Концепции современного естествознания. Шпаргалки

Одной из наук, сочетающих в себе содержание естественных и общественных научных дисциплин, является геронтология. Эта наука изучает старение живых организмов, в том числе человека.

С одной стороны, объект ее изучения шире объекта многих научных дисциплин, изучающих человека, а с другой - он совпадает с их объектами.

В то же время геронтология акцентирует внимание прежде всего на процессе старения живых организмов в целом и человека в частности, что является ее предметом. Именно учет объекта и предмета изучения позволяет видеть как общее, так и специфическое научных дисциплин, изучающих человека.

Поскольку объект изучения геронтологии - живые организмы в процессе их старения, можно сказать, что эта наука является и естественно-научной и обществоведческой дисциплиной. В первом случае ее содержание определяется биологической природой организмов, во втором - биопсихосоциальными свойствами человека, находящимися в диалектическом единстве, взаимодействии и взаимопроникновении.

Одной из основополагающих естественно-научных дисциплин, имеющих прямую связь с социальной работой (а также, конечно, с геронтологией), является медицина. Эта область науки (и одновременно практической деятельности) направлена на сохранение и укрепление здоровья людей, предупреждение и лечение болезней. Имея разветвленную систему отраслей, медицина в своей научной и практической деятельности решает проблемы сохранения здоровья и лечения пожилых людей. Вклад ее в это святое дело огромен, о чем свидетельствует практический опыт человечества.

Следует, вероятно, отметить и особое значение гериатрии как раздела клинической медицины, изучающего особенности заболеваний у людей пожилого и старческого возраста и разрабатывающего методы их лечения и профилактики.

И геронтология, и медицина базируются на знании биологии как совокупности наук о живой природе (огромном многообразии вымерших и ныне населяющих Землю живых существ), об их строении и функциях, происхождении, распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой. Данные биологии являются естественно-научной основой познания природы и места человека в ней.

Несомненный интерес представляет вопрос о соотношении социальной работы и реабилитологии, которая играет все большую роль в теоретических исследованиях и практической деятельности. В самом общем виде реабилитологию можно определить как учение, науку о реабилитации как о достаточно емком и сложном процессе.

Реабилитация (от позднелатинского rehabilitatio - восстановление) означает: во-первых, восстановление доброго имени, прежней репутации; восстановление в прежних правах, в том числе в административном и судебном порядке (например, реабилитация репрессированных); во-вторых, применение к подсудимым (прежде всего к несовершеннолетним) мер воспитательного характера или наказаний, не связанных с лишением свободы, в целях их исправления; в-третьих, комплекс медицинских, юридических и других мер, направленных на восстановление или компенсацию нарушенных функций организма и трудоспособности больных и инвалидов.

К сожалению, представители отраслевых, конкретных научных дисциплин не всегда указывают (и учитывают) последний вид реабилитации. В то время как социальная реабилитация имеет важнейшее значение в жизнедеятельности людей (восстановление основных социальных функций личности, общественного института, социальной группы, их социальной роли как субъектов основных сфер жизни общества). В содержательном плане социальная реабилитация, по существу, в концентрированном виде включает все аспекты реабилитации. И в этом случае она может рассматриваться как социальная реабилитация в широком смысле, т. е. включающая все виды жизнедеятельности людей. Некоторые исследователи выделяют так называемую профессиональную реабилитацию, которая входит в социальную реабилитацию. Точнее можно было бы назвать этот вид социально-трудовой реабилитацией.

Таким образом, реабилитация является одним из важнейших направлений, технологий в социальной работе.

Для выяснения соотношения социальной работы и реабилито- логии как научных направлений важно уяснить объект и предмет последней.

Объект реабилитологии - определенные группы населения, отдельные личности и слои, нуждающиеся в восстановлении своих прав, репутации, социализации и ресоциализации, восстановлении здоровья в целом или нарушенных отдельных функций организма. Предметом реабилитологии выступают конкретные стороны реабилитации названных групп, изучение закономерностей реабилитационных процессов. Такое понимание объекта и предмета реабилитологии показывает ее тесную связь с социальной работой и как с наукой, и как со специфическим видом практической деятельности.

Социальная работа является методологической основой реабилитологии. Выполняя функцию выработки и теоретической систематизации знаний о социальной сфере (совместно с социологией), анализа существующих форм и методов социальной работы, разработки оптимальных технологий разрешения социальных проблем различных объектов (индивидов, семей, групп, слоев, общностей людей), социальная работа как наука способствует - прямо или косвенно - решению вопросов, являющихся сутью, содержанием реабилитологии.

Тесная связь между социальной работой и реабилитологией как науками определяется и тем, что они являются, по существу, междисциплинарными, универсальными по своему содержанию. Эта связь, кстати, в МГУ сервиса была обусловлена и организационно: в рамках факультета социальной работы в 1999 г. открыта новая кафедра - медико-психологической реабилитологии. Медико-психологическая реабилитация и сейчас (после преобразования кафедры) остается важнейшим структурным подразделением кафедры психологии.

Говоря о методологической роли социальной работы в становлении и функционировании реабилитологии, следует учитывать и влияние знаний в области реабилитологии на социальную работу. Эти знания способствуют не только конкретизации понятийного аппарата социальной работы, но и обогащению понимания тех закономерностей, которые изучают и выявляют социономы.

Что касается технических наук , то социальная работа связана с ними благодаря процессу информатизации, ведь сбор, обобщение и анализ информации в области социальной работы осуществляются с помощью компьютерной техники, а распространение, усвоение и применение знаний и умений - других технических средств, наглядной агитации, демонстрации различных приборов и приспособлений, специальной одежды и обуви ит.д., призванных облегчить самообслуживание, передвижение по улице, ведение домашнего хозяйства и т. д. определенным категориям населения - пенсионерам, инвалидам и др.

Технические науки имеют важное значение при создании соответствующей инфраструктуры, обеспечивающей возможность повышения эффективности всех видов и направлений социальной работы, включая инфраструктуру различных сфер жизнедеятельности как специфических объектов социальной работы.

Химия – наука о превращениях веществ, связанных с изменением электронного окружения атомных ядер. В данном определении необходимо дополнительно уточнить термины «вещество» и «наука».

Согласно Химической энциклопедии:

Вещество – вид материи, которая обладает массой покоя. Состоит из элементарных частиц: электронов, протонов, нейтронов, мезонов и др. Химия изучает главным образом вещество, организованное в атомы, молекулы, ионы и радикалы. Такие вещества принято подразделять на простые и сложные (хим. соединения). Простые вещества образованы атомами одного хим. элемента и потому являются формой его существования в свободном состоянии, например, сера, железо, озон, алмаз. Сложные вещества образованы разными элементами и могут иметь состав постоянный.

В трактовке термина «наука» существует множество разногласий. Здесь вполне приложимо высказывание Рене Декарта (1596-1650): «Определите значение слов, и вы избавите человечество от половины его заблуждений». Наукой принято называть сферу человеческой деятельности, функцией которой является выработка и теоретическая схематизация объективных знаний о действительности; отрасль культуры, которая существовала не во все времена и не у всех народов. Канадский философ Уильям Хетчер определяет современную науку, как «способ познания реального мира, включающего в себя как ощущаемую органами чувств человека реальность, так и реальность невидимую, способ познания, основанный на построении проверяемых моделей этой реальности». Такое определение близко к пониманию науки академиком В.И.Вернадским, английским математиком А.Уайтхедом, другими известными учеными.

В научных моделях мира обычно выделяются три уровня, которые в конкретной дисциплине могут быть представлены в различном соотношении:

* эмпирический материал (экспериментальные данные);

* идеализированные образы (физические модели);

*математическое описание (формулы и уравнения).

Наглядно-модельное рассмотрение мира неизбежно ведет к приблизительности любой модели. А.Эйнштейн (1879-1955) говорил «Пока математические законы описывают действительность, они неопределенны, а когда они перестают быть неопределенными, они теряют связь с действительностью».

Химия относится к числу естественных наук, изучающих окружающий нас мир со всем богатством его форм и многообразием происходящих в нем явлений. Специфику естественнонаучного знания можно определить тремя признаками: истинность, интерсубъективность и системность. Истинность научных истин определяется принципом достаточного основания: всякая истинная мысль должна быть обоснована другими мыслями, истинность которых доказана. Интерсубъективность означает, что каждый исследователь должен получать одинаковые результаты при изучении одного и того же объекта в одних и тех же условиях. Системность научного знания подразумевает его строгую индуктивно-дедуктивную структуру.

Химия – это наука о превращениях веществ. Она изучает состав и строение веществ, зависимость свойств веществ от их состава и строения, условия и пути превращения одних веществ в другие. Химические изменения всегда связаны с изменениями физическими. Поэтому химия тесно связана с физикой. Химия также связана с биологией, поскольку биологические процессы сопровождаются непрерывными химическими превращениями.

Совершенствование методов исследования, прежде всего экспериментальной техники, привело к разделению науки на все более узкие направления. В результате количество и «качество», т.е. надежность информации возросли. Однако невозможность для одного человека обладать полными знаниями даже для смежных научных областей породила новые проблемы. Как в военной стратегии самые слабые места обороны и наступления оказываются на стыках фронтов, в науке наименее разработанными остаются области, не поддающиеся однозначной классификации. Среди прочих причин можно отметить и сложность с получением соответствующей квалификационной ступени (ученой степени) для ученых, работающих в областях «стыка наук». Но там же делаются и основные открытия современности.

В современной жизни, особенно в производственной деятельности человека, химия играет исключительно важную роль. Нет почти ни одной отрасли производства, не связанной с применением химии. Природа дает нам лишь исходное сырье – дерево, руду, нефть и др. Подвергая природные материалы химической переработке, получают различные вещества, необходимые для сельского хозяйства, промышленного производства, медицины, быта – удобрения, металлы, пластические массы, лаки, краски, лекарственные вещества, мыло и т.д. Для переработки природного сырья необходимо знать законы превращения веществ, а эти знания дает химия. Развитие химической промышленности – одно из важнейших условий технического прогресса.

Химические системы

Объект изучения в химии – химическая система . Химическая система – это совокупность веществ, находящихся во взаимодействии и мысленно или фактически обособленно от окружающей среды. Примерами системы могут служить совершенно разные объекты.

Простейшим носителем химических свойств служит атом – система, состоящая из ядра и движущихся вокруг него электронов. В результате химического взаимодействия атомов образуются молекулы (радикалы, ионы, атомные кристаллы) –системы, состоящие из нескольких ядер, в общем поле которых движутся электроны. Макросистемы состоят из совокупности большого количества молекул – растворы различных солей, смесь газов над поверхностью катализатора в химической реакции и т.д.

В зависимости от характера взаимодействия системы с окружающей средой различают открытые, закрытые и изолированные системы. Открытой системой называется система, способная обмениваться с окружающей средой энергией и массой. Например, при смешении в открытом сосуде соды с раствором соляной кислоты протекает реакция:

Na 2 CO 3 + 2HCl → 2NaCl + CO 2 + H 2 O.

Масса этой системы уменьшается (улетучивается углекислый газ и частично пары воды), часть выделившейся теплоты тратится на нагрев окружающего воздуха.

Закрытой называется система, которая может обмениваться с окружающей средой только энергией. Рассмотренная выше система, находящаяся в закрытом сосуде, будет примером закрытой системы. В этом случае обмен массой невозможен и масса системы остается постоянной, но теплота реакции через стенки пробирки передается окружающей среде.

Изолированной системой называется система постоянного объема, в которой не происходит обмена с окружающей средой ни массой, ни энергией. Понятие изолированной системы является абстрактным, т.к. на практике абсолютно изолированной системы не существует.

Отдельная часть системы, ограниченная от других хотя бы одной поверхностью раздела, называется фазой . Например, система, состоящая из воды, льда и пара, включает три фазы и две поверхности раздела (рис. 1.1). Фаза может быть механически отделена от других фаз системы.

Рис.1.1 – Многофазная система.

Не всегда фаза на всем протяжении одинаковые физические свойства и однородный химический состав. Примером может служить атмосфера земли. В нижних слоях атмосфера концентрация газов выше, выше и температура воздуха, в верхних же слоях происходит разрежение воздуха и понижение температуры. Т.е. однородность химического состава и физических свойств на протяжении всей фазы в данном случае не соблюдается. Также фаза может быть прерывной, например, кусочки льда, плавающие на поверхности воды, туман, дым, пена – двухфазные системы, в которых одна фаза является прерывной.

Система, состоящая из веществ, находящихся в одной фазе, называется гомогенной . Система, состоящая из веществ в разных фазах и имеющая хотя бы одну границу раздела, называется гетерогенной .

Вещества, из которых состоит химическая система – компоненты. Компонент может быть выделен из системы и существовать вне ее. Например, известно, что при растворении хлорида натрия в воде он распадается на ионы Na + и Cl – , однако эти ионы не могут считаться компонентами системы – раствора соли в воде, т.к. они не могут быть выделены из данного раствора и существовать по отдельности. Компонентами будут вода и хлорид натрия.

Состояние системы определяется ее параметрами. Параметра могут быть заданы как на молекулярном уровне (координаты, количество движения каждой из молекул, валентные углы и пр.), так и на макроуровне (например, давление, температура).

Строение атома.

Похожая информация.

Одной из закономерностей развития естествознания является взаимодействие естественных наук, взаимосвязь всех отраслей естествознания. Наука, таким образом, единое целое.

Главными путями взаимодействия являются следующие:

Изучение одного предмета одновременно несколькими науками (например, изучение человека);

Использование одной наукой знаний, полученных другими науками, например, достижения физики тесно связаны с развитием астрономии, химии, минералогии, математики и используют знания, полученные этими науками;

Использование методов одной науки для изучения объектов и процессов другой. Чисто физический метод – метод «меченых атомов» – широко применяется в биологии, ботанике, медицине и т. д. Электронный микроскоп используется не только в физике: он необходим и для изучения вирусов. Явление парамагнитного резонанса находит применение во многих отраслях науки. Во многих живых объектах природой заложены чисто физические инструментарии, например, гремучая змея имеет орган, способный воспринимать инфракрасное излучение и улавливать изменения температуры на тысячную долю градуса; у летучей мыши есть ультразвуковой локатор, позволяющий ей ориентироваться в пространстве и не натыкаться на стены пещер, где она обычно обитает и т.д.;

Взаимодействие через технику и производство, осуществляемое там, где используются данные нескольких наук, например, в приборостроении, кораблестроении, космосе, автоматизации, военной промышленности и т.д.;

Взаимодействие через изучение общих свойств различных видов материи, ярким примером чему служит кибернетика – наука об управлении в сложных динамических системах любой природы (технических, биологических, экономических, социальных, административных и т. п.), использующих обратную связь. Процесс управления в них осуществляется в соответствии с поставленной задачей и происходит до тех пор, пока цель управления не окажется достигнутой.

В процессе развития человеческого познания наука все больше дифференцируется на отдельные отрасли, изучающие частные вопросы многогранной действительности. С другой стороны, наука вырабатывает единую картину мира, отражающую общие закономерности его развития, что приводит к более широкому синтезу наук, т.е. все более углубленному познанию природы. Единство мира лежит в основе единства наук, к которому в конечном счете направлено развитие знания на каждом отдельном витке человеческого познания. Путь к единству наук лежит через интеграцию ее отдельных отраслей, что предполагает интеграцию различных теорий и методов исследования. Таким образом, в процессе развития современных наук процессы дифференциации переплетаются с процессами интеграции наук: физика подразделяется на механику, а та, в свою очередь, на кинематику, динамику и статику; молекулярную, атомную, ядерную физику, термодинамику, электричество, магнетизм, оптику и т.д.; медицинские институты готовят врачей самых разных специальностей: терапевтов, хирургов, психиатров, кардиологов, окулистов, урологов и т.д. – спектр специализаций очень широк, но любой выпускник медицинского института – врач.

Дифференциация научного знания на отдельные области побуждает выявлять необходимые связи между ними. Возникает много пограничных наук, например, на границе между физикой и химией возникли новые отрасли науки: физхимия и химфизика (в Москве при Российской академии наук (РАН) есть институты физической химии и химической физики); на границе между биологией и химией – биохимия; биологией и физикой – биофизика. В силу единства науки интеграция принципов в одной из ее областей обязательно связана с интеграцией в другой. Обобщая вышесказанное, можно констатировать тот факт, что дифференциация и интеграция естествознания – процесс незавершенный, открытый. Естествознание не является замкнутой системой, и вопрос о сущности естествознания с каждым новым открытием становится яснее.

Согласно общей теории систем (ОТС), важнейшим свойством систем со сложной структурой является их иерархичность (от греческого hierarchia – лестница соподчинения), характеризующаяся наличием субординации или соподчинения её подсистем или структурных уровней. Иерархичность есть и в естественных науках. Впервые на неё указал французский физик Андре Ампер (1775-1836), который пытался найти принцип естественной классификации всех известных в его время естественных наук. Физику он поместил на первое место как науку более фундаментальную.

Идеи о субординации естественных наук широко обсуждаются и сегодня. При этом выделяют два направления в науке: редукционизм (от латинского reduction – возвращение), согласно которому всё «высшее» сводится к более простому – «низшему», т.е. все биологические явления к химическим, а химические – к физическим, и интегратизм (всё наоборот).

Различие между редукционизмом и интегратизмом заключается лишь в направлении движения мысли учёного. Кроме того иерархия основных естественных наук имеет циклически замкнутый характер. Цикличность – это свойство, присущее самой Природе. Приведём примеры: круговорот веществ в Природе, смена дня и ночи, смена времён года, растение, умирая, оставляет на Земле семена, из которых затем появляется новая жизнь. Поэтому и естествознание, имеющее единый объект исследования – Природу, которой присуще это свойство, то же обладает им.

ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНАЯ И ГУМАНИТАРНАЯ КУЛЬТУРЫ

Культура- одна из важнейших характеристик человеческой жизнедеятельности. Каждый индивид представляет собой сложную биосоциальную систему, существующую за счет взаимодействия с окружающей средой. Необходимые закономерные связи с окружающей средой определяют его потребности, которые важны для его нормального функционирования, жизнедеятельности и развития. Большинство потребностей человек удовлетворяет посредством труда.

Таким образом, под системой человеческой культуры можно понимать мир вещей, предметов, созданных человеком (его деятельностью, трудом) входе его исторического развития. Оставляя в стороне вопрос о сложности и неоднозначности понятия культуры, можно остановиться на одном из самых простых его определений. Культура- это совокупность созданных человеком материальных и духовных ценностей, а также сама человеческая способность эти ценности производить и использовать.

Как мы видим, понятие культуры очень широкое. Оно, по сути, охватывает бесконечное множество самых разнообразных вещей и процессов, связанных с деятельностью человека и ее результатами Многообразную систему современной культуры в зависимости от целей деятельности принято подразделять на две большие и тесно связанные области - материальную (естественнонаучную) и духовную (гуманитарную) культуру .

Предметная область первой - чисто природные явления и свойства, связи и отношения вещей, «работающие» в мире человеческой культуры в виде естественных наук, технических изобретений и приспособлений, производственных отношений и т. д. Второй тип культуры (гуманитарный) охватывает область явлений, в которых представлены свойства, связи и отношения самих людей, как социальные, так и духовные (религия, мораль, право и т. д.).

Стр. 7

Явления человеческого сознания, психики (мышление, знание, оценка, воля, чувства, переживания и т. д.) относятся к миру идеального, духовного. Сознание, духовное- это очень важное, но лишь одно из свойств сложной системы, которой является человек. Однако человек должен материально существовать для того, чтобы проявились его способности к производству идеальных, духовных вещей. Материальная жизнь людей- это область человеческой деятельности, которая связана с производством предметов, вещей, обеспечивающих само существование, жизнедеятельность человека и удовлетворяющих его потребности (пища, одежда, жилье и т. д.).

На протяжении человеческой истории многими поколениями создан колоссальный мир материальной культуры. Дома, улицы, заводы, фабрики, транспорт, коммуникационная инфраструктура, учреждения быта, снабжение продуктами питания, одеждой и др. - все это важнейшие показатели характера и уровня развития общества. По остаткам материальной культуры археологам удается достаточно точно определить этапы исторического развития, особенности обществ, государств, народов, этносов, цивилизаций.

Духовная культура связана с деятельностью, направленной на удовлетворение не материальных, а духовных потребностей личности, т. е. потребностей в развитии, совершенствовании внутреннего мира человека, его сознания, психологии, мышления, знаний, эмоций, переживаний и т. д. Существование духовных потребностей и отличает человека от животного. Эти потребности удовлетворяются в ходе не материального, а духовного производства, в процессе духовной деятельности.

Продуктами духовного производства являются идеи, понятия, представления, научные гипотезы, теории, художественные образы, моральные нормы и правовые законы, религиозные воззрения и др., которые воплощаются в своих особых материальных носителях. Такими носителями выступают язык, книги, произведения искусства, графики, чертежи и т. д.

Анализ системы духовной культуры как целого позволяет выделить следующие ее основные компоненты: политическое сознание, мораль, искусство, религию, философию, правосознание, науку. Каждый из этих компонентов имеет определенный предмет, свой способ отражения, выполняет в жизни общества конкретные социальные функции, содержит познавательные и оценочные моменты - систему знаний и систему оценок.

Стр. 8

Наука является одним из важнейших компонентов материальной и духовной культуры. Ее особое место в духовной культуре определяется значением познания в способе бытия человека в мире, в практике, материально-предметном преобразовании мира.

Наука представляет собой исторически сложившуюся систему познания объективных законов мира. Научное знание, полученное на основе проверенных практикой методов познания, выражается в различных формах: в понятиях, категориях, законах, гипотезах, теориях, научной картине мира и др. Оно дает возможность предвидения и преобразования действительности в интересах общества и человека.

Современная наука- сложная и многообразная система отдельных научных дисциплин, которых насчитывается несколько тысяч и которые можно объединить в две сферы: фундаментальные и прикладные науки.

Фундаментальные науки имеют целью познание объективных законов мира, существующих безотносительно к интересам и потребностям человека. К ним относятся математические науки, естественные (механика, астрономия, физика, химия, геология, география и т. д.), гуманитарные (психология, логика, лингвистика, филология и др.). Фундаментальные науки потому и называются фундаментальными, что своими выводами, результатами, теориями определяют содержание научной картины мира.

Прикладные науки нацелены на разработку способов применения полученных фундаментальными науками знаний об объективных законах мира для удовлетворения потребностей и интересов людей. К прикладным наукам относятся кибернетика, технические науки (прикладная механика, технология машин и механизмов, сопромат, металлургия, горное дело, электротехника, ядерная энергетика, космонавтика и др.), сельскохозяйственные, медицинские, педагогические науки. В прикладных науках фундаментальные знания приобретают практическое значение, используются для развития производительных сил общества, совершенствования предметной сферы человеческого бытия, материальной культуры.

Широко распространены представления о «двух культурах» в науке-естественнонаучной и гуманитарной. По мнению английского историка и писателя Ч. Сноу, между этими культурами существует огромная пропасть, а ученые, изучающие гуманитарные и точные отрасли знания, все более не понимают друг друга (диспуты между «физиками» и «лириками»).

В отмеченной проблеме выделяются два аспекта. Первый связан с закономерностями взаимодействия науки и искусства, второй - с проблемой единства науки.

Стр. 9

В системе духовной культуры наука и искусство не исключают, а предполагают и дополняют друг друга там, где речь идет о формировании целостной, гармоничной личности, о полноте человеческого мироощущения.

Естествознание, являясь основой всякого знания, всегда оказывало влияние на развитие гуманитарных наук (через методологию, общемировоззренческие представления, образы, идеи и т. д.). Без применения методов естественных наук были бы немыслимы выдающиеся достижения современной науки о происхождении человека и общества, истории, психологии и т. д. Новые перспективы взаимообогащения естественнонаучного и гуманитарного знания открываются с созданием теории самоорганизации - синергетики.

Таким образом, не конфронтация различных «культур в науке», а их тесное единство, взаимодействие, взаимопроникновение является закономерной тенденцией современного научного познания.

Качество подготовки инженеров существенно зависит от уровня их образования в области фундаментальных наук: математики, физики и химии. Роль и место химии в системе естественнонаучных дисциплин определяется тем, что в области материального производства человеку всегда приходится иметь дело с веществом.

В повседневной жизни мы наблюдаем, что вещества подвергаются различным изменениям: стальной предмет во влажном воздухе покрывается ржавчиной; дрова в печи сгорают, оставляя лишь небольшую кучку золы; бензин в двигателе автомобиля сгорает, при этом в окружающую среду поступает около двухсот различных веществ, в том числе токсичных и канцерогенных; опавшие листья деревьев постепенно истлевают, превращаясь в перегной, и т.д.

Познание свойств вещества, строения, химической природы его частиц, механизмов их взаимодействия, возможных путей превращения одного вещества в другое, - эти проблемы составляют предмет химии.

Химия – это наука о веществах и законах их превращений.

Как одна из отраслей естествознания, химия связана с другими естественными науками. Химические изменения всегда сопровождаются изменениями физическими. Широкое применение физических методов исследования и математического аппарата в химии сблизило её с физикой и математикой. Химия также связана и с биологией, поскольку биологические процессы сопровождаются непрерывными химическими превращениями. Химические методы используют для решения проблем геологии. Связь между различными естественными науками очень тесная, на стыках наук возникают новые науки, например, ядерная химия, биохимия, геохимия, космохимия и т.д.

Изучение химическими методами ряда технических проблем связывает химию с инженерно – техническими и специальными дисциплинами, необходимыми для практической деятельности инженера. Так, производство стали и других сплавов, чистых металлов и полупроводников, выработка из них изделий и их дальнейшее использование, эксплуатация различных механизмов в соответствующих газовых и жидких средах – всё это требует конкретных химических знаний и умения применить их на практике.

Нет почти ни одной отрасли производства, не связанной с применением химии. Природа даёт нам исходное сырьё: дерево, руду, нефть, газ и др. Подвергая природные материалы химической переработке, человек получает разнообразные вещества, необходимые для сельского хозяйства, промышленности, домашнего обихода: удобрения, металлы, пластические массы, краски, лекарственные вещества, мыло, соду и т.д. Химия нужна человечеству для того, чтобы получить из природных веществ, всё необходимое – металлы, цемент и бетон, керамику, фарфор и стекло, каучук, пластмассы, искусственные волокна, фармацевтические средства. Для химической переработки природного сырья необходимо знать общие законы превращения веществ, а эти знания даёт химия.

В современных условиях, когда стало ясно, что запасы многих природных ресурсов ограничены и не восстанавливаются, когда нагрузка на окружающую среду со стороны человека стала столь велика, а способность природы к самоочищению ограничена, на первый план выдвигается ряд принципиально новых проблем, решение которых невозможно без химических знаний. К ним в первую очередь относятся вопросы охраны окружающей среды и соблюдение экологических требований в новых технологических процессах, создание замкнутых производственных циклов и безотходных технологий, теоретическое обоснование и разработка энерго- и ресурсосберегающих технологий. Реализация требований к высокому качеству продукции и её долговечности немыслима без понимания того, что контроль за химическим составом является важнейшим этапом технологического цикла. Борьба с коррозией материалов, изделий из них, новые методы обработки поверхностей требуют от инженера глубокого понимания сущности химических процессов.

Указанные выше проблемы по силам решить всесторонне грамотным инженерам, способным наряду с другими задачами разбираться и самостоятельно ориентироваться в химических вопросах.

Основные понятия химии

Объектом изучения в химии являются химические элементы и их соединения.

Химическим элементом называют вид атомов с одинаковым зарядом ядер. Атом – наименьшая частица элемента, обладающая его химическими свойствами.

Молекулой называют наименьшую частицу индивидуального вещества, способную к самостоятельному существованию, обладающую его основными химическими свойствами и состоящую из одинаковых или различных атомов.

Если молекулы состоят из одинаковых атомов, то вещество называют простым или элементарным , например He, Ar, H 2 , O 2 , S 4 . Простое вещество является формой существования химического элемента в свободном состоянии. Если молекула вещества состоит из разных атомов, то вещество называют сложным (или химическим соединением) , например CO, H 2 O , H 3 PO 4 .

Химические свойства вещества характеризуют его способность участвовать в химических реакциях, т. е. в процессах превращения одних веществ в другие.

Массы атомов, молекул очень малы. Например, массы отдельных атомов составляют 10 -24 - 10 -22 г. Массы атомов, молекул выражают или в относительных единицах (через массу какого-либо одного определенного вида атома), или в атомных единицах массы (а.е.м.).

1а.е.м.-это 1/12 часть массы атома изотопа углерода С. 1а.е.м.=1.66053*10 -24 г.

Значение относительной атомной (A r) или молекулярной массы (M r) показывает, во сколько раз масса атома или молекулы больше чем 1/12 часть массы атома изотопа углерода С (углеродная шкала атомных масс) . A r и М r – безразмерны. Значения А r приводятся в периодической системе элементов Д.И. Менделеева под символом элемента. Численно А r и А (а.е.м.) совпадают. Зная относительную атомную массу, легко можно найти и массу атома, выраженную в граммах. Так, масса атома углерода-12 в г равна: 12* 1.66053*10 -24 = 1.992636*10 -23 г . Масса молекулы равна сумме масс атомов, входящих в ее состав.

Количество вещества (n;n) – это число структурных единиц (атомов, молекул, ионов, эквивалентов, электронов и т.д.) в системе. Единицей измерения количества вещества является моль. Моль – количество вещества, которое содержит столько определенных структурных единиц, сколько атомов содержится в 12 г изотопа углерода 12 С. Число структурных единиц, содержащихся в 1 моле любого вещества в любом агрегатном состоянии, есть постоянная Авогадро: N A= 6,02*10 23 моль -1 .

Количество вещества (n) равно отношению числа структурных единиц (атомов, молекул, ионов, эквивалентов, электронов и т.д.) в системе (N) к их числу в 1 моле вещества (N А):

Молярная масса (М) – это масса 1 моль вещества, равная отношению массы вещества (m) к его количеству (n):

Основной единицей измерения молярной массы является г/моль (кг/моль). Молярная масса вещества, выраженная в граммах, численно равна относительной молекулярной массе этого вещества.

Молярный объем (V м) – это объем, занимаемый 1 моль газообразного вещества, равный отношению объема газообразного вещества (V) к его количеству():

При н.у. (273,15 К и 101,325 кПа) для любого вещества в газообразном состоянии V м = 22,4 л/моль.

Эквивалент (Э) – это реальная или условная частица вещества, которая может замещать, присоединять, высвобождать или быть каким-либо другим образом эквивалентна (равноценна) одному иону водорода в кислотно-основных или ионно-обменных реакциях или одному электрону в окислительно-восстановительных реакциях (ОВР). Эквивалент безразмерен, его состав выражают с помощью знаков и формул так же, как в случае молекул, атомов или ионов.

Для того чтобы определить формулы эквивалента вещества и правильно записать его химическую формулу, надо исходить из конкретной реакции, в которой участвует данное вещество.

Рассмотрим несколько примеров определения формулы эквивалента:

А. 2NaOH+H 2 SO 4 =2H 2 O+Na 2 SO 4 .

Краткое ионно-молекулярное уравнение процесса:

2OH - +2H + =2H 2 O.

В данной ионообменной реакции участвуют два иона водорода. На один ион водорода приходится:

NaOH+1/2H 2 SO 4 =H 2 O+1/2Na 2 SO 4 ,

т.е. одному иону водорода соответствует: одна молекула NaOH, 1/2 молекулы H 2 SO 4 , одна молекула H 2 O, 1/2 молекулы Na 2 SO 4 , поэтому Э(NaOH)=NaOH; Э(H 2 SO 4)=1/2H 2 SO 4 ; Э(H 2 O)=H 2 O; Э(Na 2 SO 4)=1/2Na 2 SO 4 .

Б. Zn+2HCl=ZnCl 2 +H 2

Ионно-электронные уравнения процессов окисления, восстановления:

В данной ОВР участвуют два электрона. На один электрон приходится:

1/2Zn+HCl=1/2ZnCl 2 +1/2H 2 ,

т.е. одному электрону соответствует 1/2 атома Zn, одна молекула HСl,1/2 молекулы ZnCl 2 и 1/2 молекулы Н 2 , поэтому Э(Zn) = 1/2Zn; Э(HCl) = HCl; Э(ZnCl 2) = 1/2ZnCl 2 ; Э(H 2) = 1/2H 2 .

Число, обозначающее, какая доля от реальной частицы эквивалентна одному иону водорода или одному электрону, получило название фактора эквивалентности f э . Например, в рассматриваемых реакциях f э (Zn)=1/2, f э (NaOH)=1.

Для окислительно-восстановительных реакций используют понятие «эквивалентное число» (Z), которое равно числу электронов, присоединенных одной молекулой окислителя или отданных одной молекулой восстановителя.

Моль эквивалента – количество вещества, cодержащего 6,02*10 23 эквивалентов. Массу одного моля эквивалента вещества называют молярной массой эквивалента вещества (М э), измеряют в г/моль и рассчитывают по формулам:

М э =m/n э; М э =f э *М,

где М – молярная масса вещества, г/моль; ν э – количество эквивалента вещества, моль.

Для расчета молярной массы эквивалента вещества можно использовать следующие формулы:

1. Для простого вещества:

М э =М А /В, f э = 1/В,

где М А – молярная масса атомов данного вещества; В – валентность атома, например, М э (Al)=27/3=9 г/моль.

2. Для сложного вещества:

М э =М/В*n, f э = 1/В*n,

где В – валентность функциональной группы; n – число функциональных групп в формуле молекулы вещества.

Для кислот функциональной группой является ион водорода, для оснований – ион гидроксила, для солей – ион металла, для оксидов – оксидообразующий элемент.

М э кислоты =М кислоты /основность кислоты.

Основность кислоты определяется числом протонов, которое отдает молекула кислоты, реагируя с основанием .

Например, М э (H 2 SO 4)=98/2=49 г/моль.

М э основания = М основания /кислотность основания.

Кислотность основания определяется числом протонов, присоединяемых молекулой основания при взаимодействии его с кислотой.

Например, М э (NaOH)=40/1=40 г/моль.

М э соли =М соли /(число атомов металла*валентность металла).

Например, М э (Al 2 (SO 4) 3)=342/(2*3)=57 г/моль.

М э оксида =М оксида /(число атомов оксидообразующего элемента * валентность элемента).

Например, М э (Al 2 O 3)=102/(2*3)=17 г/моль.

В общем случае молярная масса эквивалента химического соединения равна сумме молярных масс эквивалентов составляющих его частей.

3. Для окислителя, восстановителя:

где Z – эквивалентное число (Z=1/f э).

Как известно, моль любого газа при нормальных условиях (Т=273,15 К, Р=101,325 кПа или 760 мм рт. ст.) занимает объем, равный 22,4 л; этот объем называется молярным объемом V м. Исходя из этой величины, можно рассчитать объем одного моля эквивалента газа (V э, л/моль) при нормальных условиях. Например, для водорода Э(Н 2)=1/2Н 2 , моль эквивалента водорода в два раза меньше его моля молекул и поэтому объем одного моля эквивалента водорода также в два раза меньше его молярного объема: 22,4 л/2=11,2 л. Для кислорода Э(О 2)=1/4 О 2 , отсюда объем одного моля эквивалента кислорода в четыре раза меньше его молярного объема: 22,4 л/4=5,6 л.

В общем случае: V э =f э *V м; V э = V/ .

Основные законы химии

1. Закон сохранения массы веществ (М.В. Ломоносов; 1756 г.):

масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, образовавшихся в результате реакции.

2. Закон постоянства состава.

Имеет различные формулировки:

Состав соединений молекулярной структуры является постоянным независимо от способа получения (более точная современная формулировка);

- любое сложное вещество независимо от способа его получения имеет постоянный качественный и количественный состав ;

Соотношения между массами элементов, входящих в состав данного соединения, постоянны и не зависят от способа получения этого соединения.

3. Закон кратных отношений (Дальтон, 1803 г.):

если два элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то массы одного из элементов, приходящиеся в этих соединениях на одну и ту же массу другого, относятся между собой как небольшие целые числа.

Закон свидетельствовал о том, что элементы входят в состав соединений лишь определенными порциями, подтвердил атомистические представления. Наименьшее количество элемента, вступающее в соединение, - это атом. Следовательно, в соединение может вступать только целое число атомов, а не дробное. Например, массовые соотношения С:О в оксидах СО 2 и СО равны 12:32 и 12:16. Следовательно, массовое отношение кислорода, связанное с постоянной массой углерода в СО 2 и СО, равно 2:1.

4. Закон объемных отношений (закон Гей-Люссака):

объемы вступающих в реакцию газов относятся друг к другу и к объемам образующихся газообразных продуктов реакции как небольшие целые числа.

5.Закон Авогадро (1811 г.):

в равных объемах любых газов, взятых при одной и той же температуре и при одинаковом давлении, содержится одно и то же число молекул. Постоянная Авогадро N A = 6,02*10 23 моль -1 – число структурных единиц в одном моле вещества.

Следствия из закона Авогадро:

а) при определенных температуре и давлении 1 моль любого вещества в газообразном состоянии занимает один и тот же объем;

б) при н.у. (273,15 К и 101,325 кПа) молярный объем (V м) любого газа равен 22,4 л моль.

6. Уравнениесостояния идеального газа – Менделеева-Клапейрона:

где Р – давление газа, Па; V – объем газа, м 3 ; m – масса вещества, г; М – его молярная масса, г/моль; Т – абсолютная температура, К; R – универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/моль*К.

7. Закон парциальных давлений (закон Дальтона):

Давление смеси газов, химически не взаимодействующих друг с другом, равно сумме парциальных давлений газов, составляющих смесь .

8. Закон эквивалентов.

Имеет несколько формулировок:

1) массы участвующих в реакции веществ пропорциональны их молярным массам эквивалента :

m 1 / m 2 = M Э1 / M Э2 = …;

2) все вещества реагируют между собой в эквивалентных количествах, т.е. количества молей эквивалента веществ, участвующих в реакции, равны между собой:

ν э1 =ν э2 = …;

m 1 / M Э1 = m 2 / M Э2 =… . .

3) для реагирующих веществ, находящихся в растворе, закон эквивалентов записывают следующим образом:

С Э 1 *V 1 =C Э 2 *V 2 ,

где С Э 1 , С Э 2 – нормальные концентрации или молярные концентрации эквивалента первого и второго растворов, моль/л; V 1 и V 2 – объемы реагирующих растворов, л.