Лекция 4 Концептуальные уровни в познании веществ и химические системы

Вид материала

Лекция

Содержание 2. Основные химические законы и концептуальные уровни в познании веществ Закон кратных отношений Закон объемных отношений Закон Авогадро Первый концептуальный уровень Второй концептуальный уровень познания Третий уровень познания Четвертый концептуальный уровень Первым объектом Вторым объектом Третьим объектом Четвертым объектом

Подобный материал:

• Лекции концептуальные основы ос» Тема лекции концептуальные основы ос», 188.78kb.
• Программа дисциплины «Неорганическая химия», 23.21kb.
• Урок-лекция по теме: "Строение и химические свойства предельных углеводородов", 146kb.
• Контрольная работа По дисциплине физико-химические свойства и методы контроля качества, 77.41kb.
• «физиологической активности вещества», 1536.69kb.
• «биологическая активность», 2643.62kb.
• Круговорот в природе, 71.54kb.
• Общая биология уровни организации и основные признаки живого вещества уровни организации, 447.5kb.
• Темы рефератов по дисциплине Строение вещества для группы ах-07-1 Твердые системы, 11.09kb.
• А. Г. Морачевский профессор, д Х. н. Физико-химические основы процессов разделения, 39.16kb.

Лекция 4

Концептуальные уровни в познании веществ и химические системы


1. История развития знаний о веществе. Естествознание как наука о явлениях и законах природы включает одну из важнейших отраслей – химию. В современном понимании химия – это наука о превращениях веществ, сопровождающихся изменением их состава и (или) строения. История развития химических знаний начинается с древних времен, когда в V веке до н.э. древнегреческий философ Левкипп впервые предложил гипотезу атомного строения материи. Гораздо позднее античному натурфилософскому атомистическому учению о строении вещества противопоставлялась алхимия – донаучное направление, получившее развитие в Западной Европе в XI – XVI веках. Основные задачи алхимии заключались в нахождении так называемого «философского камня» для превращения неблагородных металлов в золото и серебро, в создании эликсира долголетия. В эпоху Возрождения результаты химических исследований все чаще начинают применяться в металлургии, стеклоделии, производстве керамики и красок.

Первое научное определение химического элемента предложил в 1661 году английский химик и физик, основоположник экспериментального химического анализа Р.Бойль. В современном представлении химический элемент – это совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Основываясь на результатах своих экспериментов, Бойль сделал важный вывод: качество и свойства веществ зависят от того, из каких химических элементов оно состоит.

Принято считать, что химия стала подлинной наукой во второй половине 18 века, когда первый российский ученый-естествоиспытатель М.В.Ломоносов сформулировал закон сохранения материи и движения, исключив из числа химических агентов флогистон – невесомую материю. Первая химическая теория – теория флогистона, согласно которой металлы считались сложными соединениями, состоящими из соответствующих элементов и универсального флогистона, оказалась ошибочной. Независимо от Ломоносова французский химик А.Л.Лавуазье, определяя роль кислорода в процессе горения, окисления и дыхания, опроверг теорию флогистона.

В начале 19 века английский химик и физик Д.Дальтон заложил основы химической атомистики. Он впервые ввел понятие «атомный вес», определил атомные массы ряда элементов и открыл закон кратных отношений: если два химических элемента образуют друг с другом более одного соединения, то массы одного элемента, приходящиеся на одну и ту же массу другого, относятся как целые числа.

В 1811 году итальянский физик и химик А.Авогадро ввел термин «молекула» и выдвинул молекулярную гипотезу строения вещества. Молекула – это микрочастица, образованная из атомов и способная к самостоятельному существованию.

В 1861 году российский химик А.М.Бутлеров создал и обосновал теорию химического строения вещества, согласно которой свойства веществ определяются порядком связей атомов в молекулах и их взаимным влиянием.

В 1869 году Д.И.Менделеев открыл периодический закон химических элементов – один из фундаментальных законов естествознания. Сам автор сформулировал закон в следующем виде: свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов. Современная формулировка этого закона такова: строение и свойства элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов и определяется периодически повторяющимися однотипными электронными конфигурациями их атомов. Заряд ядра равен атомному номеру элемента в Периодической системе Меделеева.

По мере развития химии формировались многие ее отрасли: органическая химия, физическая химия, аналитическая химия. На стыке химических и других отраслей естествознания появились биохимия, агрохимия, геохимия. Результаты химических исследований составляют основу многих современных технологий. В последние десятилетия появилась реальная возможность проводить исследования на молекулярном уровне. Такие исследования позволили раскрыть механизм многих процессов в живом организме, синтезировать не существующие в природе вещества с необычными свойствами, установить сложную структуру молекулы ДНК, расшифровать молекулярный генный механизм наследственности. Сегодня ученые уже приступили к конструированию устройств из отдельных молекул и созданию молекулярного компьютера.

2. Основные химические законы и концептуальные уровни в познании веществ. Современная химическая наука опирается на ряд основных химических законов:

1. Закон сохранения массы: масса веществ, вступающих в реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.
   
2. Закон сохранения энергии: при любых взаимодействиях, имеющих место в изолированной системе, энергия этой системы остается постоянной, возможны лишь переходы энергии из одного вида в другой.
   
3. Закон постоянства состава: любое химически индивидуальное соединение имеет один и тот же количественный состав независимо от способа его получения.
   
4. Закон кратных отношений: если два элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то массы одного из элементов, приходящихся в этих соединениях на одну и ту же массу другого, относятся между собой как небольшие целые числа.
   
5. Закон объемных отношений: при одинаковых условиях объемы вступающих в реакцию газов относятся друг к другу и к объемам образующихся газообразных продуктов реакции как небольшие числа.
   
6. Закон Авогадро: в равных объемах любых газов, взятых при одной и той же температуре и при одинаковом давлении, содержится одно и то же число молекул.
   

Современную картину химических знаний объясняют с позиций четырех концептуальных систем (уровней):

• Первый концептуальный уровень – это исследование различных свойств веществ в зависимости от химического состава, определяемого их элементами (учение о составе). То есть первоначально химики искали ту первоначальную основу или элемент, с помощью которого пытались объяснить свойства всех простых и сложных веществ (1660-ые – 1800-ые годы).
  
• Второй концептуальный уровень познания веществ связан с исследованием структуры, то есть способа взаимодействия элементов веществ (структурная химия). Это было необходимо потому, что свойства полученных в результате химических реакций веществ зависят не только от элементов, но и от их взаимосвязи и взаимодействия в процессе реакции (1950-ые годы).
  
• Третий уровень познания представляет собой исследование внутренних механизмов и условий протекания химических процессов, таких, как температура, давление, скорость протекания реакций (учение о химических процессах). Все эти факторы оказывают огромное влияние на характер процессов и объем получаемых веществ, что имеет первостепенное значение для массового производства (1970-ые годы).
  
• Четвертый концептуальный уровень является дальнейшим развитием предыдущего уровня, связанным с более глубоким изучением природы реагентов, участвующих в химических реакциях, а также применением катализаторов, значительно ускоряющих скорость их протекания. На этом уровне мы встречаемся уже с простейшими явлениями самоорганизации, изучаемыми синергетикой (эволюционная химия, настоящее время).
  

3. Объекты изучения химической науки. Первым объектом изучения химии, лежащим в основе всех теоретических представлений о составе и структуре вещества, является химический элемент и изотоп. Химический элемент – это определенный вид атомов, характеризующийся одинаковым зарядом ядра. Атом – это электронейтральная система взаимодействующих элементарных частиц. Составные части атома – ядро и электроны. Электрон – истинная элементарная частица, заряженная отрицательно. Ядро состоит из частиц двух типов: положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Атомы одного и того же элемента, имеющие в ядре разное количество нейтронов и, соответственно, разную массу, называются изотопами. Каждый элемент имеет свое название и краткое стандартное обозначение из одной или двух букв латинского алфавита. В настоящее время известно 110 элементов. Изотопы не имеют собственных названий, а повторяют название элемента. Исключение составляют изотопы водорода: протий (ядро протия состоит из одного протона), дейтерий (ядро содержит один протон и один нейтрон) и тритий (ядро содержит один протон и два нейтрона).

Вторым объектом, изучаемым в рамках химии, являются химические соединения. Химическое соединение – это сложная система, образованная химическими элементами. На уровне микромира химическое соединение – это образование из атомов более сложных частиц – молекул. Процесс образования молекул из атомов называется химической реакцией. Химическая реакция – это процесс образования новых химических соединений. Молекула – это электронейтральная наименьшая совокупность атомов, образующих определенную структуру посредством так называемых химических связей. Химическая связь представляет собой одно из фундаментальных взаимодействий – электромагнитное. Осуществляют химические связи между атомами электроны, расположенные на внешней оболочке и связанные с ядром наименее прочно. Эти электроны носят название валентных электронов. В зависимости от характера взаимодействия между валентными электронами различают ковалентную, ионную и металлическую химические связи. Ковалентная связь осуществляется за счет образования электронных пар, в одинаковой мере принадлежащих обоим атомам. Ионная связь представляет собой электростатическое притяжение между ионами, образованное за счет полного смещения электрической пары к одному из атомов. Металлическая связь – это связь между положительными ионами в кристаллах атомов металлов, образующихся за счет притяжения электронов, но перемещающихся по кристаллу в свободном виде. Молекулы могут содержать атомы только одного элемента, в этом случае такие вещества называются простыми. Из 110 элементов, известных в настоящее время, образуется 400 простых веществ. Такое различие объясняется способностью некоторых элементов существовать в виде различных простых веществ, отличающихся как по химическим, так и по физическим свойствам. Это явление получило название аллотропии, а сами различные вещества – аллотропными модификациями. Вещества, молекулы которых состоят из атомов разных элементов, называются сложными веществами, или химическими соединениями. Традиционно химические соединения подразделяют на неорганические – это соединения всех элементов Периодической системы, и органические – соединения углерода и некоторых других элементов, в которых атомы углерода соединены между собой в цепи. Всего химических соединений на настоящий момент известно несколько миллионов, и их количество постоянно растет за счет синтеза новых органических соединений.

Третьим объектом химического изучения являются химические процессы. Химические процессы представляют собой сложнейшее явление, как в неживой, так и живой природе. Эти процессы изучает не только химия, но и физика и биология. Перед химической наукой стоит принципиальная задача – научиться управлять химическими процессами. В настоящее время для управления химическими процессами имеются в наличии термодинамический и кинетический методы. С помощью этих методов было сделано немало полезных открытий, которые показывают, как можно увеличить скорость химических процессов за счет подбора условий – повышения температуры реакции, давления, как можно сдвинуть химическое равновесие в сторону получения полезных продуктов реакции, не содержащих остатков непрореагировавших исходных продуктов. Эпохальным стало открытие веществ, которые при добавлении к реакционной смеси способны увеличить скорость реакции, при этом оставаясь неизменными. Эти вещества получили название катализаторов, а их применение – катализ. Существуют как искусственные катализаторы, так и природные. Кроме того были найдены вещества, которые замедляют химические процессы. Эти вещества называются ингибиторами, то есть замедлителями. Катализаторы и ингибиторы играют большую роль в биологических процессах. Известные всем ферменты – биокатализаторы, вещества, ускоряющие биохимические процессы в организме живых существ, причем живые существа самостоятельно синтезируют некоторые из этих ферментов. Те же ферменты, которые не могут синтезироваться в организме, имеют исходные вещества, называемые коферментами. Коферменты – витамины, – поступают в организм с пищей. Витамины затем трансформируются в ферменты.

Четвертым объектом изучения химической науки является самоорганизация предбиологических систем. Химики давно пытались понять, каким образом из неорганической безжизненной материи возникает органическая как основа жизни на Земле. Поэтому в 20 веке в свете общих эволюционных представлений в естествознании развивается новая наука – эволюционная химия, наука о самоорганизации и саморазвитии химических систем. В рамках эволюционной химии изучаются процессы самопроизвольного синтеза новых химических соединений, являющихся более сложными и высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами. Начало этой науки положено при разработке теории биохимической эволюции, объясняющей происхождение жизни на Земле в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам. Первой стадией биохимической эволюции считается химическая эволюция, или абиогенез, которая, согласно этой теории, протекала в три этапа. Первый этап – синтез низкомолекулярных органических соединений из газов первичной атмосферы; второй этап – полимеризации мономеров с образованием цепей белков и нуклеиновых кислот; третий этап – образование фазово-обособленных систем органических веществ, отделенных от внешней среды мембранами. В процессе развития нашей планеты происходил отбор химических элементов в биотических и абиотических системах. Основу живых систем составляют 6 элементов, получивших название органогенов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера. Их общая весовая доля в организме составляет более 97%. За ними следуют 11 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важных компонентов биосистем: натрий, калий, кальций, магний, железо, кремний, алюминий, хлор, медь, цинк, кобальт. Их весовая доля в организме – 1,6%. Есть еще 20 элементов, участвующих в построении и функционировании отдельных специфических биосистем, доля которых составляет 1%. Участие всех остальных элементов в построении биосистем практически не зафиксировано. В абиотической среде также есть свидетельства об отборе элементов. Более 99% всех природных соединений содержат те же 17 элементов, на долю всех остальных приходится менее 1% соединений. Если говорить о химической картине мира в целом, учитывая как природные, так и синтетические продукты, то оказывается, что в настоящее время известно около 8 млн химических соединений. Из них 96% - органические соединения, 4% - неорганические. Большую часть вещества во Вселенной составляют водород и гелий. Более тяжелые элементы существуют во Вселенной в очень малых количествах: например, наша звезда – Солнце – содержит не более 2% тяжелых элементов.