Шпоры по КСЕ3 / РАЗНОЕ / что такое естествознание

Что такое естествознание?

Естествознание - это изучение вселенной с точки зрения рационального подхода через законы природы. Словом "естествознание", или "естественные науки" обозначют совокупность наук о природе, отличающихся от социальных наук, изучающих человеческое поведение, а также от формальных наук. Традиционно к естественным наукам относят астрономию, биологию, химию, физику и науки о Земле.

Естествознание затрагивает вопросы не только собственно естественно-научные, но и гуманитарные, потому что в нем освещаются пути познания Человеком Природы. т. е. пути развития науки. А изучение этих путей составляет предмет философии (как науки о мышлении и познании) и социологии (как науки о развитии человеческого общества) или психо¬логии (как науки о человеческом интеллекте).

Естествознание является до известной степени основой всякого знания—и естественно-научного, и технического, и гуманитарного. Поэтому он имеет особое значение для меня, вступающего а третье тысячелетие, ибо ведущей тенденцией развития современной цивилизации в ближайшем будущем становятся ингеграцнонные (объединительные) процессы. Процессы, получив¬шие названия {{Великого единения}} или «Высокого соприкоснове¬ния» самых разнообразных научных и (философских идей в рам¬ках возрождающегося гуманизма. Человеческое общество вступило в век господства микроэлектроники, информатики и биотехнологии, которые в корне преобразуют промышленное и сельскохозяйственное производство

Слово «естествознание» представляет собой сочетание двух слов — «естество» («природа») и «знание». Оно может быть заменено менее употребительным словом-синонимом «природоведение», которое происходит от общеславянского термина «веды» или «веда» - наука, знание. Мы и до сих пор говорим «ведать» в смысле знать. Но в настоящее время под естествознанием понимается прежде всего так называемое точное естествознание, т.е. уже вполне оформленное - часто в математических формулах - «точное» знание о всем, что действительно есть (или, по крайней мере, возможно) во Вселенной, а «природоведение» (подобно пресловутому «обществоведению» или «науковедению») обычно невольно ассоциируется с какими-то еще аморфными представлениями о предмете своего «ведения».

Имея в виду рациональность перехода от натурфилософии к математически точному естествознанию, В.И. Вернадский отмечал одинаковую существенность и взаимную дополнительность двух основных и воистину универсальных математических методов—количественного (арифметического или алгебраического) и качественного (геометрического), т. е. интегрального (внешнего) и дифференциального (внутреннего): «Одно и то же природное явление может быть независимо охвачено обоими этими направлениями творческой математической мысли».

Отдавая должное философии и сознавая «огромное значение математики для естествознания», он все-таки полагал, что «в основе естествознания лежат только научные эмпирические факты и научные эмпирические обобщения»: «Все основные научные эмпирические понятия при логическом анализе приводят к иррациональному остатку...

Никогда ни одно научно изучаемое явление, ни один научный эмпирический факт и ни одно научное эмпирическое обобщение не может быть выражено до конца, без остатка, в словесных образах, в логических построениях—в понятиях—в тех формах, в пределах которых только и идет работа философской мысли, их синтезирующая, их анализирующая. В предметах исследования науки всегда остается неразлагаемый рационалистически остаток—иногда большой,—который влияет на эмпирическое научное изучение, остаток, исчезающий нацело из идеальных построений философии, космогонии или математики и математической физики. Глубокая мысль, в яркой красивой форме выраженная Ф. И. Тютчевым— „Мысль изреченная есть ложь", всегда сознательно или бессознательно чувствуется испытателем природы и всяким научным исследователем, когда он в своей научной работе сталкивается с противоречиями между эмпирическими научными обобщениями и отвлеченными построениями философии или когда факты заставляют его менять и уточнять (обычно осложнять, а часто резко упрощать) свои гипотезы, особенно часто—неизбежно ограниченные математические выражения природных явлений».

Поэтому Вернадский считал необходимым исходить прежде всего или в конечном счете именно из ключевых научных эмпирических фактов или соответствующих ключевых научных эмпирических обобщений (типа открытой Менделеевым Периодической системы химических элементов—«одного из величайших эмпирических обобщений.

Всегда остающийся в предметах исследования науки неразлагаемый рационалистически остаток, т. е. иррациональный остаток, к которому приводят все основные научные эмпирические понятия при логическом анализе, означает, что мы должны принимать во внимание наряду с безусловно необходимыми— достоверными—фактами, характерными для вполне детерминистической классической механики, и факты вероятностные, лежащие в основе надлежащей квантовой механики (с ее соответствующей вероятностной интерпретацией и с характерным для нее принципом неопределенности), а также факты веры, с которыми имеют дело не только все религии, но и атеизм, поскольку «основанные па философских заключениях» «атеистические представления,—как справедливо заметил Вернадский,—по существу тоже предмет веры».

Чуть ли не все подвергая сомнению, Вернадский замечает: «Но это не касается эмпирических обобщений, которые в основе своей существенно отличны от научных теорий и научных гипотез, с которыми они обычно смешиваются».

При этом он считал принципиально необходимым и возмож¬ным стремиться к предельно полному охвату природных явлений и самой Природы в целом.

Однако в пределе, охватывая в целом Природу, Вселенную, материю (со всеми присущими ей атрибутами, вплоть до Жизни и Разума, в том числе Высшего Разума—с бесконечными потенциальными возможностями), мы по крайней мере в принципе можем и должны получить—и действительно получаем!—не только искомое воистину универсальное (предельно полное) ключевое научное эмпирическое обобщение в виде вполне детерминированных взаимосвязанных периодических систем всевозможных (так называемых эталонных и производных) фундаментальных структурных элементов материи на всех четырех возможных последовательных основных уровнях ее естественной самоорганизации—физическом, химическом, биологическом и психологическом (т. е. на самом деле величайшее атомистическое научное эмпирическое обобщение менделеевского типа), но и адекватное ему столь же универсальное ключевое научное теоретическое обобщение в виде совершенно однотипных по своей симметрии и, соответственно, непосредственно однозначно дедуктивно определяемых по надлежащей математической ин¬дукции вполне детерминированных взаимосвязанных периодических систем всевозможных равномерно квантованных собственных значений всех возможных универсальных характеристик рассматриваемых элементов.

Непосредственной целью естествознания является описание, объяснение и предсказание процессов и явлений действительности, составляющих предмет ее изучения, на основе открываемых ею законов. Философия всегда в той или иной степени выполняла по отношению к естествознанию функции методологии познания и мировоззренческой интерпретации ее результатов.

Философию объединяет с естествознанием также и стремление к теоретической форме построения знания, к логической доказательности своих выводов. Европейская традиция, восходящая к античности, высоко ценившая единство разума и нравственности, вместе с тем прочно связывала философию с наукой. Еще греческие мыслители придавали большое значение подлинному знанию и компетентности в отличии от менее научного, а порой и просто легковесного мнения. Такое различие имеет принципиальный характер для многих форм человеческой деятельности, в том числе и для философии. Так чем же являются результаты интеллектуальных усилий философов: надежным знанием или только мнением, пробой сил, своего рода игрой ума? Каковы гарантии истинности философских обобщений, обоснований, прогнозов? Вправе ли философия притязать на статус науки или же такие притязания беспочвенны? Попробуем ответить на эти вопросы обратившись к истории. Первую попытку обрисовать круг задач философии, перед лицом существующих и только начинающих формироваться конкретных наук, в свое время предпринял Аристотель. В отличии от частных наук, каждая из которых занята исследованием своей области явлений, он определил философию как учение о первопричинах, первопринципах, самых общих началах бытия. Ее теоретическая мощь представилась Аристотелю несоизмеримой с возможностями частных наук и вызывала его восхищение. Он назвал эту область знания 'госпожой наук', считая что другие науки, как рабыни, не могут сказать ей и слова против. В размышлениях Аристотеля отражено характерное для его эпохи резкое расхождение философской мысли и специальных дисциплин по уровню их теоретической зрелости. Такая ситуация сохранялась в течении многих веков. Подход Аристотеля надежно утвердился в сознании философов титулами 'королева наук' и 'наука наук'.

В Древней Греции философия зародилась в качестве всеобъемлющей науки - само слово 'философия' означает 'наука'. Эта наука была направлена на все, что вообще было способно или казалось способным стать объектом познания. Будучи сначала единой и нераздельной наукой, философия, при дифференцированном состоянии отдельных наук, становилась отчасти органом, соединяющим результаты деятельности всех остальных наук и одно общее познание, отчасти проводником нравственной и религиозной жизни.

В 19-20 веках, на новом этапе развития знаний, зазвучали противоположные суждения о величии естествознания и неполноценности философии. В это время возникло и приобрело влияние философское течение позитивизма, поставившего под сомнение познавательные возможности философии, ее научность, одним словом развенчивающее 'королеву наук' в 'служанки'. В позитивизме был сформирован вывод о том, что философия это суррогат науки, имеющий право на существование в те периоды, когда еще не сложилось зрелое научное познание. На стадиях же развитой науки познавательные притязания философии объявляются несостоятельными. Провозглашается, что зрелая наука - сама себе философия, что именно ей посильно брать на себя и успешно решать запутанные философские вопросы, будоражившие умы в течении столетий.

Ко всему прочему отличием философского знания от других является то, что философия - единственная из наук объясняет, что такое бытие, какова его природа, соотношение материального и духовного в бытие.

Посмотрим как наука и философия взаимодействуют между собой.

Научно-философское мировоззрение выполняет познавательных функций, родственных функциям науки. Наряду с такими важными функциями как обобщение, интеграция, синтез всевозможных знаний, открытие наиболее общих закономерностей, связей, взаимодействий основных подсистем бытия, о которых уже шла речь, теоретическая масштабность, логичность философского разума позволяют ему осуществлять также функции прогноза, формирования гипотез об общих принципах, тенденциях развития, а также первичных гипотез о природе конкретных явлений, еще не проработанных специально-научными методами.

На основе общих принципов рационального понимания философская мысль группирует житейские, практические наблюдения различных явлений, формирует общие предположения о их природе и возможных способах познания. Используя опыт понимания, накопленный в иных областях познания, практики, она создает философские 'эскизы' тех или иных природных или общественных реалий, подготавливая их последующую конкретно-научную проработку. При этом осуществляется умозрительное продумывание принципиально допустимого, логически и теоретически возможного. Философия выполняет функцию интеллектуальной разведки, которая также служит и для заполнения познавательных пробелов, постоянно возникающих в связи с неполной, разной степенью изученности тех или иных явлений, наличием 'белых пятен' познавательной картины мира. Конечно, в конкретном научном плане предстоит заполнить специалистам-ученым, иной общей системе миропонимания. Философия же заполняет их силой логического мышления.

Специалисты, изучающие всевозможные конкретные явления, нуждаются в общих, целостных представлениях о мире, о принципах его устройства, общих закономерностях и т.д. Однако сами она таких представлений не вырабатывают - в конкретных науках используется универсальный мыслительный инструментарий(категории, принципы, различные методы познания), но ученые специально не занимаются разработкой, систематизацией, осмыслением познавательных приемов, средств. Общемировоззренческие и теоретико-познавательные основания науки изучаются, отрабатываются и формируются в сфере философии.

2. ВИДЫ ХИМИЧЕСКИХ СВЯЗЕЙ. ИХ ОСОБЕННОСТИ.

В 1916 году Коссель и Льюис независимо друг от друга выдвинули теории химической связи. Оба объяснили образование химической связи стремлением атомов отдать, получить или разделить с другими атомами электроны, что бы приобрести устойчивую электронную конфигурацию типа конфигурации благородных газов.

Нам известно, что атомы могут соединяться друг с другом с образованием как простых, так и сложных веществ. При этом образуются различного типа химические связи: ионная, ковалентная (неполярная и полярная), металлическая и водородная. Одно из наиболее существенных свойств атомов элементов, определяющих, какая связь образуется между ними – ионная или ковалентная, - это электроотрицательность, т.е. способность атомов в соединении притягивать к себе электроны.

Условную количественную оценку электроотрицательности дает шкала относительных электроотрицательностей.

В периодах наблюдается общая тенденция роста электроотрицательности элементов, а в группах – их падения. Элементы по электроотрицательностям располагают в ряд, на основании которого можно сравнить электроотрицательности элементов, находящихся в разных периодах.

Вид химической связи зависит от того, насколько велика разность значений электроотрицательностей соединяющихся атомов элементов. Чем больше отличаются по электроотрицательности атомы элементов, образующих связь, тем химическая связь полярнее. Провести резкую границу между типами химических связей нельзя. В большинстве соединений вид химической связи оказывается промежуточным; например, сильнополярная ковалентная химическая связь близка к ионной связи. В зависимости от того, к какому из предельных случаев ближе по своему характеру химическая связь, ее относят либо к ионной, либо к ковалентной полярной связи.

Фаянс сформулировал два правила для предсказания степени ионного или ковалентного характера связи между двумя атомами:

1. Связь будет преимущественно ионной если заряды образующихся ионов невелики. Например, хлорид натрия, вероятно, будет ионным поскольку заряды Na+ и Cl- равны +1 и –1, в то время как связь алюминия, вероятно, будет ковалентной, так как заряд Al3+ велик.

2. Связь будет преимущественно ионной, если радиус катиона велик (например, у щелочных металлов), а радиус аниона мал (например у легких галогенов).

Ионная связь.

Ионная связь образуется при взаимодействии атомов, которые резко отличаются друг от друга по электроотрицательности. Например, типичные металлы литий(Li), натрий(Na), калий(K), кальций (Ca), стронций(Sr), барий(Ba) образуют ионную связь с типичными неметаллами, в основном с галогенами.

Кроме галогенидов щелочных металлов, ионная связь также образуется в таких соединениях, как щелочи и соли. Например, в гидроксиде натрия(NaOH) и сульфате натрия(Na2SO4) ионные связи существуют только между атомами натрия и кислорода (остальные связи – ковалентные полярные).

Между положительно заряженным ионом натрия и отрицательно заряженным фторид –ионом действует сила электростатического притяжения. В следствии притяжения возникает химическая связь. Связь такого типа называют ионной или электровалентной связью.

Магний и алюминий должны потерять два и три электрона, чтобы приобрести конфигурацию неона.

Кислород для завершения октета электронов должен приобрести два электрона.

Образованные этими катионами (положительными ионами) и анионами (отрицательными ионами) соединения представляют собой вещества не несущие электрического заряда. Их называют ионными или электровалентными соединениями.

Ковалентная связь

Ионная связь – не единственный тип химической связи. В молекуле СL2 мы встречаемся с новым типом связи. Льюис предположил, что в такой связи каждый из двух атомов хлора делится одним из своих внешних электронов – такие электроны называются валентными – с другим атомом хлора.

Для перекрывания атомных орбиталей два атома должны подойти друг к другу как можно ближе. Общая пара электронов и образует ковалентную связь. Эти электроны занимают одну и ту же орбиталь, а их спины направлены в противоположные стороны. Связь в молекуле Cl2 можно изобразить различными способами. Подсчет электронов вести легче, если электроны одного атома изображать крестиками, а другого – кружками или точками, хотя, конечно, двух типов (или вообще – различных) электронов не существует. В результате образования общей пары электронов каждый из атомов хлора «приобретает» восемь электронов в свою внешнюю оболочку: теперь он имеет «завершенный октет». Общие пары электронов образуются, когда наполовину заполненные атомные орбитали соседних атомов перекрываются между собой.

Ковалентные связи очень важны в соединениях углерода. Имея четыре валентных электрона, атом углерода может приобрести полный октет, если он предоставит эти электроны для образования общих электронных пар с четырьмя атомами водорода.

В молекуле диоксида углерода СО2 атом углерода делит по два электрона с каждым из двух атомов кислорода, так что каждый из трех атомов получает полный октет валентных электронов. Так как каждая общая пара электронов соответствует ковалентной связи, две общих электронных пары между углеродом и кислородом образуют двойную связь. Пары электронов на атомах кислорода, не разделенные с другими атомами называют не поделенными электронными парами.

В молекуле азота N2 атому азота для приобретения октета электронов необходимо поделиться тремя из пяти имеющихся у него электронов с другим атомом азота.

Многие ковалентные соединения в твердом состоянии представляют собой совокупность отдельных молекул. Внутримолекулярные связи (то есть связи между атомами в молекуле) прочны. Межмолекулярные силы (то есть силы притяжения между молекулами за счет диполь –дипольных и других взаимодействий) заметно слабее и их легко преодолеть. В результате молекулы получают возможность двигаться независимо друг от друга – вещество переходит в жидкое состояние. Такие ковалентные соединения имеют низкие температуры плавления, многие из них при комнатной температуре являются жидкостями или газами. Температура кипения их низка по той же самой причине: силы притяжения между молекулами очень слабы.

Другие ковалентные вещества не состоят из отдельных молекул. Они представляют собой макромолекулярные структуры, объединенные ковалентными связями. Например, алмаз, нитрид бора, оксид кремния и карбид кремния. Сильные ковалентные связи, объединяющие макромолекулы, служат причиной высоких (даже более высоких, чем у большинства ионных кристаллов) температур плавления этих соединений и делают их нелетучими (то есть такие соединения имеют высокие температуры кипения).

Термин ковалентная связь используется для описания как неполярных связей, которые в значительной степени полярны.

Ковалентная неполярная связь.

При взаимодействии атомов с одинаковой электроотрицательностью образуются молекулы с ковалентной неполярной связью. Такая связь существует в молекулах следующих простых веществ: H2, F2, Cl2, O2, N2. Химические связи в этих газах образованы посредством общих электронных пар, т.е. при перекрывании соответствующих электронных облаков, обусловленном электронно-ядерным взаимодействием, которые осуществляет при сближении атомов.

Составляя электронные формулы веществ, следует помнить, что каждая общая электронная пара – это условное изображение повышенной электронной плотности, возникающей в результате перекрывания соответствующих электронных облаков.

Ковалентная полярная связь.

Такие связи, как C-Cl и C-О, называют полярными ковалентными связями.,

При взаимодействии атомов, значение электроотрицательностей которых отличаются, но не резко, происходит смещение общей электронной пары к более электроотрицательному атому. Это наиболее распространенный тип химической связи, которой встречается как в неорганических, так и органических соединениях.

К ковалентным связям в полной мере относятся и те связи, которые образованы по донорно-акцепторному механизму, например в ионах гидроксония и амония.

Металлическая связь.

Связь, которая образуется в результате взаимодействия относительно свободных электронов с ионами металлов, называются металлической связью. Этот тип связи характерен для простых веществ- металлов.

Сущность процесса образования металлической связи состоит в следующем: атомы металлов легко отдают валентные электроны и превращаются в положительные заряженные ионы. Относительно свободные электроны, оторвавшиеся от атома, перемещаются между положительными ионами металлов. Между ними возникает металлическая связь, т. е. Электроны как бы цементируют положительные ионы кристаллической решетки металлов.

Водородная связь.

Связь, которая образуется между атомов водорода одной молекулы и атомом сильно электроотрицательного элемента (O, N, F) другой молекулы, называется водородной связью.

Может возникнуть вопрос: почему именно водород образует такую специфическую химическую связь?

Это объясняется тем, что атомный радиус водорода очень мал. Кроме того, при смещении или полной отдаче своего единственного электрона водород приобретает сравнительно высокий положительный заряд, за счет которого водород одной молекулы взаимодействует с атомами электроотрицательных элементов, имеющих частичный отрицательный заряд, выходящий в состав других молекул (HF, H2O, NH3).

Рассмотрим некоторые примеры. Обычно мы изображаем состав воды химической формулой H2O. Однако это не совсем точно. Правильнее было бы состав воды обозначать формулой (H2O)n, где n = 2,3,4 и т. д. Это объясняется тем, что отдельные молекулы воды связаны между собой посредством водородных связей.

Водородную связь принято обозначать точками. Она гораздо более слабая, чем ионная или ковалентная связь, но более сильная, чем обычное межмолекулярное взаимодействие.

Наличие водородных связей объясняет увеличения объема воды при понижении температуры. Это связано с тем, что при понижении температуры происходит укрепление молекул и поэтому уменьшается плотность их «упаковки».

При изучении органической химии возникал и такой вопрос: почему температуры кипения спиртов гораздо выше, чем соответствующих углеводородов? Объясняется это тем, что между молекулами спиртов тоже образуются водородные связи.

Повышение температуры кипения спиртов происходит также вследствие укрупнения их молекул.

Водородная связь характерна и для многих других органических соединений (фенолов, карбоновых кислот и др.). Из курсов органической химии и общей биологии вам известно, что наличием водородной связи объясняется вторичная структура белков, строение двойной спирали ДНК, т. е. явление комплиментарности.

3. ЗАКОНЫ ФАРАДЕЯ

Законы естествознания постулируются на основании наблюдаемых опытных фактов. Сначала идет процесс накопления знаний в определенной области. Эти результаты анализируются и делается некоторое предположение. Это предположение не выводится из других законов. Оно возникает само по себе на основании опыта. Сделанное умозаключение, сформулированное в виде математической формулы, становится частью гипотезы. Если последующие опыты подтверждают правильность этого предположения, оно становится законом.

Понятие поля в применении к электрическому и магнитному полям было введено в 30-х годах 19-го века М. Фарадеем. Концепция поля была возрождением теории близкодействия, основоположником которой был Р.Декарт. Согласно его концепции близкодействия, взаимодействующие тела создают в каждой точке окружающего их пространства особое состояние - поле, которое проявляется в силовом воздействии на другие тела, в эти поля помещенные. Экспериментально было показано, что взаимодействие электрически заряженных тел осуществляется не мгновенно. Перемещение одной заряженной частицы приводит к изменению сил, действующих на другую заряженную частицу не в тот же момент, а спустя некоторое время. В разделяющем частицы пространстве происходит некоторый процесс, который распространяется с конечной, хотя и очень большой скоростью. Был сделан вывод, что имеется посредник, осуществляющий взаимодействие между заряженными частицами. Этот посредник был назван электромагнитным полем. Каждая заряженная частица создает вокруг себя электромагнитное поле, действующее на другие заряженные частицы. Скорость распространения электромагнитных волн не превышает 108 м/с. Таким образом, возникласкорости их распространения в вакууме, равной 3 новая концепция - концепция близкодействия. Согласно этой концепции, взаимодействие телами осуществляется посредством тех или иных полей, непрерывно распределенных в пространстве. Всемирное тяготение, например, осуществляется за счет гравитационных полей. Взаимодействие тел передается не мгновенно, а через некоторый промежуток времени. Скорость передачи взаимодействия ограничена скоростью света в вакууме.

Самым важным в учении об электричестве Фарадей считал явление индукции: «Среди различного рода проявлений, по признакам которых принято подразделять электричество, нет, я полагаю, ни одного, которое превосходило бы или хотя бы было сравнимо с эффектом получившим имя индукции. Она играет наибольшую роль во всех электрических явлениях, участвуя, по видимому, в любом из них, и, действительно, носит характер первейшего существенного и основного начала. Изучение индукции является настолько важным, что без более глубокого понимания её природы нельзя, мне кажется, значительно продвинуться вперед. Каким же иным путем можно надеяться понять ту гармонию или даже единство действий, которое, несомненно, управляет возбуждением электричества с помощью трения, химических реакций, тепла, магнитного влияния, испарения и даже живого организма».

Если менять поток индукции магнитного поля ФН, проходящего через проводник, то в проводнике возникает ЭДС, которую принято называть ЭДС индукции. Математическая формулировка его такова:

ЭДС самоиндукции пропорциональна скорости изменения потока индукции магнитного поля, взятой с обратным знаком. С другой стороны, ЭДС равна циркуляции вектора напряженности электрического поля и мы можем написать:

Закон электромагнитной индукции не говорит о том, за счет чего меняется поток индукции магнитного поля. Он может меняться как за счет величины магнитного поля, так и за счет изменения площадки, через которую проходит магнитный поток.