Естествознание на молекулярном уровне

Федеральное агентство  по образованию РФ

ГОУ ВПО Российский государственный торгово-экономический университет

Омский институт

 

 

Контрольная работа

по курсу «Концепции современного естествознания»

 

 

 

 

 

 

 

Вариант №6

Естествознание на молекулярном уровне

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила:

Студентка 1 курса ЭУ

Заочной сокращенной формы обучения

№ зачетной книжки СЭУ-10-17

Лукина Екатерина Александровна

Проверила: д.ф.н., профессор

Дмитриева Лариса Михайловна

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Омск 2010 
Содержание

 

 

Введение

 

Естествознание –  это система наук о природе, в которую входят такие науки, как физика, химия, биология и другие естественные науки.

 Целью данной работы является рассмотрение темы «Естествознание на молекулярном уровне» с помощью следующих задач:

1. история химии. Общие положения органической и неорганической химии;

2. реакционная способность веществ, важнейшие химические связи и методы исследования веществ

3. условия существования жизни, связи и функции живого вещества

4. молекулярные основы  эволюции.

Из предложенных задач видно, что изучение молекулярного уровня в организации живой материи объединяет в себе две науки – химию и биологию.

Молекулярно-генетический уровень. Это наиболее элементарный характерный для жизни уровень. Как бы сложно или просто ни было строение любого живого организма, они все состоят из одинаковых молекулярных соединений. Примером этого являются нуклеиновые кислоты, белки, углеводы и другие сложные молекулярные комплексы органических и неорганических веществ. Их называют иногда биологическими макромолекулярными веществами. На молекулярном начинаются и осуществляются важнейшие процессы жизнедеятельности: дыхание, обмен веществ и энергии, кодирование и передача наследственной информации и др. На этом уровне исследуются и проблемы происхождения жизни, и эволюция, и механизмы преобразования энергии.

На молекулярном уровне Знание закономерностей молекулярно-генетического  уровня живой материи – необходимая  предпосылка понимания всех жизненных  процессов.

 

1. История развития химии,  алхимия

 

История химии изучает  и описывает сложный процесс накопления специфических знаний, относящихся к изучению свойств и превращений веществ; её можно рассматривать как пограничную область знания, которая связывает явления и процессы, относящиеся к развитию химии, с историей человеческого общества. При изучении истории развития химии возможны два взаимно дополняющих подхода: хронологический и содержательный.¹

При хронологическом  подходе историю химии принято  подразделять на несколько периодов. Следует учитывать, что периодизация истории химии, будучи достаточно условной и относительной, имеет скорее дидактический смысл. При этом на поздних этапах развития науки (в случае химии – уже с начала XIX века) в связи с её дифференциацией неизбежны отступления от хронологического порядка изложения, поскольку приходится отдельно рассматривать развитие каждого из основных разделов науки.

Как правило, большинство  историков химии выделяют следующие  основные этапы её развития:

1.  Предалхимический  период: до III в. н.э.

В предалхимическом периоде  теоретический и практический аспекты знаний о веществе развивались относительно независимо друг от друга. Происхождение свойств вещества рассматривала античная натурфилософия, практические операции с веществом являлись прерогативой ремесленной химии.

2.  Алхимический период: III – XVII вв.

Алхимический период, в свою очередь, разделяется на три  подпериода – александрийскую (греко-египетскую), арабскую и европейскую алхимию. Алхимический период – это время  поисков философского камня, считавшегося необходимым для осуществления трансмутации металлов. В этом периоде происходило зарождение экспериментальной химии и накопление запаса знаний о веществе; алхимическая теория, основанная на античных философских представлениях об элементах, была тесно связана с астрологией и мистикой. Наряду с химико-техническим "златоделием" алхимический период примечателен также и созданием уникальной системы мистической философии.

3.  Период становления  (объединения): XVII – XVIII вв.

В период становления  химии как науки произошла  её полная рационализация. Химия освободилась от натурфилософских и алхимических взглядов на элементы как на носители определённых качеств. Завершившая этот период химическая революция окончательно придала химии вид самостоятельной (хотя и тесно связанной с другими отраслями естествознания) науки, занимающейся экспериментальным изучением состава тел.

4.  Период количественных  законов (атомно-молекулярной теории): 1789 – 1860 гг.

Период количественных законов, ознаменовавшийся открытием  главных количественных закономерностей химии – стехиометрических законов, и формированием атомно-молекулярной теории, окончательно завершил превращение химии в точную науку, основанную не только на наблюдении, но и на измерении.

5.  Период классической  химии: 1860 г. – конец XIX в.

Период классической химии характеризуется стремительным развитием науки: были созданы периодическая система элементов, теория валентности и химического строения молекул, стереохимия, химическая термодинамика и химическая кинетика; блестящих успехов достигли прикладная неорганическая химия и органический синтез.  В связи с ростом объёма знаний о веществе и его свойствах началась дифференциация химии – выделение её отдельных ветвей, приобретающих черты самостоятельных наук.

6.  Современный период: с начала XX века по настоящее время.

В начале ХХ века произошла  революция в физике: на смену системе  знаний о материи, основанной на механике Ньютона, пришли квантовая теория и  теория относительности. Установление делимости атома и создание квантовой  механики вложили новое содержание в основные понятия химии. Появление принципиально новых физических методов исследования предоставило химикам невиданные ранее возможности для изучения состава, структуры и реакционной способности вещества. Всё это в совокупности обусловило в числе прочих достижений и блестящие успехи биологической химии второй половины XX века – установление строения белков и ДНК, познание механизмов функционирования клеток живого организма.

Колыбелью химии принято  считать Александрийскую академию. Основанная Александром Македонским в 332 г до н.э. новая столица Египта – Александрия – быстро стала крупнейшим торговым и культурным центром античного Средиземноморья. Птолемей Сотер, соратник Александра, ставший после смерти последнего (323 до н.э.) царём Египта, основал Александрийскую академию, которая вместе с созданным при ней крупнейшим хранилищем античных рукописей – Александрийской библиотекой (около 700 000 рукописей) – просуществовала около тысячи лет (до VII в. н.э.).

Греки принесли в Египет свою натурфилософию, прежде всего учение Платона и Аристотеля. Именно в Александрийской академии произошло соединение теории (античной натурфилософии) и практических знаний о веществах, их свойствах и превращениях; из этого соединения и зародилась новая наука – khemeia. Само название химии обычно считается происходящим от древнего названия Египта – Кем или Хем – и, по-видимому, оно должно было означать нечто вроде "египетского искусства". Впервые слово "химия" встречается в книге сицилийского астронома и математика Юлиуса Матерна Фирмика (336 г. н. э.).

В 529 г. римский папа Григорий I запретил чтение древних книг и  занятие математикой и философией; христианская Европа погрузилась во мрак раннего средневековья. Формально  Александрийская академия прекратила свое существование после завоевания Египта арабами  в 640 г. Однако научные и культурные традиции греческой школы на Востоке сохранялись какое-то время в Византийской империи, а затем они были восприняты арабским миром.

В VII веке началось победоносное шествие новой мировой религии – ислама – что привело к созданию огромного Халифата. Арабские халифы, подражая Александру Македонскому, покровительствовали наукам. Слово khemeia преобразовалось в арабском языке в al-khimiya, давшее название описываемому этапу.

Среди арабских учёных выделяется знаменитый бухарский врач Абу Али аль Хусейн ибн Абдаллах ибн Сина, или Авиценна (980-1037), явившийся первым критиком идеи трансмутации металлов, каковую он считал невозможной, и считавший основной задачей алхимии приготовление лекарственных средств.

В целом именно во время  арабского этапа были созданы  основные теории алхимии, разработан понятийный аппарат, лабораторная техника и  методика эксперимента. Арабские алхимики добились несомненных практических успехов – ими выделены сурьма, мышьяк и, по-видимому, фосфор, получены уксусная кислота и растворы сильных минеральных кислот. Арабская алхимия, в отличие от александрийской, была вполне рациональна; мистические элементы в ней представляли собой скорее дань традиции. Важнейшей заслугой арабских алхимиков стало создание рациональной фармации, развившей традиции античной медицины.

После XII века по ряду причин (как внутренних, так и внешних) арабская алхимия начала приходить  в упадок. Последним крупным арабским алхимиком стал Ал Джилдаки (первая половина XIV в.), написавший ряд сочинений, очень полно суммирующих труды его предшественников. Центр научной мысли переместился в Европу.²

Алхимия существовала как  в европейской научной традиции, так и в китайской. Европейские  алхимики, чье мировоззрение определялось тремя авраамическими религиями (иудаизм, христианство, ислам) развивали лишь «внешнюю» алхимию, как набор магических приемов приготовления философского камня (эликсира бессмертия). Несмотря на обширные знания, полученные в результате экспериментов, теоретические воззрения алхимиков отставали на несколько веков. Как теорию алхимики использовали учение Аристотеля (384- 322 гг до н.э.) о четырех принципах природы (холод, тепло, сухость и влажность) и четырех элементах (земля, огонь, воздух и вода), впоследствии добавив к ним растворимость (соль), горючесть (серу) и металличность (ртуть). В Китае, где мирно сосуществовали три религиозных учения – даосизм, конфуцианство и буддизм – внешняя вещественная алхимия была отвергнута как ложная, и развилась «алхимия дао» – целостное учение о достижении долголетия и бессмертия. Китайские алхимические практики в настоящее время известны и в России – оздоровительная система «ци гун», гимнастика «тай цзи-цюань», боевые искусства. Глубинная философия алхимиков заключается в том, что, прежде чем на основании ограниченных знаний преобразовывать мир, нужно очистить и преобразовать себя, как часть Природы. Одна из важнейших предпосылок «Великого делания» алхимиков (получения «философского камня») – воспитание в себе «чувства вещества», того резонанса исследователя и предмета исследования, при котором человек ощущает вещество «изнутри».³

В начале XVI века в алхимии  начинается новая эра. Ее возникновение  и развитие связано с учениями Парацельса (1493- 1541) и Агриколы (1494- 1555). Парацельс утверждал, что основной задачей химии является изготовление лекарств, а не золота и серебра. Парацельс имел большой успех, предложив лечить некоторые болезни, используя простые неорганические соединения вместо органических экстрактов.

В XVII веке теория алхимии  уже не отвечала требованиям практики. В 1661 г. Бойль выступил против господствующих в химии представлений и подверг  жесточайшей критике теорию алхимиков. Он впервые определил центральный  объект исследования химии: попытался дать определение химического элемента. Бойль считал, что элемент-это предел разложения вещества на составные части. Разлагая природные вещества на их составные, исследователи сделали много важных наблюдений, открыли новые элементы и соединения. Химики стали изучать, что из чего состоит. В 1700 году Шталем была развита флогистонная теория, согласно которой все тела, способные гореть и окисляться, содержат вещество флогистон. При горении или окислении флогистон покидает тело, в чем и состоит сущность этих процессов. За время почти столетнего господства теории флогистона были открыты многие газы, изучены различные металлы, оксиды, соли. Однако противоречивость этой теории тормозила дальнейшее развитие химии.

В 1772-1777 годах Лавуазье, в результате проведенных им экспериментов, доказал, что процесс горения является реакцией соединения кислорода воздуха и горящего вещества. Таким образом, теория флогистона была опровергнута.

В XVIII веке химия начинает развиваться как точная наука. В  начале 19 в. англичанин Дж. Дальтон ввёл понятие атомного веса. Каждый химический элемент получил свою важнейшую характеристику. Атомно-молекулярное учение стало основой теоретической химии. Благодаря этому учению Д. И. Менделеев открыл периодический закон, названный его именем, и составил периодическую таблицу элементов [6]. В 19 в. чётко определились два основных раздела химии: органическая и неорганическая.

 

2. Неорганическая и органическая  химия

 

Неорганическая химия  изучает химические элементы и образуемые ими простые и сложные вещества (кроме органических соединений углерода, которые изучаются органической химией). История развития неорганической химии тесно связана с общей историей химии (результатом изучения неорганических веществ явились важнейшие достижения химии кон. 18 - нач. 19 вв., напр. создание кислородной теории горения, открытие законов стехиометрии). Теоретические основы неорганической химии периодический закон и периодическая система элементов Менделеева. Современная неорганическая химия изучает строение и свойства неорганических веществ с использованием не только химических, но и физических методов. Неорганическая химия - научная база основной химической промышленности (производство солей, кислот, щелочей) и металлургии. Становлению неорганической химии как науки послужили работы М. В. Ломоносова и А. Лавуазье. Ломоносов сформулировал закон сохранения вещества и движения (1748), определил химию как науку об изменениях, происходящих в сложных веществах, приложил атомистические представления к объяснению химических явлений, предложил (1752) деление веществ на органические и неорганические, показал, что увеличение веса металлов при обжигании происходит за счёт присоединения некоторой части воздуха (1756), Лавуазье опроверг гипотезу флогистона, показал роль кислорода в процессах обжигания и горения, конкретизировал понятие химического элемента, создал первую рациональную химическую номенклатуру (1787). В начале 19 в. Дж. Дальтон ввёл в химию атомизм, открыл закон кратных отношений и дал первую таблицу атомных весов химических элементов. Тогда же были открыты законы Гей-Люссака (1805-08), закон постоянства состава (Ж. Пруст, 1808) и закон Авогадро (1811). В 1-й половине 19 в. И. Берцелиус окончательно утвердил атомизм в химии. В середине 19 в. были сформулированы и разграничены понятия атома, молекулы и эквивалента (Ш. Жерар, С. Канниццаро). К тому времени было известно свыше 60 химических элементов. Проблему их рациональной классификации разрешило открытие в 1869 периодического закона Менделеева и построение периодической системы элементов Менделеева. На основе своих открытий Д. И. Менделеев исправил атомные веса многих элементов и предсказал атомные веса и свойства ещё неизвестных тогда элементов. После их открытия периодический закон получил всеобщее признание и стал прочной научной основой химии.