От структуры к свойствам Образ и мысль

Учения о составе веществ. Исторически так сложилось, что учение об элементах и атомистические представления до начала XIX в. рассматривались как принципиально разные способы объяснения структуры и свойств тел. Свойства часто объясняли наличием в теле тех или иных элементарных начал, роль которых могли играть элементы Аристотеля (огонь, вода, воздух, земля), три первоначала Парацельса (ртуть, сера, соль) или какие-либо иные наборы элементарных сущностей. Сторонники же атомистических представлений связывали свойства с геометрическими и механическими характеристиками составляющих тело частиц (к примеру, с их величиной, формой, движением, с присущими им силами).

Но для того, чтобы эти два учения слились в одно, атомная теория должна была быть видоизменена. И главное, что предстояло сделать – это найти такое свойство атома, которое бы с одной стороны оставалось неизменным в ходе химических реакций и агрегатных переходов, а с другой – поддавалось бы количественному экспериментальному определению. Ни форма, ни величина атомов на эту роль не подходили хотя бы потому, что их невозможно было определить экспериментально. В качестве подходящего свойства атома Д. Дальтон выбрал относительный атомный вес (в настоящее время, как правило, используют термин «относительная атомная масса» или просто «атомная масса»).

Джон Дальтон (1766 – 1844) – английский физик и химик. Работал в области метеорологии и физики газов, описал дефект зрения, известный как дальтонизм

Все началось с метеорологии, которой Дальтон занимался всю свою сознательную жизнь, сделав около 200 000 записей о состоянии погоды. В процессе метеорологических наблюдений он заинтересовался свойствами газов и газовых смесей, причем, обсуждая те или иные вопросы физики газов, он использовал атомистические теории, весьма распространенные в Англии еще с XVIII в. В итоге, к 1801 г. у него сложились следующие представления о природе газообразного состояния:

– атомы газов окружены теплородной оболочкой, объем которой увеличивается с ростом температуры;

– между частицами газов действуют силы отталкивания, обусловленные отталкиванием теплородных оболочек и силы притяжения («химического сродства»);

– частицы газа располагаются в пространстве настолько плотно, что теплородные оболочки касаются друг друга (рис. 86).

Для ответа на целый ряд важных вопросов – почему происходит диффузия газов? Почему атмосфера не расслаивается, т. е. почему тяжелые газы не скапливаются у поверхности Земли? и т. д. – необходимо было, прежде всего, научиться определять состав газовой смеси. Для начала – хотя бы количество кислорода в ней: без этого невозможно было экспериментально изучать изменение состава атмосферы с высотой, растворимость газов в воде и другие проблемы. Наиболее быстрым способом определения кислорода в газовой смеси, по мнению Дальтона, могла служить так называемая «проба Пристли», т. е. реакции, которые в современной записи имеют вид:

2NO + O₂ NO₂ или, в присутствии воды

2NO + O₂ + H₂O HNO₂ + HNO₃

В итоге, Дальтон пришел к необходимости определить состав оксидов азота, а для этого надо было знать относительные атомные азота и кислорода. Таким образом, именно в процессе решения химической задачи о составе оксидов азота возникла задача определения относительных атомных масс. Однако, чтобы составить шкалу относительных атомных масс (Дальтон принимал массу атома водорода за единицу), нужно было знать атомные составы соединений – сколько атомов каждого элемента входит в молекулу («сложный атом» по терминологии Дальтона) данного соединения, а для того, чтобы определить атомный состав соединения надо знать его элементный состав (в процентах по массе) и … относительные атомные массы входящих в соединение атомов элементов. Круг замкнулся.
Иллюстрация

Химические символы Д. Дальтона. 1810.

Согласно этому правилу, если два элемента образуют только одно соединение (как, например, водород и кислород дают только воду; перекись водорода тогда еще не была открыта), то состав его будет простейшим: АВ, т. е. вода в таком случае, должна иметь состав НО, аммиак – NH и т. д. Как видим, Дальтон не «угадал» состава воды и аммиака и потому численно его шкала относительных атомных масс оказалась неверной.

Кроме того, Дальтон показал, что предложенная им атомная теория может быть не только умозрительной, но и рабочей теорией, что проблему генезиса свойств можно и должно связывать с атомным составом тел.

● 2. Как с позиций атомной теории Дальтон можно интерпретировать закон постоянства состава?

3. Почему свое двухтомное сочинение, вышедшее в 1808 – 1810 гг., Дальтон назвал «Новая система химической философии»?

* 4. Какие положения атомной теории Дальтона вызывали, по вашему мнению, наибольшие возражения у его современников?

Учение о молекуле лежит в основе всех других обобщений, так что современную химию можно по праву назвать молекулярной химией.

В
?

Атомы и молекулы. Химический элемент как вид атомов. (

1. Основные положения классической атомно-молекулярной теории.

2. Закон Авогадро.

3. Свойства химических соединений в свете классической атомно-молекулярной теории.

1. Книга для чтения по неорганической химии: Книга для учащихся: В 2-х частях. / Сост. В. А. Крицман. – 3-е изд., перераб. Ч. I. М.: Просвещение, 1993. С. 55 – 68.

2. Энциклопедический словарь юного химика / Сост. В. А. Крицман,
В. В. Станцо. – 2-е изд., испр. М.: Педагогика, 1990. С. 32 – 36. (1-е изд. – 1982).

3. Становление химии как науки (Всеобщая история химии). / Под ред.

Фонтан «Правосудие». Франкфурт – на –Майне.

Символом чего в науке являются весы?
Тема для обсуждения 1. Сформулируйте основные положения атомно-молекулярного учения. Обсудите, чем это учение принципиально отличается от атомной теории Дальтона?

Найдите необходимые сведения о классической атомно-молекулярной теории в указанной выше литературе. Обсудите связь этой теории с атомистикой Д. Дальтона. В чем различия между ними?

Решив эту задачу, вы найдете, что формула углеводорода CH₂. Но это так называемая простейшая формула. Приведенному элементарному составу удовлетворяют все углеводороды с формулой С_nН_2n (n = 2,3,4,5……).

Решая эту задачу, вы воспользовались одним из следствий закона Авогадро, закона который в первой половине XIX-го столетия чаще именовали гипотезой. И многим исследователям гипотеза эта представлялась весьма спорной.

Свою гипотезу итальянский химик А. Авогадро сформулировал в 1811 г. Однако понадобилось почти 50 лет, чтобы научное сообщество ее признало. Почему?
Портрет. Амедео Авогадро (1776 – 1850) – итальянский физик и химик. Основные работы посвящены изучению газов и электрическим явлениям.
Тема для обсуждения 3. Является ли метод определения относительной молекулярной массы вещества по относительной плотности его пара универсальным?

Подсказка. Чтобы правильно ответить на этот вопрос, подумайте, можно ли указанным методом определить относительную молекулярную массу NH₄Cl, CuO, Cu(OH)₂?

Как вы полагаете, в какой области химии – органической или неорганической – гипотеза Авогадро в первой половине XIX в. могла использоваться наиболее плодотворно?

Классическое атомно-молекулярное учение, принятое на I Международном конгрессе химиков в г. Карлсруэ (Германия) в сентябре 1860 г., позволяло определять истинные химические формулы многих веществ (тех, которые могли без изменения своего состава переходить в газообразное состояние). Кроме того, это учение способствовало установлению правильной шкалы относительных атомных масс элементов. Поэтому все теории, описывающие зависимость молекул от их состава и строения (независимо от того, что понималось под термином «строение»), могли опираться на твердую основу – на знание истинной формулы изучаемого вещества. Хотя, конечно, знание истинной формулы соединения – необходимое, но далеко не достаточное условие для объяснения его свойств.

… Людскому уму мало частностей: необходимы систематические обобщения… Если нет развития всех или хоть общей части этих обобщений, знание – еще не наука, не сила, а рабство перед изучаемым.

К
?

1. Проблема классификаций в естественных науках.

2. Главные направления научных исследований, создавших основу для открытия Периодического закона.

3. Открытие Периодического закона и создание Периодической системы химических элементов.

Многие естественные науки – например, биология и химия – изучают объекты, наделенные совокупностью неповторимых индивидуальных свойств и особенностей, иными словами, уникальные объекты. Однако наука не может иметь дело с только единичными уникальными объектами. Ученые предполагают иметь дело с их отдельными совокупностями – классами, разрядами, группами, рядами, – объединяя объекты в эти совокупности так, чтобы, опираясь на информацию об одном объекте данного класса, группы или ряда, можно было бы сказать нечто существенное и обо всех остальных.

Для чего используют классификации в естественных науках? Как различные естественные науки (физика, астрономия, химия, биология) ставят и решают классификационные проблемы? В чем состоят трудности классификации биологических объектов и как они преодолеваются? Как связана проблема классификации объектов с проблемой определения их структуры?

1. 
   Философский словарь / Под ред. И. Т. Фролова. – 7-е изд. – М., 2001. С. 247.
   
2. 
   Л ю б и щ е в А. А. Значение и будущее систематики. – Природа, 1971, № 2.
   

1. 
   С о л о в ь е в Ю. И. История химии. Развитие химии с древнейших времен до конца XIX в. – 2-е изд. – М., 1983.
   
2. 
   Ф и г у р о в с к и й Н. А. Очерк общей истории химии. Развитие классической химии в XIX столетии. – М., 1979.
   
3. 
   Т р и ф о н о в Д. Н., Т р и ф о н о в В. Д. Как были открыты химические элементы: пособие для учащихся. – М., 1980.
   
4. 
   Ф и г у р о в с к и й Н. А. Открытие химических элементов и происхождение их названий. – М., 1970.
   
5. 
   Становление химии как науки. Всеобщая история химии. / Под ред. Ю. И. Соловьева. – М., 1983. Глава 5.
   

Фотокопия первых вариантов Периодической системы

Сравните два варианта системы элементов Д. И. Менделеева: а) февраль 1868 г. и б) конец 1870 г. В чем главные отличия этих вариантов?

Источники информации

1. 
   Д м и т р и е в И. С. Человек эпохи перемен. Очерки о Д. И. Менделееве и его времени. – СПб., 2004.
   
2. 
   Становление химии как науки. Всеобщая история химии / Под ред.
   Ю. И. Соловьева. – М., 1983. Глава 8.
   
3. 
   Книга для чтения по неорганической химии: Книга для учащихся: в
   2-х ч. / Сост. В. А. Крицман. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 1993. Ч. I. С. 143 – 150.
   

Факты, не объясняемые существующими

теориями, наиболее дороги для науки…

А. М. Бутлеров

П
?

Вещества простые и сложные. Качественный и количественный состав вещества. (

1. Проблема генезиса свойств веществ в свете учения о составе тел.

2. Проблема генезиса свойств веществ в свете структурных представлений.

3. Проблема генезиса свойств веществ в свете квантовой теории строения атомов и химической связи.

1. Книга для чтения по неорганической химии: в 2-х частях. / Сост.

2. Энциклопедический словарь юного химика / Сост. В. А. Крицман,

3. История классической органической химии. Всеобщая история химии. / Отв. ред. Н. К. Кочетков, Ю. И. Соловьев. – М.: Наука, 1992.

Исторически первый ответ на вопрос о генезисе свойств веществ был таков: свойства соединений определяются его качественным и количественным составом (пример: теория кислот Лавуазье). Сопоставьте свойства следующих пар соединений: H₂O и H₂S; H₂O и H₂O₂.

Однако… Уже к середине XIX в. накопилось много фактов о соединениях, обладавших одинаковым качественным и количественным составом, но различными свойствами. Вот один из них.

Немецкие химики Юстус Либих и Фридрих Вёлер в 1822 – 1823 гг. независимо друг от друга изучали соли кислоты состава HCNO. Каждый из них прислал в журнал статью с описанием этих солей. При этом Либих утверждал, что соли указанной кислоты крайне взрывчаты (кстати, он называл эту кислоту гремучей). Вёлер же ничего подобного не заметил. Он утверждал, что соли кислоты состава HCNO вполне устойчивые соединения. Арбитром в их споре выступил шведский химик Йёнс Берцелиус, который предложил для таких соединений специальный термин (какой?). В чем состоит отличие гремучей кислоты Либиха от циановой кислоты Вёлера?

Как объяснить подобные случаи, когда соединения одинакового состава обладают разными свойствами с позиций теории химического строения?

Тема для обсуждения 2. Итак, мы выяснили, что свойства химических соединений определяются не только их составом, но и химическим строением, т. е. порядком связи атомов в молекулах. Как свойства молекул зависят от их строения? Что понимается под термином строение молекул?

В 1869 г. немецкий химик Йоханнес Вислиценус установил, что существуют две молочные кислоты: одна была обнаружена в кислом молоке (молочная кислота брожения), другая – в мышечной ткани (мясомолочная кислота, открытая Либихом еще в 1847 г.). Состав этих кислот одинаковый:

C₃H₆O₃. Химическое строение (т. е. порядок связи атомов) – тоже одинаков (какой?)

Более того, все химические свойства этих кислот были совершенно одинаковыми. Не различались они и по своим физическим свойствам, кроме одного – они по-разному в разных направлениях, но на один и тот же угол, вращают плоскость поляризованного света. С чем связано такое различие? Приведите примеры соединений одинакового состава и одинакового химического строения, но отличающиеся теми или иными свойствами и биологической активностью.

Обсудите следующие вопросы: почему раствор соли проводит электрический ток, а раствор сахара – нет? Почему молекула аммиака реагирует с водой, а молекула метана не реагирует?

– атомным составом молекул (количественным и качественным);

– последовательностью связей атомов в молекуле (т. е. ее химическим строением);

– пространственным расположением атомов и атомных групп в молекуле;

– электронным строением молекул.

§ 47. Биологическая систематика

Урок-практикум

Растение именовано полностью, если оно

снабжено и родовым, и видовым именем.

К
?
. Линней

Как биологическая классификация помогает осознать взаимозависимость состава, структуры и свойств? Что такое бинарная номенклатура? Как пользоваться определителем? Какими современными методами оперирует систематика?

В
!
ид. Таксон. Теза. Антитеза. Признак. ДНК.
Б
*

*
иологическая систематика, понятие о виде, многообразие живых существ, нуклеиновые кислоты (§§ 32–33 и Биология, 7 – 9 кл.).

Цель работы: Научиться выявлять общие признаки принадлежности живых организмов к той или иной группе. Научиться пользоваться определителем и познакомиться с современными методами определения видов.

План работы. Выполните последовательно задания и сделайте выводы по каждому заданию.

Мысль и образ

Фотографии:

● Коллекция из Зоологического музея

● Современная периодическая система

● Библиотечный каталог

Каковы, по Вашему мнению, принципы научной классификации?

Издавна хорошо известные организмы получали народные названия, различные на разных языках. По мере развития естествознания в Средние века живые организмы стали именовать по латыни – общепринятому в то время языку науки. При этом сходные организмы объединяли в роды (например, «дубы», «розы», «шмели», и т. п.), а отдельные представители родов именовали видами. Описания этих видов были подчас многословны.

Основы современной систематики заложил шведский натуралист Карл Линней, первое издание самого знаменитый труда которого «Система Природы» было опубликовано в 1735 г. Линней предложил писать название вида на латыни в два слова – первое обозначает род, к которому данный вид относится, а второе – конкретный вид. Такое бинарное («двучленное») обозначение значительно упростило классификацию. Линней установил и принцип иерархичности систематических категорий (таксонов) – сходные роды группируются в семейства, семейства в отряды, отряды в классы, классы в типы, а типы в царства. В подобном виде система классификации живых существ сохранилась и до наших дней.

Задание 2. Воспользовавшись определителем, попробуйте самостоятельно определить вид какого-либо растения или животного.

Подсказка

Принцип определения состоит в том, что сначала устанавливается самый высокий иерархический таксон, затем переходят к следующему и так до уровня вида. Например, нам надо определить пойманного шмеля. Мы знаем, что это животное (царство Животные – Animalia), из зоологии вспомним, что членистоногое (тип Членистоногих – Arthropoda), и насекомое (класс Насекомые – Insecta). А вот дальше может понадобиться определитель, чтобы выяснить к какому отряду (Перепончатокрылые – Hymenoptera), семейству (Пчелиные – Apidae), роду (Шмель – Bombus) и виду (например, каменный шмель – Bombus labidarius) относится пойманное насекомое.

Любой определитель состоит из определительных таблиц, которые построены на основе противопоставления: тезы, в которой перечисляются специфические признаки вида или группы видов (род, семейство и т. д.), и антитезы, где приводятся противоположенные признаки. Каждая теза имеет номер, а в скобках указан номер антитезы. Если признаки организма соответствуют тезе, то надо внимательно прочитать антитезу, убедиться, что приведенные в ней признаки к определяемому организму не подходят, и переходить к следующей по порядку тезе. Если же признаки соответствуют антитезе, то дальнейшее определение надо вести от нее. Так следует поступать до тех пор, пока теза или антитеза не завершится названием таксона. Для таксонов каждого иерархического уровня приведены свои таблицы. Например, при определении упоминавшегося выше шмеля сначала надо воспользоваться таблицей для определения отрядов насекомых, затем семейств отряда Перепончатокрылых, затем родов семейства Пчелиных и завершить определение таблицей для видов рода Шмель.

Задание 3. Личинки многих видов животных совершенно не похожи на взрослых особей. Попробуйте предложить методы, с помощью которых можно было бы правильно определить найденную личинку в том или иной вид.

Подсказка.

Первое, что приходит на ум – это попробовать вырастить из личинки взрослое животное и определить уже его. Именно таким образом были идентифицированы личинки многих видов животных: кишечнополостных, плоских червей, моллюсков, насекомых, рыб и др. А уже после проведения таких экспериментов были составлены специальные определители для личинок. Однако до настоящего времени личинки описаны далеко не для всех видов. Связано это с трудностью постановки экспериментов, в которых необходимо поддерживать все условия (температуру, освещенность, диету и др.), необходимые для нормального развития личинки. На помощь приходят методы молекулярной биологии, которые все больше и больше находят свое применение в систематике.

Для анализа используют не целый геном, а отдельные его участки, гены или даже их фрагменты. Особенно удобны оказались для такого рода анализа гены, кодирующие рибосомальные РНК (см. § 29), некоторые белки цепи переноса электронов митохондрий, гемоглобин и др., а также гены кольцевой ДНК митохондрий (см. § 40).

Биологическая систематика построена на принципе иерархичности: каждый таксон входит в состав таксона более высокого ранга вплоть до царства. Название вида состоит из двух частей (бинарное): первое слово соответствует названию рода, второе – вида. Определить систематическое положение (вид, род и т. д.) любого организма можно при помощи определителя, принцип работы с которым сводится к сопоставлению тезы и антитезы. В современной биологии для видовой идентификации и выяснения степени родства между организмами широко используют методы молекулярной биологии, основанные на сравнении нуклеотидных последовательностей определенных фрагментов ДНК.
Литература для дополнительного чтения

1. М а м а е в Б. М., М е д в е д е в Л. Н., П р а в д и н Ф. Н. Определитель насекомых Европейской части СССР. – М., Просвещение, 1976.

2. Н о в и к о в В. С., Г у б а н о в И. А. Школьный атлас-определитель высших растений. – М., Просвещение, 1991.

3. П л а в и л ь щ и к о в Н. Н. Определитель насекомых. – М., Топикал, 1994

Хоть острым взором нас природа одарила,

Но близок оного конец имеет сила.

………………………………………………

Коль многих тварей он еще не досегает,

Которых малый рост пред нами сокрывает!

Но в нынешних веках нам микроскоп открыл,

Что Бог в невидимых животных сотворил.

Как развивались представления о классификации живых существ? С чем связан пересмотр взглядов на систему царств живых организмов?

!

Царство. Уровни организации. Прокариоты. Эукариоты. Протисты. Бактерии. Археи. Грибы. Растения. Животные.

С
*
истематика и разнообразие живых существ. Прокариоты и эукариоты. Автотрофный и гетеротрофный способы питания. Продуценты, консуенты, редуценты. Строение клетки. (§§ 31–32, 48 и Биология, 7–9 кл.).
Иллюстрация

Иеронимус Босх. Сад земных наслаждений