.RU

Лекция 4 Концептуальные уровни в познании веществ и химические системы


Лекция 4

Концептуальные уровни в познании веществ и химические системы


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 химической реакцией. 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.

kontrol-za-vipolneniem-programmi-vozlozhit-na-ministerstvo-finansov-respubliki-kareliya-glava-respubliki-kareliya-stranica-3.html
kontrol-za-vipolneniem-programmi-vozlozhit-na-ministerstvo-finansov-respubliki-kareliya-glava-respubliki-kareliya-stranica-8.html
kontrol-za-vipolneniem-programmi-vozlozhit-na-pervogo-zamestitelya-glavi-respubliki-kareliya-kanchera-yu-a-glava-respubliki-kareliya-stranica-12.html
kontrol-za-vipolneniem-programmi-vozlozhit-na-pervogo-zamestitelya-glavi-respubliki-kareliya-kanchera-yu-a-glava-respubliki-kareliya-stranica-6.html
kontrol-za-vipolneniem-programmi-vozlozhit-na-zamestitelya-glavi-administracii-municipalnogo-rajona-kirinskij-rajon-po-socialnomu-razvitiyu-hod-realizacii-programmi-rassmotret-v-pervom-polugodii-2012-goda.html
kontrol-za-vipolneniem-trebovanij-rpasop-ga-91-vozlozhit-na-nachalnika-glavnoj-inspekcii-po-bezopasnosti-poletov-mga-nachalniku-cgzhi-mga-vozdushnij-transport-obespechit-izdanie-rpasop-ga-91-otdelnoj-knigoj.html
  • writing.bystrickaya.ru/identifikaciya-pishevih-produktov.html
  • otsenki.bystrickaya.ru/sledi-misli-l-v-shaposhnikova-vrata-v-budushee.html
  • education.bystrickaya.ru/2-klassifikaciya-sistem-ucheta-zatrat-sistema-ucheta-zatrat-i-kalkuliroaniya-sebestoimosti-produkcii-rabot-uslug.html
  • studies.bystrickaya.ru/a-a-ananev-supi-chast-7.html
  • urok.bystrickaya.ru/poryadok-skladannya-rozglyadu-zatverdzhennya-derzhavnogo-byudzhetu-ukrani.html
  • desk.bystrickaya.ru/ostavlennost-ieromonah-damaskin-hristensen-ne-ot-mira-sego-zhizn-i-uchenie-ieromonaha-serfima-rouza-platinskogo.html
  • zadachi.bystrickaya.ru/sistema-upravleniya-bazoj-dannih-2.html
  • urok.bystrickaya.ru/prilozhenie-44-pravila-organizacii-tehnicheskogo-obsluzhivaniya-i-remonta-oborudovaniya-zdanij-i-sooruzhenij-elektrostancij-i-setej.html
  • kolledzh.bystrickaya.ru/bal-hishnikov-podlinnaya-istoriya-drexel-burnham-i-vzlet-imperii-musornih-obligacij-pinguin-books-olimp-biznes-moskva-2004-stranica-14.html
  • znaniya.bystrickaya.ru/rabochaya-programma-po-discipline-teoriya-veroyatnostej-matematicheskaya-statistika-i-sluchajnie-processi-dlya-specialnostej-230105-programmnoe-obespechenie-vichislitelnoj-tehniki-i-avtomatizirovannih-sistem.html
  • knigi.bystrickaya.ru/referati-na-sportivnuyu-tematiku.html
  • learn.bystrickaya.ru/glava-devyataya-sklonivshis-kamatha-i-drugie-mudreci-stali-zadavat-emu-voprosi-4.html
  • university.bystrickaya.ru/glava-9-mudreci-first-published-by-penguin-books-ltd-harmondsworth-middlesex-england.html
  • studies.bystrickaya.ru/etrusskij-portret.html
  • prepodavatel.bystrickaya.ru/spravochnometodicheskoe-posobie-po-istorii-kinoiskusstva-chast-ii-stranica-2.html
  • knigi.bystrickaya.ru/referat-pochva.html
  • znaniya.bystrickaya.ru/razdel-10-glossarij-uchebno-metodicheskij-kompleks-dlya-studentov-obuchayushihsya-po-specialnostyam-mirovaya-ekonomika.html
  • write.bystrickaya.ru/glava-tretya-proekt-2000-538-s-seriya-koncepcii.html
  • grade.bystrickaya.ru/napravlennost-dnya-svyatogo-valentina-arstvenno-konfessionalnih-otnoshenij-i-prava-grazhdansko-pravovaya-i-ugolovno-pravovaya.html
  • textbook.bystrickaya.ru/iii-vserossijskaya-konferenciya-xiii-shkola-molodih-uchenih.html
  • kontrolnaya.bystrickaya.ru/programma-uchebnoj-disciplini-b-25-proektirovanie-predpriyatij-avtomobilnogo-transporta.html
  • composition.bystrickaya.ru/poka-ne-znayu-chto-predprimu-kogda-poluchu-po-voprosu-bolshe-informacii-no-sejchas-ya-dolzhen-vse-imeyushiesya-poka.html
  • laboratory.bystrickaya.ru/v-svoem-doklade-ya-kosnus.html
  • bukva.bystrickaya.ru/podprogramma-kompleksnaya-programma-modernizacii-sistemi-professionalnogo-obrazovaniya-respubliki-bashkortostan-na-2011-2015-godi-dolgosrochnoj-celevoj-programmi-stranica-2.html
  • uchitel.bystrickaya.ru/programma-raboti-nauchnoj-shkoli-18-iyunya-ponedelnik-filosofskij-fakultet-aud-108-mediafilosofiya-moderator-d-f-n-prof-savchuk-valerij-vladimirovich-10-00-11-00.html
  • doklad.bystrickaya.ru/vcelyah-realizacii-federalnogo-zakona-ob-organizacii-predostavleniya-gosudarstvennih-i-municipalnih-uslug-ipovisheniya-effektivnosti-predostavleniya-gosudarstven-stranica-7.html
  • prepodavatel.bystrickaya.ru/tipichnie-proyavleniya-emocionalnih-sostoyanij-bandurka-bocharova-zemlyanskaya-yuridicheskaya-psihologiya.html
  • znanie.bystrickaya.ru/aziya-i-okeaniya-zakon-i-blagaya-vest-25.html
  • desk.bystrickaya.ru/oformlenie-p-petrova-yalom-i-vglyadivayas-v-solnce-zhizn-bez-straha-smerti-irvin-yalom-per-s-angl-a-petrenko-stranica-3.html
  • credit.bystrickaya.ru/polozhenie-bezhencev-posle-vozvrasheniya-na-rodinu-8.html
  • occupation.bystrickaya.ru/na-01012002-goda-ezhekvartalnij-otchet-po-cennim-bumagam-za-2-kvartal-2003-goda.html
  • ucheba.bystrickaya.ru/priblizhennie-metodi-resheniya-uravnenij.html
  • doklad.bystrickaya.ru/uchebno-metodicheskij-kompleks-po-discipline-filosofiya-020801-65-ekologiya-stranica-8.html
  • uchenik.bystrickaya.ru/informacionnie-tehnologii-v-socialnoj-sfere.html
  • school.bystrickaya.ru/gdrologchn-procesi.html
  • © bystrickaya.ru
    Мобильный рефератник - для мобильных людей.