- •Часть I. Естествознание и современный мир 11
- •Часть III. Естественно-научные концепции развития. . . 171
- •Часть IV. Естественно-научные основы современных тех-
- •1.1. Естественно-научные знания
- •1.2. Роль естествознания в формировании
- •1.6. Развитие естествознания и псевдонаучные
- •1.8. Рациональное и иррациональное
- •2.1. Процесс естественно-научного познания
- •1) В основе естественно-научного познания лежит причинно-следствен-
- •2) Истинность естественно-научных знаний подтверждается эксперимен-
- •3) Любое естественно-научное знание относительно.
- •2.2. Формы естественно-научного познания
- •3.3. Концепция атомизма. Дискретность
- •3.4. Фундаментальные взаимодействия
- •3.10. Электромагнитная концепция
- •4.1. Структура атомов
- •43. Вероятностный характер микропроцессов
- •4.5. Ядерные процессы
- •5.1. Сущность концепции развития
- •5.2. Эволюция вселенной
- •6.1. Развитие химических знаний
- •6.2. Синтез химических веществ
- •6.3. Современный катализ
- •6.9. Современные материалы
- •7.3. Структура и функции белков
- •7.5. Происхождение жизни
- •7.6. Предпосылки эволюционной идеи
- •7.9. Человек — феномен природы
- •7.10. Жизнеобеспечение человека
- •8.1. Развитие средств информационных технологий
- •8.2. Современные средства накопления информации
- •8.3. Мультимедийные системы и виртуальный мир
- •8.4. Микро- и наноэлектронная технологии
- •8.6. Современные биотехнологии
- •9.9. Атомная энергетика
- •9.10. Особенности отечественной энергетики
- •10.1. Глобальные катастрофы и эволюция жизни
- •10.2. Предотвращение экологической катастрофы
- •10.3. Природные катастрофы и климат
- •10.5. Сохранение озонового слоя
- •10.7. Потребление энергии и среда нашего обитания
- •10.8. Радиоактивное воздействие на биосферу
- •11.1. Человек и природа
- •11.3. Обновление энергосистем
- •11.4. Эффективное потребление энергии
- •11.6. Экономия ресурсов на транспорте
- •11.8. Решение проблем утилизации
- •11.9. Перспективные технологии и окружающая среда
6.1. Развитие химических знаний
История развития знаний о веществе. Естествознание как наука о
явлениях и законах природы включает одну из важнейших отрас-
лей — химию. В современном понимании химия — наука о превращени-
ях 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 предло-
жил гипотезу атомного строения материи. Гораздо позднее (примерно с
III в. н.э.) античному натурфилософскому атомистическому учению о
строении вещества противопоставлялась алхимия — донаучное направ-
ление, 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
203
создании эликсира долголетия и др. В эпоху Возрождения результаты хи-
мических 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), основополож-
ник экспериментального химического анализа. В современном представ-
лении химический элемент — совокупность атомов с одинаковым заря-
дом 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 поло-
вине XVIII в., когда первый российский ученый-естествоиспытатель
М.В. Ломоносов (1711—1765) сформулировал закон сохранения мате-
рии и движения, исключив из числа химических агентов флоги-
стон — невесомую материю. Первая химическая теория — теория фло-
гистона, согласно которой металлы (железо, медь, свинец и др.) счита-
лись сложными веществами, т.е. состоящими из соответствующих эле-
ментов и универсального «невесомого тела» — флогистона, оказалась
ошибочной. Выяснив роль кислорода в процессе горения, окисления и
дыхания, французский химик А.Л. Лавуазье (1743—1794) полностью оп-
роверг 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 со-
единения, 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 «моле-
кула» и выдвинул молекулярную гипотезу строения вещества. Молеку-
ла — микрочастица, образованная из атомов и способная к самостоятель-
ному существованию. Атомно-молекулярные представления утверди-
лись лишь в 60-х годах ХГХ 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 хи-
мик — Д.И. Менделеев (1834—1907) открыл периодический закон хи-
мических элементов — один из фундаментальных законов естествозна-
ния. Современная формулировка этого закона такова:
204
свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда
их атомных ядер.
Заряд ядра равен атомному (порядковому) номеру элемента в Перио-
дической системе Менделеева.
С конца XIX в. важнейшими задачами химии являются разработка
способов управления химическими процессами и синтез химических со-
единений с новыми свойствами.
По мере развития химии формировались многие ее отрасли: органи-
ческая химия, физическая химии, аналитическая химия и др. На стыке хи-
мических и других отраслей естествознания появились биохимия, агро-
химия, геохимия и т.д. Результаты химических исследований составляют
основу многих современных технологий.
В последние десятилетия благодаря открытию новых явлений и эф-
фектов, прежде всего физических, и созданию на их основе высокочувст-
вительных приборов (электронных микроскопов, спектроскопов, масс-
спектрометров и др.) появилась реальная возможность проводить экспе-
риментальные химические исследования на современном молекулярном
уровне. Такие исследования позволили раскрыть механизм многих про-
цессов в живом организме, синтезировать не существующие в природе
вещества с необычными свойствами, установить сложную структуру мо-
лекулы ДНК, расшифровать молекулярный генный механизм наследст-
венности 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.
Масштабы химической индустрии. Долгое время необходимые че-
ловеку товары повседневного спроса (продукты питания, одежда, краски
и т.п.) производились путем переработки преимущественно природного
сырья растительного происхождения. Современные химические техно-
логии позволяют синтезировать из сырья не только естественного, но и
искусственного происхождения многочисленную и многообразную по
свойствам продукцию, не уступающую по качеству природным анало-
гам. Потенциальные возможности химических превращений природных
веществ поистине безграничны. 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 расте-
ний, биологически активные вещества, лекарства и различное исходное
сырье для производства других необходимых и ценных веществ.
205
Синтез новых химических продук-
тов — трудоемкий и дорогостоящий
процесс. Так, для промышленного про-
изводства всего лишь нескольких ле-
карственных препаратов необходимо
синтезировать не менее 4000 разновид-
ностей веществ (для средств защиты
растений эта цифра может составлять и
10 000). В недалеком прошлом, напри-
мер, в США на каждый внедряемый в
массовое производство химический
продукт приходилось примерно 450 на-
учно-исследовательских разработок, из
которых отбиралось всего лишь 98 для
опытного производства. После опыт-
но-промышленных испытаний лишь не
более 50 % отобранных продуктов на-
ходили широкое применение. Однако
практическая значимость полученных
таким сложным путем продуктов на-
столько велика, что затраты на исследо-
вания и разработку очень быстро оку-
паются.
Химические технологии и связан-
ное с ними промышленное производст-
во охватывают в основном все важней-
шие сферы хозяйственной деятельно-
сти. Взаимодействие химических тех-
нологий и различных сфер деятель-
ности человека представлено на рис. 6.1, где введены следующие обозна-
чения: А — химическая, текстильная, целлюлозно-бумажная и легкая
промышленность, производство стекла и керамики, производство раз-
личных материалов, строительство, горное дело, металлургия; Б — ма-
шино- и приборостроение, электроника и электротехника, средства свя-
зи, военное дело, сельское и лесное хозяйство, пищевая промышлен-
ность, охрана окружающей среды, здравоохранение, домашнее хозяйст-
во, средства информации; В — повышение производительности труда,
экономия материалов; Г — улучшение условий труда и быта, рациона-
лизация умственного труда; Д — здоровье, питание, одежда, отдых;
Е — жилище, культура, воспитание, образование, охрана окружающей
среды, оборона.
206
Приведем несколько примеров внедрения химических технологий.
Один из них связан с изготовлением интегральных схем для микроэлек-
троники с применением химически чистого кремния, которого в природе
нет. Однако такой кремний можно получить в результате химического
превращения диоксида кремния в виде песка, а это означает, что химиче-
ские технологии позволяют превратить обычный песок в элементный
кремний. Другой характерный пример касается сжигания топлива. Авто-
мобильный транспорт потребляет громадное количество топлива. Что
нужно сделать, чтобы добиться минимального загрязнения атмосферы
выхлопными газами? Частично проблема решается с помощью автомо-
бильного каталитического конвертора выхлопных газов. Радикальное же
ее решение заключается в химическом превращении исходного сы-
рья — сырой нефти — в очищенные продукты. Химические технологии
и связанная с ними индустрия вынуждены реагировать на осознанное
(особенно в последние десятилетия) стремление общества сохранить ок-
ружающую среду.
Представляют интерес некоторые цифры, характеризующие выпус-
каемую и потребляемую химическую продукцию. Во второй половине
XX в. средний горожанин использовал в повседневной жизни 300—500
разнообразных химических продуктов, из них около 60 — в виде тек-
стильных изделий, примерно 200 — в быту, на рабочем месте и во время
отдыха, примерно 50 медикаментов и столько же продуктов питания и
средств приготовления пищи. Технология изготовления некоторых пи-
щевых продуктов включает до 200 различных химических процессов.
Около десяти лет назад насчитывалось более 1 млн. разновидностей
продукции, выпускаемой химической промышленностью. К тому време-
ни общее число известных химических соединений составляло более
8 млн., в том числе примерно 60 тыс. неорганических соединений. Сего-
дня 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.