Наука химия и ее предмет

3

Содержание

Введение                                                                                                         3

1. Становление химии как науки                                                                 5

2. Основные принципы химического взаимодействия                              10

3. Важнейшие особенности и направления современной химии            11

4. Процессы химической эволюции                                                           26

Заключение                                                                                                   32

Список использованной литературы                                                         33

Введение

Актуальность темы исследования курсовой работы заключается в том, что  мы живем в мире веществ, а они окружают нас повсюду. Из них состоят звезды и планеты, моря и горы, растения и животные. Из разнообразных веществ построены и наши организмы. Мы дышим кислородом воздуха, пьем воду, принимаем пищу.

Вещества постоянно изменяются. Каждую секунду в мире происходит неисчислимое множество процессов, в результате которых одни вещества превращаются в другие. В закрытом помещении, в котором находятся люди, воздух изменяет свой состав. Кислород, расходуемый на дыхание, постепенно заменяется углекислым газом – диоксидом углерода. Одновременно в организмах людей происходит окисление органических веществ.

На нашей планете постоянно образуются одни вещества и расходуются другие. Эти процессы происходят сравнительно медленно по сравнению со временем жизни человека. Тем не менее, за миллиарды лет существования Земли состав ее атмосферы и других геосфер не раз существенно менялся.

Постепенное превращение семечка в цветущее, а затем плодоносящее растение; изменения в организмах животных; рост, развитие и старение человека сопровождается разнообразными превращениями веществ. Все это изучает химия.

Целью написания курсовой работы является исследование науки химии, ее предмета и роли в обществе.

В соответствии с поставленной целью в курсовой работе определены следующие задачи:

- изучить становление химии как науки;                                                                

- определить основные принципы химического взаимодействия;                             

- исследовать важнейшие особенности и направления современной химии;           

- изучить процессы химической эволюции.

Методологической базой для написания курсовой работы послужили труды следующих авторов: Афанасьева В.Г., Бабушкина А.Н., Ващекина Н.П., Горелова А.А., Дубнищева Т.Я., Потеева М.И. и других авторов.                                                          

1. Становление химии как науки

Вещества и их взаимные превращения являются предметом изучения химии. Химия – это наука о веществах и законах, которым подчиняются их превращения.

Слово "химия " получило широкое распространение с начала 18 века. На многих языках оно имеет сходное звучание: chemistry (кемистри) – на английском, Chemie (хе'ми) – на немецком. Корни "хем" или "хим" содержатся в соответствующих терминах и на многих других языках. Однако до сих пор не удалось установить, когда возникло слово "химия" и какой смысл в него первоначально вкладывался.

Многие исследователи склоняются к тому, что это слово происходит от "Кеми" – "Черная страна". Так в древней Греции называли Египет, где зародилось "священное искусство химии". Это же слово относилось к цвету почвы в долине Нила. Смысл такого названия – "египетская наука". Однако в древнегреческом языке были другие близкие по звучанию слова. "Химос" или "хюмос" означало "сок"; это понятие встречается в рукописях, содержащих сведения по медицине и способам приготовления лекарств. "Хима" или "хюма" переводится как литье и относится к искусству выплавки металлов. "Хемевсис" означает "смешивание", являющееся важнейшей операцией большинства химических процессов. Термин "химия" в смысле "настаивание", "наливание" первым употребил греческий философ и естествоиспытатель Зосима Панополитанский (ок. 350–ок. 400) на рубеже 4 и 5 веков.

Химия как наука возникла в 16–17 веках. В это время в Западной Европе прошла череда тесно связанных революций. Религиозная революция – Реформация – дала новое толкование богоугодности земных дел. Научная революция создала новую, механистическую картину мира, включающую понятия гелиоцентризма, бесконечности, подчиненности естественным законам, их математическое описание. В ходе промышленной революции возникла фабрика – система машин с использованием энергии ископаемого топлива. Социальная революция разрушила феодальное общество и привела к становлению буржуазного общества.

Физика Галилео Галилея (1564–1642) и Исаака Ньютона базировалась на механицизме и абстрагировалась от особенностей индивидуального объекта. Химия же не могла выразить свой предмет чисто количественно и оставалась мостом между миром количества и миром качества. Тем не менее, она развивалась в рамках, определенных[ ньютоновской картиной мира.

Основы рационализма и экспериментального метода в химии заложил Роберт Бойль. В своем труде "Химик-скептик" он развил представления о химических атомах – корпускулах. Различия в их форме и массе объясняют качества индивидуальных веществ. Атомистические представления в химии подкреплялись идеологической ролью атомизма в европейской культуре: человек-атом стал моделью человека, положенной в основу новой социальной философии.

Металлургическая химия, имевшая дело с реакциями горения и прокаливания металлов, привлекла внимание к образующимся при этом газам. На границе 16 и 17 веков появилась первая научная химическая теория – теория флогистона, то есть вещества горючести, удаляющегося с помощью воздуха из веществ во время их горения. Она освободила химию от продержавшейся 2 тысячи лет системы Аристотеля, однако позднее и сама была опровергнута. Особая заслуга в этом опровержении принадлежит Михаилу Васильевичу Ломоносову, который на основании опытов по обжигу открыл закон сохранения массы в химических реакциях и смог дать правильное объяснение процессам горения и окисления веществ как взаимодействия его с частицами воздуха. Последующие открытия диоксида углерода, кислорода и водорода дали возможность французскому химику Антуану Лорану Лавуазье (1743–1794) создать основы кислородной теории горения и окисления, окончательно похоронив теорию флогистона.

Совершенствование химико-аналитических методов позволило обнаружить большое число новых химических элементов. Первым датированным открытием неметалла стало получение белого фосфора в 1669 году, первым открытием металла – выделение кобальта в 1735 году. До конца 18 века список химических элементов пополнило еще полтора десятка названий, в том числе никель, фтор, хлор. Были открыты многие важнейшие неорганические соединения: сероводород, оксиды азота, некоторые соли. Из природных продуктов удалось выделить несколько десятков органических соединений.

Химия – вполне самостоятельная часть естествознания. Однако эта единая, по существу, наука постепенно разделилась на более мелкие части. У каждой из них свои предметы и методы исследования.

Уже в 18 веке начала формироваться так называемая минеральная химия. Сейчас этот раздел химии мы называем неорганической химией – в отличие от органической химии, которая первоначально исследовала вещества, образующиеся в живых организмах. Позднее были выделены в самостоятельные разделы еще две важнейшие области химии – аналитическая и физическая химия.

Дать точное определение каждому из этих разделов очень сложно, хотя в целом разница между ними вполне очевидна. Так, невозможно кратко ответить на вопрос: что такое неорганическая химия. Одно из наиболее удачных, хотя и не совсем полных определений звучит так: неорганическая химия – это экспериментальное исследование и теоретическая интерпретация свойств и реакций всех элементов и всех их соединений, кроме большинства углеводородов и большинства их соединений.

Теоретическую основу неорганической химии составляет учение о Периодическом законе, созданное русским ученым энциклопедистом Дмитрием Ивановичем Менделеевым (1834–1907). Несмотря на то, что этому закону уже более 100 лет, он по-прежнему является важнейшим инструментом для объяснения свойств и реакций химических элементов и их соединений. В недрах неорганической химии постоянно возникают более мелкие подразделы, относящиеся к изучению химии либо отдельных классов соединений, либо конкретных элементов, например, химия кислот, химия фосфора, химия благородных газов.

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.

Предмет изучения органической химии некогда ограничивался соединениями углерода, имеющими растительное и животное происхождение. В наше время органическая химия – это наука, изучающая соединения углерода с другими элементами, как природные, так и синтетические.

Ежегодно число синтезированных органических соединений возрастает на 250–300 тысяч. Оно превышает число известных неорганических соединений в десятки раз.

Многообразие органических соединений определяется уникальной способностью атомов углерода соединяться друг с другом простыми и кратными связями, образовывать соединения с практически неограниченным числом атомов, связанных в цепи, циклы, каркасы, образовывать прочные связи почти со всеми химическими элементами.

Основным методом органической химии является синтез. Теория химического строения органических веществ базируется на положениях, впервые сформулированных русским химиком Александром Михайловичем Бутлеровым (1828–1886). В органической химии можно выделить области исследований соединений, относящихся к различным классам и имеющих различное происхождение: химия ароматических соединений, химия природных соединений, нефтехимия.

До сих пор ведутся споры, можно считать самостоятельным разделом химии аналитическую химию. Вряд ли они состоятельны. Анализ – важнейший метод химии. До первой половины 19 века именно аналитическая химия была основным разделом химии. Аналитическая химия – это наука об определении химического состава веществ и, в некоторой степени, химического строения соединений.

Родоначальником научной аналитической химии считают английского физика и химика Роберта Бойля (1627–1691), который первым ввел понятие "химический анализ". Без тщательного, точного анализа развитие химии невозможно. Любой синтез обязательно сопровождается анализом. Для современных технологий необходимы особо чистые вещества, а содержание ничтожных долей примесей в них можно определить лишь аналитическими методами.

Основная цель аналитической химии – обеспечить точность, высокую чувствительность, быстроту, избирательность анализа. Развитие аналитической химии привело к возникновению химической диагностики, позволяющей непрерывно определять различные характеристики протекающих процессов и образующихся веществ.

На грани исследований физических и химических явлений возникла физическая химия. Изучение тепловых эффектов химических реакций породило термохимию. Химические процессы, протекающие под действием электрического тока, стали основой электрохимии. В основу современной физической химии легли также учения о растворах, о скоростях и механизмах химических реакций, о строении молекул и многие другие. Физическая химия – это наука об общих законах, определяющих строение и химические превращения веществ в различных условиях.

Термин "физическая химия" принадлежит русскому ученому Михаилу Васильевичу Ломоносову (1711–1765), который в 1752 году впервые прочитал студентам Петербургского университета курс этой науки. Она исследует химические явления с помощью теоретических и экспериментальных методов физики.

Физическая химия является основным теоретическим фундаментом современной химии. В последние годы все большее внимание уделяется углубленному анализу общих закономерностей химических превращений на молекулярном уровне; широкому использованию математического моделирования; изучению воздействия на химические процессы сверхвысоких и сверхнизких температур и давлений, радиации и магнитного поля.

Грани между различными разделами химии размыты. Невозможно провести границу между неорганической и органической химией, поскольку обе науки изучают соединения углерода. Широко используется введение органических фрагментов с состав неорганических веществ и различных химических элементов, в том числе металлов – в состав органических. Аналитическая химия широко применяет различные физико-химические методы. В то же время существование физической химии невозможно без объектов неорганической и органической химии.

2. Основные принципы химического взаимодействия

Химия тесно связана как с другими науками, так и со всеми отраслями народного хозяйства. Качественная особенность химической формы движения материи и её переходов в др. формы движения обусловливает разносторонность химической науки и её связей с областями знания, изучающими и более низшие, и более высшие формы движения. Познание химической формы движения материи обогащает общее учение о развитии природы, эволюции вещества во Вселенной, содействует становлению целостной материалистической картины мира. Соприкосновение химии с другими науками порождает специфические области взаимного их проникновения. Так, области перехода между химией и физикой представлены физической химией и химической физикой. Между химией и биологией, химией и геологией возникли особые пограничные области — геохимия, биохимия, биогеохимия, молекулярная биология. Важнейшие законы химии формулируются на математическом языке, и теоретическая химия не может развиваться без математики. Химия оказывала и оказывает влияние на развитие философии и сама испытывала и испытывает её влияние. Все больше стираются границы и между химией и другими естественными науками.

Биохимия – биологическая химия – изучает химический состав и структуру веществ, содержащихся в живых организмах; пути и способы регуляции их превращений; энергетическое обеспечение процессов, происходящих в клетке и в организме. Становление биохимии как науки произошло на рубеже 19 и 20 веков, хотя истоки биохимических знаний обнаружены еще в трудах ученых античного периода, а первые сведения о составе растительных и животных тканей начали появляться в средние века. В наши дни из биохимии уже выделились биоорганическая и бионеорганическая химия.

В начале 20 века химик, минералог и кристаллограф Владимир Иванович Вернадский (1863–1945) разработал основы геохимии – науки о распространенности и миграции химических элементов на Земле. С одной стороны, геохимия широко использует достижения физики и химии, новейшие методы анализа и представления о строении вещества, с другой – огромный материал, накопленный геологическими науками, в частности, минералогией.

Наряду с физической химией возникла химическая физика, изучающая физические законы, которые управляют строением и превращениями химических веществ.

В ходе эволюции химии образовалась новая инженерная отрасль – химическая технология. Эта наука разрабатывает наиболее экономичные и экологически целесообразные методы и средства химической переработки сырых природных материалов в продукты потребления.

Расширение и углубление математических методов в химии позволяет говорить о формировании математической химии. Ее возникновение предсказал еще Ломоносов, назвавший одну из своих книг "Элементы математической химии".

3. Важнейшие особенности и направления современной химии

Современная химия – это фундаментальная система знаний, основанная на богатом экспериментальном материале и теоретических положениях. Химия занимает особое место среди естественных наук. Она имеет поразительную созидательную силу. На сегодняшний день известно более 20 миллионов химических веществ. Часть из них встречается в природе. Однако большинство химических веществ ранее вообще не существовало. Они были получены человеком в химических лабораториях. В этом состоит уникальность химии: она не довольствуется тем, что дано природой, а постоянно создает для себя все новые и новые объекты исследований.

Каждое из химических веществ имеет свое внутреннее строение и может претерпевать разнообразные превращения, то есть вступать в химические реакции. Эти два аспекта взаимосвязаны. Внутреннее строение определяет химические свойства, а по химическим свойствам можно судить о строении вещества. В то же время невозможно одновременно исследовать и строение и химические свойства вещества, поскольку в ходе химической реакции структура вещества неизбежно изменяется. Изучение строения и реакционной способности химических веществ, создание веществ и материалов с заранее заданными свойствами – основные задачи химической науки.

Особенности развития химии в 20 веке во многом обусловлены достижениями физики в конце 19 века. Открытие рентгеновских лучей, радиоактивности, электрона и развитие квантовой теории привели к открытию радиоактивных элементов, новым представлениям о строении атома и природе химической связи. В 20 веке было синтезировано 23 новых химических элемента, не найденных в природе, в том числе находящихся в Периодической системе после урана.

Дальнейшее развитие получил органический синтез. Во второй половине 20 века искусственным путем были получены такие сложные природные вещества как хлорофилл и инсулин. Современная химия стала величайшей "производительной силой". Это выражается не только в многотоннажном производстве разнообразных химических продуктов. Стремительно растет число новых химических соединений, главным образом, органических.

Еженедельно в мире синтезируется не менее 10 тысяч новых веществ. Естественно, лишь немногие из них вызывают интерес и находят практическое применение, но ведь никто не знает, какое именно вещество понадобится завтра. Так что классическое определение химии может быть расширено: химики не только изучают вещества и их превращения, но и постоянное получают новые, ранее неизвестные. Постоянно разрабатываются новые химические материалы, необходимые для современной промышленности, техники, медицины и других сфер человеческой деятельности.

В аналитической химии широко стали использоваться физико-химические и физические методы. Физические методы изучения веществ и воздействия на них получили применение и в других областях химии. Это привело к формированию новых важных направлений химии, например, радиационной химии, плазмохимии. Химия экстремальных воздействий играет большую роль в получении новых материалов, например для электроники, или давно известных ценных материалов, например алмазов, сравнительно дешевым синтетическим путем.

Проникнув в механизмы химических реакций и особенности строения химических соединений, исследователи вплотную подошли к решению проблемы целенаправленного получения химических веществ и материалов, имеющих те или иные полезные свойства.

Химия тесно связана с экологией – наукой об отношениях растительных и животных организмов и их сообществ между собой и окружающей средой, поскольку и сами живые организмы, и окружающая их среды состоят из химических веществ.

В наше время заметно усилилось влияние человека на природную среду. Это привело к тому, что во второй половине 19 века перед человечеством встала проблема, с которой оно никогда не сталкивалось. Производственная деятельность достигла такого уровня, что стала сильно сказываться на состоянии окружающей среды. Возникла реальная угроза для здоровья не только существующего населения, но и будущих поколений, а при наиболее неблагоприятном развитии – для жизни на Земле.

Одной из проблем, имеющих глобальный характер, стало возрастание содержание диоксида углерода в атмосфере в связи с деятельностью человека. Наиболее существенная его часть образуется при сжигании топлива для получения различных видов энергии. Кроме того, деятельность человека привела к заметному истреблению растений, которые усваивают диоксид углерода в процессе фотосинтеза. Небольшой рост концентрации диоксида углерода в атмосфере не представляет опасности для жизни человека, но вызывает повышение температуры воздуха благодаря парниковому эффекту. Это может привести к глобальным изменениям климата.

Отходы предприятий и транспорта существенно нарушают природные атмосферные процессы в индустриальных районах. Следствием выбросов оксидов серы и азота является образование кислотных дождей, которые выпадают на поверхность Земли не только в окрестностях промышленных предприятий, но и в соседних с ними районах.

В крупных городах и промышленных центрах обычным явлением стало образование смога, в состав которого входят дым, туман, пыль и различные вредные для здоровья газообразные вещества.

Чтобы предотвратить ухудшение состояния атмосферы необходимо сокращать газовые и пылевые выбросы промышленных предприятий и других загрязнителей атмосферы либо предварительно удалять из них вредные вещества. Для этого используются различные химические процессы: нейтрализация, окисление, восстановление. В частности, на пути выхлопных газов автомобиля устанавливают каталитические конверторы, способствующие превращению вредных веществ в менее опасные продукты.

Безусловно, затраты на очистку выхлопных газов и дымовых выбросов вызывает удорожание товаров и энергии, однако загрязнение воздуха также приводит к расходам, связанным с разрушением конструкций и ухудшением здоровья людей. Так что за право дышать чистым воздухом человечеству приходится платить немалую цену.

То же самое относится к питьевой воде. Запасы природных вод огромны, но для питья пригодна лишь ничтожная часть имеющейся на Земле воды. Без специальной обработки использовать для питья можно только воду из глубинных источников. Во всех других случаях для того, чтобы использовать природную воду в качестве питьевой, ее приходится предварительно очищать. Для очистки воды обязательно используют химические методы.

Чтобы выжить, человеку требуется около полутора литров воды в сутки. Однако каждый горожанин ежесуточно расходует на бытовые нужды до 600 литров воды. В общей сложности на производственные и бытовые нужды используется около 10 процентов общего объема речных вод. Взамен в природные водоемы поступает огромное количество бытовых, промышленных и сельскохозяйственных стоков. Загрязнение природных вод несет опасность для жизни на Земле, поэтому нельзя допускать сброса неочищенных сточных вод. Технология очистки сточных вод включает различные биохимические и химические процессы.

На ранних этапах истории человечества деятельность людей почти не затрагивала глубины Земли. Но с началом бурного развития промышленности человеку стало требоваться все больше и больше химических веществ, добываемых из земных недр.

Добыча и переработка полезных ископаемых оказывает существенное воздействие на природу. В открытых горных выработках образуется много пыли, загрязняющей окрестности. Откачка воды из подземных выработок и карьеров приводит к образованию пустот. Многие горноперерабатывающие заводы сбрасывают в реки недостаточно очищенные стоки, что ведет к загрязнению природных вод. В окружающую среду попадают вредные вещества из отвалов этих предприятий. Немало опасных веществ рассеивается при транспортировке руд и продуктов их переработки.

Загрязнение окружающей среды в результате добычи и переработки полезных ископаемых можно уменьшить, если использовать более совершенные технологии, в том числе и химические способы обогащения и переработки природного сырья. Другой путь решения этой проблемы – уменьшение добычи полезных ископаемых за счет более рационального использования химических веществ и материалов.

Нашу планету нередко сравнивают с космическим кораблем, на борту которого имеется определенных запас различных материалов и продуктов. Но этого запаса может оказаться недостаточно для долгого путешествия.

Некоторые ресурсы, например, свежий воздух, плодородная почва, растения и животные сравнительно быстро могут возобновляться. Если не вмешиваться слишком активно в эти процессы, природа почти всегда сможет восполнить израсходованные запасы. Нужно лишь следить за тем, чтобы ресурсы расходовались не быстрее, чем они могут образовываться в ходе естественных процессов.

В отличие от возобновляемых ресурсов, полезные ископаемые не могут образовываться так же быстро. Невозобновляемые ресурсы могут быть полностью израсходованы. Это означает не исчезновение тех или иных химических элементов, а распыление их по планете и превращение в такие химические формы, из которых экономически невыгодно или даже просто невозможно вновь получить полезные вещества и материалы.

Некоторые химические вещества и материалы уже сейчас пытаются заменить другими, имеющими аналогичные свойства, но взятыми из возобновляемых ресурсов. Например, вместо нефтепродуктов в качестве топлива предлагают использовать продукты переработки древесины.

Отработанные материалы можно не отправлять в отходы, а химически перерабатывать и использовать вторично. Экономически выгодно, например, производство дешевой бумаги из макулатуры, металлов из металлолома. Многие отходы производства и потребления после химической переработки целесообразно использовать как исходное сырье для других отраслей промышленности.

Главной перспективой развития современной индустрии должно стать создание безотходных и малоотходных производств. Только так можно уменьшить нагрузку на окружающую среду и сберечь природные ресурсы. Большую роль в решении этой задачи должна сыграть химия.

Наиболее динамично развивающейся отраслью промышленности является энергетика. Она же в наибольшей степени загрязняет окружающую среду.

Большая часть энергетических ресурсов нашей планеты образовалась в результате разнообразных химических реакций. Энергия, заключенная в веществах – это энергия химических связей. Вся энергия, используемая живыми существами, имеет солнечное происхождение. Реакции образования органических веществ из неорганических в процессе фотосинтеза идут с поглощением энергии. Запасенная солнечная энергия может быть использована при сжигании органических веществ или образованных из них полезных ископаемых подобно тому, как при распрямлении пружины освобождается запасенная механическая энергия.