загрузка...
загрузка...
На головну

Предмет пізнання хімії та її основні проблеми.

  1. Amp; 1. Предмет соціальної філософії
  2. Amp; 10. Основні напрямки сучасної філософія історії
  3. I Основні інформаційні процеси і їх реалізація за допомогою комп'ютерів
  4. I. Основні і допоміжні процеси
  5. II. 6.4. Основні види діяльності та їх розвиток у людини
  6. II. Основні завдання та їх реалізація
  7. II. Зміна уявлень про предмет психології

хімія - Це наука, що вивчає властивості і перетворення речовин, що супроводжується зміною складу і будови.

Система, яка утворює чинники:

1) Отримання речовин із заданими властивостями.

2) Виявлення способу управління властивостями речовини.

Вся еволюція хімічної науки є процесом зміни способів вирішення проблеми хімії.

Вирішити ці завдання можна 4 способами від того, що властивості речовин залежать:

1) Від його елементного і молекулярного складу. Вчення про будову речовини.

2) Від термодинамічних і кінетичних умов, в яких речовина знаходиться. Вчення про хімічні процеси.

3) Від структури речовини. Структурна хімія.

4) Від висоти хімічної організації речовини. Еволюційна хімія.

В історії хімії відбувається строго закономірна зміна концептуальних систем, в рамках яких вирішується основне завдання хімії.

Основні поняття хімічної науки:

Хімічна зв'язок - Це така взаємодія, яке пов'язує окремі атоми в молекули, іони, кристали.

Природа хімічного зв'язку - Пояснюється взаємодією електричних полів, які створюються електронами і ядрами атома.

енергія зв'язку - Це кількісна характеристика, яка оцінюється кількісно за допомогою енергією, що витрачається на її розрив.

Залежно від характеру розставляння електронної щільності виділяють 3 типи зв'язку:

1) ковалентних зв'язків. Здійснюється за рахунок утворення спільних електронних пар. Якщо належать в рівній мірі, то говорять про ковалентного неполярной зв'язку. Якщо навпаки, то ковалентний полярна.

2) іонну. Здійснюється за рахунок електростатичного притягання між іонами, шляхом повного зміщення електронної пари до одного з атомів. У цьому випадку зв'язок здійснюється за рахунок тяжіння різнойменно заряджених частинок.

3) Металеву. Здійснюється між позитивними іонами в кристалах і вільними іонами, що переміщаються по кристалічній решітці.

Застосування законів термодинаміки в хімії дозволяє вирішити питання про принципову можливість протікання процесів.

Хімічна кінетика пояснює якісна зміна хімічних процесів з плином часу.

Тепловий ефект хімічної реакції. Залежить від природи реагентів, їх фізичного стану, від умов протікання реакцій і від кількості взаємодіючих речовин. У хімії виділяють ендотермічні (з поглинанням) і екзотермічні реакції.

Методи і концепції пізнання в хімії.

3 концептуальне вчення хімії: еволюційна хімія.

Вчення про склад речовини. Проблема елементарного і молекулярного складу.

При вирішенні питання і склад речовини, перед хіміками встають 3 основні проблеми:

1) Проблема хімічного елемента.

2) Проблема хімічної сполуки.

3) Проблема створення нових матеріалів.

Рішення першої проблеми:

З точки зору сучасної хімії - хімічний елемент - це сукупність всіх атомів з однаковим зарядом ядра.

З точки зору хімії, заряд ядра забезпечує індивідуальність хімічного елемента.

Роберт Бой - видатний англійський хімік і фізик вперше розповідав про будову речовини. Хімічний елемент являє собою просте речовина, яке є межею хімічного розкладання.

Наступний етап: Антуану Ларуану Лавуазьє - основоположник теорії флогістон. Перша наукова теорія хімії. В рамках теорії флогістону були відкриті такі хімічні елементи. До них відноситься, кобальт, нікель, фосфор, водень, фтор, азот, хлор, марганець. Одночасно у Франції був відкритий новий хімічний елемент. Кисень. Він визначив роль кисню в створенні кислот, води. Він спробував здійснити першу систематизацію хімічних елементів.

Наступний етап пов'язаний з Менделєєвим. Був відкритий періодичний закон або періодична система. За часів Менделєєва - це було геніальне емпіричне узагальнення. Це свідчило про відкриття нових законів. Властивості простих тіл, а також їх форма і спосіб з'єднання знаходяться в періодичній залежності від величини атомних мас елементів, так вважав Менделєєв.

Фізичний сенс періодичного закону: Періодичність розташування елементів в цій таблиці залежав від заряду ядра атома.

Проблема хімічної сполуки. Суть проблеми полягає в розумінні різниці, що потрібно відносити до хімічної сполуки, а що потрібно ставитися до сумішей. Ясність у це питання було внесено, коли був відкритий «закон сталості складу». Відкрито Джозефом Маусом. Індивідуальні властивості речовини, на відміну від суміші, залежать від однорідності речовини. Індивідуальні речовини, на відміну від суміші, складаються з найдрібніших частинок атомів. Ці атоми складаються з більш дрібних атомів і склад будь-якого хімічної сполуки. Склад представлений великими формулами: АВ, А2В, АВ2, А2В2 і т.д. Ці найпростіші атоми входять до складу молекул. Атоми А і В, відповідно до закону еквівалентів, можуть бути замінені за наступними хімічним реакціям.

Склад хімічної сполуки залишається постійним. Закон всяке чисте речовина, незалежно від способу отримання, має постійний склад.

Інше уявлення про склад речовини було у Джона Дальтон. Створює атомно-молекулярне вчення, яке базується на уявлення прусском ептале. Він вважав, що хімічні сполуки мають не постійний, а змінний склад. А саме, Ах і Ву. Якщо вони мають низьку величину, то говорять про з'єднання речовин.

Кінець 19 століття, російський учений Коновалов показав, що з'єднання з перемінним складом має право існувати. Більш того, індивідуальні хімічні сполуки, що мають змінний склад, отримали назву - бертоліди.

Проблеми створення нових матеріалів:

Це дуже актуально. Тому що 80%, що оточують нас хімічних елементів - це метали і кераміка. В рамках вирішення створення матеріалів виділяють 3 завдання:

1) Приведення у відповідність, практиці використання хімічних елементів.

3) Синтез елемента атоміческіе з'єднань. Кераміка є напівпровідником. Через наявність кисню.

4) Проблеми і рішення на рівні структурної хімії.

Розвиток структурної хімії збігається з початком 19 століття. Це перш за все розвиток мануфактурного виробництва. До складу будь-якого органічного елемента входять тільки галогени - вуглець, кисень, азот, сірка, що становлять 98%, а решта 2 відсотки - це інші 11 елементів. І тому в рамках вчення про склад речовини - це вирішити було неможливо. Вчення про структуру речовини дозволило проблему - Ф. Кекуле. Вводить поняття валентності. Кекуле говорить про те, що в процес утворення хімічних зв'язків, реалізує певне число валентних зв'язків. Кожен з цих елементів може утворювати обмежене число зв'язків. На підставі них Кекуле створює формульний схематизм. Використовуючи формульний схематизм Кекуле, можна було створювати будь-які хімічні сполуки. Друга половина 19 століття ознаменувалася відкриттям величезної кількості органічних сполук. А саме, в період з 1860 року по 1880 рік було синтезовано більше 1,5 мільйона органічних сполук. Були текстильні вироби. Було синтезовано лікарські препарати - аспірин, антипірин.

Межі структурної хімії пов'язані. Вихідні речовини і продукти реакції. Цих відомостей недостатньо, щоб керувати хімічним процесом.

2) Органічна структурна хімія мала дуже низькі виходи продуктів.

3) Організаційні процеси. Синтез аміаку.

В рамках структурної хімії. Закономірно основна проблема про хімічні процеси.

Вчення про хімічні процеси:

1) Управління хімічними процесами ділиться на термодинамічні методи.

До наступного тижня готуємося до тестування з питань: 12-16, 22, 23, 24, 28-30.

Основні моменти і положення переглянути самостійно.

Хімічні реакції, в яких рівновагу зміщений в бік утворення елементів. Кожна хімічна реакція може бути оборотна. Досить ясно, хіміками було ясно. Див. Вище синтез аміаку.

Зі збільшенням температури збільшується швидкість хімічної реакції.

Якщо на систему, що знаходиться в рівновазі, вплинути ззовні, то всередині пройде процес, який максимально послабить даний вплив. Знаходяться газоподібні речовини.

Термодинаміка не оперує поняттям часу.

Закон Ван Кува. Багатокомпонентні реакторні системи. Суть проблеми полягає в тому, щоб подивитися, яким чином, впливає на хімічний процес не тільки вихідні речовини і продукти реакції, а й так звані треті тіла: 1) Вплив розчинника на перебіг хімічної реакції в рамках вчення про склад і структуру речовини не враховувалося, а виявилося, що розчинники впливають на хід хімічної реакції. А саме, частина реакції швидко протікає в кислому середовищі і абсолютно не йдуть в нейтральному середовищі і лужної. Наприклад, етерифікації.

2) На перебіг хімічної реакції, істотний вплив роблять стінки реактора. Наприклад, крекінг нафти, що протікає за участю стінок реактора, які виступають в якості каталізатора.

3) Важливий вплив на хімічних процес надають випадкові домішки. Вони можуть уповільнювати і прискорювати швидкість хімічної реакції.

4) Вплив каталізатора. Каталозі був відкритий в 1812 році, К. Кірхгоф. Наприклад, водень + азот = NH3 данную реакцію не могли змістити в сторону продукту реакції. Рівновага зміщується вправо. Каталізатор може змістити рівновагу і прискорити хімічну реакцію. У присутності каталізатора Заліза або титану, вдається знизити температурні процеси до 16 градусів з 400 градусів.

Еволюційна хімія - це найвищий ступінь розвитку знань. Датується 70-ми роками 19 століття. За еволюційними проблемами розуміють процеси мимовільного синтезу нових хімічних сполук. Нові хімічні сполуки, отримані шляхом самоорганізації більш складні, більш високоорганізованим речовинами, в порівнянні з вихідними. Ці проблеми вирішуються двояко.

Шляхи освоєння каталітичного досвіду живої природи.

Йде за різними напрямками:

1) Розвиток металокомплексного аналізу.

2) Моделювання биокатализаторов.

3) Використання досягнень хімії иммобилизованной системи. Сутність іммобілізації полягає в закріпленні на штучно створеній підкладці, виділених з живого речовини, ферментів. Вивчення досвіду живої природи по створенню ферменту.

Процес самоорганізації має свій початок в еволюційної хімії, тому самоорганізація - це поняття, що є дітищем еволюційної хімії, сходження систем на більш високі рівні складності і системної упорядкованості.

Рішення проблем самоорганізації передбіологічних систем.

В рамках вирішення даної проблеми існує 2 підходи:

1) Субстрактний. Суть в тому, що дає інформацію про відбір хімічних елементів і структур в процесі еволюції. Чому саме елементи органогенов входять до складу живої істоти? Саме відповідь на це питання дає даний підхід. 6 елементів + ??12: Натрій, Калій, Кальцій, Магній, Алюміній, Залізо, Кремній, Хлор, Мідь, Цинк, Кобальт, Нікель. В результаті еволюції йшов відбір і хімічних сполук, а саме: з відомих на сьогоднішній день 100 амінокислот, в будівництві живого беруть участь тільки 20 амінокислот. Дослідження показують, що в ході еволюції відбиралися ті структури і хімічні елементи, які сприяли активізації селективності і активності каталітичних груп.

2) Функціональний. Зосереджено на законах самоорганізації.

Основи термодинаміки. Про термодинаміки закритих систем синергетики.

Матерія постійно рухається. Раз так, мірою руху матерії, її кількісної характеристикою є енергія. Енергія може існувати в різних формах. Закони перетворення однієї форми енергії в іншу, вивчає термодинаміка.

термодинамічна система - Це окреме тіло або сукупність тіл, які фактично або подумки відокремлені від навколишнього середовища. У термодинаміки існує система, в якій відображена довкілля. Навколишнє середовище і термодинамічна системи можуть взаємодіяти один з одним. Залежно від типу, термодинамічні системи діляться на 2 великі групи:

1) Ізольовані. Такі системи, які не обмінюються з навколишнім середовищем ні енергією, ні масою.

2) Неізольовані. Діляться на: 1) Відкриті системи. Обмінюються енергією, масою та інформацією. 2) Закриті системи обмінюються з навколишнім середовищем енергією, але не обмінюються масою. Всі живі системи, як і соціальні, є відкритими системами. Ізольовані системи простіше.

Стан системи - це сукупність її фізичних і хімічних властивостей системи, які характеризуються за допомогою термодинамічних параметрів (концентрації, тиску, обсягу і т.д.).

термодинамічний процес - Це всяка зміна в стані системи, яке супроводжується зміною хоча б одного термодинамічної параметра.

В основі термодинаміки лежать 3 основних закони (початку):

1) Закон збереження і перетворення енергії, стосовно до макроскопічних тіл. Перша формулювання була зроблена в 18 столітті. Вивчала вона - вічний двигун першого роду неможливий. Вічний двигун першого роду - це пристрій, за допомогою якого можна було б виробляти механічну роботу без зовнішнього впливу на нього. Математичний вираз першого закону термодинаміки виглядає: Тепло, яке отримує система, витрачається на зміну внутрішньої енергії і на здійснення роботи проти зовнішньої сили. Q = дельтаU + A.

2) У 1850 року було сформульовано 2-е початок термодинаміки - Рудольф Флавію. Звучить наступним чином - теплота не може сама собою переходити від холодного тіла до нагрітого тіла. 4 роками пізніше, а саме 1854 році, Рудольф Клавзіус вводить поняття - ентропія. Це функція стану системи поряд з концентрацією, тиском і т.д., яке характеризує макро стан системи, міра хаосу, невпорядкованості системи. На відміну від інших функцій стану, ентропію виміряти не можна. Її можна тільки обчислити. Математичний вираз. Вимірювання ентропії більше або дорівнює дельтаS більше одно Q / Т. При оборотних процесах, зміна ентропії дорівнює нулю. При необоротних процесах, Зміна ентропії більше або дорівнює. Якщо система ізольована і знаходиться в стані рівноваги, то зміна ентропії і теплоти дорівнює 0. Якщо система ізольована і знаходиться не в рівноважному стані, то дельта S такої системи завжди більше 0.

Статистична природа другого почав термодинаміки. Класична термодинаміка розглядає макро системи, не вникаючи в корпускулярну структуру. Питання: Чому в системі відбуваються процеси, що призводять її з нерівноважного стану в рівноважний?

І друге питання: Чому ці процеси є незворотними?

Відповідей не дає класична термодинаміка.

Взаємозв'язок між статистично усередненими параметрами системи та макроскопічними параметрами, дає сучасна термодинаміка.

У 1872 році, Людвіг Больцман встановив наступну залежність: енергія прямо пропорційна натуральному алгоритму. K - постійна Больцмана. Термодинамічна ймовірність встановлює число микросостояний, які відповідають цій микростанів. В ізольованій системі, процес піде в сторони зростання ентропії. І буде до тих пір, поки не встановиться певну рівновагу.

3) Початок подивитися самостійно

Теорія «теплової смерті» Всесвіту.

Рудольф Клаузіус є основоположником даної теорії. Він вважав, що якщо всесвіт замкнута, то з точки зору 2 початку, ентропія всесвіту зростала, отже, всі види енергії у Всесвіті рано чи пізно перейдуть в теплову енергію. Значить, все макроскопічні процеси, які будуть супроводжуватися переносом енергії мас заряду, припиняться. Зірки згаснуть, всі існуючі перепади температур вирівняються. При цьому, повна енергія системи зберігається. Закон збереження енергії працює. Але при цьому зникне абсолютно все. Жодна машина не зможе прийти в рух.

Ця гіпотеза була парадигмальной другої половини 19 століття і гіпотеза неспроможна з наступних причин:

1) Сформульовано для систем макросвіту. А поширили на об'єкти мегамира. Це не коректно.

2) Всесвіт ізольованою системою не є. Володіє властивостями як: неоднорідність, нестаціонарність, нескінченність. Для об'єктів мегамира, вирішальні значення мають гравітаційні сили.

3) На рівні всесвіту. Звідси випливає, що при розвитку об'єктом мегамира грають фруктуаціі і випадковості. І, як наслідок, цього, другий початок термодинаміки можна застосовувати до великих ділянках всесвіту не можна.

Стійкість, нестійкість, біфуркація.

Предметом класичної фізики 19 століття є прості, замкнуті, оборотні в часі, ізольовані системи. Переважна більшість число систем в реальному світі - це відкриті системи, які обмінюються з навколишнім середовищем енергією, масою.

70-ті роки ознаменувалися створенням нової теорії, «теорії самоорганізації», яка об'єдналася під загальною назвою - синергетика. Це міждисциплінарний підхід, який орієнтований на дослідженні принципів побудови організації: її виникнення, розвитку та самоусложненію.

Ключові ідеї синергетики формулюються в рамках 3 основних шкіл:

1) Російська школа нелінійної динаміки. Основоположник - Гурдюмов.

2) Бельгійська дисипативних процесів. Основоположник - І. Пригожин.

3) Німецька школа лазерної фізики. Основоположник - Генрі Хакен.

Основне питання синергетики - Чи існують загальні закономірності, які керують самоорганізації системами? Визначальні їх структури і властивості.

Самоорганізуються, - це такі системи, які без специфічного впливу ззовні, знаходять деяку просторову, тимчасову або функціональну структуру.

Основні властивості самоорганізовується:

1) Відкритість. Відкрита система підтримується в певному стані за рахунок безперервного припливу ззовні речовини, енергії та інформації. Необхідна умова існування самоорганізовується. У відкритих системах ключову роль відіграють випадкові чинники, флуктуаційні процеси. Відкриті системи незворотні. У них вирішальну роль відіграють фактор часу.

2) Нелінійність. Це здатність самоорганізовується сприймати чинники ззовні і «враховувати» їх в своєму розвитку. На нелінійні системи не поширюється принцип суперпозиції. Сукупна дія факторів А і В, призводить до результату, відмінного від послідовної дії цих факторів. Нелінійність реалізується: процеси носять пороговий характер. Це означає, що при плавному, поступову зміну зовнішніх умов, в певний момент часу, система раптом стрибкоподібно змінює свої властивості. нелінійність системи реалізується в наявності зворотного позитивного зв'язку. Виробляється фермент. Присутність цього ферменту стимулює хімічний процес.

3) ДИСИПАТИВНИХ. Припускає, що в ході нерівноважних процесів спостерігається, як просторове, так і тимчасове упорядкування часу. Такі стани системи І. Пригожин назвав диссипативними системами.

Приклади самоорганізації на різних рівнях організації матерії.

1) Осередки Бернара. Явище було відкрито в 1901 році. Це приклад самоорганізації на фізичному рівні організації матерії. Суть процесу: Будь-яка рідина поміщається між 2 пластинами, на яких створюється градієнт температур. T1 і T2 і Т1> Т2. Нижні теплі шари рідини піднімаються вгору, верхні холодні спускаються вниз. Реалізується процес конвекції рідини. Як тільки, різниця температур досягає критичної, система порога раптом раптово знаходить просторове обмеження, а саме, Якщо перший осередок почнеться обертатися за годинниковою стрілкою, то парна починає обертається проти годинникової. Вибір напрямку руху першого осередку - процес випадковий, але якщо перша осередок закрутилася за годинниковою, то кожна непарна осередок буде носити закономірний характер.

Зверху, дана система буде мати вигляд правильного шестикутника.

Реакція Бєлоусова-Жівотенского. Ефект самоорганізації на хімічному рівні організації матерії. Суть реакції: Лимонна кислота, додається бромід калію. Реакція ведеться в присутності каталізатора. 3 валентний має червоний колір. 4 валентний церій має синє забарвлення. Після закінчення часу, в реакційній середовищі, акуратно відбувається чергування синіх і червоних смужок. Даний ефект виражається у вигляді графіка. Це відбувається з певним, чітко певним часовим періодом. Ця реакція відтворена і якщо взяти і струснути речовина, то через деякий час все відновиться.

Це говорить про те, що в системі виникає просторово-тимчасове впорядкування.

Класичним прикладом на самоорганізації на біологічному рівні організації матерії є система хижак-жертва.

Чисельність популяції хижака, з одного боку і чисельність популяції жертви, з іншого. Ефект: Чисельність популяції жертви призводить до збільшення чисельності популяції хижака. А збільшення популяції хижака зменшує жертву. За рахунок існування зворотного зв'язку, дана система існує в рівновазі з навколишнім середовищем. Якщо немає втручання ззовні, то відбувається саморегуляції чисельності. І це виражається в графіку, хвилеподібними лініями.

В системі характеризується просторово-тимчасове відмінність. Приклади самоорганізації на соціальному рівні.

Економічні хвилі Кондратьєва (розглянути самостійно, уч. Горбачов КСЕ). Цими прикладами була показана, що самоорганізуються, присутні на всіх рівнях організації матерії. Доречно буде розглянути еволюцію подібного роду систем.

Схема розвитку систем, що самоорганізуються:

1) У відкритій нелінійної системі енергія і маса надходять в систему довільно, дозовано. Отже, така система може вийти зі стану рівноваги.

У міру подальшого припливу енергії та маси, система все далі і далі відходить від стану рівноваги (як підсумок, система стає все більш нерівноважної і нерегульованої). На першому етапі відбувається перехід від порядку до хаосу. У кожної системи є точка максимального хаосу системи - біфуркації. Має загальне методологічне значення. Тобто система максимально разупорядочена. Точка біфуркації - це точка перелому в подальшому розвитку системи. Вкрай короткостроковий стан системи, але далі розвиток йде по будь-якому шляху системи, тобто точку можна зіштовхнути, як завгодно.

Вибір розвитку шляху системи випадковий до нового порядку, але, як тільки система вступила на певний крок, подальший шлях визначений.

Відрізок шляху від точки біфуркації до стану нового порядку називається аттрактором. Аттрактор подібний воронці.



Попередня   1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   Наступна

Методологія природознавства. | Поняття природознавства. Складові частини природознавства. | Поняття системи. Структурні рівні організації матерії. | Рівні пізнання. | Глобальні наукові революції. | Етапи розвитку природознавства. | Фундаментальні відкриття в галузі фізики на рубежі 19-20 століть. | Мегасвіти. | Біосферний рівень організації живої природи. |

загрузка...
© um.co.ua - учбові матеріали та реферати