Концепции современного естествознания

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ВОЛГОГРАДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

В. М. Макаров

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

РПК «Политехник»

Волгоград

2008

УДК 502 (075.8)

М 15
Рецензенты: кандидат сельскохозяйственных наук А. К. Зеленяк; учебно-методический совет представительства СГАП

Форма изложения материала в III части пособия полностью соответствует форме изложения в I и II частях. В конце параграфа приводится перечень контрольных вопросов, которые в последующем войдут в карточки программированного тестового контроля по итогам контрольных недель и семестра. В пособии рассмотрен материал вопросов интернет-экзамена по дисциплинам «КСЕ» и «Химия».

Предназначено для студентов очной и очно-заочной форм обучения специальностей 061100 «Менеджмент организации» и 060500 «Бухгалтерский учёт и аудит».
Ил. 8. Библиогр.: 7 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Волгоградского государственного технического университета

ISBN 5-230-05100-0  Волгоградский

технический

Наши знания о природе накапливаются не хаотично, а в строгой последовательности, обусловленной иерархией уровней организации материи. Природа едина по своей сути и деление знаний о ней на отдельные естественные дисциплины, например химию или физику, часто бывает довольно условным: физические идеи находят свое отражение в объяснении химических процессов, а изучение химических превращений веществ друг в друга приводят физиков к открытию новых физических закономерностей и явлений, например, к открытию высокотемпературной проводимости или открытию солитонов. Это обусловлено, прежде всего, существованием общего для химиков и физиков объекта исследования – вещества. Но есть и существенные различия между этими двумя науками: во-первых, круг объектов исследования физики по сравнению с химией более широк – от микромира до масштабов Вселенной; во-вторых, законы физики более универсальны и применимы к целому ряду природных явлений. Об этом свидетельствует развитие большого количества смежных с ней наук: физической химии, геофизики, биофизики, астрофизики и т. д. С другой стороны, к любому процессу с точки зрения ученого любого естественно-научного направления (биолога, биохимика, физика) подход будет разным, что еще раз убедит нас в существовании некой иерархии знаний, когда сложные явления и процессы описываются с точки зрения более простых и знакомых. Если вспомнить еще раз уже известную схему связей физических, химических и биологических наук:

то можно сказать, что эта связь не является чисто механической, придуманной кем-то схемой, она отражает иерархию организации материи, которая действительно существует в природе:

Правда, в действительности отношения между физикой, химией и биологией носят характер обратимых процессов научной информации, и они намного сложнее, чем представлены на схеме. В настоящем разделе попытаемся решить и основную двуединую проблему химии – это:

1. 
   Получение веществ с заданными свойствами – производственная задача.
   
2. 
   Выявление способов управления свойствами вещества – задача научного исследования.
   

Вся история развития химии является закономерным процессом смены способов решения ее основной проблемы. По мере развития науки изменялись представления об организации материи, составе веществ, структуре молекул, были получены новые данные о самих химических процессах, что, конечно же, в корне изменяло и способы синтеза новых соединений, и методы исследования их свойств. Вспомним историю возникновения и развития химии.

1. 
   Развитие химии до начала XVII в.
   

История развития химических концепций начиная с древних времен и до XVII в. – это многочисленные бесплодные попытки решения вопроса о происхождении свойств веществ на протяжении многих сотен лет. За это время было предложено два принципиально разных объяснения происхождения свойств тел. Демокрит (родился в г. Абдерн, на северном побережье Эгейского моря, около 470–460 гг. до н. э.), Эпикур (341–270 гг. до н. э.) и другие представители атомистической натурфилософии высказывали гениальные догадки о том, что все тела состоят из атомов различной величины и разной формы, чем и объясняется их качественное различие. Аристотель (384–322 гг. до н. э.) и Эмпедокл (490–430 гг. до н. э.) объясняли все видимое разнообразие тел с антиатомистических позиций – посредством сочетания в теле различных стихий или элементов, свойств: тепла и холода, сухости и влажности и т. д. Но дело все в том, что в то время ни один из этих способов – ни атомистический, ни антиатомистический – не решали главной задачи химии: получение новых веществ с заданными свойствами. В этот период истории натурфилософия, которая представляла собой вместилище всевозможных идей и догадок, и практическая, так называемая ремесленная химия, существовали раздельно.

Контрольные вопросы

1. 
   Какова схема связей физических, химических и биологических наук?
   
2. 
   В чем различие между двумя науками: физикой и химией?
   
3. 
   Чем определяется более высокое место физики в иерархии естественных наук?
   
4. 
   Назовите двуединую проблему химии.
   
5. 
   Когда возникло учение о дискретном строении материи?
   

Алхимия складывалась в эпоху эллинизма на основе слияния прикладной химии египтян с греческой натурфилософией, мистикой и астрологией (золото соотносили с Солнцем, серебро с Луной, медь с Венерой и др.). Во II–VI вв. в александрийской культурной традиции алхимия представляла собой форму ритуально-магического (геометрического) искусства. Алхимия – это самозабвенная попытка найти способ получения благородных металлов. Алхимики считали, что ртуть и сера разной чистоты, соединяясь в различных пропорциях, дают начало металлам, в том числе и благородным. В реализации алхимического рецепта предполагалось участие священных или мистических сил (частицы Бога или дьявола, надъестественного бытия, в котором проявления человеческого мира теряют свою силу), а средством обращения к этим силам было слово (заклинание, молитва) – необходимая сторона ритуала. Поэтому алхимический рецепт выступал одновременно и как действие, и как священнодействие.

В средневековой алхимии (ее расцвет пришелся на XIII–XV вв.) выделялись две тенденции. Первая – это мистифицированная алхимия, ориентированная на химические превращения (в частности, ртути в золото) и в конечном счете на доказательство возможности человеческими усилиями осуществлять космические превращения. В русле этой тенденции арабские алхимики сформулировали идею «философского камня» – гипотетического вещества, ускорявшего «созревание» золота в недрах земли; это вещество заодно трактовалось и как эликсир жизни, дающий бессмертие.

Вторая тенденция была больше ориентирована на конкретную практическую технохимию. В этой области достижения алхимии несомненны. К ним следует отнести открытие способов получения серной, соляной, азотной кислот, «царской водки», селитры, сплавов ртути с металлами, многих лекарственных веществ, создание химической посуды и др.

Деятельность алхимика опиралась на некоторую совокупность «теоретических» представлений и образов. В их основе лежало представление о том, что исходное материальное начало – первичная материя хаотична, бесформенна и потенциально содержит в себе все тела, все минералы и металлы. Порожденные первоматерией тела уже не исчезают, но зато могут быть превращены друг в друга. Между первоматерией и отдельными порожденными ею материальными телами есть два промежуточных «звена». Первое звено – всеобщие качественные принципы мужского (сера) и женского (ртуть) начал; в XV в. к ним добавили третье начало – соль (движение). Второе звено – это состояния, качества, свойства первоэлементов: земля (твердое состояние тела), огонь (лучистое состояние), вода (жидкое состояние), воздух (газообразное состояние), квинтэссенция (эфирное состояние). Алхимики полагали, что в результате взаимодействия качественных принципов (начал) и состояний первоэлементов можно осуществлять любые трансмутации веществ.

Среди алхимиков, наряду с шарлатанами и фальсификаторами, было немало искренне убежденных в реальности всеобщей взаимопревращаемости веществ, в том числе и крупных мыслителей: Раймунд Луллий, Арнольдо да Вилланова, Альберт Великий, Фома Аквинский, Бонавентура и др. Почти невозможно в Средневековье отделить друг от друга деятельность, связанную с химией, и деятельность, связанную с алхимией. Они переплетались самым теснейшим образом.

Особое отношение к алхимии складывалось в системах светской и церковной власти. С одной стороны, крупные феодалы рассчитывали с помощью алхимии поправить свое материальное положение и потому преклонялись перед ней и ее возможностями. С другой стороны, власть имущие к алхимии относились подозрительно. Так, римский император Диоклетиан в 296 г., опасаясь, что получение алхимиками золота ослабит его казну и экономику, приказал уничтожить все алхимические рукописи. По тем же причинам в 1317 г. папа Иоанн XXII предал алхимию анафеме. Но это не помогло, и еще много столетий (вплоть до середины XVIII в.) алхимия оставалась элементом европейской науки.

Контрольные вопросы

1. 
   На основе слияния каких наук зародилась алхимия?
   
2. 
   Как можно охарактеризовать алхимию?
   
3. 
   Какие две тенденции можно выделить в средневековой алхимии? Дайте им характеристику.
   
4. 
   Какие два звена выделяли алхимики между первоматерией и материальными телами?
   
5. 
   Имена каких крупных мыслителей-алхимиков вы знаете?
   
6. 
   Какие отношения складывались у алхимии с системой светской и церковной власти?
   

Во второй половине XVIII в. алхимическая традиция постепенно исчерпывает себя. В течение более чем тысячи лет алхимики исходили из уверенности в неограниченных возможностях превращений веществ, в том, что любое вещество можно превратить в любое другое вещество. И хотя на полуторатысячелетнем пути развития алхимии были получены отдельные положительные результаты (описание многих химических превращений, открытие некоторых веществ, конструирование приборов, химической посуды, аппаратов и др.), тем не менее главные цели, которые ставили перед собой алхимики (искусственное получение золота, серебра, «философского камня», гомункулуса и др.) оказались недостижимыми. Все более укреплялось представление о том, что существует некоторый предел, граница взаимопревращения веществ. Этот предел определяется составом химических веществ. В XVII–XVIII вв. химия постепенно становится наукой о качественных изменениях тел, происходящих в результате изменения их состава:

Все это происходит на фоне развития технической химии (металлургия, стеклоделие, производство керамики, бумаги, спиртных напитков) и открытия новых химических веществ. Начиная с XV в. представление о мире химических веществ, соединений быстро расширяется. Были открыты новые металлы (висмут, платина и др.), вещества с замечательными свойствами (например, фосфор). Развитие ремесла и промышленности обусловливает постоянную потребность в определенных химикалиях – селитре, железном купоросе, серной кислоте, соде, что дает импульс к созданию химических производств, а это в свою очередь стимулирует развитие научной химии.

Новому пониманию предмета химического познания способствовало возрождение античного атомизма. Здесь важную роль сыграли труды французского мыслителя Пьера Гассенди (1592–1655 гг.). Он критически оценивал картезианское понимание материи, теорию вихрей Декарта, считая, что будущее естествознания связано с программой атомизма. Гассенди возрождает представление о том, что вечная и бесконечная Вселенная состоит из постоянно движущихся атомов (различной формы, размеров, неизменных, неделимых и т. д.) и пустоты, которая является условием возможности движения атомов и тел. Причем, если Декарт полагал, что материя сама по себе пассивна и движение вносится в нее извне Богом, то Гассенди считает материю активной. По его мнению, «атомы обладают и энергией, благодаря которой движутся или постоянно стремятся к движению». В этом Гассенди идет значительно дальше античных атомистов. Весьма важным в учении Гассенди было формулирование понятия молекулы, что имело конструктивное значение для становления научной химии.

4. 
   Первый этап развития химии – XVII в.
   

Первый способ решения проблемы происхождения свойств вещества появился во второй половине XVII в. в работах английского ученого Роберта Бойля (1627–1691 гг.). Он считал, что химия должна быть не служанкой ремесла или медицины, а самостоятельной наукой. Ученый исходил из представления о том, что качественные характеристики и превращения химических веществ могут быть объяснены с помощью понятия о движении, размерах, форме и расположении атомов. Он был на пути к научно обоснованному определению химического элемента как предела разложения вещества с данными свойствами.

Р. Бойль разрабатывает не только теоретические, но и экспериментальные основы химии, обосновывает метод химического эксперимента. В химическом эксперименте, с точки зрения Р. Бойля, главное то, что исследователь не может заранее предсказать, как поведут себя вещества в той или иной реакции. Химический эксперимент призван, прежде всего, заставить природу выдавать ее тайны, а не подтверждать те или иные теоретические гипотезы. В трудах Р. Бойля заложены основы аналитической химии: качественный анализ, применение различных индикаторов (например, лакмус) для распознавания веществ и др.

Исследования ученого показали, что качества и свойства тел не имеют абсолютного характера и зависят от того, из каких материальных элементов эти тела составлены. Вывод этот принципиально новый, новаторство Р. Бойля заключается в следующем:

• 
  он отверг господствовавшие представления об элементах-качест-вах, о том, что свойства определяются свойствами-стихиями;
  
• 
  он утвердил новое представление о химических элементах как простых, далее неразделимых телах, из которых составлены все смешанные тела, т. е. химические соединения;
  
• 
  на основе признания материальности элементов он впервые установил общность разрозненных ранее учений атомизма Демокрита и элементаризма Аристотеля; этой общностью стала идея о том, что наименьшей частицей простого тела является состоящая из атомов молекула.
  

Этот способ положил начало учению о составе веществ, которое явилось первым уровнем научных химических знаний. В период с 1660-х годов, когда появились работы Р. Бойля, и до первой половины XIX века учение о составе веществ представляло собой всю тогдашнюю химию. Возникшее таким образом учение о составе вещества существует и сегодня и продолжает развиваться на качественно новом уровне.

Контрольные вопросы

1. 
   Какие положительные результаты были получены алхимиками?
   
2. 
   Труды какого ученого Средневековья способствовали возрождению античного атомизма?
   
3. 
   Когда и кем был предложен первый способ решения проблемы происхождения свойств веществ? Перечислите все научные достижения этого ученого в области химии.
   
4. 
   Какой схемой, по Р. Бойлю, стал выражаться способ решения основной проблемы химии – проблемы происхождения свойств вещества?
   
5. 
   Второй этап развития химии как науки – XIX в.
   

Учение о составе вещества занимало монопольное положение вплоть до 30–40-х годов XIX века. К этому времени мануфактурная стадия производства с ручной техникой и ограниченным ассортиментом сырья сменилась фабричной стадией с машинной техникой и широкой сырьевой базой. В химическом производстве стала преобладать переработка огромных масс веществ растительного и животного происхождения, качественное разнообразие которых очень велико – сотни тысяч химических соединений, а состав крайне однообразен – лишь несколько основных элементов: углерод, водород, кислород, сера, фосфор. Объяснение необычайно широкому разнообразию органических соединений при столь бедном их элементном составе стали искать не только в составе, но и в структуре молекул. Стало совершенно ясным, что свойства веществ, а следовательно и их качественное разнообразие, обусловливаются не только их составом, но еще структурой их молекул.

В 1860 г. выдающимся русским химиком А. М. Бутлеровым (1828–1886 гг.) была создана теория химического строения вещества, возник более высокий уровень развития химических знаний – структурная химия.

Период становления структурной химии иногда называют «триумфальным маршем органического синтеза». Органические молекулы оказались очень большими и сложными, и порой было непросто понять, какие атомы, входящие в их состав, принимают участие в конкретной химической реакции. Вместе с тем стало ясно, что не все атомы, входящие в состав молекулы данного вещества, одинаково хорошо вступают во взаимодействие с атомами других молекул, оказывается, каждую молекулу можно условно подразделить на несколько так называемых функциональных или реактивных блоков, в которые входят группы атомов, просто отдельные атомы или даже отдельные химические связи. Каждая из таких структур обладает своей уникальной способностью вступать в химические реакции, т. е. своей реакционной способностью.

На втором уровне своего развития химия превратилась из науки преимущественно аналитической в науку главным образом синтетическую. Возникла технология органических веществ, которой ранее не было.

Главным достижением этапа структурной химии можно назвать установление связи между структурой молекулы и функциональной активностью соединения:

Контрольные вопросы

1. 
   Что заставило ученых обратиться к структуре молекул?
   
2. 
   Кем и когда была создана теория химического строения вещества?
   
3. 
   Сформулируйте понятие «реакционная способность вещества».
   
4. 
   Поясните схему связи между структурой молекулы и функциональ-ной активностью соединения.
   

Интенсивное развитие автомобильной промышленности, авиации, энергетики и приборостроения в начале XX в. требовало качественного топлива для работы моторов. Специальные высокопрочные каучуки для шин автомобилей, пластмассы для облегчения их веса, всевозможные полимеры и полупроводники – все это было необходимо получать в больших количествах, но, увы, развитие химических навыков не соответствовало запросам производства. Дело все в том, что химическая реакция очень капризная вещь. Недаром еще английский химик П. Шоу сравнивал химию с «искусством, суть которого заключена в действии, а цель – в пользе». Действительно, успех синтеза того или иного соединения часто зависел от каких-то непредсказуемых обстоятельств. Этот факт, конечно, не устраивал производителей. В чем отличие производства от науки? Прежде всего, в масштабах: ученый может получить какое-нибудь соединение в малых количествах, исследовать его свойства, опубликовать свой труд и быть несказанно гордым этим обстоятельством. В иных условиях находится химик на производстве: перед ним стоит задача получения, предположим, одного-единственного соединения с известным составом и свойствами, но в больших количествах, с необходимостью тратить на его производство как можно меньше сырья, энергии и контролировать свойства полученного соединения. Требования достаточно жесткие, если иметь в виду, что «ключик» к управлению многими нужными в то время химическими реакциями отсутствовал – одних лишь знаний о составе и структуре веществ для проведения химической реакции было недостаточно: вроде бы и нужное количество веществ, и в нужном соотношении брали химики для проведения требуемой химической реакции, а она не идет – не желают вещества вступать друг с другом в химическое взаимодействие, а если и вступают, то выход реакции крайне низкий – нового соединения получается совсем немного. Какое уж тут производство, если оставалось непонятным, когда и при каких обстоятельствах вещества реагируют друг с другом и какие факторы влияют на этот «неуправляемый» химический процесс?! Поэтому, благодаря развитию техники, и именно в это время химия становится наукой уже не только и не столько о веществах, сколько наукой о процессах и механизмах изменения веществ.

Вследствие того что химики научились управлять химическими процессами, стала бурно развиваться химическая промышленность, в больших количествах стали производиться синтетические материалы, заменяющие дерево и металл, растительные масла. На основе переработки нефти возникло производство искусственных волокон, этилового спирта, каучуков, всевозможных растворителей; азот воздуха научились превращать в минеральные удобрения. Химические изделия прочно вошли и в дома людей – искусственные ткани и кожа стали вытеснять натуральные, мыло «уступило место» стиральным порошкам и шампуням, а пластмассовые штампованные изделия стали дешевыми и доступными любой семье. Быстрыми темпами стала развиваться и фармацевтика – промышленность по производству лекарственных препаратов.

Итак, третий способ решения основной проблемы, учитывающий всю сложность химических процессов и обеспечивающий экономически приемлемую производительность этих процессов в химических реакторах, может быть представлен схемой:

В 1960–1979 гг. появился новый способ решения основной проблемы химии, который получил название «эволюционная химия». В основе этого способа лежит принцип использования в процессе получения химических продуктов таких условий, которые приводят к самосовершенствованию катализаторов химических реакций, т. е. к самоорганизации химических систем. Термин «самоорганизация» означает способность самостоятельного упорядочения какой-нибудь системы, состоящей из хаотического множества не связанных между собой элементов.

Такой процесс развивается во времени и не зависит от внешних условий. Время выступает здесь как один из самых весомых факторов, поэтому и говорят об эволюции системы, т. е. о том, что произойдет с системой с течением времени. А что происходит с обычной физической системой с течением времени, если поток энергии извне отсутствует? Все медленно разрушается. Попробуйте прожить в своем доме в течение хотя бы 10 лет без ремонта! Вряд ли вы смиритесь с таким обстоятельством и, скорее всего, замените все вышедшие из строя вещи на новые, переклеите обои, перекрасите полы. А теперь представьте себе, что было бы, если бы вы не проявили инициативы и не внесли бы в систему «ваш дом» энергию по восстановлению его внешнего облика. Может быть, дом сам по себе отремонтировался? Увы, ответ очевиден – чуда бы не произошло! Для самоорганизации необходимы как дополнительная энергия, так и способность системы к этой самоорганизации – ведь сваленные в кучу материалы для ремонта квартиры – далеко не ее ремонт, нужны действующие лица, которые этот ремонт осуществят. В наших рассуждениях мы слишком много времени уделили этому действующему «живому лицу» и не зря – именно наблюдая за химическими процессами, происходящими в живых клетках, химики обнаружили способность биологических систем к самоорганизации, развитию, совершенствованию, чего нет в неживой природе. Химический реактор на уровне эволюционной химии предстает как некое подобие живой системы, для которой характерны саморазвитие и определенное поведение.

Таким образом, четвертый этап развития химии, который продолжается до настоящего времени, устанавливает связь самоорганизации системы реагентов с поведением этой системы: