Основные геотектонические гипотезы

 

История геологической науки хранит немало событий и фактов, оказавших большое влияние на ход развития этой древней науки. Представленные во временной последовательности, эти факты дают возможность проследить генезис основных геологических концепций и теорий. В развитии геологии можно условно выделить три основных этапа: предыстория геологии (от античных времен до ХVII в.), становление геологии как науки (XVII–XVIII вв.), современная геология (XIX–XX вв.)

Истоки геологии относятся к глубокой древности и связаны с первыми сведениями о горных породах, минералах и рудах. Широко известны работы древнегреческих мыслителей Гераклита, Аристотеля и других. Гераклит утверждал, что первоначало всего сущего – мировой огонь, который также есть душа и разум (логос). Путем сгущения из огня возникают все вещи, путем разрежения в него возвращаются. Он высказал идеи о непрерывном изменении и становлении («все течет», «в одну реку нельзя войти дважды»), рассматривал внутренние противоречия как источник развития («раздор есть отец всего»). Другой древнегреческий философ, Аристотель, оказал значительное влияние на все дальнейшее развитие научной и философской мысли. Сочинения его относятся ко всем областям знаний того времени.

В сочинениях «Физика», «О происхождении и уничтожении», «О небе», «О метео-рологических вопросах» и других изложил свои представления о природе и движении. Согласно космологии Аристотеля, Вселенная состоит из ряда концентрических хрустальных сфер, которые движутся с разными скоростями. В центре Вселенной расположена шарообразная неподвижная Земля, вокруг которой по концентрическим окружностям вращаются планеты. Все тела состоят из четырех низших элементов: земли, воды, воздуха и огня. Земля, как самый тяжелый элемент, занимает центральное место, над ней последовательно размещаются оболочки воды, воздуха и огня. Аристотель обратил внимание на окаменелости, как на остатки исчезнувших организмов. Древнегреческих ученых интересовали вопросы формирования климата, изменения поверхности Земли, вулканическая деятельность, строение земной коры и др. Плиний Старший (23–79 гг.) написал около 73 книг, в значительной части которых он раскрыл начала «европейской истории Земли». В этой области знаний, о путях происхождения в земных недрах минералов, металлов и драгоценных камней, он выступал как последователь Аристотеля.

Крупным мыслителем эпохи Возрождения был великий итальянский художник Леонардо да Винчи (1452–1519 гг.). Он первый высказал мысль, что горы образуются не сразу, а постепенно, и утверждал, что Земля существует длительное время. Современник Леонардо да Винчи Георгиус Агрикола (1494–1555 гг.) в своих 12 книгах о рождении металла описал способы добычи и переработки полезных ископаемых. Конечно, ни о какой науке в рассматриваемый период развития геологических воззрений не может быть и речи. Натурфилософский взгляд на природу вещей носил чисто умозрительный характер и не подкреплялся систематическими экспериментальными исследованиями.

Становление научной геологии тесно связано с созданием классической механики. Физические методы исследования стали широко применяться в геологических исследованиях. Сформулированные Ньютоном законы механики и закон всемирного тяготения стали теоретической основой геологических концепций. Изучение гравитационного поля дает ценную информацию о форме и внутреннем строении Земли. Так, на полюсах ускорение силы тяжести больше, чем на экваторе на 5,7 см/с², в то время как центробежное ускорение на экваторе составляет лишь 3,39 см/с². Различие связано с отклонением формы Земли от сферической, разница в величине радиусов полярного и экваториального достигает 21,382 км. Наряду с формой Земли исследовали ее массу и плотность. Английский ученый Г. Кавендиш (1731–1810) сумел первым подсчитать массу нашей планеты, она оказалась равной . Зная массу и размеры Земли, ученые определили ее среднюю плотность, которая равна 5,52 г/см ³. С глубиной она повышается, а в центре Земли она, по данным геофизических исследований, самая большая и составляет 12,5–13,0 г/см³. В XVII–XVIII вв. геологическая наука еще не оформилась как самостоятельная дисциплина и была в основном занятием ученых одиночек.

Новая эпоха в развитии геологических знаний связана с именами великого русского ученого М.В. Ломоносова (1711–1765 гг.) и датского естествоиспытателя Н. Стено (1638–1686). Ломоносов известен не только как геолог, но и как химик, физик и литератор. Он является одним из основоположников геологии. В своих трудах «О слоях земных», «Первые основания металлургии рудных дел», «Слово о рождении металлов от трясения Земли» он высказал ряд важных идей о механизме внутренних и внешних геологических процессов Земли. Теория тяготения Ньютона позволила объяснить возникновение морских приливов и отливов и заложила основы океанологии. Главную роль в преобразовании земной коры Ломоносов отводил внутренним процессам, которые находятся в постоянном воздействии с внешними процессами. Он считал, что горы образуются под влиянием движений земной коры, вулканизма, а слоистые и осадочные породы возникают в океане. Причину возникновения минералов и руд в земной коре он видел в подземном пожаре. Здесь он выступал как основоположник идеи плутонизма.

Н. Стено в 1669 г. сформулировал стратиграфический принцип, лежащий в основе определения относительного возраста горных пород. Стратиграфический метод основан на установлении последовательности залегающих слоев и пластов, исходя из положения, что нижележащие породы в разрезе будут более древними, чем расположенные выше.

Классический этап развития геологии связан с именами ученых конца XVIII и начала XIX вв. У. Смита (1769–1839 гг.), Ж. Кювье (1769–1832), Дж. Геттона (1726–1797),
Дж. Чейтона (1726–1798) и Ч. Лайеля (1797–1875), А. Вернера (1749–1817).

У. Смит и Ж. Кювье явились создателями палеонтологического метода в геологии – метода определения относительного возраста горных пород по органическим остаткам. Классический этап в геологии сопровождался предложением многочисленных концепций, призванных объяснить с единых позиций все имеющиеся геологические факты.

Основателем нептунизма был немецкий геолог и минеролог А.Г. Вернер. По концепции нептунизма (в римской мифологии Нептун – бог морей) Земля была покрыта водой. Из отложений минералов в воде в течение миллионов лет образовались все горные породы. Эта концепция успешно объясняла многие известные в то время факты. Однако со временем обнаружились ее слабые места. Так, по Вернеру, базальтовые залежи формируются на угольных пластах, а фундаментом всех пород являются граниты. Открытие базальтов, лежащих на гранитных породах противоречило концепции нептунизма.

Английский геолог Дж. Геттон является основателем другой геологической концепции, изложенной в его сочинении «Теория Земли» (1795 г.). Согласно этой концепции решающая роль в образовании земной коры отводится внутренней энергии Земли, вызывающей землетрясения, вулканизм и тектонические движения. Концепция Геттона получила название плутонической – по имени бога подземного огня Плутона. Плутонизм
поддержали шотландец Дж. Чейтон и английский геолог Ч. Лайель, сформулировавшие важнейший вывод о происхождении гранитов и базальтов из расплавленного вещества в результате извержения вулканов. Под действием ветра, воды, вулканов, землетрясений земная кора разрушалась миллионы лет, а продукты разрушения образовали слои на поверхности планеты. Концепции Вернера и Геттона существенно обогатили геологическую науку, несмотря на то, что в своей концептуальной основе они оставались ограниченными и односторонними. В обеих концепциях активность Земли связывается лишь с одной из геосферных оболочек – гидросферой (нептунизм), мантией (плутонизм).

Первую попытку объяснить эволюцию Земли с позиций единого глобального принципа предпринял французский зоолог и геолог Ж. Кювье. Наблюдая смену фаун и флор в геологических пластах, он обратил внимание на их резкое различие. Дать научное объяснение природе этого различия ему не удалось, и он выдвинул теорию катастроф. Согласно концепции катастрофизма, в истории Земли периодически повторяются события, внезапно изменяющие первично горизонтальное залегание горных пород, рельеф земной поверхности и уничтожающие первоначальную фауну и флору. Каждая последующая флора и фауна есть результат нового творения Создателя. Дальнейшего развития катастрофизм Кювье не получил, и к концу XIX в. он потерял свое значение.

В противовес теории катастроф Ч. Лайель развил учение о медленном и непрерывном изменении земной поверхности под влиянием постоянных геологических факторов.
Ч. Лайель, развивая положение, высказанное еще Ломоносовым и Геттоном, о сходстве современных и древних геологических процессов, выдвинул в первой половине XIX в. принцип, получивший название актуализм. Актуализм – это сравнительно-исторический метод в геологии, согласно которому, изучая современные геологические процессы, можно судить об аналогичных процессах геологического прошлого. В отличие от унифоризма, актуализм применяется с учетом хода развития Земли и изменяющейся геологической обстановки.

С начала XX в. в естествознании стал утверждаться принцип глобального эволюционизма, согласно которому материя во всех формах ее движения и Вселенная в целом не могут находиться вне развития. Этот принципиально новый взгляд на природу мироздания возник в конце XIX в. под влиянием учения Ч. Дарвина о происхождении видов. Революционизирующим фактором теории Дарвина является не столько сама идея эволюции (она занимает центральное место и в учении Ламарка), сколько предложенный механизм ее осуществления, не связанный с идеей божественного творения.

Под влиянием эволюционных представлений в начале ХХ в. была сформулирована концепция мобилизма (дрейфа континентов). Впервые гипотеза дрейфа континентов была выдвинута австрийским геофизиком А. Вегенером в 1912 году в противовес концепции фиксизма т.е. фиксированности положений континентов на поверхности Земли. Согласно этой концепции материки как бы плавают по более плотным вязким породам астеносферы под влиянием центробежных сил Земли. Эта гипотеза опередила свое время и не была принята научной общественностью. В 1940 г. гипотеза возродилась вновь, а получила признание и развитие лишь в 60-е годы после поступления данных об исследовании дна океанов. На дне океанов были обнаружены срединно-океанические хребты с рифтовыми ущельями и залежи молодых базальтов. Было установлено, что возраст дна океанов не более 150 млн лет и значительно уступает возрасту континентов (2–2,5 млрд лет). Еще задолго до Вегенера геологи обратили внимание на схожесть очертания материков, противостоящих друг другу. Оказалось, что внешний контур Северной Америки хорошо совмещается с контуром Гренландии. Аналогичным образом Южная Америка и Африка совмещаются друг с другом по внешнему краю шельфа. Было установлено, что геоло-гическая история противостоящих материков оказалась схожая вплоть до верхнего мела. Здесь были обнаружены породы одинакового возраста, похожие палеонтологические остатки. А. Вегенер в своей книге «Дрейф континентов» (1926) развил гипотезу о том, что в геологическом прошлом все материки Земли были объединены в один материк – Пангею, который начал раскалываться в юрское время. Первыми осколками этого суперконтинента явились Гондвана и Лавразия. Дальнейший раскол континентов привел к образованию океанов. В пользу мобилизма свидетельствуют данные об увеличении расстояния между северной частью Гренландии и Европой со скоростью 32 см в год, а также о сближении хребтов Гиссарского и Петра I со скоростью 20 см в год. Аналогичные данные имеются для Аравийского полуострова и других участков Земли. Дальнейшее развитие гипотеза перемещения континентов получила в 50–60-х годах ХХ в. Толчком к ее развитию послужили многочисленные данные по исследованию дна морей и океанов, полученные с помощью морских судов «Гломар Челенджер», «Академик Курчатов», «Витязь» и др. Эти исследования показали, что для срединно-океанических хребтов характерны следующие особенности: повышенная тектоническая активность, высокий уровень теплового потока, поступающего из верхней мантии, значительный магматизм. Со срединно-океаническими хребтами связаны магнитные и гравитационные аномалии. Концепция дрейфа материков была трансформирована в концепцию новой глобальной тектоники плит. Ее авторы – американские ученые Г. Хесс, Р. Диц, японские А. Миясиро, С. Уеда, российские О.Г. Сорохтин, С.А. Ушаков и др. – считают, что земная кора состоит из нескольких плит, находящихся в движении. По краям плит распределены очаги активного вулканизма и сильных землетрясений. В одном месте Земли плиты сталкиваются, в другом – перемещаются друг относительно друга по касательной, а в третьем – расходятся. В зоне столкновения плит в породах возникают трещины и разломы, которые своими основаниями уходят в мантию. По этим разломам лава мантии изливается на поверхность и участвует в формировании земной коры. При этом столкновение плит ведет к образованию горно-складчатых систем (Гималаи, Памир, Альпы), а в зонах расхождения океанических плит происходит зарождение новой океанической коры.

Кроме изложенных, существует еще ряд гипотез, объясняющих отдельные стороны геологической эволюции земной коры. К таким обносятся, например, гипотеза разрастания дна океанов. С помощью бурения океанического дна и геофизических методов были изучены направления векторов остаточной намагниченности одновозрастных горных пород на разных материках и океанах. Было обнаружено свойство горных пород намагничиваться в период своего формирования под действием магнитного поля Земли и сохранять приобретенную намагниченность в последующие эпохи. Исследуя изменения направления векторов остаточной намагниченности пород со временем, ученые установили не только характер перемещения магнитных полюсов континентов, но и перемещение самих континентов. В различные геологические эпохи положения магнитных полюсов менялись относительно географических полюсов Земли. Например, в пермском периоде северный магнитный полюс находился около Японских островов, а в кембрийском периоде он был в центре северной части Тихого океана. Палеомагнитные измерения показали, что через интервалы времени от 500 тыс. до 50 млн лет происходило изменение направления магнитного полюса на оборотное – инверсия геомагнитного поля. В эпоху нормальной полярности южный магнитный полюс находится вблизи северного географического полюса (современное расположение), а в эпоху инверсной полярности – вблизи южного географического полюса.

Завершая краткое рассмотрение вопросов эволюции структуры земной коры, следует обратить внимание на сложность геологических процессов, формирующих многообразие структурных форм в верхней части литосферы. Этим обстоятельством объясняется наличие большого количества концепций о геологической эволюции Земли.

 

Географическая оболочка

 Географическая оболочка Земли включает в себя нижнюю часть атмосферы, верхнюю литосферу, гидросферу и биосферу. Между оболочками происходит сложное взаимодействие, непрерывный обмен веществом и энергией. К примеру, в атмосферу поступает вода в результате ее испарения с поверхности Мирового океана и с поверхности суши. В атмосферу поднимаются мелкие твердые частицы, уносимые ветром с поверхности суши или поступающие вследствие извержения вулканов. Воздух и вода проникают в верхнюю часть литосферы. Различные твердые частицы постоянно сносятся в водоемы, куда поступают также газы из атмосферы. Нижние слои атмосферы нагреваются тепловым излучением поверхности Земли. Географическая оболочка четких границ не имеет. Обычно за верхнюю границу принимают озоновый слой, а нижняя граница на суше проходит на глубине около 1000 м. В океане нижней границей географической оболочки служит его дно, поэтому общая мощность географической оболочки составляет около 30 км.

Географической оболочке свойственен ряд специфических особенностей. Она характеризуется большим разнообразием вещественного состава и видов энергии. Вещество оболочки одновременно может находиться в трех агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном.      Географическая оболочка – это наиболее сложно устроенная часть нашей планеты, в которой зародилась жизнь. Она неоднородна не только в вертикальном, но и в горизонтальном направлении. Географическая оболочка дифференцируется на отдельные природные комплексы (ландшафты). Ландшафт – конкретная территория, характеризующаяся суммой типичных признаков, в котором различные элементы – климат, почва, вода, растительный и животный мир, рельеф, человек и его хозяйственная деятельность соединяются в единое целое, взаимодействуя друг с другом. Эта одна из таксонометрических единиц классификации природно-территориальных комплексов. На территории России выделяют специфические ландшафты: тундра, северная тайга, средняя тайга, нижняя тайга, смешанные леса, лесостепь и другие. Структуру каждого географического ландшафта определяют процессы обмена веществом и энергией.

Первичной функциональной ячейкой ландшафта является фация – элементар-
ный природный комплекс. Отличительные особенности фации как элементарной геосистемы – это динамичность, относительная неустойчивость и недолговечность. Эти свойства вытекают от потоков вещества и энергии, поступающих из смежных фаций. Ландшафт и фация несоизмеримы по их масштабности и долговечности. Сопряженная система фаций с достаточно однородным почвенно-растительным покровом называется урочищем. Урочище представляет собой промежуточную ступень в геосистемной иерархии между фацией и ландшафтом. Дифференциация географической оболочки на природные комплексы обусловлена неравномерным поступлением тепла на разные ее участки и неоднородностью земной поверхности. К природным комплексам относятся материки, океаны, горы, равнины, возвышенности и т.д. Например, природными комплексами являются Восточно-Европейская равнина, Уральские горы, пустыня Сахара, озеро Байкал. Примерами природных комплексов могут служить и природные зоны (тундра, леса, степи и т.д.). Природные комплексы меньших размеров – это отдельные холмы, реки, долины и т.д. Таким образом, вся географическая оболочка имеет сложное мозаичное строение, она состоит из природных комплексов разного размера. К наиболее крупным зональным подразделениям географической оболочки относятся географические пояса. Они отличаются друг от друга климатическими условиями, а также общими особенностями циркуляции атмосферы, почвенно-растительного покрова и животного мира. На суше выделяются следующие географические пояса: экваториальный, тропический, субтропический, умеренный, арктический и т.д. Каждый географический пояс имеет особый набор широтных, долготных и высотных зон. Высотная поясность характерна для гор.

 

Выводы

 

1. Комплекс наук о Земле называется геологией, которая при изучении строения и протекающих в недрах Земли физико-химических процессов исходит из эволюционных представлений. Для характеристики процессов используется понятие геологического времени. Геологическое время в относительной геохронологии определяют по мощности отложений и осадков в морях, океанах и в континентальных зонах. Этот метод позволяет определять возраст пород в отношении «старше–моложе», но не может определить, на сколько лет один слой сложился раньше другого. Эту задачу решает радиологический метод, основанный на явлении радиоактивного распада.

2. Земля обладает сложной структурой и состоит из 10 геосферных оболочек. Ядро Земли состоит из внутреннего и внешнего ядра. Внутреннее ядро находится в твердом состоянии и состоит в основном из железа и никеля. Внешнее ядро находится в жидком состоянии, и оно ответственно за существование магнитного поля Земли. Мантия Земли состоит из нижней, средней и верхней мантий. Для нижней и средней мантий характерны интенсивные конвективные течения. Ближайшими к поверхности земной коры слоями мантии являются астено- и литосфера. Кроме указанных геосфер, к Земле относятся гидросфера, атмосфера и магнитосфера. Все геосферные оболочки взаимосвязаны между собой и определяют свойства друг друга.

3. В истории развития Земли выделяют определенные эры, имеющие вполне определенные отличительные признаки. Геосферные оболочки Земли сформировались на различных этапах эволюции Земли. Плотностная дифференциация вещества в недрах Земли привела к образованию ядра, мантии и земной коры. Процесс дегазации из мантии сыграл решающую роль в образовании атмосферы и гидросферы. С появлением свободного кислорода атмосфера Земли постепенно превращалась из восстановительной в окислительную.

4. В геологической науке широко представлены физические, химические и математические методы исследования. Возникли пограничные науки геофизика, геохимия. Геофизика поставляет обширную информацию о физических явлениях и процессах, протекающих в оболочках Земли и ее ядре. Изучение скорости происхождения сейсмических волн позволяет определить агрегатные состояния внутренних оболочек Земли. Геохимическими методами изучают вещественный состав земных недр, распределение и перемещение химических элементов.

Для классической геологии характерны специфические методы исследования, в частности, (био) стратиграфические и петрологические. Биостратиграфия изучает распределение в осадочных отложениях ископаемых остатков организмов с целью выяснения относительного возраста этих отложений. Петрология – наука о горных породах, их минералогическом и химическом составе, происхождении и изменениях в земной коре и на поверхности Земли.

5. В рамках классической геологии сформулированы следующие концепции: нептунизм, плутонизм, униформизм, эволюционизм, мобилизм. История развития геологических наук сопровождается концептуальными революциями. Для неклассической геологии характерна концепция глобального эволюционизма Земли, в основе которой лежит современное понимание мобилизма – неомобилизм.

6. С позиций неклассической геологии определяющее значение в развитии геосфер-ных оболочек отводится динамическим факторам эволюции Земли. Среди этих факторов основным является энергия, выделяемая в результате конвективных течений вещества в недрах мантии и внешнего ядра.

Геосферные оболочки Земли выполняют ряд экологических функций. Наиболее изученными являются экологические функции атмосферы и гидросферы, ответственные за гомеостаз биосферы.

В последние десятилетия возрос интерес к экологическим функциям литосферы, к которым относятся: ресурсная, геодинамическая, геохимическая и геофизическая. Интерес к ресурсной функции литосферы связан в основном с истощением природных ресурсов. Потребность изучения геодинамических функций литосферы определяется возрастающим влиянием на биосферу мощных внешних и внутренних геодинамических факторов.

Изучение геохимической функции литосферы связано в первую очередь с химическим загрязнением биосферы, а изучение геофизической функции – с интересом к физическим факторам (радиации, шумам, тепловому излучению и т.п.). Географическая оболочка включает в себя нижнюю часть атмосферы, верхнюю литосферу и гидросферу.

Географическая оболочка характеризуется большим разнообразием вещественного состава и видов энергии. Вещество оболочки одновременно находится в трех агрегатных состояниях – твердом, жидком, газообразном, между которыми постоянно происходит обмен веществом и энергий.

 

Контрольные вопросы

 

1. С помощью каких исследований сделано предположение о строении Земли?

2. Как изменяются плотность, температура и гравитационное поле от поверхности до центра Земли?

3. Как отличаются по химическому составу ядро, мантия и земная кора?

4. Что понимается под динамическими факторами Земли?

5. В чем смысл гипотезы глобальной тектоники плит?

6. Какие существуют гипотезы для объяснения геологической эволюции земной коры?

10 ХИМИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ

 

Химия и предмет ее познания

 

Все многообразие природных объектов и явлений образует материальный мир. По современным представлениям материя существует в двух видах – вещества и поля. Вещество дискретно и представляет собой совокупность структурных элементов (атомов или молекул), обладающих массой покоя.

На современном этапе развития естественных наук можно выделить три основные формы движения материи: физическую, химическую и биологическую. Эти формы движения материи являются предметом изучения фундаментальных наук физики, химии и биологии. Следует подчеркнуть, что Природа едина и деление науки о ней на отдельные дисциплины является достаточно условным. В естественных науках взаимопроникновение идей и методов достигло очень высокого уровня. Например, физические идеи и методы находят свое применение в объяснении и осуществлении химических процессов. В то же время изучение химических превращений веществ друг в друга приводят к открытию новых явлений в физике, например, открытию высокотемпературной сверхпроводимости. Тесная взаимосвязь физики и химии обусловлена, прежде всего, наличием общего для них предмета исследования – вещества. Имеются и существенные различия между этими двумя науками. Во-первых, сфера применения физических наук необычайно велика. Она охватывает объекты и явления природы всех уровней организации материи – от элементарных частиц до строения и функционирования Вселенной. Во-вторых, законы физики универсальны, поскольку они действуют и в тех областях научного знания, где определяющую роль играют свои специфические законы. Об этом свидетельствует наличие большого числа смежных наук – физической химии, биофизики, геофизики, астрофизики и т.д.

На современном этапе развития естественных наук говорить о большей фунда-ментальности какой-либо из форм движения материи не имеет смысла. Отсутствие критерия для построения иерархии форм движения материи не позволяет утверждать, какая из них сложнее и потому выше. Тем не менее иерархию основных форм движения можно построить из рассмотрения их простейших носителей. Если простейший носитель каждой следующей формы движения включает в себя простейшие носители всех предыдущих, эту следующую форму следует считать более высокой. При этом более высокая форма движения не сводится к ним, а представляет собой качественно новое явление. Изучая одну из форм движения материи, невозможно обойтись без знания более низких по отношению к ней форм. Физическая форма движения материи начинает проявляться на самых ранних этапах развития материи, она присуща всем без исключения материальным объектам и потому лежит в основе всех других форм движения. Простейшим ее носителем служат элементарные частицы, взаимодействие между которыми описывается квантово-полевой теорией.

Простейшим носителем химической формы движения является атом, представляющий собой систему элементарных частиц, состоящую из протонов, нейтронов и электронов. Таким образом, химическая форма движения материи является более высокой по сравнению с физической. Предметом изучения биологии является клетка, которая является структурной единицей живой материи. Клетка – это сложнейшая система, состоящая из взаимодействующих биомакромолекул. В ней постоянно протекают различные физические процессы и биохимические реакции. Следовательно, для понимания функционирования клетки и живого организма необходимы знания, полученные физикой и химией.

Таким образом, иерархию естественных фундаментальных наук можно представить так: . Такая связь фундаментальных наук отражает иерархию структурных уровней организации материи, действительно существующей в природе:

В результате химической связи, имеющей электромагнитное происхождение, из отдельных атомов образуются молекулы. При химическом взаимодействии молекул происходит разрыв химической связи между атомами и возникает новая конфигурация атомов в молекулах. Перегруппировка атомов и молекул, приводящая к образованию новых веществ, называется химической реакцией. Следует обратить внимание, что в химических реакциях участвуют не отдельные частицы, а их большие коллективы, образующие вещество.

Таким образом, химия – одна из фундаментальных наук о веществах, их свойствах и превращениях друг в друга. В современной химии отдельные ее области – неорганическая химия, органическая химия, физическая химия, аналитическая химия и т.д. являются в значительной степени самостоятельными науками, имеющими свои предметы изучения.

В процессе эволюции химического знания сформировались классическая и неклассическая химия. Классическая химия – наука феноменологическая. Она объясняет, как протекают те или иные химические процессы, но не отвечает на вопрос, почему они протекают именно так, а не иначе. Теоретической основой классической химии является молекулярно-кинетическая теория вещества. Становление классической химии продолжалось около 100 лет и завершилось к первой четверти ХХ в. Неклассическая химия возникла в середине ХХ в. под влиянием физических квантово-полевых концепций. Квантовая химия, при объяснении процессов протекающих химических реакций, исходит из динамического подхода. Это означает, что все происходящее в химических реакциях объясняется взаимодействием протонов, нейтронов и электронов, из которых состоит вещество.

С появлением простейшего носителя химической формы движения материи – атома началась химическая эволюция материи. Существующие в настоящее время химические элементы появились в результате эволюции Вселенной. Возникновение вещества тесно связано: во-первых, с химической эволюцией Вселенной, что подтверждается обнаружением в космическом пространстве большого числа достаточно сложных молекул; во-вторых, появление многочисленных сложных веществ обусловлено геологической эволюцией Земли, о чем свидетельствует концентрационное распределение химических элементов в недрах Земли и по ее географическим оболочкам.

Химическая эволюция сопровождалась не только возникновением и усложнением вещества, но и развитием химических систем и процессов, приведших, в конечном счете, к появлению биологической формы движения материи.

Химическая система. Химической системой называется совокупность всех взаимодействующих веществ, в которой происходит превращение одних веществ в другие новые вещества на основе перегруппировки атомов и молекул. Система может быть гомогенной и гетерогенной.

Гомогенной называется система, химический состав и физические свойства которой во всех частях системы одинаковы или меняются непрерывно, без скачков. Например, воздух (смесь газов) и раствор спирта в воде – гомогенные системы. Гетерогенной называется макроскопически неоднородная физико-химическая система, состоящая из различных по своим свойствам частей, разграниченных друг от друга поверхностями раздела. Например, азотная кислота на железной поверхности – гетерогенная система. Отделенные друг от друга составные части гетерогенной системы называются фазами. Фаза – это гомогенная часть гетерогенной системы.

Гетерогенные системы, состоящие из множества мельчайших частиц какого-либо вещества (дисперсная фаза), находящихся в однородной среде (дисперсионной среде), называются дисперсными системами. Возможны девять комбинаций дисперсной фазы и дисперсионной среды по их агрегатным состояниям (таблица 9).

Таблица 9

Дисперсная фаза	Дисперсионная фаза	Условное обозначение	Название системы
газ   жидкость твердое тело газ жидкость твердое тело газ   жидкость   твердое тело	газ   газ газ жидкость жидкость жидкость твердое тело   твердое тело   твердое тело	г/г   ж/г т/г г/ж ж/ж т/ж г/т   ж/т   т/т	гомогенная невозможна туманы дымы, пыль пены эмульсии суспензии твердые пены, пористые тела твердые эмульсии, гель твердые золи, сплавы

 

Практически из девяти комбинаций реализуется восемь, поскольку газы в обычных условиях растворимы друг в друге и образуют гомогенную систему. В зависимости от размеров распределяемых частиц различают молекулярные, или истинные, растворы (диаметр менее 1 мкм), взвеси (диаметр частиц выше 100 мкм), коллоидные растворы (диаметр частиц порядка 1–100 мкм).

Молекулярные растворы представляют собой однородные смеси двух или большего числа веществ, которые равномерно распределены в растворе в виде отдельных атомов, ионов или молекул. Практически все жидкости, встречающиеся в природе, представляют собой растворы. Помимо жидких растворов, существуют газовые растворы, обычно называемые газовыми смесями (например, воздух) и твердые растворы (например, некоторые сплавы). Взвеси – это суспензии, в которых частицы оседают или всплывают очень медленно из-за малой разницы в плотности дисперсной фазы в дисперсионной среде. Во взвешенном состоянии в жидкости можно получить частицы твердого вещества (суспензии), жидкости (эмульсии), газа (пены). Взвеси твердых и жидких веществ в газе называются аэрозолями (туман и дым). Гелями являются взвеси жидкости в твердом веществе. Если размеры частиц дисперсной фазы меньше 100 мкм, то энергия теплового движения превышает гравитационную энергию осаждения, и они совершают броуновское движение, поддерживающее их во взвешенном состоянии. Более тяжелые частицы под действием гравитационных сил осаждаются. Это явление, называемое седиментацией, служит для разделения по размерам взвешенных частиц. На явлении седиментации основана добыча некоторых полезных ископаемых.

Химия как наука с момента своего зарождения занимается получением веществ, необходимых для жизнедеятельности человека. Главной задачей современной химии является получение веществ с заданными свойствами и выявление способов управления ими.

Основными факторами, влияющими на свойства получаемых веществ, являются:

1) состав вещества (элементный, молекулярный);

2) структура молекул;

3) термодинамические и кинетические условия протекания химической реакции, в процессе которой это вещество получено.