляет собой дальнейшее развитие закона эквивалентов, основанное на последовательном анализе ряда химических соединений, образующихся при взаимодействии друг с другом любых химических элементов. Вот его формулировка: если два элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то на одну и ту же массу одного из них приходятся такие массы другого, которые соотносятся между собой как простые целые числа.

Используя открытый им закон кратных отношений, закон эквивалентов и закон постоянства состава, Д. Дальтон создал новую версию атомистической теории. В ней атом из отвлеченной модели превратился в конкретное химическое понятие.

В серьезном противоречии с выводами атомистики Д. Дальтона оказался открытый Ж. Гей-Люссаком (в 1805 г.) закон объемных отношений, согласно которому объемы вступающих в реакцию газов относятся друг к другу, а также к объему получающихся газообразных продуктов как простые целые числа. Для объяснения наблюдавшихся закономерностей соединения газов оказалось необходимым предположить, что любые газы, в том числе и простые, состоят не из атомов, а молекул. В равных объемах различных газов при одинаковой температуре и давлении содержится одинаковое число молекул. Это положение, высказанное в 1811 году А. Авогадро, вошло в химию как закон Авогадро. Однако в начале XIX века он не получили должного признания: даже крупные химики того времени отрицали возможность существования молекул, состоящих из нескольких одинаковых атомов. И только спустя полвека в сентябре 1860 года на I Международном съезде химиков в Германии, в г. Карлсруэ были окончательно приняты основные положения атомно-молекулярного учения:

· Все вещества состоят из атомов.

· Атомы каждого вида (элемента) одинаковы между собой, но отличаются от атомов другого вида (элемента).

· При взаимодействии атомов образуются молекулы: гомоядерные (при взаимодействии атомов одного элемента) или гетероядерные (при взаимодействии атомов разных элементов).

· При физических явлениях молекулы сохраняются, а при химических - разрушаются. При химических реакциях атомы в отличие от молекул сохраняются.

· Химические реакции заключаются в образовании новых веществ из тех же самых, из которых состоят первоначальные вещества.

Дальнейшее развитие атомно-молекулярного учения стало возможным благодаря открытию Д.И. Менделеева в 1869 году периодического закона химических элементов и создания его табличного выражения - периодической системы. Оказалось, что периодичность изменения свойств химических элементов и их соединений, связаны с повторяющейся структурой электронных оболочек их атомов.

На рубеже XIX - XX веков в химии начали прослеживаться кризисные тенденции, поскольку подверглась сомнению истинность сложившейся атомно-молекулярной концепции, т.к. она не могла объяснить некоторые экспериментальные данные, полученные к концу XIX века. Открытие электрона, радиоактивность, по мнению многих химиков, разрушили основы объективного анализа химических процессов. Однако дальнейшее исследование сложного строения атома прояснило причину связи атомов друг с другом. Это - химическая связь, указывающая на действие электростатических сил между атомами. Это силы взаимодействия электрических зарядов, а их носители - электроны и ядра атомов. В образовании химической связи между атомами наиболее важны валентные электроны, которые расположены на внешней оболочке и связаны с ядром менее прочно. Различаются три основных типа химической связи: ковалентная, ионная и металлическая.

Химическая связь - это взаимодействие, связывающее отдельные атомы в молекулы, ионы, кристаллы. Они являются теми структурными уровнями организации материи, которые изучает химия. Энергия связи является важнейшей характеристикой химической связи, определяющей ее прочность. Количественно она оценивается при помощи энергии, которая затрачивается на ее разрыв. Вопрос об энергетике различных химических процессов, о степени превращения веществ в химических реакциях связан с применением в химии законов термодинамики. Химическая кинетика выявляет механизм реакции, качественные и количественные изменения химических процессов. Стало очевидным, что химическая картина мира оказалась много сложнее, чем это представлялось в XIX веке. Позиции атомно-молекулярной теории продолжали усиливаться в XX веке.

Таковы общие представления о предмете химии как науки и о круге ее проблем.

2. Основные этапы (концепции) развития химии

Химия должна ответить на вопрос, от чего зависят свойства вещества. Исторически сформировались четыре способа решения этого вопроса. Свойства вещества зависят

1) от его элементного и молекулярного состава (1660 гг.)

2) от структуры его молекул - структурная химия (1880 гг.)

3) от термодинамических и кинетических условий, в которых вещество находится в процессе химической реакции (1950 гг.)

4) от уровня химической организации вещества - эволюционная химия(1970 гг.).

До середины XVII века не был известен ни один химический элемент. Во второй половине ХVII в. в работах английского ученого Р. Бойля было доказано, что качества и свойства тела зависят от того, из каких материальных элементов тело составлено. С этого момента стали считать, что наименьшей частицей простого тела является молекула. После открытия ряда элементов первую попытку их классификации сделал Лавуазье, эта работа была успешно завершена в 1867 г. Д.И. Менделеевым.

В 1860 г. А.М. Бутлеровым была создана химическая теория строения вещества, которая положила начало структурной химии. Стало ясно, что свойства веществ и их качественное разнообразие обусловлены не только составом, но и структурой молекул. Появилось понятие «реакционная способность», в него включались представления о химической активности отдельных элементов молекулы - атомов, атомных групп и даже отдельных химических связей. В 1860-е годы появляется термин «органический синтез». Химия превратилась из науки главным образом аналитической в синтетическую. Этот период связан с развитием производства анилиновых красителей для текстильной промышленности, искусственного шелка, взрывчатых веществ, различных лекарств и др. Но этот этап был не долгим. Интенсивное развитие автомобилестроения, авиации, энергетики, приборостроения в первой половине ХХ в. выдвинули новые требования к производству материалов. Необходимо было получать высокооктановое моторное топливо, специальные синтетические каучуки, пластмассы, изоляторы, жаропрочные органические и неорганические полимеры, полупроводники. Для получения этих материалов имеющихся знаний было не достаточно. Нужно было исследовать изменения свойств веществ в результате влияния температуры, давления, растворителей и многих других факторов, воздействующих на направление и скорость химических процессов.

Химия становится наукой о процессах и механизмах изменения вещества. Она обеспечивает производство синтетических материалов, заменяющих дерево и металл в строительстве, пищевое сырье в производстве олифы, лаков, моющих средств и смазочных материалов. Многие материалы стали производиться из нефтяного сырья, а производство азотных удобрений - из азота и воздуха. Появились новые технологии.

В 60-70-е годы ХХ в. возник четвертый способ решения главного вопроса химии. Он открыл путь использования в производстве материалов самые высокоорганизованные химические системы, которые возможны в настоящее время. В основе этого способа лежит принцип использования таких условий, которые приводят к самосовершенствованию катализаторов химических реакций, т.е. к самоорганизации химических систем. (Это своеобразная биологизация химии). Возникает эволюционная химия. Ее считают предбиологией, т.е. наукой о самоорганизации и саморазвитии химических систем. Химия связывается с биологией. Долгое время эти две науки шли каждая своим путем, параллельно, чему способствовали представления о непроходимой грани между живым и неживым. Лишь открытие в ХХ в. микромира позволило увидеть практические возможности совместной работы над химическими проблемами учения о клетке; обусловленности биологических функций химическими реакциями. В то же время стало совершенно ясно, что нельзя сводить явления жизни к химическим реакциям (антиредукционизм). Специфика химических процессов в живых системах состоит в самосохранении, самовоспроизведении живой системы. В 60-е годы ХХ в. были открыты случаи самосовершенствования катализаторов в ходе реакции. Обычно они дезактивировались в процессе работы, ухудшались и выбрасывались. Исследования в области биокатализаторов ориентировались на естественный отбор каталитических структур, осуществляемый природой на пути эволюции от неорганической материи к органической. Результатом явилась информация об отборе химических элементов и структур, который оказался подобен биологической эволюции. Ныне известно более ста химических элементов. Большинство из них участвуют в жизнедеятельности организмов. Однако основу живых систем составляют только 6 элементов, получивших название органогенов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера. Общая весовая доля их в организме более 97%. За ними следуют 11 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важных компонентов биосистем: натрий, калий, кальций, магний, железо, кремний, алюминий, хлор, медь, цинк, кобальт. Их весовая доля в организме - 1,6 %.

3. Химические системы и процессы

Интенсивное развитие химии в XX веке, характеризующееся разработкой принципиально новых научных направлений и технологических процессов, синтезом ранее неизвестных типов химических соединений, новыми условиями осуществления химических реакций (в плазме, твердой фазе, неводных и смешанных растворителей), способствовало пересмотру и систематизации фундаментальных химических представлений с позиции современного естествознания.

Значительно обогатились знания об уровнях химической организации материи. Низшим исходным уровнем химической организации материи является атом. Атом - система взаимодействующих элементарных частиц, состоящая из ядра (образованного протонами и нейтронами) и электронов. Атомы образуются при взаимодействии только трех типов элементарных частиц, но при этом возникает большой набор самых разнообразных устойчивых (или неустойчивых) систем. Весь образовавшийся ансамбль подразделяется на совокупность, в каждую из которых входят только атомы, характеризующиеся одним и тем же зарядом ядра. Эти совокупности называются химическими элементами.

Следующим, более высоким уровнем химической организации материи после атома, является молекула. Молекула - нейтральная по заряду наименьшая совокупность атомов, связанных, вследствие химического взаимодействия, в определенном порядке (т.е. обладающая определенной структурой), не имеющая, как правило, не спаренных электронов и способная к самостоятельному существованию. Молекулы могут состоять как из атомов одного и того же элемента - гомоатомные или гомоядерные, так и из атомов различных элементов - гетероатомные или гетероядерные.

Дальнейшее усложнение химической организации материи происходит при взаимодействии атомных и молекулярных частиц, ведущем к образованию более сложных совокупностей - молекулярных ассоциаций и агрегатов. Важно отметить, что ассоциаты существуют главным образом в газообразном или жидком состояниях, а агрегаты - в твердом.

В XX веке продолжает уточняться периодический закон химических элементов. В настоящее время он формулируется следующим образом: свойства элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра их атомов.

Продолжает развиваться и периодическая система. Была упразднена введенная Д.И. Менделеевым нулевая группа. Изучение химических свойств благородных газов, показало, что они являются элементами главной подгруппы VIII группы периодической системы.

Понятие вещества как вида материи, характеризующегося массой покоя, перестало удовлетворять современных химиков. Сейчас вещество, с точки зрения химии, это определенная совокупность атомных и молекулярных частиц, их ассоциатов и агрегатов, находящихся в любом из трех агрегатных состояний. Простые вещества - это вещества, состоящие из атомов одного и того же элемента, а сложные вещества образуются при химическом взаимодействии атомов разных химических элементов. Природа сложных веществ - химических соединений - зависит от химической связи. Широта понятия химической связи не позволяет дать его четкого определения. Можно ограничиться следующим: под химической связью понимается такой вид взаимодействия между атомно-молекулярными частицами, который обусловлен совместным использованием их электронов. При этом имеется в виду, что такое обобществление электронов взаимодействующими частицами может изменяться в широких пределах.

Важной количественной характеристикой, показывающей число взаимодействующих между собой атомов в образовавшейся молекуле, является валентность. Это понятие возникло в химии более 100 лет. Им обозначили свойство атомов одного элемента присоединять определенное число атомов других элементов. Современные представления о строении атома связывают валентность с числом неспаренных элементов, благодаря которым осуществляется связь между атомами.

Современная теория химической связи дает удовлетворительные ответы на следующие вопросы:

Почему и каким образом из свободных атомов образуются молекулы?

Почему атомы соединяются друг с другом в определенных соотношениях?

Каковы эти соотношения для различных химических элементов?

Какова геометрическая форма молекул и как она связана с электронной структурой составляющих ее атомов?

Связь атомов посредством электронных пар называют ковалентной связью. Разновидность ковалентной связи, образованной атомами, называют неполярной, а образованной двумя разными атомами - полярной или поляризованной.

Ионной называют химическую связь между ионами - заряженными частицами, в которые превращаются атомы в результате отдачи или присоединения электронов. Вещества, образованные из ионов, называются ионными соединениями.

Металлическая связь проявляется при взаимодействии атомов элементов, имеющих избыток свободных валентных орбиталей по отношению к числу валентных электронов.

Водородная связь обусловлена дополнительным взаимодействием между ковалентно связанным атомам водорода одной молекулы и электроотрицательным атомом той же самой или другой молекулы.

Учение о химических связях составляют основу современной теории химического строения. Согласно ей, химическое строение - это не только порядок элементарной связи атомов и их взаимное влияние в веществе, но и направление, и прочность связей, межатомные расстояния, распределение плотности электронного облака, эффективные заряды атомов и т.п.

В XX веке химия все более становилась наукой уже не только и не столько о веществах как законченных предметах, сколько наукой о процессах и механизмах изменения веществ. Химические процессы представляют собой сложнейшие явления, как в неживой, так и в живой природе. Они протекают в форме взаимодействия двух или нескольких веществ, приводящего к образованию новых веществ. Склонность вещества вступать в те или иные химические взаимодействия называется его реакционной способностью, о которой судят по числу и разнообразию характерных для данного вещества превращений. Суть этой способности можно понять с точки зрения активности химических элементов. Наиболее активными являются неметаллы с минимальной атомной массой и имеющие во внешней оболочке 6 или 7 электронов. В качестве примера можно привести кислород: ведь в нем горит даже железо. Что касается металлов, то наиболее активными из них являются элементы, принадлежащие I и II группам таблицы Менделеева, имеющие на внешнем уровне соответственно 1 и 2 валентных электрона и большую атомную массу. Например, барий легко разлагает воду даже при комнатной температуре, а соприкосновение цезия с водой очень часто приводит к взрыву. В то же время элементы с полностью укомплектованной оболочкой являются неактивными (например, инертные газы: неон, аргон, криптон, ксенон).

Описание и объяснение химических процессов - задача одного из важнейших разделов химии, называемого химической кинетикой. Обычно эту общую задачу подразделяют на две более конкретные:

1. Выявление механизма реакции - установление элементарных стадий процесса и последовательности их протекания (качественные изменения);

2. Количественное описание химической реакции - установление строгих соотношений, которые бы удовлетворительно предсказывали изменение количества исходных реагентов и продуктов по мере протекания реакции.

Для понимания основных закономерностей осуществления химического процесса необходимо изучение механизма его протекания. Исходные вещества, вступающие в химическую реакцию, чрезвычайно редко непосредственно превращаются в ее продукты. В большинстве случаев реакция проходит ряд последовательных и параллельных стадий, на которых образуются и расходуются промежуточные вещества. Число промежуточных стадий может быть очень велико - в цепных реакциях их десятки и сотни тысяч. Время существования промежуточных веществ весьма разнообразно: одни вполне стабильны, другие существуют в равновесном состоянии несколько секунд.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24