Химия сегодня и завтра. 2

Содержание 

   Введение

   1 Концептуальные системы химических знаний

   2 Концептуальные уровни в познании веществ и химические системы

   3 Химические процессы, самоорганизация и эволюция химических систем

   4 Эволюционная  химия. Проблема биогенеза

   Заключение

   Список  использованной литературы 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

     Наиболее  значительные и крупные открытия в наше время происходят на стыке  наук. Развивающееся знание формируется  в определенную систему, образуя  не просто сумму каких-либо отдельных  областей, а целостность. Тенденции интеграции и взаимопроникновения наук все в большей степени оказывают влияние на учебный процесс в школе.

     Особых  причин отказываться от предметной структуры  изучения естественных наук пока нет, поскольку она лучше всего  обеспечивает возможность систематического формирования научных знаний, умений и навыков. Однако предметный подход не дает представления о едином процессе развития, охватывающем неживую природу, живое вещество и общество; об уровнях организации материального мира и процессов, протекающих в нем.

     Интегрированный курс «Естествознание» в качестве основной дидактической задачи ставит задачу систематизации, обобщения и углубления знаний учащихся, полученных ими при  изучении предметов естественного  цикла.

     Основой системы естественнонаучных знаний, средством установления всеобщей связи  между различными элементами, выявления  их единства служат фундаментальные  компоненты: общие для всех естественных наук понятия, законы, теории. Систематизирующей основой при этом выступают философские понятия категориального характера (материя, движение материи, взаимодействие); фундаментальные естественнонаучные понятия (энергия, масса, вещество, физические поля); фундаментальные естественнонаучные законы (законы сохранения массы, энергии, электрического заряда, импульса, Периодический закон, законы термодинамики), основополагающие теории современного естествознания.

     В настоящем пособии мы попытались выделить фундаментальные закономерности природы, понятия, теории, изучаемые, обычно, в курсе химии и показать их сопряжение с основными структурными компонентами системы знаний, рассматриваемых в курсе физики и биологии.

     Системообразующим началом современной химии является:

     - проблема получения вещества  с заданными свойствами. Практическая  реализация это проблемы обеспечивается  производственной деятельностью  людей.

     - проблема выявления и определения  методов (способов) управления свойствами  вещества. Решение этой проблемы  определяется уровнем развития  химического знания иорганизацией  научно-исследовательской деятельности.

          Химическая картина мира формируется на основе четырех концептуальных систем химического знания:

     * учения о составе вещества;

     * структурной химии;

     * учения о химических процессах;

     * эволюционной химии.

Содержанием химической картины мира являются: 

    Концептуальные знания  о строении                           Концептуальные знания о разви-

    материального мира со  стороны его                           тии материального мира со  стороны

    химического содержания                                             его химического содержания 

    Концептуальные знания  о происхо-                           Концептуальные знания о природ-

    ждении основных видов и форм                                 ных процессах химического

    вещества, его химической структуре                          движения

          Концептуальные знания теоретических  основ химии: строения атома,

          учение о химической связи,  катализе, реакционной способности  веществ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1. Концептуальные системы химических знаний

          Процесс становления концептуальных  систем происходил таким образом,  что каждая новая возникала  на основе предыдущей и включала  ее в себя в преобразованном  виде.

          Хронология становления системы  химических знаний включает в  себя:

     1. Учение о составе вещества (1660-е)  связано с исследованием различных свойств веществ в зависимости от их химического состава, определяемого их элементами. В период с середины 17 в. до второй половины 19 в. учение о составе вещества было главным. Оно существует и сегодня и представляет собой часть химии.

     2. Структурная химия (1800-е) предполагает  исследование структуры, т.е. способа  взаимодействия элементов вещества. К этому времени стало известно, что свойства веществ и их  разнообразие определяются не  только их составом, но и структурой (химическим строением) молекул.  Этот уровень, как более высокий,  включает в себя первый.

     3. Учение о химических процессах  (1950-е) связан с исследованием  внутренних механизмов и условий  протекания химических процессов  (скорость протекания реакций, температура, давление и т.п.) Химия становится не столько наукой о веществах, сколько наукой о процессах и механизмах изменения веществ.

     4. Эволюционная химия (1970-е) представляет  собой развитие предыдущего уровня, предполагает более глубокое  изучение природы и условий  протекания химических процессов.  На этом уровне наблюдается  самоорганизация химических систем. 
 
 
 
 
 
 

     2. Концептуальные уровни в познании веществ и химические системы

          Учение о составе вещества  охватывает три основные проблемы:

     1. Проблему химического элемента.

     2. Проблему химического соединения.

     3. Проблему вовлечения и применения  все большего числа химических  элементов для производства новых  материалов.

          Проблема химического элемента связана со следующими этапами развития науки:

     - в 17 в. Р.Бойль дал первое  научное определение понятия  «химический элемент».

     - в 18 в. А.Лавуазье сделал первую  попытку в истории химии систематизации  химических элементов.

     - в 19 в. Д.И.Менделеев открыл  Периодический закон и разработал Периодическую систему элементов.

     - в настоящее время раскрыт  физический смысл Периодического  закона и дано квантово-механическое  обоснование строения атомов  химических элементов.

     Проблема  химического соединения связана с открытием Ж.Прустом закона постоянства состава и его теоретическим обоснованием Д.Дальтоном. Исследования, проведенные в 19 в., подвергли сомнению абсолютность закона постоянства состава. В результате открытия физической природы химизма как обменного взаимодействия электронов химия по-новому стала решать проблему химического соединения, которое определяется как вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет обменного взаимодействия (химической связи) объединены в частицы – молекулы, комплексы, монокристаллы.

     Свойства  вещества определяются:

     - его элементным и молекулярным  составом;

     - структурой его молекул;

     - термодинамическими и кинетическими условиями, в которых вещество находится в процессе химической реакции;

     - уровнем химической организации  вещества.

     Проблема  структура химических соединений связана с атомистическими представлениями Д.Дальтона, согласно которым любой химический индивид состоит из молекул, обладающих строго количественным и качественным составом. Й.Берцелиус и Ш.Жерар конкретизировали и дополнили эти представления, введя в химию представление о взаимодействии атомов и их преобразовании в единую целостную систему.

     Ф.Кекуле предпринял попытку раскрыть структуры  молекул и синтезировать новые  вещества. Комбинируя атомы различных  химических элементов по их валентности, можно прогнозировать получение  различных химических соединений в  зависимости от исходных реагентов, т.е. управлять процессом синтеза  различных веществ с заданными  свойствами.

     Открытая  Н.Н.Зиниными реакция получения анилина  из нитробензола положила начало «органическому синтезу» и появлению химии синтетических  красителей и лекарственных препаратов.

     Эволюция  понятия химической структуры в  истории химии осуществлялась в  двух направлениях: анализа ее составных  частей и установления характера  физико-химического взаимодействия между ними.

     По  современным представлениям, структура  молекул – это пространственная и энергетическая упорядоченность  квантово-механической системы, состоящей  из атомных ядер и электронов.

     Следующим шагом в направлении усложнения изучаемых систем от молекул к  супермолекулам и организованным полимолекулярным системам, удерживаемым вместе нековалентными взаимодействиями, явилась супрамолекулярная химия.

     Взаимодействия  молекул лежат в основе высокоспецифичных  процессов распознавания, реагирования, транспорта, регуляции – процессов, встречающихся в биологических  системах. К числу таких процессов  относятся связывание субстрата с белком-рецептором, ферментативные реакции, образование мультипротеиновых комплексов, иммунологическая ассоциация антиген – антитело, проникновение вируса в клетку, передача нервного импульса. Исследования процессов, протекающих в биосистемах, показывают, что их высокая эффективность связана не столько с уникальностью молекул, участвующих в том или ином процессе, сколько сложной структурной и функциональной организацией разнообразных компонентов биосистемы – супрамолекулярным уровнем организации материи. По-видимому, именно супрамолекулярный уровень организации вещества в биосистемах и обеспечивает эффективное выполнение ими сложных функций, и, в частности, по преобразованию энергии в химическую. Получению и ереработке информации.

     Супрамолекулярная химия – в высшей степени междисциплинарная  область науки, включающая химические, физические, биологические аспекты  рассмотрения более сложных, чем  молекулы, химических систем, связанных  в единое целое посредством межмолекулярных (нековалентных) взаимодействий. Эта сравнительно молодая область оформилась как самостоятельное, целостное и одновременно хорошо структурированное направление со своими концепциями. Корнями супрамолекулярная химия уходит: в органическую химию – науку о синтезе молекул; в координационную химию, изучающую комплексы ион металла – лиганд; в физическую химию, экспериментально и теоретически изучающую взаимодействия; в биохимию, рассматривающую биологические процессы, каждый из которых начинается с распознавания субстрата; в материаловедение как науку о механических свойствах твердых тел. Отличительная особенность супрамолекулярной химии – широкий спектр возможностей, открывающихся из-за взаимообогащения и «перекрестного опыления» химии, биологии и физики. Охватывая разнообразные явления из различных областей – от физики организованных конденсированных фаз до биологии больших молекулярных ансамблей, - супрамолекулярная химия вырастает до супрамолекулярной науки как химии молекулярных ансамблей и межмолекулярных связей. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     3. Химические процессы, самоорганизация и эволюция химических систем

     В основе учения о химических процессах  лежит способность к взаимодействию  различных реагентов, которая определяется не только их атомно-молекулярной структурой, но и условиями протекания реакций.

     К условиям протекания реакций относятся  термодинамические (характеризующие  зависимость реакций от температуры, давления) и кинетические факторы.

     Термодинамические факторы влияют преимущественно  на направленности химических процессов. Способы управления скоростью химических процессов и механизмы их протекания рассматривает химическая кинетика. Она устанавливает зависимость  протекания химических процессов от множества структурно-кинетических факторов: строения реагентов; их концентрации; наличия в реакционной среде  катализаторов (или ингибиторов) и  других добавок; способов смешивания реагентов; материала и конструкции реактора и т.п. Катализ (процесс увеличения скорости реакции веществами-катализаторами, в ней принимающими участие, но не входящими в состав конечных продуктов) играет решающую роль в процессе перехода от химических систем к биологическим. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     4. Эволюционная химия. Проблема биогенеза

          Существуют два подхода к проблеме самоорганизации предбиологических систем:

     - субстратный подход. Отличительная черта этого подхода состоит в исследовании вещественной основы биологических систем, т.е. определенного состава элементов-органогенов и определенной структуры входящих в живой организм химических соединений.

          Результатом субстратного подхода  к проблеме биогенеза является  накопленная информация об отборе  химических элементов и структур.

     - функциональный подход. Отличительная черта данного подхода состоит в исследовании процессов самоорганизации материальных систем, выявлении законов, которым подчиняются такие процессы.

     Для самоорганизующихся систем характерны:

     * способность активно взаимодействовать  со средой и изменять ее  в направлении, обеспечивающем  оптимальное функционирование и  развитие системы;

     * наличие адаптивного механизма  (определенной гибкости структуры), вырабатываемого в ходе эволюции;

     * неопределенность поведения;

     * способность учитывать прошлый  опыт или возможность научения.

          Отбор химических элементов в  процессе самоорганизации предбиологических  систем внес определенные закономерности  в этот процесс. Основу живых  систем составляют только шесть  элементов, получивших название  органогенов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера, общая весовая доля которых в организме составляет более 97%. За ними следуют 11 элементов, которые участвуют в построении физиологически важных компонентов биосистем: натрий, калий, кальций, магний, железо, кремний, алюминий, хлор, медь, цинк, кобальт. Их весовая доля в организме – 1,6%. Есть еще 20 элементов, участвующих в построении и функционировании отдельных узкоспецифических биосистем, доля которых составляет около 1%.

          Картина химического мира свидетельствует  об отборе элементов. В настоящее  время известно около 10 млн.  химических соединений, из которых  96% - органические, состоящие из 6-18 элементов.  Неорганических соединений Природа  создала всего около 300 тыс.

          Геохимические условия не играют  существенной роли существенной  роли в отборе химических элементов при формировании органических и биологических систем. Определяющими факторами в отборе химических элементов выступают:

     - способность образовывать прочные  и энергоемкие химические связи;

     - эти связи должны быть лабильными, т.е. легко подвергаться гомолизу, гетеролизу или циклическому перераспределению. Вот почему углерод отобран из многих других элементов как органоген №1. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Заключение  

          Все процессы, происходящие в  живом организме, можно изложить  на языке химии в виде конкретных  химических процессов. Основой  исключительной эффективности биологических  процессов является биокатализ. Поэтому новая (супрамолекулярная)  химия основывается на каталитическом опыте живой природы. Перспективным направлением являются исследования, ориентированные на применение принципов биокатализа в химии и химической технологии, что предполагает изучение закономерностей живой природы, в том числе и опыта формирования фермента, клетки и организма.

     Под эволюционными проблемами в химии  понимают процессы самопроизвольного  синтеза химических соединений, являющихся более сложными и высокоорганизованными  продуктами по сравнению с исходными  веществами. Поэтому эволюционную химию  – науку о самоорганизации  и саморазвитии химических систем –  считают предтечей биологии.

Список  использованной литературы 

     1 Горелов А.А. Концепции современного естествознания / А.А. Горелов. – М.: Центр, 2007. – 480с.

     2 Жигалов Ю.И. Концепции современного естествознания / Ю.И.Жигалов. – М.: Гелиос АРВ, 2002 – 500с.

     3 Карпенков С.Х. Концепция современного  естествознания: учебник / С.Х. Карпенков  – М.: Книжный мир, 2000. – 520с.

     4 Карташкин Б.А. Современные концепции  естествознания / Б.А. Карташкин.  — М.: ТОО "Люкс-арт", 2007. –  734с.

     5 Найдыш В.М. Концепция современного  естествознания / В.М. Найдыш. – М.: Гардарики, 1999. – 480с. 

     6 Рузавин Г.И. Концепция современного  естествознания: учебник / Г.И. Рузавин.  – М.: ЮНИТИ, 2000. – 500с.

     7 Солопов Е. Ф. Концепции современного  естествознания / Е.В. Солопов. –  М.: ВЛАДОС, 2001. – 600с. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Контрольные вопросы 

     1 Что является системообразующим началом современной химии?

     2 Что включает в себя хронология становления системы химических знаний?

     3 Какие проблемы охватывает учение  о составе вещества?

     4 Как определяются свойства вещества?

     5 Дайте определение супрамолекулярной  химии

     6 С какими этапами  развития  науки с вязана проблема химического  элемента?

     7 Что лежит в основе учения о химических процессах?

     8 Что характерно для самоорганизующихся систем?

     9 Назовите два подхода к проблеме самоорганизации предбиологических систем