Контрольные вопросы к теме №7

1. Что выражает понятие «Вселенная»

2. Что изучает современная космология как междисциплинарная наука и когда она возникла

3. Каковы современные космологические модели Вселенной

4. В чем суть и содержание концепции Большого взрыва

5. Что означает понятие «мировые константы» (универсальные постоянные) и их роль в структуре Вселенной

6. В чем смысл антропного космологического принципа и его методологическое и мировоззренческое значение для науки

7. Каковы представления современной науки об астрофизических условиях формирования жизни, разума и цивилизаций

8. В чем суть идей и гипотез Троицкого В.С. и Шварцмана В.Ф. по проблеме существования и поиска жизни во Вселенной

9. А как бы Вы истолковали «молчание космоса»? Ваши аргументы?

Тема 8. Современная химия в контексте устойчивого развития общества

Основные понятия:

химия; алхимия; химический элемент; учение о составе вещества; периодический закон Менделеева; структурная химия; химические процессы; эволюционная химия; биокатализ; химическая картина мира; химические основы жизни; витилизм; органоген №1; динамическая биохимия; состав и структура биополимерных молекул; понятие «самоорганизация»; субстратный подход; функциональный подход.

Химией называют науку о химических элементах и их соединениях. Она изучает состав, свойства и химические превращения веществ, явления, которые сопровождают эти превращения, а также рассматривает вопросы использования результатов этих превращений. Существенная особенность этой науки, отмеченная еще Д.И.Менделеевым: химия в значительной мере сама создает свой объект изучения. Поскольку ее исследования направлены на раскрытие закономерностей химических превращений, которые реализованы искусственно, на получение и изучение веществ, большинство из которых в естественной природе не встречается, химия как наука теснейшим образом связана с химическим производством. Ее основная цель – получение веществ и материалов с заданными свойствами. Любое вещество состоит из химических элементов и их соединений. Свойства вещества определяются:

• его элементным и молекулярным составом;

• структурой его молекул;

• термодинамическими и кинетическими условиями, в которых вещество находится в процессе химической реакции;

• уровнем химической организации вещества.

История развития химических концепций начинается с древних времен. Демокрит, Эпикур и другие представители древней натурфилософии высказывали гениальные мысли о том, что все тела состоят из атомов различной величины и разной формы, что и обусловливает их качественное различие. Аристотель и Эмпедокл объясняли все видимое разнообразие тел природы с антиатомистических позиций: они считали, что в телах сочетаются различные элементы-стихии или элементы-свойства: тепло и холод, сухость и влажность. Подобное учение об элементах-свойствах было развито в алхимии. Однако ни идеи Демокрита об атомах, ни представления Эмпедокла об элементах-стихиях не нашли применения ни в металлургии, ни в стеклоделии, ни в гончарном ремесле.

Первый, по-настоящему действенный способ определения свойств вещества был предложен во второй половине XVII в. английским ученым Р. Бойлем (1627–1691), который первым дал научное определение понятия «химический элемент». Результаты экспериментальных исследований Р. Бойля показали, что качества и свойства тел зависят от того, из каких материальных элементов они состоят. Возникшее таким образом учение о составе вещества существует и сегодня и продолжает развиваться на качественно новом уровне. Поиск элементов, или начал составляет первый концептуальный уровень химии (концепции химического состава). Учение о составе вещества занимало монопольное положение вплоть до 30–40-х годов ХIХ века. К тому времени мануфактурная стадия производства с ручной техникой и ограниченным ассортиментом сырья сменялась фабричной стадией с машинной техникой и широкой сырьевой базой. В химическом производстве стала преобладать переработка огромных масс веществ растительного и животного происхождения, качественные разнообразия которых потрясающе велики – сотни тысяч химических соединений, а состав крайне однообразен – лишь несколько элементов-органогенов: углерод, водород, кислород, сера, фосфор. Объяснение необычайно широкому разнообразию органических соединений при столь однообразном их элементном составе стали искать не только в их составе, но и в структуре молекул.

О формировании химической картины мира можно говорить с того момента, как Д.И. Менделеев доказал, что химические элементы можно выстроить в систему в зависимости от атомной массы (атомного веса, как именовал его сам Менделеев) элемента и на основании этого предположения разработал периодический закон химических элементов (1969). Более поздние исследования, связанные с обнаружением изотопов («варианты» одного и того же химического элемента с незначительными различиями по массе), показали, что место элемента в периодической системе определяется не просто порядковым номером, а зарядом атомного ядра. Это означает, что не атомная масса, а именно заряд ядра обеспечивает индивидуальность химического элемента. В этой связи можно утверждать, что химический элемент – это совокупность атомов, обладающих одинаковым зарядом ядра. На сегодня известно 116 таких элементов их называют простейшими веществами.

Все известные на сегодня химические элементы в систематизированном виде в соответствии с периодическим законом, открытым Д.И. Менделеевым, расположены в Периодической системе элементов Менделеева. Химические элементы классифицируются на металлы (золото, платина, серебро, железо, медь, алюминий, кальций, ртуть и др.) и неметаллы (сера, фосфор, углерод, азот, хлор, кислород и т.д.). Установлено, что в составе земной коры, морской воды и атмосферы содержится примерно: 49,5% кислорода, 25,3% кремния, 7,5% алюминия, 5,08% железа, 3,39% кальция, 2,63% натрия, 2,4% калия, 1,93% магния, 0,87% водорода, менее 1% остальных.

Из сказанного следует, что простейшие вещества являются основой всей живой и неживой материи, а, следовательно, и всей Вселенной.

Большинство веществ, находящихся в естественных условиях, состоят в соединениях друг с другом, т.е. являются веществами сложными. Незначительное число элементов в природе находится в свободном состоянии (кислород, серебро, сера и некоторые другие). Ряд химических элементов может существовать в разных модификациях. Так, например, элемент кислород образует два видоизменения: кислород и озон; углерод – три: алмаз, графит и карбин и т.д. Явление видоизменения одного и того же элемента, связанного со сложным внутренним строением химических элементов, называется аллотропией, а образующиеся простейшие вещества – аллотропными видоизменениями или модификациями.

В 1860 году выдающимся русским химиком А.М. Бутлеровым (1828–1886) была создана теория химического строения вещества, возник более высокий уровень развития химических знаний – структурная химия, утвердились атомно-молекулярные представления. Второй концептуальный уровень относится к структуре. Структурные различия приводят к значительным качественным изменениям свойств химических соединений даже при одинаковом химическом составе (пример с графитом и алмазом известен каждому школьнику).

Период становления структурной химии иногда называют «триумфальным маршем органического синтеза». В этот период зарождалась технология органических веществ. Были получены всевозможные красители для тканей, препараты для фармации, искусственный шелк и т.п. Интенсивное развитие автомобильной промышленности, авиации, энергетики и приборостроения в первой половине XX века выдвинуло новые требования к производству материалов. Необходимо было получать высокооктановое моторное топливо, специальные синтетические каучуки, пластмассы, высокостойкие изоляторы, жаропрочные органические и неорганические полимеры, полупроводники. Для получения таких материалов концепций о составе и структуре вещества было недостаточно.

Под влиянием новых требований производства возникло учение о химических процессах, в котором учитывалось изменение свойств вещества под влиянием температуры, давления, растворителей и других факторов. Исследование внутренних механизмов и условий протекания химических процессов составляет третий концептуальный уровень химического знания. Такое изучение способствовало организации многотоннажного производства синтетических материалов, заменяющих дерево и металл в строительных работах, пищевое сырье в производстве олифы, лаков, моющих средств и смазочных материалов. Производство искусственных волокон, каучуков, этилового спирта и многих растворителей стало базироваться на нефтяном сырье, а производство азотных удобрений – на основе азота воздуха. Появилась технология нефтехимических производств с ее поточными системами, обеспечивающими непрерывные высокопроизводительные процессы.

С конца XIX–начала XX века важнейшим направлением химии стала разработка теоретических основ науки (атомно-молекулярное учение), изучение закономерностей химических процессов.

Химические процессы подчиняются всеобщим законам природы – закону сохранения массы вещества и закону сохранения энергии, а также ряду специфических для химии законов, которыми управляются все химические реакции.