Специфика химии, ее место в естествознании

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Нижегородский институт менеджмента и бизнеса

Реферат

по предмету: Концепции современного естествознания

на тему: Специфика химии, ее место в естествознании

Выполнил:

Гарин Евгений Викторович

Нижний Новгород 2014

• Содержание
• Введение
• 1. Химия как наука и область знаний
• 2. Химическая картина мира
• 3. Этапы становления химии
• 4. Зарождение и развитие основных концептуальных систем химии
• 5. Современная химия
• 6. Место и роль химии в современном естествознании
• Заключение
• Список использованной литературы

Введение

Современное естествознание объединяет огромное количество естественнонаучных отраслей знания, которые занимаются изучением широкого спектра вопросов о различных свойствах явлений и объектов природы, которую можно рассматривать как единое целое. Одной из ключевых в числе естественнонаучных областей знания является химия -- наука о строении вещества и его преобразовании, имеющая четко определенную и весьма обширную область применения.

Актуальность темы исследования обусловлена тем, что становление и развитие современного естествознания представляет собой весьма многоплановый и сложный процесс взаимодействия систем естественных наук, в числе которых одно из почетных и важнейших мест занимает химия. Современная химия развивается стремительными темпами, плодотворно сотрудничая с физикой, математикой, биологией и другими науками.

Весь комплекс знаний в данной области, накопленных за сотни лет и переданные нам в форме теорий, методов, законов и технологий и т.д. объединяет одна лишь стержневая задача химии - задача получения веществ с нужными свойствами. Роль вещества и знаний о веществе, природа химических знаний, пути и средства их формирования в историческом развитии - вот то, с чего в можно начать изучение влияния химии на формирование и развитие современного естествознания.

Цель исследования заключается в определении специфику химии как науки и области знаний, а также место и роли в современном естествознании. Для достижения намеченной цели исследования, автором ставятся следующие задачи::

- определить понятие химии как науки и ее разделы;

- охарактеризовать специфику химической картины мира;

- обозначить основные этапы становления химии;

- рассмотреть ее основные концептуальные системы;

- определить роль и место химии в современном естествознании

- сделать выводы.

Методологической базой при написании работы будет являться научная, учебная и специальная литература, диссертации, научные публикации и статьи, материалы Интернет-ресурсов.

1. Химия как наука и область знаний

Химия -- это наука о веществах и их свойствах, их составе и строении, их превращениях, ведущих к изменению состава -- химических реакциях, а также о законах и закономерностях, которым они подчиняются. Это одна из главнейших и обширнейших областей естествознания. Поскольку все вещества состоят из атомов, которые благодаря химическим связям способны формировать молекулы, то химия занимается, прежде всего, рассмотрением перечисленных выше задач на атомно-молекулярном уровне, т. е. на уровне химических элементов и их соединений. Химия имеет немало связей с физикой и биологией, по сути граница между ними условна, а пограничные области изучаются квантовой химией, химической физикой, физической химией, геохимией, биохимией и другими науками.

Наш великий ученый Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907), называл химию «наукой о химических элементах и их соединениях»; другие определяют ее как «науку о веществах и их превращениях» либо как «науку, изучающую процессы качественного превращения веществ», и т. д. По-видимому, все эти определения правильные, так что можно согласиться и с таким, наиболее полным: «химия -- наука, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения».

Таким образом, основанием химии является двуединая проблема: получение веществ с заранее заданными свойствами (производственная задача) и выявление способов управления свойствами вещества (научно - исследовательская деятельность). Это и есть основная проблема химии - она возникает в древности и не теряет своего значения в наше время, конечно, способы ее решения меняются в зависимости от эпох, развития материального производства и познания. Студопедия. Интернет ресурс: Таким образом, основанием химии выступает двуединая проблема - получения веществ с заданными свойствами и выявления способов управления свойствами вещества. Она же является системообразующим началом данной науки. Химия как метод изучения химических свойств и строения веществ является чрезвычайно многогранной и плодотворной наукой.

Сегодня известно около 15 млн. органических и около полумиллиона неорганических веществ, причем каждое из этих веществ может вступать в десятки реакций, и каждое из них имеет внутреннее строение. Химический сервер Внутреннее строение определяет химические свойства; в свою очередь, по химическим свойствам мы часто можем судить о строении вещества. Современная химия -- это настолько обширная область естествознания, что многие её разделы по существу представляют собой самостоятельные, хотя и тесно взаимосвязанные научные дисциплины.

Взяв за основу признак изучаемых объектов (веществ) химию принято делить на неорганическую и органическую. Объяснением сущности химических явлений и установлением их общих закономерностей на основе физических принципов и экспериментальных данных занимается физическая химия, включающая квантовую химию, электрохимию, химическую термодинамику, химическую кинетику. Самостоятельными разделами являются также аналитическая и коллоидная химия. Березовчук А. В. Физическая химия: конспект лекций. - М.: Эксмо. 2009.

Технологические основы современных производств излагает химическая технология -- наука об экономичных методах и средствах промышленной химической переработки готовых природных материалов и искусственного получения химических продуктов, не встречающихся в окружающей природе.

Сочетание химии с другими смежными естественными науками представляют собой биохимия, биоорганическая химия, геохимия, радиационная химия, фотохимия и др. Общенаучные основы химических методов разрабатываются в теории познания и методологии науки.

Химия - полноправный представитель семейства точных естественных наук, то есть химическое научное знание сформировано из теорий, законов и закономерностей, формулировки которых исключают множественное толкование и которые многократно подтверждены и проверены на практике. И, как для любой естественной науки, для химии имеют большое значение проверяемость, достоверность и воспроизводимость результатов, доказательность знания, соответствие научных теорий и наблюдаемых фактов.

Химия - наука рациональная, притом, что даже гипотезы у нее обладают чисто рациональным существом. Современная химия счастливо избежала того «налета» иррациональности, который присутствует в физике, биологии, астрономии, особенно когда обсуждаются вопросы происхождения Вселенной, вещества и жизни. Химия развивалась и развивается традиционно в двух направлениях - как фундаментальная наука и как наука прикладная. В 18-19 веках второе направление развивалось более интенсивно, обслуживая промышленную революцию, а теоретическое направление вынуждено было «догонять» в попытке объяснить и систематизировать быстро растущий объем химических знаний. Кардинальные изменения произошли на рубеже 19-20 веков и особенно в начале прошлого века.

Произошедшие грандиозные открытия в физике микромира, приведшие к смене парадигмы естествознания, предопределили развитие теоретической неорганической и органической химии в свете квантовых представлений. Именно тогда и был усовершенствован механизм объяснения химического строения и структуры вещества, и в дальнейшем оба направления химической науки развивались уже в тесном взаимодействии, решая основную проблему современной химии - получение (синтез) вещества с заданными свойствами. Концепции современного естествознания Автор: Под редакцией Л. А. Михайлова Издательство: Питер: 2008. - 336 с. Важным этапом решения этой задачи является решение проблемы управления свойствами вещества. Химия как наука не только о химическом составе и структуре вещества, но и о химических процессах, развивается в рамках парадигмы современного естествознания - квантово-релятивистской механики.

2. Химическая картина мира

В далеком прошлом отсутствие в химии теоретических основ, позволяющих точно предсказывать и рассчитывать протекание химических реакций, не позволяло ставить её в ряд с науками, обосновывающими само бытие. Поэтому высказывание Д.И. Менделеева о химическом понимании мирового эфира не только не было востребовано в начале 20 века, но и оказалось незаслуженно полностью забыто на целое столетие. Связано ли это с тогдашним революционным переворотом в физике, который захватил и увлёк большинство умов в 20 веке в изучение квантовых представлений и теории относительности, сейчас уже не так важно. Жаль только, что выводы гениального учёного, к тому же признанного в то время, не пробудило качественно другие философско-методологические принципы, отличные от философских принципов, которые, кстати, в изобилии фигурировали в рассуждениях физиков.

Вероятно, обоснование столь нежелательного забвения, скорее всего, связано с распространением редукционистских течений, вызванных возвеличением физики. Именно сведение химических процессов к совокупности физических как бы прямо указывало на ненужность химических воззрений при анализе первооснов бытия. Кстати, когда химики пытались защитить специфику своей науки доводами о статистическом характере химических взаимодействий в отличие большинства взаимодействий в физике, обусловленных динамическими законами, физики тут же указывали на статистическую физику, которая якобы более полно описывает подобные процессы. Специфика химии терялась, хотя наличие строгой геометрии связей взаимодействующих частиц в химических процессах вносило в статистическое рассмотрение специфический для химии информационный аспект.

Здесь следует учитывать два ключевых обстоятельства. С одной стороны, химия - не просто сумма знаний о веществах, а высоко упорядоченная, постоянно развивающаяся система знаний, имеющих определенное социальное назначение. С другой стороны, специфика химии в том, что в отличие от других наук химия сама создает свой предмет исследования. Урман Ю.М., Королева Т.Д. Концепции современного естествознания: Электронный учебник. - Н.Новгород: НИМБ, 2005. - 81 с. Как никакая другая наука, она является одновременно и наукой, и производством. Химия всегда была нужна человеку в основном для того, чтобы получать из вещества природы вещества с необходимыми заданными свойствами. Это - производственная задача и, чтобы ее реализовать, надо уметь производить качественные превращения вещества. Другими словами, чтобы решить производственную задачу, химия должна решить теоретическую задачу генезиса (происхождения) свойств вещества.

Анализ сущности информационно-фазового состояния материальных систем резко подчёркивает информационный характер химических взаимодействий. Вода как химическая среда, оказавшись первым примером информационно-фазового состояния материальных систем, соединила в себе два состояния: жидкое и информационно-фазовое именно по причине близости химических взаимодействий к информационным.

Вакуум как электромагнитная среда физического пространства, проявившая свойства информационно-фазового состояния, скорее всего, ближе к среде, в которой протекают процессы, по форме напоминающие химические. Поэтому химическое понимание мирового эфира Д.И. Менделеева становится чрезвычайно актуальным. Давно замеченное терминологическое совпадение при описании соответствующих процессов превращения частиц в химии и в физике элементарных частиц как реакций дополнительно подчёркивает роль химических представлений в физике.

Предполагаемая взаимосвязь между информационно-фазовыми состояниями водной среды и электромагнитной среды физического вакуума свидетельствует о сопутствующих химическим процессам изменениях в физическом вакууме, что, вероятно, и ощущал Д.И. Менделеев в своих экспериментах. Следовательно, в вопросе о природе мирового эфира химия в каких-то моментах выступает даже определяющей по отношению к физическому воззрению. Вследствие этого говорить о приоритете физических или химических представлений в выработке научной картины мира, вероятно, не стоит. Менделеев Д.И. Попытка химического понимания мирового эфира», СПб., 1905, типолитография М. П. Фроловой. Электронный ресурс.

Таким образом, химическая составляющая научной картины мира объективно существует, ибо превращения веществ происходят и в космосе, и в горных породах, и в океане, и в атмосфере, и в почве, и в живых организмах, не говоря уже о многочисленных химических производствах, созданных человеком. Урман Ю.М., Королева Т.Д. Концепции современного естествознания: Электронный учебник. - Н.Новгород: НИМБ, 2005. - 81 с.

3. Этапы становления химии

Первые химические знания имеют свои истоки в глубокой древности. Как ни странно, но химические превращения применялись людьми еще в те времена, о которых не сохранилось письменных памятников. Поскольку человек всегда так или иначе имел дело с химическими веществами, его первые эксперименты с огнём, дублением шкур, приготовлением пищи можно назвать зачатками практической химии. Постепенно практические знания накапливались, и в самом начале развития цивилизации люди умели готовить некоторые краски, эмали, яды и лекарства.

Вначале человек использовал биологические процессы, такие, как брожение, гниение; позже, с освоением огня, начал использовать процессы горения, спекания, сплавления. Использовались окислительно-восстановительные реакции, не протекающие в живой природе -- например, восстановление металлов из их соединений. Эти химические «средства труда» (и, прежде всего, реакция горения) имели очень большое значение. Посредством них были заложены основы развития почти всех областей производства веществ, необходимых для прогресса человеческого общества. Огонь, очаг, печь, гончарное ремесло, металлургия, изготовление стекла, обработка кожи, приготовление продуктов брожения, красок, лекарств, средств косметики - все это основные ступени совершенствования и усложнения использованных человеком средств труда. Такие ремёсла, как металлургия, гончарство, стеклоделие, крашение, парфюмерия, косметика, достигли значительного развития ещё до начала нашей эры. в Так, состав современного бутылочного стекла практически не отличается от состава стекла, применявшегося в 4000 году до н. э. в Египте. Хотя химические знания тщательно скрывались жрецами от непосвящённых, они всё равно медленно проникали в другие страны. К европейцам химическая наука попала главным образом от арабов после завоевания ими Испании в 711 году. Они называли эту науку «алхимией», от них это название распространилось и в Европе. Зефирова О. Н. Краткий курс истории и методологии химии. -- М.: Анабасис, 2007. -- 140 с.

Без расцвета разнообразных химических ремесел вряд ли было бы возможно появление высокоразвитых цивилизаций древних государств - Китая, Индии, Египта, Греции и Рима - с их товарообменом, письменностью и замечательной культурой. В древности наивысший уровень химических знаний совпал с расцветом Римской империи.

Известно, что в Египте уже в 3000 году до н. э. умели получать медь из её соединений, используя древесный уголь в качестве восстановителя, а также получали серебро и свинец. Постепенно в Египте и Месопотамии было развито производство бронзы, а в северных странах -- железа. Делались также теоретические находки. Например, в Китае с XXII века до н. э. существовала теория об основных элементах (Вода, Огонь, Дерево, Золото, Земля). В Месопотамии возникла идея о противоположностях, из которых построен мир: огонь--вода, тепло--холод, сухость--влажность и т. д.

В V веке до н. э. в Греции Левкипп и Демокрит развили теорию о строении вещества из атомов. По аналогии со строением письма они заключили, что как речь делится на слова, а слова состоят из букв, так и все вещества состоят из определённых соединений (молекул), которые в свою очередь состоят из неделимых элементов (атомов).

В V веке до н. э. Эмпедокл предложил считать основными элементами (стихиями) Воду, Огонь, Воздух и Землю. В IV веке до н. э. Платон развил учение Эмпедокла: каждому из этих элементов соответствовал свой цвет и своя правильная пространственная фигура атома, определяющая его свойства: огню -- красный цвет и тетраэдр, воде -- синий и икосаэдр, земле -- зелёный и гексаэдр, воздуху -- жёлтый и октаэдр. По мнению Платона, именно из комбинаций этих «кирпичиков» и построен весь материальный мир. Учение о четырёх превращающихся друг в друга было унаследовано Аристотелем. химия система современный естествознание

В начале средневекового периода получает развитие то, что сейчас принято понимать под алхимией, в которой традиционно соединились, наряду с вышеназванными наукообразными компонентами, философские представления эпохи и новые для того времени ремесленные навыки, а также магические и мистические представления. Этим и была наделена в отдельных своих проявлениях и особенностях философская мысль той поры. Алхимиков, в числе прочих вопросов, продолжали интересовать способы получения золота из других металлов, а также проблемы их обработки. Эпоха алхимиков ознаменовала получение многих первичных веществ, разработку способов их получения, выделения и очистки. Рабинович В. Л. Алхимия как феномен средневековой культуры. - М.: Наука. 1979. Только в XVI веке, с развитием различных производств, в том числе металлургии, а также фармацевтики, обусловленным возрастанием её роли в медицине, начали появляться исследователи, чья деятельность выразилась существенными преобразованиями в этой науке, которые приблизили становление хорошо осмысленных и актуальных практических методов этой дисциплины. Возникновение и развитие химии с древнейших времён до XVIII века. Всеобщая история химии. - М.: Наука. 1989.

Химия как самостоятельная дисциплина определилась в XVI--XVII веках, после ряда научных открытий, обосновавших механистическую картину мира, развития промышленности, создания фабрик, появления буржуазного общества. Однако из-за того, что химия, в отличие от физики, не могла быть выражена количественно, существовали споры, является ли химия количественной воспроизводимой наукой или это некий иной вид познания. В 1661 году Роберт Бойль создал труд «Химик-скептик», в котором объяснил разность свойств различных веществ тем, что они построены из разных частиц (корпускул), которые и отвечают за свойства вещества. Ван Гельмонт, изучая горение, ввёл понятие газ для вещества, которое образуется при нём, открыл углекислый газ. В 1672 году Бойль открыл, что при обжиге металлов их масса увеличивается, и объяснил это захватом «весомых частиц пламени».

Наш великий ученый - Михаил Васильевич Ломоносов уже в первой известной своей работе, именно к данной области естествознания отношение имеющей -- «Элементы математической химии» (1741), в отличие от большинства химиков своего времени, считавших эту сферу деятельности искусством, классифицирует её как науку, начиная труд свой словами: Ломоносов В.М. Избранные произведения. В двух томах. Т. 1. Естественные науки и философия. -- М.: Наука. 1986 «Химия -- наука об изменениях, происходящих в смешанном теле, поскольку оно смешанное. ...Не сомневаюсь, что найдутся многие, которым это определение покажется неполным, будут сетовать на отсутствие начал разделения, соединения, очищения и других выражений, которыми наполнены почти все химические книги; но те, кто проницательнее, легко усмотрят, что упомянутые выражения, которыми весьма многие писатели по химии имеют обыкновение обременять без надобности свои исследования, могут быть охвачены одним словом: смешанное тело. В самом деле, обладающий знанием смешанного тела может объяснить все возможные изменения его, и в том числе разделение, соединение и т. д. С примерно с 60-х годов XVII столетия, химия определилась в своей главной задаче, породила и пережила к настоящему времени, к началу XXI столетия, четыре концептуальные системы. Миттова И.Я., Самойлов А.М. История химии с древнейших времен до конца XX века: учебное пособие в 2-х томах. -- Долгопрудный: ИД «Интеллект», 2009. -- 416 с.

4. Зарождение и развитие основных концептуальных систем химии

Решение задач стоящих перед химией на протяжении трех последних столетий осуществлялось в четыре основных этапа, породив соответствующие четыре концептуальные системы в развитии химии с XVII века по настоящее время.

Концепции химии об элементах и периодический закон Менделеева химических элементов. Первая концептуальная система началась с трудов Роберта Бойля (1627-1691 гг.) изучением химических элементов и в определенной степени завершилась созданием Периодической таблицы элементов Д.И. Менделеева в 1869 г. Эта система дала элементный состав вещества.

Представление о химических элементах возникает при попытках установить состав вещества. Простейшей процедурой для этого является химическое разложение или химический анализ, в результате которого получаются вещества, не подвергающиеся дальнейшему разложению. Эти вещества и есть химические элементы, первоначально называвшиеся «простыми телами», в отличие от «сложных тел», состоящих из нескольких простых тел. Решающее значение в химии элементов сыграло открытие кислорода, в результате чего была опровергнута бытовавшая до того гипотеза о флогистоне -- некотором «невесомом теле». Постепенно химикам стали известны, наряду с уже известными алхимикам семи металлами, также водород, азот, сера, фосфор, углерод, а Д.И. Менделееву к 1869 г. были известны уже 62 элемента. В эти же годы параллельно решалась другая, не менее важная проблема, проблема химического соединения. Первым начал решать ее немецкий химик И. Рихтер, открывший в результате законы стехиометрии и введший понятия эквивалентов и эквивалентного веса. Замечательный французский химик Ж. Пруст первым в 1801-1808 гг. установил закон постоянства состава вещества, согласно которому любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным, неизменным составом и тем самым отличается от смесей. Точная его современная формулировка такова: всякое чистое вещество независимо от его происхождения и способа получения имеет один и тот же состав. Теоретически обосновал этот закон Пруста и установил в 1803 г. другой, не менее важный закон, закон кратных отношений, английский химик и физик, фактический создатель химического атомизма Дж. Дальтон. (Он же первым описал дефект зрения, которым страдал сам и который получил позже название дальтонизм). Закон кратных отношений Дальтона гласит: если определенное количество одного элемента вступает в соединение с другим элементом в нескольких весовых отношениях, то количества первого и второго элементов относятся между собой как целые числа. После трудов Берцелиуса, Гей-Люссака и Либиха этот закон стал одним из самых фундаментальных законов химии. Дальтон ввел в химию такое, как оказалось, основополагающее понятие как атомный вес, которое сыграло во многих случаях решающую роль. Так, например, его роль в поисках системно образующего и системно упорядочивающего факторов в проблеме элементов, предпринимаемых в течение столетия со времени открытия кислорода англичанином Дж. Пристли, шведом К. Шееле и французом А.Л. Лавуазье, оказалась решающей и удалась великому русскому химику Д.И. Менделееву. Савченко В.Н., Смагин В.П. Начала современного естествознания. Концепции и принципы: учебное пособие. - М.: Феникс 2006. - 608 с.

Концепции структуры химических соединений (структурной химии). Вторая концептуальная система познания химических свойств вещества позволила установить их структуру и определила развитие структурной химии примерно с конца XVIII столетия.

Концепции структурной химии основываются на концепции атомистики, возрожденной англичанином Дж. Дальтоном, на учении шведа Йенса Берцелиуса, позднее подробно разработанных и уточненных немецким химиком Ф. Кекуле и нашим выдающимся соотечественником А. М. Бутлеровым. Берцелиуса интересовал вопрос об упорядоченности или произволе в объединении атомов в молекулах, на путях решения которого он разработал новую теорию строения химического вещества, а также произвел такое точное измерение атомных весов элементов, что они практически совпадают с современными данными. Символика химических элементов, формулы соединений и химических уравнений также предложены Берцелиусом в 1814 г. В качестве символа элемента он предложил принимать первую букву его латинского или греческого названия. В тех случаях, когда элементы начинаются с одних и тех же букв, к ним добавляется вторая буква названия. Берцелиус предложил все вещества разделить на органические и неорганические.

Дальнейшее развитие теория Берцелиуса получила в работах немецкого химика Ф. Кекуле. Он сформировал основные положения теории валентности, обосновал наличие для углерода четырех единиц сродства, а для азота, кислорода и водорода соответственно трех, двух и одной. Впоследствии, через несколько десятилетий, в квантовой механике все это получило объяснение. Число единиц сродства, присущее атому того или иного элемента, получило название «валентность». Объединение атомов в молекулу происходит в результате замыкания свободных единиц сродства (валентности). Так образуются простейшие молекулы вроде молекул водорода, воды, и так же образуются очень важные в органике углерод углеродные цепи. Комбинируя атомы разных элементов, можно создать структуры (структурные формулы) любого химического соединения. Но не каждая из формул, которая может быть записана, осуществляется в природе. Заслугой теории валентности Кекуле стало представление об атомной структуре сначала углеводородов, а затем и для других органических соединений. Несколько позднее, в 1874 г., датский химик Я.Г. Вант-Гофф выдвинул смелое предположение, согласно которому четыре связи атома углерода направлены к вершинам тетраэдра, в центре которого находится этот атом. Так в химии возникли и стали укрепляться пространственные модели молекул, после чего началось бурное развитие структурной химии.

Несколько позднее наш ученый-химик А.М. Бутлеров показал, что необходимо учитывать, еще так называемую химическую активность реагентов. Идеи Бутлерова блестяще подтвердились квантовой механикой, так что, согласно современным воззрениям, структура молекул -- это пространственная и энергетическая упорядоченность системы, состоящей из атомных ядер и электронов. Главное, чему способствовали учения Кекуле и Бутлерова, так это синтезу сначала простейших, а затем и более сложных углеводородов. Но, вместе с тем, структурная химия не смогла решить проблемы получения этилена, бензола, ацетилена, дефинила (необходимого при производстве каучука) и других углеводородов с цепочкой из четырех атомов углерода. Решение этой проблемы требовало нефтехимическое производство, и оно оказалось возможным лишь гораздо позднее, посредством химической кинетики и термодинамики. Савченко В.Н., Смагин В.П. Начала современного естествознания. Концепции и принципы: учебное пособие. - М.: Феникс 2006. - 608 с.

Концепции и законы химических процессов (реакций). Третья концептуальная система в химии возникла на стыке химии, физики и открывает пути к пониманию биологических систем. Эта концептуальная система -- появилось с середины XX столетия, и установила особенности протекания химических реакций, позволила создать основы крупномасштабных химических технологий.

Согласно данной концепции - химический процесс представляет собой мост от объектов физики к объектам биологии, так как возникает возможность последовательно проследить путь от простых микрообъектов, таких как электрон, протон, атом, молекула и полимер, в конечном итоге к биополимеру, к клетке, в которой совершаются немыслимые химические реакции. Течение многих химических реакций весьма сложно, а иногда попросту трудноуправляемо: одни из них почему-то невозможны, другие невозможно или сложно остановить (горение, взрыв), третьи ветвятся и т. п. Методы управления химическими реакциями подразделяются на термодинамические и кинетические, при которых главенствующую роль играют те или иные катализаторы.

Всякой химической реакции свойственна ее обратимость, которая является основанием равновесия между прямой и обратимой реакциями. В зависимости от природы реагентов и условий процесса, равновесие может смещаться в прямую либо в обратную сторону изменением температуры, давления и концентрации реагентов. Тем не менее, подобрать условия осуществления тех или иных, на первый взгляд простых, реакций, иногда не удавалось в течение ста и более лет. Такой реакцией оказалась реакция синтеза аммиака из молекулярных азота и водорода, впервые успешно осуществленная в 1913 г., после открытий Я. Вант-Гоффом и А. Ле Шателье принципа, получившего их имена. Согласно этому принципу любое изменение одного из условий равновесия вызывает смещение системы в таком направлении, которое уменьшает первоначальное изменение. Оказалось, что аммиак может синтезироваться в присутствии металлоорганического катализатора (первоначально специально обработанного железа) при высоком давлении и нормальной температуре.

Термодинамическое воздействие оказывает влияние на направленность реакции, а вот функции управления скоростью химической реакцией выполняет химическая кинетика, ускоряя или замедляя реакции с помощью катализаторов и ингибиторов, соответственно. Химический катализ был открыт в 1812 г. русским химиком Константином Кирхгофом (не путать с немецким физиком Густавом Кирхгофом, установившим законы для электрической цепи, первооткрывателем спектроскопии вместе с Р. Бунзеном и т. д.). Среди катализаторов особая роль принадлежит ферментам, своеобразным живым катализаторам, сыгравшим ключевую роль в возникновении жизни. Савченко В.Н., Смагин В.П. Начала современного естествознания. Концепции и принципы: учебное пособие. - М.: Феникс 2006. - 608 с.

Концепции и принципы эволюционной химии и самоорганизации эволюционных химических систем. Четвертая концептуальная система развивается с конца прошлого века и по сей день. Она связана с глубоким и всесторонним изучением природы реагентов, роли катализаторов в химических реакциях. Эта система получила название эволюционная химия и в своих простейших проявлениях дает нам примеры самоорганизации и саморазвития, предопределившие начало биологической эволюции как основы зарождения жизни.

Система и концепции эволюционной химии стали формироваться в 60-70-е годы XX века и в своей основе отвечают давней мечте химиков освоить и перенять опыт лаборатории живого организма, понять, как из неорганической (косной) материи возникает органическая, а затем и живое вещество -- жизнь. Здесь опять можно упомянуть И. Берцелиуса, а дополнительно немца Ю. Либиха, француза М. Бертло.

Известный во всем мире советский ученый, Нобелевский лауреат по химии Николай Николаевич Семенов представлял химические процессы в тканях растений и животных как химическое производство живой природы, как производство неких «молекулярных машин» совершенно исключительной точности, быстроты и необычайного совершенства. Это подтверждается открытым недавно синтезом больших белковых молекул со строгим чередованием аминокислот. Клетки имеют в своем составе субмикроскпические «сборные заводики» -- рибосомы, содержащие рибонуклеиновые кислоты (РНК), как сборные «машины». Каждый вид коротких молекул транспортных РНК захватывает один определенный вид аминокислот, несет их в рибосому и ставит каждую аминокислоту на свое место согласно информации, содержащейся в молекулах РНК. Тут же к аминокислотам подходят катализаторы-ферменты и осуществляют «сшивку» аминокислот в одну молекулу белка со строгим чередованием. Это настоящий природный завод, строящий молекулу по плану, выработанному организмами в процессе эволюции. Вот эти планы живых организмов и предполагается использовать в новой эволюционной химии.

Особенное значение для развития этого направления сыграла реакция по самоорганизации химических систем, проведенная выдающимся советским биохимиком Борисом Павловичем Белоусовым, затем тщательно изученная А.М. Жаботинским, вошедшая в арсенал современной эволюционной химии под названием реакции Белоусова-Жаботинского. Эта реакция сопровождается образованием специфических пространственных и временных структур (например, периодическое чередование цвета жидкости) за счет поступления новых и удаления использованных химических реагентов. Вот в этих реакциях самоорганизации как раз решающая роль принадлежит именно каталитическим процессам. Савченко В.Н., Смагин В.П. Начала современного естествознания. Концепции и принципы: учебное пособие. - М.: Феникс 2006. - 608 с.

Понятие «самоорганизации» означает упорядоченность существования материальных динамических, качественно изменяющихся систем. Роль каталитических процессов в них усиливается по мере усложнения состава и структуры химических систем. Помимо всего этого, эволюционный процесс предполагает особый дифференцированный отбор лишь тех химических элементов и соединений, которые являются основным строительным материалом для образования биологических систем. В связи с этим достаточно упомянуть, что более чем из ста химических элементов лишь шесть -- углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера -- общая весовая доля которых в организмах составляет 97,4%, получивших название органо- или биогенов, служат основой для построения живых систем.

Отрадно, что определяющее значение в исследовании этого плана сыграли работы отечественных ученых И. В. Березина, А. А. Баландина и особенно А. П. Руденко, создавшего в 1964-1969 гг. единую теорию химической эволюции и биогенеза. Эта теория решает в комплексе вопросы о движущих силах и механизмах эволюционного процесса, т. е. о законах химической эволюции, отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, уровне химической организации и иерархии химических систем как следствия эволюции.

Сегодня уже совершенно ясны перспективы создания и развития новой химии, на основе которой будут созданы малоотходные, безотходные и энергосберегающие промышленные технологии.

5. Современная химия

За последние несколько десятков лет химия стала очень точной наукой. За это время было установлено множество количественных закономерностей, точных законов, достигнут высочайший метрологический уровень определения атомно-молекулярных, термодинамических и кинетических констант, характеризующих вещество и химический процесс.

Химия также стала очень разветвленной наукой. Современные многие ее области существуют как самостоятельные: неорганическая, органическая, физическая химия, радиохимия, биохимия, аналитическая химия, геохимия и другие. Каждая из них имеет собственный предмет и собственную область исследования, свои проблемы и свои экспериментальные методы. Сейчас уже на смену профессиональному "дроблению" химии пришло осознание необходимости совместного решения общих фундаментальных проблем химической науки. А.Л. Бучаченко Химия на рубеже веков: свершения и прогнозы. - Статья в журнале "Успехи химии" т. 68, №2, 1999 г.

Новая попытка определить эти главные, "интеграционные" направления в химии дала классификацию химии на новом уровне. Это структурирование химии не по названиям разных "химий", число которых уже далеко превзошло четыре десятка; это структурирование химии по задачам и целям, по ее внутренней логике, которая не разделяет химию на "химические губернии", а организует как единую науку и объединяет химиков в единое сообщество.

Сегодня, в 21-ом веке, иерархия общих проблем химии может быть представлена в следующем виде:

- химическое материаловедение;

- химическая энергетика;

- химическая технология;

- химическая структура и функция;

- химическая аналитика и диагностика;

- управление химическими процессами;

- искусство химического синтеза;

- химия жизни.

Все это ключевые стратегические направления современной химии, по которым она развивается. Они отражают ее движение и ее прогресс.

Вещество - не материал, а лишь его предшественник. Надо научить вещество работать как материал, определить его характеристики и границы применимости - это задача химического материаловедения. Прогресс химического материаловедения и химической технологии невозможен без надежной химической аналитики и диагностики. Это - бурно развивающееся направление (включающее химическую сенсорику и химию запаха) с огромными техническими "выходами" во все области - от систем техногенного контроля до медицины и экологии.

Разработка высокоэффективных способов преобразования химической энергии в другие виды энергии, накапливание энергии в энергоемких веществах и материалах (включая лазеры с химической и солнечной накачкой), преобразование солнечной энергии, химические источники тока, сопряжение энергопроизводящих и энергозатратных процессов - все это составляет предмет химической энергетики.

Химический синтез - ключевое направление химии, источник всех ее сокровищ. Это направление делает ее самой созидательной наукой. Химия поставляет материалы для всех отраслей науки и производства, и в этом смысле можно сказать, что она стоит в центре естественных наук. Особую интригу вносит то обстоятельство, что наряду с научными принципами химического синтеза здесь остается простор для игры ума и интуиции. Это сближает химический синтез с искусством. Атомно-молекулярная архитектура и электронное строение вновь синтезированных соединений бесконечно разнообразны, настолько же разнообразны их физические и химические свойства и, следовательно, их функции.

Управление химическими процессами, их молекулярными механизмами, использование химических факторов (комплексообразования, сольватации, молекулярной организации, катализа) и физических воздействий (от света до механики) для регулирования химических процессов - таково содержание этого направления.

Задача химической технологии - обеспечить технологический дизайн процесса, его оптимизацию и масштабирование, низкие энергозатраты, высокую безопасность и экологическую чистоту. Нет нужды доказывать, что все эти направления связаны не только логикой. Их внутренне объединяет сама методология химического исследования: в хорошей научной статье можно найти элементы нескольких направлений. И это великолепное сочетание дифференциации и интеграции - результативный и созидательный стиль современной химии.

Химия жизни - это гигантская химическая галактика, которую еще предстоит осваивать. На нее работают биохимия и химия природных веществ, фитохимия, наука о ферментах, медицинская и фармацевтическая химия, генная инженерия, биотехнология и многие другие. Это направление с ярко выраженными ожиданиями, гигантским потенциалом, бесспорными перспективами и огромным будущим; его контуры и масштабы уже сегодня просматриваются в трансгенной технологии. Савченко В.Н., Смагин В.П. Начала современного естествознания. Концепции и принципы: учебное пособие. - М.: Феникс 2006. - 608 с.

6. Место и роль химии в современном естествознании

Химия дала возможности человеку решить многие технические, экономические и социальные проблемы. Можно с уверенностью сказать, что химия является важнейшим разделом современного естествознания, поскольку она играет колоссальную роль в решении наиболее актуальных и перспективных проблем современного общества, таких как: Концепции современного естествознания Автор: Под редакцией Л. А. Михайлова Издательство: Питер: 2008. - 336 с.

- Исследование механизма важнейших биохимических процессов и их реализация в искусственных условиях;

- Улучшение эффективности искусственных удобрений для повышения уровня урожайности сельскохозяйственной продукции;

- Разработку огромных океанических запасов сырья;

- Поиск и создание новых источников энергии;

- Синтез новых веществ и композиций, необходимых для решения технических задач будущего;

- Синтез продуктов питания из несельскохозяйственного сырья;

- Охрану окружающей среды.

Наиболее тесные связи издавна связывают химию с физикой. Результатом становится возникновение все новых и новых смежных физико-химических отраслей знания. Огромное значение, которое имеет эта связь, требует специального рассмотрения вопроса о связи химии и физики.

Современная химия тесно связана как с др. науками, так и со всеми отраслями народного хозяйства. Качественная особенность химической формы движения материи и её переходов в др. формы движения обусловливает разносторонность химической науки и её связей с областями знания, изучающими и более низшие, и более высшие формы движения. Познание химической формы движения материи обогащает общее учение о развитии природы, эволюции вещества во Вселенной, содействует становлению целостной материалистической картины мира. Соприкосновение химии с др. науками порождает специфические области взаимного их проникновения. Так, области перехода между химией и физикой представлены физической химией и химической физикой. Между химией и биологией, химией и геологией возникли особые пограничные области - геохимия, биохимия, биогеохимия, молекулярная биология. Важнейшие законы химии формулируются на математическом языке, и теоретическая химия не может развиваться без математики.

Человечество добилось грандиозных успехов в решении больших и малых проблем выживания, которые в значительной мере были достигнуты благодаря развитию химии. Успехи многих отраслей человеческой действительности, таких как энергетика, металлургия, машиностроение, легкая и пищевая промышленность и других, во многом зависит от состояния и развития химии. Огромное значение химия имеет для успешной работы сельскохозяйственного производства, фармацевтической промышленности, обеспечения быта человека. Химическая промышленность производит десятки тысяч наименований продуктов, многие из которых по технологическим и экономическим характеристикам успешно конкурируют с традиционными материалами, а часть является уникальной по своим параметрам. Химия дает материалы с заранее заданными свойствами, в том числе и такими, которые не встречаются в природе.

Химия не только обеспечивает производство многих необходимых продуктов, материалов. Во многих отраслях промышленности широко используются такие химические методы обработки: отбеливание, крашение, печатание, что привело к интенсификации процессов повышения качества.

В современной химии накапливаются данные о химической эволюции вещества во Вселенной, что позволяет составить общую картину эволюции природы. На этом пути химия активно интегрируется с другими естественными науками, в результате чего появились геохимия, гидрохимия, химия атмосферы, биогеохимия. В перечисленных науках постепенно формируются представления о планетарных миграциях химических элементов. Биохимия изучает жизненные циклы, осуществляемые с участием белковых катализаторов - ферментов.

Химическая наука находится сейчас на пороге грандиозного взлета. Ей предстоит выяснить процессы образования минералов земной коры, химических соединений на других планетах и звездах, проникнуть в самые тайники биохимических превращений, вооружить промышленность, сельское хозяйство, здравоохранение новыми синтетическими препаратами. Те успехи, которые одерживала химия в познании природы, явились результатом тесного единства в развитии химической науки с другими областями современного естествознания.

Заключение

Итак, роль, которую играло, играет и будет играть развитие химической науки, в становлении естественнонаучных знаний является одной из центральных ролей. Являясь составной частью в истории формирования общей естественнонаучной картины мира, история познания химических свойств вещества, история практического овладения им, тесно переплеталась с историей развития отношения человека с окружающим миром. История становления и развития этой науки и области знаний доказывает, что многие крупные представители этой науки отличались высокой гносеологической культурой и в той или иной мере всегда проявляли интерес мировоззренческой и методологической стороне развития химии, а характер и уровень их позиции всегда отражался в направлениях, методах и результатах их исследований.

Первые химические знания имеют свои истоки в глубокой древности. В их основе - потребность человека получить необходимые вещества, объяснить взаимодействие веществ для своей жизнедеятельности. Начиная с древнейших времен и вплоть до наших дней по всем направлениям развития химической и смежных с ней научных теорий, можно наблюдать позитивный и безостановочный прогресс. Научные знания продолжают постоянно углубляться и совершенствоваться.

Химия со всеми ее научными достижениями вносит неоценимый вклад в современное миропонимание, в развитие естественнонаучных знаний, значительно отражается на состоянии взаимодействия общества с природой. Все те знания о природе, о вещах и превращениях веществ, которые дает нам химическая теория и практика, являются основой для формирования мировоззрения человека, развития общих представлений о мире, о природе человека, его деятельности. Ведь чтобы сформировать у современного человека естественнонаучный способ мышления, целостного мировоззрения необходимы и знания основных положений химии, как одной из важнейших наук, ее исторического развития и современного понимания роли химии для жизни и деятельности человека.

В завершении работы логично было бы дать развернутую видимость перспектив развития современной химии, которые, безусловно, будут обширными и блестящими. Тем не менее, как раз из-за обширности и обилия, активно развивающихся и пока еще неоткрытых областей научных исследований, описать эти перспективы очень трудно. Да и темпы развития новейших направлений настолько стремительны, что в самое ближайшее время возможны такие повороты, что даже сложно себе вообразить.

Список использованной литературы

1. Березовчук А.В. Физическая химия: конспект лекций. - М.: Эксмо. 2009.

2. Бучаченко А.Л. Химия на рубеже веков: свершения и прогнозы. - Статья в журнале "Успехи химии" т. 68, №2, 1999 г.

3. Возникновение и развитие химии с древнейших времён до XVIII века. Всеобщая история химии. - М.: Наука. 1989.

4. Зефирова О. Н. Краткий курс истории и методологии химии. -- М.: Анабасис, 2007. -- 140 с.

5. Концепции современного естествознания Автор: Под редакцией Л. А. Михайлова Издательство: Питер: 2008. - 336 с.

6. Ломоносов В.М. Избранные произведения. В двух томах. Т. 1. Естественные науки и философия. -- М.: Наука. 1986

7. Менделеев Д.И. Попытка химического понимания мирового эфира», СПб, 1905, типолитография М. П. Фроловой. Электронный ресурс.

8. Миттова И.Я., Самойлов А. М. История химии с древнейших времен до конца XX века: учебное пособие в 2-х томах. -- Долгопрудный: ИД «Интеллект», 2009. -- 416 с.

9. Рабинович В. Л. Алхимия как феномен средневековой культуры. - М.: Наука. 1979.

10. Савченко В.Н., Смагин В.П. Начала современного естествознания. Концепции и принципы: учебное пособие. - М.: Феникс 2006. - 608 с.

Размещено на Allbest.ru