Вопросы для повторения и самоконтроля

1. Порядок и хаос — история вопроса.

2. Приведите примеры временного, пространственного и логического порядка.

3. Сформулируйте первое начало термодинамики.

4. Сформулируйте второе начало термодинамики.

5. Принцип возрастания энтропии.

6. Как связаны энтропия и вероятность?

7. Что называется самоорганизацией?

8. Опишите основные идеи синергетики. В чём заключается новизна синергетического подхода?

9. Что такое точка бифуркации? Как происходит бифуркация в сложных динамических системах?

Глава 8. Химические системы

8.1. Развитие химических знаний

Естествознание как наука о явлениях и законах природы включает одну из важнейших отраслей – химию. В современном понимании химия – наука о превращениях веществ, сопровождающихся изменением их состава и (или) строения.

История развития химических знаний начинается с древних времен, когда в V в. до н.э. древнегреческий философ Левкипп впервые предложил гипотезу атомного строения материи. Гораздо позднее (примерно с III в. н.э.) античному натурфилософскому атомистическому учению о строении вещества противопоставлялась алхимия – донаучное направление, получившее развитие в Западной Европе в XI–XVI вв. Основные задачи алхимии заключались в поисках так называемого «философского камня» для превращения неблагородных металлов в золото и серебро, в создании эликсира долголетия и др. В эпоху Возрождения результаты химических исследований все чаще находили применение в металлургии, стеклоделии, производстве керамики, красок и т.п.

Первое научное определение химического элемента предложил в 1661 г. английский химик и физик Р. Бойль (1627–1691), основоположник экспериментального химического анализа. В современном представлении химический элемент – совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Основываясь на результатах своих экспериментов, Р. Бойль сделал важный вывод: качества и свойства вещества зависят от того, из каких химических элементов оно состоит.

Принято считать, что химия стала подлинной наукой во второй половине XVIII в., когда первый российский ученый-естествоиспытатель М.В.Ломоносов (1711–1765) сформулировал закон сохранения материи и движения, исключив из числа химических агентов флогистон – невесомую материю. Первая химическая теория – теория флогистона, согласно которой металлы (железо, медь, свинец и др.) считались сложными веществами, т.е. состоящими из соответствующих элементов и универсального «невесомого тела» – флогистона, оказалась ошибочной. Выяснив роль кислорода в процессе горения, окисления и дыхания, французский химик А.Л. Лавуазье (1743–1794) полностью опроверг теорию флогистона.

В начале XIX в. английский химик и физик Дж. Дальтон (1766–1844) заложил основы химической атомистики. Он впервые ввел понятие «атомный вес», определил атомные массы (веса) ряда элементов и открыл в 1803 г. закон кратных отношений: если два химических элемента образуют друг с другом более одного соединения, то массы одного элемента, приходящиеся на одну и ту же массу другого, относятся как целые числа, обычно небольшие.

В 1811 г. итальянский физик и химик А. Авогадро ввел термин «молекула» и выдвинул молекулярную гипотезу строения вещества. Молекула – микрочастица, образованная из атомов и способная к самостоятельному существованию. Атомно-молекулярные представления утвердились лишь в 60-х годах ХIХ в. В те годы, а именно в 1861 г., выдающийся русский химик А.М. Бутлеров (1828–1896) создал и обосновал теорию химического строения вещества, согласно которой свойства веществ определяются порядком связей атомов в молекулах и их взаимным влиянием.

Немного позднее – в 1869 г. – другой выдающийся русский химик – Д.И. Менделеев (1834–1907) открыл периодический закон химических элементов – один из фундаментальных законов естествознания. Современная формулировка этого закона такова: свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда их атомных ядер. Заряд ядра равен атомному (порядковому) номеру элемента в Периодической системе Менделеева.

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 химия, 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.

В последние десятилетия благодаря открытию новых явлений и эффектов, прежде всего физических, и созданию на их основе высокочувствительных приборов (электронных микроскопов, спектроскопов, масс-спектрометров и др.) появилась реальная возможность проводить экспериментальные химические исследования на современном молекулярном уровне. Сегодня уже говорят о конструировании устройств из отдельных молекул и создании молекулярного компьютера, обладающего чрезвычайно большими возможностями.

Современные химические технологии позволяют синтезировать из сырья не только естественного, но и искусственного происхождения, многочисленную и многообразную по свойствам продукцию, не уступающую по качеству природным аналогам. Все возрастающие потоки природного сырья: нефти, газа, угля, минеральных солей, силикатов, руды и т.д. – превращаются в краски, лаки, мыло, минеральные удобрения, моторное топливо, пластмассы, искусственные волокна, средства защиты растений, биологически активные вещества, лекарства и различное исходное сырье для производства других необходимых и ценных веществ.

Синтез новых химических продуктов - трудоемкий и дорогостоящий процесс. Так, для промышленного производства всего лишь нескольких лекарственных препаратов необходимо синтезировать не менее 4000 разновидностей веществ (для средств защиты растений эта цифра может составлять и 10 000). Однако практическая значимость полученных таким сложным путем продуктов настолько велика, что затраты на исследования и разработку очень быстро окупаются.

Около десяти лет назад насчитывалось более 1 млн. разновидностей продукции, выпускаемой химической промышленностью. К тому времени общее число известных химических соединений составляло более 8 млн., в том числе примерно 60 тыс. неорганических соединений. Сегодня известно более 18 млн. химических соединений. В последнее время во всех лабораториях нашей планеты ежедневно синтезируется 200–250 новых химических соединений. Все это свидетельствует об огромных масштабах современной химической индустрии.