- •№1 Роль естествознания в формирования профессиональных знаний. Естествознание, экономика и проблемы управления.
- •№2 №3 Фундаментальные и прикладные проблемы естествознания.
- •№4 Естествознание как основа научного мировоззрения. Особенности естествено-научной истины. Естественные науки и философия.
- •Естественно-научные и религиозные знания
- •Эксперимент и теория. Наблюдения и измерения. Современные технические средства измерений. Основные характеристики измерительных приборов. Единицы измерения.
- •Физика - фундаментальная наука о природе. Основные этапы развития физики. Единство природы и универсальность физических законов.
- •Фундаментальные понятия физики: материя, движение, пространство и время. Виды материи. Концепции симметрии, эфира и физического вакуума.
- •Виды фундаментальных взаимодействий. Универсальные физические постоянные.
- •Микро-, макро- и мегамир.Человек и вселенная.
- •Структурные уровни организации материи.
- •Корпускулярная и континуальная концепции описания природы (атомы, поле, кванты). Развитие концепции атомизма.
- •Тождественность микрообъектов и индивидуальность макросистем.
- •Проблема построения единой фундаментальной теории в физике.
- •Развитие концепций движения, пространства и времени
- •Основная задача классической механики и границы ее применимости.
- •Принцип причинности и лапласовский детерминизм.
- •Становление специальной теории относительности
- •Связь между массой и энергией
- •Симметрия пространства-времени, законы сохранения.
- •Развитие представлений о природе тепловых явлений и свойств макросистем.
- •Уравнение состояния идеального газа.
- •Второе начало (закон) термодинамики. Концепция энтропии и закон её возрастания.
- •Основные принципы действия тепловых машин. Цикл Карно и теорема Карно.
- •Необратимость свойство реальных процессов. Статистический характер энтропии. Хаос, структура и порядок макросистем. Проблема тепловой смерти.
- •Основные характеристики колебательных и волновых процессов. Типы колебаний и волн. Резонанс.
- •Виды электромагнитных излучений. Спектры излучений и их характеристики.
- •Тепловое (равновесное) излучение электромагнитных волн. Гипотеза Планка. Двойственная природа света и ее проявления.
- •Корпускулярно-волновой дуализм микрообъектов. Квантово-механическое описание процессов в микромире. Волны де Бройля и волновая функция.
- •Соотношение неопределенностей в квантовой теории. Постоянная Планка. Вероятностный характер микропроцессов.
- •Неразличимость микрочастиц. Спин. Принцип Паули. Фермионы и бозоны.
- •Строение атомов. Квантовые числа. Механизм излучения электромагнитных волн атомами и молекулами. Спонтанное и вынужденное излучение.
- •№38 №39 Атомные ядра и нуклоны. Изотопы. Дефект массы и энергия связи ядер. Деление ядер и термоядерный синтез. Цепная реакция.
- •Основные понятия синергетики и принципы самоорганизации открытых систем. Необходимые условия самоорганизации. Уровни самоорганизации в природе. Бифуркации и катастрофы.
- •Критерии естественно-научной концепции развития.
- •Строение и эволюция Вселенной. Разбегание галактик. Закон Хаббла. Возраст Метагалактики и космологический горизонт.
- •Концепция «большого взрыва». Первичный (космологический) нуклеосинтез и реликтовое излучение.
- •Тонкая подстройка Вселенной и антропный принцип в космологии. Проблема поиска внеземных цивилизаций.
- •Происхождение галактик и звёзд. Строение нашей Галактики. Эволюция звёзд. Синтез химических элементов в звёздах. Сверхновые и квазары.
- •Происхождение и состав Солнечной системы. Исследования планет космическими аппаратами.
- •Строение Земли. Вулканизм и землетрясения. Тектоника материков. Атмосфере Земли, климат и погода.
- •Развитие учения о строении вещества.
- •Периодическая система элементов д.И. Менделеева.
- •Принцип паули
- •Рспространенность химических элементов во вселенной и на земле
- •Химическая связь и структура химических соединений. Синтез новых материалов.
- •Разновидности химических процессов
- •Эволюция и самоорганизация химических систем. Макромолекулы и зарождение органической жизни.
- •Химические процессы и процессы жизнедеятельности. Катализ. Ферменты. Освоение каталитического опыта живой природы.
- •Возможности современных биотехнологий. Клонирование и проблемы воспроизведения живых организмов.
- •Особенности биосферного уровня организации материи. Развитие традиционных принципов в биологии. Живое и неживое.
- •Структурные уровни организации материи в биологии. Принципы систематики простейших организмов, растений и животных.
- •Строение и функции живой клетки. Основополагающие жизненные процессы в организмах.
- •1. Криптозой
- •2. Фанерозой
- •Космическое и внутрипланетарное воздействие на биосферу. Влияние радиоактивных излучений на развитие биосферы.
- •Концепция биосферы в.И.Вернадского. Человек и биосфера. Трансформация биосферы в ноосферу.
- •Естественно-научная база современных информационных технологий. Современные средства накопления, хранения и передачи информации.
- •Поколения эвм и возможности персональных компьютеров. Современные мультимедийные системы и виртуальный мир.
- •Естественно-научные концепции развития микроэлектронных и лазерных технологий.
- •Естественно-научные проблемы современной энергетики. Традиционные и нетрадиционные источники энергии.
- •Стратегия развития энергетики. Атомная энергетика сегодня и завтра. Энергетика будущего.
- •Демографические проблемы человечества. Обеспечение питанием населения Земли.
- •Загрязнение окружающей среды и проблема защиты озонового слоя.
- •Загрязнение окружающей среды и проблемы защиты озонового слоя.
- •Основные экологические проблемы городов и особенно мегаполисов. Экология и здоровье человека.
- •Дозы облучения. Безопасные и летальные дозы для людей. Мощность дозы. Естественный радиационный фон.
- •Клинические последствия радиоактивного облучения для человека в зависимости от дозы и характера воздействия радиации. Способы защиты от радиоактивных излучений.
- •Перемены в базисных отраслях промышленности. Новая техносфера и окружающая среда.
Разновидности химических процессов
Интенсивные исследования последнего времени направлены на выяснение как материального состава растительных и животных тканей, так и химических процессов, происходящих в организме Такие по содержанию исследования проводят и химики-органики, и биохимики, и даже медики. При этом, решая одни и те же задачи, они ставят разные цели. Химиков-органиков интересуют перспективы создания более сложных веществ путем конструирования их молекул для реализации возможностей синтеза аналогов органических соединений, образующихся в живых организмах. Биологи преследуют цель изучения субстратной и функциональной основ жизнедеятельности организмов. Медики стремятся выяснить границы между нормой и патологией в организмах Объединяет все эти исследования идея о ведущей роли ферментов или, в более широком смысле, биорегуляторов в процессе жизнедеятельности. Эта идея, впервые предложенная великим французским естествоиспытателем ЛуиМастером(1822-1895)остается основополагающей и по сей день при изучении химии живой природы в рамках динамической биохимии, основной предмет которой -химические процессы, происходящие в живом организме. В то же время изучением молекулярного состава и структуры ткани живого и неживого организма занимается статическая биохимия. Динамическая биохимия родилась на рубеже XVIIIи XIXстолетий, когда начали различать процессы дыхания и брожения, ассимиляции и диссимиляции как некие превращения веществ. История исследования брожения включает не только определенные этапы познания действительности, но и трудности проникновения в тайны живого: веру в жизненную силу, надежды Берцелиуса на особые функции катализа в жизнедеятельности организмов, упрощенные представления "чистых химиков" —Либиха и Бертло о брожении как действии обычных химических сил, гениальные предвидения Пастера о различиях между бесклеточным брожением и ферментом живой деятельности дрожжевых клеток и, наконец, открытие белковой основы ферментов и их глубокой дифференциации, а вслед за этим участия на различных стадиях брожения различных ферментов.
Исследование брожения составляет основной предмет ферментологии —стержневой отрасли знаний о процессах жизнедеятельности. На протяжении весьма длительной истории исследования процесс биокатализа рассматривался с двух разных точек зрения. Одной из них, условно названной химической, придерживались Ю. Либих и М. Бертло, а другой —биологической —Л. Пастер.
В химической концепции весь катализ сводился к обычному химическому катализу. Несмотря на упрощенный подход в рамках концепции были установлены важные положения: аналогия между биокатализом и катализом, между ферментами и катализаторами; наличие в ферментах двух неравноценных компонентов —активных центров и носителей; заключение о важной роли ионов переходных металлов и активных центров многих ферментов; вывод о распространении на биокатализ законов химической кинетики; сведение в отдельных случаях биокатализа к катализу неорганическими агентами.В начале развития биологическая концепция не располагала столь обширными экспериментальными подтверждениями. Ее основной опорой были труды Л. Пастера и, в частности, его прямые наблюдения за деятельностью молочнокислых бактерий, которые позволили выявить брожение и способность микроорганизмов получать необходимую им энергию для жизнедеятельности путем брожения. Из своих наблюдений Пастер сделал вывод об особом уровне материальной организации ферментов. Однако все его доводы, еслиибыли не опровергнуты, то по крайней мере отодвинуты на задний план после открытия внеклеточного брожения, а позиция Пастера была объявлена виталистической.Однако с течением времени концепция Пастера победила. О перспективности данной концепции свидетельствуют современные эволюционный катализ и молекулярная биология
ЦЕПНЫЕ РЕАКЦИИ —это самоподдерживающиеся химические реакции, в результате которых первоначальна появляющиеся продукты принимают участие в образовании новых продуктов.
Цепные реакции протекают с большой скоростью и иногда со взрывом. В цепных реакциях различают три стадии: зарождения, цепи, развития цепи и обрыва цепи.
На стадии зарождения цепи происходит oбpaзoвaние промежуточных продуктов, которыми могут быть атомы, ионы или нейтральные молекулы. На стадии развития цепи последовательно протекают реакции превращения и образованиясвободных радикалов.На стадии обрыва цепи происходит расходование промежуточных продуктов или их разрушение и прекращение реакции. Обрыв реакции может произойти самопроизвольно или под действием ингибиторов. К цепным реакциям относятся, например, окисление органических веществ кислородом, окисление водорода, фосфора, серы, реакции между водородом и хлором, между водородом и бромом и т.д.Большой вклад в разработку теории цепных реакций внес лауреат Нобелевской премии, академик Н.Н.Семенов.
ГОРЕНИЕ — это химическая реакция, при которой происходит окисление веществ с выделением теплоты и света. Горение и, следовательно, окисление возможны и без участия кислорода. Например, водород сгорает (окисляется) в газообразном хлоре и в парах брома, при этом соответственно образуются хлоро- и бромоводород. Для горения нужны горючее и окислитель. На практике в качестве окислителя могут быть галогены, рзон, пере-кисные соединения, нитросоединения и другие богатые кислородом соединения, а горючими — практически все органические вещества, многие металлы, водород.
52.3 ХИМИЯ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ.
При взаимодействии реагентов с катализатором происходит ослабление исходных химических связей. Оно возможно при энергетической активизации реагента, которая достигается при тепловом либо радиоактивном воздействии, характеризующемся большой величиной энергии. Вопросами энергетической активизации реагента занимается химия экстремальных состояний, которая включает плазмохимию, радиационную химию, химию высоких энергий, высоких давлений и температур.
Плазмохимияизучает процессы в низкотемпературной плазме. Плазма —это ионизированный газ. Различают слабоионизированную, или низкотемпературную, и высокотемпературную плазму. В плазмохимии рассматриваются процессы при температурах от 1000до 10000°С. Такие процессы характеризуются возбужденным состоянием частиц, столкновениями молекул с заряженными частицами и, что особенно важно, очень высокими скоростями реакций.
В плазмохимических процессах скорость перераспределения химических связей очень высока: длительность элементарных актов химических превращений составляет около 10^(-13) с при почти полном отсутствии обратимости реакции. Такая скорость в обычных заводских реакторах из-за обратимости снижается в тысячи и миллионы раз. Плазмохимические процессы поэтому очень высокопроизводительны.
В нашей стране разработаны плазмохимические способы превращения угля в жидкое топливо без применения высоких давлений и выброса золы и серы
Радиационная химия —сравнительно молодая отрасль, ей немного более 40лет. В настоящее время радиационная химия изучает превращение самых разнообразя веществ под действием ионизирующих излучений. Источника ионизирующего излучения служат рентгеновские установки, ускорители заряженных частиц, ядерные реакторы, радиоактивные изотопы.
В результате радиационно-химических реакций из кислорода образуется озон, из газообразных парафинов —водород и сложная смесь низкомолекулярных олефинов. Облучение полиэтилена, поливинилхлорида и многих других полимеров приводит повышению их термостойкости и твердости.
Наиболее важными процессами радиационно-химической технологии являются полимеризация, вулканизация, производство композиционных материалов, в том числе композиций древесной основе, закрепление лаков и других материалов поверхности дерева и металла, получение полимербетонов пут пропитки обычного бетона тем или иным мономером с последующим облучением. Такие бетоны имеют в четыре раза более высокую прочность, обладают водонепроницаемостью и высокой коррозийной стойкостью.
Принципиально новой и исключительно важной областью химии экстремальных состояний является самораспространяющийся высокотемпературный синтезтугоплавких и керамических материалов. Обычно крупномасштабное производство таких материалов осуществляется методом порошковой металлургии, суть которого заключается в прессовании и сжатии при высокой температуре металлических порошков. При этом температура должна составлять 1200-2000°С, а процесс спекания длится несколько часов. Гораздо проще реализуется самораспространяющийся синтез, основанный на реакции горения одного металла в другом или металла в азоте, углероде, кремнии и т.п.
Самораспространяющийся высокотемпературный синтез — тепловой процесс горения в твердых телах. Он представляет собой, например, горение порошка титана в порошке бора или порошка циркония в порошке кремния. В результате такого синтеза получены сотни тугоплавких соединений превосходного качества: карбиды металлов, бориды, алюминиды, селениды.Данный метод не требует громоздких печей и процессов, больших энергетических затрат и отличается высокой технологичностью. На установке, производящей многотоннажную продукцию, достаточно работы всего лишь одного человека. По оценке американских специалистов, технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза —высочайшее достижение русских ученых из Института химической физики Российской академии наук.
№53