166404 (Концепции современного естествознания (химическая составляющая))

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ТИХООКЕАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФИЛИАЛ В Г. АРСЕНЬВЕ

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

химическая составляющая

Учебное пособие

(основные теоретические положения курса)

Арсеньев

2007

Содержание

1. Роль химии в развитии естественнонаучных знаний

1.1. Система химии, логика ее развития и построения

1.2. Практическое значение представлений о концептуальных системах химии

1.3. Теоретическое значение представлений о Системе химии

1.4.Выводы

2. Проблемы и решения на уровне учения о составе

2.1. Проблема вовлечения новых химических элементов в производство материалов

2.2. Проблема частичной замены металлов новыми видами керамики

2.3. Элементоорганические соединения, их использование в создании современных материалов.

2.4.Выводы

3. Проблемы и решения на уровне структурной химии

3.1. Эволюция понятия «структура» в химии

3.2. «Триумфальное шествие органического синтеза»

3.3. Пределы структурной органической химии

3.4. Новые проблемы структурной химии

3.5. Выводы

4. Проблемы и решения на уровне учения о химических процессах

4.1. Проблема катализа

4.2. Проблемы энергетики будущего

4.3. Химия экстремальных состояний

4.4.Выводы

5. Эволюционная химия - высшая ступень развития химических знаний. Ближайшие перспективы химии

5.1. «Лаборатория живого организма» - идеал химиков

5.2. Ферменты в биохимии и биоорганической химии

5.3. Пути освоения каталитического опыта живой природы

5.4. Предпосылки возникновения эволюционной химии

5.5. Понятия «организация» и «самоорганизация» и их познавательные функции в химии.

5.6. Общая теория химической эволюции и биогенеза А.П. Руденко

5.7. Нестационарная кинетика и развитие представлений об эволюции химических систем

5.8.Выводы

6. Кинетика химических реакций

6.1 Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ

6.2 Влияние температуры на скорость реакции

6.3 Катализ

6.4 Поверхность соприкосновения реагирующих веществ

7 Правила выживания в химической лаборатории

1. Роль химии в развитии естественнонаучных знаний

1.1 Система химии, логика ее развития и построения

Что такое химия? Химия является высокоупорядоченной - постоянно развивающейся системой знаний о веществах, имеющей определенное социальное назначение и свое место в ряду других наук.

Система представляет собой совокупность элементов или частей, выступающих как единое целое, в которой существует их взаимное влияние и взаимное качественное преобразование. Под системой химии подразумевается объединение всех химических знаний в концептуальные системы, которые находятся между собой в отношениях иерархии, т.к. каждая концептуальная система - это определенный уровень знаний

Рассмотрим системообразующие основы химии. Системообразующим началом в химии может являться только какое-то ее наиболее общее основание, не изменяющееся при любых изменениях ее теории и методов.

Зачем была нужна химия человечеству? Чтобы получить из природных веществ необходимые человеку металлы и керамику, известь и цемент, стекло и бетон, красители и лекарства, взрывчатые вещества и горючесмазочные материалы, каучуки и пластмассы, химические волокна и материалы с заданными электрофизическими свойствами (полупроводники, изоляторы, сверхпроводники).

Поэтому все химические знания, приобретаемые за многие столетия, объединяет одна главная задача химии - задача получения веществ с необходимыми свойствами. Для ее реализации надо уметь из одних веществ производить другие и знать от чего зависят свойства, т.е. осуществлять качественное превращение веществ.

Эта проблема возникла в древности и не теряет своего значения в наши дни. Таким образом, вся история химии, все ее развитие является закономерным процессом смены способов решения ее основной проблемы.

Свойства веществ зависят от четырех факторов: от его элементного и молекулярного состава; от структуры его молекул; от термодинамических и кинетических условий, в которых вещества находятся в процессе химических реакций; от высоты химической организации вещества.

Поэтому основная проблема химии имеет только четыре общих способа решения:

на первом уровне с учетом одного фактора - изменения состава - учение о составе;

на втором уровне с учетом двух факторов - изменение состава и структуры – структурная химия;

на третьем уровне - с учетом многих факторов (состава, структуры, кинетических, термодинамических факторов) - учение о химических процессах;

на четвертом уровне - с учетом самоорганизации реакторной системы - эволюционная химия.

Строго последовательное закономерное появление четырех способов решения основной проблемы химии послужило причиной строгой упорядоченности построения системы химии, которую следует считать логикой этой науки.

1.2 Практическое значение представлений о концептуальных системах химии

Представления о концептуальных системах химии позволяют оценить, какими возможностями располагает эта наука для производства новых материалов, каковы ее ближайшие перспективы, на какие теории и методы можно рассчитывать при решении задач синтеза новых веществ. В качестве примера рассмотрим получение синтетического каучука (СК).

Получение СК стало актуальным в начале XX века в связи с высокой стоимостью ввозимого в страну натурального каучука и недостаточным количеством для нужд резинотехнической промышленности. Без резины невозможно развитие авто- и авиатранспорта, изготовление плащей и непромокаемой обуви. Первые успехи в ее синтезе были получены в нашей стране.

Синтез каучука в промышленном масштабе был грандиозным успехом, однако, полученный каучук (дивинил) был дорог: он требовал огромных затрат труда и материальных ресурсов. Его получали из этилового спирта с низким выходом (28%), две трети используемого спирта уходило в отходы. Спирт в свою очередь получали из зерна или картофеля - дорогого пищевого сырья. На тот момент времени это был единственный способ. Требовалось найти более дешевый способ, используя химические знания.

В 1950-х годах химия в целом стала подниматься на уровень учения о химических процессах. Изучение кинетических и термодинамических факторов, определяющих скорость и направление химических реакций, позволило найти условия (температуру, давление и т.д.), при которых из множества направлений термического разложения нефтяного сырья, можно было выбрать то, которое позволит получить дивинил с высоким выходом.

Следующим этапом модернизации синтеза каучука стало использование продуктов переработки нефти: каучук стали получать из дивинила, образующегося при пиролизе нефти. Отпала необходимость в пищевом сырье, снизились затраты. Резко изменилась технология в сторону упрощения производства, сократилась численность работников (с 200-250 тыс. до 3-5 тыс.). В настоящее время на этом уровне и осуществляется производство СК.

В последние годы наметилось дальнейшее усовершенствование технологии получения СК. Появились первые сведения о решении задачи получения дивинила и других мономеров СК на четвертом эволюционном пути развития химии. В этом случае реакцию пиролиза нефтяного сырья осуществляют в условиях плазмы - особого рода газа, состоящего из свободных электронов и ионов, при температуре 4000-5000⁰С. Реакция протекает мгновенно - за десятитысячные доли секунды, строго необратимо с высоким выходом образования дивинила.

С_nH_2n+2 → H₂C=CH—CH=CH₂

Высокая скорость и необратимость данной плазмохимической реакции позволяют достигнуть высокой производительности реактора, которая сопоставима с производительностью целого завода. Один небольшой реактор - плазмотрон, диаметром 20 см и длиной 60 см, обслуживаемый одним человеком, способен заменить пиролизный завод с 3-5 тысячами рабочих.

1.3 Теоретическое значение представлений о Системе химии

Важность представлений о Системе химии лучше всего охарактеризовал Д.И. Менделеев. «Как там ни рассуждайте и не критикуйте историю, - писал он, - а людскому уму мало одних частностей: необходимы систематические обобщения, т.е. классификация, разделение общего; потом нужны законы, гипотезы и теории. Если еще нет этих обобщений, знание еще не наука, не сила, а рабство перед изучаемым. Науки нет в частностях: она в общем, в целом, в слиянии частностей в систему.»

Систематический труд Д.И. Менделеева привел к открытию Периодического закона и созданию Периодической системы химических элементов. Это принципиально новый «план здания химии», который в 1860-70-х годах, состоял только из первого этапа - учения о составе веществ. Этот новый этап позволил коренным образом перестроить всю систему химического образования и создать лучший в мире учебный курс «Основ химии».

На сегодняшний день экспериментальные химические данные выросли в тысячи раз. Теперь есть сведения о 8 миллионах индивидуальных химических соединений постоянного состава и миллиардах соединений переменного состава.

Система современной химии с ее четырьмя концептуальными уровнями стала единственной надежной опорой классификации химических знаний. И вместе с тем она служит главной опорой для определения тенденций и ближайших перспектив развития химического производства.

Ваша точка зрения?

1. В чем заключается основная проблема химии? Почему она является двуединой и каковы варианты ее решения?

2. Чем обусловлена последовательность появления разных способов решения основной проблемы химии?

3. Что означает «Система химии, логика ее развития и построения»?

4. Дайте толкование понятий «уровень химических знаний», «концептуальная система химии».

5. Каковы практическое и теоретическое значения представлений о концептуальных системах химии?

1.4 Выводы

1. Главная задача химии - задача получения веществ с необходимыми свойствами.

2. Системообразующим началом химии выступает двуединая проблема: получение веществ с заданными свойствами и выявление способов управления свойствами веществ.

3. Свойства веществ зависят от четырех факторов: от элементного и молекулярного состава; от структуры его молекул; от термодинамических и кинетических условий, в которых вещества находятся в процессе химических реакций; от высоты химической организации вещества.

4. Представления о концептуальных системах химии позволяют оценить, какими возможностями располагает эта наука в смысле производства новых материалов, на какие теории и методы можно рассчитывать при решении задач синтеза новых веществ.

5. Система современной химии с ее четырьмя концептуальными системами служит главной опорой для определения ближайших перспектив развития химического производства.

2. Проблемы и решения на уровне учения о составе

Способ решения основной проблемы химии - проблемы происхождения свойств веществ - стал выражаться посредством схемы: СОСТАВ → СВОЙСТВА

Этот способ положил начало учению о составе веществ, которое явилось первым уровнем научных химических знаний.

Три главные проблемы решались на уровне учения о составе: проблема химического элемента; проблема химического соединения; проблема вовлечения все большего числа химических элементов в производство новых материалов.

Особое внимание будет обращено на решение третьей проблемы, т.к. ее исследование открывает новый мир - вторую природу, нам не ведомую.

2.1 Проблема вовлечения новых химических элементов в производство материалов

Рассмотрим возможности, которые предлагаются самой природой, ее материальными ресурсами.

Первая из них – приведение в соответствие практики использования химических элементов в производстве с их ресурсами в природе.

Если сравнить распространенность элементов в природе с наиболее часто применяемыми человеком материалами, нетрудно заметить между ними обратно пропорциональную зависимость: человек часто использует те элементы, запасы сырья которых ограничены, и меньше использует те элементы и их соединения, сырьевые ресурсы которых почти безграничны.

Восемь химических элементов составляют 98,6% массы физически доступного слоя Земли. Картина их распределения следующая: О – 47%; Si – 27,5%; Al – 8,8%; Fe – 4,6%; Ca – 3,6%; Na – 2,6%; K – 2,5%; Mg – 2,1%.

Заметим, что железа почти в два раза меньше, чем алюминия. Однако 95% всех металлических изделий производится из железосодержащего сырья. На основании данных о распространенности восьми названных элементов, можно подумать о перспективах увеличения использования алюминия и магния в создании металлических материалов ближайшего будущего.

Кремний в виде соединений чрезвычайно широко распространен в земной коре, однако пока недостаточно используется. Силикаты составляют 97% всей массы земной коры. Соединения кремния могут стать в ближайшем будущем основным сырьем для производства практически всех строительных материалов и полуфабрикатов для изготовления керамики, способной конкурировать с металлами.

2.2 Проблема частичной замены металлов новыми видами керамики

Вторая проблема состоит в последовательной замене металлов различными видами керамики. Металлы и керамика – это два вида материалов, которые на 90% составляют материальную основу условий жизни человечества.

В мире ежегодно производится около 600 миллионов тонн металла – свыше 150 кг на каждого жителя планеты. Керамики вместе с кирпичом производится столько же. Однако изготовление металла обходится в сотни и тысячи раз дороже, чем изготовление керамики.