Місце хімії серед наук про природу. 3

ГЛИБОКІВСЬКА  ЗОШ 
 
 
 
 
 

на  тему:

« Місце хімії серед наук

  про природу» 
 
 
 
 

План:

     Вступ

1. Місце хімії серед  природних наук

2. Біохімія  – наука про хімічний склад  і структуру речовин

3. Хімічні  перетворення речовин в природі

  4. Зв’язок  хімії з геологією, метеорологією, біологією та   медициною

  Висновок

    Література

Вступ

     Місце хімії серед наук про природу  зумовлене предметом її вивчення й тісними зв'язками з іншими науками. Опановуючи в основній школі ази цієї дивовижної науки, ми неодноразово пересвідчувалися: вона вивчає речовини, їх склад і будову, перетворення речовин, умови здійснення цих перетворень, засоби практичного використання речовин і хімічних реакцій. Без хімічних реакцій сьогодні неможливо уявити наукову картину світу, адже навколишній світ - це перш за все світ речовин неорганічних і органічних, які постійно взаємодіють і приймають участь у різних типах перетворень, які є основою багатьох явищ природи.

     Як  пов'язана хімія з іншими науками? Забезпечуючи їх речовинами, матеріалами та сучасними технологіями, хімія водночас використовує здобутки математики, фізики, біології, екології для власного подальшого розвитку. Тож хімія є центральною, фундаментальною наукою. Вона так само, як фізика, ботаніка, зоологія, геологія, вивчає природу, весь навколишній світ — різноманітні речовини і явища.

     Проте жодну природничу науку - фізику, хімію, біологію, геологію тощо наразі не можна  назвати лідером. Система наукових знань про природу й система  методів кожної з наук перебувають  у процесі безперервного взаємозбагачення. Особливо яскраво це виявляється в наш час.

     Дедалі  більше стираються межі між хімією й іншими природничими науками. На межі досліджень фізичних і хімічних явищ виникли фізична хімія та хімічна  фізика. Біохімія - біологічна хімія - вивчає хімічний склад і структуру сполук, які містяться в живих організмах. Вона досліджує шляхи й способи регуляції перетворень речовин, енергетику процесів, які відбуваються в клітині й в організмі. Геохімія - наука про поширеність і міграцію хімічних елементів на Землі.

     Межі  між хімією й суміжними науками  ніколи не були чіткими, адже природа, яку вони вивчають, єдина у своєму розмаїтті. Тому не дивина, що часом  Нобелівські премії з хімії одержували фізики, а хіміки здобували цю почесну  нагороду за дослідження в галузі молекулярної біології. Чи тільки з природничими й точними науками пов'язана хімія? Яке ії значення у пізнанні природи й формуванні наукової картини світу?

      Сучасна хімія настільки велика галузь природознавства, що багато з її розділів є самостійними, хоча й тісно взаємозв'язаними науковими дисциплінами. 

1. Місце хімії серед  природних наук

      Слово "хімія " набуло широке поширення  з початку 18 століття. На багатьох мовах  воно має схоже звучання: chemistry ('кемістрі) – на англійському, Chemie (хе'мі) – на німецькому. Коріння "хем" або "хім" міститься у відповідних термінах і на багатьох інших мовах. Проте дотепер не вдалося встановити, коли виникло слово "хімія" і яке значення в нього спочатку вкладався.

      Багато  дослідників схиляються до того, що це слово походить від "Кемі" – "Чорна країна". Так в стародавній Греції називали Єгипет, де зародилося "священне мистецтво хімії". Це ж слово відносилося до кольору грунту в долині Ніла. Значення такої назви – "єгипетська наука". Проте в старогрецькій мові були інші близькі по звучанню слова. "Хімос" або "хюмос" означало "сік"; це поняття зустрічається в рукописах, що містять відомості по медицині і способам приготування ліків. "Хима" або "хюма" переводиться як литво і відноситься до мистецтва виплавки металів. "Хемевсис" означає "змішування", що є найважливішою операцією більшості хімічних процесів. Термін "хімія" в значенні "наполягання", "наливання" першим спожив грецький філософ і природодослідник Зосима Панополітанській (ок. 350–ок. 400) на рубежі 4 і 5 століть.

      Сучасна хімія – це фундаментальна система  знань, заснована на багатому експериментальному матеріалі і теоретичних положеннях. Хімія займає особливе місце серед  природних наук. Вона має вражаючу творчу силу. На сьогоднішній день відомо більше 20 мільйонів хімічних речовин. Частина з них зустрічається в природі. Проте більшість хімічних речовин раніше взагалі не існувала. Вони були одержані людиною в хімічних лабораторіях. У цьому полягає унікальність хімії: вона не задовольняється тим, що дане природою, а постійно створює для себе всі нові і нові об'єкти досліджень.

      Кожна з хімічних речовин має свою внутрішню  будову і може зазнавати різноманітні перетворення, тобто вступати в хімічні  реакції. Ці два аспекти взаємозв'язані. Внутрішня будова визначає хімічні властивості, а по хімічних властивостях можна судити про будову речовини. В той же час неможливо одночасно досліджувати і будову і хімічні властивості речовини, оскільки в ході хімічної реакції структура речовини неминуче змінюється. Вивчення будови і реакційної здатності хімічних речовин, створення речовин і матеріалів з наперед заданими властивостями – основні задачі хімічної науки. 

2. Біохімія – наука  про хімічний склад  і структуру речовин

      Біохімія  – біологічна хімія – вивчає хімічний склад і структуру речовин, що містяться в живих організмах; шляхи і способи регуляції їх перетворень; енергетичне забезпечення процесів, що відбуваються в клітці і в організмі. Становлення біохімії як науки відбулося на рубежі 19 і 20 століть, хоча витоки біохімічних знань знайдені ще в працях учених античного періоду, а перші відомості про склад рослинних і тваринних тканин почали з'являтися в середні століття. У наші дні з біохімії вже виділилися біоорганічна і біонеорганічна хімія.

      На  початку 20 століття хімік, мінералог і кристалограф Володимир Іванович Вернадський (1863–1945) розробив основи геохімії – науки про поширеність і міграцію хімічних елементів на Землі. З одного боку, геохімія широко використовує досягнення фізики і хімії, новітні методи аналізу і уявлення про будову речовини, з іншою – величезний матеріал, накопичений геологічними науками, зокрема, мінералогією.

      Разом з фізичною хімією виникла хімічна  фізика, що вивчає фізичні закони, які  управляють будовою і перетвореннями хімічних речовин. Без хімії неможливо зрозуміти такі науки як біологія, геологія, екологія. Знання по хімії абсолютно необхідні в сільському господарстві для того, щоб уміло і розумно використовувати мінеральні добрива, отрутохімікати, антибіотики. Без хімічних знань не можна працювати в хімічній промисловості, будівництві, медицині, металургії.

      Ця  наука із старовини привертала увагу  людей. Учені, алхіміки, авантюристи - всі  прагнули до збагнення таємниць світу, одні з метою пізнання, інші ради грошей. Кожний з нас постійно стикається з хімією, можливо, навіть не усвідомлюючи цього. Ми дихаємо, а в організмі в цей час відбуваються процеси окислення органічних речовин. Ми п'ємо воду, яка є хімічним з'єднанням. Сьогодні хімія займає центральне місце серед наук про природу.

      Щомить  в навколишньому нас світі  відбуваються тисячі видимих і невидимих  хімічних процесів. Щоб управляти  ними, потрібно зрозуміти їх природу. Для цього і потрібна хімія. Унікальність цієї науки у тому, що хімія не тільки вивчає речовини, що є в природі, але і винаходить нові. Слова Ломоносова «Широко простягає хімія руки свої в справи людські» сьогодні актуальні як ніколи. Завдяки ній лікар зціляє хворого, кравець шиє плаття з фантастичних тканин, домогосподарка користується всілякими засобами для прибирання квартири.

     Хімія, наука про склад речовин і  їх перетворення, починається з відкриття людиною здатності вогню змінювати природні матеріали. Люди уміли виплавляти мідь і бронзу, обпалювати глиняні вироби, отримувати скло ще за 4000 років до н.е. З 7 в. до н.е. Єгипет і Месопотамія стали центрами виробництва барвників; там же отримували в чистому вигляді золото, срібло і інші метали. Приблизно з 1500 до 350 до н.е. для виробництва барвників використали перегонку, а метали виплавляли з руд, змішуючи їх з деревним вугіллям і продуваючи через суміш, що горить - повітря. Самим процедурам перетворення природних матеріалів давали містичне значення.

       З розвитком фізичних теорій  про будову атомів і молекул  були переосмислені такі старі  поняття, як хімічна спорідненість і трансмутація. Виникли нові уявлення про будову матерії.

3. Хімічні перетворення  речовин в природі

     Хімічні перетворення речовин самовільно відбуваються в природі. Під час фотосинтезу  в зелених рослинах вуглекислий  газ і вода постійно перетворюються на органічні речовини з виділенням кисню. Цей кисень у процесі дихання живих організмів поглинається, окислюючи в них органічні речовини, внаслідок чого в атмосферу виділяється вуглекислий газ. Так хімічні перетворення речовин забезпечують життя на Землі.

      Однак переважна більшість природних  речовин, перш ніж стати продуктами споживання людського суспільства, зазнає хімічної переробки на заводах. Добування металів з руд, виробництво  синтетичних матеріалів, переробка  кам'яного вугілля, нафти, природного газу, деревини, гірських порід — все це складні хімічні процеси, що здійснюються на виробництві з метою добування корисних продуктів.

     Для розуміння цих процесів і керування  ними треба знати властивості  речовин, їх здатність брати участь у хімічних процесах. А для цього потрібно знати склад і будову речовин. Ось чому предметом вивчення хімії є хімічні елементи та їхні сполуки, хімічні перетворення різноманітних сполук і ті закономірності, які цими перетвореннями керують.

     Сучасна хімія - це велика, самостійна частина хімічної науки, що вивчає дисперсний стан речовини і поверхневі явища в дисперсних системах. Курс хімії ставить метою дати чітке уявлення про теоретичні і експериментальні основи цієї науки, виділяючи її особливу роль як міждисциплінарної науки, що синтезує знання з суміжних розділів хімії, фізики, біології і інших природних наук. Хімія виходить з уявлень про дисперсність - мікрогетерогеності як універсальному стані речовини у всіх природних об'єктах і технологічних системах. Такі гірські породи і грунти, тканини живих організмів, такі всілякі матеріали, суспензії, емульсії, піни, аерозолі, побудовані з малих (дуже малих, до нанометрів) часток: зерен, кліток, волокон, плівок, які зберігають ще, однак, властивості даної фази і межі розділу з сусідніми фазами.

     Високе  розвинення міжфазних поверхонь - носіїв енергетичних надлишків (тобто специфічного, активованого стану речовини)- служить  спільною межею всіх цих об'єктів  і систем і визначає різні їх властивості  і протікаючі в них процеси. Особливе місце займає тут адсорбція - мимовільне концентрування певних, поверхово-активних компонентів на міжфазных кордонах, що міняє хімічну природу кордонів і що дозволяє керувати процесами в природних і технологічних дисперсних системах.  

4. Зв’язок хімії з геологією, метеорологією, біологією та медициною

     Хімія як елемент загальнолюдської культури одвіку мала виражену гуманітарну спрямованість. Окремі теоретичні положення хімічних знань становили певну частину  натурфілософії, що витлумачувала явища  природи в їхній цілісності. Тож хімія, так само як фізика, біологія, астрономія, географія й інші природничі науки, - засіб формування світогляду.

     Пригадаймо, яке значення для пізнання природи  мало відкриття Д.І. Менделєєвим  нового закону природи. Замість розрізнених, не пов'язаних між собою речовин перед наукою постала єдина струнка система, що об'єднала в єдине ціле всі елементи Всесвіту. На основі періодичного закону були розвинуті найважливіші хімічні поняття, встановлено чіткий взаємозв'язок між ними. Відкриття періодичного закону мало величезне значення для розвитку хімії та пізнання таємниць природи.

     Показово, що творець періодичного закону і  періодичної системи хімічних елементів  Д.І. Менделєєв (мал. 38.2) уважав науку  й мистецтво двома взаємодоповнюючими підходами до гармонійного пізнання світу. Про це йшлося в його статті «Перед картиною А.І. Куїнджі» (1880, газета «Голос»).

     У ній Менделєєв обґрунтував збіг у часі виникнення пейзажу як жанру  і розквіт природничих наук. Неможливо  поза природою пізнати людину - її частину. Тому пейзажний живопис і природознавство розвивалися синхронно. У кінці статті Менделєєв пророкував, що найближчим часом відбудеться значний поступ і у природознавстві, і у жанрі пейзажу. Його передбачення блискуче підтвердилися: відкриття явища радіоактивності, нових хімічних елементів, моделювання будови атома тощо збіглися з розквітом таланта І.І. Левітана та художників-імпресіоністів.

     Розвитку  творчого потенціалу та інтуїції, які  необхідні для розв'язання наукових завдань, сприяє прилучення до мистецтва - живопису, музики літератури тощо. Підтвердженням цього є численні приклади з життя видатних хіміків, фізиків, математиків, біологів, які захоплювалися літературою та мистецтвом настільки, що хобі перетворювалось на другу професію.

     М. В. Ломоносов, відомий вам насамперед як один з відкривачів закону збереження маси та енергії, виявив себе як талановитий поет і художник-мозаїст (мал. 38.3). О.П. Бородін, автор опери «Князь Ігор» тривалий час очолював кафедру хімії у Військово-медичній академії й зробив вагомий внесок у розвиток хімічного синтезу.

     Марселей  Бертло професійно займався не лише хімією а й політикою. Лауреат Нобелівської премії з хімії В. Оствальд (мал. 38.4) уважав свій внесок у кольорознавство  та колористику важливішим за здобутки в галузі хімії

     Широта  концепцій, об'єктів, проблем, методів  хімії зумовлює її участь в розвитку інших хімічних наук, а також геології, метеорології, біології, медицині. Разом  з тим, розкриваються роль і перспективи  колоїдної хімії як загальної  наукової основи інтенсифікації і оптимізації технологічних процесів з участю дисперсних фаз буквально у всіх галузях виробництва: хімічної, нафтодобувної і нафтопереробної, гірнорудної, металургійної, легкої, харчової, фармацевтичної промисловості; пояснюються механізми природних колоїдно-хімічних явищ і регулювання впливів на природні об'єкти (структуроутворення в ґрунтах, колоїдно-хімічні аспекти функціонування клітинних структур); розглядаються корінні проблеми захисту навколишнього середовища.

     За  часів Д. І. Менделєєва було відомо 63 хімічні елементи, тобто трохи більше за половину відомих нині. Знали тоді й шість природних груп хімічних елементів (лужні метали, лужноземельні метали, галогени, групу Оксигену, групу Нітрогену і групу Карбону). Проте знання ці були уривчасті. У той час думали, що природні групи елементів, особливо протилежних за властивостями, ніяк між собою не зв’язані.

     На  відміну своїх попередників Д. І. Менделєєв був глибоко переконаний, що між усіма хімічними елементами, як подібними за властивостями, так і відмінними, повинен існувати природний загальний зв’язок, який об’єднував би всі елементи в системі.

     За  основу систематизації хімічних елементів  Д. І. Менделєєв (так само, як і раніше Лотар Мейє) обрав відносну атомну масу, вважаючи її головною характеристикою елемента, оскільки вона не змінюється під час утворення елементом простих і складних речовин. Водночас Д. І. Менделєєв не розглядав масу як єдину характеристику елемента. Він надав великого значення ще й його хімічним властивостям.

     Згрупувавши більшість відомих тоді хімічних елементів у кілька горизонтальних рядів так, щоб вертикальні стовпчики  включали елементи, подібні за хімічними  властивостями, Д. І. Менделєєв в 1869 р. склав таблицю – прообраз сучасної періодичної таблиці елементів. А далі доповнював і добудовував цю первісну таблицю, доки включив до неї всі відомі на той час 63 елементи. Один з останніх варіантів таблиці, створеної Д. І. Менделєєвим, за формою мало чим відрізняється від відомої нам сучасної періодичної таблиці.

     У періодичній таблиці видно, що елементи, розміщені один під одним, мають  багато спільного. Так, Літій і Натрій подібні між собою як лужні  метали. Флор і Хлор також мають  спільні властивості як галогени, а Неон і Аргон – як інертні  гази. У горизонтальному ряду елементів, розміщених у порядку зростання їхніх відносних атомних мас, виявилось, що відбувається поступова зміна хімічних властивостей елементів.

     Коли  простежити зміну властивостей усіх інших елементів, то виявиться, що в  ряду елементів, розміщених у порядку зростання їхніх відносних атомних мас, властивості змінюються від металів до неметалів, а в складних речовин – від основних до кислотних. Формальна валентність елементів за Оксигеном зростає від 1 до 7, а за Гідрогеном – зменшується від 4 до 1. Так Д. І. Менделєєв виявив повторення однакових ознак у світі хімічних елементів і назвав цю закономірність періодичністю (від грец. Periodicos – цикл).

       У 1896 Антуан Анрі Беккерель (1852 - 1908) відкрив явище радіоактивності, виявивши спонтанне випущення солями урану субатомних часток, а через два роки дружина Пьера Кюрі (1859 - 1906) і Марія Кюрі (1867 -1934) виділила два радіоактивних елементи: полоній і радій. Відкриття Фредеріка Содді (1877 - 1956), що показало, що при радіоактивному розпаді відбувається перетворення одних речовин в інші,  дало нове значення тому, що древні називали трансмутація.

     У 1897 Джозеф Джон Томсон (1856 - 1940) відкрив електрон, заряд якого з високою точністю виміряв в 1909 Роберт Міллікен (1868 - 1953). У 1911 Ернст Резерфорд (1871 - 1937), виходячи з електронної концепції Томсона, запропонував модель атома: в центрі атома знаходиться позитивно заряджене ядро, а навколо нього обертаються негативно заряджені електрони. У 1913 Нільс Бор (1885 - 1962), використовуючи принципи квантової механіки, показав, що електрони можуть знаходитися не на будь-яких, а на суворо визначених орбітах. Планетарна квантова модель атома Резерфорда примусила вчених по-новому підійти до пояснення будови і властивостей хімічних сполук.

       Німецький фізик Вальтер Коссель (1888 - 1956) передбачив, що хімічні властивості атома визначаються числом електронів на його зовнішній оболонці, а утворення хімічних зв'язків зумовлюється в основному силами електростатичної взаємодії. Американські вчені Гілберт Ньютон Льюїс (1875 - 1946) і Ірвінг Ленгмюр (1881 - 1957) сформулювали електронну теорію хімічного зв'язку. Відповідно до цих уявлень молекули неорганічних солей стабілізуються електростатичними взаємодіями між іонами, що входять до їх складу, які утворяться при переході електронів від одного елемента до іншого

       У медицині широко застосовують снодійливі засоби, які пригнічуючи впливають  на передачу порушення в головному  мозку. По механізму впливу на центральну нервову систему їх відносять  до наркотичних речовин. Невеликі дози снодійливих засобів діють заспокійливо, середні - викликають сон, великі - наркотичну дію.    

          Важливе значення належить антисептикам та вітамінам, створення яких у хімпрепаратах стало можливим тільки завдяки розвитку науки хімії.

       Також слід згадати про те, що хімія допомагає не тільки терапевтам, але і хірургам. Ним вона дає усе більше нових допоміжних засобів, що наприклад зменшують трудомісткість операцій: клеї для склеювання ран, різні штучні органи з пластмас тощо.

     Наслідуючи  Менделєєва, сучасні хіміки власним прикладом доводять: фанатично віддані хімії науковці водночас вирізняються широтою своїх поглядів і відкритим ставленням до навколишніх подій. Пояснення просте: усе наше сучасне матеріальне оточення - продукція промислового хімічного синтезу. Однак не синтезом єдиним... Порятунок людства від глобальних криз сьогодення й запобігання їм у майбутньому - у розвитку високої духовності. Мистецтво підносить будь-яку людину, сприяє зростанню творчих сил науковців (і не лише їх) у професійній діяльності. Троянди й виноград для справжнього природодослідника - не лише сировина для видобутку запашної олії та глюкози, а насамперед джерело натхнення на тернистій стежині наукового пошуку.

  Висновок

     Місце хімії серед наук про природу  зумовлене предметом її вивчення й тісними зв'язками з іншими науками. Забезпечуючи їх речовинами, матеріалами та сучасними технологіями, хімія водночас використовує здобутки математики, фізики, біології, екології для власного подальшого розвитку. Тож хімія є центральною, фундаментальною наукою.

     Жодну природничу науку наразі не можна  назвати лідером. Система наукових знань про природу й система  методів кожної з наук перебувають  у процесі безперервного взаємозбагачення. Сучасна хімія - високо-впорядкована система знань, що стрімко й цілеспрямовано розвивається у взаємодії із системами знань інших наук.

        Хімічний експеримент - ефективний метод одержання знань, засіб перетворення їх у переконання, невичерпне джерело розвитку наукового світогляду. Моделювання хімічних структур і процесів - важливий спосіб пізнання природи.

     Вагомий внесок зробили хіміки в розвиток високих технологій. Хімія, так само як й інші природничі науки, - засіб  формування світогляду. Розвитку творчого потенціалу та інтуїції, які необхідні  для розв'язання наукових завдань, сприяє прилучення до мистецтва - живопису, музики, літератури тощо. Порятунок людства від глобальних криз сьогодення й запобігання їм у майбутньому - у розвитку високої духовності.

    Літуратура:

1. Глинка  Н.Л. Загальна хімія: Навч. посібник для вузів. – Л.: Хімія, 1993.
2. Кузнєцов В.І. Загальна хімія: Тенденції розвитку. – М.: Вища школа, 1999.
3. Розен Б.Я. «Хімія в природі» / Розен Б.Я. і Шарипова Ф.С. – Х, 1999р.
4. Енциклопедія «Кругосвіт»