Химия как отрасль естествознания

Биология - наука, изучающая закономерности жизни и развития живых существ. Наряду с физикой, химией, астрономией и геологией биология относится к числу естественных наук, предмет изучения которых - природа. Другую группу наук составляют общественные, или социальные науки, изучающие закономерности развития человеческого общества.

Реферат: Химия как отрасль естествознания

План

 

Введение

«Химический взгляд» на природу: истоки и современное состояние

Основные структурные уровни химии и ее разделы

Основные принципы и законы химии

Химическая связь и химическая кинетика

Заключение

Литература

 

Введение

 

Естествознание – наука о явлениях и законах природы. Современное естествознание включает многие естественнонаучные отрасли: физику, химию, биологию, а также смежные отрасли, такие, как физическая химия, биофизика, биохимия и т.п. Естествознание затрагивает широкий спектр вопросов о многочисленных и многосторонних проявлениях свойств природы, которую можно рассматривать как единое целое.

Если излагать подробно весь научный материал, накопленный на протяжении длительного времени во всех отраслях естествознания, то получится огромный фолиант, может быть, и нужный, но мало полезный даже для узких специалистов естественнонаучного профиля, не говоря уже о специалистах гуманитарных направлений. Задача изложения материала естествознания усложняется еще и тем, что его форма должна быть доступной будущим специалистам, для которых естествознание не является профессиональной дисциплиной. Наиболее рациональный подход в решении данной задачи – ограничиться изложением основополагающих идей – концепций современного естествознания. Такой подход полезен не только для понимания развития самого естествознания и изучаемых им явлений, и законов природы, но и для выявления наиболее перспективных направлений естествознания, на основе которых успешно развиваются современные наукоемкие технологии, способствующие росту благосостояния населения и бережному отношению к природе.

Современная, удивительно многообразная техника выросла из естествознания, которое и по сей день является основной базой для развития многочисленных перспективных направлений – от наноэлектроники до сложнейшей космической техники, и это очевидно для многих.

Но как связать современное естествознание с философией?

Философы всех времен опирались на новейшие достижения науки и в первую очередь естествознания. Достижения последнего столетия в физике, химии, биологии и других науках позволили по-новому взглянуть на сложившиеся веками философские представления. Многие философские идеи рождались в недрах естествознания, а естествознание в свою очередь в начале развития носило натурфилософский характер. Про такую философию можно сказать словами немецкого философа Артура Шопенгауэра (1788 – 1860):

Моя философия не дала мне совершенно никаких доходов, но она избавила меня от очень многих трат.

Знания концепций современного естествознания помогут многим вне зависимости от их профессии понять и представить, каких материальных и интеллектуальных затрат стоят современные исследования, позволяющие проникнуть внутрь микромира и освоить внеземное пространство, какой ценой дается высокое качество изображения современного телевизора, каковы реальные пути совершенствования персональных компьютеров и как чрезвычайно важна проблема сохранения природы, которая, как справедливо заметил римский философ и писатель Сенека (около 4 до н. э. – 65 н. э.), дает достаточно, чтобы удовлетворить потребности человека.

Человек, обладающий хотя бы общими естественнонаучными знаниями, т. е. знаниями о природе, будет действовать непременно так, чтобы польза как результат его действия всегда сочеталась с бережным отношением к природе и с ее сохранением не только для настоящего, но и для грядущих поколений.

Рассмотрим одну из самых важнейших естественнонаучных отраслей – химию.

 

1. «Химический  взгляд» на природу: истоки и  современное состояние

 

Химия – очень древняя наука. Существует несколько объяснений слова «химия». Согласно одной из имеющихся теорий, оно происходит от древнего названия Египта – Kham и, следовательно, должно означать «египетское искусство». Согласно другой теории, слово «химия» произошло от греческого слова cumoz (сок растения) и означает «искусство выделения соков». Этот сок может быть расплавленным металлом, так что при подобном расширенном толковании данного термина в него приходит включать и искусство металлургии.

С химией тесно связаны элементы стихий древнегреческой натурфилософии, атомистика Левкиппа и Демокрита. Но, конечно, наибольший вклад в становление этой науки внесли египтяне. Имя первого из дошедших до нас химиков – Болос из Менда, жившего в дельте Нила на рубеже III и II вв. до н. э. К 300 г. н.э. египтянин Зосима написал энциклопедию, которая охватывала все собранные к тому времени знания по химии. Но химия, представленная в этом труде, еще не была наукой в полном смысле слова, а оставалась тесно связанной с древнеегипетской религией и не выходила в своем развитии за пределы формирования феноменологического уровня. В химии выявлялись свойства, устанавливались закономерности между ними, сущность же явлений подменялась их мистической интерпретацией. Химию (химиков) искореняли и преследовали древнеримские императоры, фанатики христианства: ученые изгонялись, книги их сжигались, сама наука запрещалась. Одни опасались, например, того, что химики занимались получением золота; вторые преследовали ученых за тесную связь химии с древнеегипетской религией, которая, с точки зрения христианства, была язычеством.

Начиная с последних веков I тыс. до н.э. химия бурно развивалась в арабском мире, а в первой половине нынешнего тысячелетия она получила широкое распространение в Западной Европе. С одной стороны, развитие химии в этот период шло вслед за развитием техники, однако, с одной стороны, она оставалась тесно связанной с религиозно-философской мыслью. В тот период химия существовала главным образом как алхимия.

В химии необходимо отметить прежде всего существование особого «химического взгляда» на природу, который не может быть сведен к физическому, несмотря на все успехи физической химии в нынешнем столетии. То есть у химии давно были обнаружены качества некоторого особого типа. Так, согласно известному химику А.А. Бутакову, химические реакции «нельзя объяснить только действием сил электрического притяжения и отталкивания. Их действием объясняется лишь физическая сторона химического процесса. Химическая форма движения материи представляет собой процессы изменения частиц вещества, которые в конечном счете определяются действием периодического закона». Подобного мнения придерживаются и многие другие ученые-химики. Известный российский физико-химик Н.Н. Семенов сводил основные отличия между физическим и химическим процессом к трем: «Истории системы, отсутствию мгновенных параметров для скоростей химических реакций, возможности пользоваться равновесными параметрами для физических процессов и невозможности – для химических».

В химии хорошо используется подход индуктивный, гораздо менее продуктивным здесь оказалсядедуктивный подход. При дедуктивномподходе вся совокупность известных естественнонаучных фактов (не только химических, но и физических, биологических) представляется вытекающей из ряда основных законов. Такой подход, как правило, оказывается достаточно эффективным в физике и там, где могут быть использованы физические идеи (в химии). Индуктивный подход – это движение в обратном направлении, когда на основе химической фактологии выявляются более или менее общие закономерности (правила, законы), а затем уже создаются обобщенные модели, составляющие основу современной теоретической химии.

Важнейшие особенности современной химии таковы:

1. В химии, прежде всего  в физической химии, появляются  многочисленные самостоятельные  научные дисциплины (химическая  термодинамика, химическая кинетика, электрохимия, термохимия, радиационная  химия, фотохимия, плазмохимия, лазерная химия).

2. Химия активно интегрируется  с остальными науками, результатом  чего было появление биохимии, молекулярной биологии, космохимии, геохимии, биогеохимии. Первые изучают  химические процессы в живых  организмах, геохимия – закономерности  поведения химических элементов в земной коре. Биогеохимия – это наука о процессах перемещения, распределения, рассеяния и концентрации химических элементов в биосфере при участии организмов. Основоположником биогеохимии является В.И. Вернадский. Космохимия изучает химический состав вещества во Вселенной, его распространенность и распределение по отдельным космическим телам.

3. В химии появляются  принципиально новые методы исследования (рентгеновский структурный анализ, масс-спектроскопия, радиоспектроскопия  и др.).

Химия способствовала интенсивному развитию некоторых направлений человеческой деятельности. Например, хирургии химия дала три главных средства, благодаря которым современные операции стали безболезненными и вообще возможными: 1) введение в практику эфирного наркоза, а затем и других наркотических веществ; 2) использование антисептических средств для предупреждения инфекции; 3) получение новых, не имеющихся в природе аллопластических материалов-полимеров.

В химии весьма отчетливо проявляется неравноценность отдельных химических элементов. Подавляющее большинство химических соединений (96% из более 8,5 тыс. известных в настоящее время) – это органические соединения. В их основе лежат 18 элементов (наибольшее распространение имеют всего 6 из них). Это происходит в силу того, что, во-первых, химические связи прочны (энергоемки) и, во-вторых, они еще и лабильны. Углерод как никакой другой элемент отвечает всем этим требованиям энергоемкости и лабильности связей. Он совмещает в себе химические противоположности, реализуя их единство.

Однако подчеркнем, что материальная основа жизни не сводится ни к каким, даже самым сложным, химическим образованиям. Она не просто агрегат определенного химического состава, но одновременно и структура, имеющая функции и осуществляющая процессы. Поэтому невозможно дать жизни только функциональное определение.

В последнее время химия все чаще предпринимает штурм соседних с нею уровней структурной организации природы. Например, химия все более вторгается в биологию, пытаясь объяснить основы жизни.

 

2. Основные структурные  уровни химии и ее разделы

 

Химию традиционно принято подразделять на пять разделов: неорганическая химия, органическая химия, физическая химия, аналитическая химия и химия высокомолекулярных соединений. Однако четких граней между этими разделами не существует.

В химии могут быть выделены два основных структурных стержня, которые связаны с основными этапами развития этой науки и, кроме того, дают представление о взаимосвязях химии с другими естественными науками.

Первый из этих стержней – появление веществ с заданными (необходимыми) свойствами, что является в то же время и главной задачей химии. Эта задача объединяет практически все химические знания, которые представляются в виде теорий, законов, методов, технологических инструкций и т.п. Она ближе к истокам химии и к конкретному производству (металлургии, выделке кож и т.п.), которое и сформировало саму эту науку.

Вторым структурным стержнем химии является теоретическая задача исследования генезиса (происхождения) свойств вещества. Ее решение допускает различные уровни обобщения представлений о химических веществах. В настоящее время выделяют четыре наиболее общих подхода:

1) исследование элементного  и молекулярного состава вещества;

2) исследование структуры  молекул веществ;

3) исследование термодинамических и кинетических условий, обеспечивающих протекание химических процессов;

4) исследование природы  реагентов (катализаторов), процессов  самоорганизации и эволюции химических  соединений.

Рассмотрим более подробно перечисленные подходы.

Исследование элементного и молекулярного состава (свойств) веществ. Учение о составе веществ является первым уровнем химических зданий. До 20 – 30-х гг. XIX в. вся химия не выходила за пределы этого подхода. Но постепенно рамки состава (свойств) стали тесны химии, и во второй половине XIX в. главенствующую роль в химии постепенно приобрело понятие «структура», ориентированное, что и отражено непосредственно в самом понятии, не структуру молекулы реагента.

Химическим соединением называется атомно-молекулярная система, обладающая следующими признаками: 1) содержанием большего числа атомов ограниченного числа «сортов»; 2) каждому сорту атомов соответствует определенная координация постоянных, определяющих индивидуальность химического соединения, распределение атомов по сортам (состав); 3) способностью существовать в виде одного или нескольких химических веществ.

Структурная химия. Структура – это устойчивая упорядоченность качественно неизменной системы (молекулы). Под данное определение подпадают все структуры, которые исследуются в химии: квантово-механические, основанные на понятиях валентности и химического сродства, и др. Вершиной структурной химии стал период после 1880 г., когда был открыт органический синтез и когда началось его бурное (можно сказать, триумфальное) развитие. Химики считали, что из нескольких простейших элементов они могут складывать все остальные. Но в рамках этого уровня возникла необходимость исследовать основные параметры химических процессов.

Учение о химических процессах. Наиболее глубокое взаимопроникновение физики, химии и биологии имеет место в учении о химических процессах. Это учение основывается на термодинамике и кинетике (физической химии) и принадлежит как физике, так и химии. Химический процесс есть то основное явление, которое отличает химию от физики, делая первую более сложной наукой. Протекание процессов определяется так называемыми структурно-кинетическими факторами: строением исходных реагентов, их концентрацией, наличием катализаторов и других добавок, способов смешения реагентов материалами и конструкцией сосудов (реакторов), в которых протекает реакция, и т.д. Среди этих структурно-кинетических факторов наиболее важным является катализ. Последний представляет собой посредничество третьих тел в процессе реакции и был открыт К. Кирхгофом в 1812 г.