Методы и концепции в познании химии

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНтСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

государственное образовательное учреждение  высшего профессионального образования

«тюменский государственный нефтегазовый  университет»

ФИЛИАЛ  в  г. ЯлуторовскЕ

Контрольная работа

по дисциплине «Концепции  современного  естествознания»

Тема: «Методы  и  концепции  в  познании  химии»

                                                                         Выполнила: студентка группы ГМУзс-10

      Сидорова Л.Ю.

  Проверила: Девяткова О.Д.

Ялуторовск

2010

Содержание

Введение…………………………………………………………………….3

1. Предмет познания химической науки и ее проблемы…………………..4

2. Методы и концепции познания в химии…………………………………5

3. Учение о составе веществ…………………………………………………8

4. Уровень структурной химии…………………………………………..…11

5. Учение о химических процессах…………………………………………13

6. Эволюционная химия……………………………………………………..14

Список литературы…………………………………………………………..21

Введение.

Химия — это «наука, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения». Она изучает природу и свойства различных химических связей, энергетику  химических реакций, реакционную способность веществ, свойства катализаторов и т.д.

Развитие химических знаний стимулируется необходимостью получения человеком различных веществ для своей жизнедеятельности. Для этого приходилось искать пути получения из одних веществ другие, осуществляя их качественные превращения. На базе познания глубинных свойств различных веществ возникла теоретическая химия, которая в настоящее время представляет собой высокоупорядоченную и постоянно развивающуюся систему знаний. В наши дни химическая наука дает возможность получать вещества с заданными свойствами, находить способы управления этими свойствами, что является основной проблемой  химии и системообразующим началом ее как науки.

Целью  данной  работы  является  рассмотрение  следующих  вопросов:           1.  От каких факторов зависят свойства веществ?

2.      Объяснить понятие «концептуальные системы химии».

3.      Для чего химики изучают лабораторию «живой природы»?

4.      Какими видятся конструкционные и строительные материалы будущего?

5.      Кто является основоположником системного подхода в развитии химических знаний? Какую систему он построил?

6.      Какие элементы называют органогенами и почему?

7.      Каковы потенциальные возможности химии?

1. Предмет познания химической науки и ее проблемы

Своеобразную программу исследования химических явлений впервые сформулировали и приняли ученые-химики на первом Международном съезде химиков в Карлсруэ в Германии в 1860 г. Они исходили из того, что:

•     все вещества состоят из молекул, которые находятся в непрерывном и самопроизвольном движении;

•     все молекулы состоят из атомов;

•     атомы и молекулы находятся в непрерывном движении;

• атомы представляют собой мельчайшие, далее неделимые составные части молекул.

Этим подводился своего рода итог развитию представлений о веществе как состоящем из неделимых атомов и молекул. На данной концептуальной основе в середине XIX в. была разработана стройная атомно-молекулярная теория, которая впоследствии оказалась не в состоянии объяснить многие экспериментальные факты конца XIX — начала XX в. Картина прояснилась с открытием сложного строения атома, когда стали ясны причины связи атомов, взаимодействующих друг с другом. В частности, химические связи указывают на взаимодействие атомных электрических зарядов, носителями которых оказываются электроны и ядра атомов. Осуществляют химические связи между атомами электроны, расположенные на внешней оболочке и связанные с ядром наименее прочно. Их назвали валентными электронами. В зависимости от характера взаимодействия между этими электронами различают ковалентную, ионную и металлическую химические связи.

Ковалентная связь осуществляется за счет образования электронных пар, в одинаковой мере принадлежащих обоим атомам. Ионная связь представляет собой электростатическое притяжение между ионами, образованное за счет полного смещения электрической пары к одному из атомов. Металлическая связь — это связь между положительными ионами в кристаллах атомов металлов, образующихся за счет притяжения электронов, но перемещающихся по кристаллу в свободном виде.

Химическая связь является таким взаимодействием, которое связывает отдельные атомы в более сложные образования: в молекулы, ионы, кристаллы, т.е. в те структурные уровни организации материи, которые изучает химическая наука. Химическую связь объясняют взаимодействием электрических полей, образующихся между электронами и ядрами атомов в процессе химических преобразований. Прочность химической связи зависит от энергии связи.

Основываясь на законах термодинамики, химия определяет возможность того или иного процесса, условия его осуществления, внутреннюю энергию. «Внутренняя энергия — это общий запас энергии системы, который складывается из энергии движения и взаимодействия молекул, энергии движения и взаимодействия ядер и электронов в атомах, в молекулах».

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, а именно, от концентрации, температуры и присутствия катализаторов. Описывая химическую реакцию, ученые скрупулезно отмечают все условия ее протекания, поскольку в других условиях и при иных физических состояниях веществ эффект будет иным.

Таким образом, химическая наука изучает химические элементы, процессы химического взаимодействия различных веществ, проблемы получения новых веществ с заданными свойствами и множество других проблем, возникающих в процессе развития химических знаний.

2. Методы и концепции познания в химии

Химические знания до определенного времени накапливались эмпирически, пока не назрела необходимость в их классификации и систематизации, т.е. в теоретическом обобщении. Основоположником системного освоения химических знаний явился Д.И. Менделеев. Попытки объединения элементов в группы предпринимались и ранее, однако не были найдены определяющие причины изменений свойств химических веществ.

Д.И. Менделеев исходил из принципа, что любое точное знание представляет систему. Такой подход позволил ему в 1869 г. открыть периодический закон и разработать Периодическую систему химических элементов. В его системе основной характеристикой элементов являются их атомные веса. Периодический закон Д.И. Менделеева сформулирован в следующем виде: «Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов».

Это обобщение давало новые представления об элементах, но в силу того, что еще не было известно строение атома, физический смысл его был не вполне доступен пониманию. В современном представлении этот периодический закон формулируется следующим образом: «Строение и свойства элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов и определяются периодически повторяющимися однотипными электронными конфигурациями их атомов»1. В своей книге «Элементы», опубликованной в 1993 г., Дж. Эмсли определяет свойства элементов более, чем по 20 параметрам.

До системного подхода в химии Д.И. Менделеева учебники по химии были очень громоздкими и состояли из многих томов по несколько сот страниц. Учебник Д.И. Менделеева «Основы химии», выпущенный в 1868—1871 гг. и построенный на системных обобщениях, логично излагал в одной книге стройную систему знаний того времени.

Современная химическая наука опирается на ряд основных химических законов: закон сохранения массы (масса веществ, вступающих в реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции); закон сохранения энергии (при любых взаимодействиях, имеющих место в изолированной системе, энергия этой системы остается постоянной и возможны лишь переходы из одного вида энергии в другой); закон постоянства состава (любое химически индивидуальное соединение имеет один и тот же количественный состав независимо от способа его получения); закон кратных отношений (если два элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то массы одного из элементов, приходящихся в этих соединениях на одну и ту же массу другого, относятся между собой как небольшие целые числа); закон объемных отношений (при одинаковых условиях объемы вступающих в реакцию газов относятся друг к другу и к объемам образующихся газообразных продуктов реакции как небольшие числа); закон Авогадро (в равных объемах любых газов, взятых при одной и той же температуре и при одинаковом давлении, содержится одно и то же число молекул) и другие законы.

Современную картину химических знаний объясняют с позиций четырех концептуальных систем, которые схематично можно представить следующим образом:

4. Эволюционная химия

3. Учение о химических процессах

2. Структурная химия

1. Учение о составе 1660-е гг.    1800-е гг.    1950-е гг.    1970-е гг.   

Настоящее время

На рисунке показано последовательное появление новых концепций в химической науке, которые опирались на предыдущие достижения, сохраняя в себе все необходимое для дальнейшего развития.

О качественном росте знаний в химии при переходе от одной концептуальной системы к другой, более совершенной, и получении на их базе новых веществ можно судить на примере изготовления синтетического каучука.

Широкое развитие авто- и авиастроения потребовало производства каучука в гораздо больших масштабах, чем прежде. Назрела проблема получения искусственного каучука. В начале XX в. русский ученый С.В.. Лебедев получил каучук на основе дивинила. Однако этот процесс оказался дорогим и трудоемким. В 1928 г. С.В. Лебедев открыл продуктивный метод получения сырья для производства каучука из этилового спирта. Этим было положено начало промышленному синтезу каучука. Но и такое производство тоже оказалось чрезвычайно дорогостоящим. Исходное сырье дивинил синтезировали из этилового спирта, который получали из пищевых продуктов, содержащих крахмал и сахар, причем только третья часть спирта имела выход, остальное шло в отходы. Во всей цепи по производству каучука было занято значительное количество людей.

Новые возможности получения исходного сырья дивинила для производства каучука представились с выходом химических знаний на уровень учения о химических процессах. Дивинил стали получать из нефти, отпала необходимость в использовании пищевого сырья. Такое производство существует и сегодня.

Более обнадеживающие перспективы получения синтетического каучука представляются на новом — эволюционном уровне развития химии. Имеются сведения о пиролизе нефтяного сырья в условиях плазмы при температуре в 4—5 тыс. градусов, когда реакция проходит в течение тысячных долей секунды. В этих условиях производительность возрастает многократно по сравнению с существующим способом. Один человек, обслуживающий небольшой реактор-плазмотрон, может заменить целый завод.

Далее будут рассмотрены все четыре концептуальные системы.

3. Учение о составе вещества

На этом уровне решались вопросы определения химического элемента, химического соединения и получения новых материалов на базе более широкого использования химических элементов.

Первое научное определение химического элемента, когда еще не было открыто ни одного из них, сформулировал английский химик и физик Р. Бойль. Первым был открыт химический элемент фосфор в 1669 г., потом кобальт, никель и др. Открытие французским химиком А.Л. Лавуазье кислорода и установление его роли в образовании различных химических соединений позволило отказаться от прежних представлений об «огненной материи» (флогистоне). Лавуазье впервые систематизировал химические элементы на базе имевшихся в XVIII в. знаний. Эта систематизация оказалась ошибочной и в дальнейшем была усовершенствована Д.И. Менделеевым. Система Лавуазье определяла место элемента по атомной массе. В настоящее время место химического элемента определяют по заряду атомного ядра, который отражает индивидуальные свойства элемента. Например, элемент хлор имеет два изотопа (две разновидности), отличающиеся друг от друга по массе атома. Но оба они относятся к одному химическому элементу — хлору из-за одинакового заряда их ядер.

В Периодической системе Д.И. Менделеева насчитывалось 62 элемента, в 1930-е гг. она заканчивалась ураном (Z = 92). В учебнике «Химия» выпуска 2002 г. автор Н.Л. Глинка дает на развороте «Периодическую систему элементов Д.И. Менделеева», содержащую 103 элемента. В 1999 г. в СМИ прошло сообщение, что путем физического синтеза атомных ядер открыт 114-й элемент.

Вопросы, связанные с химическими соединениями, длительное время не вызывали споров в среде химиков. Казалось очевидным, что именно относится к химическим соединениям, а что — к простым телам или смесям. Однако применение в последнее время физических методов исследования вещества позволило выявить физическую природу химизма, т.е. внутренние силы, которые объединяют атомы в молекулы, представляющие собой прочную квантово-механическую целостность. Такими силами оказались химические связи, проявляющие волновые свойства валентных электронов.