Предмет химии и ее связь с другими естественными науками
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:
Na2CO3 + 2HCl → 2NaCl + CO2 + H2O.
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.
| водяной пар лед вода |
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.