Концептуальные уровни в познании веществ и химические системы

Лекция 4

1. История развития знаний о веществе. Естествознание как наука о явлениях и законах природы включает одну из важнейших отраслей – химию. В современном понимании химия – это наука о превращениях веществ, сопровождающихся изменением их состава и (или) строения. История развития химических знаний начинается с древних времен, когда в V веке до н.э. древнегреческий философ Левкипп впервые предложил гипотезу атомного строения материи. Гораздо позднее античному натурфилософскому атомистическому учению о строении вещества противопоставлялась алхимия – донаучное направление, получившее развитие в Западной Европе в XI – XVI веках. Основные задачи алхимии заключались в нахождении так называемого «философского камня» для превращения неблагородных металлов в золото и серебро, в создании эликсира долголетия. В эпоху Возрождения результаты химических исследований все чаще начинают применяться в металлургии, стеклоделии, производстве керамики и красок.

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

Принято считать, что химия стала подлинной наукой во второй половине 18 века, когда первый российский ученый-естествоиспытатель М.В.Ломоносов сформулировал закон сохранения материи и движения, исключив из числа химических агентов флогистон – невесомую материю. Первая химическая теория – теория флогистона, согласно которой металлы считались сложными соединениями, состоящими из соответствующих элементов и универсального флогистона, оказалась ошибочной. Независимо от Ломоносова французский химик А.Л.Лавуазье, определяя роль кислорода в процессе горения, окисления и дыхания, опроверг теорию флогистона.

В начале 19 века английский химик и физик Д.Дальтон заложил основы химической атомистики. Он впервые ввел понятие «атомный вес», определил атомные массы ряда элементов и открыл 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.

В 1811 году итальянский физик и химик А.Авогадро ввел термин «молекула» и выдвинул молекулярную гипотезу строения вещества. Молекула – это микрочастица, образованная из атомов и способная к самостоятельному существованию.

В 1861 году российский химик А.М.Бутлеров создал и обосновал теорию химического строения вещества, согласно которой свойства веществ определяются порядком связей атомов в молекулах и их взаимным влиянием.

В 1869 году Д.И.Менделеев открыл периодический закон химических элементов – один из фундаментальных законов естествознания. Сам автор сформулировал закон в следующем виде: свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов. Современная формулировка этого закона такова: строение и свойства элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов и определяется периодически повторяющимися однотипными электронными конфигурациями их атомов. Заряд ядра равен атомному номеру элемента в Периодической системе Меделеева.

По мере развития химии формировались многие ее отрасли: органическая химия, физическая химия, аналитическая химия. На стыке химических и других отраслей естествознания появились биохимия, агрохимия, геохимия. Результаты химических исследований составляют основу многих современных технологий. В последние десятилетия появилась реальная возможность проводить исследования на молекулярном уровне. Такие исследования позволили раскрыть механизм многих процессов в живом организме, синтезировать не существующие в природе вещества с необычными свойствами, установить сложную структуру молекулы ДНК, расшифровать молекулярный генный механизм наследственности. Сегодня ученые уже приступили к конструированию устройств из отдельных молекул и созданию молекулярного компьютера.

2. Основные химические законы и концептуальные уровни в познании веществ. Современная химическая наука опирается на ряд основных химических законов:

1. Закон сохранения массы: масса веществ, вступающих в реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.

2. Закон сохранения энергии: при любых взаимодействиях, имеющих место в изолированной системе, энергия этой системы остается постоянной, возможны лишь переходы энергии из одного вида в другой.

3. Закон постоянства состава: любое химически индивидуальное соединение имеет один и тот же количественный состав независимо от способа его получения.

4. 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.

5. 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.

6. Закон Авогадро: в равных объемах любых газов, взятых при одной и той же температуре и при одинаковом давлении, содержится одно и то же число молекул.

Современную картину химических знаний объясняют с позиций четырех концептуальных систем (уровней):

· Первый концептуальный уровень – это исследование различных свойств веществ в зависимости от химического состава, определяемого их элементами (учение о составе). То есть первоначально химики искали ту первоначальную основу или элемент, с помощью которого пытались объяснить свойства всех простых и сложных веществ (1660-ые – 1800-ые годы).

· Второй концептуальный уровень познания веществ связан с исследованием структуры, то есть способа взаимодействия элементов веществ (структурная химия). Это было необходимо потому, что свойства полученных в результате химических реакций веществ зависят не только от элементов, но и от их взаимосвязи и взаимодействия в процессе реакции (1950-ые годы).

· Третий уровень познания представляет собой исследование внутренних механизмов и условий протекания химических процессов, таких, как температура, давление, скорость протекания реакций (учение о химических процессах). Все эти факторы оказывают огромное влияние на характер процессов и объем получаемых веществ, что имеет первостепенное значение для массового производства (1970-ые годы).

· Четвертый концептуальный уровень является дальнейшим развитием предыдущего уровня, связанным с более глубоким изучением природы реагентов, участвующих в химических реакциях, а также применением катализаторов, значительно ускоряющих скорость их протекания. На этом уровне мы встречаемся уже с простейшими явлениями самоорганизации, изучаемыми синергетикой (эволюционная химия, настоящее время).

3. Объекты изучения химической науки. Первым объектом изучения химии, лежащим в основе всех теоретических представлений о составе и структуре вещества, является химический элемент и изотоп. Химический элемент – это определенный вид атомов, характеризующийся одинаковым зарядом ядра. Атом – это электронейтральная система взаимодействующих элементарных частиц. Составные части атома – ядро и электроны. Электрон – истинная элементарная частица, заряженная отрицательно. Ядро состоит из частиц двух типов: положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Атомы одного и того же элемента, имеющие в ядре разное количество нейтронов и, соответственно, разную массу, называются изотопами. Каждый элемент имеет свое название и краткое стандартное обозначение из одной или двух букв латинского алфавита. В настоящее время известно 110 элементов. Изотопы не имеют собственных названий, а повторяют название элемента. Исключение составляют изотопы водорода: протий (ядро протия состоит из одного протона), дейтерий (ядро содержит один протон и один нейтрон) и тритий (ядро содержит один протон и два нейтрона).

Вторым объектом, изучаемым в рамках химии, являются химические соединения. Химическое соединение – это сложная система, образованная химическими элементами. На уровне микромира химическое соединение – это образование из атомов более сложных частиц – молекул. Процесс образования молекул из атомов называется химическойреакцией. Химическая реакция – это процесс образования новых химических соединений. Молекула – это электронейтральная наименьшая совокупность атомов, образующих определенную структуру посредством так называемых химических связей. Химическая связь представляет собой одно из фундаментальных взаимодействий – электромагнитное. Осуществляют химические связи между атомами электроны, расположенные на внешней оболочке и связанные с ядром наименее прочно. Эти электроны носят название валентных электронов. В зависимости от характера взаимодействия между валентными электронами различают ковалентную, ионную и металлическую 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. Молекулы могут содержать атомы только одного элемента, в этом случае такие вещества называются простыми. Из 110 элементов, известных в настоящее время, образуется 400 простых веществ. Такое различие объясняется способностью некоторых элементов существовать в виде различных простых веществ, отличающихся как по химическим, так и по физическим свойствам. Это явление получило название аллотропии, а сами различные вещества – аллотропными модификациями. Вещества, молекулы которых состоят из атомов разных элементов, называются сложными веществами, или химическими соединениями. Традиционно химические соединения подразделяют на неорганические – это соединения всех элементов Периодической системы, и органические – соединения углерода и некоторых других элементов, в которых атомы углерода соединены между собой в цепи. Всего химических соединений на настоящий момент известно несколько миллионов, и их количество постоянно растет за счет синтеза новых органических соединений.

Третьим объектом химического изучения являются химические процессы. Химические процессы представляют собой сложнейшее явление, как в неживой, так и живой природе. Эти процессы изучает не только химия, но и физика и биология. Перед химической наукой стоит принципиальная задача – научиться управлять химическими процессами. В настоящее время для управления химическими процессами имеются в наличии термодинамический и кинетический методы. С помощью этих методов было сделано немало полезных открытий, которые показывают, как можно увеличить скорость химических процессов за счет подбора условий – повышения температуры реакции, давления, как можно сдвинуть химическое равновесие в сторону получения полезных продуктов реакции, не содержащих остатков непрореагировавших исходных продуктов. Эпохальным стало открытие веществ, которые при добавлении к реакционной смеси способны увеличить скорость реакции, при этом оставаясь неизменными. Эти вещества получили название катализаторов, а их применение – катализ. Существуют как искусственные катализаторы, так и природные. Кроме того были найдены вещества, которые замедляют химические процессы. Эти вещества называются ингибиторами, то есть замедлителями. Катализаторы и ингибиторы играют большую роль в биологических процессах. Известные всем ферменты – биокатализаторы, вещества, ускоряющие биохимические процессы в организме живых существ, причем живые существа самостоятельно синтезируют некоторые из этих ферментов. Те же ферменты, которые не могут синтезироваться в организме, имеют исходные вещества, называемые коферментами. Коферменты – витамины, – поступают в организм с пищей. Витамины затем трансформируются в ферменты.

Четвертым объектом изучения химической науки является самоорганизация предбиологических систем. Химики давно пытались понять, каким образом из неорганической безжизненной материи возникает органическая как основа жизни на Земле. Поэтому в 20 веке в свете общих эволюционных представлений в естествознании развивается новая наука – эволюционная химия, наука о самоорганизации и саморазвитии химических систем. В рамках эволюционной химии изучаются процессы самопроизвольного синтеза новых химических соединений, являющихся более сложными и высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами. Начало этой науки положено при разработке теории биохимической эволюции, объясняющей происхождение жизни на Земле в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам. Первой стадией биохимической эволюции считается химическая эволюция, или абиогенез, которая, согласно этой теории, протекала в три этапа. Первый этап – синтез низкомолекулярных органических соединений из газов первичной атмосферы; второй этап – полимеризации мономеров с образованием цепей белков и нуклеиновых кислот; третий этап – образование фазово-обособленных систем органических веществ, отделенных от внешней среды мембранами. В процессе развития нашей планеты происходил отбор химических элементов в биотических и абиотических системах. Основу живых систем составляют 6 элементов, получивших название органогенов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера. Их общая весовая доля в организме составляет более 97%. За ними следуют 11 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важных компонентов биосистем: натрий, калий, кальций, магний, железо, кремний, алюминий, хлор, медь, цинк, кобальт. Их весовая доля в организме – 1,6%. Есть еще 20 элементов, участвующих в построении и функционировании отдельных специфических биосистем, доля которых составляет 1%. Участие всех остальных элементов в построении биосистем практически не зафиксировано. В абиотической среде также есть свидетельства об отборе элементов. Более 99% всех природных соединений содержат те же 17 элементов, на долю всех остальных приходится менее 1% соединений. Если говорить о химической картине мира в целом, учитывая как природные, так и синтетические продукты, то оказывается, что в настоящее время известно около 8 млн химических соединений. Из них 96% - органические соединения, 4% - неорганические. Большую часть вещества во Вселенной составляют водород и гелий. Более тяжелые элементы существуют во Вселенной в очень малых количествах: например, наша звезда – Солнце – содержит не более 2% тяжелых элементов.

Дата добавления: 2014-01-14