Естествознание на молекулярном уровне

На рубеже 19 и 20 вв. в  истории неорганической химии произошло  крупное событие - были открыты инертные газы, которые Д. И. Менделеев по предложению У. Рамзая включил в особую (нулевую) группу своей периодической системы элементов (впоследствии были включены в 8-ю группу). Ещё более значительным было открытие самопроизвольной радиоактивности урана (А. Беккерель, 1896) и тория (М. Склодовская-Кюри и независимо немецкий учёный Г. Шмидт, 1898), за которым последовало открытие радиоактивных элементов Po и Ra (М. Склодовская-Кюри, П. Кюри, 1898). Эти открытия привели к обнаружению существования изотопов, к созданию радиохимии и теории строения атома (Э. Резерфорд, 1911, Н. Бор, 1913, и др.).

Органическая химия изучает  вещества, содержащие в своем составе углерод, за исключением окиси углерода, углекислого газа и солей угольной кислоты (эти соединения по свойствам ближе к неорганическим соединениям).В первой половине XIX века было предложено выделить соединения углерода в самостоятельную химическую дисциплину - органическую химию.

Исторически первой теорией органической химии стала теория радикалов (Ж.Дюма, Ю.Либих, И.Берцелиус). По мнению авторов, многие превращения органических соединений протекают так, что некоторые  группы атомов (радикалы), не изменяясь, переходят из одного органического соединения в другое. Однако вскоре было установлено, что в органических радикалах атомы водорода могут замещаться даже на такие отличные от водорода по химической природе атомы, как атомы хлора, и при этом тип химического соединения сохраняется.

Теорию радикалов сменила более  совершенная и охватывающая больший  экспериментальный материал теория типов (О.Лоран, Ш.Жерар, Ж.Дюма). Теория типов классифицировала органические вещества по типам превращений. К типу водорода относили углеводороды, к типу хлороводорода - галогенопроизводные, к типу воды - спирты, эфиры, кислоты и их ангидриды, к типу аммиака - амины. Однако накапливающийся огромный экспериментальный материал уже не укладывался в известные типы и, кроме того, теория типов не могла предсказать существование и пути синтеза новых органических соединений. Развитие науки требовало создания новой, более прогрессивной теории, для рождения которой уже существовали некоторые предпосылки: установлена четырехвалентность углерода (А.Кекуле и А.Кольбе, 1857 год), показана способность атома углерода образовывать цепочки атомов (А.Кекуле и А.Купер, 1857 год).⁴

В настоящее время органическая и неорганическая химии являются самостоятельными науками.

3. Реакционная способность веществ, анализ и синтез

В самостоятельную науку выделяют также и физическую химию, которая  объясняет химические явления и  устанавливает их закономерности на основе общих принципов физики. Одним  из разделов физической химии является химическая кинетика, которая занимается изучением скорости и особенностей протекания химических реакций.

Основополагающим для химической кинетики является представление о  том, что исходные вещества, вступающие в химическую реакцию, чрезвычайно  редко непосредственно превращаются в ее продукты. В большинстве случаев реакция проходит ряд последовательных и параллельных стадий, на которых образуются и расходуются промежуточные вещества. Число последовательных стадий может быть очень велико — в цепных реакциях их десятки и сотни тысяч. Время жизни промежуточных веществ весьма разнообразно: одни вполне стабильны, другие существуют доли секунды. Изучение скорости протекания химических процессов показало, что химические реакции протекают тем быстрее, чем выше температура, давление и концентрация реагентов — в этом случае чаще происходит столкновение молекул реагирующих веществ, реакция идет быстрее. На скорость некоторых химических реакций можно влиять присутствием небольшого количества определенных веществ, которые сами в реакции участия не принимают. Вещества эти называются катализаторами. Катализаторы бывают положительными, ускоряющими реакцию, и отрицательными — замедляющими ее. Каталитическое ускорение химической реакции называется катализом и является важнейшим приемом современной химической технологии (производство полимерных материалов, синтетического топлива и др.). Благодаря катализу существенно повысилась эффективность экономики химической промышленности, поскольку ускорение химических реакций заметно влияет на снижение издержек производства.

Любое вещество имеет свое строение и состав, от которых зависит степень  устойчивости по отношению к внешним  воздействиям. Такую структуру веществ  изучает аналитическая химия.

Анализ — необходимый этап в  познании объекта. С древнейших времен анализ применялся, например, для разложения на составляющие некоторых веществ. В частности, уже в Древнем Риме анализ использовался для проверки качества золота и серебра в виде так называемого купелирования (анализируемое вещество взвешивалось до и после нагрева). Постепенно формировалась аналитическая химия, которую по праву можно называть матерью современной химии: ведь прежде чем применять то или иное вещество в конкретных целях, необходимо выяснить его химический состав. Заметим, что метод анализа сыграл в свое время важную роль в крушении теории флогистона. Теория флогистона тормозила развитие химии.

Новые открытия и полнейшая  неудача попыток обнаружить флогистон  аналитическим путем постепенно расшатывали теорию. Однако в науке  Нового времени аналитический метод был абсолютизирован. В указанный период ученые, изучая природу, «рассекали ее на части» (по выражению Ф. Бэкона) и, исследуя части, не замечали значения целого. Это было результатом метафизического метода мышления, который господствовал тогда в умах естествоиспытателей. Несомненно, анализ занимает важное место в изучении объектов материального мира. Но он составляет лишь первый этап процесса познания. Если бы, скажем, химики ограничивались только анализом, т. е. выделением и изучением отдельных химических элементов, то они не смогли бы познать все те сложные вещества, в состав которых входят эти элементы. Сколь бы глубоко ни были изучены, например, свойства углерода и водорода, по этим сведениям еще ничего нельзя сказать о многочисленных веществах, состоящих из различного сочетания этих химических элементов. Для постижения объекта как единого целого нельзя ограничиваться изучением лишь его составных частей. В процессе познания необходимо вскрывать объективно существующие связи между ними, рассматривать их в совокупности, в единстве.⁵ Осуществить этот второй этап в процессе познания — перейти от изучения отдельных составных частей объекта к изучению его как единого связанного целого — возможно только в том случае, если метод анализа дополняется другим методом — синтезом. В процессе синтеза производится соединение воедино составных частей (сторон, свойств, признаков и т. п.) изучаемого объекта, расчлененных в результате анализа. На этой основе происходит дальнейшее изучение объекта, но уже как единого целого. При этом синтез не означает простого механического соединения разъединенных элементов в единую систему. Он раскрывает место и роль каждого элемента в системе целого, устанавливает их взаимосвязь и взаимообусловленность, т. е. позволяет понять подлинное диалектическое единство изучаемого объекта. Анализ и синтез с успехом используются и в сфере мыслительной деятельности человека, т. е. в теоретическом познании. Но и здесь, как и на эмпирическом уровне познания, анализ и синтез — это не две оторванные друг от друга операции. По своему существу они — как бы две стороны единого аналитико-синтетического метода познания. Как подчеркивал Ф. Энгельс, «мышление состоит столько же в разложении предметов сознания на их элементы, сколько в объединении связанных друг с другом элементов в некоторое единство. Без анализа нет синтеза». С помощью анализа и синтеза ученые установили, что все вещества состоят из молекул, которые, в свою очередь, состоят из устойчивых групп соединенных друг с другом атомов.

4. Важнейшие химические  связи и методы исследования  веществ

С открытием сложного строения атома стали ясны причины  связи атомов, взаимодействующих  друг с другом. В частности, химические связи указывают на взаимодействия 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 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. ⁶

Изучение различных химических связей, энергетики химических реакций, реакционной способности веществ и т.д. не обходится без основных методов исследования веществ: наблюдения, эксперимента, измерения.

Наблюдение – есть чувственное отражение предметов  и явлений внешнего мира. Это исходный метод эмпирического познания, позволяющий получить некоторую первичную информацию об объектах окружающей действительности.

Научное наблюдение (в  отличие от обыденных, повседневных наблюдений) характеризуется рядом  особенностей: целенаправленностью (наблюдение должно вестись для решения поставленной задачи исследования, а внимание наблюдателя фиксироваться только на явлениях, связанных с этой задачей); планомерностью (наблюдение должно проводиться строго по плану, составленному исходя из задачи исследования); активностью (исследователь должен активно искать, выделять нужные ему моменты в наблюдаемом явлении, привлекая для этого свои знания и опыт, используя различные технические средства наблюдения).

 По способу проведения  наблюдения могут быть непосредственными и опосредованными. При непосредственных наблюдениях те или иные свойства, стороны объекта отражаются, воспринимаются органами чувств человека. Комплексное восприятие наблюдаемых явлений, избирательная

способность человеческого зрения и логический анализ результатов наблюдений — это те уникальные свойства метода визуальных наблюдений, которыми не обладает никакой набор аппаратуры. «Возможности визуального метода наблюдений существенно увеличиваются, если использовать инструменты, расширяющие границы человеческого зрения. Подобно развитию технических средств дальних наблюдений, создание в XVII веке оптического микроскопа, а много позднее, уже в XX веке, и электронного микроскопа позволило исследователям наблюдать удивительный мир микрообъектов и микроявлений. Наблюдения могут нередко играть важную эвристическую роль в научном познании. В процессе наблюдений могут быть открыты совершенно новые явления, позволяющие обосновать ту или иную научную гипотезу.

Эксперимент – более  сложный метод эмпирического познания по сравнению с наблюдением. Он предполагает активное, целенаправленное и строго контролируемое воздействие исследователя на изучаемый объект для выявления и изучения тех или иных его сторон, свойств, связей. При этом экспериментатор может: преобразовывать исследуемый объект, создавать искусственные условия его изучения, вмешиваться в естественное течение процессов.

Исходя из методики проведения и получаемых результатов, эксперименты можно разделить на качественные и количественные. Качественные эксперименты носят поисковый характер и не приводят к получению каких-либо количественных соотношений. Они позволяют лишь выявить действие тех или иных факторов на изучаемое явление. Количественные эксперименты направлены на установление точных количественных зависимостей в исследуемом. В реальной практике экспериментального исследования оба указанных типа экспериментов реализуются, как правило, в виде последовательных этапов развития познания.

В зависимости от характера  проблем, решаемых в ходе экспериментов, последние обычно подразделяются на исследовательские и проверочные. Исследовательские эксперименты дают возможность обнаружить у объекта новые, неизвестные свойства. Результатом такого эксперимента могут быть выводы, не вытекающие из имевшихся знаний об объекте исследования.

Проверочные эксперименты служат для проверки, подтверждения  тех или иных теоретических построений. Так, существование целого ряда элементарных частиц (позитрона, нейтрино и др.) было вначале предсказано теоретически, и лишь позднее они были обнаружены экспериментальным путем. Проникновение человеческого познания в микромир потребовало проведения экспериментальных исследований, в которых нельзя было пренебречь воздействием прибора на объект (точнее сказать, микрообъект) познания. Эксперимент позволяет изучать объект в «очищенном» виде, т. е. устранять всякого рода побочные факторы, наслоения, затрудняющие процесс исследования. Например, проведение некоторых экспериментов требует специально оборудованных помещений, защищенных (экранированных) от внешних электромагнитных воздействий на изучаемый объект. Во-вторых, в ходе эксперимента объект может быть поставлен в некоторые искусственные, в частности, экстремальные условия, т. е. изучаться при сверхнизких температурах, при чрезвычайно высоких давлениях или, наоборот, в вакууме, при огромных напряженностях электромашщщвго поля и т. п. В таких искусственно созданных условиях удается обнаружить удивительные, порой неожиданные свойства объектов и тем самым глубже постигать их сущность.

Большинство научных  экспериментов и наблюдений включает в себя проведение разнообразных  измерений. Измерение – это процесс, заключающийся в определении  количественных значений тех или  иных свойств, сторон изучаемого объекта, явления с помощью специальных технических устройств.

Важной стороной процесса измерения является методика его  проведения. Она представляет собой  совокупность приемов, использующих определенные принципы и средства измерений. Под  принципами измерений в данном случае имеются в виду какие-то явления, которые положены в основу измерений (например, измерение температуры с использованием термоэлектрического эффекта).

 Исходя из характера  зависимости измеряемой величины  от времени, измерения разделяют  на статические и динамические. При статических измерениях величина, которую мы измеряем, остается постоянной во времени (измерение размеров тел, постоянного давления и т. п.). К динамическим относятся такие измерения, в процессе которых измеряемая величина меняется во времени (измерение вибраций, пульсирующих давлений и т. п.). По способу получения результатов различают измерения прямые и косвенные. В прямых измерениях искомое значение измеряемой величины получается путем непосредственного сравнения ее с эталоном или выдается измерительным прибором. При косвенном измерении искомую величину определяют на основании известной математической зависимости между этой величиной и другими величинами, получаемыми путем прямых измерений.⁷

5. Условия существования  жизни, связи и функции живого  существа

Кроме химии важную роль в молекулярном учении играет и биология.

Биология – это  наука о живом, его строении, формах активности, связях организмов с неживой  природой и друг с другом, имеющая  определенные объективные закономерности. ⁸

Живые организмы адаптированы к среде их обитания. Они сами и все их органы приспособлены своему образу жизни.

Каковы же условия  внешней среды обитания, благоприятствующие возникновению, сохранению и развитию жизни? Экология рассматривает пять таких условий, совокупность которых определяет эти возможности:

1. Достаточное количество  кислорода и углекислого газа. Стоит отметить, что в настоящее  время всеми растениями мира  продуцируется около 100-150 млрд.т.  кислорода, примерно в равных  долях на суше и в океанических  пространствах. Почти весь он расходуется на дыхание животных, окисление органических остатков, вулканических газов и горных пород.

2. Достаточное количество  жидкой воды, недостаток которой  встречается на земле лишь  в Антарктиде, Гренландии, высокогорьях  и экваториальных пустынях.