Вопросы для самоконтроля

1. Что изучает физика? Какие наиболее значимые физические концепции вам известны?

2. Что такое материя? В каких формах она существует?

3. Опишите иерархию организации материи в природе.

4. Что такое мегамир, макромир, микромир?

5. Что такое время и пространство? Каковы их основные свойства?

6. Охарактеризуйте представления о пространстве и времени, развитые в классической механике И.Ньютона и теории относительности А.Эйнштейна.

7. На какие постулаты опирается специальная теория относительности? Каковы ее основные выводы?

8. Чем отличается общая теория относительности от специальной?

9. Что такое симметрия? Как она связана с законами сохранения?

10. Какие типы симметрии вы знаете? Приведите примеры симметрии в природе.

11. Что такое энергия? Сформулируйте закон сохранения энергии.

12. Какие еще законы сохранения вам известны? Как они связаны со свойствами пространства и времени?

13. Что такое энтропия? В чём заключается принцип возрастания энтропии?

14. В чём состоит сущность корпускулярно-волнового дуализма?

15. Сформулируйте принцип неопределённости и принцип дополнительности.

16. В чём сущность современных представлений о строении атома?

17. Какие элементарные частицы вы знаете? Как их классифицируют?

18. Охактеризуйте основные типы фундаментальных взаимодействий. Какими элементарными частицами они переносятся?

19. В чём сущность динамических и статистических закономерностей?

20. Что изучает синергетика? Какие ученые внесли вклад в ее развитие?

21. Какие системы и процессы изучаются в рамках синергетики?

22. Как описывается механизм самоорганизации в рамках синергетики?

23. Перечислите общие черты процессов самоорганизации и приведите примеры самоорганизации в природе и обществе.

Глава 4. Концепции химии

4.1. Становление и развитие химии

Одной из важнейших для человека естественных наук является химия – наука о составе, строении, свойствах и превращении веществ. Практическое использование химии началось с глубокой древности. Не находя в окружающем мире необходимых веществ в готовом виде или в достаточном количестве, человек научился создавать их сам. Выплавленные из руд металлы, сплавы, керамика, стекло – всё это искусственные материалы, которые человек стал получать с помощью химии за тысячи лет до нашей эры. Таким образом, истоки химического знания лежат в глубокой древности и вызваны потребностью получения необходимых для жизни веществ.

Процесс зарождения химии как науки был длительным и сложным. Происхождение термина «химия» точно не выяснено до сих пор, существует несколько версий. Согласно одной из них название «химия» произошло от египетского слова «хеми» (чёрная земля – Египет). Поэтому многие историки науки называют химию «египетским искусством». В этой версии химия означает искусство получения необходимых веществ. По другой версии слово «химия» выводится от греческого слова «химос» (сок растений), т.е. означает искусство получения соков (сок может означать и расплавленный металл).

Первоначально наибольший вклад в развитие этой науки внесли древние египтяне, вавилоняне и халдеи. Считается, что химия зародилась в виде алхимии в Древнем Египте и долгое время была частью религиозных учений. В рамках алхимии были накоплены важнейшие знания и умения, составившие фундамент современной химии. Алхимики оставили нам описание многих важнейших химических процессов и методов получения различных веществ.

Начало алхимии связывают с именем легендарной личности – Гермеса Трисмегиста («трижды величайшего»). С тех пор алхимические и другие тайные знания носят название «герметические науки». Считается, что учение Гермеса было изложено в 42 тайных книгах (сочетание египетского многобожия, христианского монотеизма и греческого идеализма). В этих книгах содержится классическое алхимическое сочинение – знаменитая «Изумрудная скрижаль», в которой описан философский камень. Нахождение философского камня – особого вещества, позволяющего превратить простые вещества в благородные (золото и серебро) и дарующего его владельцу вечную жизнь и молодость, – было основной целью алхимиков.

Наивысшего развития алхимия достигла в трех формах: греко-египетской, арабской и западно-европейской. Египтянам ещё в древности были известны секреты производства металлов, получения сплавов и драгоценных изделий. Однако в период правления императора Диоклетиана алхимия стала преследоваться (получение дешёвого золота могло подорвать и без того шаткую экономику империи). Он приказал уничтожить все труды по алхимии. Свою роль в запрете алхимии сыграло и раннее христианство (алхимия рассматривалась как дело дьявола). Алхимия вскоре стала нелегальным занятием, что, впрочем, делало ее еще более привлекательной и таинственной. Признанным центром алхимии считался александрийский Мусейон и лаборатории храма Сераписа. Однако в 391 г. погибла знаменитая Александрийская библиотека, а в 415 г. христианская чернь разрушила Мусейон, положив конец античной науке и алхимии.

В VII в. на мировой арене появились арабы, во многом ставшие наследниками античной культуры. Именно они возродили алхимию и дали ей современное название. Арабские халифы и эмиры стремились слыть покровителями наук и искусства, поэтому алхимия и алхимики пользовались в арабском мире почётом и уважением. Самым талантливым и прославленным арабским алхимиком был Джабир ибн Хайям (Гебер). Помимо теоретических размышлений, он оставил труды, в которых описал спирт, технологию приготовления свинцовых белил, способ перегонки уксуса для получения уксусной кислоты.

Появление алхимии в Западной Европе стало возможным, прежде всего, благодаря крестовым походам, во время которых европейцы позаимствовали у арабов многие научные достижения, в том числе и алхимические знания. Острое соперничество многочисленных королевских дворов благоприятствовало развитию алхимии. В период с IX по XIV в. западная алхимия дала много крупных мыслителей. Алхимиками были Альберт Великий и Роджер Бэкон. Даже знаменитый богослов Ф. Аквинский одобрял алхимию. Некоторые короли собственноручно занимались алхимией: английский король Георг V, французский король Карл VII, римский император Рудольф II, Август Саксонский и др.

В поисках философского камня алхимики научились проводить самые разные химические реакции, использовали сочетания различных солей, прибегали к обжигу, возгонке, кристаллизации, выпариванию, фильтрованию и другим методам, использовали для описания химических процессов специальные символы. Заслугой западно-европейских алхимиков стало открытие серной и азотной кислот, получение чистого спирта путём перегонки крепких вин, создание лабораторной посуды и аппаратов.

Таким образом, алхимики подготовили условия для исследований химических соединений, их применения в медицине и практической науке. Даже в просвещённом XVII в. алхимией продолжали интересоваться Р. Бойль и И. Ньютон. Она просуществовала до 1819 г., когда распалось последнее общество алхимиков в Вестфалии.

Идеологически конец алхимии положили исследования А.Л. Лавуазье, которые показали невозможность преобразования одних химических элементов в другие. Однако в ХХ в. после открытия радиоактивных реакций наука вновь вернулась к идее превращения химических элементов, правда, не прибегая при этом к помощи философского камня.

В XVI-XVII вв. на смену алхимии пришла ятрохимия, считавшая своей задачей поиск лекарства от всех болезней. Основателем ятрохимии был швейцарец Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм (Парацельс). Он первым высказал мысль, что в основе биологических процессов лежат химические реакции. Ятрохимия способствовала освобождению химии от влияния алхимии и расширила знания о многих жизненно важных соединениях. Но она слишком сужала поле исследований, по этой причине многие ученые постепенно отказались от принципов ятрохимии.

Основы современной химии были заложены в XVII в. английским учёным Р. Бойлем. Он ввёл в химию понятие о химическом элементе и положил начало химическому анализу как ведущему методу исследования. Основной задачей химии на начальном этапе ее развития было разложение соединений на составные части и поиск чистых химических элементов. К концу XVIII в. были известны 18 химических элементов, а в XIX в. – уже 49.

Огромный вклад в развитие химии внёс французский учёный Антуан Лоран Лавуазье. Он систематизировал в рамках одной теории большой объём экспериментальных данных, накопленных в химии к концу XVIII в. Его многочисленные опыты по нагреванию различных веществ в закрытых сосудах позволили установить закон сохранения массы веществ в химических реакциях, выяснить, что воздух является смесью двух газов (кислорода и азота), доказать, что продукт горения водорода – вода, установить состав органических соединений. Он попытался систематизировать химические элементы и разработал удобную химическую номенклатуру, очистив её от сложных и запутанных терминов.

Проблема химического состава веществ была главной в развитии химии вплоть до 30-40 гг. XIX в. Большую роль в развитии химии в этот период сыграли Ж. Пруст и англичанин Дж. Дальтон. Пруст в 1801 г. установил закон постоянства состава вещества (химическое соединение обладает строго определённым, неизменным составом и тем отличается от смесей). Дальтон в 1803 г. дал теоретическое обоснование этого закона и открыл закон кратных отношений (в химических соединениях веса элементов соотносятся как целые числа), создал основы атомной теории, составил таблицу атомных весов. Берцелиус в 1826 г. уточнил эту таблицу, ввёл современную химическую символику для обозначения химических элементов и химических реакций, разделил вещества на органические и неорганические. В 1852 г. Э. Франклин разработал теорию валентности (валентность – способность атома к насыщению).

До середины XIX в. развитие химии происходило хаотически и беспорядочно. Открывались все новые элементы, описывались их свойства, накопился огромный экспериментальный материал, нуждавшийся в систематизации. В 1860 г. был проведён первый международный химический конгресс, имевший огромное значение для развития химии. На нём были приняты и сформулированы основные принципы, теории и законы химии. Он подготовил условия для создания периодической системы элементов. В 1869 г. Д.И. Менделеев предложил свой вариант системы химических элементов, одобренный мировым сообществом учёных. Опираясь на периодический закон, Менделеев предсказал существование новых, ещё не открытых элементов (галлия, скандия, германия) и с большой точностью описал их свойства, обнаружил ошибки в определении атомной массы урана и других химических элементов. Таблица объясняла многие факты и указывала на существование глубокой зависимости между различными химическими элементами. Впоследствии она неоднократно пересматривалась, существует более двухсот ее вариантов, но по устоявшейся традиции она сохраняется в первоначальном виде.

• Периодический закон Д.И. Менделеева – свойства химических элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядер их атомов. Причиной периодических изменений физико-химических свойств элементов является периодичность строения электронных оболочек атомов.

В 1911 г. после открытия атомного ядра началась разработка теории строения атома, было выяснено, что номер в таблице соответствует заряду ядра и количеству электронов в атоме. Получила своё объяснение и валентность химических элементов (она равна числу электронов на внешней оболочке атома). В 1916 г. появились первые теории химической связи и были выявлены ее основные типы.