Концепции современного естествознания

    Гипотеза  флогистона была опровергнута А. Лавуазье после открытия кислорода и установлении его роли в процессах горения и окисления. Так, явление обжига металлов и горение стали рассматривать как процессы соединения элемента с кислородом, а не как процесс разложения «сложного вещества» на элемент и флогистон. Это была настоящая революция в химии. Лавуазье впервые разделил вещества на простые вещества (химические элементы) и химические соединения.

    В 1869г. Д.И. Менделеев систематизировал известных тогда 62 элементов на основании  их атомного веса и представил это  в виде таблицы, которая и получила название «Периодическая таблица Менделеева». Периодический закон, сформулированный Менделеевым, гласит: «Физические и химические свойства элементов, проявляющиеся в свойствах простых и сложных тел ими образованных, состоят в периодической зависимости от их атомного веса».

    Современная формулировка периодического закона: свойства химических элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от величины положительного заряда ядра их атомов.

    В этой таблице ярко выявлена периодичность  изменения свойств элементов  с увеличением их сложности в  каждом новом периоде. Систематизация элементов, выполненная Менделеевым, оказала основополагающее влияние на дальнейшее развитие химических исследований. На основании выявленных общностей он предсказал существование неизвестных элементов, оставив для них вакантные места в периодической таблице. Впоследствии эти элементы были открыты и свойства их оказались такими, какие предсказал Менделеев. 
 
 
 
 
 
 

7. (41) ВОЗМОЖНОСТИ СОВРЕМЕННОЙ  ХИМИИ И ХИМИИ  БУДУЩЕГО?

   Основные направления развития современной химии на рубеже 20 – 21 веков: синтез новых, не существующих в природе, химических элементов; разработка метода полярографии; создание фундаментальной пограничной дисциплины — квантовой химии; расшифровка структуры (двойной спирали) дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК); синтез дендримеров (молекулы, построенные по фрактальному типу - когда всё вещество составлено одной гигантской молекулой (по принципу алмаза));  синтез неметаллических (в том числе стеклообразных) полупроводников; синтез неметаллических (керамических) высокотемпературных сверхпроводников; создание мультисенсорных систем типа «электронный нос», «электронный язык» на основе неселективных сенсоров, разработка методов распознавания образов (с применением искусственных нейронных сетей) при интеграции химии, физики, математики.            Подводя итог вышесказанному, можно выделить основные направления развития химии в 21 веке:

1. - компьютерная химия, компьютерное моделирование молекул (молекулярный дизайн) и химических реакций;

Основными направлениями компьютерной химии являются: создание принципиально новых компьютерных программ поиска и отбор новых эффективных веществ; количественный анализ связи структура-активность для широкого спектра ФАВ.

2. - спиновая химия;

   Спиновая  химия уникальна: она вводит в  химию магнитные взаимодействия. Будучи пренебрежимо малыми по энергии, магнитные взаимодействия контролируют химическую реакционную способность и пишут новый, магнитный «сценарий» реакции.

3. - синтез и исследование наноструктур, развитие и применение нанотехнологий;

   Когда речь идет о развитии нанотехнологий, имеются в виду три направления: изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, размерами сравнимыми с размерами молекул и атомов; разработка и изготовление наномашин; манипуляция отдельными атомами и молекулами и сборка из них макрообъектов.     Нанохимия - это синтез нанодисперсных веществ и материалов, регулирование химических превращений тел нанометрового размера, предотвращение химической деградации наноструктур, способы лечения болезней с использованием нанокристаллов.       Ниже перечислены направления исследований в нанохимии: разработка методов сборки крупных молекул из атомов с помощью наноманипуляторов; изучение внутримолекулярных перегруппировок атомов при механических, электрических и магнитных воздействиях; синтез наноструктур в потоках сверхкритической жидкости; разработка способов направленной сборки с образованием фрактальных, каркасных, трубчатых и столбчатых наноструктур. разработка теории физико-химической эволюции ультрадисперсных веществ и наноструктур; создание способов предотвращения химической деградации наноструктур. получение новых нанокатализаторов для химической и нефтехимической промышленности; изучение механизма каталитических реакций на нанокристаллах. изучение механизмов нанокристаллизации в пористых средах в акустических полях; синтез наноструктур в биологических тканях; разработка способов лечения болезней путем формирования наноструктур в тканях с патологией; исследование явления самоорганизации в коллективах нанокристаллов; поиск новых способов пролонгирования стабилизации наноструктур химическими модификаторами.     Ожидаемым результатом будет функциональный ряд машин, обеспечивающий: методологию изучения внутримолекулярных перегруппировок при локальных воздействиях на молекулы; новые катализаторы для химической промышленности и лабораторной практики; оксидно-редкоземельные и ванадиевые нанокатализаторы с широким спектром действия; методологию предотвращения химической деградации технических наноструктур; методики прогноза химической деградации; нанолекарства для терапии и хирургии, препараты на основе гидроксиапатита для стоматологии; способ лечения онкологических заболеваний путем проведения внутриопухолевой нанокристаллизации и наложения акустического поля; методы создания наноструктур путем направленного агрегирования нанокристаллов;  методики регулирования пространственной организации наноструктур; новые химические сенсоры с ультрадисперсной активной фазой; методы увеличения чувствительности сенсоров химическим модифицированием:

4. -химия чрезвычайно быстротекущих реакций (фемтохимия);

   Этот  крупный прорыв в современной  химии открыл прямые пути исследования механизмов химических реакций, а значит, пути управления реакциями. Успехи, достигнутые  при использовании фемтосекундных импульсов, привели к открытию другой науки - фемтобиологии. Особенности фемтосекундных импульсов позволяют: обеспечивать высокое временное разрешение, образовывать когерентные колебательно-вращательные волновые пакеты, легко осуществлять многофотонные процессы поглощения, воздействовать на поверхность потенциальной энергии и т.д.   Основные направления этих новых областей исследований – это исследования детальных микроскопических химических и биологических процессов и управление ими на фемтосекундной шкале времени.

5. синтез фуллеренов и нанотрубок;  

   Найдены вполне реальные области применения нанотрубок — например, в плоских дисплеях (фирма «Motorola»), которые превосходят плазменные и жидкокристаллические аналоги, и в нановесах, позволяющих взвесить объекты массой около 20 фемто-грамм (1 фг =10^-15 г) - в частности, вирусы.

6. развитие химии одиночной молекулы;

   Если  подытожить все, что уже научились делать с отдельными молекулами, то получится весьма внушительный список: ученые умеют вращать одну молекулу и ориентировать ее поверхности; заставлять ее переходить с одного места на другое (не только по плоскости, но и по вертикали - с иглы на поверхность и обратно); помещать в нужное место и разрывать. Зачастую все эти манипуляции контролируют с помощью всего двух параметров — тока и напряжения.           Сканирующие туннельные микроскопы и родственные им приборы используют в качестве рабочих инструментов, чтобы из отдельных атомов строить наномасштабные конструкции. Свойства подобных наноконструкций уникальны. Они могут иметь рекордную твердость или легкость, высокую адсорбционную или реакционную способности. Можно направленно изменять проводимость таких конструкций, варьируя их атомное строение или воздействуя магнитными полями. Эти технологии порождают множество идей: как применять такие наноматериалы в разных областях химии, электроники, техники и медицины

7. электровзрывная активация пульпы и растворов;

   Применение  электровзрывной активации пульпы и растворов является перспективным  направлением интенсификации процессов переработки минерального сырья и очистки сточных вод, повышающим степень извлечения ценных компонентов при снижении отрицательного воздействия производства на окружающую среду.

8. -развитие электроники на молекулярном уровне;
9. -синтез полимерных полупроводников;
10. - создание «молекулярных машин»;
11. - создание и развитие «химической медицины», решение проблемы «химического бессмертия». [3], [4], [7], [13], [15]

8. (47) ОХРАКТЕРИЗУЙТЕ КРАТКО  ЭВОЛЮЦИЮ ВСЕЛЕННОЙ?

     Эволюцию  Вселенной принято разделять  на четыре эры: адронную, лептонную, фотонную и звездную.

1) Адронная эра.

      Длилась примерно от¹ t=10^-6 до  t=10^-4. Плотность порядка 10¹⁷ кг/м³ при T=10¹²…10¹³.

     При очень высоких температурах и  плотности в самом начале существования  Вселенной материя состояла из элементарных частиц. Вещество на самом раннем этапе состояло, прежде всего, из адронов, но в то время существовали и лептоны.

     Через миллионную долю секунды с момента  рождения Вселенной, температура T упала  на 10 биллионов Кельвинов (10¹³K). Средняя кинетическая энергия частиц kT и фотонов hv составляла около миллиарда эв (10³Мэв), что соответствует энергии покоя барионов. В первую миллионную долю секунды эволюции Вселенной происходила материализация всех барионов неограниченно, так же, как и аннигиляция. Но по происшествии этого времени материализация барионов прекратилась, так как при температуре ниже 10¹³K фотоны не обладали уже достаточной энергией для ее осуществления. Процесс аннигиляции барионов и антибарионов продолжался до тех пор, пока давление излучения не отделило вещество от антивещества. Нестабильные гипероны (самые тяжелые из барионов) в процессе самопроизвольного распада превратились в самые легкие из барионов (протоны и нейтроны). Так во вселенной исчезла самая большая группа барионов - гипероны. Нейтроны могли дальше распадаться в протоны, которые далее не распадались, иначе бы нарушился закон сохранения барионного заряда. Распад гиперонов происходил на этапе с 10^-6 до 10^-4 секунды.

     К моменту, когда возраст Вселенной  достиг одной десятитысячной секунды (10^-4 с.), температура ее понизилась до 10¹²K, а энергия частиц и фотонов представляла лишь 100 Мэв. Ее не хватало уже для возникновения самых легких адронов пионов. К тому моменту, когда возраст Вселенной достиг 10^-4с, в ней исчезли все мезоны. Никогда после этого сильное взаимодействие (ядерная сила) не проявлялась во Вселенной в такой мере, как в адронную эру, длившуюся всего лишь одну десятитысячную долю секунды.

2) Лептонная эра.

      Длилась примерно от² t=10^-4 до  t=10¹. К концу эры плотность порядка 10⁷ кг/м³ при T=10⁹.

     Когда энергия частиц и фотонов понизилась в пределах от 100 Мэв до 1 Мэв в  веществе было много лептонов. Температура  была достаточно высокой, чтобы обеспечить интенсивное возникновение электронов, позитронов и нейтрино. Барионы (протоны  и нейтроны), пережившие адронную эру, стали по сравнению с лептонами и фотонами встречаться гораздо реже.

     Лептонная эра начинается с распада последних  адронов - пионов - в мюоны и мюонное  нейтрино, а кончается через несколько  секунд при температуре 10¹⁰K, когда энергия фотонов уменьшилась до 1 Мэв и материализация электронов и позитронов прекратилась. Всё пространство Вселенной наполнилось огромным количеством реликтовых электронных и мюонных нейтрино. Возникает нейтринное море.

3) Фотонная эра или  эра излучения.

      Длилась примерно от t=10^-6 до  t=10^-4. Плотность порядка 10¹⁷ кг/м³ при T=10¹²…10¹³.

     Как только температура Вселенной понизилась до 10¹⁰ K , а энергия гамма фотонов достигла 1 Мэв, произошла только аннигиляция электронов и позитронов. Она длилась до тех пор, пока давление излучения полностью не отделило вещество от антивещества Важнейшей составной Вселенной после лептонной эры становятся фотоны, причем не только по количеству, но и по  энергии.

     Вследствие  расширения Вселенной понижалась плотность  энергии фотонов и частиц. С увеличением расстояния во Вселенной в два раза, объём увеличился в восемь раз или плотность частиц и фотонов понизилась в восемь раз. В то время как энергия покоя во время расширения Вселенной не меняется, энергия фотонов при расширении уменьшается. Фотоны понижают свою частоту колебания, словно “устают” со временем. Вследствие этого плотность энергии фотонов падает быстрее, чем плотность энергии частиц. Преобладание во вселенной фотонной составной над составной частиц (имеется в виду плотность энергии) на протяжении эры излучения уменьшалось до тех пор, пока не исчезло полностью. К этому моменту обе составные пришли в равновесие. Кончается эра излучения и вместе с этим период “большого взрыва”. Так выглядела Вселенная в возрасте примерно 300 000 лет. Расстояния в тот период были в тысячу раз короче, чем в настоящее время.