Семинар 6 Физическая и химическая картины мира.

Вопросы для обсуждения:

1. Физическая картина мира и ее эволюция.

2. Основные принципы физики.

3. Химия и этапы ее развития.

4. Основы современной химической картины мира.

5. Основные точки соприкосновения физики и химии.

Современная физика представляет собой науку, объединяющую значительное многообразие разделов, тесно связанную с другими естественно-научными дисциплинами.

Следует отметить, что создание новых разделов физики опирается на господствующую в данный момент физическую картину, которая представляет обобщение на данном этапе развития науки всех ранее полученных знаний о физических аспектах природы, а также вводит в физику новые основополагающие идеи, принципы, понятия и гипотезы, меняющие основы теоретической физики. В развитии физики как науки одна физическая картина заменялась другой, причем все физические картины были тесно связаны со сменой представлений о материи.

Кроме этого в любом разделе физики выделяют основные проблемы и научный базис их решения. А. Липкин утверждает, что любой раздел физики может быть описан следующим образом:

1. Выделяется теоретическая часть раздела физики, состоящая из математического блока (содержит математические образы состояния системы и других элементов физической модели, а также «уравнения движения материи») и модельного блока (включает в себя физическую систему, внешнее воздействие и изменяющиеся во времени изменения состояния физической системы).

2. Выделяется нетеоретическая часть раздела физики, состоящая из эмпирического материала, включающего подготовительную и измерительную компоненты.

3. Исходные положения раздела отвечают на следующие вопросы:

• что является физической системой?

• каково множество состояний физической системы¹?

• каковы математические образы элементов онтологической модели и уравнения движения?

• каковы процедуры соотнесения соответствующих элементов модели и их математических образов?

• какова система отсчета?

• каковы процедуры измерения и эталоны, включая вопрос о поведении эталонов при переходе от одной движущейся системы отсчета к другой?

• каковы правила «сборки» сложных систем из первичных идеальных объектов?

В современной физике широко используется понятие причинности, которая представляет собой связь состояний во времени. Причинно обусловленные процессы характеризуются тем, что в них задание начального состояния определяет всю совокупность последующих состояний. Функциональные зависимости являются математической формой выражений причинных связей.

Механистическая физическая картина, абсолютизированная и рассматривавшаяся в качестве универсальной на механистическом этапе развития естествознания, определяла, что микромир и макромир подчинялись одним и тем же механическим законам. На ее основе были разработаны земная, небесная и молекулярная механики. Характерными особенностями механистической картины мира являлись следующие:

1. Дискретная (корпускулярная модель реальности).

2. Абсолютизация пространства и времени.

3. Строгий детерминизм и исключение случайностей.

4. Движение – простое механическое перемещение. Законы движения – фундаментальные законы мироздания. Тела двигаются равномерно и прямолинейно, а отклонения от этого движения происходят за счет действия на них внешних сил (инерции). Мерой инерции является масса. Универсальным свойством тел является дальнодействующая сила тяготения.

5. Принцип дальнодействия – взаимодействие тел происходит мгновенно на любом расстоянии (действия могут передаваться на любые расстояния с любой скоростью).

6. Сведение всех форм движения материи к простейшей форме – механическому движению.

Электромагнитная физическая картина связана с неклассическим естествознанием и имеет следующие особенности:

1. Полевая, континуальная (непрерывная) модель реальности.

2. Мир – электродинамическая система, построенная из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля (материя – единое непрерывное поле с выраженными в виде электрических зарядов силовыми центрами и волновым движением).

3. В физику вводится понятие вероятности.

4. Игнорирование дискретной (атомистической природы) вещества.

5. Движение – распространение колебаний в поле, описываемое законами электродинамики.

6. Принцип близкодействия – взаимодействия любого характера передаются полем от точки к точке непрерывно и с конечной скоростью.

7. Реляционная (относительная) концепция пространства и времени (пространство и время связаны с процессами, происходящими в поле, т.е. они несамостоятельны и зависимы от материи).

8. Идея (А. Эйнштейн) об относительности пространства и времени.

Квантово-полевая физическая картина связана с окончательным крушением механистического естествознания и является базовой для формирования современных физических представлений о природе. Ее характерные особенности:

1. Квантово-полевые представления о материи (корпускулярно-волновой дуализм).

2. Использование при описании физической системы пространственно-временных (кинематическая картина движения) и энергетически-импульсных (динамическая, причинная картина движения) понятий. Пространство-время и причинность относительны и зависимы.

3. Движение – частный случай физического взаимодействия. Существуют четыре фундаментальных физических взаимодействия (гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное).

4. Модернизированный принцип близкодействия: взаимодействия передаются соответствующими полями от точки к точке, скорость передачи взаимодействия конечна и не превышает скорости света.

5. Закономерность и причинность выступают в вероятностной форме и описываются статистическими законами.

6. Фундаментальными положениями данной картины являются принцип неопределенности и принцип дополнительности.

Современные физические представления базируются на анализе всего предыдущего теоретического и экспериментального опыта физических исследований, единстве физических знаний, дифференциации и интеграции естественных наук и т.п. Нельзя говорить о том, что современная физическая картина мира полностью пришла на смену квантово-полевой. Можно лишь утверждать, что на рубеже веков (современном этапе развития естествознания) происходит эволюционный переход от одной картины к другой, являющийся результатом постоянного увеличения базы физических знаний, каждое из которых определяло бы ранее революционные преобразования в физике. Выделим лишь общие особенности современных физических представлений, которые в значительной мере близки к философскому осознанию путей и направлений развития науки:

1. Современные представления характеризуются как научно-методологические (объективная картина действительности зависит от конкретного метода познания, использующегося его субъектом).

2. Современные представления определяют общий контур и способ организации научного знания. К ним относятся системность, историчность, глобальный эволюционизм, самоорганизация и др.

3. Природа рассматривается в непрерывном движении и развитии, полноценного использование диалектического метода (например, диалектическое единство корпуску-лярных и волновых свойств, массы и энергии, вещества и поля и др.).

4. Движение рассматривается как проявление одного из четырех фундаментальных физических взаимодействий, у каждого из которые существует собственная частица – переносчик.

5. Представления об основах мироздания складываются на основании формирования единой теории поля (см. ниже), объединяющей все фундаментальные взаимодействия.

6. Многообразие и единство мира основывается на взаимодействии и взаимопревращении фундамента-льных частиц и античастиц.

7. Существуют шестнадцать фундаментальных частиц и античастиц (четыре лептона: электрон, позитрон, электронное нейтрино и антинейтрино; два вида кварков с дробными электрическими зарядами, каждый из которых в трех разновидностях; соответствующие антикварки) и др.

8. Направленность на решение прикладных проблем и др.

Вообще при анализе причинности в современной физике представляется возможным классифицировать ее законы и теории на динамические и статистические. Соотношение динамических и статистических законов и теорий позволяет исследовать природу причинности и причинных отношений в физике.

Динамическая теория, представляющая собой совокупность динамических законов, отражает объективную действительность без учета случайных взаимодействий. Динамический закон – это закон, управляющий поведением отдельного объекта и позволяющий устанавливать однозначную взаимосвязь его состояний. Примерами динамических теорий, относящихся в физике к фундаментальным, являются классическая (ньютоновская механика), релятивистская механика и классическая теория излучения.

Статистическая теория, представляющая собой совокуп-ность статистических законов, отражает диалектическую связь необходимости и случайности (случайность рассматривается как одна из форм проявления необходимости). Статистический закон - это закон, управляющий поведением большой совокупности объектов и их элементов, позволяющий давать вероятностные выводы об их поведении. Примерами статистических теорий, относящихся в физике к фундаментальным, являются квантовая механика, квантовая электродинамика и релятивистская квантовая механика.

Упомянутые фундаментальные физические теории составляют основу физического знания, во многом пересекаются между собой, в т.ч. за счет использования инвариантных фундаментальных физических констант¹.

Приведем примеры фундаментальных физических теорий:

• классическая ньютоновская механика;

• классическая ньютоновская гравитационная механика (закон всемирного тяготения) (G );

• релятивистская механика (электродинамика и специальная теория относительности) ( с );

• квантовая механика ( h );

• релятивистская гравитационная механика ( с и G );

• релятивистская квантовая механика ( с и h );

• квантовая гравитационная механика (h и G ).

В современной физике сформулированы принципы физики, которые действуют в различных ее разделах.

1. Принцип относительности. Был впервые сформулирован Галилеем для механического движения (механическое движение относительно и его характер зависит от системы отсчета). А. Пуанкаре распространил принцип относительности на электромагнитные процессы, а уже А. Эйнштейн использовал его в специальной теории относительности.

В современной формулировке принцип относительности таков: все инерциальные системы отсчета равноправны между собой (неотличимы друг от друга) в отношении протекания физических процессов, а физические процессы не зависят от равномерного и прямолинейного движения системы отсчета.

2. Принцип инвариантности. Отражает неизменность физических величин и/или свойств природных объектов при переходе от одной системы отсчета к другой.

В связи с рассмотрением первых двух принципов, отметим их использование в теории относительности А. Эйнштейна, состоящей из специальной и общей теорий относительности. В ней были использованы два постулата: постулат относительности, согласно которому никакие опыты (механические, электрические, оптические), проведенные в данной инерциальной системе отсчета, не дают возможности обнаружить, покоится ли эта система или движется равномерно и прямолинейно; все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы к другой; второй постулат касается инвариантности (постоянства) скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источников света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Теория относительности имеет огромное и неоценимое значение для всей науки, потому что:

• вскрыла конкретные формы органической взаимосвязи пространства и времени (ввела понятие четырехмерного пространственно-временного континуума);

• показала относительность свойств пространства и времени (их зависимость от распределения движения и материи);

• вскрыла относительность массы и энергии (не связанные прежде друг с другом законы сохранения массы и энергии соединились в единый закон В. Гейзенберга);

• установила эквивалентность тяжелой и инертной масс.

Общая теория относительности (теория тяготения) развила специальную теорию относительности, развив ее в направлении анализа изменения свойств пространственно-временного континуума в зависимости от действующих полей тяготения (изменение кривизны пространства в зависимости от концентрации масс и их движения).

3. Принцип соответствия, который заключается в следующем: любая новая более общая теория, являющаяся развитием предыдущих «классических» теорий, справед-ливость которых была экспериментально установлена и мате-матически описана для определенных групп явлений, не отвергает эти теории, а включает их в себя.

Данный принцип был сформулирован Н. Бором в 1923 г. Например, классическая механика может рассматриваться как предельный случай квантовой механики и механики теории относительности (для макроскопических тел постоянная Планка считается пренебрежимо малой). Релятивистская механика (СТО) в пределе небольших скоростей переходит в классическую ньютоновскую механику и т.д.

4. Принцип дополнительности был сформулирован также Н. Бором в 1927 г. Он состоит в том, что при эксперимен-тальном исследовании микрообъектов могут быть получены точные данные либо об их энергиях и импульсах (импульсно-энергетическая картина), либо о поведении в пространстве и времени (пространственно-временная картина).

Указанные картины являются взаимоисключающими и не могут применяться одновременно, т.к. свойства квантовых объектов запрещают их одновременное использование, однако, поскольку квантовый объект – это не волна, и не частица, то обе картины в равной мере характеризуют его, не противореча друг другу, а дополняя.

5. Принцип неопределенности (фундаментальный принцип квантовой теории), определяющий границы применимости классических представлений при описании свойств микромира. Согласно соотношению неопределенностей В. Гейзенберга, принципиально нельзя определить одновременно координату и импульс частицы точнее, чем это допускает соотношение неопределенностей.

6. Принцип симметрии связан с противоположными друг другу понятиями симметрии и асимметрии.

Симметрия – это понятие, отображающее существующий в объективной действительности порядок, определенное равновесное состояние, относительную устойчивость, пропорциональность и соразмерность между составными частями целого. Симметрии бывают геометрическими (выражают свойства пространства и времени), например, однородность пространства, эквивалентность инерциальных систем отсчета и т.д., и динамическими (выражают свойства физических взаимодействий), например, симметрия электрического заряда, симметрия спина и т.д. С геометрическим симметриями связаны следующие физические законы: закон сохранения энергии (однородность времени), закон сохранения импульса (однородность пространства), закон сохранения момента импульса (изотропность пространства) и т.д. С динамической симметрией связаны следующие физические законы: закон сохранения электрического заряда (при превращении элементарных частиц сумма их электрических зарядов остается неизменной), закон сохранения лептонного заряда и т.д.

Асимметрия, напротив, отражает нарушение сложившегося порядка, связанное с изменением, переходом систем на другой уровень, развитием и т.п. Например, для изучения микромира большое значение имеет изучение динамических асимметрий (различие между протонами и нейтронами в электромагнитных взаимодействиях, различие между частицами и античастицами и т.д.). Асимметрия указывает пути перехода к новым симметричным состояниям физических систем.

7. Принципы термодинамики², рассматриваются здесь в качестве примера использования принципов разделов физики для развития всей науки.

В частности, принципы термодинамики связаны с законами сохранения. Закон сохранения и превращения энергии определяет существование различных качественных видов энергии (тепловой, механической, электромагнитной и др.), определяет присущую им возможность необратимого превращения друг в друга с определенными потерями, учет которых позволяет говорить о постоянстве численного значения количества энергии в замкнутых системах.

Первое начало термодинамики определяет, что количество теплоты, подводимой к телу, идет на увеличение его внутренней энергии и на совершение телом работы над внешней средой. Следствием первого начала термодинамики является невозможность создания вечного двигателя первого рода.

Второе начало термодинамики гласит, что тепло не может переходить само по себе от менее нагретых тел к более нагретым, а замкнутая термодинамическая система стремится к состоянию термодинамического равновесия (характеризуемого близкими по всему объему системы термодинамическими параметрами). Следствием второго начала термодинамики является невозможность создания вечного двигателя второго рода.

Направление тепловых процессов в термодинамике определяется в связи с законом возрастания энтропии.

8. Другие физические принципы являются более специальными. Так, в гидродинамике действует принцип неразрывности, в теории электромагнитного поля действует принцип близкодействия и т.д.

Отметим, что многие из приведенных принципов имеют не только основной (фундаментальный) статус в физике, но и могут применяться в областях знания, лежащих далеко за ее пределами. Так, принцип дополнительности выступает как один из факторов преодоления противоречий во всей системе науки (между физикой и биологией, или внутри одной области – между физической и экономической географией и т.д.). Принципы термодинамики напрямую связаны с наукой о сложных системах – синергетикой, рассматривающей в т.ч. неравновесные термодинамические системы и т.д.

Как уже отмечалось выше, в физике большое значение уделяется понятию причинности. В то же самое время причинность связана с различными видами движения материи, порождаемыми фундаментальными физическими взаимодействиями. Современные представления основаны на том, что возможно создать теорию единого поля (теорию единого фундаментального взаимодействия), объединяющую все известные взаимодействия и лежащую в основе всего.

Возможность создания единой теории поля обусловлена тем, что различие между фундаментальными взаимодействиями начинает проявляться при малых энергиях, а при больших энергиях они объединяются в единое взаимодействие (например, электро-магнитное и слабое взаимодействие объединяются при энергиях порядка 10² ГэВ и температуре 10¹⁵ К, а электромагнитное, слабое, сильное и гравитационное взаимодействия могут, вероятно, объединиться при энергиях порядка 10¹⁹ ГэВ³, что соответсвует условиям ранней стадии возникновения Вселенной и температуре 10³² К). Существуют самые различные теории объединения (теория «Великого объединения», теория «Сверхвеликого объединения», теория электрослабого взаимодействия и т.д.), однако ни одна из них, за исключением теории электрослабого взаимодействия, не подтверждена экспериментально.

Однако, именно разработка, пусть даже и теоретическая, единой теории поля имеет огромное значение для науки, так как с ее помощью можно объяснить многие процессы, протекающие на различных структурных уровнях организации материи.

Современные физические исследования привели к ряду открытий, которые без сомнения могут считаться крупными достижениями всего естествознания. Кроме того, данные открытия подтверждают тезис о том, что фундаментальные исследования со временем приобретают все более ярко выраженный прикладной характер (термоядерный синтез, лазеры и т.п.).

В качестве примера приведем исследования в области высокотемпературной проводимости.

Открытие голландским ученым Х. Камерлинг-Оннесом в 1911 г. явления сверхпроводимости (Нобелевская премия по физике 1913 г.) ознаменовало переход от чисто теоретического осознания проблемы уменьшения сопротивления проводника в зависимости от падения температуры, к началу многолетних исследований, направленных на практическое использование указанного явления. Камерлинг-Оннес, проводя опыты с ртутью, охлаждая ее жидким гелием, установил, что при температуре 4,12 К электрическое сопротивление ртути скачкообразно уменьшается до нуля, т.е. ее электропроводность выросла до бесконечности.

Для многих физиков проблема сверхпроводимости была своеобразным вызовом. Над ее исследованием работали А. Энштейн, Н. Бор, В. Гинзбург, Л. Ландау и др. Создатели теории БКШ (американцы Д. Бардин, Л. Купер и Р. Шеффер), признаваемой на настоящий момент наиболее удовлетворяющей объяснению явления сверхпроводимости, получили в 1972 г. Нобелевскую премию. Согласно данной теории часть свободных электронов в определенных условиях объединяются иногда в пары (куперовские пары). При охлаждении куперовские пары переходят в одно квантовое состояние, являя собой фактически квантовую жидкость, являющуюся одной квантовой частицей. Эта частица, распределяясь по всей электрической цепи сверхпроводника, позволяет оставшимся электронам двигаться по нему без столкновения с атомами (без потерь энергии).

В настоящее время исследование сверхпроводимости перемещается в направлении более высоких температур. Для бинарного сплава ниобия с германием скачок в сверхпроводящее состояние происходил при  24 К, а с использованием в 1986 г. лантан-стронциевой и лантан-бариевой керамики температурную координату скачка удалось поднять несколько выше 100 К. Прохождение «азотного барьера» (77 К) означало существенного удешевления исследований (жидкий азот на два порядка дешевле, чем жидкий гелий).

В настоящее время явление сверхпроводимости начало активно использоваться в практических целях. Использование ВТСП-керамики уже сейчас обещает стратегические преимущества экономикам государств, которые будут увеличивать долю сверхпроводникового оборудования в электротехнических отраслях промышленности⁴.

Проводятся также исследования явления сверхпрово-димости в полимерах-проводниках, что в будущем позволит использовать их для производства транзисторов, дисплеев, лазеров и т.п., что позволит почти полностью отказаться от кремния.

Использование явления сверхпроводимости в практических целях (естественно, при создании материалов, позволяющих достичь его при температурах, более близких к реальным для окружающей среды) позволит значительно снизить потери электроэнергии при ее передаче, экономически эффективно использовать поезда на магнитной подушке, электромагнитные суперпушки (в т.ч. для вывода спутников на космические орбиты) и т.д.

Химия – это естественная наука, изучающая состав, свойства и химические превращения веществ, а также явления, которые сопровождают эти превращения. Химия рассматривает вопросы использования результатов этих превращений.

Великий русский ученый Д.И. Менделеев (1834 – 1907) кратко определял химию как учение об элементах и их соединениях.

Развитие химии как науки представляло собой процесс становления неких концептуальных систем, тесно связанных со сферой физического знания, что проявилось в появлении интегральной науки – химической физики, а также с другими смежными областями знания (биохимия, геохимия, химическая экология и т.п.). Одновременно с этим продолжается диффе-ренциация химии (появление органической химии, химии полимеров, каталитической химии и т.п.). Переход химии на качественно иную ступень развития в современный период времени связан с углублением знаний о составе веществ, открытием новых элементов, новых связей между ними, обеспечением необходимых условий химических реакций. В связи с этим особое значение получило прикладное направ-ление химии, связанное с развитием химических технологий.

Основные этапы становления химической науки:

1. Алхимический период. Является исторически ограниченным из-за целевой ориентации на решение ненауч-ных с современной точки зрения проблем: получение «фило-софского камня», «эликсира жизни» и т.п. Возникшая в Египте (III – IV в.в.) и получившая развитие в Западной Европе (XI – XIII в.в.) алхимия позволила разработать первые научные приемы изучения природных веществ и подготовила естест-венно-научную основу развития химии.

2. Переход от механистической к химической атомистике.

В XVII веке английский естествоиспытатель Р. Бойль (1627 – 1691) дал первое научное определение понятия «химический элемент», под которым подразумевалось простое тело, переходящее без изменений из состава одного сложного вещества в состав другого. Р. Бойлю приписывается также создание теории качественного химического анализа, так как именно он показал, что свойства и качества тел зависят от того, из каких элементов они состоят еще до открытия самих химических элементов. На основании трудов Р. Бойля возникло учение о составе вещества, представлявшее собой вплоть до второй половины XIX века фактически всю химию, существу-ющее и сегодня как часть химии.

На рассматриваемом этапе отсеивались ошибочные теории. Например, первый российский ученый-естествоиспытатель М.В. Ломоносов (1711 – 1765) исключил из числа химических агентов флогистон – невесомую материю (согласно теории флогистона металлы считались сложными телами, состоящими из соответствующих элементов и невесомого тела – флогистона). М.В. Ломоносову принадлежит также принцип сохранения материи, существенный вклад в развитие атомно-молекулярных представлений о составе вещества и др.

Дальнейшее развитие химии связывают с именами француза А.Л. Лавуазье (1743 –1794) и англичанина Дж. Дальтона (1766 – 1844). А.Л. Лавуазье выяснил роль кислорода в процессах горения, окисления и дыхания, окончательно опроверг теорию флогистона, а также сделал первую попытку в истории химии систематизации химических элементов.

Дж. Дальтон заложил основы химической атомистики, ввел понятия «атомный вес», определил атомные веса химических элементов, открыл закон кратных отношений. Атомы стали рассматриваться как элементы химических процессов.

Итальянский физик и химик А. Авогадро (1776 – 1856) утвердил в 1811 г. понятие «молекула» и выдвинул молекулярную гипотезу строения вещества. Французский естествоиспытатель Ж. Гей-Люссак (1778 – 1844), исследуя законы расширения газов, также пришел к выводу о существовании не только газов, но и молекул. В связи с этим начала формироваться взаимосвязь между атомными и молекулярными представлениями в химии.

На данном этапе развития химии зародилась структурная химия, в основе которой лежит положение о том, что свойства веществ и их качественное разнообразие обуславливаются не только атомным составом, но и структурой молекул.

3. Систематизация химических элементов.

Русский ученый Д.И. Менделеев (1834 – 1907) в 1869 г. открыл периодический закон химических элементов и разработал периодическую систему химических элементов. В современной формулировке закон таков: свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда их атомных ядер. Заряд ядра равен атомному (порядковому) номеру в периодической системе Менделеева. Во времена Менделеева было известно 62 элемента, в настоящее же время проводятся опыты по синтезу 118-го элемента. Важность периодического закона подтверждается раскрытием в настоящее время его физического смысла и квантово-механическим обоснованием строения атомов химических элементов.

Атомно-молекулярные представления утвердились в химии окончательно в 60-х годах XIX века. Во многом способствовал этому русский химик А.М. Бутлеров (1828 – 1886), создавший и обосновавший в 1861 г. теорию химического строения вещества, согласно которой свойства веществ определяются порядком связей атомов в молекулах и их взаимным влиянием.

4. Исследование взаимосвязи органических и неорганических веществ. Развитие органической химии.

Термин «органический синтез» появился в 60-80-х годах XIX века. В это время были синтезированы на основе простейших углеводородов анилиновые красители. Затем были получены новые вещества, стало развиваться производство лекарственных препаратов, взрывчатых веществ и т.п.

5. Переход к полноценному исследованию химических процессов (середина ХХ века).

Усилия ученых были направлены на исследование внутренних механизмов и условий протекания химических процессов (кинетические факторы - скорость и др., термодина-мические факторы - температура, давление и др.). Химия становится не только наукой о веществах, но и наукой о процессах и механизмах изменения веществ. Термодинами-ческое воздействие изучается с точки зрения его влияния на направленность химических процессов, а химическая кинетика выполняет функции управления скоростью химических процессов. В химической кинетике рассматриваются следующие структурно-кинетические факторы: строение исходных реагентов; их концентрации; наличие в растворе катализаторов и ингибиторов; способы смешивания реагентов; материалы и конструкции реакторов.

Современное учение о химических процессах – наглядный пример глубокой взаимосвязи физических, химических и биологических знаний. Химические термодинамика и кинетика – традиционные области физической химии.

6. Появление эволюционной химии (70-е г.г. ХХ века).

Углубление в изучение природы и условий протекания химических процессов (применение катализаторов и т.п.). Изучение самоорганизации химических систем как упорядоченности существования материальных динамических (качественно изменяющихся) систем.

В настоящий момент времени можно говорить о сформировавшейся химической картине мира. В базу этой картины входят концептуальные уровни (системы) химичес-кого знания, рассматриваемые в эволюционном развитии.

Отметим основные понятия и принципы химии.

Вещество в химии. Классификация веществ на смеси и чистые вещества, соединения и элементы играет основополагающую роль в современной химии.

Все вещества делятся на чистые вещества и смеси двух или нескольких веществ. Свойства вещества определяются его элементарным и молекулярным составом, структурой его молекул, термодинамическими и кинетическими условиями, в которых вещество находится в процессе химической реакции, уровнем химической организации вещества.

Химическая реакция – превращение одного или нескольких исходных веществ в отличающиеся от них по химическому составу и строению вещества новообразования. В химической реакции участвуют: реагент - исходное вещество; продукт реакции - образовавшиеся в результате реакции новые вещества; аналитический сигнал - физический эффект, сопровождающий реакцию (поглощение или выделение энергии, изменение агрегатного состояния, изменение окраски). Реакции происходят при фактическом контакте реагентов как самопроизвольно, так и под влиянием температуры, катализаторов, излучений, в том числе ионизи-рующих, электрического тока, механических напряжений, а также в низкотемпературной плазме. Характеристиками химических реакций являются: равновесная степень превра-щения, скорость реакции, глубина ее протекания.

Катализ - это процесс изменения скорости или возбужде-ния химической реакции веществами-катализаторами, которые участвуют в реакции, но не входят в состав новообразований (продуктов реакции). Катализатор не сдвигает химическое равновесие в системе, а ускоряет прямую и обратную реакции.

Вещества, замедляющие химическую реакцию, называются ингибиторами.

Существуют специфические химические реакции, существующие в природе, но получившие широкое применение в качестве технологической основы лишь в недалеком прошлом. К ним относятся:

• фотохимические реакции, протекающие под влиянием излучения оптического диапазона;

• радиационно-химические реакции, протекающие за счет поглощения ионизирующего излучения с образованием долгоживущих свободных радикалов, ионорадикалов и различных стабильных продуктов;

• электровосстановительные и электроокислительные реакции, сопровождающиеся переносом зарядов между катодом и анодом (электродами) через границу между электродом и электролитом;

• механо-химические реакции, протекающие под влиянием механических воздействий (в твердых телах при диспергирова-нии, действии ударных волн, действии высокого давления, сопровождаемом деформацией сдвига, а в жидких телах при кавитации, действии сдвиговых напряжений на растворы и расплавы полимеров).

Химическая связь - электростатическая сила притяжения между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными ядрами, удерживающая вместе два или несколько атомов, молекул или любую их комбинацию.

Способность атома образовывать химические связи называется валентностью. Однако, это понятие считается устаревшим, поскольку сейчас принято рассматривать химическую связь не вообще, а с учетом ее конкретного типа.

Существует несколько типов химических связей:

1. Ковалентная (полярная), когда атомы приобретают устойчивые внешние электронные конфигурации за счет обобществления электронов. Ковалентная связь образуется в результате обобществления пары электронов, поставляемых по одному от каждого атома. Однако в некоторых молекулах или многоатомных ионах оба таких электрона могут поставляться только одним атомом. Такая разновидность ковалентной связи называется координационной, донорно-акцпепторной или дативной ковалентной связью.

2. Ионная связь, когда связь между анионом и катионом представляет собой электростатическую силу притяжения. Легкость образования ионного соединения зависит от легкости образования входящих в него катионов и анионов. Большинство ионных соединений наиболее устойчивы в кристаллическом состоянии.

3. Металлическая связь в кристаллических решетках, состоящих из положительно заряженных ионов, удерживаемых вместе свободными электронами, “плавающими” вокруг ионов в “электронном море” (ее нельзя отнести ни к ионной, ни к ковалентной связи). Электроны, участвующие в образовании металлической связи, являются внешними или валентными электронами атомов металла, они делокализованы между положительными ионами. Металлы в твердом состоянии существуют в виде кристаллов.

4. Водородная связь.

5. Вандерваальсовы силы.

Последние два типа химических связей являются слабыми.

Для настоящего периода развития химии характерно решение двух глобальных проблем:

1. Получение вещества с заданными свойствами (решение проблемы обеспечивается производственной деятельностью).

2. Выявление и определение методов и способов управления свойствами вещества (решение проблемы определяется уровнем развития химического знания и организацией научно-исследовательской деятельности).

Особенно важным является исследование проблемы самоорганизации эволюционных систем, фактически соединя-ющая проблематику современной химии и наук биологичес-кого цикла (наряду с решением проблемы катализа). В изучении самоорганизации существует два подхода: функцио-нальный (когда исследуются процессы самоорганизации материальных систем и выявляются законы, которым подчиняются такие процессы) и субстратный (когда исследует-ся вещественная основа биологических систем, т.е. определен-ного состава элементов – органогенов и определенной струк-туры входящих в живой организм химических соединений).

Химическая картина мира свидетельствует об эволюционном отборе элементов:

- в построении органических и живых систем участвуют шесть органогенов (кислород, углерод, водород, азот, фосфор, сера), общая весовая доля которых в организме составляет более 97%; 11 элементов, участвующих в построении физиологически важных компонентов биосистем (натрий, калий, кальций, магний, железо, кремний, алюминий, хлор, медь, цинк, кобальт), весовая доля которых – 1,6%; 20 элементов, участвующих в функционировании отдельных узко-специфических биосистем, доля которых составляет  1% (под-робнее о роли всех перечисленных элементов и их конкретной биохимической роли можно узнать из тем 9,10,11,13);

• из приблизительно 8 млн. известных химических соединений около 96% - органические, состоящие преимущественно из тех же 6 – 18 элементов; из остальных химических элементов природа создала лишь около 300 тыс. неорганических соединений;

• определяющими факторами в отборе химических элементов выступают следующие условия: способность образовывать прочные и энергоемкие химические связи; лабильность связей, т.е. возможность их легко подвергаться гомолизу, гетеролизу или циклическому перераспределению (в связи с этим углерод является органогеном № 1).

Эволюционными проблемами в химии считаются процессы самопроизвольного синтеза новых химических соединений химических соединений, являющихся более сложными и высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами; процессы биокатализа, для чего изучается формирование фермента, клетки и организма в целом, когда все процессы в них описываются на языке химии; процессы саморазвития открытых каталитических систем.

В заключении отметим, что науки химического цикла все больше вторгаются как в общественную практику, так и в жизнь каждого отдельного человека: в связи с объективным снижением запасов разнообразных первичных, в т.ч. природных ресурсов, мы используем продукты переработки вторичного сырья; все активнее используем продукты синтеза органических и неорганических соединений, а без синтетических материалов (пластмасс, эластомеров, синтетических тканей и др.) мы не можем представить современное бытие.