Okonskaya_Reznik_Filosofskie_problemy_nauki_i_tekhniki

7)Что представляет собой наша Галактика?

8)Земля и ее структура.

9)Что такое космология и что она изучает?

Пригодится для тестирования:

Радиус Солнца – 6,96 ·108 м

Радиус Земли – 6,38 ·106 м

Радиус Луны – 1,74 ·106 м

Масса Солнца – 1,99 ·1030 кг Масса Земли – 5,98 ·1024 кг Масса Луны – 7,35 ·1022 кг

скорость вращения вокруг Солнца – 30 км/с.

Расстояние от Солнца до Земли – 149 млн км Расстояние от Земли до Луны – 3,84 ·108 м

Диаметр нашей Галактики – 25 кпк (1 парсек (пс) – 3,086 ·1016 м)

Скорость вращения вокруг Солнца – 30 км/с

Период обращения Солнца вокруг оси – 25 суток Возраст Солнечной системы – 5 млрд лет Возраст Земли – 4 млрд лет Солнце – желтый карлик.

Наша Галактика – Млечный путь.

81

ТЕМА 5. Становление и развитие химической картины

мира

Вопрос 1. Предмет познания химической науки и ее проблемы.

Развитие химических знаний стимулируется необходимостью получения человеком различных веществ для своей жизнедеятельности. В

наши дни химическая наука дает возможность получать вещества с заданными свойствами, находить способы управления этими свойствами,

что является основной проблемой химии.

Химия – это наука, изучающая свойства и превращения

веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения.

Своеобразную программу исследования химических явлений впервые сформулировали и приняли ученые-химики на первом Международном съезде химиков в Карлсруэ в Германии в 1860 г. Они исходили из того, что:

все вещества состоят из молекул, которые находятся в непрерывном и самопроизвольном движении;

все молекулы состоят из атомов;

атомы и молекулы находятся в непрерывном движении;

атомы – это мельчайшие, далее неделимые составные части

молекул.

Главный вывод съезда – вещество состоит из молекул и неделимых атомов. Вещество – это вид материи, обладающий массой покоя.

В сер. ХIХ в. на этой концептуальной основе была разработана

атомно-молекулярная теория, которая уже к концу ХIХ – нач. ХХ вв.

оказалась не в состоянии объяснить многие экспериментальные данные.

Картина прояснилась с открытием электрона (сложного строения атома),

когда стали ясны причины связи атомов, взаимодействующих друг с другом.

82

Осуществляются химические связи между атомами за счет электронов, расположенных на внешней оболочке и связанных с ядром наименее прочно. Эти электроны назвали валентными электронами.

Между валентными электронами могут устанавливаться ковалентная, ионная и металлическая химические связи.

Ковалентная связь осуществляется за счет образования электронных пар, в одинаковой мере принадлежащих обоим атомам.

Ионная связь представляет собой электростатическое притяжение между ионами, образованное за счет полного смещения электрической пары к одному из атомов.

Металлическая связь – это связь между положительными ионами в кристаллах атомов металлов, образующихся за счет притяжения электронов, но перемещающихся по кристаллу в свободном виде.

Химическая связь является таким взаимодействием, которое связывает отдельные атомы в более сложные образования: в молекулы,

ионы, кристаллы, т.е. в те структурные уровни организации материи,

которые изучает химия.

Химическая связь – это результат взаимодействия электрических полей, образующихся между электронами и ядрами атомов в процессе химических преобразований (реакций). Прочность химической связи зависит от энергии связи.

То, что в каждом индивидуальном веществе заключено определенное количество энергии, служит объяснением тепловых эффектов химических реакций. Теплосодержание (химическая энергия) тесно связана с химическим составом вещества.

Каждый атом обладает энергией, часть которой связана с электронами, а часть – с ядром. Атомные ядра при химических реакциях не испытывают изменений, поэтому энергия ядер не изменяется и не входит в теплосодержание молекул.

83

Электроны в атоме обладают кинетической и потенциальной энергией, их алгебраическая сумма и есть энергия, необходимая для отрыва электрона от атомного ядра.

Скорость химических реакций зависит от:

Природы реагирующих веществ;

Концентрации реагирующих веществ;

Температуры.

Многие реакции протекают очень медленно, если просто смешать реагирующие вещества, но их можно ускорить путем введения некоторых других веществ, называемых катализаторами. При реакции они не расходуются, а только ускоряют реакцию, которая может происходить и без них, но значительно медленнее.

Очень большое число катализаторов, называемых ферментами,

содержится в живых тканях. К примеру, наиболее известны ферменты пищеварительной системы – ПТИАЛИН, содержащийся в слюне; и

ПЕПСИН, вырабатываемый поджелудочной железой. Оба эти фермента способствуют разрушению больших молекул (напр., крахмала и белка) на более простые молекулы, которые легко усваиваются клетками организма.

В организме существует большое количество и других ферментов,

принимающих участие в биохимических реакциях.

Таким образом, химия изучает химические элементы, процессы химического взаимодействия различных веществ, проблемы получения новых веществ с заданными свойствами и множество других проблем,

возникающих в процессе развития химических знаний.

Вопрос 2. Методы и концепции познания в химии.

Химические знания до определенного времени накапливались эмпирически (опытным путем), пока не назрела необходимость в их классификации и систематизации, т.е. в теоретическом обобщении.

Основоположником системного освоения химических знаний явился

84

Д.И.Менделеев. Он исходил из принципа, что любое точное знание есть система. Такой подход позволил ему в 1869 г. открыть периодический закон и разработать Периодическую систему химических элементов. В его системе основной характеристикой элементов являются их атомные веса.

Периодический закон Д.И. Менделеева сформулирован в следующем виде: «Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов».

В современном представлении (исходя из строения атома)

периодический закон Д.И. Менделеева формулируется таким образом:

Строение и свойства элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов и определяются периодически повторяющимися однотипными электронными конфигурациями их атомов.

Современная химическая наука опирается на ряд основных

химических законов:

Закон сохранения массы (масса веществ, вступающих в реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции);

Закон сохранения энергии (при любых взаимодействиях,

имеющих место в изолированной системе, энергия этой системы остается

постоянной и возможны лишь переходы из одного вида энергии в другой);

Закон постоянства состава (любое химически индивидуальное соединение имеет один и тот же количественный состав независимо от способа его получения);

Закон кратных отношений (если два элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то массы одного из элементов,

приходящихся в этих соединениях на одну и ту же массу другого,

относятся между собой как небольшие целые числа);

85

Закон объемных отношений (при одинаковых условиях объемы вступающих в реакцию газов относятся друг к другу и к объемам образующихся газообразных продуктов реакции как небольшие числа);

Закон Авогадро (в равных объемах любых газов, взятых при одной и той же температуре и при одинаковом давлении, содержится одно

ито же число молекул).

Современная картина химических знаний строится из четырех

концептуальных систем, которые схематично можно представить

следующим образом.

4. Эволюционная химия (наст. время)

3. Учение о химических процессах

(1970-е гг.)

2. Структурная химия

(1950-е гг.)

1. Учение о составе

(1660-1800 гг.)

Первая концептуальная система – учение о составе вещества.

Научное определение химического элемента сформулировал английский физик и химик Р. Бойль. Необходимо было понять разницу между смесями веществ и т.н. чистыми составляющими этих веществ.

Первым был открыт химический элемент фосфор (в 1669 г.), потом кобальт, никель и др. Само название «элемент» дает указание на структурное исследование вещества.

Открытие А.Лавуазье кислорода и установление его роли в образовании различных химических соединений позволило отказаться от теории флогистона (огненная материя).

В Периодической системе Д.И.Менделеева насчитывалось 62

элемента, в настоящее время – 118 элементов. Может быть открыто еще

86

50! Их удельное содержание в природе неравномерно. Так. 98,6% массы физически доступного слоя Земли составляют всего восемь химических элементов: кислород - кремний - алюминий - железо - кальций - натрий -

калий – магний. Кислород – это самый распространённый на Земле элемент; в виде соединений составляет около1/2 массы земной коры;

входит в состав воды (88,8% по массе) и многих тканей живых организмов

(около 70% по массе). Свободный кислород атмосферы (20,95% по объёму) образовался и сохраняется благодаря фотосинтезу. Кислород (или обогащённый им воздух) применяется в металлургии, химической промышленности, в медицине, кислородно-дыхательных аппаратах.

Жидкий кислород — компонент ракетного топлива.

В современной химии концепция химического элемента выступает как проблема рационального использования химических элементов.

Д.И.Менделеев доказал, что свойства химических элементов зависят от места данного элемента в периодической системе, определяемого зарядом ядра атома. Наиболее активными с химической точки зрения являются элементы, имеющие минимальную (из возможных) атомную массу при 6-7 электронах на внешнем электронном уровне (фтор, хлор,

кислород). Они стремятся достроить свою электронную оболочку,

присоединив недостающее число электронов. Активными являются также металлы, обладающие большой атомной массой и имеющие 1-2 электрона на внешнем электронном уровне (барий, цезий), стремящиеся их отдать для его достройки. Важным является понятие валентности – способности атома к образованию химической связи. Химические связи представляют собой обменное взаимодействие электронов.

В результате химических и физических открытий изменилось классическое определение молекулы. Молекула понимается как наименьшая частица вещества, которая в состоянии определить его свойства и существовать самостоятельно. Расширились представления о

87

классе молекул, сюда включают ионные системы, атомные и металлические монокристаллы и полимеры.

С открытием физиками природы химизма (как обменного взаимодействия электронов) химики по-иному стали рассматривать химическое соединение.

Химическое соединение – это качественно определенное вещество,

состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет обменного взаимодействия (химической связи)

объединены в частицы – молекулы, комплексы, монокристаллы.

Химическое соединение – понятие более широкое, чем «сложное вещество», которое должно состоять из двух и более разных химических элементов. Химическое соединение может состоять и из одного элемента

(это молекулы Н2, О2, графит, алмаз и другие кристаллы без посторонних включений в их решетку).

Вторая концептуальная система – структурная химия.

Структурная химия представляет собой уровень развития химических знаний, на котором доминирует понятие «структура», т.е.

структура молекулы, макромолекулы, монокристалла.

Структура – это устойчивая упорядоченность качественно независимой системы, каковой является молекула. Возникновение структурной химии привело к возможности целенаправленного качественного преобразования веществ, для создания схемы синтеза любого химического соединения. Еще в 1857 г. немецкий химик Ф.Кекуле

показал, что углерод четырехвалентен и это дает возможность присоединить к нему до четырех элементов одновалентного водорода:

H

H C H

H

Азот может присоединить до трех одновалентных элементов,

кислород до двух.

88

H

H N H O H

H

Эта схема Кекуле натолкнула исследователей на понимание механизма получения новых химических соединений. Русский химик А.М.

Бутлеров заметил, что в таких соединениях большую роль играет энергия,

с которой вещества связываются между собой. В настоящее время структура молекулы понимается как ее пространственная и энергетическая упорядоченность.

Появление этой теории превратило химию из науки аналитической,

занимающейся изучением состава готовых веществ, в науку

систематическую, способную создавать новые вещества и новые материалы. За вторую половину XIX века число изученных органических соединений за счет вновь синтезированных возросло с полумиллиона до двух миллионов.

Но дело в том, что структурная химия ограничена рамками сведений только о молекулах вещества, находящегося в дореакционном состоянии.

Этих сведений недостаточно для того, чтобы управлять процессами превращения вещества. Тем не менее, современная структурная химия достигла больших результатов: большая часть лекарственных препаратов – это продукты органического синтеза. Самым последним ее достижением является открытие совершенно нового класса металлоорганических соединений, которые за свою двухслойную структуру получили название

«сэндвичевых соединений». Молекула этого вещества представляет собой две пластины, между которыми находится атом какого-либо металла.

Наиболее изученным из них является ферроцен, у которого катион железа

Fe2+ координируется между двумя пятичленными ароматическими кольцами.

Еще более поразительной и необычной является структура молекул,

существующих в непрерывном перестроении. Такова, в частности, молекула бульвалена С10Н10. Его можно представить в виде шара, по поверхности

89

которого с огромной скоростью перемещаются 10 атомов углерода и 10

атомов водорода, имитируя таким способом симметрию молекулы или компенсируя отсутствие симметрии, что необходимо для устойчивого состояния данной структуры. Эта молекула представляет собой своеобразную постоянно протекающую химическую реакцию.

Проблемы структурной неорганической химии - это по существу проблемы химии твердого тела.

Современные структурные теории твердого тела сегодня дают соответствующие рекомендации для решения очень важных проблем:

получение материалов с высокой механической прочностью, термической стойкостью и долговечностью в эксплуатации; создание методов получения кристаллов, содержащих заранее запроектированные дефекты решетки

(чтобы получить материалы с заданными электрофизическими и оптическими свойствами). Суть этих рекомендаций во многом сводится к воздействию на процессы выращивания кристаллов различных добавок, подобных тем,

которые издавна применяются для легирования сталей.

Третья концептуальная система – учение о химических процессах.

Одним из основоположников этого направления в химии стал русский ученый химик Н.Н. Семенов лауреат Нобелевской премии,

основатель химической физики. В своей Нобелевской лекции 1965 г. он заявил, что химический процесс – то основное явление, которое отличает химию от физики, делает ее более сложной наукой. Химический процесс становится первой ступенью при восхождении от таких относительно простых физических объектов, как электрон, протон, атом, молекула, к

живой системе, потому что любая клетка живого организма, по существу,

представляет собой своеобразный сложный реактор. Это – мост от объектов физики к объектам биологии.

Большинство химических реакций трудно контролируемы: в одних случаях их просто не удается осуществить, в других – трудно остановить

90