Химические концепции познания мира

Размещено на http://www.allbest.ru/

Химические концепции познания мира

Химия в контексте интеллектуальной культуры. Структурные уровни организации материи в рамках современной химии. Химические системы

Исходя из структурной организации материи в вещественной форме, достаточно трудно, по мнению Л.И. Мандельштама, отделить предмет химии от физики. Однако попытки последовательно вывести предсказания химии на основе только физических законов, описывающих поведение микрочастиц, часто терпят неудачу. Это обусловлено определённым различием структурно-теоретических моделей химии и физики, хотя концепция моделирования и является общей для всего естествознания. С физической точки зрения вещества, а тем более вещества в процессах превращения - это объекты необычайной сложности, тогда как для химии они являются элементарными логическими “кирпичиками” науки.

Таким образом, химический срез естественнонаучной 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. Это центральное положение химии в концепции вещества, определяющее пересечение химии не только с физикой, но и с науками о Земле и биологией, задаёт особое место химии и в контексте интеллектуальной культуры. Создание комфортных условий существования человеческой цивилизации тесно взаимосвязано как с энергетическими ресурсами и, прежде всего, с возобновляемыми источниками энергии, так с получением новых веществ, не нарушающих экологическую безопасность биосферы и существования семейства людей. Отсюда вытекает главная задача химии - получение веществ с заданными свойствами и установление способов управления свойствами веществ в процессе их превращения.

Мы дадим определение химии, опираясь на распределение моделей химии по четырём концептуально-конструктивным уровням (см. схему 39), и в дальнейшем изложении рассмотрим каждый раздел (концептуально-конструктивный уровень) химии более детально.

Итак, современная химия - это наука о химических моделях вещества; химических элементах и соединениях, их составе и структуре, о химических процессах и химической эволюции природных систем.

Вполне очевидно, что мы можем рассматривать химию Вселенной как в рамках мегамира, так и в рамках макромира и микромира.

Выделение “химических кирпичиков” вещества носит в значительной степени относительный характер с опорой прежде всего на классическую химию, хотя в основных моделях современной химии мы выделяем и неклассическую электронную модель, и эволюционную модель саморазвития элементарных каталитических систем. При таком подходе можно выделить следующие уровни материи в рамках современной химии (см. схему 40).

Структурные уровни организации материи в рамках современной химии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для наглядности приведём понятийные определения химических систем (см. схему 41) в рамках концепции целостности и единства реагентов и продуктов реакции.

Химические системы

v Атом - электронейтральная система взаимодействующих элементарных частиц, состоящая из ядра (образованного протонами и нейтронами) и электронов.

v Молекула - электронейтральная наименьшая совокупность атомов, образующих определённую структуру посредством химических связей.

v Химический элемент - совокупность атомов (изотопов) с одинаковым зарядом Z ядра.

v Химическое соединение. Вещество, которое состоит из атомов в определенном отношении и объединённых определённой химической связью, является химическим соединением. Химические соединения подразделяют на неорганические - соединения всех элементов периодической системы, и органические - соединения углерода и некоторых других элементов, в которых атомы углерода соединены между собой в цепи.

v Дальтониды - вещества постоянного состава.

v Бертоллиды - вещества переменного состава.

v Мономер - вещество, молекулы которого способны реагировать между собой или с молекулами других веществ, образуя полимер.

v Полимер - вещества, молекулы (макромолекулы) которых состоят из большого числа звеньев. Полимеризация - процесс или синтез получения полимеров.

v Химическая формула. Отражает состав, (структуру) вещества в виде химического соединения. Молекулярная формула указывает число атомов химического элемента в молекуле. Структурная (графическая) формула отражает порядок соединения атомов в молекуле и число связей между атомами.

v Химическая реакция - превращение веществ, сопровождающееся изменением их состава и (или) строения. Записывается схематически с помощью формул реагентов и продуктов реакции.

v Реакционная способность элемента - это активность в химических реакциях, которая определяется количеством электронов на внешних оболочках атома.

Рассмотрим фрагментарно основные концептуально-конструктивные уровни (разделы) современной химии, в рамках которых мы более детально раскроем и структурные уровни организации материи в химии.

Структурно-концептуальные разделы современной химии

Химические явления протекают в системах, плохо обусловленных: в них действует одновременно множество сложным образом изменяющихся факторов. Указанное обстоятельство привело к тому, что в химической теории выработано множество частных моделей, применимость которых ограничена узкими рамками конкретных условий проведения реакций. Это создает в целом пёструю, фрагментарную картину теоретической химии.

Однако, существует возможность краткого анализа основных химических моделей в рамках четырех структурно-концептуальных разделов современной химии, а именно: учения о составе, структурной химии, учения о химических процессах и эволюционной химии.

Учение о составе вещества

Учение о составе включает в себя проблемы химического элемента и химического соединения. Первая модель «химического элемента» была введена в XVII в. Р. Бойлем, как предельного “простого вещества”, получаемого при химическом разложении веществ, переходящего без изменения из состава одного сложного тела в состав другого. Однако само открытие химических элементов произошло значительно позже (фосфор был открыт только в 1669 г., кобальт - в 1735г., никель - в 1751 г., водород - в 1766г., фтор - в 1771 г., азот и кислород - в 1772 г. и т.д.).

А.А Лавуазье (в конце XVIIIв.) сделал первую попытку в истории химии систематизации химических элементов и соединений.

Д.И. Менделеев открыл периодический закон и разработал Периодическую систему химических элементов (1889 г.). Он исходил из того, что основной характеристикой химических элементов являются их атомные массы. Дальнейшие уточнения показали, что место химического элемента в Периодической системе определяется не атомной массой, а зарядом атомного ядра. В этой связи можно утверждать, что химический элемент - это совокупность атомов (изотопов), обладающих одинаковым зарядом ядра. Каждый химический элемент имеет определённую массу, представляющую собой среднее значение масс всех его изотопов. Изотопы, с точки зрения радиационной химии - разновидности атомов данного химического элемента, обладающие одинаковым зарядом ядра, но различающиеся массой. Во времена Д.И. Менделеева было известно 62 химических элемента, сейчас - более 114.

Периодический закон формулируется следующим образом: химические свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атома (порядкового номера). Исключение - изотопы водорода: протий, тритий, дейтерий, обладающие различными химическими свойствами.

В периодической системе по горизонтали имеется семь периодов (обозначены арабскими цифрами), из них первый, второй и третий называются малыми, а остальные - большими. Каждый период за исключение первого начинается щелочным металлом и заканчивается благородным газом (седьмой период - незаконченный). В системе 10 рядов (обозначены римскими цифрами). Каждый малый период состоит из одного ряда, каждый большой - из двух рядов: четного (верхнего) и нечетного (нижнего). В четных рядах больших периодов находятся металлы. По вертикали расположено восемь групп (обозначены римскими цифрами). Номер группы связан со степенью окисления элементов, проявляемой ими в соединениях. Каждая группа делится на две подгруппы, причем главную подгруппу начинает элемент малого периода или первый элемент группы. В побочную группу входят элементы только больших периодов. VIII группа отличается от остальных: кроме главной подгруппы гелия она содержит побочную подгруппу, состоящую из триад железа, рутения осмия.

В настоящее время раскрыт физико-химический смысл периодического закона, и дано квантово-механическое объяснение строения атомов химических элементов на основе понятия электронной оболочки квантовых чисел и принципа Паули (см. схемы 33, 34 в лекции 4).

Все свойства элементов таблицы Д.И. Менделеева объясняются порядком заполнения электронами энергетических уровней (оболочек) и подуровней (подоболочек) атомов. Каждый период начинается элементом, в атоме которого на внешней электронной оболочке находится s-электрон. Завершаются периоды благородными газами, атомы которых имеют полностью заполненную внешнюю оболочку. Номер группы, как правило, указывает число электронов, которые могут участвовать в образовании химических связей. химия катализ материя связь

В начале XIX в. Ж. Пруст сформулировал закон постоянства состава: любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определённым неизменным составом, прочным притяжением составных частей (атомов) и тем отличается от смесей. Теоретически закон постоянства состава обосновал Д. Дальтон. Возникла модель веществ постоянного состава - дальтониды. На основе идеи об атомистическом строении вещества он утверждал, что химические соединения состоят из атомов двух или нескольких элементов, образующих определённые (он считал кратные) сочетания друг с другом. Возникла стехиометрическая модель химических соединений, а затем и типологии молекул.

К.Л. Бертолле, внёсший совместно с А.А. Лавуазье значительный вклад в номенклатуру химических соединений, считал, что в химии огромная роль принадлежит веществам переменного состава - бертоллидам. С конца XIX в. возобновились исследования, подвергающие сомнению абсолютизацию закона постоянства состава. Результаты исследований показали, что суть проблемы химических соединений состоит не столько в постоянстве состава, сколько в природе химических связей, объединяющих атомы в единую квантово-механическую систему - молекулу. Молекула представляет собой электронейтральную наименьшую совокупность атомов, образующих определённую структуру посредством химических связей.

В результате открытия физической природы химизма, как обменного взаимодействия электронов, химия по-новому стала решать проблему химического соединения, которое определяется как качественно определённое вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счёт обменного взаимодействия (химической связи) объединены в химическое соединение, неорганическое или органическое, мономеры или полимеры.

Произошло пересечение («вложение» друг в друга) стехиометрической, атомно-молекулярной, геометрической и электронной моделей химии. С современной точки зрения, стехиометрическая модель означает использование химических формул и уравнений, атомно-молекулярная модель - описание химических реакций как внутри- и межмолекулярных перегруппировок атомов, геометрическая модель определяет язык структурных формул и геометрических молекулярных параметров, а электронная модель выводит реакционную способность веществ из электронного строения молекул. Эти модели “вложены” друг в друга: каждая последующая использует и детализирует постулаты предыдущих.

В рамках современной электронной модели можно дать и краткую характеристику основным типам химических связей (см. схему 42).

Характерные особенности основных типов химических связей.

Структурная химия

«Структурная химия» - термин условный. Речь идет об уровне развития химических знаний, при котором особую роль играет понятие «структура химического соединения», а также структура молекул.

Ф. Кекуле связал структуру молекул с понятием валентности элемента или числа единиц его сродства. На этой основе и возникли структурные формулы органической химии и появился термин «органический синтез».

В это время были синтезированы на основе простейших углеводов анилиновые красители. Затем были поучены новые вещества (лекарственные препараты, взрывчатые вещества и т.д.).

Определяющей идеей понятия химической структуры была теория химического строения А.М.Бутлерова (1861). Характерной, неклассической концепцией стало представление об изомерии и её взаимосвязи со структурой веществ и типологии молекул. Бутлеров первым чётко сформулировал определение химического строения как способа химических связей в молекуле и в химических соединениях. Он же ввёл понятие энергоёмкости химических связей. Так с помощью структурной теории развивалась систематика органических соединений.

Важно было также введение Я. Вант-Гоффом (1874) стереоскопических структурных моделей.

Современная структурная химия использует кооперативное взаимодействие классических химических моделей вещества и типологии молекул (атомно-молекулярной, геометрической как в двумерном, так и в трехмерном виде, с неклассической электронной моделью) и опирается на взаимосодействие классической и квантовой химии.

По современным представлениям, структура молекул - это пространственная и энергетическая упорядоченность квантовомеханической системы, состоящей из атомных ядер и электронов. Органические соединения - структурные образования из органических молекул. Главная роль в структуре органических соединений принадлежит углероду, который строит сложные циклические, ветвистые, линейные цепи, вовлекая в них и другие химические элементы, прежде всего - водород.

Структура неорганических соединений взаимосвязана с химией твердых и жидкокристаллических тел, пересекающейся с квантовой физикой. Структура задается квантовомеханическим взаимодействием атомов в неорганических молекулах, атомов химических элементов и (или) неорганических молекул в неорганических соединениях.

Проблемы учения о химических процессах

Способность к взаимодействию различных реагентов определяется не только их атомно-молекулярной структурой, но и условиями протекания химических реакций. К условиям протекания химических процессов относятся термодинамические (характеризующие зависимость реакции от температуры, давления, энтропии и т.п.) и кинетические факторы.

Для наглядности основные законы и принципы учения о химических процессах, учитывающие отмеченные выше термодинамические и концентрационно-кинетические факторы, представим в табличной форме (см. схему 43).

Основные законы и принципы учения о химических процессах.

v Закон действующих масс. Скорость химических реакций при постоянной температуре пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ:

v Правило Вант-Гоффа. при повышении температуры на 10є скорость гомогенной реакции возрастает в г раз:

v Принцип Ле-Шателье. Определяет подвижное равновесие. Химическим равновесием называется состояние, в котором скорость обратной реакции равна скорости прямой реакции.

v Закон Аррениуса. Доля атомов (молекул), способных прореагировать

Особое значение в учении о химических процессах приобрел закон С. Аррениуса. Закон сохранения энергии не позволяет всем реагентам (молекулам) соединиться друг с другом; существует некоторый энергетический барьер (определяемый количеством связей, порядком расположения атомов), только преодолев который, вещества вступят в реакцию. С. Аррениус доказал, что в реакцию могут вступать только те молекулы (реагенты), которые обладают избыточной энергией, т.е. активные молекулы. При обычной температуре их доля увеличивается в соответствии с правилом Вант-Гоффа.

В XX веке особую роль приобрела физическая химия цепных химических реакций: большинство реакций идет не прямо, а через промежуточные продукты, потому что при этом значительно понижается энергия активации. Она уменьшается особенно заметно, если атомы или соединения, входящие в промежуточные реакции, имеют свободные, ненасыщенные валентности. Такие атомы и соединения называются радикалами. Их обычно обозначают точкой над химическим символом. Академик Н.Н.Семенов открыл в 1926-1932гг класс цепных реакций, где взамен одной свободной валентности (радикала) получается несколько свободных валентностей (радикалов). В 1956г за эти работы ему была присуждена Нобелевская премия по химии. Особую роль в учении о химических процессах приобрел катализ, который позволил перебросить мостик от классической к неклассической (квантовой) химии и эволюционной химии.Оказалось, что условия протекания химических процессов в современной химии становятся зависимыми не только от термодинамических (температуры, давления и т.п.), но и структурно-кинетических факторов: строения исходных реагентов; их концентрации; наличия в реакторе катализаторов (или ингибиторов) и других добавок; способов смешивания реагентов, материалов и конструкции реактора и т.п. Влияние такого типа факторов, воздействие которых зачастую носит неконтролируемый характер, может быть сведено к катализу.

В рамках концепции неконтролируемого воздействия в химии основные понятия катализа представим в табличном виде (см. схему 44). При этом химия все более учитывает вероятностный подход квантовой физики, а также законы и принципы как равновесной, так и неравновесной необратимой термодинамики.

Катализ определяет положительное воздействие на химический процесс, а ингибирование определяет сдерживающий процесс.

Основные понятия (определения) катализа

v Катализ - ускорение химической реакции в присутствии веществ - катализаторов, которые взаимодействуют с реагентами, но в реакции не расходуются и не входят в состав конечного продукта.

v Гомогенный катализ - катализ, который происходит либо в газовой смеси, либо в растворе, в котором растворены как катализатор, так и реагенты.

v Гетерогенный катализ - катализ, при котором химическая реакция совершается в поверхностных слоях на границе раздела твердого тела, который обычно и выполняет роль катализатора, и газообразной или жидкой смеси реагентов.

v Ферментный катализ - катализ, в котором в качестве катализаторов используются ферменты, как природные, так и искусственные сложнейшие молекулярные системы - биологические катализаторы.

v Автокатализ - катализ, в котором в качестве катализатора выступают те или иные продукты химической реакции.

Катализ играет решающую роль в процессе перехода от химических систем к биологическим.

Эволюционная химия

Предметом эволюционной химии является самоорганизация предбиологических систем. Существует два подхода к проблеме самоорганизации предбиологических систем: субстратный и функциональный.

Субстратный подход

Отличительная черта субстратного подхода состоит в исследовании вещественной основы биологических систем, т.е. определённого состава элементов - органогенов и определённой структуры входящих в живой организм химических соединений. Результатом субстратного подхода к проблеме биогенеза является накопленная информация об отборе химических элементов и структур.

Отбор химических элементов в процессе самоорганизации предбиологических систем внёс определённые закономерности в этот процесс:

Основу живых систем составляют только шесть элементов, получивших название органогенов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера, общая весовая доля которых в организме составляет более 97%. За ними следует 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 ещё 20 элементов, участвующих в построении и функционировании отдельных узкоспецифических биосистем, доля которых составляет около 1%. Участие всех остальных элементов в построении биосистем практически не зафиксировано.

Картина химического мира свидетельствует об отборе элементов. В настоящее время насчитывается около 8 млн. химических соединений из них 96% - органические, состоящие из тех же 6 -18 элементов. Интересно, что природа создала всего около 300 тыс. неорганических соединений.

Геохимические условия не играют существенной роли в отборе химических элементов при формировании органических и биологических систем. Определяющим фактором в отборе химических элементов в данном случае выступают условия соответствия этих элементов определённым требованиям: а) способность образовывать прочные и энергоёмкие химические связи; б) эти связи должны быть лабильны, т. е. легко подвергающиеся гомолизу, гетеролизу или циклическому перераспределению. Вот почему углерод, обладающий этими свойствами, отобран из многих других элементов как органоген № 1.

Функциональный подход

Отличительная черта функционального подхода состоит в исследовании процессов самоорганизации предбиологических систем, выявлении законов, которым подчиняются такие процессы.

Саморазвитие, самоорганизация, самоусложнение происходят за счет естественного отбора активных каталитических центров и постоянного притока трансформируемой энергии. Поскольку источником энергии в основном является базисная реакция, то эволюционное преимущество получают каталитические системы, протекающие на основе экзотермических реакций. Отсюда базисная реакция является источником энергии, средством отбора прогрессивных эволюционных изменений катализаторов.

Теория саморазвития элементарных каталитических систем в самом общем виде является общей теорией химической эволюции и биогенеза. Основы данной теории были разработаны А.П. Руденко в 1964 г.

Суть данной теории - химическая эволюция есть не что иное, как саморазвитие каталитических систем. Эволюционирующим доминантам являются катализаторы.

Перспектива развития новой химии - это создание малоотходных, безотходных и энергосберегающих промышленных технологий.

Основные проблемы данной теории - это вопросы о движущих силах и механизмах эволюционного процесса, т.е. вопросы выявления и определения основных закономерностей химической эволюции, отбора элементов и структур, уровня химической организации и иерархии химических систем как следствия эволюции.

Важным результатом открытия цикличности химических процессов и в общем понимании цикла, как основы мироздания, было обнаружение и исследование различных химических автоколебательных и автоволновых процессов типа реакции Белоусова-Жаботинского.

Проблема биологической эволюции непосредственным образом связана с проблемой химической самоорганизации (и химической эволюции). Одна из задач химии, а именно самого новейшего ее направления - эволюционной химии, понять, как из неорганической материи возникает жизнь. Поэтому эволюционную химию можно назвать «предбиологией».

«Подражание живой природе есть химия будущего!» Этот девиз, который был высказан академиком А.Е.Арбузовым в 1930 г., является целеполагающей идеей развития эволюционной концепции в химии.

Литература

1. Наследников Ю.М. Концепции современного естествознания/ Ю.М.Наследников, А.Я.Шполянский, А.П.Кудря, А.Г.Стибаев.-Ростов-на-Дону: ДГТУ 2008-350с. [электронный ресурс № ГР 15393,2010]. Режим доступа: http://de.dstu.edu.ru/., с. 190-210

2. Наследников Ю.М. Концепции современного естествознания: Учеб.-метод. пособие/ Ю.М. Наследников, А.Я. Шполянский, А.П. Кудря, А.Г. Стибаев.- Ростов-на-Дону: ДГТУ, 2007, с. 63-68

3. Суханов А.Д. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов/А.Д. Суханов, О.Н. Голубева.- М.: Дрофа, 2004. с. 147-151

4. Горбачев В.В. Концепции современного естествознания. Интернет-тестирование базовых знаний: Учебное пособие/ В.В. Горбачев, Н.П. Калашников, Н.М. Кожевников.- СПб.: Издательство «Лань»,2010, с. 77-86.

Размещено на Allbest.ru