Содержание
Введение
.Особенности химии как науки
.Химическая форма материи
.Теория химической эволюции
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Роль химии в системе современного научного знания определяется, во-первых, местом химической формы материи в закономерном мировом процессе развития и, во-вторых, комплексом задач, которые ставит общество перед химическими технологиями в сфере материального производства и охраны окружающей среды.
Химическое вещество возникло из физической формы материи, и поэтому все химические процессы могут быть достаточно глубоко объяснены только на основе изучения их физических механизмов. Химия, используя выражение Гегеля, содержит в себе физический мир «в снятом виде», то есть как включенный в состав физических объектов. С этим фактом связана дискуссионная проблема современного естествознания - проблема соотношения физики и химии. В наиболее остром виде она формулируется как вопрос: являются ли химические процессы самостоятельными, качественно специфичными природными явлениями или их можно без остатка свести к физическим? Проблема соотношения химизма с более сложной формой материи - биологической - выглядит несколько иначе. Жизнь достаточно сильно отличается от химических реакций как таковых, и в науке не возникает вопроса о возможности полного сведения биологических явлений к химическим. Однако реконструкция истории возникновения жизни из химических процессов, анализ химических механизмов функционирования живого в современной науке еще не доведены до конца.
1.Особенности химии как науки
С древних времен химия была непосредственно связана с хозяйственной деятельностью общества. Можно считать, что основная проблема химии - это проблема генезиса свойств вещества как ключ к производственной задаче получения веществ с нужными свойствами. Специалисты по истории естествознания выделяют четыре сменявшие друг друга концептуальные схемы химии. Смена этих концептуальных схем вела к углублению теоретических представлений о строении и свойствах химической формы материи. Углубление теоретического анализа химизма, в свою очередь, использовалось для создания все более крупномасштабных химических технологий в сфере производства. Рассмотрим основные концептуальные схемы химического знания более подробно.
До возникновения научных способов анализа свойств вещества древнегреческие философы предложили первые умозрительные объяснения качественного разнообразия тел природы. Такие мыслители, как Левкипп, Демокрит, Эпикур, римлянин Тит Лукреций Кар предложили атомистическую теорию строения материи. Это была гениальная догадка о существовании атомов - мельчайших неделимых частиц, различиями которых объяснялись и различия свойств макроскопических тел. При всей своей наивности идея атома оказалась пророческой: теории современной химии фактически основываются на этом понятии (которое, конечно, было многократно уточнено в ходе развития науки). В противовес атомизму Гераклит, Эмпедокл и Аристотель разрабатывали континуалистское (антиатомистическое) видение мира. По их мнению, вещи состоят из различных сочетаний четырех дискретных стихий: земли, воды, воздуха и огня. И атомистическая, и континуалистская концепции вещества были слабо связаны с практической производственной деятельностью и уже не удовлетворяют современным критериям научности, сохраняя преимущественно историческое значение.
Первая строго научная концептуальная система химии, сохраняющая до настоящего времени теоретическую и практическую ценность, - учение, разработанное во 2-й половине XVII века английским ученым Р. Бойлем. В это время потребности раннекапиталистической промышленности привели к формированию экспериментальной науки. Экспериментальный подход в области физики позволил опровергнуть многочисленные ошибочные взгляды на законы природы, установить, например, постоянство ускорения свободного падения (Г. Галилей), сформулировать законы механики (И. Ньютон) и т.д. В химии метод научного эксперимента привел к не менее значительной научной революции. Р. Бойль отверг представления о четырех стихиях как основе вещественного мира, ввел понятие элементов как простых, далее неразложимых тел, из которых состоят химические соединения, и показал, что наименьшей частицей простого тела является состоящая из атомов корпускула. Экспериментальная химия становится наукой о составе веществ, или, по определению Д.И. Менделеева, наукой о химических элементах и их соединениях. В рамках первой концептуальной системы химии создается возможность целенаправленного изменения химического состава веществ. Технологические процессы этого типа господствовали в химическом производстве вплоть до начала промышленной революции конца XVIII - начала XIX вв.
Вторая концептуальная система может быть названа структурной химией. В результате открытия в начале XIX века изомерии и полимерии появились догадки о том, что свойства и качественное разнообразие веществ обусловлены не только их составом, но и еще каким - то фактором. Этим фактором оказалась структура вещества. Возникает ряд химических теорий высокой степени общности и абстрактности, имеющих огромную теоретическую и практическую ценность. Период становления структурной химии называют «триумфальным маршем органического синтеза». В 1870-1890-х годах он привел к получению разнообразных красителей для текстильной промышленности, всевозможных лекарственных препаратов, искусственного шелка и т.п. На этом уровне развития химии возникла технология получения органических веществ.
Однако триумф структурной химии длился не так долго. В начале XX в. интенсивное развитие автомобилестроения, авиации, энергетики и приборостроения стало предъявлять к науке более высокие требования. Возникает потребность получения в очень большом количестве материалов с заранее заданными свойствами: высокооктанового моторного топлива, особых смазок, специальных каучуков и пластмасс, высокостойких изоляторов, жаропрочных органических и неорганических полимеров, полупроводников. Методы структурной химии, основанные на использовании веществ растительного происхождения, не могли обеспечить достаточных масштабов производства и качественного многообразия синтезируемых продуктов.
Новый скачок в развитии химического производства в начале XX в. был связан с созданием третьей концептуальной схемы химии - учения о химических процессах, которое более адекватно и всесторонне описывает объект этой науки. Объект химии понимается теперь не как законченное вещество, а как процесс превращения веществ. В соответствии с логикой нового подхода Ю.А. Жданов отмечает, что узловым понятием современной химии становится не «вещество» или «молекула», а «активированный комплекс», то есть существующий во время реакции радикал с незамкнутыми связями: «В понятии переходного состояния, активированного комплекса в первую очередь заключена идея химического самодвижения, напряженного противоречия материи, развития и изменения химических тел». Предметом изучения химии становится, таким образом, уже не структура молекулы, а химическая организация кинетической системы, в которой структура молекулы представлена только как одна из многих характеристик. Достижение нового уровня химических знаний позволило им стать более действенными в практическом отношении: появились новые возможности органического синтеза и новые методы управления химическими процессами. Мировое производство таких материалов, как синтетический каучук, пластмассы, искусственные волокна, моющие средства, этиловый спирт и т.п., стало базироваться на нефтяном сырье, а производство азотных удобрений - на использовании азота воздуха. Появляется технология нефтехимических производств с ее поточными системами, обеспечивающими непрерывные высокопроизводительные процессы.
В последние десятилетия намечается переход к наиболее сложной, четвертой концептуальной системе химической науки - эволюционной химии. Рассмотрение химической формы материи в развитии - как ступени закономерного процесса эволюции материального мира в центом - позволит выйти на новый уровень и в сфере химической технологии. Этот уровень связан прежде всего с реализацией идеи крупнейших ученых прошлого - возможностью копирования, воспроизведения сложных химических процессов, происходящих в живом организме (самоорганизация химических систем, ферментативный катализ и т.п.). Химия на этом уровне впервые берет на вооружение метод историзма и с его помощью пытается решить проблему биогенеза, освоить каталитический опыт живой природы, моделировать биосистемы с целью осуществления самых разнообразных процессов - от фотохимического разложения воды на кислород и водород до синтеза моделей биополимеров в комплексе с биорегуляторами. К наиболее интересным исследованиям в области эволюционной химии можно отнести работы М. Кальвина по химической эволюции, И. Пригожина - по термодинамике необратимых процессов и теорию саморазвития открытых каталитических систем А.П. Руденко.
.Химическая форма материи
Одной из актуальных теоретических проблем современной химии является вопрос о статусе химической формы материи. От решения этой проблемы непосредственно зависит определение самостоятельного или подчиненного характера химии как науки, ее места в системе научного знания и стратегии дальнейшего развития.
Согласно первой, получившей распространение в результате создания квантовой химии, химическое можно полностью свести к физическому. С этой точки зрения химия является наукой о поведении электронов в атомах и молекулах, а химическое качество, поскольку его носители слагаются из физических компонентов, есть не что иное, как физическое, принявшее особо сложную форму. Химия в таком случае превращается в одну из отраслей физической науки.
Согласно второй точке зрения атомы, молекулы и другие надатомные структуры следует рассматривать как специфические химические субстраты, обладающие в то же время физическим способом взаимодействия. Если не существует специфического химического взаимодействия, то не существует и химической формы движения материи, так как определенная форма движения всегда включает в себя и определенное взаимодействие такого же уровня сложности. Отрицание особой химической формы движения ведет, в свою очередь, к отрицанию специфического химического субстрата, химической формы материи, поскольку каждая форма движения и взаимодействия находится в прямой связи с формой материи.
Согласно третьей точке зрения существует самостоятельная химическая форма материи, способом существования которой является специфическая химическая форма движения, представляющая собой химические реакции. Химическими носителями, то есть субстратами химических процессов, являются атомы, молекулы, свободные радикалы, каталитические системы и другие надатомные структуры. Элементарной (простейшей) субстратной единицей химической реакции выступает особое химическое образование - атом. Специфически химическая природа атома, молекулы и других химических систем выражается в существовании специфической химической формы движения. Этот подход, наиболее точно соответствующий данным современной науки, может быть обоснован рядом аргументов в пользу существования самостоятельного химического качества. Существование самостоятельной химической формы материи, обладающей особым химическим качеством, подтверждается следующими фактами.
Во-первых, химическое качество имеет строго определенный субстрат, обладающий химической целостностью, - атом. Разделение атома на компоненты (ядро и электроны) приводит к потере целостного химического качества. С точки зрения процесса развития такое разделение является переходом от высшей формы материи (химической) к низшей (физической). «Верхней» границей, то есть наиболее сложной формой существования химического качества, являются надмолекулярные комплексы - коллоидные образования, открытые каталитические системы, не способные к конвариантной редупликации. (Конвариантная редупликация или матричное копирование является биологическим механизмом возникновения новых организмов на основе считывания информации, закодированной в молекулах нуклеиновых кислот). В субстратах более высокой степени сложности, воспроизводящихся через матричное копирование, ассимиляцию и диссимиляцию, химическая форма материи включена уже в «снятом», подчиненном виде. Она проявляется там как включенная в более сложную - биологическую форму материи. Именно возникновение конвариантной редупликации оказывается, по современным представлениям, тем качественным скачком, который разделяет химическое и биологическое.
Во-вторых, химическое качество проявляется в существовании периодического закона Д.И. Менделеева. Периодическая зависимость свойств элементов от их места в системе имеет физические механизмы (строение электронных оболочек), однако «вывести», дедуцировать химические качества из физических процессов невозможно. «Методы квантовой механики, - отмечает Ю.А. Жданов, - с успехом работают тогда, когда они берут в качестве своей основы выработанные в химии понятия молекулы, ее строения, валентности атомов... Даже в тех случаях, когда компьютер дедуцирует неизвестную молекулярную структуру, используется логический аппарат химических понятий. Квантово-механические расчеты могут дать ответ на вопрос, какая из альтернативных конфигураций атомов обладает минимумом потенциальной энергии и явится наиболее устойчивой и вероятной, но сами эти конфигурации обычно предварительно задаются, исходя из принципов химического строения, стереохимии и валентности. Если же от этих понятой отказаться, то не только рухнет химическая наука, но и физики потеряют твердую почву анализа химических явлений».
В-третьих, химические связи между качественно различными атомами с физической точки зрения различаются только количественно, например, величиной электроотрицательности. С точки зрения химии они, наоборот, качественно различны, так как качественно различаются образующие их химические элементы. Синтез совершенно новых классов химических веществ с самыми удивительными свойствами не ведет к появлению каких-либо принципиально новых физических энергий. В этой ситуации проявляется общая закономерность взаимосвязи основных форм материи: качественные изменения высшего опираются на количественные изменения включенных в него элементов низшей формы материи.
В-четвертых, химические превращения не исчерпываются физическими, массэнергетическими процессами. Присутствуя в любой химической реакции, массэнергетические превращения не определяют ее протекание, зависящее в первую очередь от химического сродства. В этом смысле все химические вещества и процессы образуют некий «надмассэнергетический мир». «Процесс эволюции ядер атомов, химических элементов не является собственно химической эволюцией, т.е. развитием вещества на молекулярном уровне». Изменение физических систем не обязательно влечет за собой возникновение какого-либо химического процесса.
В-пятых, химические качества намного разнообразнее физических. Если весь вещественный мир состоит из трех типов элементарных частиц, то его химическое многообразие выражается в существовании миллионов соединений (даже без учета полимеров и намного большего числа белков и нуклеиновых кислот). Многообразие химического превосходит многообразие физической формы материи и в процессуальном плане. Так, одинаковые с точки зрения макроскопической физики явления - изменения температуры, превращение энергии из одного вида в другой - оказываются физически одинаковыми результатами процессов, которые по своему химическому содержанию различаются не только количественно, но и качественно. Такое физическое явление, как разогрев, может быть следствием тысяч разнообразных химических процессов.
В-шестых, «не только изменения химического состава, что само собой очевидно, но и изменение строения связаны в химии с изменением свойств, качеств веществ». Химические молекулы, состоящие из одинакового количества одних и тех же атомов, могут образовывать большое качественное многообразие веществ. Физические объекты - например, ядра атомов - такого многообразия не порождают: один и тот же набор протонов и нейтронов всегда соответствует одному и тому же строго определенному изотопу.
Таким образом, данные современной науки достаточно убедительно показывают, что химическая форма материи - не одна из разновидностей физических явлений, а новая, самостоятельная, качественно более сложная ступень эволюции материального мира, обладающая собственным специфическим субстратом и законами развития.
3.Теория химической эволюции
Как отмечалось выше, основной особенностью современного уровня анализа химической формы материи является переход от третьей теоретической системы - учения о химических процессах - к четвертой, получившей название эволюционной химии. Само возникновение эволюционной химии стало результатом предшествующего пути развития, пройденного этой наукой. Оно подготовлено изучением и созданием все более сложных веществ и все более глубоким проникновением в законы их строения и механизмы изменений.
«Идея эволюции, развития в химии возникла, выкристаллизовалась не сразу. Первоначально она расплывалась, растворялась в общих представлениях об изменениях, превращениях веществ». До сих пор химию часто рассматривают как науку о составе, строении и свойствах химических соединений. «Химию можно определить как науку о веществах - об их строении, свойствах и реакциях, в результате которых одни вещества превращаются в другие», - считают Л. Поллинг и П. Поллинг. По мнению Ю.А. Жданова, в настоящее время» ее можно назвать наукой об атомно-молекулярной истории природных и искусственных тел. Эта история включает в себя космический круговорот веществ на Земле и в ее оболочках, на иных планетах, в межзвездной среде, где условия допускают существование молекулярных структур. Но в бесконечных циклах и круговоротах мы фиксируем вполне определенное направление, которое состоит в прогрессивной эволюции химической формы движения».