Основные проблемы современной химии
Федеральное государственное образовательное учреждение
Кафедра теории корабля и экологии судоходства
Реферат по дисциплине
Тема:«Основные проблемы современной химии»
Проверила: Плотникова В.Н.
.
1.Введение……………………………………………………
2.Рождение химии…………………………………………………….5
3.Основные проблемы химии………………………………………...5
4.Решение проблем химии……………………………………………8
5.Заключение………………………………………………
6. Список литературы………………………………………………..
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 XVIII века.
Современная химия - это фундаментальная система знаний, основанная на богатом экспериментальном материале и теоретических положениях. Химия занимает особое место среди естественных наук. 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. Но не смотря на то, что химия по-своему уникальна, все же она имеет определенное количество проблем. Так как химия всегда была нужна человечеству для получения из веществ природы необходимых материалов (например: керамика, стекло, лекарства), то химические знания во все времена объединяла одна непреходящая и главная задача – задача получения веществ с необходимыми свойствами. Чтобы ее реализовать, надо уметь из одних веществ получать другие, то есть, осуществлять их качественные изменения.
Химия – вполне самостоятельная часть естествознания - наука о веществах, изучающая их состав, строение, свойства, а также превращения веществ, не сопровождающиеся изменением состава атомных ядер. "Широко простирает химия руки свои в дела человеческие", - эта крылатая фраза Михаила Ломоносова в настоящее время особенно актуальна. Химия сегодня- это продукты и лекарства, горючее и одежда, удобрения и краски, анализ и синтез, организация производства и контроль качества его продукции, подготовка питьевой воды и обезвреживание стоков, экологический мониторинг и создание безопасной среды обитания человека. Наряду с традиционными областями приложения сил специалистов-химиков все большее значение в жизни общества приобретает химическая экспертиза. Действительно, в настоящее время заметно возросло количество и многообразие объектов экспертизы: вода, воздух, почва, продукты питания и промышленные товары, лекарственные препараты и отходы различных предприятий, а также многое другое. Установление вида товара, факта и способа его фальсификации, контроль чистоты окружающей среды, криминалистическая экспертиза - вот далеко не полный перечень того, что должен уметь химик-эксперт. Результаты, получаемые специалистами-экспертами, являются мощным источником поисковой, диагностической и доказательной информации, что способствует установлению объективной истины при расследовании чрезвычайных происшествий, осуществлении экоаналитического, санитарно-эпидемиологического и таможенного контроля. Цель данной работы – изучение и характеристика основных проблем современной химии.
1.Рождение современной химии
Представления древнегреческих натурфилософов оставались основными идейными истоками естествознания вплоть до XVIII в. До начала эпохи Возрождения в науке господствовали представления Аристотеля. В дальнейшем стало расти влияние атомистических взглядов, впервые высказанных Левкиппом и Демокритом. Алхимические работы опирались преимущественно на натурфилософские взгляды Платона и Аристотеля. Большинство экспериментаторов того периода были откровенными шарлатанами, которые пытались с помощью примитивных химических реакций получить или золото, или философский камень - вещество дающее бессмертие. Однако были и настоящие ученые, которые пытались систематизировать знания. Среди них Авиценна, Парацельс, Роджер Бэкон др. Некоторые химики считают, что алхимия - это зря потерянное время. Однако это не так: в процессе поиска золота было открыто множество химических соединений и изучены их свойства. Благодаря этим знаниям в конце XVII века была создана первая серьезная химическая теория - теория флогистона. Также большой вклад в развитие химии внес Д.И.Менделеев. Он сформулировал периодический закон и периодическую таблицу, названную в честь его.
2.Эволюционная химия и ее основные проблемы
Под эволюционными проблемами в химии понимают процессы самопроизвольного (без участия человека) синтеза новых химических соединений, являющихся более сложными и высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами. Поэтому эволюционную химию заслуженно считают предбиологией, наукой о самоорганизации и саморазвитии химических систем.
До последней трети XX в. об эволюционной химии ничего не было известно. В отличие от биологов, которые вынуждены были использовать эволюционную теорию Дарвина для объяснения происхождения многочисленных видов растений и животных, химиков вопрос о происхождении вещества не волновал, потому что получение любого нового химического соединения всегда было делом рук и разума человека. Молекулы новых химических соединений конструировались по законам структурной химии из атомов и атомных групп, как здание из кирпичей. Живые же организмы из блоков собрать было нельзя. Но изучение и освоение опыта живой природы было давней мечтой ученых.
Первые шаги на этом пути были сделаны еще И. Берцелиусом, который установил, что в основе функционирования живого организма лежит биокатализ. Затем исследования в этом направлении велись немецким ученым Ю. Либихом, французом П. Бертло и, наконец,
Н.Н. Семеновым, что способствовало укреплению связи химии с биологией.
Постепенное развитие науки XIX в., приведшее к раскрытию структуры атома и детальному познанию строения и состава клетки, открыло перед химиками и биологами практические возможности совместной работы над химическими проблемами учения о клетке. На повестке дня стояло изучение характера химических процессов в живых тканях, обусловленности биологических функций химическими реакциями.
Действительно, если посмотреть на обмен веществ в организме с точки зрения химии, то можно увидеть совокупность большого числа сравнительно простых и однообразных химических реакций, которые сочетаются между собой во времени, протекают не случайно, а в строгой взаимопоследовательности, в результате чего образуются длинные цепи реакций. И этот порядок закономерно направлен к постоянному самосохранению и самовоспроизведению всей живой системы в целом в данных условиях окружающей среды. Так что такие специфические свойства живого, как рост, размножение, подвижность, возбудимость, способность реагировать на изменения внешней среды, связаны с определенными комплексами химических превращений.
Поэтому химии среди наук, изучающих жизнь, принадлежит ведущая роль. Именно химией была выявлена важнейшая роль хлорофилла как химической основы фотосинтеза, гемоглобина – как основы процесса дыхания, установлена химическая природа передачи нервного возбуждения, определена структура нуклеиновых кислот и т.д. Но главное заключалось в том, что объективно в самой основе биологических процессов, функций живого лежат химические механизмы. Все функции и процессы, происходящие в живом организме, оказывается возможным изложить на языке химии, в виде конкретных химических реакций.
Конечно, было бы неверным сводить явления жизни только к химическим процессам. Это было бы грубым механистическим упрощением. Даже сама химия подчеркивает специфичность химических процессов в живых системах, показывает их отличия от того, что происходит в неживых системах. Специфичность и одновременно взаимосвязь химической и биологической форм движения материи подчеркиваются и другими науками, возникшими на границе биологии, химии и физики. Среди них биохимия – наука об обмене веществ и химических процессах в живых организмах; биоорганическая хи
В рамках перечисленных наук были определены химические продукты клеточного метаболизма (обмена веществ); установлены циклы биосинтеза этих продуктов и реализован их искусственный синтез; открыты материальные основы регулятивного и наследственного молекулярного механизма, а также выяснено значение химических процессов в энергетических процессах клетки и живых организмов в целом.
Сейчас для химии особенно важным становится применение биологических принципов, в которых сконцентрирован опыт приспособления живых организмов к условиям Земли в течение многих миллионов лет, опыт создания наиболее совершенных механизмов и процессов.
Как было понято учеными еще в XIX в., основой исключительной эффективности биологических процессов является биокатализ. Поэтому химики ставят своей целью создать новую химию, основанную на каталитическом опыте живой природы. Они стремятся к новым принципам управления химическими процессами, в которых будет применяться синтез себе подобных молекул, по принципу ферментов будут созданы катализаторы с таким разнообразием качеств, которые далеко превзойдут существующие в нашей промышленности до сих пор.
Ферменты - органические вещества белковой природы, которые синтезируются в клетках и во много раз ускоряют протекающие в них реакции, не подвергаясь при этом химическим превращениям. Ферменты (от лат. fermentum – брожение, закваска) иногда называют энзимами (от греч. en–внутри, zyme – закваска).
Несмотря на то, что ферменты обладают общими свойствами, присущими всем катализаторам, тем не менее, они не тождественны последним, поскольку функционируют в рамках живых систем. Поэтому все попытки использовать опыт живой природы для ускорения химических процессов в неорганическом мире сталкиваются с серьезными ограничениями. Пока речь может идти только о моделировании некоторых функций ферментов и использовании этих моделей для теоретического анализа деятельности живых систем. Также возможно частичное практическое применение выделенных ферментов для ускорения некоторых химических реакций. Для этого нужно изучить весь каталитический опыт живой природы, в том числе и опыт формирования самого фермента, клетки и даже организма. На этой основе и возникла эволюционная химия как новая наука, пролагающая пути принципиально новой химической технологии, способной стать аналогом живых систем.
Таким образом, возникновению эволюционной химии способствовали исследования в области моделирования биокатализаторов – ферментов. Для освоения опыта живой природы и реализации полученных знаний в промышленности химики наметили ряд перспективных путей.
Во-первых, химики ведут исследования в области металло-комплексного катализа, который обогащается приемами, используемыми живыми организмами в реакциях с участием ферментов.
Во-вторых, ученые пытаются моделировать биокатализаторы. Уже удалось создать модели многих ферментов, которые извлекаются из живой клетки и используются в химических реакциях. Но проблема осложняется тем, что ферменты, устойчивые внутри живой клетки, вне ее быстро разрушаются.
В-третьих, развивается химия иммобилизованных систем. При этом ферменты, выделенные из живого организма, закрепляются на твердой поверхности путем адсорбции. Пионером в этой области выступил русский химик И.В. Березин. Благодаря его исследованиям биокатализаторы стали стабильными, устойчивыми в химических реакциях, появилась возможность их многократного использования.
В-четвертых, глобальной целью современной химии является решение самой широкой задачи – освоение и использование всего опыта живой природы. Это позволит химикам создать полные аналоги живых систем, в которых будут синтезироваться самые разнообразные вещества. Таким образом, будут созданы принципиально новые химические технологии.
Зарождение эволюционной химии произошло в 1960-х годах, когда были открыты случаи самосовершенствования катализаторов в ходе реакции, тогда как обычно в процессе работы они дезактивировались, ухудшались и выбрасывались. Так, химики обратили внимание на процессы самоорганизации в химических системах, на существование в природе химических систем разной степени сложности, а также на процесс перехода от химических систем к биологическим, подняв тем самым химию на качественно новый, четвертый уровень.
Также было отмечено, что ведущую роль на предбиологической стадии эволюции играл катализ. Роль каталитических процессов усиливалась по мере усложнения состава и структуры химических систем. Именно на этом основании некоторые ученые напрямую стали связывать химическую эволюцию с самоорганизацией и саморазвитием каталитических систем. Иными словами, такая эволюция если не целиком, то в значительной мере связана с процессами самоорганизации каталитических систем.
3.Решение проблемы химического соединения
1. Концепция дискретности организации вещества.
2. Концепция непрерывности организации вещества.
3. Развитие понятия валентности.
Концепция дискретности организации вещества
Проблема приобрела особенную остроту в конце XVIII – начале XIX веков. Историки химии отмечают, что этот период был интересен состоянием знаний в химии, так как были достигнуты значительные успехи в некоторых разделах химии. С другой стороны:
- полное отсутствие представлений об основополагающих основах химии;
- не существовало надежных критериев для разграничения химического вещества и смеси веществ;
- вообще отсутствовали представления о взаимодействии атомов между собой; химия проблема эволюция биогенез
В этих условиях в 1793 году Рихтер показал, что химические элементы взаимодействуют не в произвольных, а в строго определенных количествах, сохраняющихся в виде неизменных пропорциональных чисел, при переходе от одного сложного тела к другому. Эта упорядоченность была названа стехиометрией. Причем до появления представлений об атомных массах, эти числа Рихтера оставались загадкой.
В 1799 году Ж. Пруст установил, что в независимости от способов получения, химически индивидуальные сложные тела имеют постоянный состав.
Таким образом, переход от одного химического соединения к другому носит дискретный характер. И учение о стехиометрии завершается законом простых и кратных отношений Дальтона:
-Химическое взаимодействие элементов сводится к соединению неделимых атомов в простейшие дискретные частицы сложных тел.
Все эти 3 закона сейчас лежат в основе химии – основные законы химии. А единство качественной и количественной характеристики химического соединения оформилось в виде теории, которую называют атомистикой Дальтона: при помощи представлений об атомах разных элементов и о простейших способах объединения в молекулы объяснить дискретность химических отношений, скачкообразность перехода от одного соединения с постоянным составом к другому соединению с другим постоянным составом.
Из атомистики Дальтона вытекает, что атомная дискретность строения вещества служит основой дискретности всех химических отношений. Дальтон показал, что сила взаимодействия между атомами в химическом соединении постоянна и инвариантна и при переходе от одного химического соединения к другому достаточна велика. В 1811 Авогадро, используя основные химические законы, показал, что O2, N2, H2, состоят из молекул, содержащих по 2 атома. Таким образом, в представлении о преобладании дискретности оставались ведущими в развитии химии до появления квантовой химии (30-е года XX).
Концепция непрерывности организации вещества
Одновременно развивалась другая точка зрения, основоположником учения о ведущей роли непрерывности по отношению к дискретности химической организации вещества был Клод Бертолле. В 1801 г. опубликовал результаты исследований, из которых следует:
1)Эффект химического взаимодействия веществ определяется двумя факторами:
- взаимным сродством этих веществ (а)
- массой реагирующих веществ (б)
Произведение этих факторов Бертолле назвал химической массой.
2) В большинстве химических реакций (реакции обмена) одно более активное вещество вытесняет другое не только в силу большего сродства, но и благодаря большей массе, взятой в реакции, и если бы отсутствовал фактор (б), то все реакции шли бы только в одну сторону, в сторону вытеснения сильными реагентами слабых.
3) Но Бертолле показал, что если изменить условия и соотношения действующих масс, то эта реакция может быть обратимой, то есть большинство химических реакций являются обратимыми и степень обратимости реакций зависит от действующих масс и условий процесса.
4) Все вещества состоят из множества мельчайших частиц, взаимодействие между которыми может привести (в зависимости от (а) и (б)) либо к образованию частиц большего размера (р. присоединения), либо к перегруппировке их (р. обмена).
5) Состав образующихся соединений в общем случае должен быть переменным, что характерно для растворов и сплавов, таким образом, подход Бертолле оказался противоположным подходу Дальтона.Дальтон считал, что сила взаимодействия постоянна, а Бертолле – переменна; концепция Бертолле была в то время весьма прогрессивной, но в силу своей преждевременности получила поражение в дискуссии, длившейся 8 лет. Идеи Бертолле нашли дальнейшее развитие в работах Менделеева, выводы которых были следующие:
- растворы представляют собой истинные химические соединения, переменность состава которых обусловлена ассоциацией или диссоциацией сульфатов, растворенных друг в друге или в избытке растворителя. Наметился синтез представлений об атомной дискретности строения и непрерывности отношений сложных тел (изменение энергии химической связи).
В учении Менделеева о теории растворов послужила работа Курнакова, создавшего стройные учения о существовании и способах получения бертоллидов - химических соединений переменного состава, и дальтонидов – химических соединений постоянного состава.
Важнейшей особенностью бертоллидов является динамика их существования или единство структуры и динамики.
Курнаков рассматривал фазы переменного состава как соединения постоянного состава в состоянии диссоциации и взаимодействия с исходными компонентами.
Развитие понятия валентности
Любое научное понятие эволюционирует. Эволюция понятия это накопление информации и переход с одного уровня знаний к более высокому уровню с сохранением чего-либо инвариантного.
Впервые понятие валентности было введено в химии для отражения свойств изолированного атома, при этом валентностью (атомностью) считалась целочисленная величина, выражающая количество единиц сродства свободного атома любого элемента, при этом для H2 установили 1 единицу сродства, для O2 - 2 единицы, а для С – 4 единицы.
Далее валентность рассматривалась как причина образования парных межатомных связей и устанавливалась по числу этих связей. При этом многочисленные случаи совпадения числа единиц сродства привели к отождествлению причины и следствия, поэтому с 1870 и по сей день валентность – это число химических связей, осуществляемых атомом при образовании соединений, то есть единицу сродства свободного атома заменили структурной характеристикой связанного атома.
К концу XIX века из большого числа экспериментальных данных появились выводы, свидетельствовавшие о нецелочисленности валентности связанного атома. Одновременно Вернер в координационных соединениях выдвинул понятие координационного числа, идентичного понятию валентности, но противоречащее установившемуся определению. В результате понятие валентности стало аморфным и неясным по существу. Успехи химии в XX не уточнили и еще более углубили кризисное состояние понятия валентности, поэтому сложилась система понятия валентности:
- число единиц сродства свободного атома
-валентность элемента в соединении часто оказывается нецелочисленной
- свободные валентности связанного атома
- понятие о многоцентровой химической связи (делокализованной)
Таким образом, понятие валентности расщепилось на 4 самостоятельных понятия.
Химия, как и любая другая наука, решает ил пытается решить огромное число проблем разного уровня и масштаба, разного целевого назначения и разной значимости, поэтому важно в большом потоке работ не потерять главных, генеральных направлений, видеть главный контур химической науки и их движение.
Цель настоящего обзора состоит в определении главных и наиболее актуальных путей и направлений современной химии. Авторы стремились объективно оценить это направления, отвлекаясь от личных научных интересов и привязанностей. Их можно было бы упрекнуть в неполноте или беглости анализа проблем; однако всякий мыслящий читатель понимает, что полнота изложения здесь — вещь недостижимая.
Всякое научное исследование, всякий научный поиск (в том числе и химии) должен отвечать на три главных вопроса: что, зачем, как?
Первый вопрос — что делать, что искать, какова цель поиска; второй вопрос— зачем это нужно делать, какова полезность и необходимость ожидаемого результата, где его можно использовать, как он может повлиять на смежные области науки, техники и производства; третий вопрос— каким наиболее рациональным средствам вест поиск, как выбрать оптимальный, кратчайший и самый надежный и экономичный путь однозначного решения поставленной задачи. Это логика научного поиска соответствует их логике данной статьи: часть её касается вопросов: что? и зачем? (главы V—X), другая часть отвечает на вопрос как? (главы I I — I V ).
Авторы надеются вернуться к теме данной статьи спустя несколько лет и оценить, как продвинулось решение изложенных здесь проблем и насколько верны оказались сегодняшние прогнозы.
Проблемы химии считаются на сегодняшний день очень важными. Но как и все остальные проблемы химии требуют решения. В данной работе мы рассмотрели её основные проблемы, проанализировали их и нашли пути решения.
Список литературы
1. Горелов А.А. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по гуманитарным специальностям. - М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2002.
2. Концепция современного естествознания: Под ред. профессора С.И. Самыгина. Изд. третье. Ростов н/Д: «Феникс», 2001 - 576 с.
3. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. Учебное пособие. М.,1999.
4. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. - М.: Высшая школа, 1996.
5. Богдановский Г.А. Химическая экология. -М.: МГУ, 1994.
6. Зайцев О.С. Химия. Современный курс: Учебное пособие. - М.: Агар, 1997.
7. Глинка. Общая химия. Л.: Химия, 1991
8. Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г. Химия. Учебники для 8-11 кл. М. 1997
2
- Основные проблемы социологии конфликтов
- Основные проблемы социологии труда
- Основные проблемы средневековой философии
- Основные проблемы теории морали и нравственности
- Основные проблемы Топливно - энергетического комплекса Республике Беларусь
- Основные проблемы ТЭК РБ
- Основные проблемы управления персоналом кризисного предприятия
- Основные проблемы современного государственного управления в мире
- Основные проблемы современного менеджмента и зарубежные модели менеджмента
- Основные проблемы современного образования
- Основные проблемы современной молодежи
- Основные проблемы современной педагогической психологии
- Основные проблемы современной семьи
- Основные проблемы современной семьи и их характеристика
