Специфика химии, ее место в естествознании

Нижегородский институт менеджмента и бизнеса

Кафедра математики и информатики

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

по курсу «Концепции современного естествознания»

Тема: «Специфика химии, ее место в естествознании»

 

 

 

 

 

Выполнила: студентка 1-го курса

весеннего потока гуманитарного факультета гр. 14И2ПС14ПНН

Борисова Светлана Валерьевна

Проверил:

 

 

 

 

Нижний Новгород

2014

Содержание

Введение………………………………………………………………………….....3

1. Химическая эволюция ……………………………………………………….....4

2. Химия как наука………………………………………………………………....6

3. Этапы развития химии ……………………………………………………...….9

4. Перспективы развития  химии………………………………………………....11

Заключение……………………………………………………………………..….14

Список литературы………………………………………………………………..15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Химия как естественная наука и учебная дисциплина сегодня неминуемо вступает в новый этап своего развития. Он связан со становлением ее индивидуальных особенностей, позволяющих рассматривать ее уже не просто важнейшую прикладную науку, имеющую первостепенную значимость в жизнедеятельности человека в производстве энергии, материалов, питания, но и как дисциплину характеризуемую качественно новой совокупностью фундаментальных признаков, отличающих химию (ее материальный объект и предмет исследования) от других естественных наук и прежде всего физики.

Современная ситуация в химии и естествознании в целом характеризуется с одной стороны общепризнанным пониманием безграничности химических знаний и практического их приложения. И одновременно с другой стороны – недопониманием индивидуальных начал этой естественной науки, раскрывающих существо, фундаментальное единство химических веществ и отличие химического уровня строения вещественной материи (и химии в целом) от других уровней строения вещества (и других естественных наук).

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Химическая эволюция

Химическая эволюция процесс необратимых изменений, приводящий к появлению новых химических соединений – продуктов, более сложных и высокоорганизованных по сравнению с исходными веществами. Эти процессы стали активно и целенаправленно исследовать в 1970-е гг. в связи с изучением проблемы постоянно усложняющихся химических процессов до уровня, способствовавшего возникновению живого вещества на Земле. Интерес к этим процессам восходит к давним попыткам понять, как из неорганической материи возникает органическая, а далее и жизнь.

Кратко рассмотрим этапы химической эволюции.  Она началсь с появлением простейшего носителя – атома. Согласно концепции Большого взрыва, существующие сейчас химические элементы возникли в процессе эволюции Вселенной от сверхплотного и сверхгорячего состояния до современного мира звезд и галактик. Предполагается, что первыми образовались простейшие атомы (вернее, их ядра) водорода.

М.Бербидж, Г.Бербидж, В.Фаулер, Ф.Хойл в 1957 году дали следующее описание основных процессов звездной эволюции, в которых происходит образование атомных ядер:

• Горение водороде , в результате которого образуются ядра 4He;
• Горение гелия, в результате которого из 4He образуются ядра 12С;
• α-процесс, когда  в результате последовательного захвата α-частиц образуются ядра 16O, 20Ne, 24Mg, 28Si…;
• е-процесс: при достижении температуры (5*109)°К в звездах  в условиях термодинамического равновесия протекает большое количество разнообразных реакций, в результате чего образуются атомные ядра вплоть до Fe и Ni. Ядра с Z ~ 60 – наиболее сильно связанные атомные ядра. Поэтому на них кончается цепочка ядерных раекций сннтеза, сопровождающихся выделением энергии;
• s-процесс: ядра тяжелее Fe образуются в реакциях последовательного захвата нейтронов, последующий β-распад повышает порядковый номер образующихся атомных ядер, интервал времени между последовательными захватами нейтронов больше периодов β-распада:
• γ-процесс: если скорость последовательного захвата нейтронов гораздо больше сокрости β-распада атомного ядра, то оно успевает захватить большое число нейтронов и лишь затем, в результате последовательной цепочки β-распадов, превращается в стабильное ядро (обчны считается, что γ-процессы происходят в результате взрывоы сверхновых);
• р-процесс: некоторые стабильные нейтронодефицитные ядра (так называемые обойденные ядра) образуются в реакциях захвата протона, в реакциях (b, n) или в реакциях под действием нейтрино:
• х-процес: образование легких ядер Li, Be, B (в то время не был известен; образовавшись в звездах, эти ядра должны были интенсивно разрушаться в реакциях под воздействием протонов). Сегодня считается, что эти ядра образуются в результате взаимодействия космических лучей с космической пылью.

С формированием Земли  как планеты на химическую эволюцию стала оказывать действие эволюция Земли. Это влияние выражалось ( и выражается в настоящее время) в изменении концентрационного распределения химических элементов в теле Земли и по ее оболочкам (в атмосфере, гидросфере, коре, мантии, ядре), а также в создании условий (температура, давление) для образования новых веществ.

Эволюция химических соединений на нашей планете прошла три основные стадии: неорганическую, органическую и биохимическую. Каждая последующая стадия базировалась на предыдущей, исторически вырастала из нее и потом подчиняла себе, становясь ведущей формой развития. Поразительная общность основных кирпичиков жизни (аминокислот, углеводов, нуклеотидов, витаминов) для всех живых организмов говорит в пользу единого происхождения всего живого. 

2. Химия как наука

Химия – наука, изучающая превращения веществ, сопровождающиеся изменениями их состава и строения. Процесс превращения вещества рассматривается в традиционной химии на уровне атомов; в ее новейших разделах (квантовая химия) – на уровне валентных электронов взаимодействующих частиц.

Химическая система – имманентно сложная структура, включающая помимо веществ, непосредственно участвующих в процессе, вещества, которые оказывают то или иное  воздействие на химическую реакцию. Речь идет об ингибиторах и катализаторах. Ингибиторы – соединения, замедляющие (или прекращающие) динамику химической реакции. Напротив, катализаторы – соединения, ускоряющие ход химической реакции. Тем самым химическая система приближается к системам биологического характера, ибо катализаторы имеют не только химическую, но и биохимическую основу.

В рамках классической химии сущность энергетических процессов в химической реакции связывается с представлениями об атомах, молекулах, валентности и др. В системе квантовой химии специфика химических процессов рассматривается в связи с взаимоотношениями протонов, нейтронов, электронов и др.

В соответствии с квантовой теорией ядра, атомы состоят из протонов и нейтронов; причем число протонов равно атомному номеру таблицы химических элементов. Сущность химических процессов обусловлена взаимодействием электронов как друг с другом, так и с ядрами атомов.

На квантово-химическом уровне энергетика химических процессов основывается на ряде теоретико-экспериментальных положений: принцип минимальной энергии, принцип Паули и др. На их основе возможен теоретический анализ реакционной способности веществ, т.е. процесса химического взаимодействия.

Химическое взаимодействие осуществляют электроны атомов, обладающие наибольшей энергией. Решающее значение имеет положение электронов относительно атомных ядер.

Выявляется несколько типов химического взаимодействия. Эти взаимодействие рассматривается как на атомарном, так и на молекулярном уровне.

На уровне атомов существует три типа химической связи:

1. Ковалентная связь, когда электроны принадлежат всем атомным ядрам.
2. Ионная связь, когда происходит полный перенос электрона с одного атома на другой.
3. Металлическая связь, характерная для соединений металлов.

На уровне молекул выделяют два типа связи:

1. «Ван-дер-вальсова» связь, действующая между электрически нейтральными молекулами, а также атомами.
2. Водородная связь, образуемая поляризованным водородом и молекулой с отрицательным атомом.

Подавляющая часть известных химических веществ способна участвовать в соответствующих реакциях, т.е. обладает реакционной способностью. Однако реакционная способность конкретного химического вещества зависит, во-первых, от свойств соединений, вступающих в химический процесс, и, во-вторых, от внешних условий, в которых происходит реакция (температура, давление, наличие катализаторов и др.).

Перечислим основные законы классической химии:

1. Законы стехиометрии. Это учение о количественных соотношениях между веществами, вступающими в реакцию. Оно включает систему законов, а также правил составления химических формул и уравнений.
2. Закон о постоянстве состава химически индивидуальных веществ. Его суть заключается в том, что химически чистое соединение имеет одинаковый состав  независимо от способов его получения.
3. Закон пропорциональности. Весовые количества веществ, участвующие в тождественном химическом процессе, всегда определены.
4. Закон простых кратных отношений. При переходе от одного соединения к другому, состоящему из одних и тех же элементов, состав меняется скачками.
5. Законы (теория) химического строения вещества. Устанавливаются закономерности структуры органических соединений.
6. Теория радикалов. Одна из первых теорий органической химии. Возможность искусственно-синтетического приготовления органического вещества; отсутствие «водораздела» между соединениями органического и неорганического типа.
7.   Теория типов. Для органических соединений свойственно не существование неизменных радикалов, а наличие нескольких характерных типов соединений. Органическое вещество получается в результате замещения в молекуле определенного типа одного или нескольких атомов на другие группы атомов.
8. Теория химического строения. В рамках теории сущность органических соединений определяется не наличием «радикалов» или «типов», а химическим строением молекул. При этом химические свойства вещества находятся в непосредственной зависимости от строения его молекул. Истинность теории подтверждалась существованием изомеров – веществ, имеющих одинаковый состав, но разную структуру, а значит, различные свойства. Позднее теория химического строения была дополнена квантово-механическими представлениями.
9. Периодический закон химических элементов. Открыт Д.И.Менделеевым. Закон обусловил рационализация значительного эмпирического материала, накопленного химией.

 

 

3. Этапы развития химии

 Происхождение термина  «химия» спорно. Чаще всего его  связывают с наименованием Древнего  Египта – «Хем», несущего смысловую нагрузку -  «египетская наука». Эта версия, видимо, опирается на несомненные достижения египетской цивилизации в науках о технологиях производства и применения керамики, стекла, вяжущих, а также изделий и конструкций из них. Другие историки предполагают, что это слово произошло от древнегреческого «хюмейа», что означает «литье» или искусство литья металлов. Химия же как наука сформировалась значительно позже. Вначале в трудах философов и материалистов древних цивилизаций Греции, Финикии, Индии, Китая появились и сформировались понятия об атомах и элементах – как о первичных частицах вещества и материи.  Однако в этот период  выделение в строение вещества двух качественных уровней (физического и химического) представлялось сложным и не могло получить соответствующее развитие и признание.

В результате лишь в конце XVIII века химия в основном сформировалась в общепринятом понимании и предъявила свои права на выделение из естествознания в качестве самостоятельной науки о химических элементах и их соединениях. Известный историк химии Герман Копп, в своем четырехтомном труде, впервые предложил научно обоснованную периодизацию развития химии с выявлением пяти отдельных последовательно расположенных этапов:

1. С древнейших времен до IVв. н. э. – этап накопления эмпирических фактов и формулировки первичных понятий химии, которые еще не охватывались теоритическими представлениями.
2. С IV до начала XVI веков – этап расцвета алхимии, соединяющей в себе элементы умозрительных философских построений и практические знания химических ремесел, в том числе металлургии (металлохимии). Основным перспективным исследованием алхимиков того времени являлся поиск так называемого философского камня. С помощью которого возможно было бы превращение любого неблагородного металла в золото и серебро.
3. Со второй четверти XVI до середины XVII веков – этап развития натрохимии, в основе которой лежало «медико-химическое» учение Парацельса.
4. С середины XVII до третьей четверти XVIII – этап господства теории флогистона (Г.Э. Шталь), утверждающей наличие во всех телах особого начала (флюида-флогистона) – горючести. Эта теория впервые дала общее, хотя и ошибочное объяснение широкому кругу химических превращений, связанных с процессами горения и обжига металлов. Примечательно,  что именно на этом этапе развития впервые появилось новое ключевое фундаментальное понятие химии. Так в 1647 году француз Пьер Гассенди высказал предположение, что атомы объединяются в небольшие группы, для которых он даже придумал название «молекулы»(термин можно перевести как «небольшая масса», «массочка»).
5. С последней четверти XVIII века – этап развития количественных методов исследования в химии, приведший к формированию ее как самостоятельной науки (конец XVIII – середина XIX веков). К сожалению, данный этап на пороге XXI века может быть охарактеризован отсутствием перехода накопленных количественных химических фактов в их новое фундаментальное качество, формирующее индивидуальные отличия этой науки от других естественных наук.