Химические концепции естествознания

 
 
 

     Содержание 

     

1. Введение……………………………………………………….стр.3
2. Структура химического знания………………………………стр.4
3. Концепции химического состава вещества…………………стр.7
4. Концепции структурной химии…………………………….стр.13
5. Концепции химических процессов…………………………стр.19
6. Концепции эволюционной химии………………………….стр.29
7. Литература…………………………………………………...стр.36
8. Приложения………………………………………...………..стр.37

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение 

     Одной из важнейших для жизни человека естественных наук является химия –  наука о составе, внутреннем строении и превращении вещества, а также о механизмах этих превращений. При этом, чтобы объяснить те или иные свойства, важно отличать простые вещества от сложных, уметь определять те элементы, сочетание которых обуславливает эти свойства. Долгое время именно по этому вопросу у учёных не было чётких представлений, однако постепенно в науке сформировался системный взгляд на химические знания. В частности, было установлено, что свойства тех или иных веществ определяется носителями, их образующими, которые являются неизменными элементами. Это знание стало первым уровнем познания в химии. Второй уровен связан с рассмотрением структуры вещества. Было обнаружено, что свойства вещества зависят не только от элементов, входящих в их состав, но и от их взаимодействия в процессе реакций. Третий уровень включает в себя изучение условий протекания реакций, к которым относится температура, давление, скорость и другие внешние факторы. Четвёртым уровнем стало глубокое исследование природы веществ, участвующих в реакциях, а также катализаторов, ускоряющих протекание реакций. Постепенное и последовательное развитие этих знаний привело к возникновению самостоятельной области естествознания – химическому знанию и организационной форме его выражения – науке химии. 
 
 
 
 
 
 

     Глава 1. Структура химического знания. 

     Человек может ежедневно наблюдать, как  те или иные вещества подвергаются различным изменениям, например, железо под действием влаги покрывается ржавчиной, опавшие листья деревьев постепенно истлевают, превращаясь в перегной. Результатом этих изменений становится появление новых веществ с совершенно иными свойствами. Такого рода процессы называются химическими явлениями, когда из одних веществ образуются другие, новые вещества, а наука, изучающая превращение вещества, называется химией. Химические изменения всегда сопровождаются изменениями физическими, поэтому химия и физика тесно связаны. Химия также связана с биологией, так как биологические процессы сопровождаются непрерывными химическими превращениями. Однако, каждая из наук имеет свои особенности, и химические явления не сводятся к физическим процессам, а биологические – к химическим и физическим.

     Ещё Д.И.Менделеев обратил внимание, что химия, в отличие от многих других наук (например, биологии или  географии), сама создаёт свой предмет  исследования. Как никакая другая наука, она является одновременно и наукой, и производством. Химия всегда была нужна человечеству в основном для того, чтобы получать из веществ природы необходимые металлы и керамику, известь и цемент, стекло и бетон, красители и фармацевтические препараты, взрывчатые вещества и горюче-смазочные материалы, каучук и пластмассы, химические волокна и другие материалы с заданными электрофизическими свойствами. поэтому все химические знания, приобретённые за многие столетия и представленные в виде теорий, законов, методов, технологий, объединяет одна-единственная непреходящая, главная задача химии – получение веществ с необходимыми свойствами. Но это – производственная задача, и, чтобы её реализовать, надо уметь из одних веществ производить другие, т.е. осуществлять качественные превращения вещества. А поскольку качество – это совокупность свойств вещества, надо знать, от чего зависят эти свойства. Иначе говоря, чтобы решить производственную задачу, химия должна справиться с теоретической проблемой генезиса (происхождения) свойств вещества.

     Таким образом, перед химией стоит основная двуединая проблема – получение веществ с заданными свойствами (на это направлена производственная деятельность человека) и выявление способов управления свойствами вещества (на решение этой задачи направлена научно-исследовательская работа учёных).

     Эта же проблема является системообразующим  началом науки химии. Проблема эта возникла в глубокой древности и не потеряла своего значения и в наши дни. Естественно, что в разные исторические эпохи она решалась по-разному, так как способы её решения зависят от уровня материальной и духовной культуры общества, а также от внутренних закономерностей, присущих ходу научного познания. Достаточно сказать, что такие материалы, как, например, стекло и керамика, краски и душистые вещества, в древности изготавливали совершенно иначе, чем, скажем, в VIII в. и позже.

     Основная  проблема химии имеет всего четыре способа решения. Речь при этом идёт не о частных методах изучения и превращения вещества – их множество, а о самых общих ответах на вопрос: от чего, от каких факторов зависят свойства вещества? А они зависят от четырёх факторов:

• от элементного и малекулярного состава вещества;
• от структуры молекул вещества;
• от термодинамических и кинетических (наличие катализаторов, воздействие материала стенок сосудов и т.д.) условий, в которых вещество находится в процессе химической реакии;
• от степени (высокой или низкой) химической организации вещества.

     Поскольку эти способы решения основной проблемы химии находили последовательно, мы можем выделить в истории химии четыре сменявших друг друга этапа. В то же время с каждым из названных способов решения связана своя концептуальная система знаний. Эти четыре концептуальные системы знаний находятся в отношениях иерархии (субординации). В системе химии они выступают подсистемами, так же как сама химия в системе естествознания в целом (таблица № 1).

     В ходе развития химии происходит не смена, строго закономерное, последовательное появление концептуальных систем. При этом, каждая новая система не отрицает предыдущую, а, наоборот, опирается на неё и включает в себя в преобразованном виде. Таим образом формируется система химии – единая целостность всех химических знаний, которые появляются и существуют не отдельно, а в тесной взаимосвязи, дополняют друг друга и объединяются в концептуальные системы химических знаний, которые находятся между собой в отношениях иерархии. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Глава 2. Концепции химического состава вещества. 

     Для любой системы остаётся справедливым требование – свойства её необходимо определять не только составом её элементов и способом их соединения, но и их взаимодействием внутри этой системы, которое в итоге и обуславливает специфические свойства в целом. Поэтому при исследовании различных свойств химических веществ приходится обращаться к изучению их состава. В истории химии впервые к этому вопросу обратился в XVII в. английский учёный Р. Бойль. Его исследования показали, что качества и свойства тел не  абсолютны и зависят от качеств и свойств химических элементов, из которых эти тела составлены. Такой подход оказался принципиально новым. Он позволил примирить два существующих натурфилософских представления – атомизм  Демокрита и элементаризм Аристотеля. У Бойля наименьшими частичками вещества оказались неосязаемые органами чувств мельчайшие частички – атомы, или, как он их называл, minima natyralia. Эти частицы могли связываться друг с другом, образуя более крупные соединения – кластеры, по терминологии Бойля. Связь частиц в кластерах была достаточно прочной, и поэтому кластеры сами были невидимыми глазу кирпичиками для построения реальных физических тел. В зависимости от объема и формы кластера, от того, находились ли кластеры в движении или покоились, зависели и свойства природных тел. Сегодня мы вместо термина «кластер» используем понятие «молекула».

     В период с середины XVII в.  до первой половины XIX в.  учение  Бойля о составе вещества представляло собой всю тогдашнюю химию. Оно существует и сегодня, представляя собой первую концептуальную систему химии. На этом уровне химического знания ученые решали и решают три важнейших проблемы: химического элемента, химического соединения и создания новых материалов с вновь открытыми химическими элементами.

     Концепция химического элемента появилась в химии в результате стремления человека обнаружить первоэлемент природы. Корни решения этой проблемы уходят еще в Древнюю Грецию, где возникли учения о первоэлементах природы. Там же возникла и атомистическая концепция природы, возрождения Р. Бойлем в Новое время в химии. Именно он положил начало современному представлению о химическом элементе как о простом теле, пределе химического  разложения вещества, переходящем без изменения из состава одного сложного тела в другое.

     Но  еще целый век после этого химики делали ошибки в выделении химических элементов. Дело в том, что, сформулировав понятие химического элемента, химики еще не знали ни одного из них. Стремясь получить элементы в чистом виде, оно пользовались считавшимся тогда универсальным методом прокаливания и окалину принимали за чистый элемент. Так что известные тогда металлы – железо, медь, свинец – принимали за сложные тела, состоявшие из соответствующего элемента и флогистона. Однако именно флогистонная теория, ложна по сути, послужила двигателем многих исследований, приведших в итоге к истинным выводам.

     К этому выводу пришел  Д.И. Менделеев, доказавший , что свойства химического элемента зависят от места данного атома в периодической системе. Сам Менделеев определял это место по атомной массе, но в XX в. было выяснено, что порядковый номер элемента зависит не от атомной массы, а от заряда атомного ядра и количества. Сегодня мы знаем, что атом представляет собой сложную квантово-механическую систему, состоящую из положительно заряженного ядра и отрицательного заряженной электронной оболочки. Выяснены особенности строения электронных орбиталей атомов всех элементов и особая роль внешнего электронного уровня атома, от количества электронов в котором зависит реакционная способность элемента - химичекая активнось вещества, учитывающая как разнообразие реакций, возможных для данного вещества, так и их скорость. Наиболее активны с химической точки зрения элементы, имеющие минимальную атомную массу и 6-7 электронов на внешнем электронном уровне (фтор, хлор, кислород). Это связано с тем, что они стремятся достроить свою электронную оболочку путем присоединения недостающего числа электронов. Также большой реакционной способностью отличаются металлы, обладающие большой атомной массой и имеющие 1 – 2 электрона на внешнем электронном уровне (барий, цезий), стремящиеся отдать их для его достройки.

     Сегодня окружающий человека мир заполнен  многочисленными соединениями, составленными из элементов периодической системы Менделеева. Во времена самого Менделеева было известно всего 62 химических элемента. В 30-е годы XX в. таблица Менделеева, включая 88 элементов, а всего в ней было 92 клетки (элемент под номером 92 – это уран). Современной науке известно 110 химических элементов ( элемент 109 получил название мейтнерий, 110-й элемент еще не имеет официального названия), и химиков продолжает волновать вопрос, сколько всего элементов в таблице Менделеева.

     Предполагается , что на первоначальной стадии развития Земли существовали трансурановые элементы с порядковыми номерами до 106. Такие элементы имели небольшую продолжительность жизни по сравнению с возрастом Земли и поэтому полностью распались, не сохранившись до наших дней. Самым долгоживущим элементом из данной группы оказался плутоний – 224 с периодом полураспада 82.2 млн. лет. В 1971 г. из минерала бастнезита  удалось выделить некоторое количество атомов этого элемента. Но в основном все трансурановые элементы были получены искусственным путем. В 1940 г. был получен нептуний, после этого были зарегистрированы еще 15 трансурановых элементов с номерами до 107.

     Трансурановые элементы с атомными номерами до 100 можно получить в ядерном реакторе путем бомбардировки  ядер изотопа  урана -238 нейтронами. Более тяжелые  элементы получают только в ускорителях  и очень незначительных количествах. Для этого уран бомбардируют ионами ксенона, гадолиния, самария, гафния или самого урана. В результате этого образуются очень тяжелые промежуточные ядра. Но такие реакции стали возможны лишь с 1971 г., когда появились мощные ускорители, способные  разогнать тяжелые ионы до высоких энергий.

     Современная теория позволяет с большой вероятностью рассчитать стабильность сверхтяжелых элементов и предсказать их физические химические свойства. Поэтому химики  предполагают, что элементы с порядковыми номерами между 114 и 164 должны обладать неожиданно высокой стабильностью. Считается, что в районе этих порядковых номеров в периодической системе должен существовать так называемый островок стабильности, на котором возможно получение изотопов с периодом полураспада 10⁸ лет. Предполагается, что свойства элементов с номерами 112 – 118 должны быть аналогичны свойствам элементов в ряду ртуть – радон. Верхняя граница стабильности должна приближаться к номеру 174. Если эти элементы будут получены, их можно использовать в промышленном производстве и энергетике. Но для их синтеза нужны экспериментальные методы и технические средства.