Химия и её роль в развитии естественнонаучных знаний

Химия и её роль в развитии естественнонаучных знаний

 Химия – это наука о веществах и их превращениях, или, как вариант, наука о химических элементах и их соединениях.

В этих определениях подразумевается  структурный уровень изучения вещества и, так сказать, «разделение полномочий»  между физикой и химией. Физика изучает строение атома и мир  элементарных частиц (атомный и нуклонный  уровень микромира), с одной стороны, и проявление физических свойств  веществ, пребывающих в разных агрегатных состояниях, – с другой (классические механика и электродинамика, теплофизика как изучение явлений макромира). Химия же рассматривает процессы «сборки» молекул из атомов, традиционно называемые «химическими реакциями», а также проявление химических свойств веществ, то есть способность веществ вступать в химические реакции определенного вида. Таким образом, структурный уровень вещества, изучаемый в химии, оказывается помещенным между двумя «физическими» уровнями структуры вещества, а «химические» явления происходят на границе микромира и макромира.

Химия – полноправный представитель  семейства точных естественных наук, то есть химическое научное знание сформировано из теорий, законов и  закономерностей, формулировки которых  исключают множественное толкование и которые многократно подтверждены и проверены на практике. И, как  для любой естественной науки, для  химии имеют большое значение проверяемость, достоверность и воспроизводимость результатов, доказательность знания, соответствие научных теорий и наблюдаемых фактов.

Химия – рациональная наука, даже гипотезы в химии имеют чисто  рациональный характер. Современная  химия счастливо избежала того «налета» иррациональности, который присутствует в физике, биологии, астрономии, особенно когда обсуждаются вопросы происхождения  Вселенной, вещества и жизни.

Химия развивалась и развивается  традиционно в двух направлениях – как фундаментальная наука (создание и изучение теоретических  основ химического знания) и как  наука прикладная (решение практических задач применения различных химических соединений). И если в XVIII–XIX вв. второе направление развивалось более интенсивно, обслуживая промышленную революцию, а теоретическое направление вынуждено было «догонять» в попытке объяснить и систематизировать быстро растущий объем химических знаний, то все изменилось на рубеже XIX–XX вв. и особенно в начале XX в. Великие открытия в физике микромира, приведшие к смене парадигмы естествознания, предопределили развитие теоретической неорганической и органической химии в свете квантовых представлений. Таким образом был усовершенствован механизм объяснения химического строения и структуры вещества, и в дальнейшем оба направления химической науки развивались уже в тесном взаимодействии, решая основную проблему современной химии – получение (синтез) вещества с заданными свойствами. Важным этапом решения этой задачи является решение проблемы управления свойствами вещества. Химия как наука не только о химическом составе и структуре вещества, но и о химических процессах, развивается в рамках парадигмы современного естествознания – квантово-релятивистской механики. В частности, существует фундаментальная химическая наука – квантово-органическая химия, которая изучает механизмы органических реакций с позиции квантовых представлений.

Однако наряду с квантовой  химией сосуществует и классическая химия, например химия анализа состава  вещества и химия промышленного  синтеза известных продуктов, где  для выполнения рутинных процедур не обязательно прибегать к квантовым  представлениям.

Химия изучает состав, свойства и превращения веществ, а также  явления, которые сопровождают эти  превращения. Одно из первых определений химии как науки дал русский ученый М.В. Ломоносов: «Химическая наука рассматривает свойства и изменения тел... состав тел... объясняет причину того, что с веществами при химических превращениях происходит».По Менделееву, химия — это учение об элементах и их соединениях. Химия относится к естественным наукам, которые изучают окружающий нас мир. Она тесно связана с другими естественными науками: физикой, биологией, геологией. Многие разделы современной науки возникли на стыке этих наук: физическая химия, геохимия, биохимия. Химия тесно связана также с другими отраслями науки и техники. В ней широко применяются математические методы, используются расчеты и моделирование процессов на электронно-вычислительных   машинах. В современной химии выделилось много самостоятельных разделов, наиболее важные из которых, кроме отмеченных выше, неорганическая химия, органическая химия, х. полимеров, аналитическая химия, электрохимия, коллоидная химия и другие. Объектом изучения химии являются вещества. Обычно их подразделяют на смеси и чистые вещества. Среди последних выделяют простые и сложные. Простых веществ известно более 400, а сложных веществ — намного больше: несколько сот тысяч, относящихся к неорганическим, и несколько миллионов органических.

Неорганическая  химия изучает свойства и превращения  неорганических (минеральных) веществ. Органическая химия из. свойства и превращения органических веществ. Роль химии в промышленности и сельском хозяйстве. Во все времена химия служит человеку в его практической деятельности. Еще в древности возникли ремесла, в основе которых лежали химические процессы: получение металлов, стекла, керамики, красителей. Большую роль играет химия в современной промышленности. Химическая и нефтехимическая промышленность являются важнейшими отраслями, без которых невозможно функционирование экономики. Среди важнейших продуктов следует назвать кислоты, щелочи, соли, минеральные удобрения, растворители, масла, пластмассы, каучуки и резины, синтетические волокна и многое другое. В настоящее время химическая промышленность выпускает несколько десятков тысяч наименований продукции. Исключительно важную роль играют химические продукты и процессы в энергетике, которая использует энергию химических реакций. Для энергетических целей используются многие продукты переработки нефти (бензин, керосин, мазут), каменный и бурый уголь, сланцы, торф. В связи с уменьшением природных запасов нефти вырабатывается синтетическое топливо путем химической переработки различного природного сырья и отходов производства. Развитие многих отраслей промышленности связано с химией: металлургия, машиностроение, транспорт, промышленность строительных материалов, электроника, легкая, пищевая промышленность- вот неполный список отраслей.

На протяжении длительного  развития человечество не раз сталкивалось с большим числом проблем, от которых  нередко зависело само его существование. Чтобы выжить, наш предок научился изготавливать и использовать простейшие орудия труда, чем компенсировал  свои природные недостатки. В дальнейшем первобытный человек, оказавшись перед  проблемой обеспечения пищей, освоил охоту, затем земледелие и скотоводство. Освоение все более сложных орудий и предметов труда вызвало  энергетическую проблему, потребовало  перехода от естественных источников энергии к более совершенным. Энергетическая проблема последовательно привела человека к освоению энергии пара, тепловой, электрической энергии, и, наконец, энергии атома.

Необходимость повышения  производительности труда и эффективности  производства, роста темпов добычи и переработки громадного объема минеральных ресурсов, наряду с необходимостью решения многих жизненно важных проблем, вызвали к жизни использование  химической технологии, всеобщую химизацию, а затем компьютеризацию общественного  производства и быта. Успехи человека в решении больших и малых  проблем выживания в значительной мере были достигнуты благодаря развитию химии, становлению различных химических технологий. Успехи многих отраслей человеческой деятельности, таких, как энергетика, металлургия, машиностроение, легкая и  пищевая промышленность и других, во многом зависит от состояния и развития химии. Огромное значение химия имеет для успешной работы сельскохозяйственного производства, фармацевтической промышленности, обеспечения быта человека.

Химическая промышленность производит десятки тысяч наименований продуктов, многие из которых по технологическим  и экономическим характеристикам  успешно конкурируют с традиционными материалами, а часть - является уникальной по своим параметрам. Химия дает материалы с заранее заданными свойствами, в том числе и такими, которые не встречаются в природе. Подобные материалы позволяют проводить технологические процессы с большими скоростями, температурами, давлениями, в условиях агрессивных сред. Для промышленности химия поставляет такие продукты, как кислоты и щелочи, краски, синтетические волокна и т.п. Для сельского хозяйства химическая промышленность выпускает минеральные удобрения, средства защиты от вредителей, химические добавки и консерванты к кормам для животных. Для домашнего хозяйства и быта химия поставляет моющие средства, краски, аэрозоли и др. продукты.

Химия характерна не только тем, что обеспечивает производство многих необходимых продуктов, материалов, лекарств. Во многих отраслях промышленности широко используются также химические методы обработки: беление, крашение, печатание  в текстильной промышленности; обезжиривание, травление, цианирование в машиностроении; кислородное дутье в металлургии; консервация, синтезирование витаминов и аминокислот - в пищевой и фармацевтической промышленности и т.д. Внедрение химических методов ведёт к интенсификации технологических процессов, увеличению выхода полезного вещества, снижению отходов, повышению качества.

Таким образом, химизация, как  процесс внедрения химических методов  в общественное производство и быт, позволила человеку решить многие технические, экономические и социальные проблемы. Однако масштабность, а нередко и  неуправляемость этого процесса обернулась второй стороной медали». Химия  прямо или опосредованно затронула  практически все компоненты окружающей среды: сушу, атмосферу, воду Мирового океана - внедрилась в природные круговороты веществ. В результате этого нарушилось сложившееся в течение миллионов лет равновесие природных процессов на планете, химизация стала заметно отражаться на здоровье самого человека. Получилась ситуация, которую ученые обоснованно именуют химической войной против населения Земли. За последние 30-40 лет в этой войне пострадали сотни миллионов жителей планеты. Возникла в связи с этим самостоятельная ветвь экологической науки - химическая экология.

Основными источниками, загрязняющими  окружающую среду, кроме собственно химической промышленности, являются металлургия, автомобильный транспорт, тепловые электростанции. Они дают большой объем газообразных отходов, загрязняют водоемы рек и озер сточными водами, используемыми в  технологических целях. Газообразные отходы содержат оксиды углерода, серы, азота, соединения свинца, ртути, бензопирен, сероводород и другие вредные вещества. В связи со сжиганием топлива в больших объемах возникла проблема снижения концентрации кислорода и озона в атмосфере, получившая название «кислородного голодания».

К твердым отходам относятся  отходы горнодобывающей промышленности, строительный и бытовой мусор. Сточные  воды содержат многие неорганические соединения: ионы ртути, цинка, кадмия, меди, никеля и т.д. Пятая часть  вод Мирового океана загрязнена нефтью и нефтепродуктами. Значительный ущерб  водоемам вследствие вымывания удобрений  из почвы наносят загрязнения, связанные  с сельскохозяйственным производством; Вредные вещества из воздуха и  воды попадают в почву, в которой  накапливаются тяжелые металлы, радиоактивные элементы.

В организм человека вредные  вещества попадают через воздух, воду и пищу. Таким образом, человечество, пройдя ряд этапов развития - от огня до термоядерной бомбы - в начале XXI века оказалось в условиях, когда в очередной раз встал вопрос о его выживании. Угроза экологической катастрофы требует решительного пересмотра отношений современной «химической» цивилизации и природы в сторону оптимизаций этих отношений. Задача заключается в том, чтобы через новые технологии гармонизировать отношения «общество - природа» таким образом, чтобы компенсаторных возможностей окружающей среды было достаточно для нейтрализации антропогенных воздействий на нее.

Новые технологии по своим  параметрам должны приближаться к природным  процессам, отличаться от промышленных своей безотходностью или малоотходностью. В настоящее время наметились следующие пути решения сложных экологических проблем: комплексная переработка сырья; пересмотр традиционных процессов и схем получения известных продуктов; внедрение бессточных и замкнутых схем водопотребления; очистка выбрасываемых газов; использование промышленных комплексов с замкнутой структурой материальных и энергетических потоков. Проблема выживания человека в настоящее время оказалась усложненной проблемами геополитического, социального и чисто технического характера. Решение последних затруднено ввиду потребительского характера сложившейся цивилизации и эгоцентризма индустриально развитых стран. Однако, опираясь на идеи В.И. Вернадского о перерастании биосферы в ноосферу, можно говорить о неслучайности появления человека на Земле, о его предназначении в кризисной ситуации сыграть роль спасителя природы.

Экологические проблемы порождены  не только экономикой и техникой, но и нравственным состоянием человека. Вопрос состоит не только в том, чтобы  остановить процесс разрушения природы техническими средствами. Вопрос состоит в том, чтобы в корне изменить потребительское отношение человека к окружающему миру. Из сказанного вытекает, что место и роль химии в современной цивилизации должны рассматриваться системно, т.е. во всем многообразии отношений, существующих между обществом и природной средой в рамках критерия экологической безопасности. При этом неизбежно рассмотрение химии как активного элемента сложной системы «общество - природа», представляющего собой, в свою очередь, открытую систему со своей структурой и взаимообменом между веществом, энергией и информацией.

Способы размножения  живых систем: половое и бесполое размножение.

Бесполое размножение  организмов

Способность к размножению  — важнейшее свойство живых организмов. Древнейшим способом размножения на Земле было бесполое размножение. При  бесполом размножении одна или несколько  клеток тела родительской особи делятся. При этом образуются одна или несколько  дочерних особей, во всем схожих с родительской. Бесполое размножение у различных живых организмов может проходить по-разному. 
У бактерий перед размножением единственная хромосома удваивается, клетка удлиняется, и между расходящимися к ее полюсам хромосомами образуется перегородка — получаются две клетки (рис. 41). 
Многие простейшие и одноклеточные водоросли делятся митозом, образуя две клетки из одной, например амебы, некоторые инфузории, эвглена зеленая, хламидомонада. 
      Деление свойственно прежде всего одноклеточным организмам. Как правило, оно осуществляется путём простого деления клетки надвое. У некоторых простейших (например, фораминифер) происходит деление на большее число клеток. Во всех случаях образующиеся клетки полностью идентичны исходной. Крайняя простота этого способа размножения, связанная с относительной простотой организации одноклеточных организмов, позволяет размножаться очень быстро. Так, в благоприятных условиях количество бактерий может удваиваться каждые 30—60 минут. Размножающийся бесполым путём организм способен бесконечно воспроизводить себя, пока не произойдёт спонтанное изменение генетического материала — мутация. Если эта мутация благоприятна, она сохранится в потомстве мутировавшей клетки, которое будет представлять собой новый клеточный клон.