Особенности естественнонаучного познания

Два аспекта информации.

Вероятностный                                          Семантический

система переходит                                    (смысл сообщения)

в более вероятное                                      связан с отбором,

состояние                                                   (кодируется)

По Шеннону мера информации –  энтропия.

Информационная  энтропия – мера неполноты информации о внутренней структуре системы.

Теорема Шеннона - (касается передачи сигнала при наличии помех, приводящих к искажениям), возможность восстановления сигнала зависит от скорости его передачи, при скорости выше критической сигнал не может быть восстановлен.

 

 

 

 

 

Лекция 8. Современные взгляды на устройство и происхождение Вселенной.

23.Гипотезы образования Вселенной.

1. Больцман – флуктуационная гипотеза: на фоне всеобщей тепловой смерти появляются и существуют отдельные миры.
2. Фридман А.А. – Вселенная должна изменяться со временем: расширяться, сжиматься, либо пульсировать.
3. Сахаров А.Д. – до рождения Вселенной была антивселенная, которая сжалась в сингулярность.
4. Бонди, Голд, Хойл (Кэмбридж) – гипотеза «стационарной Вселенной» – идея непрерывного творения материи.
5. В настоящее время наиболее популярны две гипотезы: Большой Взрыв Г.Гамова и инфляционная модель Линде и Гута. Отличаются до 10^–30 секунд наличием во второй модели стадии инфляции (раздувания).

Хаббл обнаружил «разбегание» галактик - расширение Вселенной в настоящее время. Фотометрический парадокс – Ж.Шеро - при бесконечности Вселенной небо должно быть освещено равномерно.

Время существования  Вселенной – 13-20 млрд лет.

Галактики - спиральные, эллиптические, неправильные. Наша Галактика - Млечный путь. Квазары – ядра галактик в состоянии активности. Черные дыры- звезды, которые в результате гравитационного коллапса сжались до такой плотности, что даже излучение не может выйти наружу.

 

Лекция 9. Химические процессы.

24. Периодический закон Д.И.Менделеева и строение атомов.

Открыт в 1869 г., в то время в таблице  было 62 элемента. Свойства элементов находятся в  периодической зависимости от заряда их атомных ядер. Штарк – ввел понятие валентности, связав его  с числом электронов на внешнем энергетическом уровне.

Гайтлер и Лондон –  предложили модель электронного облака вокруг ядра.

Эрнест Резерфорд предложил  ядерную (планетарную) модель атома: в  ядре протоны ₁¹p (положительно заряженные частицы) и нейтроны ₀¹n (незаряженные частицы). Вокруг ядра вращаются отрицательно заряженные частицы – электроны. Число протонов равно числу электронов и равно номеру элемента в периодической таблице.

Изотопы – совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра.

 

25. Место  и роль химии в современной  цивилизации. 

Основные понятия химии:

1)Молекула – мельчайшая частица вещества, сохраняющая его индивидуальные свойства. Молекулы состоят из атомов, связанных химическими связями. Расстояние между атомами в молекуле 1 – 4 ангстрема (1Å=10^–10м). В настоящее время молекулы, макромолекулы, монокристаллы и другие квантово-механические системы относятся к химическим соединениям. Известно около 8 млн. химических соединений, 96% из них – органические.

2)Типы химических  связей:

-ионная (один атом  отдает другому один или 2 электрона), например, NaCl;

-ковалентная (возникает  обобществленная пара электронов), например, Si, H₂;

-водородная (атом Н  соединен ковалентной связью  с другим атомом так, что  его водородная часть оказывается  положительной и соединенной  с третьим атомом) – самая слабая, но наиболее распространенная в природе.

3)Принцип Ле-Шателье: внешнее воздействие, которое выводит систему из состояния термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, направленные на ослабление такого влияния (это пример отрицательной ОС).

4)Валентность – число электронов на внешнем уровне.

5)Химические  реакции – образование новых соединений из реагентов.

Время реакции – примерно 1 фс (фемтосекунда) = 10^–15с.

• экзотермические – с выделением энергии,
• эндотермические – с поглощением энергии,
• для начала химической реакции необходима энергия активации;
• фотохимические реакции – под действием света;
• цепные реакции, которые раз начавшись, продолжаются до полного завершения (например, фотохимическая цепная реакция:

Cl + H₂                    HCl + H,

H  + Cl₂                   HCl + Cl,   и т.д. )

• катализаторы (и ингибиторы) – вещества, изменяющие скорость химических реакций, энергию активации стараются снизить с помощью катализаторов;
• самопроизвольные химические реакции происходят в направлении возрастания энтропии (S);
• химические реакции возможны, если они сопровождаются уменьшением свободной энергии (F = E – TS).

Особенность химии – она сама создает объект своей науки.

Фундаментальные основы современной химии:

• квантовая механика;
• атомная физика;
• термодинамика;
• статистическая физика;
• физическая кинетика.

Значение химии  в современной цивилизации. Химия связана с:

• химической промышленностью;
• сельским хозяйством;
• фармакологией;
• пищевой промышленностью,
• производством СМС, лаков и красок.

Химия внедрилась в естественный круговорот веществ (например, ДДТ – дихлордифенилтрихлорметилметан- (ClC₆H₄)₂CH-CCl₃).

 

26. Концептуальные уровни современной химии.

Сложились 4 подхода к  решению основной задачи – 4 концептуальных уровня химических знаний:

1. Учение о составе (17 – 19 в.в.) (Авогадро в 1811 г. ввел понятие «молекула» – микрочастица, способная к самостоятельному существованию)
2. Структурная химия (с 19 в.) (реакционная способность соединения зависит от химической активности отдельных фрагментов; хиральность – неодинаковость свойств веществ с левосторонней и правосторонней симметрией)
3. Учение о химических процессах (с 1950–х г.) (область взаимного проникновения химии, физики и биологии)
4. Эволюционная химия (с 1970–х г.) (поиск условий, при которых в процессе химических превращений происходит самосовершенствование катализаторов реакций; изучение самоорганизации химических систем, происходящей в живых клетках).

 

27. Основные направления  современной химии. Химические  процессы.

Химию принято  разделять на пять разделов: неорганическая, органическая, физическая, аналитическая и химия высокомолекулярных соединений. Органическая химия – наиболее крупный раздел химии. Еще в 1910 г. С.В.Лебедев разработал промышленный способ получения бутадиена, а из него каучука.

В 1960-х годах было обнаружено самосовершенствование катализаторов в ходе химических реакций.

Основная задача  современной химии – исследование генезиса (происхождения) свойств веществ и разработка методов получения веществ с заранее заданными свойствами.

А.Е.Арбузов: «Подражание живой природе есть химизм будущего». Основные направления биохимии - изучение биокатализа, установление структуры и синтез витаминов, белков, нуклеиновых кислот, антибиотиков и т.д.

Новые направления: химия  экстремальных состояний (высокие  температуры и давления), плазмохимия, элионные технологии – химические процессы в электрических полях.

 

 

 

 

28. Сущность химической  эволюции.

В настоящее время открыты и  получены на ускорителях 118 элементов.

6 из них - органогены (основные элементы биологических систем):

C, O, H, N, P, S. Их общая доля составляет ~ 97,4% в органических соединениях.

12 элементов – Na, K, Ca, Mg, Fe, Si, Al, Cl, Cu, Zn, Co, Mn ~ 1,6 %.

Всего ~ 8 млн. химических соединений, из них только ~ 300 000 – неорганические соединения.

На Земле: O –47,0%, Si – 27,5%, Al – 8,8%, Fe – 4,6%, Ca –3,6%, Na - 2,6%, K –2,5%, Mg – 2,1%. С – на 16 месте. Весовая доля C, N, P, S – 0,24 %.

Таким образом, геохимические условия  не сыграли существенной роли в отборе химических элементов для формирования органических систем.

Принципы отбора химических элементов:

1. способность образовывать прочные энергоемкие химические связи;
2. лабильность( изменчивость) образуемых  химических связей.

Органоген №1 – углерод!

В биохимии особую роль играют три  класса молекул мономеров:

Аминокислоты (мономеры белков), нуклеотиды (мономеры нуклеиновых кислот) и  моносахариды (мономеры полисахаридов).

В организме человека синтезируются 12 аминокислот, 8 должны поступать с  пищей. Из 100 известных аминокислот  только 20 входят в состав белков.

Белок состоит из тысяч аминокислот  и имеет сложную структуру.

Нуклеиновые кислоты  – ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота) - самые крупные молекулы в живых  организмах.

 

29. Роль воды в  живой материи.

Вода имеет уникальные свойства:

• большие поверхностное натяжение и капиллярность (так как молекулы воды притягиваются друг к другу и к молекулам трубок);
• в воде растворяется больше веществ, чем в любом другом растворителе (растворяет полярные вещества);
• имеет высокие теплопроводность, температуру плавления и температуру кипения;
• имеет максимальную плотность при +4С^о, при кристаллизации объем резко увеличивается;
• вода – среда, в которой происходят все биохимические реакции, и их участник. Жизнь зародилась в воде!

 

 

 

Лекция 10. Современные концепции развития геосферных оболочек.

30. Внутреннее строение  и история геологического развития  земли.

Происхождение планет изучает космогония.

Гипотезы происхождения:

• небулярные (из тумана) - материя планет выброшена из недр Солнца ударом комет (Леклерк, Бюффон); из космического облака - хаоса - Кант;
• ротационная небулярная гипотеза (Кант-Лаплас): по мере вращения первичного Солнца от него отделялись газовые кольца, которые, разрываясь, образовали планеты;
• катастрофическая (Джинс)- массивная звезда, проходя мимо Солнца, вызвала приливные волны и вырвала газовые струи;

• метеоритная (О.Ю.Щмидт) – планеты образовались из метеоритов;

Гипотезы образования  горных пород и ландшафтов:

• нептуническая (Вернер) - вначале Земля была покрыта океанами;
• плутоническая (Геттон) – землетрясения, вулканическая деятельность;
• теория единообразных изменений (Лайель) - геологические явления вызваны природными факторами.

Первичная атмосфера - CO₂, NH₃, CH₄, пары H₂O, несколько инертных газов. Резкое изменение состава – ок.2 – 3 млрд. лет назад связано с зарождением жизни. Последние 200 млн. лет состав постоянный:

21% O₂ ,

78% N₂, 1% - другие вещества.

Влияние Солнца и Луны вызывает приливы не только в жидкой, но и в твердой оболочке Земли - в результате сутки удлиняются примерно на 0,002 с за 100 лет. 2 млрд. лет назад сутки составляли 10 часов.

В фанерозое (изученный  период геохронологии) были две обширные платформы - Гондвана и Лавразия (Лаврентьевский щит + Азия), около 250 млн. лет назад – единый суперконтинент – Пангея. Сейчас примерно 15 жестких плит, 6-7 крупных. Происходит дрейф континентов. (Тихий океан уменьшается, а Атлантический – расширяется со скоростью несколько см в год).

Геохронология - в 1881 г. в г.Болонья была принята геохронологическая шкала: эра, период, эпоха, век, время. Фанерозой (570 млн.лет) – лучше изученная часть – состоит из эр: палеозоя, мезозоя и кайнозоя. Более древняя часть – криптозой (от 570 млн. до 3800 млн. лет назад).

Все тела Солнечной системы состоят, в основном, из небольшого числа элементов. Все элементы разделены на 4 группы:

• атмофильные – склонны накапливаться в атмосфере;
• литофильные – образуют твердую оболочку планет;
• халькофильные – создают соединения с серой;
• сидерофильные – способны растворяться в сплавах  железа.