Появление принципа глобального эволюционизма означает, что в современном естествознании утвердилось убеждение в том, что материя, Вселенная в целом и во всех её элементах не могут существовать вне развития.

Не вдаваясь в детали ( они будут изложены в следующих главах), подчеркнём радикальное обновление наших представлений об устройстве мироздания: Вселенная нестационарна, она имела начало во времени, следовательно, она исторична, т.е. эволюционирует во времени. И эту 20 -миллиардолетнюю эволюцию в принципе можно реконструировать!

Таким образом, идея эволюции прорвалась в физику и космологию. Но не только в них. В последние десятилетия благосклонное отношение к эволюционным представлениям начала проявлять и химия.

В ХХ в. эволюционное учение интенсивно развивалось и в рамках его прародительницы - биологии. Современный эволюционизм в научных дисциплинах биологического профиля предстаёт как многоплановое учение, ведущее поиск закономерностей и механизмов эволюции сразу на многих уровнях организации живой материи: молекулярном, клеточном, организменном, популяционном и даже биогеоценотическом.

Идея эволюции праздновала успех и в других областях естествознания - в геологии, например, окончательно утвердилась концепция дрейфа континентов; а такие науки, как экология, биогеохимия, антропология, были изначально “эволюционными”.

Поэтому современное естествознание вправе провозгласить лозунг: “Всё существующее есть результат эволюции!”.

2. 3. 2. Синергетика - теория самоорганизации

Появление синергетики в современном естествознании, очевидно, инициировано, подготовкой глобального эволюционного синтеза всех естественно - научных дисциплин. Эту тенденцию в немалой степени сдерживала разительная асимметрия процессов деградации и развития в живой и неживой природе.

Закон сохранения и превращения энергии (первое начало термодинамики ) в принципе не запрещает такого перехода, лишь бы количество энергии сохранялось в прежнем объёме. Но, в реальности такого никогда не происходит. Вот эту - то односторонность, однонаправленность, перераспределения энергии в замкнутых системах и подчёркивает второе начало.

Для отражения этого процесса в термодинамику было введено новое понятие - энтропия. Под энтропией стали понимать меру беспорядка системы. Более точная формулировка второго начала термодинамики приняла такой вид: “При самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает”.

Главный мировоззренческий сдвиг, произведённый синергетикой, можно выразить следующим образом:

А) процессы разрушения и созидания, деградации и эволюции во Вселенной по меньшей мере равноправны;

Б) процессы созидания (нарастания сложности и упорядоченности) имеют единый алгоритм независимо от природы систем, в которых они осуществляются.

Таким образом, синергетика претендует на открытие некоего универсального механизма, с помощью которого осуществляется самоорганизация, как в живой, так и в неживой природе. Под самоорганизацией при этом понимается спонтанный переход открытой неравновесной системы от менее к более сложным и упорядоченным формам организации. Отсюда следует, что объектом синергетики могут быть отнюдь не любые системы, а только те, которые удовлетворяют двум условиям:

должны быть открытыми

должны быть существенно неравновесными.

2. 3. 3. Общие контуры современной естественно - научной картины мира

Мир, в котором мы живём, состоит из разномасштабных открытых систем, развитие которых подчиняется некоторым общим закономерностям. При этом он имеет свою долгую историю, которая в общих чертах известна современной науке.

Вот как выглядит хронология наиболее важных событий этой истории:

20 млрд. лет назад - Большой взрыв

3 минуты спустя - Образование вещественной основы

Вселенной (фотоны., нейтрино и

антинейтрино с примесью ядер

Водорода, гелия и электронов).

Через несколько сотен - появление атомов (лёгких элементов)

тысяч лет

19 -17 млрд. лет назад - образование разномасштабных

структур (галактик).

15 млрд. лет назад - появление звёзд первого поко-

ления, образование атомов

тяжёлых элементов.

5 млрд. лет назад - рождение Солнца.

4,6 млрд. лет назад - образование Земли.

3,8 млрд. лет назад - зарождение жизни.

450 млн. лет назад - появление растений.

150 млн. лет назад - появление млекопитающих.

2 млн. лет назад - начало антропогенеза.

Подчеркнём, что современной науке известны не только “даты”, но во многом и сами механизмы эволюции Вселенной от Большого взрыва до наших дней. Это - фантастический результат. Причём наиболее крупные прорывы к тайнам истории Вселенной осуществлены во второй половине нашего века: предложена и обоснована концепция Большого взрыва, построена кварковая модель атома, установлены типы фундаментальных взаимодействий и построены первые теории их объединения и т.д.

ГЛАВА 3.

Структурные уровни организации материи

3. 1. Макромир: концепции классического естествознания.

В истории изучения природы можно выделить два этапа: донаучный и научный.

Донаучный, или натурфилософский, охватывает период от античности до становления экспериментального естествознания в ХVI -XVII вв. В этот период учения о природе носили чисто натурфилософский характер: наблюдаемые природные явления объяснялись на основе умозрительных философских принципов.

Формирование научных взглядов на строение материи относится к XVI вв., когда Г. Галилеем была заложена основа первой в истории науки физической картины мира - механической. Он не просто обосновал гелиоцентрическую систему Н. Коперника и открыл закон инерции, а разработал методологию нового способа описания природы - научно - теоретического. Суть его заключалась в том, что выделялись только некоторые физические характеристики, которые становились предметом научного исследования.

И.Ньютон, опираясь на труды Галилея, разработал строгую научную теорию механики, описывающую и движение небесных тел,

и движение земных объектов одними и теми же законами. Природа рассматривалась как сложная механическая система.

Итогом ньютоновской картины мира явился образ Вселенной как гигантского и полностью детерминированного механизма, где события и процессы являют собой цепь взаимозависимых причин и следствий. Отсюда и вера в то, что теоретически можно точно реконструировать любую прошлую ситуацию во Вселенной или предсказать будущее с абсолютной определённостью. И.Р. Пригожин назвал эту веру в безграничную предсказуемость “ основополагающим мифом классической науки”.

Другой областью физики, где механические модели оказались неадекватными, была область электромагнитных явлений. Эксперименты английского естествоиспытателя М.Фарадея и теоретические работы английского физика Дж. К. Максвелла окончательно разрушили преставления ньютоновской физики о дискретном веществе как единственном виде материи и положили начало электромагнитной картине мира.

3. 2. Квантово - механическая концепция описания микромира

Изучая микрочастицы, учёные столкнулись с парадоксальной, с точки зрения классической науки, ситуацией: одни и те же объекты обнаруживали как волновые, так и корпускулярные свойства.

Первый шаг в этом направлении был сделан немецким физиком М. Планком. Как известно, в конце XIX в. в физике возникла трудность, которая получила название “ ультрафиолетовой катастрофы”. В соответствии с расчётами по формуле классической электродинамики интенсивность теплового излучения абсолютно чёрного тела должна была неограниченно возрастать, что явно противоречило опыту.

Первым физиком, который восторженно принял открытие элементарного кванта действия и творчески развил его, был Альберт Эйнштейн. В 1905 г. он перенёс гениальную идею квантового поглощения и отдачи энергии при тепловом излучении на излучение вообще и таким образом обосновал новое учение о свете.

Представление о свете как о дожде быстро движущихся квантов было чрезвычайно смелым, почти дерзким, в правильность которого вначале поверили немногие. Прежде всего, с расширением квантовой гипотезы до квантовой теории света был не согласен сам М. Планк, относивший свою квантовую формулу только к рассматриваемым им законам теплового излучения чёрного тела.

В 1924 г. произошло одно из величайших событий в истории физики: французский физик Луи де Бройль выдвинул идею о волновых свойствах материи. В своей работе “ Свет и материя ” он писал о необходимости использовать волновые и корпускулярные представления не только в соответствии с учением А. Эйнштейна в теории света, но также и теории материи. Л. Бройль утверждал, что волновые свойства, наряду с корпускулярными, присущи всем видам материи: электронам, протонам, атомам, молекулам и даже микроскопическим телам.

Признание корпускулярно - волнового дуализма в современной физике стало всеобщим. Любой материальный объект характеризуется наличием как корпускулярных, так и волновых свойств.

Тот факт, что один и тот же объект проявляется и как частица и как волна, разрушал традиционные представления. Форма частицы подразумевает сущность, заключённую в малом объёме или в конечной области пространства, тогда как волна распространяется по его огромным областям. В квантовой физике эти два описания реальности являются взаимоисключающими, но равно необходимыми для того, чтобы полностью описать рассматриваемые явления.

3. 2. 1. Атомистическая концепция строения материи

Атомистическая гипотеза строения материи, выдвинутая в античности Демокритом, была возрождена в XVIII в. химиком Дж. Дальтоном, который принял атомный вес водорода за единицу и сопоставил с ним атомные веса других газов. Благодаря трудам Дж. Дальтона стали изучаться физико- химические свойства атома. В XIXв. Д. И. Менделеев построил систему химических элементов, основанную на их атомном весе.

История исследования строения атома началась в 1895 г. благодаря открытию Дж. Дж. Томсоном электрона - отрицательно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположение о наличии помимо электрона положительно заряженной частицы. Масса электрона составила по расчётам 1\1836 массы положительно заряженной частицы.

Исходя из огромной, по сравнению с электроном, массы положительно заряженной частицы, английский физик У. Томсон (лорд Кельвин) предложил в 1902 г. первую модель атома - положительный заряд распределён в достаточно большой области, а электроны вкраплены в него, как “изюм в пудинг”. Эта идея была развита Дж. Томсоном. Модель атома Дж. Томсона, над которой он работал почти 15 лет, не устояла перед опытной проверкой.

Модель атома, предложенная Э. Резерфордом в 1911 г. напоминала солнечную систему: в центре находится атомное ядро, а вокруг него по своим орбитам движутся электроны.

Ядро имеет положительный заряд, а электроны - отрицательный… Вместо сил тяготения, действующих в Солнечной системе, в атоме действуют электрические силы. Электрический заряд ядра атома, численно равный порядковому номеру в периодической системе Менделеева, уравновешивается суммой зарядов электронов - атом электрически нейтрален.

В 1913 г. великий датский физик Н. Бор применил принцип квантования при решении вопроса о строении атома и характеристике атомных спектров. Модель атома Н. Бора базировалась на планетарной модели Э. Резерфорда и на разработанной им самим квантовой теории строения атома. Н. Бор выдвинул гипотезу строения атома, основанную на двух постулатах, совершенно несовместимых с классической физики.

3. 2. 2. Элементарные частицы и кварковая модель атома

Термин “элементарная частица” первоначально означал простейшие, далее ни на что не разложимые частицы, лежащие в основе любых материальных образований. Позднее физики осознали всю условность термина “элементарный” применительно к микрообъектам. Сейчас уже не подлежит сомнению, что частицы имеют ту или иную структуру, но, тем не менее, исторически сложившееся название продолжает существовать.

Электрический заряд является другой важнейшей характеристикой элементарных частиц. Все известные частицы обладают положительным, отрицательным либо нулевым зарядом. Каждой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют античастицы с противоположным зарядом. В 1967 г. американский физик М. Телл - Манн высказал гипотезу о существовании кварков - частиц с дробным электрическим зарядом.

Согласно современным представлениям, все элементарные частицы делятся на два класса -фермионы (названные в честь Э. Ферми ) и бозоны ( названные в честь Ш.Бозе )

К фермионам относятся кварки и лептоны, к бозонам - кванты полей (фотоны, векторные бозоны, глюоны, гравитино и гравитоны ). Эти частицы считаются истинно элементарными, т.е. составные частицы, образованные из кварков и соответствующих квантов полей. Фермионы составляют вещество, бозоны переносят взаимодействие.

Сильное взаимодействие происходит на уровне атомных ядер и представляет собой взаимное притяжение и отталкивание их составных частей.

Электромагнитное взаимодействие примерно в тысячу раз слабее сильного, но значительно более дальнодействующее. Взаимодействие такого типа свойственно электрически заряженным частицам.

Слабое взаимодействие возможно между различными частицами. Оно простирается на расстояние порядка 10- 15 - 10- 22 см и связано главным образом с распадом частиц, например, с происходящими в атомном ядре превращениями нейтрона в протон, электрон, и антинейтрино.

Гравитационное взаимодействие - самое слабое, не учитываемое в теории элементарных частиц, поскольку на характерных для них расстояниях порядка 10- 13 см оно даёт чрезвычайно малые эффекты.

Достижения в области исследования элементарных частиц способствовали дальнейшему развитию концепции атомизма. В настоящее время считают, что среди множества элементарных частиц можно выделить 12 фундаментальных частиц и столько же античастиц. Шесть частиц - это кварки с экзотическими названиями “верхний”, “ нижний”, “очарованный”, “странный”, “истинный”, “прелестный”. Остальные шесть - лептоны: электрон, мюон, тау - частица и соответствующие им нейтрино (электронное, мюонное, тау - нейтрино).

3. 3. Мегамир: современные астрофизические и космологические концепции

Мегамир, или космос, современная наука рассматривает как взаимодействующую и развивающуюся систему всех небесных тел. Мегамир имеет системную организацию форме планет и планетных систем, возникающих вокруг звёзд; звёзд и звёздных систем - галактик.

Все существующие галактики входят в систему самого высокого порядка - Метагалактику. Размеры метагалактики очень велики: радиус космологического горизонта составляет 15 - 20 млрд световых лет.

3. 3. 1. Современные космологические модели Вселенной

В ньютоновской космологии возникали два парадокса, связанные с постулатом бесконечности Вселенной.

Первый парадокс получил название гравитационного. Суть его заключается в том, что если Вселенная бесконечна и в ней существует бесконечное количество небесных тел, то сила тяготения будет бесконечно большая, и Вселенная должна сколлапсировать, а не существовать вечно.

Второй парадокс называется фотометрическим: если существует бесконечное количество небесных тел, то должна быть бесконечная светимость неба, что не наблюдается.

Современные космологические модели Вселенной основываются на общей теории относительности А. Эйнштейна, согласно которой метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной. Её свойства как целого обусловлены средней плотностью материи и другими конкретно - физическими факторами.

В том же 1917 г. голландский астроном Виллем де Ситерр предложил другую модель представляющую собой также решения уравнений тяготения. Это решение имело то свойство, что оно существовало бы даже в случае “пустой” Вселенной, свободной от материи.

В 1922 г. русский математик и геофизик А.А.Фридман отбросил постулат классической космологии о стационарности Вселенной и получил решение уравнений Эйнштейна, описывающее Вселенную с “расширяющимся” пространством.

В 1927 г. бельгийский аббат и ученый Ж. Леметр связал “расширение” пространства с данными астрономических наблюдений. Леметр ввел понятия начала Вселенной как сингулярности (т.е. сверхплотного состояния) и рождения Вселенной как Большого взрыва.

В 1929 г. американский астроном Э.П.Хаббл обнаружил существования странной зависимости между расстоянием и скоростью галактик: все галактики движутся от нас, причем со скоростью, которая возрастает пропорционально расстоянию, - система галактик расширяется.

3.3.2. Проблема происхождения и эволюции Вселенной

Ученик А.А.Фридмана Г.А.Гамов разработал модель горячей Вселенной, рассматривая ядерные реакции, протекавшие в самом начале расширения Вселенной, и назвал ее “космологией Большого взрыва”.

В современной космологии для наглядности начальную стадию эволюцию Вселенной делят на эры.

Эра адронов (тяжелых частиц, вступающих в сильные взаимодействия). Продолжительность эры 0,0001 с. , температура 10 - 12

градусов по Кельвину, плотность 10 -14 г./см. 3. В конце эры происходит аннигиляция частиц и античастиц, но остается некоторое количество протонов, гиперонов, мезонов.

Эра лептонов ( легких частиц вступающих в электромагнитные взаимодействия). Продолжительность эры 10 с., температура 10 -10 градусов по Кельвину, плотность 104 г./см. 3. Основную роль играют легкие частицы принимающие участие в реакциях между протонами и нейтронами.

Фотонная эра. Продолжительность 1 млн. лет. Основная доля массы

энергии Вселенной - приходится на фотоны. К концу эры температура падает с 10 10 до 3000 градусов по Кельвину, плотность с 10 4 г./см. 3 до 10 21 г./см.3. Главную роль играет излучение которое в конце эры отделяется от вещества.

Звездная эра наступает через 1 млн. лет после зарождения Вселенной. В звездную эру начинается процесс образования протозвезд и протогалактик.

Затем разворачивается грандиозная картина образования структуры Метагалактики.

3.3.3. Структура Вселенной

Метагалактика представляет собой совокупность звездных систем - галактик, а ее структура определяется их распределением в пространстве, заполненным чрезвычайно разреженным межгалактическим газом и пронизываемом межгалактическими лучами.

Согласно современным представлениям, для Метагалактики характерна ячеистая (сетчатая, пористая) структура. Эти представления основываются на данных астрономических наблюдений, показавших, что галактики распределены неравномерно, а сосредоточены в близи границ ячеек, внутри которых галактик почти нет.

Галактика - гигантская система, состоящая из скопления звезд и туманностей, образующих в пространстве достаточно сложную конфигурацию.

По форме галактики условно разделяются на три типа: эллептические, спиральные и не правильные.

Эллептические галактики обладают пространственной формой эллипсоида с разной степенью сжатия. Они являются наиболее простыми по структуре распределения звезд равномерно убывает от центра.

Спиральные галактики представлены в форме спирали, включая спиральные ветви. Это самый многочисленный вид галактик, к которому относится и наша Галактика - Млечный путь.

Неправильные галактики не обладают выраженной формой, в них отсутствует центральное ядро.

Звезды. На современном этапе эволюции Вселенной вещество в ней находится преимущественно в звездном состоянии. 97 % вещества в нашей Галактики сосредоточены в звездах представляющих собой гигантские плазменные образования различной величины, температуры, с разной характеристикой движения.

Возраст звезд меняется в достаточно большом диапазоне значений, от 15 млрд. лет, соответствующих возрасту Вселенной, до сотен тысяч - самых молодых.

Солнечная система представляет собой группу небесных тел весьма различных, по размерам и физическому строению. В эту группу входят: Солнце, девять больших планет, десятки спутников планет, тысячи малых планет (астероидов), сотни комет и бесчисленное множество метеоритных тел, движущихся как роями, так и в виде отдельных частиц. К 1979 г. было известно 34 спутника и 2000 астероидов.

Глава 4. Пространство и время в современной научной картине мира

4.1. Развитие взглядов на пространство и время в истории науки

Уже в античном мире мыслители задумывались над природой и сущностью пространства и времени. Так, одни из философов отрицали возможность существования пустого пространства или, по их выражению, небытия. Это были представители элейской школы в Древней Греции. А знаменитый врач и философ из г. Акраганта Эмпедокл, хотя и поддерживал учение о невозможности пустоты, в отличи от элеатов утверждал реальность изменения и движения. Он говорил, что рыба, например, передвигается в воде, а пустого пространства не существует.

Некоторые философы, в том числе Демокрит, утверждали, что пустота существует как материи и атомы, и необходимы для их перемещений и соединений.

Коренное изменение пространственной и всей физической картины произошло в гелиоцентрической системе мира, развитой Н.Коперником в работе “Об обращении небесных сфер”. Принципиальное отличие этой системы мира от прежних теорий состояло в том, что в ней концепция единого, однородного пространства и равномерности течения времени обрела реальный эмпирический базис.

Подлинная революция в механике связана с именем Г.Галилея. Он ввел в механику точный количественный эксперимент и математическое описание явлений. Первостепенную роль в развитии представлений о пространстве сыграл открытый им общий принцип классической механики - принцип относительности Галилея. Согласно этому принципу все физические (механические) явления происходят одинаково во всех системах, покоящихся и движущихся равномерно и прямолинейно с постоянной по величине и направлению скоростью.

Дальнейшее развитие представлений о пространстве и времени связано с рационалистической физикой Р.Декарта, который создал первую универсальную физико-космологическую картину мира.

Новая физическая гравитационная картина мира, опирающаяся на строгие математические основания, представлена в классической механике И.Ньютона. Ее вершиной стала теория тяготения, провозгласившая универсальный закон природы - закон всемирного тяготения.

4.2. Пространство и время в свете теории Альберта Эйнштейна

Специальная теория относительности созданная в 1905 г. А. Эйнштейном, стала результатом обобщения и синтезом классической механики Галилея - Ньютона, и электродинамики Максвелла - Лоренса. “Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения, близких к скорости света, но без учета поля тяготения. При уменьшении скоростей движения она сводится к классической механике, которая, таким образом, оказывается ее частным случаем”.

Скорость света является предельной скоростью распространения материальных воздействий. Она не может складываться ни с какой скоростью и для всех инерциальных систем оказывается постоянной. Все движущиеся тела на Земле по отношению к скорости света имеют скорость, равную нулю.

Скорость звука всего лишь 340 м/с.. Это не подвижность по сравнению со скоростью света.

Из этих двух принципов постоянства скорости света и расширенного принципа относительности Галилея - математически следуют все положения специальной теории относительности (СТО). Если скорость света постоянна для всех инерциальных систем, а они все равноправны, то физические величины длины тела, промежутка времени, массы для разных систем отсчета будут различными. Так, длина тела в движущейся системе будет наименьшей по отношению к покоящейся.

Для промежутка же времени, длительности какого-либо процесса - наоборот. Время будет как бы растягиваться, течь медленнее в движущейся системе по отношению к неподвижной, в которой этот процесс будет быстрым.

Еще раз подчеркнем, что эффекты специальной теории относительности будут обнаруживаться при скоростях, близких к световым. При скоростях значительно меньше скорости света формулы СТО переходят в формулы классической механики.

А. Эйнштейн попытался наглядно показать, как происходит замедление течения времени в движущейся системе по отношению к неподвижной.

4.3. Свойства пространства и времени

Пространство и время являются также универсальными, всеобщими формами бытия материи. Нет явлений, событий, предметов, которые существовали бы вне пространства или вне времени. У Гегеля высшей реальностью является абсолютная идея, или абсолютный дух, который существует вне пространства и вне времени. Только производная от абсолютной идея природа развертывается в пространстве.

Важным свойством пространства является его трёхмерность.

Положение любого предмета может быть точно определено только с помощью трех независимых величин - координат. В прямоугольной декартовой системе координат это - XYZ, называемые: длиной, шириной и высотой. В сферической системе координат - радиус-вектор r и углы и . В циллиндрической системе - высота z, радиус - вектор и угол .

В отличие от пространства, в каждую точку которого, можно снова и снова возвращаться (и в этом отношении оно является, как бы обратным), время - необратимо и одномерно. Оно течёт из прошлого через настоящее к будущему. Нельзя возвратиться назад в какую-либо точку времени, но нельзя и перескочит через какой-либо временной промежуток в будущее. отсюда следует, что время составляет, как бы рамки для причинно-следственных связей.

Пространство обладает свойством однородности и изотропности, а время - однородности. Однородность пространства заключается в равноправии всех его точек, а изотропность - в равноправии всех направлений. Во времени все точки равноправны, не существует преимущественной точки отсчёта, любую можно принимать за начальную.

В современной науке используются понятия биологического, психологического и социального пространства и времени.

Так, биологическое пространство и время характеризует особенности пространственно-временных параметров органической материи. Биологическое бытие человеческого индивида, смену видов растительных и животных организмов, их жизнь и смерть.

Одновременно идёт формирование нового феномена - психологического пространства и времени. Психическая регуляция движения индивида и его предметных действий происходит не только на уровне отражения внешнего физического пространства, но и на основе собственной телесной биомеханики и собственного пространства.

Становление человеческого индивида и личности с необходимостью включает не только биологический и психологический циклы, но и социальный. Он проходит в рамках социогенеза - становления человеческого общества, развитие форм социальной организации и духовной жизни. Одновременно идёт процесс формирования нового феномена - социального пространства и времени. Анализируя этот феномен, К.Ясперс выделяет понятие “осевой эпохи” и “осевого времени”.

Глава 5. Химическая наука об особенностях атомно-молекулярного уровня организации материи

5.1. Предмет познания химической науки и ее проблемы

“Химия - наука изучающая свойства и превращения веществ, и сопровождающиеся изменением их состава и строения”. Она изучает природу и свойства различных химических связей энергетику химических реакций, реакционную способность веществ, свойства катализаторов и т.д.

Своеобразную программу исследования химических явлений впервые сформулировали и приняли учёные химики на первом Международном съезде химиков в Карлсруэ в Германии в 1860 г. Они исходили из того, что:

все вещества состоят из молекул, которые находятся в непрерывном и самопроизвольном движении;

все молекулы состоят из атомов

атомы и молекулы находятся в непрерывном движении

атомы представляют собой мельчайшие, далее неделимые составные части молекул.

Осуществляют химические связи между атомами электроны, расположенные на внешней оболочке и связанные с ядром наименее прочно. Их назвали валентными электронами. В зависимости от характера взаимодействия между этими электронами различают ковалентную, ионную и металлическую химические связи.

Ковалентная связь осуществляется за счет образования электронных пар, в одинаковой мере принадлежащих обоим атомам. Ионная связь представляет собой электростатическое притяжение между ионами, образованные за счёт полного смещения электрической пары к одному из атомов.

Металлическая связь - это связь между положительными ионами в кристаллах атомов металлов, образующаяся за счет притяжения электронов, но перемещающаяся по кристаллу в свободном виде.

5. 2. Методы и концепции познания в химии

Химические знания до определённого времени накапливались эмпирически, пока не назрела необходимость в их классификации и систематизации, т.е. в теоретическом обобщении. Основоположником системного освоения химических знаний явился Д.И.Менделеев. Попытки объединения химических элементов в группы предпринимались и ранее, однако не были найдены определяющие причины изменений свойств химических веществ. Д.И. Менделеев исходил из принципа, что любое точное знание представляет систему. Такой подход позволил ему в 1869 г. открыть периодический закон и разработать Периодическую систему химических элементов. В его системе основной характеристикой элементов являются атомные веса. Периодический закон Д.И. Менделеева сформулирован в следующем виде: “ Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов”.

До системного подхода в химии Д.И. Менделеева учебники по химии были очень громоздкими и состояли из многих томов по несколько сот страниц. Учебник Д.И. Менделеева “ Основы химии”, выпущенный в 1868 - 1871 гг. и построенный на системных обобщениях логично излагал в одной книге стройную систему химических знаний того времени. С тех пор в химии эмпирический материал возрос неимоверно, появились новые отрасли химических знаний.

5. 3. Учение о составе вещества

Первое научное определение химического элемента, когда ещё не было открыто ни одного из них, сформулировал английский химик и физик Р. Бойль. Первым был открыт химический элемент фосфор в 1669 г., потом кобальт, никель и другие. Открытие французским химиком А.Л. Лавуазье кислорода и установление его роли в образовании различных химических соединений позволило отказаться от прежних представлений об “огненной материи” (флогистоне). 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. Например, элемент хлор имеет два изотопа (две разновидности), отличающиеся друг от друга по массе атома. Но оба они относятся к одному химическому элементу - хлору из -за одинакового заряда их ядер.

В периодической системе Д.И. Менделеева насчитывалось 62 элемента, в 1930 - е гг. она заканчивалась ураном ( Z = 92 ). В 1999г. было сообщено, что путём физического синтеза атомных ядер открыт 114 - й элемент.

В результате химических и физических открытий претерпело изменение классическое определение молекулы. Молекула понимается как наименьшая частица вещества, которая в состоянии определять его свойства и в то же время может существовать самостоятельно. Представления о классе молекул расширились, в него включают ионные системы, атомные и металлические монокристаллы и полимеры, образующиеся на основе водородных связей и представляющие собой уже макромолекулы. Они обладают молекулярным строением, хотя и не находятся в строго постоянном составе. На основе современных достижений химии появилась возможность замены металлов керамикой не только как более экономичным продуктом, но и во многих случаях и как более подходящим конструкционным материалом по сравнению с металлом. Более низкая плотность керамики (40%) даёт возможность снизить массу изготовляемых из неё предметов. Включение в производство керамики новых химических элементов: титана, бора, хрома, вольфрама и других позволяет получать материалы с заранее заданными специальными свойствами (огнеупорность, термостойкость, высокая твёрдость и т.д.)

5. 4. Уровень 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. Ещё в 1857 г. немецкий химик Ф.А. Кекуле показал что углерод четырёхвалентен, и это даёт возможность присоединить к нему до четырёх элементов одновалентного водорода. Азот может присоединить до трёх одновалентных элементов, кислород - до двух. 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.

Страницы: 1, 2, 3