Основы современного естествознания Правоведение, Менеджмент (лк. 18 ч)

Лекция 6. Химия в контексте устойчивого развития общества

1. Предмет химии как науки. Эволюция химических знаний

2. Основные понятия химии. Химические вещества.

3. Общая характеристика растворов.

4. Химические процессы.

5. Неравновесные процессы в химии. Самоорганизация в химических системах.

1. Предмет химии как науки. Эволюция химических знаний

Истинный химик должен уметь доказывать познанное... то есть давать ему объяснение...

М. В. Ломоносов

Химия – наука о веществах и их превращениях, которые сопровождаются изменением состава и строения вещества. Эти процессы осуществляются на границе микро- и макромира.

Как самостоятельная наука химия начинает развиваться с середины XVII века. Научному этапу развития химии предшествовал период алхимии. Это явление культуры связывается с попытками получить «совершенные» металлы – золото и серебро – из «несовершенных» металлов с помощью гипотетического вещества – «философского камня» или эликсира. Не смотря на очевидную невозможность осуществить это превращение, алхимия стимулировала развитие химических технологий (металлургия, стеклоделие, производство керамики, бумаги, спиртных напитков) и открытие способов получения новых химических веществ.

Научный этап развития химии принято делить на четыре периода, в каждом из которых формируется концептуальная система знаний:

а) учение о составе вещества (сер. 17 – сер. 18 вв.) – изучает зависимость свойств веществ от химического состава (состава молекулы);

Cвойства веществ связывались с составом веществ, а химическое превращение объяснялось изменением состава. Становление учения о составе определило открытие стехиометрических законов (закона постоянства состава, закона эквивалентов и закона кратных отношений), развитие понятия химического элемента, представлений о валентности, периодическом законе и периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева, методах исследования состава соединений и др.

б) учение о структуре вещества (структурная химия) (сер. 18 – сер. 20 вв.) – изучает зависимость свойств веществ от строения молекулы;

Было замечено, что огромное разнообразие веществ растительного и животного происхождения образовано весьма небольшим числом химических элементов (углерод, водород, кислород, азот и некоторые др.). К тому же при одинаковом составе вещества (изомеры) имеют разные свойства. Это означало, что свойства веществ зависят не только от состава, но и от структуры (А. М. Бутлеров разработал основные положения). Если при зарождении химии как науки главным направлением был химический анализ, то с появлением структурной химии стал органический синтез. Сегодня структурная химия строится на квантово-механических представлениях о химической связи, строении молекул и кристаллов, на методах исследования структуры веществ, изучении влияния структуры на свойства веществ и проч.

в) учение о химических процессах (сер. 20 в.) – изучает принципиальную возможность и условия протекания химической реакции. Это было вызвано резким возрастанием потребностей и масштабов производства продуктов химической переработки нефтяного сырья. Учение о химическом процессе рассматривает энергетику химических процессов, химическое равновесие и условия его смещения, кинетику и механизмы реакций и т. д. Этот уровень познания представляет собой исследование внутренних механизмов и условий протекания химических процессов, таких как температура, давление, скорость протекания реакций и некоторые другие.

С конца XIX в. важнейшими задачами химии являются разработка способов управления химическими процессами и синтез химических соединений с новыми свойствами. По мере развития химии формировались многие ее отрасли: органическая химия, физическая химии, аналитическая химия и др. На стыке химических и других отраслей естествознания появились биохимия, агрохимия, геохимия и т.д. Результаты химических исследований составляют основу многих современных технологий. Наиболее интересные открытия в XX в., имеющие отношение к развитию химического знания, были осуществлены на стыке химии и других естественно-научных дисциплин.

г) эволюционная химия (последние 25-30 лет) - изучает химические процессы в живой природе, процессы самоорганизации химических систем.

Самым новым разделом химии является так называемая эволюционная химия, возникновение которой стало следствием проникновения в естествознание идей и принципов эволюционной теории. Главным предметом изучения в эволюционной химии является химогенез, который рассматривается как неотъемлемая часть эволюционных процессов на нашей планете. Эволюционная химия утверждает, что на протяжении длительного времени происходил отбор химических элементов по тем свойствам, которые давали преимущество при переходе на более высокий уровень организации материи – биологический. Химическая эволюция обеспечивала переход от химогенеза к биогенезу, поэтому понимание ее механизмов важно для прояснения проблемы происхождения жизни на Земле и процессов самоорганизации материальных систем.

В последние десятилетия благодаря открытию новых явлений и эффектов, прежде всего физических, и созданию на их основе высокочувствительных приборов (электронных микроскопов, спектроскопов, масс- спектрометров идр.) появилась реальная возможность проводить экспериментальные химические исследования на современном молекулярном уровне. Такие исследования позволили раскрыть механизм многих процессов в живом организме, синтезировать несуществующие в природе вещества с необычными свойствами, установить сложную структуру молекулы ДНК, расшифровать молекулярный генный механизм наследственности и многое другое.

Молекулярный уровень экспериментальных исследований позволяет создавать не только сверхпрочные, сверхпроводящие и другие материалы с новыми свойствами, но и производить операции с фрагментами ДНК, изменяя ее генетический код. Сегодня уже говорят о конструировании устройств из отдельных молекул и создании молекулярного компьютера, обладающего чрезвычайно большими возможностями.

В наши дни наблюдается новый уровень развития химии, который направлен на создание наиболее экономичного и экологически чистого безотходного химического производства, использование в промышленных масштабах закономерностей химических превращений живой природы.

Концептуальные системы химии изображены на рис. 9.1, в котором вертикальная координата у представляет массив всей теоретической и эмпирической информации, накопленной со времен Бойля и до настоящего времени, а горизонтальная координата t— историческое время.

Как видно, в развитии химии происходит не смена, а строго закономерное последовательное появление концептуальных систем. При этом каждая вновь появляющаяся система не отрицает предыдущую, а наоборот, опирается на нее и включает ее в себя в преобразованном виде. Так, например, учение о химических процессах предполагает наличие знаний о составе исходного сырья, о строении молекул исходных реагентов и об их реакционной способности, потому что эти знания позволяют химику подобрать исходное сырье для получения целевого продукта. Но этих знаний недостаточно для того, чтобы осуществить химический процесс с максимальным экономическим эффектом и соблюдением экологических требований охраны окружающей среды. Для этого дополнительные знания дает учение о химических процессах — термодинамика, химическая кинетика, химическая технология.