Развитие химических концепций

Тема: Развитие химических концепций

Раздел: Бесплатные рефераты по концепции современного естествознания

Тип: Контрольная работа | Размер: 43.46K | Скачано: 271 | Добавлен 15.10.13 в 23:07 | Рейтинг: 0 | Еще Контрольные работы

Вуз: Финансовый университет

Год и город: Уфа 2013

План

1. Учение химии о составе вещества как особого ее уровня 3
2. Сущность уровня структурной химии 7
3. Учение о химических процессах и особенности эволюционной химии 9
4. Список использованной литературы 18

 

1. Учение химии о составе вещества как особого ее уровня

Химический со­став вещества рассматривается в рамках учения о составе, в кото­ром обычно выделяют три основные проблемы: проблему химического элемента, проблему химического соединения, проблему во­влечения химических элементов в производство новых материалов.

В настоящее время под химическим элементом понимают сово­купность атомов с одинаковым зарядом ядра. Начало современ­ному представлению о химическом элементе как о «простом теле» или как о пределе химического разложения вещества, переходящем без изменения из состава одного сложного тела в состав другого, первым положил Р. Бойль в середине XVII в. Химики того времени не знали ни одного химического элемента. Фосфор был открыт только в 1669 г., а потом повторно в 1680 г., кобальт — в 1735 г., ни­кель—в 1751 г., водород— в 1766 г., фтор — в 1771 г., азот — в 1772 г., хлор и марганец — в 1774 г. Любопытно, что кислород был открыт одновременно в Швеции, Англии и Франции в 1772—1776 гг.

Установив роль кислорода в образовании кислот, оксидов и воды, А.Л. Лавуазье опроверг господствовавшую в химии XVIII в. ложную теорию флогистона, согласно которой флогистон («ог­ненная материя») содержался во всех горючих веществах и выде­лялся из них при горении. На основании своего открытия Ла­вуазье создал принципиально новую теорию химии. Ему принад­лежит первая в истории попытка систематизации химических элементов. Он включил в свою систему кислород, водород, азот, серу, фосфор, углерод, семь известных к тому времени металлов, но также известь, магнезию, глинозем и кремнезем, мотивируя это тем, что они не поддавались дальнейшему разложению.

Дальнейшие попытки систематизации химических элементов привели Д.И. Менделеева к его великому открытию. Он пред­ложил считать показателем химического элемента его место в Пе­риодической системе элементов, определяемое по атомной массе. Свою систему Менделеев создал на основе открытого им перио­дического закона. Современная формулировка этого закона зву­чит так: свойства элементов находятся в периодической зависи­мости от заряда их атомных ядер. Заряд ядра Z равен атомному (порядковому) номеру элемента в системе. Элементы, располо­женные по возрастанию Z (H, He, Li, Be...), образуют семь перио­дов. В 1-м — два элемента (H, He), во 2-м и 3-м — по восемь, в 4-м и 5-м — по 18, в 6-м — 32, в 7-м периоде известны 24 элемента. В пе­риодах свойства элементов закономерно изменяются при перехо­де от щелочных металлов к благородным газам.

Открытие периодического закона стимулировало поиск но­вых химических элементов. Так, если во времена Менделеева бы­ли известны 62 элемента, то уже в 1930-е гг. система элементов за­канчивалась ураном (Z = 92). В дальнейшем элементы открыва­лись путем физического синтеза атомных ядер — Tc, Pm, At, Fr, Np, Pu и элементы после Z = 95 включительно, причем Tc, Pm, Fr, Np позже в ничтожных количествах обнаружены в природе. В на­стоящее время самым тяжелым синтезированным элементом яв­ляется элементсZ=112. Далее элементы оказываются неустойчи­выми. Однако ученые предполагают, что могут быть «островки ус­тойчивости» при Z = 126, 164 и даже 184.

Проблема химического соединения. Под химическим соединением в настоящее время понимают индивидуальное вещество, в котором атомы одного (например, N₂ и О₂) или различных (H₂SO₄, KCl) эле­ментов соединены между собой химической связью. Сейчас из­вестно свыше 5 млн химических соединений. Состав химических соединений в огромном большинстве случаев подчиняется зако­нам постоянства состава и кратных отношений. Первый закон, открытый Ж.Л. Прустом в начале XIXв., гласит, что каждое хими­чески чистое соединение независимо от способа и места его полу­чения имеет один и тот же постоянный состав, причем отношения масс атомов элементов постоянны. В соответствии с законом кратных отношений, открытым Дж. Дальтоном в начале XIX в., если два химических элемента образуют друг с другом более одно­го соединения, то массы одного элемента, приходящиеся на одну и ту же массу другого, относятся как целые числа, обычно неболь­шие. Так, в оксидах азота N₂O, NO, N₂O₃, N₂O₄, N₂O₅ соотноше­ния массы кислорода к массе азота составляют 1:2:3:4:5.

Проблема химического соединения до недавнего времени не вызывала споров у ученых. Было общепринято, что нужно от­носить к химическим соединениям, а что — к «простым телам», или смесям.

Проблема вовлечения химических элементов в производство новых материалов. Последняя проблема учения о составе — вовлечение новых химических элементов в производство материалов. Известно, что 98,6 % массы физически доступного слоя Земли со­ставляют всего восемь химических элементов: 47 % — кислород, 28 % — кремний, 9 % — алюминий, 5 % — железо, 4 % — кальций, 3 % — натрий, 3 % — калий, 2 % — магний. Однако эти ресурсы ис­пользуются неравномерно. Например, железа содержится в Земле в 2 раза меньше, чем алюминия, но более 95 % металлических изделий — конструкций, разнообразных машин и механизмов, транспортных путей — производится из железорудного сырья.

Распространенность кремния (97 % массы земной коры со­ставляют силикаты) дает основание утверждать, что силикаты мо­гут стать основным сырьем для производства практически всех строительных материалов и полуфабрикатов, при изготовлении керамики, способной конкурировать с металлами.

Металлы и керамика — материалы, на 90 % составляющие ма­териальную основу жизни человека. Достижения химии позволя­ют заменять металлы керамикой, причем керамика имеет плот­ность на 40 % меньше плотности металлов, что позволяет снизить массу изготовляемых из керамики деталей. Благодаря внедрению в производство керамики таких химических элементов, как цир­коний, титан, бор, германий, хром, молибден, вольфрам и др., стали получать керамические изделия с заранее заданными спе­циальными свойствами — огнеупорную, термостойкую, хемо- стойкую, высокотвердую, а также керамику с набором заданных электрофизических свойств.

В нашей стране в 1960-х гг. получен сверхтвердый материал — гексанит-Р — кристаллическая разновидность нитрида бора с тем­пературой плавления 3200 °С и твердостью, близкой к твердости алмаза, с рекордно высокой вязкостью; у него отсутствует хруп­кость, присущая керамике. Такая керамика производится мето­дом прессования порошков с получением необходимых форм и размеров, что делает ненужной дальнейшую обработку. Кроме то­го, создана керамика, обладающая сверхпроводимостью при тем­пературе выше температуры кипения азота (—195,8 °С). Это от­крывает перспективы для создания сверхмощных двигателей и электрогенераторов, транспорта на магнитной подушке, для раз­работки сверхмощных магнитных ускорителей, вывода полезных грузов в космос и т.п.

 

2. Сущность уровня структурной химии

 Структурная химия представляет собой уровень  развития химических знаний, на котором  доминирует понятие «структура», т.е. структура молекулы, макромолекулы, монокристалла. «Структура — это устойчивая упорядоченность качественно неизменной системы, каковой является молекула».

С возникновением структурной химии  у химической науки появились  неизвестные ранее возможности  целенаправленного качественного  влияния на преобразование вещества. Еще в 1857 г. немецкий химик Ф.А. Кекуле показал, что углерод четырехвалентен, и это дает возможность присоединить к нему до четырех элементов одновалентного водорода. Эта схема Кекуле натолкнула исследователей на понимание механизма получения новых химических соединений. А. М. Бутлеров заметил, что в таких соединениях большую роль играет энергия, с которой вещества связываются между собой. В настоящее время на уровне структуры молекулы понимается и пространственная, и энергетическая упорядоченность.

В 60—80-е гг. прошлого века появился термин «органический синтез». Из аммиака и каменноугольной смолы были получены анилиновые красители — фуксин, анилиновая соль, ализарин, а позднее — взрывчатые вещества и лекарственные препараты — аспирин и др. Структурная химия дала повод для оптимистических заявлений, что химики могут все.

Однако  дальнейшее развитие химической науки  и основанного на ее достижениях производства показали более точно возможности и пределы структурной химии. На уровне структурной химии не представлялось возможным получение этилена, ацетилена, бензола и других углеводородов из парафиновых, углеводородов. Многие реакции органического синтеза на основе структурной химии давали очень низкие выходы необходимого продукта и большие отходы в виде побочных продуктов. Вследствие этого их нельзя было использовать в промышленном масштабе.

    Кроме того, для производства на основе органического  синтеза использовалось дорогостоящее сельскохозяйственное сырье — зерно, жиры, молочные продукты. А сам технологический процесс является многоэтапным и трудноуправляемым.

    В последнее время ученые открыли  новую группу металло-органических соединений с двойной структурой, из-за чего они получили название «сэндвичевых соединений». Это не что иное как молекула, представляющая собой две пластины из соединений водорода и углерода, между которыми находится атом металла или атомы двух металлов. Пока они практического применения не нашли, но оказали влияние на пересмотр прежних взглядов на валентность и химические связи. Их рассматривают как доказательство наличия электронно-ядерного взаимодействия у молекул.

    Структурная химия неорганических соединений ищет пути получения кристаллов для производства высокопрочных материалов с заданными свойствами, обладающих термостойкостью, сопротивлением агрессивной среде и другими качествами, предъявляемыми сегодняшним уровнем развития науки и техники. Решение этих вопросов наталкивается на различные препятствия. Выращивание, например, некоторых кристаллов требует исключения условий гравитации. Поэтому такие кристаллы выращивают в космосе, на орбитальных станциях.

 

3. Учение о химических процессах и особенности эволюционной химии

Учение о химических процессах - область науки, в которой осуществлена наиболее глубокая интеграция физики, химии и биологии. В основе этого учения находятся химическая термодинамика и кинетика, поэтому оно в равной степени принадлежит физике и химии. Одним из основоположников этого научного направления стал русский химик Н.Н. Семенов, основатель химической физики.

Учение о химических процессах базируется на идее, что способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется кроме всего прочего и условиями протекания химических реакций, которые могут оказывать воздействие на характер и результаты этих реакций.

Важнейшей задачей химиков становится умение управлять химическими процессами, добиваясь нужных результатов. В самом общем виде методы управления химическими процессами можно подразделить на термодинамические (влияют на смещение химического равновесия реакции) и кинетические (влияют на скорость протекания химической реакции).

Для управления химическими процессами разработаны термодинамический и кинетический методы.

Французский химик А. Лее Шателье в конце XIX в. сформулировал принцип подвижного равновесия, обеспечив химиков методами смещения равновесия в сторону образования целевых продуктов. Эти методы управления и получили название термодинамических.  Каждая химическая реакция в принципе обратима, но на практике равновесие смещается в ту или иную сторону. Это зависит как от природы реагентов, так и от условий процесса.

Термодинамические методы преимущественно влияют на направление химических процессов, а не на их скорость.

Скоростью химических процессов управляет химическая кинетика, в которой изучается зависимость протекания химических процессов от строения исходных реагентов, их концентрации, наличия в реакторе катализаторов и других добавок, способов смешения реагентов, материала и конструкции реактора и т. п.

Химическая кинетика. Объясняет качественные и количественные изменения в химических процессах и выявляет механизм реакции. Реакции проходят, как правило, ряд последовательных стадий, которые составляют полную реакцию. Скорость реакции зависит от условий протекания и природы веществ, вступивших в нее. К ним относятся концентрация, температура и присутствие катализаторов. Описывая химическую реакцию, ученые скрупулезно отмечают все условия ее протекания, поскольку в других условиях и при иных физических состояниях веществ эффект будет разный.

Задача исследования химических реакций является очень сложной. Ведь практически все химические реакции представляют собой отнюдь не простое взаимодействие исходных реа­гентов, а сложные цепи последовательных стадий, где реагенты взаимодействуют не только друг с другом, но и со стенками реактора, могущими как катализировать (ускорять), так и ингибировать (замедлять) процесс.

Катализ - ускорение химической реакции в присутствии особых веществ - катализаторов, которые взаимодействуют с реагентами, но в реакции не расходуются и не входят в конечный состав продуктов. Он был открыт в 1812 г. российским химиком К. Г. С. Кирхгофом.

Сущность катализа сводится к следующему:

   1) активная молекула реагента достигается за счет их неполновалентного взаимодействия с веществом катализатора и состоит в расслаблении химических связей реагента;

   2) в общем случае любую каталитическую реакцию можно представить проходящей через промежуточный комплекс, в котором происходит перераспределение расслабленных (неполновалентных) химических связей.

Каталитические процессы различаются по своей физической и химической природе на следующие типы:

гетерогенный катализ - химическая реакция взаимодействия жидких или газообразных реагентов на поверхности твердого катализатора;

гомогенный катализ - химическая реакция в газовой смеси или в жидкости, где растворены катализатор и реагенты;

электрокатализ - реакция на поверхности электрода в контакте с раствором и под действием электрического тока;

фотокатализ - реакция на поверхности твердого тела или в жидком растворе, стимулируется энергией поглощенно­го излучения.

Применение катализаторов изменило всю химическую промышленность. Катализ необходим при производстве маргарина, многих пищевых продуктов, а также средств защиты растений. Почти вся промышленность основной химии (60-80 %) основаны на каталитических процессах. Химики не без основания говорят, что некаталитических процессов вообще не существует, поскольку все они протекают в реакторах, материал стенок которых служит своеобразным катализатором.

С участием катализаторов скорость некоторых реакций возрастает в 10 млрд раз. Есть катализаторы, позволяющие не просто контролировать состав конечного продукта, но и способствующие образованию молекул определенной формы, что сильно влияет на физические свойства продукта (твердость, пластичность).

В современных условиях одно из важнейших направлений развития учения о химических процессах - создание методов управления этими процессами. Поэтому сегодня химическая наука занимается разработкой таких проблем, как химия плазмы, радиационная химия, химия высоких давлений и температур.

Химия плазмы изучает химические процессы в низкотемпературной плазме при 1000-10 000 °С. Такие процессы характеризуются возбужденным состоянием частиц, столкновением молекул с заряженными частицами и очень высокими скоростями химических реакций. В плазмохимических процессах скорость перераспределения химических связей очень высока, поэтому они очень производительны.

Одним из самых молодых направлений в исследовании химических процессов является радиационная химия, которая зародилась во второй половине XX в. Предметом ее разработок - стали превращения самых разнообразных веществ под воздействием ионизирующих излучений. Источниками ионизирующего излучения служат рентгеновские установки, ускорители заряженных частиц, ядерные реакторы, радиоактивные изотопы. В результате радиационно-химических реакций вещества получают повышенную термостойкость и твердость.

Еще одна область развития учения о химических процессах - химия высоких и сверхвысоких давлений. Химические превращения веществ при давлениях выше 100 атм относятся к химии высоких давлений, а при давлениях выше 1000 атм - к химии сверхвысоких давлений.

При высоком давлении сближаются и деформируются электронные оболочки атомов, что ведет к повышению реакционной способности веществ. При давлении 102-103 атм исчезает различие между жидкой и газовой фазами, а при 103-105 атм - междутвердой и жидкой фазами. При высоком давлении сильно меняются физические и химические свойства вещества. Например, при давлении 20 000 атм. металл становится эластичным, как каучук.

Химические процессы представляют собой сложнейшее явление как в неживой, так и в живой природе. Эти процессы изучают химия, физика и биология. Перед химической наукой стоит принципиальная задача - научиться управлять химическими процессами. Дело в том, что некоторые процессы не удается осуществить, хотя в принципе они осуществимы, другие трудно остановить - реакции горения, взрывы, а часть из них трудноуправляема, поскольку они самопроизвольно создают массу побочных продуктов.

Эволюционная химия зародилась в 1950 - 1960 гг.   В основе эволюционной химии лежат процессы биокатализа, ферментологии; ориентирована она главным образом на исследование молекулярного уровня живого, что основой живого является биокатализ, т.е. присутствие различных природных веществ в химической реакции, способных управлять ею, замедляя или ускоряя ее протекание. Эти катализаторы в живых системах определены самой природой, что и служит идеалом для многих химиков.

Идея концептуального представления о ведущей роли ферментов, биорегуляторов в процессе жизнедеятельности, предложенная французским естествоиспытателем Луи Пастером в ХIX веке, остается основополагающей и сегодня.     Чрезвычайно плодотворным с этой точки зрения является исследование ферментов и раскрытие тонких механизмов их действия.

Ферменты- это белковые молекулы, синтезируемые живыми клетками. В каждой клетке имеются сотни различных ферментов. С их помощью осуществляются многочисленные химические реакции, которые благодаря каталитическому действию ферментов могут идти с большой скоростью при температурах, подходящих для данного организма, т.е. в пределах примерно от 5 до 40 градусов. Можно сказать, что ферменты - это биологические катализаторы.

В основе эволюционной  химии  принцип использования таких условий, которые приводят к самосовершенствованию катализаторов химических реакций, т. е. к самоорганизации химических систем.

В эволюционной химии существенное место отводится проблеме «самоорганизации» систем. Теория самоорганизации «отражает законы такого существования динамических систем, которое сопровождается их восхождением на все более высокие уровни сложности в системной упорядоченности, или материальной организации».  В сущности, речь идет об использовании химического опыта живой природы. Это своеобразная биологизация химии. Химический реактор предстает как некое подобие живой системы, для которой характерны саморазвитие и определенные черты поведения. Так появилась эволюционная химия как высший уровень развития химического знания.

Под эволюционными проблемами  понимают проблемы самопроизвольного синтеза новых химических соединений (без участия человека). Эти соединения являются более сложными и более 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, химики не интересовались вопросом происхождения вещества, потому что получение любого нового химического соединения всегда было делом рук и разума человека.

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. Для освоения опыта живой природы и реализации полученных знания в промышленности химики наметили ряд перспективных путей.

Во-первых ведутся исследования в области металлокомплексного катализа, который обогащается приемами, используемыми живыми организмами в реакциях с участием ферментов (биокатализаторов).

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 клетки, вне нее быстро разрушаются.

В-третьих, развивается химия иммобилизованных систем, благодаря которой биокатализаторы стали стабильными, устойчивыми в химических реакциях, появилась возможность их многократного использования.

В-четвертых, химики пытаются освоить и использовать весь опыт живой природы. Это позволит ученым создать полные аналоги живых систем, в которых будут синтезироваться самые разнообразные вещества. Таким образом, будут созданы принципиально новые химические технологии.

Изучение процессов самоорганизации в химии привело к формированию двух подходов к анализу предбиологических систем: субстратного и функционального.

Результатом субстратного подхода стала информация об отборе химических элементов и структур.

Химикам важно понять, каким образом из минимума хими­ческих элементов (основу жизнедеятельности живых организ­мов составляют 38 химических элементов) и химических соединений (большинство образовано на основе 6—18 элементов) образовались сложнейшие биосистемы.

Функциональный подход в эволюционной химии. В рамках этого подхода также изучается роль катализа и выявляются законы, которым подчиняются процессы самоорганизации химических систем.

Роль каталитических процессов усиливалась по мере усложнения состава и структуры химических систем. Именно на этом основании некоторые ученые стали связывать химическую эволюцию с самоорганизацией и саморазвитием каталитических систем.

На основе этих наблюдений профессор МГУ А.П. Руденко выдвинул теорию саморазвития открытых каталитических систем. Очень скоро она была преобразована в общую теорию химической эволюции и биогенеза. В ней решены вопросы о движущих силах и механизмах эволюционного процесса, т. е. о законах химической эволюции, об отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, о высоте химической организации и иерархии химических систем как следствии эволюции.

Сущность этой теории состоит в том, что эволюционирующим веществом являются катализаторы, а не молекулы. При катализе идет реакция химического взаимодействия катализатора с реагентами с образованием при этом промежуточных комплексов со свойствами переходного состояния. Именно такой комплекс Руденко назвал элементарной каталитической системой. Если в ходе реакции идет постоянный приток извне новых реактивов, отвод готовой продукции, а также выполняются некоторые дополнительные условия, реакция может идти неогра­ниченно долго, находясь на одном и том же стационарном уровне. Такие многократно возобновляемые комплексы являются элементарными открытыми каталитическими системами.

Саморазвитие, самоорганизация и самоусложнение каталитических систем происходят за счет постоянного притока трансформируемой энергии. А так как основным источником энергии является базисная реакция, то максимальное эволюционное преимущество получают каталитические системы, развивающиеся на базе экзотермических реакций. Таким образом, реакция является не только источником энергии, но и орудием отбора наиболее прогрессивных эволюционных изменений катализаторов.

Тем самым Руденко сформулировал основной закон химической эволюции, согласно которому с наибольшей скоростью и вероятностью реализуются те пути эволюционных изменений катализаторов, которые связаны с ростом их абсолютной каталитической активности. При этом по параметру абсолютной каталитической активности складываются механизмы конкуренции и естественного отбора.

Теория саморазвития каталитических систем дает следующие возможности: выявлять этапы химической эволюции и на этой основе классифицировать катализаторы по уровню их организации; использовать принципиально новый метод изучения катализа; дать конкретную характеристику пределов в химической эволюции и перехода от химогенеза (химического становления) к биогенезу, связанного с преодолением второго кинетического предела саморазвития каталитических систем.

Набирает теоретический и практический потенциал новейшее направление, расширяющее представление об эволюции химических систем, - нестационарная кинетика.

Развитие химических знаний позволяет надеяться на разрешение многих проблем, которые встали перед человечеством в результате его наукоемкой и энергоемкой практической деятельности.

Химическая наука на ее высшем эволюционном уровне углубляет представления о мире. Концепции эволюционной химии, в том числе о химической эволюции на Земле, о самоорганизации и самосовершенствовании химических процессов, о переходе от химической эволюции к биогенезу, являются убедительным аргументом, подтверждающим научное понимание происхождения жизни во Вселенной.

Химическая эволюция на Земле создала все предпосылки для появления живого из неживой природы.

Жизнь во всем ее многообразии возникла на Земле самопроизвольно из неживой материи, она сохранилась и функционирует уже миллиарды лет.

Жизнь полностью зависит от сохранения соответствующих условий ее функционирования. А это во многом зависит от самого человека.

 

Список используемой литературы

1. Концепции современного естествознания: Учебник / В.П. Бондарев. - 2-e изд., перераб. и доп. - М.: Альфа-М: ИНФРА-М, 2011. –512 с.
2. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов/ В.Н.Лавриненко, В.П.Ратников, Г.В.Баранов и др.; Под ред. проф. В.Н.Лавриненко, В.П.Ратникова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: ЮНИТИ-ДАНА,2002. 303 с.
3. Садохин А.П. Концепции современного естествознания. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2011. 212 с.

---

Понравилось? Нажмите на кнопочку ниже. Вам не сложно, а нам приятно).

---

Чтобы скачать бесплатно Контрольные работы на максимальной скорости, зарегистрируйтесь или авторизуйтесь на сайте.

Важно! Все представленные Контрольные работы для бесплатного скачивания предназначены для составления плана или основы собственных научных трудов.

---

Друзья! У вас есть уникальная возможность помочь таким же студентам как и вы! Если наш сайт помог вам найти нужную работу, то вы, безусловно, понимаете как добавленная вами работа может облегчить труд другим.

Добавить работу

---

Если Контрольная работа, по Вашему мнению, плохого качества, или эту работу Вы уже встречали, сообщите об этом нам.

---

Добавление отзыва к работе

Добавить отзыв могут только зарегистрированные пользователи.

---