Основные уровни строения химии как науки

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию ГОУ  ВПО

«Всероссийский заочный финансово-экономический институт» 

Кафедра «Экономики» 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по  Концепции современного естествознания:

Вариант №17

«Основные уровни строения химии как науки» 
 

Преподаватель:

Работа  выполнена:

Студент :

ФНО курс                                     
 

Липецк  2012 
 
 
 

Содержание 

Введение……………………………………………………………3

Учение  химии о составе вещества как  особого ее уровня………3

Сущность уровня структурной химии……………………………5

Учение  о химических процессах………………………………….7

Особенности эволюционной химии………………………………8

Заключение…………………………………………………………13

Список  используемой литературы………………………………..14 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

     Целью данной работы является изучение и анализ основных уровней строения химии как науки. В ходе выполнения данной работы необходимо выполнить несколько задач. Во-первых, выявить этапы и уровни в развитии химии как науки. Во-вторых, показать и проанализировать особенности химии как науки о составе вещества. В-третьих, понять сущность структурной химии. В-четвертых, показать особенности химии как учения о химических процессах, затем вскрыть сущность эволюционной химии. Сделать соответствующие выводы после изучения данных задач.

     Учение  химии о составе  вещества как особого  ее уровня

     «Химия — наука, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения»¹. Она изучает природу и свойства различных химических связей, энергетику химических реакций, реакционную способность веществ, свойства катализаторов и т.д.  В развитии химии как науки можно выделить 4 этапа:

1. Учение о составе
2. Уровень структурной химии
3. Учение о химических процессах
4. Эволюционная химия

    На  первом уровне решались вопросы определения химического элемента, химического соединения и получения новых материалов на базе более широкого использования химических элементов. Английский химик и физик Р. Бойль сформулировал в 1661г. первое научное определение химического элемента. Первый химический элемент– фосфор –получил в 1669 гамбургский алхимик Х. Бранд в 1669 г.[4] Затем были открыты кобальт, никель и другие. Французский химик А. Л. Лавуазье выяснил роль кислорода в процессах горения, окисления и дыхания (1772-77), чем опроверг теорию флогистона. Лавуазье впервые систематизировал химические элементы на базе имевшихся в XVIII в. знаний. Эта систематизация оказалась ошибочной и в дальнейшем была усовершенствована Д. И. Менделеевым. Система Лавуазье определяла место элемента по атомной массе. В настоящее время место химического элемента определяют по заряду атомного ядра, который отражает индивидуальные свойства элемента. В Периодической системе Д.И. Менделеева насчитывалось 62 элемента, в 1930-е гг. она заканчивалась ураном (Z = 92). В 1999 г. было сообщено, что путем физического синтеза атомных ядер открыт 114-й элемент.

    Применение в последнее время физических методов исследования вещества позволило выявить физическую природу химизма, 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.

    Электрон  измеряется и как частица, и как  волна, и как точечный заряд, а в силу движения на очень малых расстояниях он выглядит как электронное облако, располагающееся в поле действия атомного ядра. Химические связи представляют собой обменное взаимодействие электронов с соответствующими характеристиками .

    В результате химических и физических открытий претерпело изменение классическое определение молекулы. Под молекулой понимается наименьшая частица вещества, которая в состоянии определять его свойства  и в тоже время она может существовать самостоятельно. Поэтому в класс молекул стали включать ионные системы, атомные и металлические монокристаллы и полимеры, которые образуются на основе водородной связи и представляют собой макромолекулы. С открытием физиками природы химизма как обменного взаимодействия электронов химики совершенно по-другому стали рассматривать химическое соединение. «Это 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 — понятие более широкое, чем «сложное вещество», которое должно состоять из двух и более разных химических элементов. Химическое соединение может состоять и из одного элемента. Это молекулы Н2, О2, графит, алмаз и другие кристаллы без посторонних включений в их решетку в идеальном случае».

 В  настоящее время на основе  достижений химии стало возможным  заменять металлы керамикой, а  также получать материалы с  заранее заданными свойствами.

Сущность  уровня структурной химии

    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  у химической науки появились  неизвестные ранее возможности  целенаправленного качественного  влияния на преобразование вещества. Еще в 1857 г. немецкий химик Ф.А. Кекуле показал, что углерод четырехвалентен, и это дает возможность присоединить к нему до четырех элементов одновалентного водорода. Эта схема Кекуле натолкнула исследователей на понимание механизма получения новых химических соединений. А. М. Бутлеров заметил, что в таких соединениях большую роль играет энергия, с которой вещества связываются между собой. В настоящее время на уровне структуры молекулы понимается и пространственная, и энергетическая упорядоченность.

    В 60—80-е гг. прошлого века появился термин «органический синтез». Из аммиака и каменноугольной смолы были получены анилиновые красители — фуксин, анилиновая соль, ализарин, а позднее — взрывчатые вещества и лекарственные препараты — аспирин и др. Структурная химия дала повод для оптимистических заявлений, что химики могут все. [1,с.169]

Однако  дальнейшее развитие химической науки  и основанного на ее достижениях производства показали более точно возможности и пределы структурной химии. На уровне структурной химии не представлялось возможным получение этилена, ацетилена, бензола и других углеводородов из парафиновых, углеводородов. Многие реакции органического синтеза на основе структурной химии давали очень низкие выходы необходимого продукта и большие отходы в виде побочных продуктов. Вследствие этого их нельзя было использовать в промышленном масштабе.

    Кроме того, для производства на основе органического  синтеза использовалось дорогостоящее сельскохозяйственное сырье — зерно, жиры, молочные продукты. А сам технологический процесс является многоэтапным и трудноуправляемым.

    В последнее время ученые открыли  новую группу металло-органических соединений с двойной структурой, из-за чего они получили название «сэндвичевых соединений». Это не что иное как молекула, представляющая собой две пластины из соединений водорода и углерода, между которыми находится атом металла или атомы двух металлов. Пока они практического применения не нашли, но оказали влияние на пересмотр прежних взглядов на валентность и химические связи. Их рассматривают как доказательство наличия электронно-ядерного взаимодействия у молекул.

    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. Решение этих вопросов наталкивается на различные препятствия. Выращивание, например, некоторых кристаллов требует исключения условий гравитации. Поэтому такие кристаллы выращивают в космосе, на орбитальных станциях. 

Учение  о химических процессах

    Химические  процессы представляют собой сложнейшее явление как в неживой, так и в живой природе. Эти процессы изучают химия, физика и биология. Перед химической наукой стоит принципиальная задача — научиться управлять химическими процессами. Дело в том, что некоторые процессы не удается осуществить, хотя в принципе они осуществимы, другие трудно остановить — реакции горения, взрывы, а часть из них трудноуправляема, поскольку они самопроизвольно создают массу побочных продуктов. Для управления химическими процессами разработаны термодинамический и кинетический методы.

    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. Смещение равновесия в ту или другую стороны требует специальных способов управления реакциями. Например, реакция получения аммиака:

    N₂ + ЗH₂↔ H₃.

    Эта реакция проста по составу элементов  и своей структуре. Однако на протяжении целого столетия с 1813 по 1913 гг. химики не могли ее провести в законченном виде, так как не были известны средства управления ею. Она была осуществима только после открытия соответствующих законов нидерландским и французским физико-химиками Я.Х. Вант-Гофом и АЛ. Ле-Шателье. Было установлено, что «синтез аммиака происходит на поверхности твердого катализатора при сдвиге равновесия за счет высоких давлений».

    Все проблемы, связанные с такими сложными процессами, как, например, получение  аммиака, решает химическая кинетика—«раздел химии, изучающий скорости химических реакций. К важнейшим факторам, влияющим на скорость реакций, относятся: природа реагирующих веществ, их концентрации, температура, присутствие в системе катализаторов.» 

Особенности эволюционной химии

    Химики  давно пытались понять, каким образом  из неорганической безжизненной материи возникает органическая как основа жизни на Земле. Какая лаборатория лежит в основе этого процесса — лаборатория, в которой без участия человека получаются новые химические соединения, более сложные, чем исходные вещества?

    И. Я. Берцелиус первым 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, что и служит идеалом для многих химиков. Идеалом совершенства считали «живую лабораторию» немецкий ученый Ю. Либих, француз П.Э.М. Вертело и другие ученые.

    Современные химики считают, что на основе изучения химии организмов можно будет создать новое управление химическими процессами, а это позволит более экономично использовать имеющиеся в природе материалы и извлекать из них большую пользу. Для решения проблемы биокатализа и использования его результатов в промышленных масштабах химическая наука разработала ряд методов — изучение и использование приемов живой природы, применения отдельных ферментов для моделирования биокатализаторов, освоение механизмов живой природы, развитие исследований 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, или материальной организации».

    В процессе самоорганизации предбиологических  систем шел отбор необходимых  элементов для появления жизни  и ее функционирования. Из более 100 химических элементов, открытых к настоящему времени, многие принимают участие в жизнедеятельности живых организмов. Наука же считает, что только шесть элементов — углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера составляют основу живых систем, из-за чего они получили название органогенов. Весовая доля этих элементов в живом организме составляет 97,4%. Кроме того, в состав биологически важных компонентов живых систем входят еще 12 элементов: натрий, калий, кальций, магний, железо, цинк, кремний, алюминий, хлор, медь, кобальт, бор. Еще около 20 элементов участвуют в жизнедеятельности живых систем в зависимости от среды их обитания и состава питания.

    Не  менее важно и то обстоятельство, что все элементы, участвующие в построении живых систем и их функционировании, распределены по всей поверхности Земли. Таким образом, жизнь возникала в любом месте на Земле, где для этого создавались благоприятные условия. В Космосе же преимущественно господствуют два элемента — водород и гелий, а остальные существуют в виде примесей и составляют ничтожно малую массу.