додати матеріал


Хімія життя

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати


 
Робота на тему:
 
«Хімія життя»
 


2004

План
Введення
Хімічний погляд на природу, витоки і сучасний стан.
Предмет пізнання хімічної науки та її структура
Взаємозв'язок хімії і фізики
Взаємозв'язок хімії і біології Висновок
Література
 
Введення
Сучасна хімія представляє собою широкий комплекс наук, поступово склався в ході її тривалого історичного розвитку. Практичне знайомство людини з хімічними процесами сягає глибокої давнини. Протягом багатьох століть теоретичне пояснення хімічних процесів грунтувалося на натурфилософском вченні про елементи-якостях. У модифікованому вигляді воно послужило основою для алхімії, що виникла приблизно в III-IV ст. н.е. і прагнула вирішити завдання перетворення неблагородних металів у благородні. Не домігшись успіху у вирішенні цього завдання, алхіміки, тим не менш, виробили ряд прийомів дослідження речовин, відкрили деякі хімічні сполуки, ніж в певній мірі сприяли виникненню наукової хімії.
Натурфілософські погляди лежали також в основі виникла в XVI ст. ятрохімії (попередниці медичної хімії), котра прагнула знайти в хімічних препаратах засоби лікування численних хвороб. У середні століття отримали прискорений розвиток хімічні виробництва: металургія, стеклоделие, виготовлення барвників. Це сприяло виробленню перших теоретичних настанов у развивавшемся хімічному знанні.
Власне наукова хімія веде свій початок з другої половини XVII ст., Коли Р. Бойль і його однодумці дали перше наукове визначення поняття «хімічний елемент». Важливою віхою на шляху створення наукової хімії стало відкриття завдяки роботам М.В. Ломоносова і А. Лавуазьє, закону збереження маси при хімічних реакціях. Важливу роль у становленні хімії як самостійної науки відіграло відкриття у кінці XVII - початку XIX ст. стехіометричних законів.
Розробка хімічних поглядів у XIX ст. почалася зі створення Д. Дальтоном основ хімічної атомістики. Невдовзі А. Авогадро ввів поняття «молекула». Однак атомно-молекулярні уявлення утвердилися в науці лише в 60-х роках XIX ст. У той же період в пізнавальному прицілі хімії зайняла основне місце, поряд зі складом, також структура речовин. Цьому вирішальною мірою сприяло створення А.М. Бутлеровим теорії хімічної будови. До числа найбільш значних віх розвитку наукової хімії і всього природознавства належить відкриття Д.І. Менделєєвим періодичного закону хімічних елементів. У кінці XIX - початку XX ст. до провідних напрямків розвитку хімії стало ставитися вивчення закономірностей хімічного процесу. З другої половини XX ст. в хімії плідно розвивається концепція, націлена на вивчення можливостей використання в процесах отримання цільових продуктів таких умов, які призводять до самовдосконалення каталізаторів хімічних реакцій, тобто до самоорганізації хімічних систем. Еволюційна хімія звернулася до осягнення шляхів отримання найбільш високоорганізованих хімічних систем, які тільки можливі в даний час.
У хімії історично склалися, таким чином, чотири рівні вивчення речовин: з позицій їх складу, будови, хімічної дії і самоорганізації. Тим не менш, специфіка хімії не може бути зведена лише до дослідження речовин з позицій цього багаторівневого підходу. Найбільш специфічним для неї є осягнення хімізмі взаємин речовин. Причому осмислення феномена хімізму, знаходить своє концентроване вираження в сучасному трактуванні предмета хімії.
 
Хімічний погляд на природу, витоки і сучасний стан.
Хімія - дуже давня наука. Існує декілька пояснень слова «хімія». Згідно з однією з наявних теорій, воно походить від давньої назви Єгипту - Kham і, отже, має означати «єгипетське мистецтво». Згідно з іншою теорією, слово «хімія» походить від грецького слова cumoz (сік рослини) і означає «мистецтво виділення соків». Цей сік може бути розплавленим металом, так що при подібному розширеному тлумаченні цього терміна в нього доводиться включати і мистецтво металургії.
З хімією тісно пов'язані елементи стихій давньогрецької натурфілософії, Атомістика Левкіппа і Демокріта. Але, звичайно, найбільший внесок у становлення цієї науки внесли єгиптяни. Ім'я першого з дійшли до нас хіміків - Болос з Менді, що жив в дельті Нілу на рубежі III і II ст. до н.е. До 300 р. н.е. єгиптянин Зосима написав енциклопедію, яка охоплювала всі зібрані на той час знання з хімії. Але хімія, представлена ​​в цій праці, ще не була наукою в повному розумінні слова, а залишалася тісно пов'язаної з давньоєгипетській релігією і не виходила у своєму розвитку за межі формування феноменологічного рівня. У хімії виявлялися властивості, встановлювалися закономірності між ними, сутність самих явищ підмінялася їх містичної інтерпретацією. Хімію (хіміків) викорінювали і переслідували давньоримські імператори, фанатики християнства: вчені виганяли, книги їх спалювалися, сама наука заборонялася. Одні побоювалися, наприклад, того, що хіміки займалися отриманням золота, другі переслідували вчених за тісний зв'язок хімії з давньоєгипетської релігією, яка, з точки зору християнства, була язичництвом.
Починаючи з останніх століть I тис. до н.е. хімія бурхливо розвивалася в арабському світі, а в першій половині нинішнього тисячоліття вона отримала широке поширення в Західній Європі. З одного боку, розвиток хімії в цей період йшло слідом за розвитком техніки, однак, з іншого боку, вона залишалася тісно пов'язаної з релігійно-філософською думкою. У той період хімія існувала головним чином як алхімія.
У хімії необхідно відзначити, перш за все, існування особливого «хімічного погляду» на природу, який не може бути зведений до фізичного, незважаючи на всі успіхи фізичної хімії в нинішньому столітті. Тобто у хімії давно були виявлені якості деякого особливого типу. Так, згідно з відомим хіміку А. А. Бутакова, хімічні реакції «не можна пояснити лише дією сил електричного притягання і відштовхування. Їх дією пояснюється лише фізична сторона хімічного процесу. Хімічна форма руху матерії є процеси зміни часток речовини, які, в кінцевому рахунку, визначаються дією періодичного закону ». Подібної думки дотримуються і багато інших вчених-хіміки. Відомий російський фізико-хімік М. М. Семенов зводив основні відмінності між фізичним та хімічним процесом до трьох: «Історії системи, відсутності миттєвих параметрів для швидкостей хімічних реакцій, можливості користуватися рівноважними параметрами для фізичних процесів і неможливості - для хімічних».
У хімії добре використовується підхід індуктивний, набагато менш продуктивним тут виявився дедуктивний підхід. При дедуктивному підході вся сукупність відомих природно-наукових фактів (не тільки хімічних, але і фізичних, біологічних) представляється витікає з низки основних законів. Такий підхід, як правило, виявляється досить ефективним у фізиці і там, де можуть бути використані фізичні ідеї (у хімії). Індуктивний підхід - це рух у зворотному напрямку, коли на основі хімічної фактологічного виявляються більш-менш загальні закономірності (правила, закони), а потім вже створюються узагальнені моделі, що становлять основу сучасної теоретичної хімії.
Найважливіші особливості сучасної хімії такі.
1. У хімії, насамперед у фізичної хімії, з'являються численні самостійні наукові дисципліни (хімічна термодинаміка, хімічна кінетика, електрохімія, термохімія, радіаційна хімія, фотохімія, Плазмохимія, лазерна хімія).
2. Хімія активно інтегрується з іншими науками, результатом чого була поява біохімії, молекулярної біології, космохімії, геохімії, біогеохімії. Перші вивчають хімічні процеси в живих організмах, геохімія - закономірності поведінки хімічних елементів у земній корі. Біогеохімія - це наука про процеси переміщення, розподілу, розсіювання і концентрації хімічних елементів у біосфері за участю організмів. Основоположником біогеохімії є В. І. Вернадський. Космохімія вивчає хімічний склад речовини у Всесвіті, його поширеність і розподіл по окремих космічних тіл.
3. У хімії з'являються принципово нові методи дослідження (структурний рентгенівський аналіз, мас-спектроскопія, радіоспектроскопія та ін.)
Хімія сприяла інтенсивному розвитку деяких напрямків людської діяльності. Наприклад, хірургії хімія дала три головні засоби, завдяки яким сучасні операції стали безболісними і взагалі можливими: 1) введення в практику ефірного наркозу, а потім і інших наркотичних речовин, 2) використання антисептичних засобів для попередження інфекції; 3) отримання нових, не наявних в природі аллопластіческіх матеріалів-полімерів.
У хімії дуже чітко проявляється нерівноцінність окремих хімічних елементів. Переважна більшість хімічних сполук (96% з понад 8,5 тис. відомих в даний час) - це органічні сполуки. В їх основі лежать 18 елементів), і більше поширення мають всього 6 з них). Це відбувається внаслідок того, що, по-перше, хімічні зв'язки міцні (енергоємні) і, по-друге, вони ще й лабільні. Карбон як ніякий інший елемент відповідає всім цим вимогам енергоємності та лабільності зв'язків. Він поєднує в собі хімічні протилежності, реалізуючи їх єдність.
Проте підкреслимо, що матеріальна основа життя не зводиться ні до яких, навіть найскладніших, хімічним утворенням. Вона не просто агрегат певного хімічного складу, але одночасно і структура, що має функції та здійснює процеси. Тому неможливо дати життя тільки функціональне визначення.
Останнім часом хімія все частіше робить штурм сусідніх з нею рівнів структурної організації природи. Наприклад, хімія все більш і більш вторгається в біологію, намагаючись пояснити основи життя.
Предмет пізнання хімічної науки та її структура
Сучасна хімія вивчає перетворення, при яких молекули одного з'єднання обмінюються атомами з молекулами інших сполук, розпадаються на молекули з меншим числом атомів, а також вступають в хімічні реакції, в результаті яких утворюються нові речовини. Атоми зазнають в хімічних процесах деякі зміни лише в зовнішніх електронних оболонках, атомне ядро ​​і внутрішні електронні оболонки при цьому не змінюються.
При визначенні предмета хімії нерідко акцентують увагу на тому, що його складають, перш за все, з'єднання атомів і перетворення цих сполук, що відбувається з розривом одних і освітою інших міжатомних зв'язків.
Різні хімічні науки відрізняються тим, що вони займаються вивченням або різних класів сполук (така відмінність покладено в основу розмежування органічної і неорганічної хімії), або різних типів реакцій (радіохімія, радіаційна хімія, каталітичний синтез, хімія полімерів), або використанням різних методів дослідження ( фізична хімія в її різних напрямках). Відмежування однієї хімічної дисципліни від іншої, що зберігає в нинішніх умовах історично склалися розмежувальні лінії, має відносний характер.
До кінця XIX століття хімія в основному була цілісною єдиною наукою. Внутрішнє її поділ на органічну і неорганічну не порушувало цієї єдності. Але пішли незабаром численні відкриття, як у самій хімії, так і в біології, фізики поклали початок швидкої її диференціації.
Сучасна хімічна наука, спираючись в »міцні теоретичні основи, безперервно розвивається вшир і вглиб. Зокрема, відбувається відкриття і вивчення нових, якісно різних дискретних хімічних частинок. Так, ще в першій половині XIX століття при вивченні електролізу були виявлені іони - особливі частинки, утворені з атомів і молекул, але електрично заряджені. Іони є структурними одиницями багатьох кристалів, кристалічних граток металів, вони існують в атмосфері, в розчинах і т.д.
На початку XX ст. хіміки відкрили радикали як одну з активних форм хімічної речовини. Вони утворюються з молекул шляхом відщеплення окремих атомів або груп і містять атоми елементів в незвичайному для них валентному стані, що пов'язано з наявністю одиночних (неспарених) електронів, що пояснюють їх виняткову хімічну активність.
До особливих форм хімічної речовини відносяться також макромолекули. Вони складаються з сотень і тисяч атомів і внаслідок цього набувають на відміну від звичайної молекули якісно нових властивостей.
Характерний для новітньої хімії, як і для всієї науки XX ст., Процес глибокої внутрішньої диференціації в значній мірі пов'язаний з відкриттям цього якісного різноманіття хімічних речовин. Їх будова, перетворення і властивості сталі предметом вивчення спеціальних розділів хімії: електрохімії, хімічної кінетики, хімії полімерів, хімії комплексних сполук, колоїдної хімії, хімії високомолекулярних сполук.
Вже до початку XX ст. всередині самої хімії чітко розрізняються загальна та неорганічна хімія, і органічна хімія. Предметом вивчення загальної і тісно пов'язаної з нею неорганічної хімії стали хімічні елементи, утворені ними найпростіші неорганічні сполуки та їх загальні закони (передусім Періодичний закон Д. І. Менделєєва).
Сильний поштовх розвитку неорганічної хімії дали проникнення в надра атома і вивчення ядерних процесів. Пошуки елементів, найбільш придатних для розщеплення в ядерних реакторах, сприяли дослідженню маловивчених і синтезу нових елементів за допомогою ядерних реакцій. Вивченням їх властивостей, а також фізико-хімічних основ і хімічних властивостей радіоактивних ізотопів, методикою їх виділення і концентрації зайнялася радіохімія, що виникла в другій чверті XX ст.
Органічна хімія остаточно склалася в самостійну науку в другій половині XIX ст. Цьому сприяло отримання великого емпіричного і теоретичного матеріалу про з'єднання вуглецю і його похідних. Визначальним фактором для всіх органічних сполук є особливості валентного стану вуглецю - здатність його атомів зв'язуватися між собою як одинарної, так і подвійний, потрійний зв'язком в довгі лінійні та розгалужені ланцюги. Завдяки безкінечного різноманіттю форм зчеплення вуглецевих атомів, наявності ізомерії і гомологічних рядів майже у всіх класах органічних сполук можливості отримання цих сполук практично безмежні.
У XX ст. багато розділів органічної хімії стали поступово перетворюватися на великі, відносно самостійні гілки зі своїми об'єктами вивчення. Так з'явилися хімія елементоорганічних сполук, хімія полімерів, хімія високомолекулярних сполук, хімія антибіотиків, барвників, запашних з'єднань, фармакохіміі і т.д.
В кінці XX ст. виникає хімія металоорганічних сполук, тобто сполук, що містять одну (або більше) прямий зв'язок металу з вуглецем. До закінчення століття були відкриті органічні сполуки ртуті, кадмію, цинку, свинцю та ін В даний час отримані вуглецеві з'єднання зі значним вмістом не тільки металів, але і неметалів (фосфор, бор, кремній, миш'як і т.д.). Тепер цю область хімії стали називати хімією елементоорганічних сполук, вона знаходиться на стику органічної та неорганічної хімії.
Самостійної областю хімії є наука про методи визначення складу речовини - аналітична хімія. Її основне завдання - визначення хімічних елементів або їх сполук, що входять до складу досліджуваної речовини, - вирішується шляхом аналізу. Без сучасних методів аналізу був би неможливий синтез нових хімічних сполук, ефективний постійний контроль за ходом технологічного процесу і якістю одержуваних продуктів.
Хімія наших днів становить одну з найбільш великих областей людських знань і грає виключно важливу роль в народному господарстві. Об'єкти і методи дослідження хімії настільки різноманітні, що багато її частини не є по суті самостійними науковими дисциплінами. Сучасну хімію прийнято підрозділяти в найбільш загальному плані, принаймні, на 5 розділів: неорганічну, органічну, фізичну, аналітичну та хімію високомолекулярних сполук. Однак чітких меж між цими розділами не існує. Наприклад, координаційні та елементоорганіческіе сполуки являють собою об'єкти, що перебувають у сфері досліджень, як неорганічної, так і органічної хімії. Розвиток же цих розділів неможливо без широкого використання методів і уявлень фізичної та аналітичної хімії.
До найважливіших особливостей сучасної хімії відносяться:
1. Диференціація основних розділів хімії на окремі, багато в чому самостійні наукові дисципліни. Ця диференціація заснована на різниці об'єктів і методів дослідження. Так, на значне число швидко розвиваються дисциплін підрозділяється фізична хімія.
2. Інтеграція хімії з іншими науками. У результаті цього процесу виникли біохімія, біоорганічна хімія та молекулярна біологія, які вивчають хімічні процеси в живих організмах. На кордоні хімії та геології розвивається геохімія, що досліджує закономірності поведінки хімічних елементів у земній корі. Завдання космохімії - вивчення особливостей елементного складу космічних тіл (планет і метеоритів) і різних сполук, що містяться в цих об'єктах.
3. Поява нових, головним чином, фізико-хімічних у фізичних методів дослідження (структурний рентгенівський аналіз, мас-спектроскопія, методи радіоспектроскопії і ін)
 
 
 
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'язку між фізикою і хімією. Цей процес супроводжується виникненням усе 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 в 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 та радіоактивних хімічних елементів, кристалічних граток речовини, молекулярних структур вимагали створення і призвели 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 відбулося на певному етапі розвитку неорганічного світу. Також цей зв'язок грунтується 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 розвиток уявлень про електромагнітній взаємодії, досліджуваній фізикою. На основі періодичного закону нині здійснюється прогрес не тільки в хімії, але й у ядерній фізиці, на межі 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 свій бік, свій предмет вивчення. Так, молекула є предметом вивчення не тільки хімії, але і молекулярної фізики. Якщо перша вивчає її з точки зору закономірностей утворення, складу, хімічних властивостей, зв'язків, умов її дисоціації на складові атоми, то остання статистично вивчає поведінку мас молекул, яка 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 у нових молекулах переконливо свідчать про тісний зв'язок хімічних і фізичних явищ. Так, енергетика хімічних процесів тісно пов'язана із законами термодинаміки. Хімічні реакції, що протікають з виділенням енергії зазвичай у вигляді тепла і світла, називаються екзотермічними. Існують також ендотермічні реакції, що протікають з поглинанням енергії. Все сказане не суперечить законам термодинаміки: у 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 кілоджоулях на міль (кДж / моль).
Ще один приклад. Окремим випадком першого початку термодинаміки є закон Гесса. Він говорить, що тепловий ефект реакції залежить тільки від початкового й кінцевого стану речовин і не залежить від проміжних стадій процесу. Закон Гесса дозволяє обчислити тепловий ефект реакції в тих випадках, коли його безпосереднє вимірювання чого-небудь нездійсненне.
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 дотику фізики та хімії виник і успішно розвивається такий порівняно молодий розділ з числа основних розділів хімії як фізична хімія, яка оформилася в кінці XIX ст. 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 електролітичної дисоціації) і т.д. Предметом її вивчення стали загальнотеоретичні питання, що стосуються будови і властивостей молекул хімічних сполук, процесів перетворення речовин у зв'язку із взаємною обумовленістю їх фізичними властивостями, вивчення умов протікання хімічних реакцій і відбуваються при цьому фізичних явищ. Зараз фізхімії - це різнобічно розгалужена наука, тісно зв'язує фізику та 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, фотохімія, кристалохімія. На початку XX ст. виділилася також у самостійну науку виросла в надрах фізичної хімії колоїдна хімія. З другої половини XX ст. у зв'язку з інтенсивною розробкою проблем ядерної енергії виникли й 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, але і 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 і радіаційне опромінення, світлове та теплове вплив і т.д.).
Примітно, що в першій половині XX ст. 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 взаємоперехід хімічної та субатомній форм руху матерії.
В ієрархії основних наук, даної Ф. Енгельсом, хімія безпосередньо межує з фізикою. Це сусідство і забезпечило ту швидкість і глибину, з якою багато розділів фізики плідно вклинюються в хімію. Хімія межує, з одного боку, з макроскопічної фізикою - термодинамікою, фізикою суцільних середовищ, а з іншого - з мікрофізику - статичної фізикою, квантовою механікою.
Загальновідомо, наскільки плідними ці контакти виявилися для хімії. Термодинаміка породила хімічну термодинаміку - вчення про хімічну рівновагу. 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 у хімічних дослідженнях. Вражаючий прогрес в цій області особливо звіт-диво 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 та ультрафіолетового діапазонів. Відкриття фізиками явища магнітного резонансного поглинання призвело 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 галузі важко чекати подальшого прогресу. Проте 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 з допомогою лазера - методика, основна на селективному збудженні, що дозволяє зареєструвати у кюветі всього кілька атомів сторонньої при-Л0еі. Вражаючі можливості для вивчення механізмів радикальних реакцій дало відкриття явища хімічної поляризації ядер.
Зараз важко назвати область сучасної фізики, яка б прямо або побічно 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 у своєму складі позитрон або мюон, які, в принципі, не можуть дати стійких сполук. Проте 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 у галузі фізичної хімії. Серед них - ті, хто відкрив радіоактивність та ізотопи (Резерфорд, М. Кюрі, Содді, Астон, Жоліо-Кюрі та 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 відіграли і продовжують відігравати в цьому відношенні в хімії революціонізуючу 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 клітці, над питаннями про характер хімічних процесів у 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 великої кількості порівняно простих і одноманітних хімічних реакцій, які поєднуються між добий 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 оточуючого 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, які вивчають життя, надзвичайно великий. Саме хімією виявлена ​​найважливіша роль хлорофілу як хімічної основи фотосинтезу, гемоглобіну як основи процесу дихання, встановлена ​​хімічна природа передачі нервового збудження, визначено структуру 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 мовою 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 у живих системах в порівнянні з неживими. Вивчення цієї специфіки розкриває єдність і взаємозв'язок хімічної та 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 у живих організмах; біоорганічна хімія - наука про будову, функції та 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 у рослинах, тварин, мікроорганізми), встановлення біологічних шляхів і циклів біосинтезу цих продуктів; був реалізований їх штучний синтез, зроблено відкриття матеріальних основ регулятивного та спадкового молекулярного механізму, а також значною ступеня з'ясовано значення хімічних процесів »енергетиці процесів клітини і взагалі живих організмів.
Нині для хімії особливо важливим стає застосування біологічних принципів, в яких сконцентровано 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 загальними властивостями, властивими всіх каталізаторів, тим не менш, вони не тотожні останнім, оскільки функціонують у рамках живих систем. Тому всі спроби використовувати досвід живої природи для прискорення хімічних процесів в неорганічний світі стикаються з серйозними обмеженнями. Поки мова може йти тільки про моделюванні 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 самим перспективним напрямом, очевидно, є дослідження, орієнтовані на застосування принципів біокаталізу в хімії та хімічній технології, для чого потрібно вивчити весь каталітичний досвід живої природи, у тому числі і досвід формування самого ферменту, клітини і навіть організму.
Теорія саморозвитку елементарних відкритих каталітичних систем, у найзагальнішому вигляді висунута професором МГУ А.П. Руденко в 1964 р., є загальною теорією хімічної еволюції і біогенезу. Вона вирішує питання про рушійні сили та механізми еволюційного процесу, тобто про закони хімічної еволюції, про відбір елементів і структур та їх причинної зумовленості, про висоту хімічної організації та ієрархії хімічних систем як слідстві еволюції.
Теоретичним ядром цієї теорії є положення про те, що хімічна еволюція являє собою саморозвиток каталітичних систем і, отже, еволюціонуючим речовиною є каталізатори. У ході реакції відбувається природний відбір тих каталітичних центрів, які володіють найбільшою активністю. Саморозвиток, самоорганізація я самоусложненіе 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 й 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 промишленнoro 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, що використовують з більшим ККД сонячне світло, перетворюючи його в хімічну та електричну енергію, а також хімічну енергію у світ великої інтенсивності.
Для освоєння каталітичного досвіду живої природи та реалізації отриманих знань в промисловому виробництві хіміки намітили радий перспективних шляхів.
Перший - розвиток досліджень в області металокомплексного каталізу з орієнтацією на відповідні об'єкти живої природи. Цей каталіз збагачується прийомами, якими користуються живі організми у ферментативних реакціях, а також способами класичного гетерогенного каталізу.
Другий шлях полягає в моделюванні біокаталізаторів. В даний час за рахунок штучного відбору структур вдалося побудувати моделі багатьох ферментів характеризуються високою активністю та селективністю, іноді 'майже такий же, як і у оригіналів, або з більшою простотою будови.
Щоправда, поки все ж отримані моделі не в змозі замінити природні біокаталізатори живих систем. На даному етапі розвитку хімічних знанні проблема ця вирішується надзвичайно складно. Фермент виділяється з живої системи, визначається його структура, він вводиться в реакцію для здійснення каталітичних функцій. Але працює нетривалий час і швидко руйнується, оскільки є виділеним з цілого, з клітки. Цілісна клітина з усім її ферментним апаратом - більш важливий об'єкт, ніж одна, виділена з неї деталь.
Третій шлях до освоєння механізмів лабораторії мерщій природи пов'язується з досягненнями хімії іммобілізованих систем. Сутність іммобілізації полягає в закріпленні виділених з живого організму ферментів на твердій поверхні шляхом адсорбції, яка і перетворює їх на гетерогенний каталізатор і забезпечує його стабільність і безперервну дію.
Четвертий шлях у розвитку досліджень, орієнтованих на застосування принципів біокаталізу в хімії та хімічній технології, характеризується постановкою самої широкої завдання - вивченням і освоєнням всього каталітичного досвіду живої природи, у тому числі і формування ферменту, клітини і навіть організму. Це щабель, на якій засади еволюційної хімії як дієвої науки з її робочими функціями. Вчені стверджують, що цей рух хімічної науки до принципово нової хімічної технології з перспективою створення аналогів живих систем. Рішення названої завдання займе важливе місце в створенні хімії майбутнього.
Висновок
Сучасна хімія представлена ​​безліччю 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 розриваються в ході взаємодії частинок атомного рівня організації матерії. Для виникнення хімічного зв'язку характерне значне 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.
 
 
 
 
 
 
 
Література
1. Великий енциклопедичний словник. Хімія. М., 2001.
2. Грушевіцкая TT, Садохін А.П. Концепції сучасного природознавства. М., 1998.
3. Концепції сучасного природознавства. Під. ред. В.Н. Ла
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Хімія | Реферат
84.9кб. | скачати


Схожі роботи:
Хімія і Стоматологія Хімія у моїй майбутній професії
Прикладна хімія
Хімія гормонів
Аналітична хімія
Суцільна хімія
Фізична хімія
Колоїдна хімія
Хімія і екологія
Хімія фулеренів
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru