Контрольные вопросы:

1. Что такое закрытая система? Какова история использования таких систем как моделей?

1. Что такое термодинамика? Каковы ее цели и объекты исследований?

2. Первый закон термодинамики и его естественнонаучный смысл.

3. Понятия внутренней энергии, теплоты, работы.

4. Применение первого закона термодинамики к воинским коллективам и рамки его использования.

5. Основной смысл второго закона термодинамики.

6. Различные формулировки второго закона термодинамики.

7. Энтропия как мера упорядочения систем.

*9. Связь энтропии со временем (рассмотреть на примере).

10. Определение открытой системы. Использование этого определения для

характеризации воинских коллективов.

11. Каков основной принцип поддержания системы (организма, коллектива)

на высоком уровне упорядочения?

12. Естественнонаучный смысл уравнения Эйнштейна.

13. Диссипативные и консервативные системы. Их взаимодействие с окру-

жающей средой.

14. Основные процессы самоорганизации в системах.

15. Представление о точке бифуркации и ее место в эволюции окружающего

мира.

*16. Синергетические представления об эволюции систем.

§2. Химические представления

1. Предмет познания химической науки. Химические процессы.

2. Реакционная способность веществ.

3. Методы и концепции познания в химии.

4. Самоорганизация и эволюция химических систем.

2.1. Предмет познания химической науки.

Химические процессы

Химия – наука, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения. В настоящее время химия представляет собой высокоупорядоченную, постоянно развивающуюся систему знаний о химических элементах и их соединениях, энергетике химических процессов, реакционной способности веществ, катализаторах и т. д.

Исторически химия возникла для получения человеком веществ, необходимых для его жизнедеятельности. Для решения этой задачи нужно было научиться производить из одних веществ другие, т. е. осуществлять качественные их превращения. А поскольку качество – есть совокупность свойств веществ, то следовало узнать, от чего зависят эти свойства. Это и послужило причиной появления теоретической химии.

Современная химия занимается получением веществ с заданными свойствами (на что направлена производственная деятельность людей) и выявлением способов управления свойствами вещества (на чем сосредоточена научно-исследовательская деятельность). В этом заключается основная проблема химии и системообразующее начало ее как науки.

Основные химические представления были впервые сформулированы и приняты на первом Международном съезде химиков, состоявшемся в Карлсруэ (Германия) в 1860 г. Система химических представлений легла в основу так называемой атомно-молекулярной теории, основные положения которой заключались в следующем.

• Все вещества состоят из молекул, которые находятся в непрерывном, самопроизвольном движении.

• Все молекулы состоят из атомов. Атомы и молекулы находятся в непрерывном тепловом движении.

• Атомы представляют собой мельчайшие, далее неделимые составные части молекул.

Таким образом, к концу 1860-х гг. утвердившимся и неоспоримым стало представление о существовании атомов и молекул. Была разработана стройная атомно-молекулярная теория, на которой базировалось естествознание того времени. Атом считался неделимым. Однако эта теория оказалась не в состоянии объяснить ряд экспериментальных фактов, полученных к концу XIX – началу XX в.

Если первые утверждения съезда химиков в Карлсруэ сегодня кажутся очевидными, то последнее оказалось исторически ограниченным. С открытием сложного строения атома стала ясна причина связи атомов друг с другом. Она получила название химическая связь, указывающая на то, что между атомами действуют силы взаимодействия электрических зарядов, носителями которых являются электроны и ядра атомов.

В образовании химической связи между атомами главную роль играют электроны, расположенные на внешней оболочке и связанные с ядром наименее прочно, так называемые валентные электроны. В зависимости от характера распределения электронной плотности между взаимодействующими атомами различают три основных типа химической связи: ковалентную, ионную и металлическую.

Ковалентная связь осуществляется за счет образования электронных пар, в одинаковой мере принадлежащих обоим атомам. Ионная связь представляет собой электростатическое притяжение между ионами, образованными путем полного смещения электронной пары к одному из атомов. Металлическая связь есть связь между положительными ионами в кристаллах металлов, осуществляемая за счет притяжения электронов, свободно перемещающихся по кристаллу.

Химическая связь представляет собой такое взаимодействие, которое связывает отдельные атомы в молекулы, ионы, кристаллы, т. е. в те структурные уровни организации материи, которые изучает химическая наука.

Природа химической связи, согласно современным представлениям, объясняется взаимодействием электрических полей, создаваемых электронами и ядрами атомов, которые участвуют в образовании химического соединения.

Важнейшей характеристикой химической связи, определяющей ее прочность, является энергия связи. Количественно она обычно оценивается с помощью энергии, затрачиваемой на ее разрыв.

Химическая кинетика объясняет качественные и количественные изменения химических процессов, происходящих во времени. Она выявляет механизм реакции – определение элементарных стадий процесса и последовательности их протекания (качественные изменения) и количественные ее описания – установление строгих отношений, которые позволяют рассчитывать изменения количеств исходных реагентов и продуктов по мере протекания реакции. Обычно реакция протекает в несколько промежуточных стадий, которые, складываясь, дают суммарную реакцию. Скорость ее зависит от природы реагирующих веществ и от условий, в которых она протекает. Важнейшими из них являются: концентрация, температура и присутствие катализатора. Природа реагирующих веществ оказывает решающее влияние на скорость реакции.

Тепловой эффект реакции зависит от природы реагентов и продуктов, их физического состояния, условий, в которых находятся реагенты и продукты, а также от количества взаимодействующих веществ. Поэтому для сравнения эффектов различных реакций необходимо точно указывать условия, при которых они протекают, а также физическое состояние каждого компонента.

Химия решает также проблемы химических элементов, физической природы химических явлений и другие вопросы, связанные с химическими элементами. Таковы общие представления о предмете химической науки.

Химию обычно рассматривали как науку о составе и качественном превращении различных веществ. В первое время именно по составу реагирующих веществ пытались объяснить свойства полученных новых веществ. Уже на этом этапе ученые встретились с огромными трудностями. Ведь для того чтобы понять, какие именно первоначальные элементы определяют свойства простых и сложных веществ, надо, во-первых, уметь различать простые и сложные вещества, а во-вторых, определить те элементы, от которых зависят их свойства. Между тем долгое время ученые считали, например, металлы сложными веществами, а об элементах существовали самые противоречивые представления. Поэтому, несмотря на обилие эмпирического материала о свойствах различных веществ и их соединений, особенностях протекания разнообразных реакций, в химии, по сути дела, до открытия в 1869 г. Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева (1834 – 1907) не существовало той объединяющей концепции, с помощью которой можно было бы объяснить весь накопленный фактический материал.

Уже с первых шагов химики на интуитивном и эмпирическом уровне поняли, что свойства простых веществ и химических соединений зависят от тех неизменных начал или носителей, которые впоследствии стали называть элементами. Выявление и анализ этих элементов, раскрытие связи между ними и свойствами веществ охватывает значительный период в истории химии, начиная от гипотезы Роберта Бойля (1627 – 1691) и кончая современными представлениями о химических элементах как разновидностях изотопов, т.е. атомов, обладающих одинаковым зарядом ядра и отличающихся по массе. Этот первый концептуальный уровень можно назвать исследованием различных свойств веществ в зависимости от их химического состава, определяемого их элементами. Здесь мы видим удачную аналогию с концепцией атомизма. Химики, как и физики, искали ту первоначальную основу или элемент, с помощью которых пытались объяснить свойства всех простых и сложных веществ.

Второй концептуальный уровень познания свойств связан с исследованием структуры, т. е. способа взаимодействия элементов веществ. Эксперимент и производственная практика убедительно доказывали, что свойства полученных в результате химических реакций веществ зависят не только от элементов, но и от взаимосвязи и взаимодействия элементов в процессе реакции. Именно поэтому в процессе познания и использования химических явлений необходимо было учитывать их структуру, т. е. характер взаимодействия составных элементов вещества.

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

Наконец, четвертый концептуальный уровень является дальнейшим развитием предыдущего уровня, связанным с более глубоким изучением природы реагентов, участвующих в химических реакциях, а также применением катализаторов, значительно ускоряющих скорость их протекания. На этом уровне мы встречаемся уже с простейшими явлениями самоорганизации, изучаемыми синергетикой.

Введенное в химию на первых этапах развития понятие (Р. Бойль) элемента как «простого тела» было размыто, неточно. Согласно этому представлению железо, медь и другие известные в то время металлы рассматривались как сложные тела, а окалина, получающаяся при их прокаливании, – как простое тело. Теперь мы знаем, что окалина, или оксид металла, представляет собой соединение металла с кислородом, т. е. это сложное вещество.

Постепенно химики открывали все новые и новые химические элементы, описывали их свойства и реакционную способность и благодаря этому накопили огромный эмпирический материал, который необходимо было привести в определенную систему. Такие системы предлагались разными учеными, но были весьма несовершенными потому, что в качестве системообразующего фактора брались несущественные, второстепенные и даже чисто внешние признаки элементов.

Великая заслуга Д. И. Менделеева состоит в том, что, открыв периодический закон, он заложил фундамент для построения подлинно научной системы химических знаний. В качестве системообразующего фактора, или «неизменного общего в изменяемом и частном», он выбрал атомную массу, или атомный вес. В соответствии с атомным весом он расположил химические элементы в систему и показал, что их свойства находятся в периодической зависимости от атомного веса. Более того, он предсказал существование неизвестных элементов, оставив для них пустые клетки в своей таблице. Впоследствии эти элементы были открыты химиками и свойства их оказались такими, какие предсказал Д. И. Менделеев. Благодаря этому его Периодическая система получила широкое признание в научном мире.

Дальнейшее развитие науки позволило уточнить, что свойства химических элементов зависят от их атомного номера, определяемого зарядом ядра. Атомный же вес является средним арифметическим величин масс изотопов, из которых состоит элемент. Изотопами называются разновидности атомов, которые имеют одинаковый заряд ядра, но отличаются по своей массе. Тем самым была решена и проблема химического элемента, которая с XVIII в. оставалась предметом многочисленных дискуссий.

В настоящее время химическим элементом называют вещество, все атомы которого обладают одинаковым зарядом ядра, хотя и различаются по своей массе, вследствие чего атомные веса элементов не выражаются целыми числами.

Еще по представлениям Пруста следует, что любое химическое соединение должно обладать вполне определенным, неизменным составом, и это свое убеждение он сформулировал в виде закона постоянства состава. По его мнению, именно постоянный состав отличает химические соединения от смесей. Впоследствии закон постоянства состава с позиций атомно-молекулярного учения обосновал выдающийся английский химик Джон Дальтон (1766 – 1844). Он утверждал, что всякое индивидуальное вещество – простое или сложное – состоит из мельчайших частиц – молекул, которые в свою очередь образованы из атомов. Именно молекулы являются наименьшими частицами, обладающими химическими свойствами вещества. Например, молекула такого простого вещества как кислород (0₂) образована из двух атомов и характеризуется всеми свойствами, которые присущи этому веществу. Молекулы сложных веществ, или химических соединений, образованы из разных атомов и поэтому обладают свойствами, отличными от свойств составных частей. Так, например, вода (Н₂О) представляет собой жидкость, а образована она из двух газов – водорода и кислорода. Важно подчеркнуть, что каким бы способом она или другое химическое соединение ни были бы получены, они всегда будут иметь тот же самый состав.

Долгое время закон постоянства химического состава считался абсолютной истиной, не допускающей никаких исключений, хотя уже К. Бертолле указывал на существование соединений переменного состава в форме растворов и сплавов. Впоследствии были найдены более убедительные доказательства существования химических соединений переменного состава, в частности, в школе известного русского физико-химика Николая Семеновича Курнакова (1860-1940), которые он назвал бертоллидами в честь К. Бертолле. К ним он отнес те соединения, состав которых зависит от способа их получения, например, соединения таких двух металлов, как марганец и медь, магний и серебро и др. Со временем химики открыли другие соединения переменного состава и пришли к выводу, что они отличаются от соединений постоянного состава тем, что не обладают молекулярным строением. При этом, природа соединения, т. е. характер связи атомов в его молекуле, зависит от их химических связей, определяемых обменным взаимодействием валентных электронов. В связи с этим изменилось и классическое понятие молекулы: ею по-прежнему называют наименьшую частицу вещества, которая определяет его свойства и может существовать самостоятельно. Однако к молекулам теперь относят также разнообразные другие квантовомеханические системы (ионные, атомные монокристаллы, полимеры и другие макромолекулы).

Таким образом, нами рассмотрен предмет познания химической науки, дано ее определение, установлен смысл основных понятий и определений, вычленены концептуальные уровни познания.