- •Концепции современного естествознания Справочник для студентов
- •Содержание
- •Введение
- •Тема 1. Естественнонаучная и гуманитарная культуры
- •1. Культура и наука. Критерии науки и ее социальные функции
- •2. Мир природы и мир человека: способы познания
- •3. Сциентизм и антисциентизм – мировоззренческие позиции хх века и их влияние на развитие культуры
- •4. Этика науки
- •Тема 2. Предмет и метод естествознания
- •1. Предмет естествознания. Эволюция понятия природы
- •2. Научный метод. Классификация методов естественнонаучного познания
- •3. Формы научного знания
- •4. Принципы естествознания. Способы обоснования (модели) естественнонаучного знания
- •Тема 3. Динамика естествознания и тенденции его развития
- •1. Возникновение естествознания. Проблема начала науки
- •2. Основные модели развития естественнонаучного знания
- •3. Научные революции и смена картин мира
- •4. Классическое, неклассическое и постнеклассическое естествознание
- •Тема 4. История естествознания
- •1. Знание о природе в древних цивилизациях
- •2. Античная наука о природе
- •3. Эпоха Средневековья: религиозная картина мира и естественнонаучное познание
- •4. Эпоха Возрождения: революция в мировоззрении и науке. Предпосылки классической науки
- •5. Галилео Галилей и его роль в становлении классической науки
- •6. И. Ньютон и его роль в становлении классической науки
- •7. Научная революция XVI-XVII веков, ее ход, содержание и основные итоги
- •8. Естествознание в XVIII-XIX вв.
- •9. Физика на рубеже XIX-XX веков, ее открытия и достижения
- •10. Предпосылки и основное содержание новейшей революции в естествознании (XX в.) Становление современной науки
- •Тема 5. Структурные уровни организации материи
- •Современные взгляды на структурную организацию материи
- •Тема 6. Макромир: вещество и поле. Принципы классической физики
- •1. Корпускулярная и континуальная концепции природы
- •2. Детерминизм. Динамические и статистические закономерности
- •3. Основные принципы термодинамики. Значение законов термодинамики в описании явлений природы
- •4. Основные понятия, законы и принципы классической физики
- •Тема 7. Открытые системы и неклассическая термодинамика
- •1. Закрытые и открытые системы. Энтропия, порядок и хаос
- •2. Концепция «Тепловой смерти Вселенной»
- •3. Неравновесная термодинамика. Рождение синергетики
- •Тема 9. Микромир. Квантовая физика
- •1. Открытие микромира. Принципы квантовой физики
- •2. Классификация элементарных частиц
- •3. Фундаментальные физические взаимодействия
- •Тема 9. Мегамир. Современные астрофизические и космологические концепции
- •1. Основные космологические модели Вселенной
- •2. Эволюция Вселенной. Теория «Большого взрыва»
- •3. Антропный принцип
- •4. Строение и эволюция галактик
- •5. Строение и эволюция звезд
- •6. Происхождение и строение Солнечной системы
- •Тема 10. Пространство и время в современной научной картине мира
- •1. Развитие представлений о пространстве и времени в истории науки Классическая концепция пространства и времени
- •3. Формы пространства и времени
- •Тема 11. Основные концепции химии
- •1. Химия как наука, ее предмет и проблемы
- •2. Основные этапы (концепции) развития химии
- •3. Химические системы и процессы
- •4. Реакционная способность веществ
- •5. Проблемы самоорганизации в современной химии
- •Тема 12. Проблемы и перспективы современной геологии
- •1. Основные этапы развития наук о Земле
- •2. История геологического развития Земли
- •3. Внутреннее строение Земли
- •Тема 13. Особенности биологического уровня организации материи
- •1. Биология как система наук о живой природе
- •2. Основные концепции происхождения жизни. Сущность живого
- •3. Уровни организации живой материи и ее свойства
- •4. Клеточная теория. Единство органического мира
- •Тема 14. Генетика и эволюция
- •1. Концепции эволюционизма в биологии
- •2. Эволюция как основа многообразия и единства живых организмов Микроэволюция и макроэволюция
- •3. Принципы воспроизводства и развития живых систем Онтогенез и филогенез
- •Тема 15. Человек как предмет естествознания
- •1. Естественнонаучная концепция антропогенеза
- •2. Физиология человека. Здоровье и работоспособность человека
- •3. Высшие психические функции и их физиологические механизмы. Сознание и мозг
- •4. Этология. Особенности поведения человека и животных
- •Тема 17. Эмоции и творчество. Жизнь как ценность
- •1. Эмоции и их роль в жизни человека
- •2. Воображение и творчество. Поиски алгоритма творчества
- •3. Жизнь как ценность. Биоэтика
- •Тема 17. Человек и биосфера
- •1. Эволюция представлений о биосфере Концепция Вернадского о биосфере
- •2. Ноосфера. Единство человека и природы. Русский космизм
- •3. Космические циклы и человек
- •Тема 18. Принцип глобального эволюционизма и его роль в современной науке
- •1. Глобальный эволюционизм
- •2. Самоорганизация как основа эволюции
3. Химические системы и процессы
Интенсивное развитие химии в XX веке, характеризующееся разработкой принципиально новых научных направлений и технологических процессов, синтезом ранее неизвестных типов химических соединений, новыми условиями осуществления химических реакций (в плазме, твердой фазе, неводных и смешанных растворителей), способствовало пересмотру и систематизации фундаментальных химических представлений с позиции современного естествознания.
Значительно обогатились знания об уровнях химической организации материи. Низшим исходным уровнем химической организации материи является атом. Атом – система взаимодействующих элементарных частиц, состоящая из ядра (образованного протонами и нейтронами) и электронов. Атомы образуются при взаимодействии только трех типов элементарных частиц, но при этом возникает большой набор самых разнообразных устойчивых (или неустойчивых) систем. Весь образовавшийся ансамбль подразделяется на совокупность, в каждую из которых входят только атомы, характеризующиеся одним и тем же зарядом ядра. Эти совокупности называются химическими элементами.
Следующим, более высоким уровнем химической организации материи после атома, является молекула. Молекула – нейтральная по заряду наименьшая совокупность атомов, связанных, вследствие химического взаимодействия, в определенном порядке (т.е. обладающая определенной структурой), не имеющая, как правило, не спаренных электронов и способная к самостоятельному существованию. Молекулы могут состоять как из атомов одного и того же элемента – гомоатомные или гомоядерные, так и из атомов различных элементов – гетероатомные или гетероядерные.
Дальнейшее усложнение химической организации материи происходит при взаимодействии атомных и молекулярных частиц, ведущем к образованию более сложных совокупностей – молекулярных ассоциаций и агрегатов. Важно отметить, что ассоциаты существуют главным образом в газообразном или жидком состояниях, а агрегаты – в твердом.
В XX веке продолжает уточняться периодический закон химических элементов. В настоящее время он формулируется следующим образом: свойства элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра их атомов.
Продолжает развиваться и периодическая система. Была упразднена введенная Д.И. Менделеевым нулевая группа. Изучение химических свойств благородных газов, показало, что они являются элементами главной подгруппы VIII группы периодической системы.
Понятие вещества как вида материи, характеризующегося массой покоя, перестало удовлетворять современных химиков. Сейчас вещество, с точки зрения химии, это определенная совокупность атомных и молекулярных частиц, их ассоциатов и агрегатов, находящихся в любом из трех агрегатных состояний. Простые вещества – это вещества, состоящие из атомов одного и того же элемента, а сложные вещества образуются при химическом взаимодействии атомов разных химических элементов. Природа сложных веществ – химических соединений – зависит от химической связи. Широта понятия химической связи не позволяет дать его четкого определения. Можно ограничиться следующим: под химической связью понимается такой вид взаимодействия между атомно-молекулярными частицами, который обусловлен совместным использованием их электронов. При этом имеется в виду, что такое обобществление электронов взаимодействующими частицами может изменяться в широких пределах.
Важной количественной характеристикой, показывающей число взаимодействующих между собой атомов в образовавшейся молекуле, является валентность. Это понятие возникло в химии более 100 лет. Им обозначили свойство атомов одного элемента присоединять определенное число атомов других элементов. Современные представления о строении атома связывают валентность с числом неспаренных элементов, благодаря которым осуществляется связь между атомами.
Современная теория химической связи дает удовлетворительные ответы на следующие вопросы:
Почему и каким образом из свободных атомов образуются молекулы?
Почему атомы соединяются друг с другом в определенных соотношениях?
Каковы эти соотношения для различных химических элементов?
Какова геометрическая форма молекул и как она связана с электронной структурой составляющих ее атомов?
Связь атомов посредством электронных пар называют ковалентной связью. Разновидность ковалентной связи, образованной атомами, называют неполярной, а образованной двумя разными атомами – полярной или поляризованной.
Ионной называют химическую связь между ионами – заряженными частицами, в которые превращаются атомы в результате отдачи или присоединения электронов. Вещества, образованные из ионов, называются ионными соединениями.
Металлическая связь проявляется при взаимодействии атомов элементов, имеющих избыток свободных валентных орбиталей по отношению к числу валентных электронов.
Водородная связь обусловлена дополнительным взаимодействием между ковалентно связанным атомам водорода одной молекулы и электроотрицательным атомом той же самой или другой молекулы.
Учение о химических связях составляют основу современной теории химического строения. Согласно ей, химическое строение – это не только порядок элементарной связи атомов и их взаимное влияние в веществе, но и направление, и прочность связей, межатомные расстояния, распределение плотности электронного облака, эффективные заряды атомов и т.п.
В XX веке химия все более становилась наукой уже не только и не столько о веществах как законченных предметах, сколько наукой о процессах и механизмах изменения веществ. Химические процессы представляют собой сложнейшие явления, как в неживой, так и в живой природе. Они протекают в форме взаимодействия двух или нескольких веществ, приводящего к образованию новых веществ. Склонность вещества вступать в те или иные химические взаимодействия называется его реакционной способностью, о которой судят по числу и разнообразию характерных для данного вещества превращений. Суть этой способности можно понять с точки зрения активности химических элементов. Наиболее активными являются неметаллы с минимальной атомной массой и имеющие во внешней оболочке 6 или 7 электронов. В качестве примера можно привести кислород: ведь в нем горит даже железо. Что касается металлов, то наиболее активными из них являются элементы, принадлежащие I и II группам таблицы Менделеева, имеющие на внешнем уровне соответственно 1 и 2 валентных электрона и большую атомную массу. Например, барий легко разлагает воду даже при комнатной температуре, а соприкосновение цезия с водой очень часто приводит к взрыву. В то же время элементы с полностью укомплектованной оболочкой являются неактивными (например, инертные газы: неон, аргон, криптон, ксенон).
Описание и объяснение химических процессов – задача одного из важнейших разделов химии, называемого химической кинетикой. Обычно эту общую задачу подразделяют на две более конкретные:
1. Выявление механизма реакции – установление элементарных стадий процесса и последовательности их протекания (качественные изменения);
2. Количественное описание химической реакции – установление строгих соотношений, которые бы удовлетворительно предсказывали изменение количества исходных реагентов и продуктов по мере протекания реакции.
Для понимания основных закономерностей осуществления химического процесса необходимо изучение механизма его протекания. Исходные вещества, вступающие в химическую реакцию, чрезвычайно редко непосредственно превращаются в ее продукты. В большинстве случаев реакция проходит ряд последовательных и параллельных стадий, на которых образуются и расходуются промежуточные вещества. Число промежуточных стадий может быть очень велико – в цепных реакциях их десятки и сотни тысяч. Время существования промежуточных веществ весьма разнообразно: одни вполне стабильны, другие существуют в равновесном состоянии несколько секунд.
Накопление информации о механизме отдельных химических реакций позволит проводить их классификацию, и будет способствовать в дальнейшем созданию общей теории осуществления того или иного типа химической реакции. С другой стороны, выявление механизма конкретной химической реакции позволяет решать важную практическую задачу – выделение наиболее медленной элементарной стадии, которую принято называть лимитирующей, т.е. определяющей скорость всего химического процесса в целом.
Рассматривая механизм химических реакций, следует, прежде всего, иметь в виду, что характер взаимодействия существенно зависит от агрегатного состояния реагентов и продуктов. Реагенты и продукты, вместе взятые, образуют так называемую физико-химическую систему.
Совокупность однородных частей системы, обладающих одинаковым химическим составом и свойствами и отделенных от остальных частей системы поверхностью раздела, называют фазой. Системы, состоящие из одной фазы, называют гомогенными, а системы, содержащие несколько фаз – гетерогенными.
Определение механизма химической реакции является специальной задачей химической кинетики, которую решают, используя современные физико-химические методы исследования.