Калининградский пограничный институт ФСБ России

----------------------------------------------------------------------------

Центр дополнительного  и профессионального образования 
 
 
 
 
 

РЕФЕРАТ

по  концепции современного естествознания 

Тема: «История формирования основных химических концепций» 

Выполнил: _______________________ 

__________________________

 
 

             Проверил: научный руководитель:

                                                                                        ______________________ 

____________________________ 

Дата сдачи:

____________

Оценка:

_______________ 
 
 
 
 
 

Калининград, 2007 г. 

     СОДЕРЖАНИЕ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

 
 

     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, 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 последовательно привела человека к освоению энергии пара, тепловой, электрической энергии, и, наконец, энергии атома.

     Необходимость повышения производительности труда  и эффективности производства, роста  темпов добычи и переработки громадного объема минеральных ресурсов, наряду с необходимостью решения многих жизненно важных проблем, вызвали к жизни использование химической технологии, всеобщую химизацию, а затем компьютеризацию общественного производства и быта. Успехи человека в решении больших и малых проблем выживания в значительной мере были достигнуты благодаря развитию химии, становлению различных химических технологий. Успехи многих отраслей человеческой деятельности, таких, как энергетика, металлургия, машиностроение, легкая и пищевая промышленность и других, во многом зависит от состояния и развития химии. Огромное значение химия имеет для успешной работы сельскохозяйственного производства, фармацевтической промышленности, обеспечения быта человека. 

1.Фундаментальные основы современной химии

     На  определенном этапе эволюции Вселенной в ней реализуются условия, допускающие формирование атомов вещества. Определенный набор атомов способен образовать новую систему — молекулу. Организация материи на атомно-молекулярном уровне приводит к появлению новых свойств материи — к возможности существования множества веществ с громадным разнообразием свойств.

     Наукой, исследующей закономерности, проявляющиеся  на атомно-молекулярном уровне организации  материи, является химия. Задача химии состоит в изучении строения молекул и процессов изменения этого строения в результате их взаимодействия.

     Фундаментальными  основами химии стали квантовая  механика, атомная физика, термодинамика, статистическая физика, а также физическая кинетика. На основе физики построена теоретическая химия. Из этого не следует, что химия не существует как самостоятельная наука: химия «выводится» из физики, но не сводится к ней.

     На  химическом уровне мы имеем дело с  очень большим числом частиц, участвующих  в квантово-механических процессах обмена электронами (химических реакциях). Это обусловливает макроскопичность проявления законов квантовой физики в химических процессах. Базовое понятие химии — валентность — это макроскопическое, химическое отображение квантово-механических взаимодействий.

     Эмпирическая химическая формула соединения показывает, какие элементы и в каком соотношении входят в состав химического соединения. Эмпирическая формула устанавливается опытным путем. На основе эмпирической формулы некоторого вещества может быть найдена его молекулярная формула. В химии выработаны правила определения молекулярной формулы. Молекулярные формулы позволяют отобразить химические превращения. Для этого используются химические уравнения, которые являются эффективным и простым способом описания химических процессов. Методика составления уравнений химических реакций с учетом характера конкретных веществ и взаимодействий хорошо разработана современной химией.

     Результаты  химического взаимодействия могут  быть вычислены с помощью методов физики. Однако даже в простых случаях эти расчеты были бы чрезвычайно сложны. На основе методов, выработанных в химии, используя для описания вещества и его превращения язык химических формул и уравнений, химик решает эти проблемы намного проще и быстрее.

     Благодаря тому, что химии удалось выработать свой собственный язык, свое феноменологическое описание свойств веществ и химических превращений, химия стала великой наукой задолго до того, как квантовая механика вскрыла сущность химических явлений.

     Язык  химии разнообразен; он содержит возможности отображения особенностей химических реакций и различных свойств веществ. Например, структурные формулы показывают последовательность и пространственный порядок соединения атомов в молекулах.

     Таким образом, атомно-молекулярный уровень организации материи, чрезвычайно сложно описываемый на фундаментальном уровне, на уровне квантовой механики, потребовал выработки своего химического языка. Сегодня физика, составляющая ядро теоретической химии, служит базой дальнейшего развития этой науки. Развитие современной химии, ее основные концепции оказались тесно связанными не только с физикой, но и с другими естественными науками, особенно с биологией.

2.Учение о химических процессах

 

     Способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется не только их атомарно-молекулярной структурой, но и условиями протекания химических реакций. К ним относятся термодинамические факторы (температура, давление и др.) и кинетические факторы (все, что связано с переносом веществ, образованием их промежуточных форм). Их влияние на химические реакции вскрывается на концептуальном уровне химии, который обобщенно называют учением о химических процессах.

     Учение  о химических процессах является областью глубокого взаимопроникновения  физики, химии и биологии. Действительно, в основе этого учения находятся химическая термодинамика и кинетика, которые в равной степени относятся и к химии, и к физике. А живая клетка, исследуемая биологической наукой, представляет собой в то же время микроскопический химический реактор, в котором происходят превращения, изучаемые химией, и многие из которых химия пытается реализовать в макроскопическом масштабе. Таким образом, изучая условия протекания и закономерности химических процессов, человек вскрывает глубокую связь существующую между физическими, химическими и биологическими явлениями и одновременно перенимает у живой природы опыт, необходимый ему для получения новых веществ и материалов.

     Большинство современных химических технологий реализуется с использованием катализаторов — веществ, которые увеличивают скорость реакции, не расходуясь в ней.

     В современной химии получило развитие также направление, принципом которого является энергетическая активация реагента (то есть подача энергии извне) до состояния полного разрыва исходных связей. В данном случае речь идет о больших энергиях. Это так называемая химия экстремальных состояний, использующая высокие температуры, большие давления, излучение с большой величиной энергии кванта (ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма-излучение). К этой области относятся плазмохимия (химия на основе плазменного состояния реагентов), а также технологии, в которых активация процесса достигается за счет направленных электронных или ионных пучков (элионные технологии).

     Химия экстремальных состояний позволяет получать вещества и материалы, уникальные по своим свойствам: композитные материалы, высокотемпературные сплавы и металлические порошки, нитриды, силициды и карбиды тугоплавких металлов, разнообразные по своим свойствам покрытия. Примером могут служить сверхпрочные покрытия из нитрида титана, наносимые на металлообрабатывающий инструмент для многократного увеличения срока его эксплуатации. Интересно, что «золотой» блеск и высокая коррозионная стойкость пленок нитрида титана позволили с успехом применить технологию его нанесения при изготовлении кровли куполов церквей взамен традиционной и дорогой технологии золочения.

     Эффективность технологий на основе химии экстремальных состояний очень высока. Характерным для них является энергосбережение при высокой производительности, высокая автоматизация и простота управления технологическими процессами, небольшие размеры технологических установок.

3.Эволюционная концепция в химии

 

     Природа в процессе эволюции живых организмов создала своеобразные химические технологии необычайной эффективности. При изучении химизма живой природы биохимией и молекулярной биологией было установлено, что состав и структура биополимерных молекул представляют собой единый набор для всех живых существ, вполне доступный для исследования физическими и химическими методами. С другой стороны, было установлено, что в живых системах осуществляются такие типы химических превращений, какие никогда не обнаруживались в живом мире.

     Важнейшее значение в современной химии придается проблеме поиска эффективных катализаторов для множества процессов химической технологии. Между тем, давно уже было установлено, что основой химии живого являются каталитические химические реакции, т.е. биокатализ. Химизм живой природы являлся идеалом для исследователей. «Подражание живой природе есть химизм будущего!» Этот девиз, который был высказан академиком А.Е.Арбузовым в 1930 г., является целеполагающей идеей развития эволюционной концепции в химии.

     Интенсивные исследования последнего времени направлены на выяснение механизмов химических превращений, присущих живой материи. Химиков-органиков интересуют перспективы синтеза сложных веществ, аналогов органических соединений, образующихся в живых организмах; биологов — вещественная и функциональная основы жизнедеятельности; исследователи-медики пытаются выяснить биохимические границы между нормой и патологией в организме. Объединяет все эти работы концептуальное представление о ведущей роли ферментов, биорегуляторов в процессе жизнедеятельности. Эта идея, предложенная великим французским естествоиспытателем Луи Пастером в XIX в., остается основополагающей и сегодня.

     Изучив  принципы, заложенные эволюцией в  химизм живой природы, можно использовать их для развития химической науки и технологии. Чрезвычайно плодотворным с этой точки зрения является исследование ферментов и раскрытие тонких механизмов их действия. Ферменты — это белковые молекулы, синтезируемые живыми клетками. В каждой клетке имеются сотни различных ферментов. С их помощью осуществляются многочисленные химические реакции, которые благодаря каталитическому действию ферментов могут идти с большой скоростью при температурах, подходящих для данного организма, то есть в пределах примерно от 5 до 40° С. (Чтобы эти реакции протекали вне организма, потребовалась бы их активация за счет высокой температуры или иных факторов активации. Для живой клетки такие условия означали бы гибель.) Следовательно, ферменты можно определить как биологические катализаторы. Биокатализаторы обладают высокой селективностью (избирательностью) — один фермент катализирует обычно только одну реакцию. По принципу биокатализаторов будут созданы искусственные катализаторы.

     Биокатализ  нельзя отделить от проблемы биогенеза (происхождения жизни), какой бы трудной она ни являлась. Задача изучения и освоения всего многообразия каталитических процессов в живой природе — это пролог эволюционной химии. Уже обозначены основные подходы к освоению каталитического опыта живой природы.

     Проблемы моделирования биокатализаторов показали необходимость детального изучения химической эволюции, то есть установления закономерностей самопроизвольного (без участия человека) синтеза новых химических соединений, являющихся к тому же более высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами. В 1960-х гг. было обнаружено явление самосовершенствования катализаторов в ходе реакции (тогда как обычно катализаторы в процессе их работы дезактивировались, ухудшались и выбрасывались). Речь идет о проявлении самоорганизации в химическом процессе. Здесь понятие «самоорганизация» означает такое изменяющееся состояние химической системы, которому присущи все более высокие уровни сложности и упорядоченности. Проблема биологической самоорганизации (и биологической эволюции) оказывается самым непосредственным образом связана с проблемой химической самоорганизации (и химической эволюции). Одна из задач химии, а именно самого новейшего ее направления — эволюционной химии, понять, как из неорганической материи возникает жизнь. Поэтому эволюционную химию можно назвать «предбиологией».