ФЕДЕРАЛЬНОЕ  АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное Образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТОРГОВО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

Омский институт (филиал) 
 
 
 
 

Контрольная работа 

По дисциплине: «Концепции современного естествознания» 
 
 
 

"Естествознание на молекулярном уровне" 
 
 
 

     Выполнила:

Студентка 1 курса СЭУ

Казакова А.Н.

№ зачетной книжки ЭУ-09-51

     Проверила: Гончарова О.В. 
 
 

Омск, 2009г

Содержание 

Введение…………………………………………………………………………..3

1. История химии, алхимия…………………………………………………4

2. Неорганическая и органическая химия…………………………………7

3. Реакционная способность веществ, анализ и синтез……………………9

4. Важнейшие химические связи и методы исследования веществ……..12

5. Условия существования жизни, связи и функции живого вещества....14

6. Молекулярные основы эволюции (белки, нуклеиновые кислоты, первичный и вторичный генетический коды)………………………………..17

Заключение………………………………………………………………………20

Список используемой литературы…………………………………………….21 

      Введение

     Естествознание - неотъемлемый компонент культуры, определяющий мировоззрение человека. Научное мировоззрение обеспечивает восприятие достижений науки обществом и устойчивость к манипуляциям общественным сознанием.

     Молекулярный уровень в организации живой материи - самый глубинный. В ХХ в. экспериментальная биология вышла на этот уровень. На нем начинаются и осуществляются важнейшие процессы жизнедеятельности: дыхание, обмен веществ и энергии, кодирование и передача наследственной информации и др. На молекулярном уровне теперь исследуются и проблемы происхождения жизни, и эволюции, и механизмы преобразования энергии. На этом уровне происходят химические реакции, обеспечивающие энергией клеточный уровень.

     Развитие химических знаний стимулируется необходимостью получения человеком различных веществ для своей жизнедеятельности. Для этого приходилось искать пути получения из одних веществ другие, осуществляя их качественные превращения. На базе познания глубинных свойств различных веществ возникла теоретическая химия, которая в настоящее время представляет собой высокоупорядоченную и постоянно развивающуюся систему знаний. В наши дни химическая наука дает возможность получать вещества с заданными свойствами, находить способы управления этими свойствами, что является основной проблемой химии и системообразующим началом ее как науки.

История химии, алхимия

     Алхимия складывалась в эпоху эллинизма на основе слияния прикладной химии египтян с греческой натурфилософией, мистикой и астрологией (золото соотносили с Солнцем, серебро - с Луной, медь - с Венерой, и т.д.). Алхимия - это самозабвенная попытка найти способ получения благородных металлов. Алхимики считали, что ртуть и сера разной чистоты, соединяясь в различных пропорциях, дают начало металлам, в том числе и благородным. В реализации алхимического рецепта предполагалось участие священных или мистических сил (частицы Бога или дьявола, надъестественного бытия, в котором проявления человеческого мира теряют свою силу), а средством обращения к этим силам было слово (заклинание, молитва) - необходимая сторона ритуала. Поэтому алхимический рецепт выступал одновременно и как действие, и как священнодействие.

     В средневековой алхимии (ее расцвет пришелся на XIII-XV вв.) выделялись две тенденции. Первая - это мистифицированная алхимия, ориентированная на химические превращения (в частности, ртути в золото) и, в конечном счете, на доказательство возможности человеческими усилиями осуществлять космические превращения (давать человеку могущество над духами, воскрешать из мертвого (палингенезия) и, наконец, искусственно создать одушевленное существо - андроида или гомункула). В русле этой тенденции арабские алхимики сформулировали идею «философского камня» - гипотетического вещества, ускорявшего «созревание» золота в недрах земли; это вещество заодно трактовалось и как эликсир жизни, исцеляющий болезни и дающий бессмертие.

     Вторая тенденция была больше ориентирована на конкретную практическую технохимию. В этой области достижения алхимии несомненны. К ним следует отнести: открытие способов получения серной, соляной, азотной кислот, селитры, сплавов ртути с металлами, многих лекарственных веществ, создание химической посуды и др.

     Особое отношение к алхимии складывалось в системах светской и церковной власти. С одной стороны, крупные феодалы рассчитывали с помощью алхимии поправить свое материальное положение и потому преклонялись перед алхимией и ее «возможностями». С другой стороны, власть имущие к алхимии относились подозрительно. Так, римский император Диоклетиан в 296 г., опасаясь, что получение алхимиками золота ослабит его казну и экономику, приказал уничтожить все алхимические рукописи. По тем же причинам в 1317 г. папа Иоанн ХХП предал алхимию анафеме.

     Во второй половине XVII в. алхимическая традиция постепенно исчерпывает себя. В XVII-XVIII в. химия постепенно становится наукой о качественных изменениях тел, происходящих в результате изменения их состава.

     Современное название химии производится от позднелат. «chimia» и является интернациональным, например нем. «Chemie», франц. «chimie», англ. «chemistry». Термин «Xимия» впервые употребил в 5 в. греч. алхимик Зосима.

     Новому пониманию предмета химического познания способствовало возрождение античного атомизма. Здесь важную роль сыграли труды французского мыслителя П. Гассенди. Он не только воскресил атомистическую теорию, но, по словам Дж. Бернала, превратил её «в учение, куда вошло всё то новое в физике, что было найдено в эпоху Возрождения». Для обнаружения частиц, не видимых простым глазом, Гассенди использовал энгиоскоп (микроскоп); из этого он делал вывод, что если можно обнаружить столь мелкие частицы, то могут существовать и совсем мельчайшие, которые удастся увидеть впоследствии. И вместе с тем П. Гассенди, как и Р. Декарт, разделял заблуждения науки своего времени. Он признавал божественное происхождение атомов, признавал, что существуют особые атомы запаха, вкуса, тепла и холода.

     Развитию корпускулярной теории способствовал великий английский учёный Исаак Ньютон (1643-1727), занимавшийся и вопросами химии. Среди его трудов есть сочинение «О природе кислот» (1710). Ньютон считал, что корпускулы созданы Богом, что они неделимы, тверды и неуничтожимы. Соединение корпускул происходит за счёт притяжения, а не за счёт крючков, зазубрин и т.д. Такое притяжение и определяет «химическое действие»; распад существующих веществ на первичные частицы и образование из них других сочетаний обусловливают появления новых веществ.

     Корпускулярное учение нашло свое завершение в трудах знаменитого английского учёного Роберта Бойля. Молодой учёный разработал основы анализа (от «анализис» - разложение) «мокрым путём», т.е. анализ в растворах. Он ввёл индикаторы (настой лакмуса, цветов фиалок, а также лакмусовые бумажки) для распознания кислот и щелочей; соляную кислоту и её соли с помощью нитрата серебра, соли серной кислоты - с помощью извести и т.д. Эти приёмы используются и сейчас.

Неорганическая и органическая химия

     Неорганическая химия - наука о химических элементах и образуемых ими простых и сложных веществах, за исключением органических соединений.

     Основные задачи современной неорганической химии: изучение строения, свойств и химических реакций простых веществ и соединений, взаимосвязи строения со свойствами и реакционной способностью веществ, разработка методов синтеза и глубокой очистки веществ, общих методов получения неорганических материалов.

     По изучаемым объектам неорганическую химию подразделяют на химию отдельных элементов, химию групп элементов в составе периодичной системы (химия щелочных металлов, щелочноземельных элементов, галогенов, халькогенов и др.), химию определенных соединений тех или иных элементов (химия силикатов, пероксидных соединений и др.), химию элементов, объединенных в группы по исторически сложившимся признакам (химия редких элементов), химию близких по свойствам и применению веществ (химия тугоплавких веществ, интерметаллидов, полупроводников, энергонасыщенных соединений, благородных металлов, неорганических полимеров и др.). Нередко обособляют химию переходных элементов.

     Теоретические представления неорганической химии используют в геохимии, космохимии, химии твердого тела, химии высоких энергий, радиохимии, ядерной химии, в некоторых разделах биохимии и агрохимии.

     Прикладная часть неорганической химии связана с химической технологией, металлургией, электроникой, с добычей полезных ископаемых, производством керамики, строительных, конструкционных и др. неорганических материалов, с обеспечением работы энергетических установок (например, АЭС), с сельским хозяйством, с обезвреживанием промышленных отходов, охраной природы и др.

     Прикладной частью неорганической. химии традиционно считается технология неорганических веществ. Она связана с крупномасштабными производствами серной, соляной, фосфорной, азотной кислот, соды, аммиака, хлора, фтора, фосфора, а также солей натрия, калия, магния и др., диоксида углерода, водорода, различных минеральных удобрений и мн. др. веществ. Большая часть этих продуктов потребляется др. химическими производствами и металлургией.

     Органическая химия - наука, изучающая соединения углерода с другими элементами (органические соединения), а также законы их превращений.

     К настоящему времени число известных органических соединений превышает 10 млн. и увеличивается каждый год на 250-300 тыс.

     Окружающий нас мир построен главным образом из органических соединений; пища, топливо, одежда, лекарства, краски, моющие средства, материалы, без которых невозможно создание транспорта, книгопечатания, проникновение в космос и прочее. Отдельный раздел органической химии составляет химия высокомолярных соединений: по величине молекул органические вещества делятся на низкомолекулярные (с молярной массой от нескольких десятков до нескольких сотен, редко до тысячи) и высокомолекулярные (макромолекулярные; с молярной массой порядка 10⁴-10⁶ и более).

     Основу орг. соединений составляет незамкнутая (открытая) или замкнутая цепь углеродных атомов; одно или несколько звеньев цепи может быть заменено на атомы, отличные от углерода - гетероатомы, чаще всего О, N, S. По структуре органические соединения подразделяют на алифатические соединения - углеводороды и их производные, имеющие открытую углеродную цепь; карбоциклические соединения с замкнутой углеродной цепью; гетероциклические соединения. Углеводороды и их производные, не содержащие кратных связей, относятся к насыщенным соединениям, с кратными связями - к ненасыщенным.

Реакционная способность веществ, анализ и синтез

     Реакционная способность - характеристика относительной химической активности молекул, атомов, ионов, радикалов. Для количественной оценки рассматривают реакционные серии, т.е. ряды однотипных реакций, проводимых в одинаковых условиях, например:

     где Х - общая группа атомов, которая претерпевает изменения в данной реакции (реакционный центр), Z₀, Z_l,…, Z_n - неизменяющиеся молекулярные фрагменты, Р₀, Р₁,…, Р_n - продукты реакции. Отношения констант скоростей k₁/k₀,…, k_n/k₀ количественно характеризуют реакционную способность. В ряду реагентов Z_iX (i = 0, 1,…, п). В правильно составленной реакции серии изменение механизма реакции должно быть исключено, т.е. константы скорости должны характеризовать одну и ту же элементарную реакцию.

     Советскому ученому Н.Н. Семенову предстояло открыть разветвленные цепные реакции. Теория разветвленных цепных реакций дала начало новому направлению исследований - химической физике, дисциплине, промежуточной между физикой и химией.

     В химии были также открыты колебательные реакции, получившие название «химических часов». Основа колебательной реакции - наличие двух типов молекул, способных превращаться друг в друга. Назовем один из них А (красные молекулы), другой - В (синие). Мы привыкли думать, что химическая реакция - это хаотические, происходящие наобум столкновения частиц. По этой логике взаимные превращения А и В должны приводить к усредненному цвету раствора со случайными вспышками красного и синего. Но когда условия далеки от равновесных, происходит совершенно иное: раствор в целом становится красным, потом синим, потом снова красным. Получается, будто молекулы как бы устанавливают связь между собой на больших, макроскопических расстояниях через большие, макроскопические отрезки времени. Появляется нечто похожее на сигнал, по которому все А или все В реагируют разом… Такое поведение традиционно приписывалось только живому - теперь же ясно, что оно возможно и у систем сравнительно простых, неживых.

     Молекулярный анализ -установление качественного и количественного состава химических соединений и их смесей.

     При качественном анализе смеси химических соединений обычно предварительно разделяют различными методами (хроматографией, ректификацией, кристаллизацией, экстракцией, осаждением, термической диффузией и др.); затем для разделенных веществ определяют так называемые интегральные молекулярные признаки, к которым относятся молярная масса, суммарный элементный состав, плотность, растворимость, показатели преломления, потенциалы ионизации, а также спектры поглощения электромагнитного излучения, масс-спектры и т.п. Эти характеристики хим. соединений сопоставляют с соответствующими константами и спектрами образцов сравнения, устанавливают отсутствие депрессии (понижение и увеличение интервала) температуры плавления смеси идентифицируемого соединения и эталонного вещества (т.е. известного вещества, отождествляемого с исследуемым). Часто определяют хроматографической характеристики веществ (индексы удерживания, объемы удерживания и др.); при этом одновременно идентифицируемое вещество отделяется от других компонентов смеси. Идентификацию можно считать достоверной только в том случае, если совпадают несколько характеристик и констант идентифицируемого и эталонного веществ. При качественном молекулярном анализе смеси веществ без предварительного разделения химического соединения обнаруживают по характерным химическим реакциям, спектрам поглощения, масс-спектрами и т.п.

     Иногда под молекулярным анализом понимают только установление строения химических соединений. При этом сначала определяют его эмпирическую формулу по данным качественного и количественного элементного анализа.

     Органический синтез имеет важнейшее практическое значение. На протяжении ХХ в. было синтезировано огромное количество веществ, которые до этого человечество находило лишь в природном состоянии - различные лекарства, витамины, удобрения, детергенты, каучук и т.д. В настоящее время ведутся работы по выработке технологии создания материалов не только из неорганических соединений, а из растительного сырья: кукурузы (из ее стеблей, которые сжигают) и т.п. Химия идет по технологическому пути, так как свойства естественных молекул уже достаточно хорошо изучены, и задача - создавать новые вещества с новыми, неизвестными природе свойствами, как, например, пластмассы. Ежегодно синтезируется более 6000 новых химических соединений. И необходимо включать их в природные кругообороты, чтобы не осложнялись экологические проблемы.

     С появлением новых промышленных процессов, средств связи (например, сотовой связи) возникает все большая потребность в новых материалах. Необычное и даже неожиданное словосочетание - интеллектуальные, или разумные, материалы - вещества нового поколения, которые оптимизируют свои характеристики в зависимости от внешних условий. Такие материалы откликаются на всякое физическое воздействие: крыло новой машины автоматически меняет свою форму, чтобы оптимально соответствовать аэродинамическим условиям или оптимизировать угол атаки. Некоторые детали (например, лопатки турбин) выращивают из расплава как кристалл - целиком нужной формы. Такова химия XXI в.

Важнейшие химические связи и методы исследования веществ

     Как известно, атомы могут соединяться друг с другом с образованием как простых, так и сложных веществ. При этом образуются различного типа химические связи: ионная, ковалентная (неполярная и полярная), металлическая и водородная. Одно из наиболее существенных свойств атомов элементов, определяющих, какая связь образуется между ними - ионная или ковалентная - это электроотрицательность, т.е. способность атомов в соединении притягивать к себе электроны.

     В периодах наблюдается общая тенденция роста электроотрицательности элементов, а в группах - их падения. Элементы по электроотрицательностям располагают в ряд, на основании которого можно сравнить электроотрицательности элементов, находящихся в разных периодах.

     Тип химической связи зависит от того, насколько велика разность значений электроотрицательностей соединяющихся атомов элементов. Чем больше отличаются по электроотрицательности атомы элементов, образующих связь, тем химическая связь полярнее. В зависимости от того, к какому из предельных случаев ближе по своему характеру химическая связь, ее относят либо к ионной, либо к ковалентной полярной связи.

     Ионная связь образуется при взаимодействии атомов, которые резко отличаются друг от друга по электроотрицательности. Например, типичные металлы литий(Li), натрий(Na), калий(K), кальций (Ca), стронций(Sr), барий(Ba) образуют ионную связь с типичными неметаллами, в основном с галогенами.

     Кроме галогенидов щелочных металлов, ионная связь также образуется в таких соединениях, как щелочи и соли. Например, в гидроксиде натрия(NaOH) и сульфате натрия(Na₂SO₄) ионные связи существуют только между атомами натрия и кислорода (остальные связи - ковалентные полярные).

     При взаимодействии атомов с одинаковой электроотрицательностью образуются молекулы с ковалентной неполярной связью. Такая связь существует в молекулах следующих простых веществ: H₂, F₂, Cl₂, O₂, N₂. Химические связи в этих газах образованы посредством общих электронных пар, т.е. при перекрывании соответствующих электронных облаков, обусловленном электронно-ядерным взаимодействием, которые осуществляет при сближении атомов.

     Ковалентная полярная связь образуется при взаимодействии атомов, значение электроотрецательностей которых отличаются, но не резко, происходит смещение общей электронной пары к более электроотрицательному атому. Это наиболее распространенный тип химической связи, которой встречается как в неорганических, так и в органических соединениях.

     К ковалентным связям в полной мере относятся и те связи, которые образованы по донорно-акцепторному механизму, например в ионах гидроксония и амония.

     Связь, которая образуется в результате взаимодействия относительно свободных электронов с ионами металлов, называются металлической связью. Этот тип связи характерен для простых веществ - металлов.

     Сущность процесса образования металлической связи состоит в следующем: атомы металлов легко отдают валентные электроны и превращаются в положительные заряженные ионы. Относительно свободные электроны, оторвавшиеся от атома, перемещаются между положительными ионами металлов. Между ними возникает металлическая связь, т.е. Электроны как бы цементируют положительные ионы кристаллической решетки металлов.

     Связь, которая образуется между атомов водорода одной молекулы и атомом сильно электроотрицательного элемента (O, N, F) другой молекулы, называется водородной связью.

Условия существования жизни, связи и функции живого вещества

     Жизнь, ее происхождение и развитие всегда, с древнейших времен волновали мысль человека. Экология рассматривает пять таких условий, совокупность которых определяет эти возможности (Мамедов и Суравегина, 1966).

     1. Достаточное количество кислорода и углекислого газа. С появлением озонового экрана резко интенсифицируется освоение континентов лесной растительностью с ее бурным фотосинтезом и в относительно короткий срок, в несколько миллионов лет содержание свободного кислорода достигло современного уровня. Стоит отметить, что в настоящее время всеми растениями мира продуцируется около 100-150 млрд. т. кислорода, примерно в равных долях на суше и в океанических пространствах.

     2. Достаточное количество жидкой воды, недостаток которой встречается на земле лишь в Антарктиде, Гренландии, высокогорьях и экваториальных пустынях.

     3. Определенный интервал благоприятных температур: не слишком низких для протекания биохимических реакций с участием ферментов и не слишком высоких, не более 1000°С, выше которых белок свертываются.

     4. Необходимый минимум минеральных веществ в почвенном слое, доступных для освоения микроорганизмами и растениями.

     5. Ограничение солености среды: при концентрации солей примерно в 10 раз выше, чем морская вода, а ее соленость составляет в среднем 35 г./кг, жизнь в воде исчезает, подземные же воды лишены жизни при их минерализации свыше 270 г./л.

     6. Отсутствие загрязняющих веществ, которые по своим свойствам и концентрации превышают допустимые для биосферных объектов уровни. Таковы, меняющиеся под влиянием человека, необходимые условия существования живого вещества Земли.

     Понятие «живое вещество» обозначает совокупность живых организмов биосферы. Область распространения включает нижнюю часть воздушной оболочки (атмосферы), всю водную оболочку (гидросферу), и верхнюю часть твёрдой оболочки (литосферы). В.И. Вернадским отметил, что между косной, безжизненной частью биосферы, косными природными телами и живыми организмами, её населяющими идёт непрерывный обмен энергией. Живое вещество играет наиболее важную роль по сравнению с другими веществами биосферы, и выполняет ряд важнейших функций.

     Энергетическая функция выполняется, прежде всего, растениями, которые в процессе фотосинтеза аккумулируют солнечную энергию в виде разнообразных органических соединений. Чтобы биосфера могла существовать и развиваться, ей необходима энергия. Собственных источников энергии она не имеет и может потреблять энергию только от внешних источников. Главным источником для биосферы является Солнце. Солнечный свет для биосферы является рассеянной лучистой энергией электромагнитной природы.

     Минерализация органических веществ, разложение отмершей органики до простых неорганических соединений, химическое разложение горных пород, вовлечение образовавшихся минералов в биотический круговорот определяет деструктивную (разрушительную) функцию живого вещества. Данную функцию в основном выполняют грибы, бактерии.

     Мертвое органическое вещество разлагается до простых неорганических соединений (углекислого газа, воды, сероводорода, метана, аммиака и т.д.), которые вновь используются в начальном звене круговорота. Этим занимается специальная группа организмов - редуценты (деструкторы).

     Концентрационная (накопительная) функция - избирательное накопление определенных веществ, рассеянных в природе - водорода, углерода, азота, кислорода, кальция, магния, натрия, калия, фосфора и многих других, включая тяжелые металлы, в живых существах. Раковины моллюсков, панцири диатомовых водорослей, скелеты животных - все это примеры проявления концентрационной функции живого вещества.

     Живое вещество преобразует физико-химические параметры среды в условия, благоприятные для существования организмов. В этом проявляется еще одна главная функция живого вещества - средообразующая. Например, леса регулируют поверхностный сток, увеличивают влажность воздуха, обогащают атмосферу кислородом.

     Можно сказать, что средообразующая функция - совместный результат всех рассмотренных выше функций живого вещества: энергетическая функция обеспечивает энергией все звенья биологического круговорота; деструктивная и концентрационная способствуют извлечению из природной среды и накоплению рассеянных, но жизненно важных для организмов элементов. Средообразующие функции живого вещества создали и поддерживают баланс вещества и энергии в биосфере, обеспечивая стабильность условий существования организмов, в том числе человека. Вместе с тем живое вещество способно восстанавливать условия обитания, нарушенные в результате природных катастроф или антропогенного воздействия.