Роль взаємозв'язку дисциплін природничо-наукового циклу в формуванні пізнавальних умінь та інтересів учнів. Що таке природні науки? Методи природничих наук Місце неорганічної хімії в системі хімічних наук

Природничих і гуманітарних КУЛЬТУРИ

Культура-одна з найважливіших характеристик людської життєдіяльності. Кожен індивід являє собою складну біосоціальну систему, існуючу за рахунок взаємодії з навколишнім середовищем. Необхідні закономірні зв'язку з навколишнім середовищем визначають його потреби, які важливі для його нормального функціонування, життєдіяльності та розвитку. Більшість потреб людина задовольняє за допомогою праці.

Таким чином, під системою людської культури можна розуміти світ речей, предметів, створених людиною (його діяльністю, працею) вході його історичного розвитку. Залишаючи осторонь питання про складність і неоднозначність поняття культури, можна зупинитися на одному з найпростіших його визначень. Культура-це сукупність створених людиною матеріальних і духовних цінностей, а також сама людська здатність ці цінності виробляти і використовувати.

Як ми бачимо, поняття культури дуже широке. Воно, по суті, охоплює безліч найрізноманітніших речей і процесів, пов'язаних з діяльністю людини і її результатами різноманітну систему сучасної культури в залежності від цілей діяльності прийнято поділяти на дві великі і тісно пов'язані області - матеріальну (природничо-наукову) і духовну (гуманітарну) культуру .

Предметна область першою - чисто природні явища і властивості, зв'язки і відносини речей, «працюють» в світі людської культури у вигляді природних наук, технічних винаходів і пристосувань, виробничих відносин і т. Д. Другий тип культури (гуманітарний) охоплює область явищ, в яких представлені властивості, зв'язки і відносини самих людей, як соціальні, так і духовні (релігія, мораль, право і т. д.).

Стор. 7

Явища людської свідомості, психіки (мислення, знання, оцінка, воля, почуття, переживання і т. Д.) Відносяться до світу ідеального, духовного. Свідомість, духовное- це дуже важливе, але лише одна з властивостей складної системи, якою є людина. Однак людина повинна матеріально існувати для того, щоб проявилися його здібності до виробництва ідеальних, духовних речей. Матеріальна життя людей- це область людської діяльності, яка пов'язана з виробництвом предметів, речей, що забезпечують саме існування, життєдіяльність людини і задовольняють його потреби (їжа, одяг, житло і т. Д.).

Протягом людської історії багатьма поколіннями створено колосальний світ матеріальної культури. Будинки, вулиці, заводи, фабрики, транспорт, комунікаційна інфраструктура, установи побуту, постачання продуктами харчування, одягом та ін. - все це найважливіші показники характеру і рівня розвитку суспільства. По залишках матеріальної культури археологам вдається досить точно визначити етапи історичного розвитку, особливості товариств, держав, народів, етносів, цивілізацій.

Духовна культура пов'язана з діяльністю, спрямованою на задоволення нематеріальних, а духовних потреб особистості, т. Е. Потреб у розвитку, вдосконаленні внутрішнього світу людини, його свідомості, психології, мислення, знань, емоцій, переживань і т. Д. Існування духовних потреб і відрізняє людину від тварини. Ці потреби задовольняються в ході нематеріальної, а духовного виробництва, в процесі духовної діяльності.

Продуктами духовного виробництва є ідеї, поняття, уявлення, наукові гіпотези, теорії, художні образи, моральні норми і правові закони, релігійні погляди і ін., Які втілюються в своїх особливих матеріальних носіях. Такими носіями виступають мова, книги, твори мистецтва, графіки, креслення і т. Д.

Аналіз системи духовної культури як цілого дозволяє виділити наступні її основні компоненти: політична свідомість, мораль, мистецтво, релігію, філософію, правосвідомість, науку. Кожен з цих компонентів має певний предмет, свій спосіб відображення, виконує в житті суспільства конкретні соціальні функції, містить пізнавальні та оціночні моменти - систему знань і систему оцінок.

Стор. 8

Наука є одним з найважливіших компонентів матеріальної і духовної культури. Її особливе місце в духовній культурі визначається значенням пізнання в способі буття людини в світі, в практиці, матеріально-предметному перетворенні світу.

Наука являє собою історично сформовану систему пізнання об'єктивних законів світу. Наукове знання, отримане на основі перевірених практикою методів пізнання, виражається в різних формах: у поняттях, категоріях, законах, гіпотезах, теоріях, наукову картину світу та ін. Воно дає можливість передбачення і перетворення дійсності в інтересах суспільства і людини.

Сучасна наука-складна і різноманітна система окремих наукових дисциплін, яких налічується кілька тисяч і які можна об'єднати в дві сфери: фундаментальні і прикладні науки.

Фундаментальні науки мають на меті пізнання об'єктивних законів світу, що існують безвідносно до інтересів і потреб людини. До них відносяться математичні науки, природні (механіка, астрономія, фізика, хімія, геологія, географія і т. Д.), Гуманітарні (психологія, логіка, лінгвістика, філологія та ін.). Фундаментальні науки тому і називаються фундаментальними, що своїми висновками, результатами, теоріями визначають зміст наукової картини світу.

Прикладні науки націлені на розробку способів застосування отриманих фундаментальними науками знань про об'єктивні закони світу для задоволення потреб та інтересів людей. До прикладних наук ставляться кібернетика, технічні науки (прикладна механіка, технологія машин і механізмів, опір матеріалів, металургія, гірнича справа, електротехніка, ядерна енергетика, космонавтика та ін.), Сільськогосподарські, медичні, педагогічні науки. У прикладних науках фундаментальні знання набувають практичне значення, використовуються для розвитку продуктивних сил суспільства, вдосконалення предметної сфери людського буття, матеріальної культури.

Широко поширені уявлення про «двох культурах» в науці-природничо-наукової та гуманітарної. На думку англійського історика і письменника Ч. Сноу, між цими культурами існує величезна прірва, а вчені, які вивчають гуманітарні та точні галузі знання, все більше не розуміють один одного (диспути між «фізиками» і «ліриками»).

У зазначеній проблемі виділяються два аспекти. Перший пов'язаний з закономірностями взаємодії науки і мистецтва, другий - з проблемою єдності науки.

Стор. 9

В системі духовної культури наука і мистецтво не виключають, а припускають і доповнюють один одного там, де мова йде про формування цілісної, гармонійної особистості, про повноту людського світовідчуття.

Природознавство, будучи основою всякого знання, завжди мало вплив на розвиток гуманітарних наук (через методологію, общеміровоззренческіе уявлення, образи, ідеї і т. Д.). Без застосування методів природничих наук були б немислимі видатні досягнення сучасної науки про походження людини і суспільства, історії, психології і т. Д. Нові перспективи взаємозбагачення природничо-наукового і гуманітарного знання відкриваються зі створенням теорії самоорганізації - синергетики.

Таким чином, не конфронтація різних «культур в науці», а їх тісна єдність, взаємодія, взаємопроникнення є закономірною тенденцією сучасного наукового пізнання.

Необхідність міжпредметних зв'язків у навчанні безперечна. Послідовне і систематичне їх здійснення значно посилює ефективність навчально-виховного процесу, формує діалектичний спосіб мислення учнів. До того ж міжпредметні зв'язки - неодмінна дидактична умова розвитку в учнів інтересу до знань основ наук, в тому числі і природних.

Ось що показав аналіз уроків фізики, хімії та біології: в більшості випадків вчителі обмежуються лише фрагментарним включенням міжпредметних зв'язків (МПС). Іншими словами, лише нагадують факти, явища або закономірності з суміжних предметів.

Вчителі рідко включають учнів в самостійну роботу щодо застосування міжпредметних знань і умінь при вивченні програмного матеріалу, а також в процесі самостійного перенесення раніше засвоєних знань у нову ситуацію. Наслідок - невміння хлопців здійснювати перенесення і синтез знань із суміжних предметів. Немає і наступності у навчанні. Так, вчителі біології безперервно «забігають вперед», знайомлячи учнів з різними фізико-хімічними процесами, що протікають в живих організмах, без опори на фізичні і хімічні поняття, що мало сприяє усвідомленому засвоєнню біологічних знань.

Загальний аналіз підручників дозволяє відзначити: багато фактів і поняття викладаються в них неодноразово з різних дисциплін, причому повторне їх виклад практично мало чого додає до знань учнів. Більш того, часто одне і те ж поняття різними авторами інтерпретується по-різному, тим самим, ускладнюючи процес їх засвоєння. Часто в підручниках використовуються маловідомі учням терміни, в них мало завдань міжпредметного характеру. Багато авторів майже не згадують про те, що якісь явища, поняття вже вивчалися в курсах суміжних предметів, не вказують на те, що дані поняття будуть більш детально розглянуті при вивченні іншого предмета. Аналіз нині діючих програм з природничих дисциплін дозволяє зробити висновок про те, що міжпредметних зв'язків не приділяється належної уваги. Тільки в програмах по загальній біології 10-11 класів (В.Б. Захаров); «Людина» (В.І. Сівоглазов) є спеціальні розділи «Міжпредметні зв'язки» із зазначенням на фізичні і хімічні поняття, закони і теорії, які є фундаментом при формуванні біологічних понять. У програмах з фізики і хімії таких розділів немає, і вчителям доводиться самим встановлювати необхідні МПС. А це завдання непроста - координувати матеріал суміжних предметів таким чином, щоб забезпечити єдність в інтерпретації понять.

Міжпредметні зв'язки фізики, хімії та біології могли б встановлюватися значно частіше і ефективніше. Вивчення процесів, що протікають на молекулярному рівні можливо тільки за умови залучення знань молекулярної біофізики, біохімії, біологічної термодинаміки, елементів кібернетики, взаємно доповнюють один одного. Ця інформація розосереджена по курсам фізики і хімії, але тільки в курсі біології з'являється можливість розглянути складні для учнів питання, використовуючи міжпредметні зв'язки. Крім того, з'являється можливість відпрацювати поняття, загальні для циклу природничих дисциплін, такі, як речовина, взаємодія, енергія, дискретність і ін.

При вивченні основ цитології міжпредметні зв'язки встановлюються з елементами знань біофізики, біохімії, біокібернетики. Так, наприклад, клітина може бути представлена \u200b\u200bяк механічна система, і в цьому випадку розглядаються її механічні параметри: щільність, пружність, в'язкість і т. Д. Фізико-хімічні характеристики клітини дозволяють розглядати її як дисперсну систему, сукупність електролітів, напівпроникних мембран. Без поєднання «таких образів» навряд чи можна сформувати поняття про клітину як складної біологічної системи. У розділі «Основи генетики та селекції» МПС встановлюються між органічною хімією (білки, нуклеїнові кислоти) і фізикою (основи молекулярно-кінетичної теорії, дискретність електричного заряду і ін.).

Учитель повинен заздалегідь запланувати можливість здійснення як попередніх, так і перспективних зв'язків біології з відповідними розділами фізики. Інформація з механіки (властивості тканин, рух, пружні властивості судин і серця і т. Д.) Дає можливість розглядати фізіологічні процеси; про електромагнітне поле біосфери - для пояснення фізіологічних функцій організмів. Таке ж значення мають і багато питань біохімії. Вивчення складних біологічних систем (біогеоценози, біосфера) пов'язано з необхідністю засвоєння знань про способи обміну інформацією між окремими особинами (хімічної, оптичної, звуковий), але для цього знову ж необхідно використовувати знання з фізики і хімії.

Використання міжпредметних зв'язків - одна з найбільш складних методичних завдань вчителя хімії. Вона вимагає знання змісту програм і підручників з інших предметів. Реалізація міжпредметних зв'язків у практиці навчання передбачає співробітництво вчителя хімії з учителями інших предметів.

Учитель хімії розробляє індивідуальний план реалізації міжпредметних зв'язків у курсі хімії. Методика творчої роботи вчителя в цьому плані проходить наступні етапи:

• 1. Вивчення програми з хімії, її розділу «Міжпредметні зв'язки», програм і підручників з інших предметів, додаткової наукової, науково-популярної та методичної літератури;
• 2. Поурочне планування міжпредметних зв'язків з використанням курсових і тематичних планів;
• 3. Розробка засобів і прийомів реалізації міжпредметних зв'язків на конкретних уроках (формулювання міжпредметних пізнавальних завдань, домашніх завдань, підбір додаткової літератури для учнів, підготовка необхідних підручників і наочних посібників з інших предметів, розробка методичних прийомів їх використання);
• 4. Розробка методики підготовки і проведення комплексних форм організації навчання (узагальнюючих уроків з міжпредметних зв'язками, комплексних семінарів, екскурсій, занять гуртка, факультативу з міжпредметних тем і т.д.);
• 5. Розробка прийомів контролю і оцінки результатів здійснення міжпредметних зв'язків у навчанні (питання і завдання на виявлення умінь учнів встановлювати міжпредметні зв'язки).

Планування міжпредметних зв'язків дозволяє вчителю успішно реалізувати їх методологічні, освітні, розвиваючі, виховні та конструктивні функції; передбачити все розмаїття їх видів на уроках, в домашній і позакласній роботі учнів.

Для встановлення міжпредметних зв'язків необхідно здійснити відбір матеріалів, тобто визначити ті теми хімії, які тісно переплітаються з темами з курсів інших предметів.

Курсове планування передбачає короткий аналіз змісту кожної навчальної теми курсу з урахуванням внутріпредметних і міжпредметних зв'язків.

Для успішного здійснення міжпредметних зв'язків учитель хімії, біології та фізики повинен знати і вміти:

когнітивний компонент

• · Зміст і структуру курсів суміжних предметів;
• · Здійснювати узгодження в часі вивчення суміжних предметів;
• · Теоретичні основи проблеми МПС (види класифікацій МПС, способи їх реалізації, функції МПС, основні компоненти МПС і т. Д.);
• · Забезпечувати спадкоємність у формуванні загальних понять, вивченні законів і теорій; використовувати загальні підходи до формування умінь і навичок навчальної праці в учнів, наступності в їхньому розвитку;
• · Розкривати взаємозв'язку явищ різної природи, що вивчаються суміжними предметами;
• · Формулювати конкретні навчально-виховні завдання, виходячи з цілей МПС фізики, хімії, біології;
• · Аналізувати навчальну інформацію суміжних дисциплін; рівень сформованості міжпредметних знань і умінь у учнів; ефективність застосовуваних методів навчання, форм навчальних занять, засобів навчання на основі МПС.

конструктивний компонент

• · Формувати систему цілей і завдань, що сприяють реалізації МПС;
• · Планувати навчально-виховну роботу, спрямовану на реалізацію Державної адміністрації залізничного транспорту; виявляти виховні і розвиваючі можливості МПС;
• · Конструювати зміст міжпредметних і інтегративних уроків, комплексних семінарів і т.д. Передбачати труднощі і помилки, які можуть виникнути в учнів при формуванні міжпредметних знань і умінь;
• · Конструювати методичне оснащення уроків, вибирати найбільш раціональні форми і методи навчання на основі МПС;
• · Планувати різні форми організації навчально-пізнавальної діяльності; конструювати дидактичний оснащення навчальних занять. організаційний компонент
• · Організовувати навчально-пізнавальну діяльність учнів в залежності від цілей і завдань, від їх індивідуальних особливостей;
• · Формувати пізнавальний інтерес учнів до предметів природничого циклу на основі МПС;
• · Організовувати і керувати роботою між предметних гуртків і факультативів; володіти навичками НОТ; методами управління діяльністю учнів.

комунікативний компонент

• · Психологію спілкування; психолого-педагогічні основи формування міжпредметних знань і умінь; психологічні особливості учнів;
• · Орієнтуватися в психологічних ситуаціях в учнівському колективі; встановлювати міжособистісні відносини в класі;
• · Встановлювати міжособистісні відносини з вчителями суміжних дисциплін в діяльності щодо спільної реалізації МПС.

орієнтаційний компонент

• · Теоретичні основи діяльності по встановленню МПС при вивченні предметів природничого циклу;
• · Орієнтуватися в навчальному матеріалі суміжних дисциплін; в системі методів і форм навчання, що сприяють успішній реалізації МПС.

мобілізаційний компонент

• · Адаптувати педагогічні технології для реалізації МПС фізики, хімії, біології; запропонувати авторську або підібрати найбільш адекватну методику формування міжпредметних знань і умінь в процесі навчання фізики, хімії, біології;
• · Розробити авторську або адаптувати традиційні методики вирішення завдань міжпредметного змісту;
• · Оволодіти методикою проведення комплексних форм навчальних занять; вміти організувати самоосвітню діяльність з оволодіння технологією реалізації МПС в навчанні фізики, хімії та біології.

дослідницький компонент

• · Аналізувати і узагальнювати досвід своєї роботи щодо реалізації Державної адміністрації залізничного транспорту; узагальнювати і впроваджувати досвід своїх колег; провести педагогічний експеримент, аналіз своїх результатів;
• · Організувати роботу з методичної теми МПС.

Дану професіограму можна розглядати і як основу для побудови процесу підготовки вчителів фізики, хімії та біології до діяльності по реалізації МПС, і як критерій для оцінки якості їх підготовки.

Використання в вивченні хімії міжпредметних зв'язків дозволяє з першого курсу ознайомити студентів з предметами, які вони вивчатимуть на старших курсах: електротехніка, менеджмент, економіка, матеріалознавство, деталі машин, промислова екологія і т.д. Вказуючи на уроках хімії, для чого і в яких предметах студентам знадобляться ті чи інші знання, педагог мотивує запам'ятовування матеріалу не тільки на один урок, для отримання оцінки, а й змінює особистісні інтереси студентів нехімічних спеціальностей.

Взаємозв'язок хімії і фізики

Поряд з процесами диференціації самої хімічної науки, в даний час йдуть в інтеграційні процеси хімії з іншими галузями природознавства. Особливо інтенсивно розвиваються взаємозв'язки між фізикою і хімією. Цей процес супроводжується виникненням все нових і нових суміжних фізико-хімічних галузей знання.

Вся історія взаємодії хімії я фізики повна прикладів обміну ідеями, об'єктами і методами дослідження. На різних етапах свого розвитку фізика постачала хімію поняттями і теоретичними концепціями, що зробили сильний вплив на розвиток хімії. При цьому, чим більше ускладнювалися хімічні дослідження, тим більше апаратура і методи розрахунків фізики проникали в хімію. Необхідність вимірювання теплових ефектів реакції, розвиток спектрального та рентгеноструктурного аналізу, вивчення ізотопів і радіоактивних хімічних елементів, кристалічних решіток речовини, молекулярних структур зажадали створення і привели до використання складних фізичних приладів еспектроскопов, мас-спектрографів, дифракційних решіток, електронних мікроскопів і т.д.

Розвиток сучасної науки підтвердило глибокий зв'язок між фізикою і хімією. Зв'язок цей носить генетичний характер, тобто утворення атомів хімічних елементів, з'єднання їх в молекули речовини сталося на певному етапі розвитку неорганічного світу. Також цей зв'язок ґрунтується на спільності будови конкретних видів матерії, в тому числі і молекул речовин, що складаються в кінцевому підсумку з одних і тих же хімічних елементів, атомів і елементарних частинок. Виникнення хімічної форми руху в природі викликало подальший розвиток уявлень про електромагнітній взаємодії, що вивчається фізикою. На основі періодичного закону нині здійснюється прогрес не тільки в хімії, але і в ядерній фізиці, на кордоні якої виникли такі змішані фізико-хімічні теорії, як хімія ізотопів, радіаційна хімія.

Хімія і фізика вивчають практично одні і ті ж об'єкти, але тільки кожна з них бачить в цих об'єктах свою сторону, свій предмет вивчення. Так, молекула є предметом вивчення не тільки хімії, але і молекулярної фізики. Якщо перша вивчає її з точки зору закономірностей освіти, складу, хімічних властивостей, зв'язків, умов її дисоціації на складові атоми, то остання статистично вивчає поведінку мас молекул, що обумовлює теплові явища, різні агрегатні стани, переходи з газоподібної в рідку і тверду фази і назад , явища, не пов'язані зі зміною складу молекул і їх внутрішнього хімічної будови. Супровід кожної хімічної реакції механічним переміщенням мас молекул реагентів, виділення або поглинання тепла за рахунок розриву або утворення зв'язків в нових молекулах переконливо свідчать про тісний зв'язок хімічних і фізичних явищ. Так, енергетика хімічних процесів тісно пов'язана з законами термодинаміки. Хімічні реакції, що протікають з виділенням енергії зазвичай у вигляді тепла і світла, називаються екзотермічні. Існують також ендотермічні реакції, що протікають з поглинанням енергії. Все сказане не суперечить законам термодинаміки: в разі горіння енергія вивільняється одночасно зі зменшенням внутрішньої енергії системи. У ендотермічних реакціях йде підвищення внутрішньої енергії системи за рахунок припливу тепла. Вимірюючи кількість енергії, що виділяється при реакції (тепловий ефект хімічної реакції), можна судити про зміну внутрішньої енергії системи. Він вимірюється в килоджоулях на моль (кДж / моль).

Ще один приклад. Окремим випадком першого початку термодинаміки є закон Гесса. Він говорить, що тепловий ефект реакції залежить тільки від початкового і кінцевого стану речовин і не залежить від проміжних стадій процесу. Закон Гесса дозволяє обчислити тепловий ефект реакції в тих випадках, коли його безпосереднє вимірювання чомусь нездійсненно.

З виникненням теорії відносності, квантової механіки і вчення про елементарні частинки розкрилися ще більш глибокі зв'язки між фізикою і хімією. Виявилося, що розгадка пояснення істоти властивостей хімічних сполук, самого механізму перетворення речовин лежить в будові атомів, в квантово-механічних процесах його елементарних частинок і особливо електронів зовнішньої оболонки, Саме новітня фізика зуміла вирішити такі питання хімії, як природа хімічного зв'язку, особливості хімічної будови молекул органічних і неорганічних сполук і т.д.

У сфері зіткнення фізики і хімії виник і успішно розвивається такий порівняно молодий розділ з числа основних розділів хімії як фізична хімія, яка оформилася в кінці XIX в. в результаті успішних спроб кількісного вивчення фізичних властивостей хімічних речовин і сумішей, теоретичного пояснення молекулярних структур. Експериментальної і теоретичної базою для цього послужили роботи Д.І. Менделєєва (відкриття Періодичного закону), Вант-Гоффа (термодинаміка хімічних процесів), С. Арреніуса (теорія електролітичноїдисоціації) і т.д. Предметом її вивчення стали загальнотеоретичні питання, що стосуються будови і властивостей молекул хімічних сполук, процесів перетворення речовин у зв'язку з взаємною обумовленістю їх фізичними властивостями, вивчення умов протікання хімічних реакцій і відбуваються при цьому фізичних явищ. Зараз физхимия - це різнобічно розгалужена наука, тісно зв'язує фізику і хімію.

У самій фізичної хімії до теперішнього часу виділилися і цілком склалися в якості самостійних розділів, які мають своїми особливими методами і об'єктами дослідження, електрохімія, вчення про розчини, фотохимия, кристаллохимия. На початку XX ст. виділилася також в самостійну науку виросла в надрах фізичної хімії колоїдна хімія. З другої половини XX в. в зв'язку з інтенсивною розробкою проблем ядерної енергії виникли і отримали великий розвиток новітні галузі фізичної хімії - хімія високих енергій, радіаційна хімія (предметом її вивчення є реакції, які відбуваються під дією іонізуючого випромінювання), хімія ізотопів.

Фізична хімія розглядається зараз як найбільш широкий загальнотеоретичний фундамент всієї хімічної науки. Багато її вчення і теорії мають велике значення для розвитку неорганічної і особливо органічної хімії. З виникненням фізичної хімії вивчення речовини стало здійснюватися не тільки традиційними хімічними методами дослідження, не тільки з точки зору його складу та властивостей, а й з боку структури, термодинаміки і кінетики хімічного процесу, а також з боку зв'язки і залежності останнього від впливу явищ, властивих іншим формам руху (світлове та радіаційне опромінення, світлове і тепловий вплив і т.д.).

Примітно, що в першій половині XX в. склалася прикордонна між хімією і новими розділами фізики (квантова механіка, електронна теорія атомів і молекул) наука, яку стали пізніше називати хімічної фізикою. Вона широко застосувала теоретичні та експериментальні методи новітньої фізики до дослідження будови хімічних елементів і сполук і особливо механізму реакцій. Хімічна фізика вивчає взаємозв'язок і взаимопереход хімічної і субатомной форм руху матерії.

В ієрархії основних наук, даної Ф. Енгельсом, хімія безпосередньо сусідить з фізикою. Це сусідство і забезпечило ту швидкість і глибину, з якої багато розділів фізики плідно вклинюються в хімію. Хімія межує, з одного боку, з макроскопічної фізикою - термодинаміки, фізикою суцільних середовищ, а з іншого - з мікрофізики - статичної фізикою, квантовою механікою.

Загальновідомо, наскільки плідними ці контакти виявилися для хімії. Термодинаміка породила хімічну термодинаміку - вчення про хімічних равновесиях. Статична фізика лягла в основу хімічної кінетики - вчення про швидкості хімічних перетворень. Квантова механіка розкрила сутність Періодичного закону Менделєєва. Сучасна теорія хімічної будови і реакційної здатності - це квантова хімія, тобто додаток принципів квантової механіки до дослідження молекул і «X перетворень».

Ще одним свідченням плідності впливу фізики на хімічну науку є всі розширюється застосування фізичних методів в хімічних дослідженнях. Вражаючий прогрес в цій області особливо чітко видно на прикладі спектроскопічних методів. Ще зовсім недавно з нескінченного діапазону електромагнітних випромінювань хіміки використовували лише вузьку область видимого і примикає до нього ділянок інфрачервоного і ультрафіолетового діапазонів. Відкриття фізиками явища магнітного резонансного поглинання привело до появи спектроскопії ядерного магнітного резонансу, найбільш інформативного сучасного аналітичного методу і методу вивчення електронної будови молекул, і спектроскопії електронного парамагнітного резонансу, унікального методу вивчення нестабільних проміжних частинок - вільних радикалів. У короткохвильової області електромагнітних випромінювань виникла рентгенівська і гамма-резонансна спектроскопія, зобов'язана своєю появою відкриттю Мессбауера. Освоєння синхротронного випромінювання відкрило нові перспективи розвитку цього високоенергетичного розділу спектроскопії.

Здавалося б, освоєний весь електромагнітний діапазон, і в цій області важко чекати подальшого прогресу. Однак з'явилися лазери - унікальні за своєю спектральної інтенсивності джерела - і разом з ними принципово нові аналітичні можливості. Серед них можна назвати лазерний магнітний резонанс - швидко розвивається високочутливий метод реєстрації радикалів в газі. Інша, воістину фантастична можливість - це штучна реєстрація атомів за допомогою лазера - методика, основна на селективному збудженні, що дозволяє зареєструвати в кюветі всього кілька атомів сторонньої домішки. Вражаючі можливості для вивчення механізмів радикальних реакцій дало відкриття явища хімічної поляризації ядер.

Зараз важко назвати галузь сучасної фізики, яка б прямо або опосередковано не впливала на хімію. Взяти, наприклад, далеку від світу молекул, побудованого з ядер і електронів, фізику нестабільних елементарних частинок. Може здатися дивним, що на спеціальних міжнародних конференціях обговорюється хімічну поведінку атомів, що мають в своєму складі позитрон або мюон, які, в принципі, не можуть дати стійких з'єднань. Однак унікальна інформація про надшвидких реакціях, Яку такі атоми дозволяють отримувати, повністю виправдовує цей інтерес.

Озираючись на історію взаємин фізики і хімії, ми бачимо, що фізика відігравала важливу, часом вирішальну роль у розвитку теоретичних концепцій і методів дослідження в хімії. Ступінь визнання цієї ролі можна оцінити, переглянувши, наприклад, список лауреатів Нобелівської премії з хімії. Не менш третини в цьому списку - автори найбільших досягнень в галузі фізичної хімії. Серед них - ті, хто відкрив радіоактивність і ізотопи (Резерфорд, М. Кюрі, Содді, Астон, Жоліо-Кюрі і ін.), Заклав основи квантової хімії (Полінг і Маллікен) і сучасної хімічної кінетики (Хиншелвуд і Семенов), розвинув нові фізичні методи (Дебай, Гейеровскій, Ейген, Норріш і Портер, Герцберг).

Нарешті, слід мати на увазі й те вирішальне значення, яке починає грати в розвитку науки продуктивність праці вченого. Фізичні методи зіграли і продовжують грати в цьому відношенні в хімії революционизирующую роль. Досить порівняти, наприклад, час, який витрачав хімік-органік на встановлення будови синтезованого з'єднання хімічними засобами і яке він витрачає тепер, володіючи арсеналом фізичних методів. Безсумнівно, що цей резерв застосування досягнень фізики використовується далеко не достатньо.

Підіб'ємо деякі підсумки. Ми бачимо, що фізика в усі більшому масштабі, і все більш плідно вторгається в хімію. Фізика розкриває сутність якісних хімічних закономірностей, постачає хімію досконалими інструментами дослідження. Зростає відносний обсяг фізичної хімії, і не видно причин, які можуть уповільнити цей ріст.

Взаємозв'язок хімії і біології

Загальновідомо, що хімія і біологія довгий час йшли кожна своїм власним шляхом, хоча давньою мрією хіміків було створення в лабораторних умовах живого організму.

Різке зміцнення взаємозв'язку хімії з біологією відбулося в результаті створення А.М. Бутлеровим теорія хімічної будови органічних сполук. Керуючись цією теорією, хіміки-органіки вступили в змагання з природою. Наступні покоління хіміків проявили велику винахідливість, працю, фантазію і творчий пошуках направленому синтезі речовини. Їх задумом було не тільки наслідувати природі, вони хотіли перевершити її. І сьогодні ми можемо впевнено заявити, що в багатьох випадках це вдалося.

Поступальний розвиток науки XIX ст., Що призвело до розкриття структури атома і детальному пізнання будови і складу клітини, відкрило перед хіміками і біологами практичні можливості спільної роботи над хімічними проблемами вчення про клітину, над питаннями про характер хімічних процесів в живих тканинах, про обумовленість біологічних функцій хімічними реакціями.

Якщо подивитися на обмін речовин в організмі з чисто хімічної точки зору, як це зробив А.І. Опарін, ми побачимо сукупність великого числа порівняно простих і одноманітних хімічних реакцій, які поєднуються між собою в часі, протікають не випадково, а в суворій послідовності, в результаті чого утворюються довгі ланцюги реакцій. І цей порядок закономірно спрямований, до постійного самозбереження і самовідтворення всієї живої системи в цілому в даних умовах навколишнього середовища.

Словом, такі специфічні властивості живого, як зростання, розмноження, рухливість, збудливість, здатність реагувати на зміни зовнішнього середовища, пов'язані з певними комплексами хімічних перетворень.

Значення хімії серед наук, що вивчають життя, надзвичайно великий. Саме хімією виявлена \u200b\u200bнайважливіша роль хлорофілу як хімічної основи фотосинтезу, гемоглобіну як основи процесу дихання, встановлена \u200b\u200bхімічна природа передачі нервового збудження, визначена структура нуклеїнових кислот і т.д. Але головне полягає в тому, що об'єктивно в самій основі біологічних процесів, функцій живого лежать хімічні механізми. Всі функції і процеси, що відбуваються в живому організмі, виявляється можливим викласти на мові хімії, у вигляді конкретних хімічних процесів.

Зрозуміло, було б невірним зводити явища життя до хімічних процесів. Це було б грубим механістичним спрощенням. І яскравим свідченням цього виступає специфіка хімічних процесів в живих системах в порівнянні з неживими. Вивчення цієї специфіки розкриває єдність і взаємозв'язок хімічної і біологічної форм руху матерії. Про це ж говорять і інші науки, що виникли на стику біології, хімії та фізики: біохімія - наука про обмін речовин і хімічних процесів в живих організмах; біоорганічна хімія - наука про будову, функції і шляхи синтезу сполук, що складають живі організми; фізико-хімічна біологія як наука про функціонування складних систем передачі інформації і регулювання біологічних процесів на молекулярному рівні, а також біофізика, біофізична хімія і радіаційна біологія.

Найбільшими досягненнями цього процесу стали визначення хімічних продуктів клітинного метаболізму (обміну речовин в рослинах, тварин, мікроорганізмах), встановлення біологічних шляхів і циклів біосинтезу цих продуктів; був реалізований їх штучний синтез, зроблено відкриття матеріальних основ регулятивного і спадкового молекулярного механізму, а також в значній мірі з'ясовано значення хімічних процесів »енергетиці процесів клітини і взагалі живих організмів.

Нині для хімії особливо важливим стає застосування біологічних принципів, в яких сконцентрований досвід пристосування живих організмів до умов Землі протягом багатьох мільйонів років, досвід створення найбільш досконалих механізмів і процесів. На цьому шляху є вже певні досягнення.

Понад століття тому вчені зрозуміли, що основою виняткової ефективності біологічних процесів є Біокаталізу. Тому хіміки ставлять собі за мету створити нову хімію, засновану на каталітичному досвіді живої природи. У ній з'явиться нове управління хімічними процесами, де почнуть застосовуватися принципи, синтезу собі подібних молекул, за принципом ферментів будуть створені каталізатори з таким розмаїттям якостей, які далеко перевершать існуючі в нашій промисловості.

Незважаючи на те, що ферменти мають загальні властивості, притаманні всім катализаторам, тим не менш, вони не тотожні останнім, оскільки функціонують в рамках живих систем. Тому всі спроби використовувати досвід живої природи для прискорення хімічних процесів в неорганічний мир стикаються з серйозними обмеженнями. Поки мова може йти тільки про моделювання деяких функцій ферментів і використанні цих моделей для теоретичного аналізу діяльності живих систем, а також частково-практичного застосування виділених ферментів для прискорення деяких хімічних реакцій.

Тут найперспективнішим напрямом, очевидно, є дослідження, орієнтовані на застосування принципів биокатализа в хімії та хімічній технології, для чого потрібно вивчити весь каталітичний досвід живої природи, в тому числі і досвід формування самого ферменту, клітини і навіть організму.

Теорія саморозвитку елементарних відкритих каталітичних систем, в найзагальнішому вигляді висунута професором МГУ А.П. Руденко в 1964 р, є загальною теорією хімічної еволюції і біогенезу. Вона вирішує питання про рушійні сили і механізми еволюційного процесу, тобто про закони хімічної еволюції, про відбір елементів і структур та їх причинного обумовленості, про висоту хімічної організації та ієрархії хімічних систем як наслідок еволюції.

Теоретичним ядром цієї теорії є положення про те, що хімічна еволюція являє собою саморозвиток каталітичних систем і, отже, еволюціонуючим речовиною є каталізатори. В ході реакції відбувається природний відбір тих каталітичних центрів, які мають найбільшу активність. Саморозвиток, самоорганізація і самоускладнення каталітичних систем відбувається за рахунок постійного припливу трансформованою енергії. А так як основним джерелом енергії є базисна реакція, то максимальні еволюційні переваги отримують каталітичні системи, що розвиваються на базі екзотермічних реакцій. Звідси базисна реакція є не тільки джерелом енергії, але і знаряддям відбору найбільш прогресивних еволюційних змін каталізаторів.

Розвиваючи ці погляди, А.П. Руденко сформулював основний закон хімічної еволюції, згідно з яким з найбільшою швидкістю і ймовірністю утворюються ті шляхи еволюційних змін каталізатора, на яких відбувається максимальне збільшення його абсолютної активності.

Практичним наслідком теорії саморозвитку відкритих каталітичних систем є так звана «нестаціонарна технологія», тобто технологія з мінливими умовами реакції. Сьогодні дослідники приходять до висновку, що стаціонарний режим, надійна стабілізація якого здавалася запорукою високої ефективності промислового процесу, є лише окремим випадком нестаціонарного режиму. При цьому виявлено безліч нестаціонарних режимів, що сприяють інтенсифікації реакції.

В даний час вже видно перспективи виникнення і розвитку нової хімії, на основі якої будуть створені маловідходні, безвідходні та енергозберігаючі промислові технології.

Сьогодні хіміки прийшли до висновку, що, використовуючи ті ж принципи, на яких побудована хімія організмів, в майбутньому (не повторюючи в точності природу) можна буде побудувати принципово нову хімію, нове управління хімічними, процесами, де почнуть застосовуватися принципи синтезу собі подібних молекул. Передбачається створення перетворювачів, які використовують з більшим ККД сонячне світло, перетворюючи його в хімічну та електричну енергію, а також хімічну енергію в світло великої інтенсивності.

висновок

Сучасна хімія представлена \u200b\u200bбезліччю різних напрямків розвитку знань про природу речовини і способи його перетворення. У той же час хімія є не просто сумою знань про речовини, а високо впорядкованої, постійно розвивається системою знань, що має своє місце в ряду інших природних наук.

Хімія вивчає якісне різноманіття матеріальних носіїв хімічних явищ, хімічної форми руху матерії. Хоча структурно вона перетинається в певних областях і з фізикою, і з біологією, і з іншими природничими науками, але зберігає при цьому свою специфіку.

Одним з найбільш істотних об'єктивних підстав виділення хімії як самостійної природничо дисципліни є визнання специфічності хімізму взаємини речовин, що проявляється, перш за все, в комплексі сил і різних типів взаємодій, що обумовлюють існування двох і багатоатомних сполук. Цей комплекс прийнято характеризувати як хімічний зв'язок, що виникає або розривати в ході взаємодії частинок атомного рівня організації матерії. Для виникнення хімічного зв'язку характерно значний перерозподіл електронної щільності в порівнянні з простим становищем електронної щільності незв'язаних атомів чи атомних фрагментів, зближених на відстань зв'язку. Ця особливість найбільш точно відокремлює хімічний зв'язок від різного роду проявів міжмолекулярних взаємодій.

Те, що відбувається нині неухильне зростання в рамках природознавства ролі хімії як науки супроводжується швидким розвитком фундаментальних, комплексних і прикладних досліджень, прискореної розробкою нових матеріалів із заданими властивостями і нових процесів в області технології виробництва і переробки речовин.

Успіхи людини в рішенні великих і малих проблем виживання в значній мірі були досягнуті завдяки розвитку хімії. Успіхи багатьох галузей людської дійсності, таких як енергетика, металургія, машинобудування, легка і харчова промисловість та інших, багато в чому залежить від стану і розвитку хімії. Величезне значення хімія має для успішної роботи сільськогосподарського виробництва, фармацевтичної промисловості, забезпечення побуту людини. Хімічна промисловість виробляє десятки тисяч найменувань продуктів, багато з яких за технологічними і економічними характеристиками успішно конкурують з традиційними матеріалами, а частина є унікальною за своїми параметрами. Хімія дає матеріали з наперед заданими властивостями, в тому числі і такими, які не зустрічаються в природі.

Хімія не тільки забезпечує виробництво багатьох необхідних продуктів, матеріалів. У багатьох галузях промисловості широко використовуються такі хімічні методи обробки: вибілювання, фарбування, друкування, що призвело до інтенсифікації процесів підвищення якості.

Хімізація дозволила людині вирішити багато технічних, економічні та соціальні проблеми, але масштабність цього процесу зачепила всі компоненти навколишнього середовища: сушу, атмосферу, воду світового океану - укоренилася в природні кругообіг речовин. В результаті порушилася рівновага природних процесів на планеті, хімізація стала помітно відбиватися на здоров'я самої людини. У зв'язку з цим виникла самостійна гілка екологічної науки - хімічна екологія.

Фундаментальні основи сучасної хімії

Фундаментальними основами хімії стали квантова механіка, атомна фізика, термодинаміка, статична фізика, а також фізична кінетика. На основі фізики побудована теоретична хімія. На хімічному рівні ми маємо справу з дуже великим числом частинок, що беруть участь в квантово-механічних процесах обміну електронами (хімічних реакціях).

Базове поняття хімії - валентність - це макроскопічне, хімічне відображення квантово-механічних взаємодій.

Розвиток сучасної хімії, її основні концепції виявилися тісно пов'язаними не тільки з фізикою, а й з іншими природничими науками, особливо з біологією.

Сучасний етап розвитку хімії пов'язаний з використанням в ній принципів хімізму живої природи.

Поняття «хімічний елемент» і «хімічна сполука» з точки зору сучасності

Хімічний елемент - це «цеглинка» речовини. Періодичний закон Д.І. Менделєєва сформулював залежність властивостей хімічних елементів від атомної маси, ознакою елемента стало його місце в періодичній системі, яке визначається атомною масою. Фізика допомогла скласти уявлення про атом, як про складну квантово-механічної системі, розкрила зміст періодичного закону на основі будови електронних орбіт всіх елементів.

Сучасне визначення хімічного елемента - це вид атомів з однаковим зарядом ядра, тобто сукупність ізотопів.

А хімічна сполука - це речовина, атоми якого за рахунок хімічних зв'язків об'єднані в молекули, макромолекули, монокристали чи інші квантово-механічні системи, тобто головною стала фізична природа сил, що з'єднує атоми в молекули, обумовлена \u200b\u200bхвильовими властивостями валентних електронів.

Вчення про хімічні процеси

Вчення про хімічні процеси є областю глибокого взаємопроникнення фізики, хімії та біології. В основі цього вчення знаходиться хімічна термодинаміка і кінетика, які в рівній мірі відносяться і до хімії, і до фізики.

Предметом вивчення є умови протікання хімічних реакцій, такі фактори як температура, тиск і ін.

Жива клітина, досліджувана біологічною наукою, являє собою мікроскопічний хімічний реактор, в якому відбуваються перетворення, що вивчаються хімією.

Вивчаючи ці процеси, сучасна хімія переймає у живої природи досвід, необхідний для отримання нових речовин і матеріалів.

Основою хімії живого є каталітичні хімічні реакції.

Більшість сучасних хімічних технологій реалізується з використанням каталізаторів - речовин, які збільшують швидкість реакції, не витрачаючись в ній.

У сучасній хімії отримало розвиток напрямок, принципом якого є енергетична активація реагенту (тобто подача енергії ззовні) до стану повного розриву вихідних зв'язків. це хімія екстремальних станів, Що використовує високі температури, великі тиску, випромінювання з великою величиною енергії кванта.

Наприклад, плазмохімія - хімія на основі плазмового стані реагентів, Еліон технології - активація процесу досягається за рахунок спрямованих електронних або іонних пучків.

Ефективність технології на основі хімії експериментальних станів дуже висока. Вони характеризуються енергозбереженням, високою продуктивністю, високою автоматизацією і простотою управління технологічним процесом, а також невеликим розміром технологічних установок.

Хімія як наука тісно пов'язана з хімією як виробництвом. Основна мета сучасної хімії, навколо якої будується вся дослідницька робота, полягає в дослідженні генезису (походження) властивостей речовин і розробки на цій основі методів отримання речовин з наперед заданими властивостями.

Якість підготовки інженерів істотно залежить від рівня їх освіти в галузі фундаментальних наук: математики, фізики та хімії. Роль і місце хімії в системі природничих дисциплін визначається тим, що в області матеріального виробництва людині завжди доводиться мати справу з речовиною.

У повсякденному житті ми спостерігаємо, що речовини піддаються різним змінам: сталевий предмет у вологому повітрі покривається іржею; дрова в печі згоряють, залишаючи лише невелику купку золи; бензин в двигуні автомобіля згорає, при цьому в навколишнє середовище надходить близько двохсот різних речовин, у тому числі токсичних і канцерогенних; опале листя дерев поступово зотлівають, перетворюючись в перегній, і т.д.

Пізнання властивостей речовини, будови, хімічної природи його частинок, механізмів їх взаємодії, можливих шляхів перетворення однієї речовини в іншу, - ці проблеми складають предмет хімії.

Хімія - це наука про речовинах і законах їх перетворень.

Як одна з галузей природознавства, хімія пов'язана з іншими природничими науками. Хімічні зміни завжди супроводжуються змінами фізичними. Широке застосування фізичних методів дослідження і математичного апарату в хімії зблизило її з фізикою та математикою. Хімія також пов'язана і з біологією, оскільки біологічні процеси супроводжуються безперервними хімічними перетвореннями. Хімічні методи використовують для вирішення проблем геології. Зв'язок між різними природничими науками дуже тісний, на стиках наук виникають нові науки, наприклад, ядерна хімія, біохімія, геохімія, космохімія і т.д.

Вивчення хімічними методами ряду технічних проблем пов'язує хімію з інженерно - технічними і спеціальними дисциплінами, необхідними для практичної діяльності інженера. Так, виробництво сталі та інших сплавів, чистих металів і напівпровідників, вироблення з них виробів і їх подальше використання, експлуатація різних механізмів у відповідних газових і рідких середовищах - все це вимагає конкретних хімічних знань і вміння застосувати їх на практиці.

Немає майже жодної галузі виробництва, не пов'язаної із застосуванням хімії. Природа дає нам вихідна сировина: дерево, руду, нафту, газ і ін. Піддаючи природні матеріали хімічної переробки, людина отримує різноманітні речовини, необхідні для сільського господарства, промисловості, домашнього вжитку: добрива, метали, пластичні маси, фарби, лікарські речовини, мило , соду і т.д. Хімія потрібна людству для того, щоб отримати з природних речовин, все необхідне - метали, цемент і бетон, кераміку, фарфор і скло, каучук, пластмаси, штучні волокна, фармацевтичні засоби. Для хімічної переробки природної сировини необхідно знати загальні закони перетворення речовин, а ці знання дає хімія.

В сучасних умовах, коли стало ясно, що запаси багатьох природних ресурсів обмежені і не відновлюються, коли навантаження на навколишнє середовище з боку людини стала настільки велика, а здатність природи до самоочищення обмежена, на перший план висувається ряд принципово нових проблем, вирішення яких неможливо без хімічних знань. До них в першу чергу відносяться питання охорони навколишнього середовища і дотримання екологічних вимог в нових технологічних процесах, створення замкнутих виробничих циклів і безвідходних технологій, теоретичне обґрунтування і розробка енерго- та ресурсозберігаючих технологій. Реалізація вимог до високої якості продукції та її довговічності немислима без розуміння того, що контроль за хімічним складом є найважливішим етапом технологічного циклу. Боротьба з корозією матеріалів, виробів з них, нові методи обробки поверхонь вимагають від інженера глибокого розуміння сутності хімічних процесів.

Зазначені вище проблеми під силу вирішити всебічно грамотним інженерам, здатним поряд з іншими завданнями розбиратися і самостійно орієнтуватися в хімічних питаннях.

Основні поняття хімії

Об'єктом вивчення в хімії є хімічні елементи та їх сполуки.

Хімічним елементом називають вид атомів з однаковим зарядом ядер. Атом - найменша частинка елемента, що володіє його хімічними властивостями.

Молекулою називають найменшу частку індивідуального речовини, здатну до самостійного існування, що володіє його основними хімічними властивостями і що складається з однакових або різних атомів.

Якщо молекули складаються з однакових атомів, то речовина називають простим або елементарним, Наприклад He, Ar, H 2, O 2, S 4. Проста речовина є формою існування хімічного елемента у вільному стані. Якщо молекула речовини складається з різних атомів, то речовина називають складним (або хімічною сполукою), Наприклад CO, H 2 O, H 3 PO 4.

Хімічні властивості речовини характеризують його здатність брати участь в хімічних реакціях, т. Е. В процесах перетворення одних речовин в інші.

Маси атомів, молекул дуже малі. Наприклад, маси окремих атомів становлять 10 -24 - 10 -22 м Маси атомів, молекул виражають або в відносних одиницях (через масу якого-небудь одного певного виду атома), або в атомних одиницях маси (а.е.м.).

1а.е.м.-це 1/12 частина маси атома ізотопу вуглецю С. 1а.е.м. \u003d 1.66053 * 10 -24 м

Значення відносної атомної (A r) або молекулярної маси (M r) показує, у скільки разів маса атома або молекули більше ніж 1/12 частина маси атома ізотопу вуглецю С (вуглецева шкала атомних мас). A r і М r - безрозмірні. Значення А r наводяться в періодичній системі елементів Д.І. Менделєєва під символом елемента. Чисельно А r і А (а.е.м.) збігаються. Знаючи відносну атомну масу, легко можна знайти і масу атома, виражену в грамах. Так, маса атома вуглецю-12 в г дорівнює: 12 * 1.66053 * 10 -24 \u003d 1.992636 * 10 -23 г . Маса молекули дорівнює сумі мас атомів, що входять до її складу.

Кількість речовини (n; n) - це число структурних одиниць (атомів, молекул, іонів, еквівалентів, електронів і т.д.) в системі. Одиницею вимірювання кількості речовини є моль. Моль - кількість речовини, яка містить стільки певних структурних одиниць, скільки атомів міститься в 12 г ізотопу вуглецю 12 С. Число структурних одиниць, що містяться в 1 молі будь-якої речовини в будь-якому агрегатному стані, є постійна Авогадро: NA \u003d 6,02 * 10 23 моль -1.

Кількість речовини (n) дорівнює відношенню числа структурних одиниць (атомів, молекул, іонів, еквівалентів, електронів і т.д.) в системі (N) до їх числа в 1 молі речовини (N А):

Молярна маса (М) - це маса 1 моль речовини, що дорівнює відношенню маси речовини (m) до його кількості (n):

Основною одиницею виміру молярної маси є г / моль (кг / моль). Молярна маса речовини, виражена в грамах, чисельно дорівнює відносній молекулярній масі цієї речовини.

Молярний об'єм (V м) - це обсяг, яку він обіймав 1 моль газоподібного речовини, що дорівнює відношенню обсягу газоподібної речовини (V) до його кількості ():

При н.у. (273,15 К і 101,325 кПа) для будь-якої речовини в газоподібному стані V м \u003d 22,4 л / моль.

Еквівалент (Е) - це реальна або умовна частка речовини, яка може заміщати, приєднувати, вивільняти або бути будь-яким іншим чином еквівалентна (рівноцінна) одному йону водню в кислотно-основних або іонно-обмінних реакціях або одному електрону в окислювально-відновних реакціях (ОВР). Еквівалент безрозміряний, його склад висловлюють за допомогою знаків і формул так само, як у випадку молекул, атомів або іонів.

Для того щоб визначити формули еквівалента речовини і правильно записати його хімічну формулу, треба виходити з конкретної реакції, в якій бере участь дана речовина.

Розглянемо кілька прикладів визначення формули еквівалента:

А. 2NaOH + H 2 SO 4 \u003d 2H 2 O + Na 2 SO 4.

Короткий іонно-молекулярне рівняння процесу:

2OH - + 2H + \u003d 2H 2 O.

У даній ионообменной реакції беруть участь два іона водню. На один іон водню доводиться:

NaOH + 1 / 2H 2 SO 4 \u003d H 2 O + 1 / 2Na 2 SO 4,

тобто одному йону водню відповідає: одна молекула NaOH, 1/2 молекули H 2 SO 4, одна молекула H 2 O, 1/2 молекули Na 2 SO 4, тому Е (NaOH) \u003d NaOH; Е (H 2 SO 4) \u003d 1 / 2H 2 SO 4; Е (H 2 O) \u003d H 2 O; Е (Na 2 SO 4) \u003d 1 / 2Na 2 SO 4.

Б. Zn + 2HCl \u003d ZnCl 2 + H 2

Іонно-електронні рівняння процесів окислення, відновлення:

У даній ОВР беруть участь два електрони. На один електрон доводиться:

1 / 2Zn + HCl \u003d 1 / 2ZnCl 2 + 1 / 2H 2,

тобто одному електрону відповідає 1/2 атома Zn, одна молекула HСl, 1/2 молекули ZnCl 2 і 1/2 молекули Н 2, тому Е (Zn) \u003d 1 / 2Zn; Е (HCl) \u003d HCl; Е (ZnCl 2) \u003d 1 / 2ZnCl 2; Е (H 2) \u003d 1 / 2H 2.

Число, що позначає, яка частка від реальної частки еквівалентна одному іону водню або одному електрону, отримало назву фактора еквівалентності f е. Наприклад, в розглянутих реакціях f е (Zn) \u003d 1/2, f е (NaOH) \u003d 1.

Для окисно-відновних реакцій використовують поняття «Еквівалентне число» (Z), яке дорівнює числу електронів, приєднаних однією молекулою окислювача або відданих однією молекулою відновника.

Моль еквівалента - кількість речовини, одержали 6,02 * 10 23 еквівалентів. Масу одного моля еквівалента речовини називають молярною масою еквівалента речовини (М е), вимірюють в г / моль і розраховують за формулами:

М е \u003d m / n е; М е \u003d f е * М,

де М - молярна маса речовини, г / моль; ν е - кількість еквівалента речовини, моль.

Для розрахунку молярної маси еквівалента речовини можна використовувати такі формули:

1. Для простого речовини:

М е \u003d М А / В, f е \u003d 1 / В,

де М А - молярна маса атомів даної речовини; В - валентність атома, наприклад, М е (Al) \u003d 27/3 \u003d 9 г / моль.

2. Для складного речовини:

М е \u003d М / В * n, f е \u003d 1 / В * n,

де В - валентність функціональної групи; n - число функціональних груп у формулі молекули речовини.

Для кислот функціональною групою є іон водню, для підстав - іон гідроксилу, для солей - іон металу, для оксидів - оксідообразующій елемент.

М е кислоти \u003d М кислоти / основність кислоти.

Основность кислоти визначається числом протонів, яке віддає молекула кислоти, реагуючи з підставою.

Наприклад, М е (H 2 SO 4) \u003d 98/2 \u003d 49 г / моль.

М е підстави \u003d М підстави / кислотність підстави.

Кислотність підстави визначається числом протонів, що приєднуються молекулою підстави при взаємодії його з кислотою.

Наприклад, М е (NaOH) \u003d 40/1 \u003d 40 г / моль.

М е солі \u003d М солі / (число атомів металу * валентність металу).

Наприклад, М е (Al 2 (SO 4) 3) \u003d 342 / (2 * 3) \u003d 57 г / моль.

М е оксиду \u003d М оксиду / (число атомів оксідообразующего елемента * валентність елемента).

Наприклад, М е (Al 2 O 3) \u003d 102 / (2 * 3) \u003d 17 г / моль.

У загальному випадку молярна маса еквівалента хімічної сполуки дорівнює сумі молярних мас еквівалентів складових його частин.

3. Для окислювача, відновника:

де Z - еквівалентне число (Z \u003d 1 / f е).

Як відомо, моль будь-якого газу при нормальних умовах (Т \u003d 273,15 К, Р \u003d 101,325 кПа або 760 мм рт. Ст.) Займає об'єм, що дорівнює 22,4 л; цей обсяг називається молярним об'ємом V м. Виходячи з цієї величини, можна розрахувати обсяг одного благаючи еквівалента газу (V е, л / моль) при нормальних умовах. Наприклад, для водню Е (Н 2) \u003d 1 / 2Н 2, моль еквівалента водню в два рази менше його благаючи молекул і тому обсяг одного благаючи еквівалента водню також в два рази менше його молярного об'єму: 22,4 л / 2 \u003d 11, 2 л. Для кисню Е (О 2) \u003d 1/4 О 2, звідси обсяг одного благаючи еквівалента кисню в чотири рази менше його молярного об'єму: 22,4 л / 4 \u003d 5,6 л.

У загальному випадку: V е \u003d f е * V м; V е \u003d V /.

Основні закони хімії

1. Закон збереження маси речовин(М.В. Ломоносов; 1756 г.):

маса речовин, що вступили в реакцію, дорівнює масі речовин, що утворилися в результаті реакції.

2. Закон сталості складу.

Має різні формулювання:

Склад сполук молекулярної структури є постійним незалежно від способу отримання (більш точна сучасна формулювання);

- будь-яке складне речовина незалежно від способу його отримання має постійний якісний і кількісний склад;

Співвідношення між масами елементів, що входять до складу даного з'єднання, постійні і не залежать від способу отримання цього з'єднання.

3. Закон кратних відносин (Дальтон, 1803 г.):

якщо два елементи утворюють один з одним кілька хімічних сполук, то маси одного з елементів, що припадають в цих з'єднаннях на одну і ту ж масу іншого, відносяться між собою як невеликі цілі числа.

Закон свідчив про те, що елементи входять до складу з'єднань лише певними порціями, підтвердив атомістичні уявлення. Найменша кількість елемента, що вступає в з'єднання, - це атом. Отже, в з'єднання може вступати лише ціле число атомів, а не дробове. Наприклад, масові співвідношення С: О в оксидах СО 2 і СО рівні 12:32 і 12:16. Отже, масове відношення кисню, пов'язане з постійною масою вуглецю в СО 2 і СО, дорівнює 2: 1.

4. Закон об'ємних відносин (Закон Гей-Люссака):

обсяги вступають в реакцію газів ставляться один до одного і до об'ємів утворюються газоподібних продуктів реакції як невеликі цілі числа.

5.закон Авогадро(1811 г.) :

в рівних обсягах будь-яких газів, взятих при одній і тій же температурі і при однаковому тиску, міститься одне і те ж число молекул.Постійна Авогадро N A \u003d 6,02 * 10 23 моль -1 - число структурних одиниць в одному молі речовини.

Наслідки із закону Авогадро:

а) при певних температурі і тиску 1 моль будь-якої речовини в газоподібному стані займає один і той же обсяг;

б) при н.у. (273,15 К і 101,325 кПа) молярний об'єм (V м) будь-якого газу дорівнює 22,4 л моль.

6. Уравненіесостоянія ідеального газу - Менделєєва-Клапейрона:

де Р - тиск газу, Па; V - об'єм газу, м 3; m - маса речовини, г; М - його молярна маса, г / моль; Т - абсолютна температура, К; R - універсальна газова постійна, рівна 8,314 Дж / моль * К.

7. Закон парціальних тисків(Закон Дальтона):

Тиск суміші газів, хімічно не взаємодіють один з одним, дорівнює сумі парціальних тисків газів, що складають суміш.

8. Закон еквівалентів.

Має кілька формулювань:

1) маси беруть участь в реакції речовин пропорційні їх молярним масам еквівалента:

m 1 / m 2 \u003d M Е1 / M Е2 \u003d ...;

2) всі речовини реагують між собою в еквівалентних кількостях,тобто кількості молей еквівалента речовин, що беруть участь в реакції, рівні між собою:

ν Е1 \u003d ν Е2 \u003d ...;

m 1 / M Е1 \u003d m 2 / M Е2 \u003d .... .

3) для реагуючих речовин, що знаходяться в розчині, закон еквівалентівзаписують наступним чином:

З Е 1 * V 1 \u003d C Е 2 * V 2,

де С Е 1, С Е 2 - нормальні концентрації або молярні концентрації еквівалента першого і другого розчинів, моль / л; V 1 і V 2 - обсяги реагують розчинів, л.

хімія- наука про будову, властивості речовин, їх перетворення і супроводжуючих явища.

завдання:

1. Дослідження будови речовини, розвиток теорії будови і властивостей молекул і матеріалів. Важливо встановлення зв'язку між будовою і різноманітними властивостями речовин і на цій основі побудова теорій реакційної здатності речовини, кінетики і механізму хімічних реакцій і каталітичних явищ.

2. Здійснення спрямованого синтезу нових речовин із заданими властивостями. Тут також важливо знайти нові реакції і каталізатори для більш ефективного здійснення синтезу вже відомих і мають промислове значення з'єднань.

3. Традиційна завдання хімії набула особливого значення. Воно пов'язане як зі збільшенням числа хімічних об'єктів і досліджуваних властивостей, так і з необхідністю визначення та зменшення наслідків впливу людини на природу.

Хімія є общетеоретической дисципліною. Вона покликана дати студентам сучасне наукове уявлення про речовину як одному з видів матерії, що рухається, про шляхи, механізми та способи перетворення одних речовин в інші. Знання основних хімічних законів, володіння технікою хімічних розрахунків, розуміння можливостей, що надаються хімією за допомогою інших фахівців, що працюють в окремих і вузьких її областях, значно прискорюють отримання потрібного результату в різних сферах інженерної та наукової діяльності.

Хімічна галузь - одна з найважливіших галузей промисловості в нашій країні. Продукція, що нею хімічні сполуки, різні композиції і матеріали застосовуються всюди: в машинобудуванні, металургії, сільському господарстві, будівництві, електротехнічної й електронної промисловості, зв'язку, транспорті, космічній техніці, медицині, побуті, і ін. Головними напрямками розвитку сучасної хімічної промисловості є: виробництво нових речовин або матеріалів і підвищення ефективності існуючих виробництв.

У медичному вузі студенти вивчають загальну, біоорганічну, біологічну хімію, а також клінічну біохімію. Знання студентами комплексу хімічних наук в їх наступності і взаємозв'язку дають велику можливість, більший простір в дослідженні та практичному використанні різних явищ, властивостей і закономірностей, сприяє розвитку особистості.

Специфічними особливостями вивчення хімічних дисциплін в медичному вузі є:

· Взаємозалежність між цілями хімічного і медичної освіти;

· Універсальність і фундаментальність даних курсів;

· Особливість побудови їх змісту в залежності від характеру і загальних цілей підготовки лікаря і його спеціалізації;

· Єдність вивчення хімічних об'єктів на мікро- і макрорівнях з розкриттям різних форм їх хімічної організації як єдиної системи та проявляються нею різних функцій (хімічних, біологічних, біохімічних, фізіологічних і ін.) В залежності від їх природи, середовища і умов;

· Залежність від зв'язку хімічних знань і умінь з реальною дійсністю і практикою, в тому числі медичної, в системі «суспільство - природа - виробництво - людина», обумовлених необмеженими можливостями хімії в створенні синтетичних матеріалів і їх значенням в медицині, розвитком нанохімії, а також у вирішенні екологічних та багатьох інших глобальних проблем людства.

1. Взаємозв'язок між процесами обміну речовин і енергії в організмі

Процеси життєдіяльності на Землі обумовлені значною мірою накопиченням сонячної енергії в біогенних речовинах - білках, жирах, вуглеводах і подальшими перетвореннями цих речовин в живих організмах з виділенням енергії. Особливо чітко розуміння взаємозв'язку хімічних перетворень і енергетичних процесів в організмі було усвідомлено після роботи А. Лавуазьє (1743-1794) і П. Лапласа (1749- 1827). Вони прямими калориметричних вимірів показали, що енергія, що виділяється в процесі життєдіяльності, визначається окисленням продуктів харчування киснем повітря, вдихуваним тваринами.

Обмін речовин і енергії - сукупність процесів перетворення речовин і енергії, що відбуваються в живих організмах, і обмін речовинами і енергією між організмом і навколишнім середовищем. Обмін речовин і енергії є основою життєдіяльності організмів і належить до числа найважливіших специфічних ознак живої матерії, що відрізняють живе від неживого. В обміні речовин, або метаболізм, забезпеченому найскладнішої регулюванням на різних рівнях, бере участь безліч ферментних систем. В процесі обміну надійшли в організм речовини перетворюються у власні речовини тканин і в кінцеві продукти, що виводяться з організму. При цих перетвореннях звільняється і поглинається енергія.

З розвитком в XIX-XX ст. термодинаміки - науки про взаимопревращениях теплоти і енергій - стало можливо кількісно розраховувати перетворення енергії в біохімічних реакціях і передбачати їх напрямок.

Обмін енергії може здійснюватися передачею теплоти або вчиненням роботи. Однак живі організми не перебувають в рівновазі з навколишнім середовищем і тому можуть бути названі нерівновагими відкритими системами. Проте при спостереженні протягом певного відрізка часу в хімічному складі організму видимих \u200b\u200bзмін не відбувається. Але це не означає, що хімічні речовини, що становлять організм, не піддаються ніяким перетворенням. Навпаки, вони постійно і досить інтенсивно оновлюються, про що можна судити по швидкості включення в складні речовини організму стабільних ізотопів і радіонуклідів, що вводяться в клітку в складі більш простих речовин-попередників.

Між обміном речовин і обміном енергії існує одне принципова відмінність. Земля не втрачає і не отримує скільки-небудь помітного кількості речовини. Речовина в біосфері обмінюється по замкнутому циклу і таким чином використовується багаторазово. Обмін енергією здійснюється інакше. Вона не циркулює по замкнутому циклу, а частково розсіюється у зовнішній простір. Тому для підтримки життя на Землі необхідний постійний приплив енергії Сонця. За 1 рік в процесі фотосинтезу на земній кулі поглинається близько 10 21 калсонячної енергії. Хоча вона становить лише 0,02% всієї енергії Сонця, це набагато більше, ніж та енергія, яка використовується всіма машинами, створеними руками людини. Настільки ж велике кількість бере участь в кругообігу речовини.

2. Хімічна термодинаміка як теоретична основа біоенергетики. Предмет і методи хімічної термодинаміки

Хімічна термодинамікавивчає переходи хімічної енергії в інші форми - теплову, електричну і т. п., встановлює кількісні закони цих переходів, а також напрямок і межі мимовільного протікання хімічних реакцій при заданих умовах.

Термодинамічний метод заснований на ряді строгих понять: «система», «стан системи», «внутрішня енергія системи», «функція стану системи».

об'єктом вивчення в термодинаміки є система

Одна і та ж система може перебувати в різних станах. Кожне стан системи характеризується певним набором значень термодинамічних параметрів. До термодинамічних параметрів належать температура, тиск, щільність, концентрація і т. П. Зміна хоча б тільки одного термодинамічної параметра призводить до зміни стану системи в цілому. Термодинамічний стан системи називають рівноважним, якщо воно характеризується постійністю термодинамічних параметрів у всіх точках системи і не змінюється мимовільно (без витрати роботи).

Хімічна термодинаміка вивчає систему в двох рівноважних станах (кінцевому і початковому) і на цій підставі визначає можливість (або неможливість) самовільного перебігу процесу при заданих умовах в зазначеному напрямку.

термодинаміка вивчаєвзаємні перетворення різних видів енергії, пов'язані з переходом енергії між тілами в формі теплоти і роботи. Термодинаміка базується на двох основних законах, які отримали назву першого і другого почав термодинаміки. предметом вивчення в термодинаміці є енергія і закони взаємних перетворень форм енергії при хімічних ре акціях, процесах розчинення, випаровування, кристалізації.

Хімічна термодинаміка - розділ фізичної хімії, що вивчає процеси взаємодії речовин методами термодинаміки.
Основними напрямками хімічної термодинаміки є:
Класична хімічна термодинаміка, що вивчає термодинамічна рівновага взагалі.
Термохимия, що вивчає теплові ефекти, що супроводжують хімічні реакції.
Теорія розчинів, що моделює термодинамічні властивості речовини виходячи з уявлень про молекулярній будові і даних про межмолекулярном взаємодії.
Хімічна термодинаміка його тісний зв'язок з такими розділами хімії, як аналітична хімія; електрохімія; колоїдна хімія; адсорбція і хроматографія.
Розвиток хімічної термодинаміки йшло одночасно двома шляхами: термохимическим і термодинамічних.
Виникненням термохіміі як самостійної науки слід вважати відкриття Германом Івановичем Гессом, професором Петербурзького університету, взаємозв'язку між тепловими ефектами хімічних реакцій --- закони Гесса.

3. Термодинамічні системи: ізольовані, закриті, відкриті, гомогенні, гетерогенні. Поняття про фазу.

система - це сукупність взаємодіючих речовин, подумки або фактично відокремлена від навколишнього середовища (пробірка, автоклав).

Хімічна термодинаміка розглядає переходи з одного стану в інший, при цьому можуть змінюватися або залишатися незмінними деякі параметри:

· изобарического - при постійному тиску;

· изохорический - при постійному обсязі;

· ізотермічні - при постійній температурі;

· ізобарно - ізотермічні - при постійному тиску і температурі і т.д.

Термодинамічні властивості системи можна виразити за допомогою декількох функцій стану системи, званих характеристичними функціями: внутреннейенергііU , ентальпії H , ентропії S , енергії Гіббса G , енергії Гельмгольца F . Характеристичні функції володіють однією особливістю: вони не залежать від способу (шляху) досягнення даного стану системи. Їх значення визначається параметрами системи (тиском, температурою і ін.) І залежить від кількості або маси речовини, тому прийнято відносити їх до одного молю речовини.

За способом передачі енергії, речовини та інформації між даної системи і навколишнім середовищем термодинамічні системи класифікуються:

1. Замкнута (ізольована) система - це система в якій немає обміну із зовнішніми тілами ні енергією, ні речовиною (в тому числі і випромінюванням), ні інформацією.

2. Закрита система - система в якій є обмін тільки з енергією.

3. Адіабатно ізольована система -це система в якій є обмін енергією тільки у формі теплоти.

4. відкрита система - це система, яка обмінюється і енергією, і речовиною, і інформацією.

Класифікація систем:
1) по можливості тепло- і масообміну: ізольовані, закриті, відкриті. Ізольована система не обмінюється з навколишнім середовищем ні речовиною, ні енергією. Закрита система обмінюється з навколишнім середовищем енергією, але не обмінюється речовиною. Відкрита система обмінюється з навколишнім середовищем і речовиною і енергією. Поняття ізольованої системи використовується в фізичної хімії як теоретичне.
2) за внутрішньою структурою та властивостями: гомогенні і гетерогенні. Гомогенної називається система, всередині якої немає поверхонь, що поділяють систему на частини, різні за властивостями або хімічним складом. Прикладами гомогенних систем є водні розчини кислот, основ, солей; суміші газів; індивідуальні чисті речовини. Гетерогенні системи містять в собі природні поверхні. Прикладами гетерогенних систем є системи, що складаються з різних за агрегатним станом речовин: метал і кислота, газ і тверде речовина, дві нерозчинні одна в одній рідини.
фаза - це гомогенна частина гетерогенної системи, що має однаковий склад, фізичні та хімічні властивості, відокремлена від інших частин системи поверхнею, при переході через яку властивості системи змінюються стрибком. Фази бувають тверді, рідкі та газоподібні. Гомогенна система завжди складається з однієї фази, гетерогенна - з декількох. За кількістю фаз системи класифікуються на однофазні, двофазні, трифазні і т.д.

5.Первая початок термодинаміки. Внутрішня енергія. Ізобарний і Ізохоричний теплові ефекти .

Перший початок термодинаміки - один з трьох основних законів термодинаміки, являє собою закон збереження енергії для термодинамічних систем.

Перший початок термодинаміки було сформульовано в середині XIX століття в результаті робіт німецького вченого Ю. Р. Майера, англійського фізика Дж. П. Джоуля і німецького фізика Г. Гельмгольца.

Відповідно до першого початку термодинаміки, термодинамічна система може здійснювати роботу тільки за рахунок своєї внутрішньої енергії або будь-яких зовнішніх джерел енергії .

Перший початок термодинаміки часто формулюють як неможливість існування вічного двигуна першого роду, який здійснював би роботу, не черпаючи енергію з будь-якого джерела. Процес, що протікає при постійній температурі, називається ізотермічним, При постійному тиску - изобарического, При постійному обсязі - изохорический. Якщо під час процесу система ізольована від зовнішнього середовища таким чином, що виключений теплообмін з середовищем, процес називають адиабатическим.

Внутрішня енергія системи.При переході системи з одного стану в інший змінюються деякі її властивості, зокрема внутрішня енергія U.

Внутрішня енергія системи є її повну енергію, яка складається з кінетичної і потенційної енергій молекул, атомів, атомних ядер і електронів. Внутрішня енергія включає в себе енергію поступального, обертального і коливального рухів, а також потенційну енергію, обумовлену силами тяжіння і відштовхування, що діють між молекулами, атомами і внутріатомними частинками. Вона не включає потенційну енергію положення системи в просторі і кінетичну енергію руху системи як цілого.

Внутрішня енергія є термодинамічної функцією стану системи. Це означає, що всякий раз, коли система виявляється в даному стані, її внутрішня енергія приймає певне властиве цьому стану значення.

ΔU \u003d U 2 - U 1

де U 1 і U 2 - внутрішня енергія системи вкінцевому і початковому станах cсоответственно.

Перший закон термодинаміки.Якщо система обмінюється з зовнішнім середовищем тепловою енергією Q і механічною енергією (роботою) А, і при цьому переходить зі стану 1 в стані 2, кількість енергії, що виділиться або поглинається системою форм теплоти Q або роботою А одно повної енергії системи при переході з одного стану в інший і записується.