22. Значение химии в естествознании. Этапы развития химических концепций. Основные понятия химии.

Химия – это наука о веществах и законах, которым подчиняются их превращения. Химия является не просто суммой знаний о веществах, а высоко упорядоченной – постоянно развивающейся системой знаний, основанной на богатом экспериментальном материале и теоретических положениях. Химия занимает особое место среди естественных наук. Она имеет поразительную созидательную силу.

Химия всегда была нужна человечеству в основном для того, чтобы получать из природных веществ по возможности все необходимые человеку материалы: металлы и керамику, известь и цемент, стекло и бетон, красители и фармацевтические препараты, взрывчатые вещества и горючесмазочные материалы, каучук и пластмассы, химические волокна и другие материалы с заданными свойствами. На сегодняшний день известно более двадцати миллионов веществ, большинство из которых были получены человеком в химических лабораториях. Поэтому все химические знания, приобретаемые за многие столетия и представленные в форме теорий, законов, методов, технологических прописей объединяет одна главная задача химии – задача получения веществ с необходимыми свойствами. Для решения этой производственной задачи химия решает научно-теоретическую задачу получения заданных свойств вещества. Химия не довольствуется тем, что дано природой, а постоянно создает для себя все новые и новые объекты исследований.

Таким образом, основанием химии выступает двуединая проблема – получение веществ с заданными свойствами (производственная деятельность) и выявление способов управления свойствами вещества (научно-исследовательская деятельность). Это и есть основная цель развития химических знаний. История развития химических концепций начинается с древних времен. Вся история химии, все развитие является закономерным процессом смены способов решения основной проблемы. Демокрит, Эпикур – пред-ставители натурфилософии высказывали гениальные мысли о том, что все тела состоят из атомов различной величины и разной формы, что и обусловливает их качественное различие.

23. Учение о составе вещества. Свойства веществ. Распространение химических элементов в природе.

Учение о составе вещества. Свойства веществ. Распространение химических элементов в природе.

Первый способ определения свойств вещества был предложен во второй половине XVII в. английским ученым Бойлем. Результаты его исследований показали, что качество и свойства тел зависят от того, из каких материальных элементов они состоят. Возникшее таким образом учение о составе вещества существует и сегодня и продолжает развиваться на качественно новом уровне, развивая преставления о химических элементах как разновидностях изотопов.

Первая научная теория химии – теория флогистона («невесомое тело»), касающаяся состава вещества, оказалась ошибочной. Примерно до середины 17 в. не был известен ни один химический элемент. Лишь в 1660 г. Р.Бойль положил начало современному представлению о химическом элементе как о простом теле. Гипотеза флогистона была опровергнута известным французским химиком Лавуазье после открытия кислорода и выявления его роли в процессах окисления и горения. Он первый предпринял попытку систематизации открытых к тому времени химических элементов, отнеся к ним и некоторые соединения. Лавуазье считал элементами только такие тела, которые не поддавались в его время реакции разложения. Ошибку исправил в дальнейшем Менделеев, доказав, что место химического элемента в периодической системе определяется атомной массой. Поэтому Д.И.Менделеев и назвал химию своего времени «наукой о химических элементах и их соединениях».

Свойства любого вещества зависят от его элементного и молекулярного состава; от структуры его молекул; от термодинамических и кинетических условий, в которых вещество находится в процессе химической реакции и от высоты химической организации вещества. Возникшее учение о составе вещества прочно вошло в жизнь.

Учение о составе вещества охватывает три основные проблемы:

- анализ состава химического элемента;

- определение состава химического соединения;

- применение все большего числа химических элементов для производства новых материалов.

Великая заслуга Менделеева в том, что, открыв периодический закон (1869 г.), он заложил фундамент для построения подлинной научной системы химических знаний. В соответствии с атомным весом он расположил химические элементы в систему и показал, что свойства находятся в периодической зависимости от атомного веса. Более того, он предсказал существование неизвестных элементов, оставив для них пустые клетки в своей таблице и предсказав их свойства. Благодаря этому периодическая система получила широкое признание в научном мире.

На основе идеи об атомистическом строении вещества обосновал закон постоянства состава французский ученый Ж. Пруст: любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным, неизменным составом, прочным притяжением составных частей (атомов) и тем отличается от смесей. Число химических соединений огромно.

24. Основные типы химических реакций. Особенности проведения химических реакций. Роль химических процессов в окружающей природе.

Каталитическая химия. Роль химических реакций в окружающей природе. Под влиянием новых требований производства возникло учение о химических процессах, в котором учитывалось изменение свойств вещества под влиянием температуры, давления, растворителей и других факторов. Химия становится наукой уже не только о веществах как законченных предметах, но наукой о процессах и механизмах изменения свойств веществ

Химическая реакция – это процесс при котором происходит превращение веществ, при этом образуются новые соединения с новыми свойствами. Сущность химических реакций заключается в том, что происходит перераспределение атомов или ионов или происходит взаимное превращение этих частиц. С точки зрения строения атома в процессе химической реакции происходит перераспределение электронов на внешних оболочках атомов тех химических элементов, которые вступают в химическую реакцию.

Типы химических реакций:

А) реакция разложения: АВ  А + В

Б) реакция соединения: А + В  АВ

В) реакция замещения: АВ + С  АС + В

Г) реакция обмена: АВ + СД  АС + ВД

Среди всевозможных химических реакций большое значение имеет реакция окисления и реакция восстановления. Окисление – это процесс отдачи электрона. Восстановление – это процесс присоединения электрона.

В 1884 году французский химик Шателье сформировал принцип подвижного равновесия, на котором основан метод смещения равновесия в сторону образования целевых продуктов. Основными рычагами управления реакцией в данном методе выступают температура, давление и концентрация реагирующих веществ для реакции в жидкой среде.Одни реакции идут в обе стороны, другие – только в одну, третьи – вообще не идут. Для химических реакций свойственна обратимость, при которой образуются исходные соединения или элементы. Химические реакции, в которых равновесие смещается в сторону образования целевых продуктов, как правило, не требуют специальных средств управления. К таким реакциям относятся реакции кислотно-основного взаимодействия, нейтрализации, а также реакции, сопровождающиеся выделением готовых продуктов в виде газов или осадков.Существует немало химических реакций, равновесие которых смещено в обратном направлении. Для их осуществления нужны термодинамические методы. Например, синтез аммиака проводят на поверхности катализатора при повышенной температуре и высоком давлении, которые способствуют сдвигу равновесия в прямом направлении.

Реакции с утечкой тепла в окружающую среду называют экзотермическими. Например, при соединении углерода с кислородом выделяется тепло. Реально реакция продолжается до тех пор, пока не распадется определенная часть молекул, величина которой определяется внешними условиями ее протекания – температурой и давлением. После этого система переходит в состояние динамического равновесия. Обратный процесс очень маловероятен, и переход от чистого вещества к смеси можно считать необратимым.

Термодинамика объясняет: реакция пойдет только при уменьшении энергии веществ и увеличении энтропии. Теория показывает, что реакция возможна, если она сопровождается уменьшением величины свободной энергии.

Одним из крупных достижений ХIХ в. явилось выяснение характера протекания химических реакций. Многие опыты показали, что молекулы обладают разным химическим составом. Химические реакции могут протекать с разной скоростью, с поглощением или выделением тепла, быть обратимыми или нет и т.д С ростом температуры атомы и молекулы движутся быстрее, их энергия при столкновениях растет и может оказаться достаточной для начала химической реакции. Если знать величины энтропии веществ, то можно реально определить условия, при которых возможно протекание химической реакции. Каталитическая химия. Катализ как могучее посредничество «третьих тел» в осуществлении химических процессов открыл в 1812 г. .Кирхгоф. Благодаря катализу синтез аммиака стал возможен и при обычных условиях – нормальном давлении и комнатной температуре. Огромна роль катализаторов в построении макромолекул полимеров. Межфазный катализ оказался одним из наиболее простых и экономичных способов интенсификации производства широкого круга органических продуктов. Он исключил дорогостоящие растворители, а главное – резко увеличил скорость и заданную направленность реакций. Роль катализа в химии и химической промышленности огромна. Говорят о том, что некаталитических химических процессов вообще не существует, поскольку все они протекают в реакторах, материал стенок которых служит своеобразным катализатором.

25. Химические процессы в живой природе. Эволюционная химия.  Каждая клетка содержит множество химических элементов, участвующих в различных химических реакциях. Химические процессы, протекающие в клетке — одно из основных условий её жизни, развития и функционирования.

Учение о химическом процессе характеризуется взаимодействием физики, химии и биологии и базируется на идеях химической термодинамики и кинетики, которые обычно рассматриваются в физической химии.

Химические реакции, производящие энергию, всегда начинаются с превращения молекул со слабыми связями в молекулы с прочными связями; при этом высвобождается разница в энергиях сильной и слабой связи. Молекулы СО2 и воды имеют прочные связи; то же можно сказать о большинстве молекул, в которых атомы связаны с кислородом. Молекулы, содержащие углерод и водород, связаны слабо, они легко разрушаются и рекомбинируют, могут образовывать длинные цепи и способны объединяться в сложные структуры. Если их слабые связи превращаются в сильные связи с кислородом в результате какого-либо сложного процесса, то выделяется энергия. Благодаря этим свойствам они играют важную роль в живой материи.

2)Эволюционная химия зародилась в 1950 - 1960 гг. Под эволюционными проблемами следует понимать проблемы самопроизвольного синтеза новых химических соединений (без участия человека). Эти соединения являются более сложными и более высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами. 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. 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.

26. Предмет биологии. Этапы развития биологии. Структурные уровни организации живой материи.

биология – совокупность наук о живой природе – об омногообразии населяемых Землю живых существ, их строении и функциях, происхождении, распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой. Биология устанавливает общие и частные закономерности, присущие жизни во всех ее проявлениях, обмен веществ, размножение, наследственность, изменчивость, приспособляемость, рост, раздражимость, подвижность и др. Биология решает главную проблему – создание единой теории жизни. В настоящее время биология представляет собой целый комплекс наук о живой природе. С организации исследуемых живых объектов выделяются: анатомия – изучает макроскопическое строение животных, гистология – изучает строение тканей, цитология – исследует строение живых клеток.После открытий ХХ века, в результате которых биология вышла на молекулярный уровень изучения своих объектов и явлений, все естествознание как никогда ранее обрело контуры целостной науки, исследующей единую природу во всех ее проявлениях. Биология по своей мере сложности превосходит химию вдвое, а физику – вообще несравненно.

На основе разных критериев могут быть выделены различные уровни, или подсистемы живого мира. Выделяют следующие уровни организации живого.

Биосферный уровень – включает всю совокупность живых организмов Земли вместе с окружающей их природной средой. На этом уровне биологической наукой решается проблема – изменение концентрации углекислого газа в атмосфере.

Уровень биогеоценозов выражает ступень структуры живого, состоящую из участков Земли с определенным составом живых и неживых компонентов, представляющих единый природный комплекс, экосистему. Рациональное использование природы невозможно без знания структуры и функционирования биогеоценозов, или экосистем.

Популяционно-видовой уровень образуется свободно скрещивающимися между собой особями одного и того же вида. Его изучение важно для выявления факторов, влияющих на численность популяций.

Организменный и органно-тканевый уровни отражают признаки отдельных особей, их строение, физиологию, поведение, а также строение и функции органов и тканей живых существ.

Клеточный и субклеточный уровни отражают процессы специализации клеток, а также различные внутриклеточные включения.

Молекулярный уровень составляет предмет молекулярной биологии, одной из важнейших проблем которой является изучение механизмов передачи генной информации и развитие генной инженерии и биотехнологии. Это разделение является весьма условным.