Синергетические представления о низкоорганизованной материи

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Зеленев В.М., Кустов А.И., И.А. Мигель

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Учебное пособие

Часть II

ВОРОНЕЖ - 2009

Составители:
доктор физико-математических наук, профессор В.М.Зеленев,
кандидат технических наук, доцент Ал.И. Кустов,

кандидат физико-математических наук, доцент И.А. Мигель.

Концепции современного естествознания.

Учебное пособие для студентов гуманитарных и экономических специальностей/ Сост. В.М.Зеленев, Ал.И.Кустов, И.А. Мигель, Воронеж, 2009. ч.2. 170 с.

Данное учебное пособие написано для студентов гуманитарных и экономических специальностей дневной и заочной форм обучения в соответствии с Государственным стандартом 2005 г. При разработке пособия учтен опыт преподавания концепций современного естествознания (КСЕ) в Воронежском экономико-правовом институте, Военном авиационном инженерном университете (г. Воронеж), Воронежском государственном педагогическом университете. Особое внимание уделено результатам исследований естественных наук, при изучении которых у студентов часто возникают трудности.

Курс построен в соответствии с системно-историческим и эволюционно-синергетическим подходами к формированию естественнонаучной картины мира. Изложенный в пособии материал достаточно полно раскрывает содержание вопросов, что позволяет использовать их для подготовки к семинарским занятиям. Он изложен в 3-х главах и рассматривает синергетические представления о материи, космологические и геологические концепции современной научной картины мира (СНКМ), принципы эволюции и воспроизводства живых систем, представления о биосфере и ноосфере, гипотезы происхождения жизни и человека. Для повышения эффективности самостоятельной работы в конце пособия помещены сведения об основоположниках естествознания и блоки тестовых заданий.

Пособие может быть использовано преподавателями КСЕ для организации учебных занятий со студентами и контроля их знаний. Оно предназначено студентам всех форм обучения при изучении КСЕ, подготовке к семинарам, зачетам, экзаменам, при самостоятельной работе.

ГЛАВА 1.

СИНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О НИЗКООРГАНИЗОВАННОЙ МАТЕРИИ

§1. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

1. Термодинамика закрытых систем.

2. Принцип возрастания энтропии.

3. Открытые системы и неравновесная термодинамика.

1.1.Термодинамика закрытых систем

Как известно, закрытыми системами называются системы, не обменивающиеся с окружающим миром веществом, энергией, информацией. Понятие таких объектов появилось в физике, где они являлись моделями. С помощью таких моделей было удобно изучать идеальные процессы и описывать их с помощью математического аппарата. При учете характеристик реальных объектов с помощью поправок можно было рассчитывать параметры реальных процессов, изучать состояния систем.

Термодинамикой называется раздел физики, изучающий свойства систем на основании эмпирически полученных законов, связанных, прежде всего с энергетическими соотношениями. При этом, термодинамический подход не требует знаний о внутреннем строении вещества, характере связи между его элементами, их движении и проч. Термодинамика возникла из обобщения многочисленных фактов, описывающих явления передачи, распространения и превращения тепла. Самым очевидным является тот факт, что распространение тепла представляет собой необратимый процесс. Хорошо известно, например, что тепло, возникшее в результате трения или выполнения другой механической работы, нельзя снова превратить в энергию и потом использовать для производства работы. Также достоверно известно, что тепло передается самопроизвольно от горячего тела к холодному, а не наоборот.

С другой стороны, путем точных экспериментов было доказано, что тепловая энергия превращается в механическую энергию в строго определенных количествах. Существование такого механического эквивалента для теплоты свидетельствовало о ее сохранении. Все эти многочисленные факты и нашли свое обобщение и теоретическое объяснение в законах классической термодинамики. Наиболее известен первый закон термодинамики:

Если к системе подводится тепло Q и над ней производится работа А, то внутренняя энергия системы возрастает на величину D U:

DU= Q + А.

Эту энергию D U называют изменением внутренней энергии системы. Следовательно, тепло, полученное системой, не исчезает, а затрачивается на увеличение внутренней энергии и производство работы, т. Е.

Q = D U – А.

Другими словами, процесс, единственным результатом которого было бы изъятие тепла из резервуара, невозможен.

Иначе, этот закон называется законом сохранения энергии в термодинамике. Он устанавливает соотношение между сообщаемым системе количеством теплоты, совершаемой ею работой и ее внутренней энергией. Этот закон весьма эффективно был использован на первом этапе изучения окружающего мира. Однако, он может применяться лишь к закрытым системам и не указывает направления их развития.

В определенном смысле этот закон может быть применен и к воинским коллективам, к структурным армейским подразделениям. Суть такого подхода заключается в том, что коллектив рассматривается как система. Сообщаемое ей количество энергии (или вещества, вооружения, обмундирования и проч.) разделится на необходимое для выполнения реальных заданий (работа над внешними объектами) и неактивную часть (находящуюся внутри системы достаточно долго). Причем, воинский коллектив может рассматриваться как замкнутая система лишь на ограниченном временном отрезке. Правда, в данном случае, в отличие от рассматриваемого в физике, при жизнедеятельности подразделения (или коллектива) имеет место такая существенная особенность как морально-психологические отношения. Этот кажущийся несущественным, нематериальный фактор может значительно менять соотношение в цепочке “сообщаемая энергия – совершаемая работа – сохраняемая резервная часть энергии”.

Направление развития замкнутых или закрытых систем определяется вторым законом термодинамики, который констатирует, что системы самопроизвольно переходят в состояния менее упорядоченные. Более подробно поведение замкнутых систем рассматривается во втором параграфе данной главы.

1.2. Принцип возрастания энтропии

Приведенные термодинамические формулировки отражают связи, которые существуют между тепловой энергией и полученной за ее счет работой. В первом законе термодинамики речь идет о сохранении энергии, во втором – о невозможности производства работы исключительно за счет изъятия тепла из одного резервуара при постоянной температуре. Например, нельзя произвести работу за счет охлаждения озера, моря или иного резервуара при установившейся температуре. Согласно второму закону термодинамики, сформулированному французским ученым Сади Карно (1796 – 1832):

«Невозможно осуществить процесс, единственным результатом которого было бы превращение тепла в работу при постоянной температуре» или иначе: «Тепло не может перетечь самопроизвольно от холодного тела к горячему».

В дальнейшем немецкий физик Рудольф Клаузиус (1822 – 1888) использовал для формулировки второго закона термодинамики понятие энтропии, которое впоследствии австрийский физик Людвиг Больцман (1844 – 1906) интерпретировал в терминах измененияпорядка в систем е. Когда энтропия системы возрастает, то соответственно усиливается беспорядок в системе. В этом случае второй закон термодинамики постулирует:

«Энтропия замкнутой системы, т.е. системы, которая не обменивается с окружением ни энергией, ни веществом, постоянно возрастает».

А это означает, что такие системы эволюционируют в сторону увеличения в них беспорядка, хаоса и дезорганизации, пока не достигнут точки термодинамического равновесия, в которой всякое производство работы становится невозможным.

Термодинамика впервые ввела в физику понятие времени в весьма своеобразной форме, а именно в форме необратимого процесса возрастания энтропии в системе. Чем выше энтропия системы, тем больший временной промежуток прошла система в своей эволюции.

Как уже говорилось в первом вопросе воинские подразделения можно представить и в виде открытых систем. В них извне поступает оружие, обмундирование, боеприпасы, хозяйственное имущество, продукты и проч. В результате жизнедеятельности подразделения накапливаются ненужные вещества и материалы, а в результате боестолкновений могут появляться раненые и погибшие. Все эти элементы, появляющиеся внутри системы и не свойственные ей в начальный период, выводятся вовне. Именно таким способом, потребляя необходимое и выбрасывая ненужное может существовать система. При этом сохраняется заданный уровень ее упорядоченности и поддерживаются заданные служебные характеристики.

Как и для закрытых систем, для открытых воинских коллективов существенную роль играют морально-психологические отношения. Они могут проявляться как на этапе потребления, так и на этапах функционирования и удаления ненужного.

1.3. Открытые системы и неравновесная термодинамика

Классическая термодинамика в своем анализе систем в значительной мере абстрагировалась от их реальной сложности, в частности, отвлекалась от их взаимодействия с внешней средой. Поэтому ее исходное понятие закрытой, или изолированной, системы не отражало действительного положения вещей и приводило к противоречию с результатами исследований в биологии и социальных науках. История, социология, экономика и другие социальные и гуманитарные науки показывали, что в обществе, несмотря на отдельные зигзаги и движение вспять, в целом наблюдается прогресс.

«Средство, при помощи которого организм поддерживает себя постоянно на достаточно высоком уровне упорядоченности (равно на достаточно низком уровне энтропии), в действительности состоит в непрерывном извлечении упорядоченности из окружающей его среды» (Э.Шредингер).

Взаимодействуя со средой, открытая система не может оставаться замкнутой, ибо она вынуждена заимствовать извне либо новое вещество или свежую энергию и одновременно выводить в среду использованное вещество и отработанную энергию. Поскольку между веществом (массой) и энергией существует глубокая взаимосвязь, выражаемая уравнением Эйнштейна: Е = mс², то можно сказать, что в ходе своей эволюции система постоянно обменивается энергией с окружающей средой, а значит, производит энтропию. Использованная, отработанная энергия рассеивается в окружающей среде и взамен ее из среды извлекается новая, свежая энергия, способная производить полезную работу.

Такого рода материальные структуры, способные диcсипировать, или рассеивать, энергию, называются диссипативными. Отсюда становится ясным, что открытая система не может быть равновесной, потому что ее функционирование требует непрерывного поступления из внешней среды энергии или вещества, богатого энергией. В результате такого взаимодействия система, как указывает Шредингер, извлекает порядок из окружающей среды и тем самым вносит беспорядок в эту среду.

Очевидно, что с поступлением новой энергии или вещества неравновесность в системе возрастает. В конечном счете, прежняя взаимосвязь между элементами системы, которая определяет ее структуру, разрушается. Между элементами системы возникают новые связи, которые приводят к кооперативным процессам, т. е. к коллективному поведению ее элементов. Так схематически происходят процессы самоорганизации в открытых системах. Следовательно:

• Хаос не только разрушителен, но и созидателен, конструктивен; развитие осуществляется через неустойчивость (хаотичность).

•Линейный характер эволюции сложных систем, к которому привыкла классическая наука, не правило, а, скорее, исключение: развитие большинства таких систем носит нелинейный характер. А это значит, что для сложных систем всегда существует несколько возможных путей эволюции.

• Развитие осуществляется через случайный выбор одной из нескольких разрешенных возможностей дальнейшей эволюции в точке бифуркации. Следовательно, случайность – не досадное недоразумение; она встроена в механизм эволюции. А нынешний путь эволюции системы, возможно, не лучше, чем те, которые были отвергнуты случайным выбором. Синергетика – родом из физических дисциплин, в частности, из термодинамики. Но ее идеи носят междисциплинарный характер. Они подводят базу под совершившийся в естествознании глобальный эволюционный синтез. Следовательно, синергетика – одна из важнейших составляющих современной научной картины мира.

Наиболее резкое противоречие в XIX-м веке возникло между прежней физикой и эволюционной теорией Дарвина. Если, например, в механике большинство процессов представляются обратимыми, лишенными своей истории и развития, то теория Дарвина убедительно доказала, что новые виды растений и животных возникают в ходе эволюции в результате борьбы за существование. В этой борьбе выживают те организмы, которые оказываются лучше приспособленными к изменившимся условиям окружающей среды. Следовательно, в живой природе все процессы являются необратимыми. То же самое можно сказать в принципе и о социально-экономических, культурно-исторических и гуманитарных системах, хотя эволюция в природе происходит значительно медленнее, чем в обществе.

Физика приближалась к разрешению указанного выше противоречия через пересмотр и создание ряда промежуточных концепций, одной из которых является идея об эволюции систем, но не в сторону усиления их организации и сложности, а напротив, – в сторону дезорганизации и разрушения систем.

Как же объясняет современная синергетика процесс самоорганизации систем?

1. Для этого система должна быть открытой, потому что закрытая, изолированная система в соответствии со вторым законом термодинамики в конечном итоге должна придти в состояние, характеризуемое максимальным беспорядком или дезорганизацией.

2. Открытая система должна находиться достаточно далеко от точки термодинамического равновесия. Если система находится в точке равновесия, то она обладает максимальной энтропией и потому неспособна к какой-либо организации: в этом положении достигается максимум ее самодезорганизации. Если же система расположена вблизи или недалеко от точки равновесия, то со временем она приблизится к ней и затем придет в состояние полной дезорганизации.

3. Если упорядочивающим принципом для изолированных систем является эволюция в сторону увеличения их энтропии или усиления их беспорядка (принцип Больцмана), то фундаментальным принципом самоорганизации служит, напротив, возникновение и усиление порядка через флуктуации. Такие флуктуации, или случайные отклонения системы от некоторого среднего положения, в самом начале могут подавляться и ликвидироваться системой. Однако в открытых системах благодаря усилению неравновесности эти отклонения со временем возрастают и, в конце концов, приводят к «расшатыванию» прежнего порядка и возникновению нового. Поскольку флуктуации носят случайный характер (а именно: с них начинается возникновение нового порядка и структуры), то становится ясным, что появление нового в мире всегда связано с действием случайных факторов.

4. В отличие от принципа отрицательной обратной связи, на котором основывается управление и сохранение динамического равновесия систем, возникновение самоорганизации опирается на диаметрально противоположный принцип – положительную обратную связь. Функционирование различных технических регуляторов и автоматов основывается на принципе отрицательной связи, т.е. получении обратных сигналов от исполнительных органов относительно положения системы и последующей корректировки этого положения управляющими устройствами. Для понимания самоорганизации следует обратиться к принципу положительной обратной связи, согласно которому изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а напротив, накапливаются и усиливаются, что и приводит, в конце концов, к возникновению нового порядка и структуры.

5. Процессы самоорганизации, как и переходы от одних структур к другим, сопровождаются нарушением симметрии. Мы уже видели, что при описании необратимых процессов пришлось отказаться от симметрии времени, характерной для обратимых процессов в механике. Процессы самоорганизации, связанные с необратимыми изменениями, приводят к разрушению старых и возникновению новых структур.

6. Самоорганизация может начаться лишь в системах, обладающих достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов и, следовательно, имеющих некоторые критические размеры. В противном случае эффекты от синергетического взаимодействия будут недостаточны для появления кооперативного (коллективного) поведения элементов системы и тем самым возникновения самоорганизации.

Таким образом, выше перечислены необходимые, но далеко не достаточные условия для возникновения самоорганизации в различных системах природы. Поэтому можно сделать вывод, что чем выше мы поднимаемся по эволюционной лестнице развития систем, тем более сложными и многочисленными оказываются факторы, которые играют роль в самоорганизации.

Этот процесс необратим. А отсюда следует, что развитие таких систем имеет принципиально непредсказуемый характер.

Таким образом, в §1 даны систематизированные основы научных знаний о термодинамике закрытых систем. Сформулированы законы термодинамики и рассмотрено их применение к конкретным процессам. Введено понятие энтропии, как меры упорядоченности и времени существования. На основе эволюционных представлений продемонстрированы возможные пути развития различных открытых систем.

Контрольные вопросы:

1. Что такое закрытая система? Какова история использования таких систем как моделей?

2. Что такое термодинамика? Каковы ее цели и объекты исследований?

3. Первый закон термодинамики и его естественнонаучный смысл.

4. Понятия внутренней энергии, теплоты, работы.

5. Применение первого закона термодинамики к воинским коллективам и рамки его использования.

6. Основной смысл второго закона термодинамики.

7. Различные формулировки второго закона термодинамики.

8. Энтропия как мера упорядочения систем.

*9. Связь энтропии со временем (рассмотреть на примере).

10. Определение открытой системы. Использование этого определения для

характеризации воинских коллективов.

11. Каков основной принцип поддержания системы (организма, коллектива)

на высоком уровне упорядочения?

12. Естественнонаучный смысл уравнения Эйнштейна.

13. Диссипативные и консервативные системы. Их взаимодействие с окру-

жающей средой.

14. Основные процессы самоорганизации в системах.

15. Представление о точке бифуркации и ее место в эволюции окружающего

мира.

*16. Синергетические представления об эволюции систем.

§2. ХИМИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

1. Предмет познания химической науки. Химические процессы.

2. Реакционная способность веществ.

3. Методы и концепции познания в химии.

4. Самоорганизация и эволюция химических систем.

2.1. Предмет познания химической науки.

Химические процессы

Химия – наука, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения. В настоящее время химия представляет собой высокоупорядоченную, постоянно развивающуюся систему знаний о химических элементах и их соединениях, энергетике химических процессов, реакционной способности веществ, катализаторах и т. д.

Исторически химия возникла для получения человеком веществ, необходимых для его жизнедеятельности. Для решения этой задачи нужно было научиться производить из одних веществ другие, т. е. осуществлять качественные их превращения. А поскольку качество – есть совокупность свойств веществ, то следовало узнать, от чего зависят эти свойства. Это и послужило причиной появления теоретической химии.

Современная химия занимается получением веществ с заданными свойствами (на что направлена производственная деятельность людей) и выявлением способов управления свойствами вещества (на чем сосредоточена научно-исследовательская деятельность). В этом заключается основная проблема химии и системообразующее начало ее как науки.

Основные химические представления были впервые сформулированы и приняты на первом Международном съезде химиков, состоявшемся в Карлсруэ (Германия) в 1860 г. Система химических представлений легла в основу так называемой атомно-молекулярной теории, основные положения которой заключались в следующем.

• Все вещества состоят из молекул, которые находятся в непрерывном, самопроизвольном движении.

• Все молекулы состоят из атомов. Атомы и молекулы находятся в непрерывном тепловом движении.

• Атомы представляют собой мельчайшие, далее неделимые составные части молекул.

Таким образом, к концу 1860-х гг. утвердившимся и неоспоримым стало представление о существовании атомов и молекул. Была разработана стройная атомно-молекулярная теория, на которой базировалось естествознание того времени. Атом считался неделимым. Однако эта теория оказалась не в состоянии объяснить ряд экспериментальных фактов, полученных к концу XIX – началу XX в.

Если первые утверждения съезда химиков в Карлсруэ сегодня кажутся очевидными, то последнее оказалось исторически ограниченным. С открытием сложного строения атома стала ясна причина связи атомов друг с другом. Она получила название химическая связь, указывающая на то, что между атомами действуют силы взаимодействия электрических зарядов, носителями которых являются электроны и ядра атомов.

В образовании химической связи между атомами главную роль играют электроны, расположенные на внешней оболочке и связанные с ядром наименее прочно, так называемые валентные электроны. В зависимости от характера распределения электронной плотности между взаимодействующими атомами различают три основных типа химической связи: ковалентную, ионную и металлическую.

Ковалентная связь осуществляется за счет образования электронных пар, в одинаковой мере принадлежащих обоим атомам. Ионная связь представляет собой электростатическое притяжение между ионами, образованными путем полного смещения электронной пары к одному из атомов. Металлическая связь есть связь между положительными ионами в кристаллах металлов, осуществляемая за счет притяжения электронов, свободно перемещающихся по кристаллу.

Химическая связь представляет собой такое взаимодействие, которое связывает отдельные атомы в молекулы, ионы, кристаллы, т. е. в те структурные уровни организации материи, которые изучает химическая наука.

Природа химической связи, согласно современным представлениям, объясняется взаимодействием электрических полей, создаваемых электронами и ядрами атомов, которые участвуют в образовании химического соединения.

Важнейшей характеристикой химической связи, определяющей ее прочность, является энергия связи. Количественно она обычно оценивается с помощью энергии, затрачиваемой на ее разрыв.

Химическая кинетика объясняет качественные и количественные изменения химических процессов, происходящих во времени. Она выявляет механизм реакции – определение элементарных стадий процесса и последовательности их протекания (качественные изменения) и количественные ее описания – установление строгих отношений, которые позволяют рассчитывать изменения количеств исходных реагентов и продуктов по мере протекания реакции. Обычно реакция протекает в несколько промежуточных стадий, которые, складываясь, дают суммарную реакцию. Скорость ее зависит от природы реагирующих веществ и от условий, в которых она протекает. Важнейшими из них являются: концентрация, температура и присутствие катализатора. Природа реагирующих веществ оказывает решающее влияние на скорость реакции.

Тепловой эффект реакции зависит от природы реагентов и продуктов, их физического состояния, условий, в которых находятся реагенты и продукты, а также от количества взаимодействующих веществ. Поэтому для сравнения эффектов различных реакций необходимо точно указывать условия, при которых они протекают, а также физическое состояние каждого компонента.

Химия решает также проблемы химических элементов, физической природы химических явлений и другие вопросы, связанные с химическими элементами. Таковы общие представления о предмете химической науки.

Химию обычно рассматривали как науку о составе и качественном превращении различных веществ. В первое время именно по составу реагирующих веществ пытались объяснить свойства полученных новых веществ. Уже на этом этапе ученые встретились с огромными трудностями. Ведь для того чтобы понять, какие именно первоначальные элементы определяют свойства простых и сложных веществ, надо, во-первых, уметь различать простые и сложные вещества, а во-вторых, определить те элементы, от которых зависят их свойства. Между тем долгое время ученые считали, например, металлы сложными веществами, а об элементах существовали самые противоречивые представления. Поэтому, несмотря на обилие эмпирического материала о свойствах различных веществ и их соединений, особенностях протекания разнообразных реакций, в химии, по сути дела, до открытия в 1869 г. Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева (1834 – 1907) не существовало той объединяющей концепции, с помощью которой можно было бы объяснить весь накопленный фактический материал.

Уже с первых шагов химики на интуитивном и эмпирическом уровне поняли, что свойства простых веществ и химических соединений зависят от тех неизменных начал или носителей, которые впоследствии стали называть элементами. Выявление и анализ этих элементов, раскрытие связи между ними и свойствами веществ охватывает значительный период в истории химии, начиная от гипотезы Роберта Бойля (1627 – 1691) и кончая современными представлениями о химических элементах как разновидностях изотопов, т.е. атомов, обладающих одинаковым зарядом ядра и отличающихся по массе. Этот первый концептуальный уровень можно назвать исследованием различных свойств веществ в зависимости от их химического состава, определяемого их элементами. Здесь мы видим удачную аналогию с концепцией атомизма. Химики, как и физики, искали ту первоначальную основу или элемент, с помощью которых пытались объяснить свойства всех простых и сложных веществ.

Второй концептуальный уровень познания свойств связан с исследованием структуры, т. е. способа взаимодействия элементов веществ. Эксперимент и производственная практика убедительно доказывали, что свойства полученных в результате химических реакций веществ зависят не только от элементов, но и от взаимосвязи и взаимодействия элементов в процессе реакции. Именно поэтому в процессе познания и использования химических явлений необходимо было учитывать их структуру, т. е. характер взаимодействия составных элементов вещества.

Третий уровень познания представляет собой исследование внутренних механизмов и условий протекания химических процессов, таких, как температура, давление, скорость протекания реакций и некоторые другие. Все эти факторы оказывают громадное влияние на характер процессов и объем получаемых веществ, что имеет первостепенное значение для массового производства.

Наконец, четвертый концептуальный уровень является дальнейшим развитием предыдущего уровня, связанным с более глубоким изучением природы реагентов, участвующих в химических реакциях, а также применением катализаторов, значительно ускоряющих скорость их протекания. На этом уровне мы встречаемся уже с простейшими явлениями самоорганизации, изучаемыми синергетикой.

Введенное в химию на первых этапах развития понятие (Р. Бойль) элемента как «простого тела» было размыто, неточно. Согласно этому представлению железо, медь и другие известные в то время металлы рассматривались как сложные тела, а окалина, получающаяся при их прокаливании, – как простое тело. Теперь мы знаем, что окалина, или оксид металла, представляет собой соединение металла с кислородом, т. е. это сложное вещество.

Постепенно химики открывали все новые и новые химические элементы, описывали их свойства и реакционную способность и благодаря этому накопили огромный эмпирический материал, который необходимо было привести в определенную систему. Такие системы предлагались разными учеными, но были весьма несовершенными потому, что в качестве системообразующего фактора брались несущественные, второстепенные и даже чисто внешние признаки элементов.

Великая заслуга Д. И. Менделеева состоит в том, что, открыв периодический закон, он заложил фундамент для построения подлинно научной системы химических знаний. В качестве системообразующего фактора, или «неизменного общего в изменяемом и частном», он выбрал атомную массу, или атомный вес. В соответствии с атомным весом он расположил химические элементы в систему и показал, что их свойства находятся в периодической зависимости от атомного веса. Более того, он предсказал существование неизвестных элементов, оставив для них пустые клетки в своей таблице. Впоследствии эти элементы были открыты химиками и свойства их оказались такими, какие предсказал Д. И. Менделеев. Благодаря этому его Периодическая система получила широкое признание в научном мире.

Дальнейшее развитие науки позволило уточнить, что свойства химических элементов зависят от их атомного номера, определяемого зарядом ядра. Атомный же вес является средним арифметическим величин масс изотопов, из которых состоит элемент. Изотопами называются разновидности атомов, которые имеют одинаковый заряд ядра, но отличаются по своей массе. Тем самым была решена и проблема химического элемента, которая с XVIII в. оставалась предметом многочисленных дискуссий.

В настоящее время химическим элементом называют вещество, все атомы которого обладают одинаковым зарядом ядра, хотя и различаются по своей массе, вследствие чего атомные веса элементов не выражаются целыми числами.

Еще по представлениям Пруста следует, что любое химическое соединение должно обладать вполне определенным, неизменным составом, и это свое убеждение он сформулировал в виде закона постоянства состава. По его мнению, именно постоянный состав отличает химические соединения от смесей. Впоследствии закон постоянства состава с позиций атомно-молекулярного учения обосновал выдающийся английский химик Джон Дальтон (1766 – 1844). Он утверждал, что всякое индивидуальное вещество – простое или сложное – состоит из мельчайших частиц – молекул, которые в свою очередь образованы из атомов. Именно молекулы являются наименьшими частицами, обладающими химическими свойствами вещества. Например, молекула такого простого вещества как кислород (0₂) образована из двух атомов и характеризуется всеми свойствами, которые присущи этому веществу. Молекулы сложных веществ, или химических соединений, образованы из разных атомов и поэтому обладают свойствами, отличными от свойств составных частей. Так, например, вода (Н₂О) представляет собой жидкость, а образована она из двух газов – водорода и кислорода. Важно подчеркнуть, что каким бы способом она или другое химическое соединение ни были бы получены, они всегда будут иметь тот же самый состав.

Долгое время закон постоянства химического состава считался абсолютной истиной, не допускающей никаких исключений, хотя уже К. Бертолле указывал на существование соединений переменного состава в форме растворов и сплавов. Впоследствии были найдены более убедительные доказательства существования химических соединений переменного состава, в частности, в школе известного русского физико-химика Николая Семеновича Курнакова (1860-1940), которые он назвал бертоллидами в честь К. Бертолле. К ним он отнес те соединения, состав которых зависит от способа их получения, например, соединения таких двух металлов, как марганец и медь, магний и серебро и др. Со временем химики открыли другие соединения переменного состава и пришли к выводу, что они отличаются от соединений постоянного состава тем, что не обладают молекулярным строением. При этом, природа соединения, т. е. характер связи атомов в его молекуле, зависит от их химических связей, определяемых обменным взаимодействием валентных электронов. В связи с этим изменилось и классическое понятие молекулы: ею по-прежнему называют наименьшую частицу вещества, которая определяет его свойства и может существовать самостоятельно. Однако к молекулам теперь относят также разнообразные другие квантовомеханические системы (ионные, атомные монокристаллы, полимеры и другие макромолекулы).

Таким образом, нами рассмотрен предмет познания химической науки, дано ее определение, установлен смысл основных понятий и определений, вычленены концептуальные уровни познания.

2.2. Реакционная способность веществ

Характер любой системы, как известно, зависит не только от состава и строения ее элементов, но и от их взаимодействия. Именно такое взаимодействие определяет специфические, целостные свойства самой системы. Поэтому при исследовании разнообразных веществ и их реакционной способности ученым приходилось заниматься и изучением их структур. Соответственно уровню достигнутых знаний менялись и представления о химической структуре веществ. Хотя разные ученые по-разному истолковывали характер взаимодействия между элементами химических систем, тем не менее все они подчеркивали, что целостные свойства этих систем определяются именно специфическими особенностями взаимодействия между их элементами.

В качестве первичной химической системы рассматривалась при этом молекула и поэтому, когда речь заходила о структуре веществ, то имелась в виду именно структура молекулы как наименьшей единицы вещества. Сами представления о структуре молекулы постепенно совершенствовались, уточнялись и конкретизировались, начиная от весьма общих предположений отвлеченного характера и кончая гипотезами, обоснованными с помощью систематических химических экспериментов. Французский химик Шарль Жерар (1816 – 1856) справедливо подчеркивал, что при образовании структур различные атомы не просто взаимодействуют, но известным образом преобразуют друг друга, так что в результате возникает определенная целостность или, как мы сказали бы теперь, система. Однако эти общие и в целом правильные представления не содержали практических указаний, как применить их для синтеза новых химических соединений и получения веществ с заранее заданными свойствами.

Такую попытку раскрытия структуры молекул и синтезирования новых веществ предпринял известный немецкий химик Фридрих Кекуле (1829 – 1896). Он стал связывать структуру с понятием валентности элемента или числа единиц его сродства. На этой основе и возникли те структурные формулы, которыми с определенными модификациями пользуются при изучении органической химии. В этих формулах элементы связывались друг с другом по числу единиц их сродства или валентности. Комбинируя атомы различных химических элементов по их валентности, можно прогнозировать получение различных химических соединений в зависимости от исходных реагентов. Таким путем можно было управлять процессом синтеза различных веществ с заданными свойствами, а именно это составляет важнейшую задачу химической науки.

Дальнейший шаг эволюции понятия химической структуры связан с теорией химического строения Александра Михайловича Бутлерова (1828 – 1886), который, хотя и признавал, что образование новых молекул из атомов происходит за счет их химического сродства, но обращал особое внимание на степень напряжения или энергии, с которой они связываются друг с другом. Именно поэтому новые идеи А.М. Бутлерова нашли не только широкое применение в практике химического синтеза, но и получили свое обоснование в квантовой механике.

Эволюция понятия химической структуры осуществлялась в направлении, с одной стороны, анализа ее составных частей или элементов, а с другой – установления характера физико-химического взаимодействия между ними. Последнее особенно важно для ясного понимания структуры с точки зрения системного подхода, где под структурой подразумевают упорядоченную связь и взаимодействие между элементами системы, благодаря которой и возникают новые целостные ее свойства. В такой химической системе, как молекула, именно специфический характер взаимодействия составляющих ее атомов определяет свойства.

Таким образом, одной из важнейших характеристик веществ является их реакционная способность. Именно она показывает, насколько активно вступают во взаимодействие атомы или молекулы данного вещества с другими. Реакционная способность связана как со свойствами молекул данного материала, так и с внешними факторами (например, с температурой, давлением и проч.). На основании данного понятия и строится понимание методов и концепций познания в химии.

2.3. Методы и концепции познания в химии

Химические знания до определенного момента накапливались эмпирически. Но когда их стало очень много, назрела необходимость в классификации и систематизации. Основоположником системного подхода в химии стал Д.И. Менделеев. Попытки объединения элементов в группы предпринимались и до него. Однако не были найдены причины изменений свойств вещества.

Д.И. Менделеев считал, что любое точное знание составляет систему. Системный подход позволил ему в 1869 г. открыть Периодический закон и разработать Периодическую систему химических элементов.

До системного подхода Д.И. Менделеева учебники по химии были очень громоздкими. В 1868 – 1871 гг. появился учебник Д.И. Менделеева «Основы химии», построенный на основе естественнонаучных обобщений. В нем была собрана масса сведений, сформулированы четкие и ясные идеи. Все частные факты были отражены в форме единой логической стройной системы и оказались представлены рельефнее и даже полнее, чем в многотомных учебниках.

С момента выхода учебника Д.И. Менделеева количество фактических данных возросло в тысячи раз. Имеются сведения о 8 млрд. индивидуальных химических соединений постоянного и миллиардах переменного составов. Наряду с классическими отраслями химии (органической, неорганической, аналитической, физической) появились сотни новых. Например, химия элементоорганических соединений, нефтехимия, химия силикатов и др.

Однако всю эту необозримую картину современной химии в состоянии объяснить четыре концептуальные системы химических знаний. Их можно представить следующим образом:

4. Эволюционная химия

3. Учение о химических процессах

2. Структурная химия

1. Учение о составе

1660-е гг. 1800-е гг. 1950-е гг. 1970-е гг Настоящее время.

Данная схема показывает, что в развитии химии происходило последовательное появление концептуальных систем, причем каждая новая возникала на основе научных достижений предыдущей, опиралась на нее и включала ее в себя в преобразованном виде.

Как известно, первым положил начало современному представлению о химическом элементе как о «простом теле» Р. Бойль. Однако химики в то время еще не знали ни одного химического элемента. Фосфор был открыт в 1669 г. и (повторно в 1680 г.), кобальт – в 1735 г., никель – в 1751 г., водород – в 1766 г., фтор – в 1771 г., азот – в 1772 г., хлор и марганец – в 1774 г. Кислород был открыт одновременно в Швеции, Англии и Франции в 1772 – 1776 гг.

Открыв кислород и установив его роль в образовании кислот, оксидов и воды, А. Лавуазье создал принципиально новую теорию химии. Лавуазье принадлежит первая в истории попытка систематизации химических элементов. Он включил в свою систему кислород, водород, азот, серу, фосфор, углерод, семь известных к тому времени металлов, а также... известь, магнезию, глинозем и кремнезем, потому что они не поддавались дальнейшему разложению.

Так, в системе элементов Лавуазье оказалась ошибка, которую в дальнейшем удалось исправить Д.И. Менделееву. Он доказал, что показателем химического элемента является его место в Периодической системе, определяемое по заряду атомного ядра.

Во времена Д.И. Менделеева было известно 62 элемента. В 1930-е гг. система элементов заканчивалась ураном (Z = 92). В дальнейшем элементы открывались путем физического синтеза атомных ядер (по 110-й).

Проблема химического соединения до недавнего времени у химиков не вызывала споров. Было общепринято, что нужно относить к химическим соединениям, а что – к «простым телам» или смесям. Однако применение в последнее время физических методов исследования вещества открыло физическую природу химизма, которая заключается во внутренних силах, объединяющих атомы в молекулы как единую квантово-механическую систему. Этими силами являются химические связи, а они представляют собой проявление волновых свойств валентных электронов.

Электрон – двойствен. Он и частица, и волна, и точечный заряд, и подобие непрерывного по своему строению электронного облака, располагающегося в поле действия атомных ядер. Химические связи – это обменное взаимодействие электронов, обобщение валентных электронов, «перекрывание электронных облаков». Классическое понятие молекулы в результате раскрытия физической сущности химической связи претерпело изменения. Молекулами теперь называют и такие необычные квантово-механические системы, как ионные, атомные и металлические монокристаллы и полимеры, образованные за счет водородных связей. Поэтому такие неорганические вещества, как оксиды металлов, хлориды, сульфиды, нитриды металлов, относят к веществам молекулярного строения, не имеющим постоянного состава.

В результате того, что физика открыла природу химизма как обменного взаимодействия электронов, химия стала принципиально по-новому решать и проблему химического соединения. Химическое соединение определяется как качественно определенное вещество, состоящее из одного или нескольких элементов, атомы которых за счет обменного взаимодействия (химической связи) объединены в частицы – молекулы, комплексы, монокристаллы или иные агрегаты. Однако, в настоящее время на все более значимые позиции выдвигается не самоизучение химических соединений, а проблема вовлечения новых химических элементов в производство материалов связана с такими фактами, как: 98, 6% массы физически доступного слоя Земли составляют всего восемь химических элементов: 47, 0% – кислород, 27, 5% – кремний, 8, 8% – алюминий, 4, 6% – железо, 3, 6% – кальций, 2, 6%, – натрий, 2, 5% – калий, 2, 1% – магний. Однако эти ресурсы используются неравномерно. Например, железа содержится в Земле в два раза меньше, чем алюминия. В то же время более 95% металлических изделий – конструкций, самых разнообразных машин и механизмов, транспортных путей производится из железорудного сырья.

Широкая распространенность кремния (97% массы земной коры составляют силикаты) дает основание утверждать, что силикаты должны стать основным сырьем для производства практически всех строительных материалов и полуфабрикатов при изготовлении керамики, способной конкурировать с металлами.

Металлы и керамика – два вида материалов, которые на 90% составляют материальную основу условий жизни человечества. В мире ежегодно производится 600 млн. т металла – более 150 кг на каждого жителя планеты. Керамики вместе с кирпичом изготовляется примерно столько же. Однако металл в производстве обходится в сотни и тысячи раз дороже, чем керамика. На основе современных достижений химии появились возможности замены металлов керамикой в различных областях человеческой деятельности.

Керамические изделия имеют плотность на 40% ниже плотности металлов, что позволяет снизить массу изготовляемых из керамики деталей. А благодаря внедрению в ее производство новых химических элементов (циркония, титана, бора, германия, хрома, молибдена, вольфрама и др.) стали получать изделия с заранее заданными специальными свойствами – огнеупорную, термостойкую, хемостойкую, высокотвердую, а также керамику с набором заданных электрофизических свойств.

В нашей стране в 1960-х гг. впервые в мире получен сверхтвердый материал – гексанит. Это одна из кристаллических разновидностей нитрида бора с температурой плавления 3200°С и твердостью, близкой к твердости алмаза. Данный материал обладает рекордно высокой вязкостью, у него отсутствует хрупкость, присущая керамике. Такая керамика производится методом прессования порошков с получением необходимых форм и размеров, что делает ненужной дальнейшую обработку. Кроме того, создана керамика, обладающая сверхпроводимостью при температуре выше температуры кипения азота (– 195, 8°С). Это открывает перспективы для создания сверхмощных двигателей и электрогенераторов, транспорта на магнитной подушке, для разработки сверхмощных магнитных ускорителей для вывода полезных грузов в космос и т. п.

Начиная с середины XX в. новые химические элементы стали использоваться и в синтезе элементоорганических соединений от алюминия до фтора. В результате появились целые области элементоорганических соединений, одну часть которых начали применять в качестве химических реагентов для лабораторных исследований, а другую – для синтеза уникальных материалов.

2.4. Самоорганизация и эволюция химических систем

Способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется не только их атомно-молекулярной структурой, но и условиями протекания химических реакций. К условиям протекания химических процессов относятся прежде всего термодинамические факторы, характеризующие зависимость реакций от температуры, давления и некоторых других условий. В еще большей степени характер и особенно скорость реакций зависят от кинетических условий, которые определяются наличием катализаторов и других добавок к реагентам, а также влиянием растворителей, стенок реактора и иных условий.

Не следует, однако, забывать, что эти условия могут оказывать воздействие на характер и результат химических реакций при определенной структуре молекул химических соединений. Наиболее активны в этом отношении соединения переменного состава с ослабленными связями между их компонентами. Именно на них и направлено в первую очередь действие разных катализаторов, которые значительно ускоряют ход химических реакций. В зависимости от структуры вступающих в реакцию веществ, а также от набора внешних параметров реакции можно говорить об эволюции веществ, т.е. о переходе в новые формы, более устойчивые, чем вступающие в реакции.

Меньшее влияние оказывают на реакции такие термодинамические факторы, как температура и давление. Для сравнения можно привести реакцию синтеза аммиака из азота и водорода. Вначале его не удавалось получить ни с помощью большого давления, ни высокой температуры, и только использование в качестве катализатора специально обработанного железа впервые привело к успеху. Однако эта реакция сопряжена с большими технологическими трудностями, которые удалось преодолеть после того, когда был использован металлорганический катализатор. В его присутствии синтез аммиака происходит при обычной температуре (18°С) и нормальном атмосферном давлении, что открывает большие перспективы не только для производства удобрений, но в будущем такого изменения генной структуры злаков (ржи и пшеницы), когда они не будут нуждаться в азотных удобрениях. Следует обратить особое внимание на то, что возникновение и эволюция жизни на Земле были бы невозможны без существования ферментов, служащих по сути дела «живыми» катализаторами. Тот факт, что катализ играл решающую роль в процессе перехода от химических систем к биологическим, т. е. на предбиотической стадии эволюции, в настоящее время подтверждается многими данными.

Роль химических процессовусиливается по мере усложнения состава и структуры систем. На этом основании некоторые ученые, например, напрямую связывают химическую эволюцию с самоорганизацией и саморазвитием каталитических систем. Другими словами, такая эволюция если не целиком, то в значительной мере связана с процессами самоорганизации каталитических систем. Следует, однако, помнить, что переход к простейшим формам жизни предполагает также особый дифференцированный отбор лишь таких химических элементов и их соединений, которые являются основным строительным материалом для образования биологических систем. В связи с этим достаточно отметить, что из более чем ста химических элементов лишь шесть (кислород, водород, азот, углерод, фосфор, сера) названных органогенами, служат основой для построения живых систем. Именно эти вещества демонстрируют качественный переход процесса самоорганизации в химии на более высокий уровень – организацию органических образований с новыми, не наблюдавшимися ранее свойствами.

В значительной степени именно химическими процессами в организме определяется как его собственное функционирование, так и психофизические процессы. Энергия поступает в человека как химико-биологическую систему в виде пищи. Эти химические продукты подвергаются сперва щелочной, а затем – кислотной обработке, в результате чего они разлагаются на более мелкие соединения – нуклеиновые кислоты и проч. Благодаря наличию в организме репликаторов – ДНК и РНК – из простейших соединений строятся (в процессе самоорганизации) белки, свойственные данному организму, поддерживающие его функционирование в определенных рамках в течение достаточно длительного времени. На клеточном уровне обмен веществом и энергией происходит также благодаря химическим реакциям, чаще всего происходящим в водных растворах. При этом значительное место отводится мембранным механизмам. Именно благодаря самоорганизации химических систем наибольшее влияние на мутации организмов оказывают химические вещества (особенно сильно проявляющиеся при отравлениях) и радиоактивные излучения. При наличии перечисленных внешних воздействий организм в соответствии с правилами обратной связи (положительной или отрицательной) либо эволюционирует, либо деградирует…

Таким образом, в §2 демонстрируется, что в значительной степени происходящие изменения в окружающем мире связаны с химическим взаимодействием элементов или образованных из них комплексов, то есть обусловлены химическими процессами. Для вступающих во взаимодействие веществ реакционная способность определяется строением или структурой образующих их элементов. Именно характером строения вступающих в реакции вещества определяются и получаемые в результате. Сформулированы концептуальные уровни познания в химии. Показано, что самоорганизация и эволюция таких сложных биологических систем как человек возможна именно благодаря осуществлению широкого круга химических реакций. В целом, материал §2 еще раз подчеркивает взаимосвязь и взаимопроникновение идентичных идей в, казалось бы, различные области знаний о природе…

Контрольные вопросы:

1. Что такое химия и каковы ее задачи?

2. Какие концептуальные уровни познания в химии вам известны?

3. Периодический закон и его системообразующие факторы.

4. Понятия изотопа, химического элемента.

5. Валентность. Понятие реакционной способности.

6. Условия протекания термодинамических процессов.

7. Понятие об органогенах.

8. Основные положения атомно-молекулярной теории.

9. Химическая связь, ее виды и характеристика.

10. Каковы концептуальные системы химических знаний?

*11. Проблемы вовлечения новых элементов в производство.