Становление и развитие химической картины мира

На протяжении длительного развития человечество не раз сталкивалось с большим числом проблем, от которых нередко зависело само его существование. Чтобы выжить, наш предок научился изготавливать и использовать простейшие орудия труда, чем компенсировал свои природные недостатки. В дальнейшем первобытный человек, оказавшись перед проблемой обеспечения пищей, освоил охоту, а затем земледелие и скотоводство. Освоение все более сложных орудий и предметов труда вызвало энергетическую проблему, потребовало перехода от естественных источников энергии к более совершенным. Энергетическая проблема привела человека последовательно к освоению энергии пара, тепловой, электрической энергии, наконец, энергии атома.
Необходимость повышения производительности труда и эффективности производства, роста темпов добычи и переработки громадного объема минеральных ресурсов, наряду с необходимостью решения энергетической проблемы вызвали к жизни широкое использование химической технологии, всеобщую химизацию, а затем и компьютеризацию общественного производства и быта.
Суммируя, можно сказать, что лейтмотивом, осью развития человеческой цивилизации является проблема выживания человеческого общества в условиях окружающей среды, природы в целом. Мотив выживания - есть ведущий мотив всей преобразующей деятельности человека на земле. Для своего выживания человек всегда был и будет вынужден решать вечные проблемы овладения веществом, энергией и информацией.
Успехи человека в решении больших и малых проблем овладения веществом, энергией и информацией в значительной мере были достигнуты благодаря становлению и развитию химии, различных химических технологий. Химизация общественного производства и быта позволила человеку решить многие социальные проблемы (наращивание производства продуктов питания, широкое освоение нефтегазопереработки, производство металлов, материалов бытовой химии и т. д.). Однако химизация обернулась "второй стороной медали". Химия нарушила сложившееся в течение миллионов лет равновесие природных процессов на планете, стала отражаться на здоровье самого человека. Химия вызвала проблемы загрязнения атмосферы, вод, рек и водоемов, оказала влияние на такое ранее не известное явление, как снижение биологической активности всего живого на земле, вызвала обострение традиционных болезней человека, появление новых, в частности, аллергических заболеваний.
Человек, пройдя ряд этапов развития - от огня костра до термоядерной бомбы, к началу XXI века оказался в условиях, когда в очередной раз встал вопрос о его выживании. На сей раз проблема выживания человечества оказалась усложненной проблемами геополитического, социального и чисто технического характера.
Место и роль химии в современной цивилизации рассматриваются системно, т. е. во всем многообразии отношений, существующих между обществом и природной средой в рамках критерия экологической безопасности. В то же время неизбежно рассмотрение самой химии как системы, состоящей из множества подсистем и элементов, находящихся во взаимосвязи друг с другом и образующих в совокупности определенную целостность

 

 

Семинар 7. современные концепции химии. основные химические законы. перспективы современной химии Цель занятия: иметь представление о концептуальных уровнях развития химии и основных этапах развития химической картины мира, уметь объяснить значение химии как науки в развитии цивилизации. В процессе подготовки к занятию необходимо обратить внимание на различные подходы, которые используются химиками. Согласно системному подходу, изучаемый химиками мир должен включать элементы, связи, структуры, подсистемы, системы и надсистему, субстрат. В соответствии с информационным подходом изучаемые химиками объекты должны иметь жизненный цикл, подчиняющийся законам максимальной пространственной экспансии, усложнения и деградации. Системный подход позволяет характеризовать химический мир как статичный, а информационный подход – как динамичный. В соответствии с системным и информационным подходами структуру химических знаний составляют: химические элементы, химические связи, химические структуры, химические подсистемы или классы химических веществ, система, надсистема, субстрат химического мира, трансформация химических веществ. Для того чтобы уяснить специфику химии, следует рассмотреть этапы ее эволюции, революционные периоды, понять степень их координации. Самая грандиозная революция химического знания произошла в 1920–1930-е гг. и была связана с развитием квантово-механических представлений о химических веществах. Последние примерно 70 лет химия развивается под знаком квантово-полевых представлений, но при этом они облекаются в языковую форму квантово-механических выражений. Теоретическое обоснование темы   Как и другие составляющие естествознания, химия имеет широкое практическое приложение. Однако еще Д. И. Менделеев обратил внимание на существенную особенность этой науки: химия в значительной мере сама создает свой объект изучения. Химия – наука, изучающая процессы качественных превращений веществ. Самые разнообразные исследования в ней направлены на раскрытие закономерностей химических превращений, которые реализованы искусственно, на получение и изучение веществ, большинство из которых в природе не встречаются. Химия как наука теснейшим образом связана с производством. Основная цель современной химии, вокруг которой строится вся исследовательская работа, заключается в получении веществ с заданными свойствами. Это и определяет содержание двуединой центральной задачи химии: • производственная – получение новых веществ, органических соединений с заранее заданными свойствами; • изучение происхождения и развития (их генезиса). Нахождение способов или методов получения этих веществ. Особенностью химии является то, что решение указанных задач возможно четырьмя путями: 1) изменение состава элементов или веществ, образующих соединение; 2) изменение структуры или пространственной конфигурации атомов, входящих в соединение (структурная химия); 3) изучение физико-химических условий протекания реакций; 4) изменение уровня организации химических соединений и материалов (эволюционная химия). В развитии химии эти способы (пути) доминировали хронологически, следовательно, можно выделить четыре этапа в развитии химии. Неоценима роль химии в выживании цивилизации. Деятельность человека связана с потреблением веществ, энергии, информации, что способствовало дальнейшему развитию химии. Очень сложно представить жизнь современного человека без использования химических знаний и продуктов химического производства. В настоящее время известно более 8 млн органических соединений, из которых только 300 000 – естественные, которые существуют в природе (каучук, смолы и т.д.), остальные – искусственные вещества, получаемые химическим путем. Наша одежда изготовлена в основном из химических материалов. Но есть и негативные последствия развития химии. Человек научился получать химические соединения, которые природа не умеет быстро уничтожать, а все это ведет к засорению экосферы (океана, воздуха, земли). Современную картину химических знаний объясняют с позиций 4 концептуальных систем, таких как: 1) учение о составе; 2) структурная химия; 3) учение о химических процессах; 4) эволюционная химия. Первоначально свойства вещества связывались исключительно с их составом. На этапе учения о составе вещества решались вопросы определения химического элемента, химического соединения и получения новых материалов на базе более широкого использования химических элементов. Лавуазье впервые систематизировал химические элементы на базе имевшихся в XVIII в. знаний. Эта систематизация оказалась ошибочной и в дальнейшем была усовершенствована Д. И. Менделеевым. В настоящее время место химического элемента определяют по заряду атомного ядра, который отражает индивидуальные свойства элемента. Применение физических методов исследования вещества позволило выявить физическую природу химии, т. е. те внутренние силы, которые объединяют атомы в молекулы, представляющие собой прочную квантово-механическую целостность. Такими силами оказались химические связи, проявляющие волновые свойства валентных электронов.   В результате химических и физических открытий претерпело изменение классическое определение молекулы. Молекула – наименьшая частица вещества, которая в состоянии определять его свойства и в то же время может существовать самостоятельно. Представления о классе молекул расширились, в него включают ионные системы, атомные и металлические монокристаллы и полимеры, образующиеся на основе водородных связей и представляющие собой уже макромолекулы. Они обладают молекулярным строением, хотя и не находятся в строго постоянном составе. С открытием физиками природы химизма как обменного взаимодействия электронов химики совершенно по-другому стали рассматривать химическое соединение – качественно определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет обменного взаимодействия (химической связи) объединены в частицы-молекулы, комплексы, монокристаллы или иные агрегаты. Химическое соединение следует рассматривать шире, чем сложное вещество, которое должно состоять из двух и более разных химических элементов. Химическое соединение может состоять и из одного элемента. Это молекулы Н2, графит, алмаз и другие кристаллы без посторонних включений в их решетку. Проблема производства новых материалов связана с включением в их состав новых химических элементов. 98,7 \% массы слоя Земли, на котором осуществляет свою производственную деятельность человек, составляют 8 химических элементов: кислород (47 \%), кремний (27,5 \%), алюминий (8,8 \%), железо (4,6 \%), кальций (3,6 \%), натрий (2,6 \%), калий (2,5 \%), магний (2,1 \%). Структурная химия представляет собой уровень развития химических знаний, на котором доминирует понятие «структура», т. е. структура молекулы, макромолекулы, монокристалла. Структура – это устойчивая упорядоченность качественно неизменной системы, каковой является молекула. С возникновением структурной химии появились неизвестные ранее возможности целенаправленного качественного влияния на преобразование вещества. В 1960–80-е гг. появился термин «органический синтез». Из аммиака и каменноугольной смолы были получены: анилиновые красители, взрывчатые вещества, лекарственные препараты. Структурная химия неорганических соединений ищет пути получения кристаллов для производства высокопрочных материалов с заданными свойствами, обладающих термостойкостью, сопротивлением агрессивной среде и другими качествами, предъявляемыми сегодняшним уровнем развития науки и техники. Химические процессы изучают химия, физика и биология. Перед химической наукой стоит принципиальная задача – научиться управлять химическими процессами. Для управления химическими процессами разработаны методы: термодинамический, кинетический. Все химические реакции имеют свойство обратимости, происходит перераспределение химических связей. Обратимость удерживает равновесие между прямой и обратной реакциями. В действительности равновесие зависит от условий прохождения процесса и чистоты реагентов. Химики давно пытались понять, каким образом из неорганической безжизненной материи возникает органическая как основа жизни на Земле. И. Я. Берцелиус установил, что основой живого является биокатализ, т. е. присутствие различных природных веществ в химической реакции, способных управлять ею, замедляя или ускоряя ее протекание. Эти катализаторы в живых системах определены самой природой. Современные химики считают, что на основе изучения химии организмов можно будет создать новое управление химическими процессами, а это позволит более экономно использовать имеющиеся в природе материалы и извлекать из них большую пользу. Для решения проблемы биокатализа и использования его результатов в промышленных масштабах разработан ряд методов: • изучение, освоение, использование механизмов живой природы; • применение отдельных ферментов для моделирования биокатализаторов; • научные исследования с целью применения принципов биокатализа в химических процессах и химической технологии. В эволюционной химии существенное место отводится проблеме самоорганизации систем. Теория самоорганизации отражает законы такого существования динамических систем, которое сопровождается их восхождением на все более высокие уровни сложности в системной упорядоченности. В 1969 г. появилась общая теория химической эволюции и биогенеза, выдвинутая ранее в виде самых общих положений А. П. Руденко. Она отвечает на вопросы о движущих силах и механизме эволюционного процесса, отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, высоте химической организации и иерархии химических систем как следствия эволюции. Сущность этой теории состоит в том, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы. В основе этой теории лежит утверждение о том, что процесс саморазвития химических катализаторов двигался в сторону их совершенствования, шел постоянный отбор все новых катализаторов с большей реактивной активностью. Открытый А. П. Руденко основной закон химической эволюции: эволюционные изменения катализатора происходят в том направлении, где проявляется его максимальная активность. Саморазвитие, самоорганизация и самоусложнение каталитических систем происходят за счет энергии базисной реакции. Поэтому эволюционируют каталитические системы с большей энергией. Такие системы разрушают химическое равновесие и в результате являются инструментом отбора наиболее устойчивых эволюционных изменений в катализаторе. Теория саморазвития каталитических систем позволяет: • выявлять этапы химической эволюции и на этой основе классифицировать катализаторы по уровню их организации; • использовать принципиально новый метод изучения катализа; • давать конкретную характеристику пределов в химической эволюции и перехода от химического становления к биогенезу. Новейшее направление, расширяющее представление об эволюции химических систем, – нестационарная кинетика. На ее основе разрабатывается теория управления нестационарными процессами, приводящая исследователей к выводу, что стационарность режима катализаторов является лишь частным случаем нестационарности и что нестационарные режимы создаются искусственно и способствуют интенсификации реакций в катализаторах. Химическая наука на ее высшем эволюционном уровне углубляет представления о возникновении мира. Концепции эволюционной химии, в том числе о химической эволюции на Земле, о самоорганизации и самосовершенствовании химических процессов, о переходе от химической эволюции к биогенезу, являются убедительным аргументом, подтверждающим научное понимание происхождения жизни во Вселенной. Химическая эволюция на Земле создала все предпосылки для появления живого из неживой природы. А Земля оказалась в таких специфических условиях, что эти предпосылки смогли реализоваться. Этапы развития химической картины мира: 1 этап. Учение о составе вещества (его характеристика). Создатели: Бойль, Лавуазье, Ломоносов, Бертолле, Дальтон и др. Период развития: около 170 лет (1660–1830 гг.) Исходные философские идеи: атомизм, механизм. Основные теории: сначала теория флогистона, затем кислородная теория (начало XIX в.). Основные понятия и законы: вещество, химический элемент, химическое соединение, закон сохранения массы, закон сохранения энергии, закон постоянства состава, закон Авогадро. Метод познания и описания: экспериментальный, классический – на основе лапласовского детерминизма: изменение состава – причина изменения свойств веществ. 2 этап. Концепция структурной химии. Создатели: Дальтон, Кекуле, Менделеев, Бутлеров. Период развития: около 120 лет (1830–1950 гг.) Исходные философские идеи: атомизм, электродинамизм. Основные теории: молекулярно-кинетическая теория, теория строения Бутлерова. Основные понятия и законы: структура вещества, его химическая активность, химическое сродство (валентность), катализ, периодический закон Д. И. Менделеева. Метод познания и описания: естественно-научный трехэтапный метод (индукция, дедукция, критика), формульный схематизм Ф. А. Кекуле. 3 этап. Учение о химических процессах (синтез химии, физики и биологии). Создатели: Вант-Гофф, Ле Шателье, Кирхгоф (катализатор), Семенов (автор физической химии). Период развития: около 20 лет (1950–1970 гг.) Исходные философские идеи: интеграция (синтез) естественных наук. Основные теории: физическая химия (химическая термодинамика и химическая кинетика). Основные понятия и законы: химический процесс, химический реактор, цепная химическая реакция, катализ; законы: зависимость скорости химических реакций от изменения температуры и теплового эффекта (Вант-Гофф), принцип подвижного равновесия (Ле Шателье). Метод познания и описания: естественно-научный трехэтапный метод (индукция, дедукция, критика). 4 этап. Эволюционная химия. Создатели: Л. В. Николаев, И. В. Березин, Г. К. Борискин (моделировали биокатализаторы), Джон Бернал (теория отбора наиболее активных элементов – органогенов), А. П. Руденко (основа общей теории саморазвития элементов открытых каталитических систем). Период развития: с 1970 г. до наших дней. Исходные философские идеи: идея самоорганизации химических систем. Основные теории: общая теория химической эволюции и биогенеза (А. П. Руденко). Основные понятия и законы: биокатализатор, самоорганизация и саморегуляция каталитических систем, органогены, основной закон химической эволюции, законы нестационарной химической кинетики. Метод познания и описания: естественно-научный трехэтапный метод (индукция, дедукция, критика), используются субстратный и функциональный подходы.