Естествознание. Межпредметные связи химии с другими дисциплинами Химия в системе естественных наук

Вещество - это то из чего состоят физические тела.

Веществ очень много, и все они отличаются по свойствам. Например, сахар и поваренная соль - твердые кристаллические вещества белого цвета, но они отличаются по вкусу и растворимости в воде; вода и ацетон - бесцветные жидкости, но вода не имеет запаха, а ацетон, который вам известен как хороший растворитель лаков и красок, обладает характерным запахом; кислород и водород - бесцветные газы, однако водород в 16 раз легче кислорода.

Одна из задач химии - научиться различать вещества по их физическим и химическим свойствам, а иногда и по физиологическому действию. Например, всем известное вещество - поваренную соль - можно охарактеризовать так: твердое вещество белого цвета, соленого вкуса, хрупкое, растворимое в воде, температура плавления 801°С, температура кипения 1465°С.

Другая задача химии - получение различных веществ, многих из которых в природе нет: пластмасс, некоторых минеральных удобрений (суперфосфата, аммиачной селитры), средства защиты растений, лекарств (аспирина, стрептоцида), моющих средств и т.д. Эти вещества получают путем различных химических превращений.

Связь химии с другими науками

Химия - одна из отраслей естествознания, она тесно связана как с другими науками, так и со всеми отраслями народного хозяйства.

Превращения одних веществ в другие сопровождаются различными физическими явлениями, например выделением или поглощением теплоты. Поэтому химикам необходимо знать физику.

Основой существования живой природы является обмен веществ. Ученый-биолог, не сведущий в законах химии, не сможет понять и объяснить этот процесс.

Химические знания необходимы и геологу. Используя их, он успешно будет проводить поиск полезных ископаемых. Врач, фармацевт, косметолог, металлург, кулинар, не имея соответствующей химической подготовки, не достигнут вершин мастерства.

Химия является точной наукой. Перед тем как осуществить химический эксперимен и после его завершения, ученый-химик проводит необходимые расчеты. Их результаты дают возможность сделать правильные выводы. Поэтому деятельность химика невозможна без знания математики.

Соприкосновение химии с другими науками порождает специфические области взаимного их проникновения. Так, области перехода между химией и физикой представлены физической химией и химической физикой. Между химией и биологией, химией и геологией возникли особые пограничные области - геохимия, биохимия, биогеохимия, молекулярная биология. Важнейшие законы химии формулируются на математическом языке, и теоретическая химия не может развиваться без математики. Химия оказывала и оказывает влияние на развитие философии и сама испытывала и испытывает её влияние.

Окружающая среда все больше загрязняется из-за внесения чрезмерного количества удобрений в почву, выделения выхлопных газов автомобилей в воздух, вредных веществ различных производств в водоемы, а также бытовыми отходами. Все это приводит к уничтожению растений, гибели животных, ухудшению здоровья людей. Серьезную угрозу для всего живого представляет химическое оружие - особые, чрезвычайно ядовитые вещества. Уничтожение запасов такого оружия требует немалых усилий, средств и времени.

Взаимосвязь человека и природы изучает молодая естественная наука экология. В поле зрения ученых-экологов постоянно находятся проблемы защиты окружающей среды от загрязнений. Сохранение природы для будущих поколений зависит от бережного отношения к ней каждого из нас, от уровня нашей культуры, химических знаний.

Возникновение химии как науки, основные этапы ее развития.

Зарождение химии связано с развитием химических процессов и ремесел, таких как выплавка металла, пивоварение, дубление кож и крашение, которые давали практические сведения о поведении веществ. Долог, поучителен и интересен путь ее развития.

К основным этапам в истории химической науки можно отнести:

1-й этап. С древних времен до конца XVIII века. Алхимический период, Работы Р.Бойля.

2-й этап. Химия как наука. Работы Ломоносова, Дальтона, Лавуазье.

3-й этап. XIX и. Атомо-молекулярная теория, формирование фундаментальных теоретических основ химии. Открытие Менделеевым Д.И. периодическою закона 1809 году.

4-й этап. Современный период успешного возрождения химии. Научные и практические исследования в области химии.

Химия играет огромную роль в жизни современного общества. Химия вторгается во все области науки, техники, производства, сельского хозяйства, быта, внося революционные преобразования в привычные процессы и методы, экономя труд, средства, время и материалы, увеличивая народное богатство. Сейчас особенно подтверждаются слова великого русского ученого М. В. Ломоносова: "Широко распростирает химия руки свои в дела человеческие".

В современном мире существуют тысячи самых разных наук, образовательных дисциплин, разделов и прочих структурных звеньев. Однако особое место среди всех занимают те, что касаются непосредственно человека и всего, что его окружает. Это система естественных наук. Конечно, все остальные дисциплины тоже важны. Но именно эта группа имеет самое древнее происхождение, а потому и особенное значение в жизни людей.

Что такое естественные науки?

Ответ на этот вопрос прост. Это такие дисциплины, которые занимаются изучением человека, его здоровья, а также всей окружающей среды: почвы, в целом, космоса, природы, веществ, составляющих все живые и неживые тела, их превращений.

Изучение естественных наук было интересно людям с древности. Как избавиться от болезни, из чего состоит тело изнутри, и что они собой представляют, а также миллионы подобных вопросов - это то, что интересовало человечество с самых истоков его возникновения. Ответы на них и дают рассматриваемые дисциплины.

Поэтому на вопрос о том, что такое естественные науки, ответ однозначен. Это дисциплины, которые изучают природу и все живое.

Классификация

Можно выделить несколько основных групп, которые относятся к естественным наукам:

Химические (аналитическая, органическая, неорганическая, квантовая, элементоорганических соединений).
Биологические (анатомия, физиология, ботаника, зоология, генетика).
химия, физико-математические науки).
Науки о Земле (астрономия, астрофизика, космология, астрохимия,
Науки о земных оболочках (гидрология, метеорология, минералогия, палеонтология, физическая география, геология).

Здесь представлены только основные естественные науки. Однако следует понимать, что каждая из них имеет свои подразделы, отрасли, побочные и дочерние дисциплины. И если объединить все их в единое целое, то можно получить целый естественный комплекс наук, исчисляемый сотнями единиц.

При этом его можно разделить на три большие группы дисциплин:

прикладные;
описательные;
точные.

Взаимодействие дисциплин между собой

Разумеется, ни одна дисциплина не может существовать изолированно от других. Все они находятся в тесном гармоничном взаимодействии друг с другом, формируя единый комплекс. Так, например, знания по биологии были бы невозможны без использования технических средств, сконструированных на основах физики.

При этом превращения внутри живых существ изучить невозможно без знаний по химии, ведь каждый организм - это целая фабрика реакций, происходящих с колоссальной скоростью.

Взаимосвязь естественных наук прослеживалась всегда. Исторически сложилось так, что развитие одной из них влекло за собой интенсивный рост и накопление знаний в другой. Как только стали осваиваться новые земли, открываться острова, участки суши, так сразу получили развитие и зоология, и ботаника. Ведь новые места обитания были заселены (пусть и не все) неизвестными ранее представителями рода человеческого. Таким образом, тесно связались воедино география и биология.

Если говорить об астрономии и смежных с ней дисциплинах, то невозможно не отметить тот факт, что развивались они благодаря научным открытиям в области физики, химии. Конструирование телескопа во многом определило успехи в данной области.

Подобных примеров можно привести массу. Все они иллюстрируют тесную взаимосвязь между всеми естественными дисциплинами, составляющими одну огромную группу. Ниже рассмотрим методы естественных наук.

Методы исследования

Прежде чем остановиться на методах исследования, которыми пользуются рассматриваемые науки, следует обозначить объекты их изучения. Ими являются:

человек;
жизнь;
Вселенная;
материя;
Земля.

Каждый из этих объектов имеет свои особенности, и для их изучения необходимо подбирать тот или иной метод. Среди таковых, как правило, выделяют следующие:

Наблюдение - один из самых простых, эффективных и древних способов познать мир.
Эксперимент - основа химических наук, большинства биологических и физических дисциплин. Позволяет получить результат и по нему сделать вывод о
Сравнение - данный метод основан на использовании исторически накопленных знаний по тому или иному вопросу и сравнении их с полученными результатами. На основании анализа делается вывод о новшестве, качестве и прочих характеристиках объекта.
Анализ. Данный метод может включать в себя математическое моделирование, систематику, обобщение, результативность. Чаще всего является итоговым после ряда других исследований.
Измерение - используется для оценки параметров конкретных объектов живой и неживой природы.

Также существуют самые последние, современные методы исследований, которые применяются в физике, химии, медицине, биохимии и генной инженерии, генетике и прочих важных науках. Это:

электронная и лазерная микроскопия;
центрифугирование;
биохимический анализ;
рентгено-структурный анализ;
спектрометрия;
хроматография и прочие.

Конечно, это далеко не полный список. Существует множество самых различных приспособлений для работы в каждой области научного знания. Ко всему необходим индивидуальный подход, а значит, формируется свой комплекс методик, подбирается аппаратура и оборудование.

Современные проблемы естествознания

Основные проблемы естественных наук на современном этапе развития - это поиск новой информации, накопление теоретической базы знаний в более углубленном, насыщенном формате. До начала XX века главной проблемой рассматриваемых дисциплин было противостояние гуманитарным отраслям.

Однако сегодня данное препятствие уже не актуально, поскольку человечество осознало важность междисциплинарной интеграции в овладевании знаниями о человеке, природе, космосе и прочих вещах.

Теперь перед дисциплинами естественнонаучного цикла стоит иная задача: как сохранить природу и оградить ее от воздействия самого человека и его хозяйственной деятельности? И проблемы здесь самые злободневные:

кислотные дожди;
парниковый эффект;
разрушение озонового слоя;
исчезновение видов растений и животных;
загрязнение атмосферы и прочие.

Биология

В большинстве случаев в ответ на вопрос "Что такое естественные науки?" в голову приходит сразу одно слово - биология. Такое мнение у большинства людей, не связанных с наукой. И это совершенно верное мнение. Ведь что, как не биология, напрямую и очень тесно связывает между собой природу и человека?

Все дисциплины, составляющие данную науку, нацелены на изучение живых систем, их взаимодействия между собой и с окружающей средой. Поэтому вполне нормально, что именно биологию считают основоположницей естественных наук.

Кроме того, она является еще и одной из самых древних. Ведь к себе, своему телу, окружающим растениям и животным зародился вместе с человеком. С этой же дисциплиной тесно связаны генетика, медицина, ботаника, зоология, анатомия. Все эти отрасли составляют биологию в целом. Они же дают нам полное представление и о природе, и о человеке, и обо всех живых системах и организмах.

Химия и физика

Эти основополагающие в развитии знаний о телах, веществах и природных явлениях науки являются не менее древними, чем биология. Они также развивались вместе с развитием человека, становлением его в социальной среде. Основными задачами данных наук является изучение всех тел неживой и живой природы с точки зрения протекающих в них процессов, их связи с окружающей средой.

Так, физика рассматривает природные явления, механизмы и причины их возникновения. Химия же базируется на знании веществ и их взаимопревращений друг в друга.

Вот что такое естественные науки.

Науки о Земле

И напоследок перечислим дисциплины, позволяющие узнать больше о нашем доме, имя которому - Земля. К таковым можно отнести:

геологию;
метеорологию;
климатологию;
геодезию;
гидрохимию;
картографию;
минералогию;
сейсмологию;
почвоведение;
палеонтологию;
тектонику и прочие.

Всего насчитывается около 35 различных дисциплин. Все вместе они изучают нашу планету, ее строение, свойства и особенности, что так необходимо для жизни людей и развития хозяйства.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Химия сегодня

Зарождение современной химии

Периодический закон

Особенности современной химии

Заключение

Химия сегодня

"Широко простирает химия руки свои в дела человеческие", - эта крылатая фраза Михаила Ломоносова в настоящее время особенно актуальна. Химия сегодня - это продукты и лекарства, горючее и одежда, удобрения и краски, анализ и синтез, организация производства и контроль качества его продукции, подготовка питьевой воды и обезвреживание стоков, экологический мониторинг и создание безопасной среды обитания человека. "Овладеть таким объемом знаний невозможно!" - воскликнет пессимист. "Ничего невозможного нет для человека, увлеченного своим делом,"-отвечаем мы. И если вы решили связать свою судьбу с химией, мы ждем вас на нашем факультете. Здесь вы получите фундаментальное университетское образование, которое позволит вам не только легко адаптироваться на любом рабочем месте, но и стать профессионалом своего дела.

Наряду с традиционными областями приложения сил специалистов-химиков все большее значение в жизни общества приобретает химическая экспертиза. Действительно, в настоящее время заметно возросло количество и многообразие объектов экспертизы: вода, воздух, почва, продукты питания и промышленные товары, лекарственные препараты и отходы различных предприятий, а также многое другое. Установление вида товара, факта и способа его фальсификации, контроль чистоты окружающей среды, криминалистическая экспертиза- вот далеко не полный перечень того, что должен уметь химик- эксперт. Результаты, получаемые специалистами-экспертами, являются мощным источником поисковой, диагностической и доказательной информации, что способствует установлению объективной истины при расследовании чрезвычайных происшествий, осуществлении экоаналитического, санитарно-эпидемиологического и таможенного контроля. Специалисты такого профиля необходимы органам внутренних дел и ФСБ, Минюсту, Минздраву, МЧС, таможенной службе, ведомствам с природоохранными функциями. Между тем специалистов такой направленности у нас в стране практически не готовят. Поэтому химический факультет нашего университета начинает подготовку специалистов в области химической экспертизы.

Каждый год на нашем факультете начинают студенческую жизнь 50 первокурсников, а всего на факультете учатся около 250 студентов. На младших курсах студенты изучают, помимо химических дисциплин, высшую математику, информатику, физику, социально-экономические дисциплины, иностранный язык.

После 3 курса студенты по собственному желанию выбирают кафедру, где получат соответствующую специализацию. На факультете имеются три кафедры. Кафедра аналитической химии и химии нефти, сокращенно АХН, (зав.кафедрой - профессор В.И. Вершинин) занимается проблемами охраны окружающей среды, помогает некоторым предприятиям нефтехимического комплекса решать производственные проблемы. Именно кафедра АХН, единственная в городе, начинает подготовку химиков в области химической экспертизы. На кафедре имеется аспирантура по специальностям "аналитическая химия" и "методика преподавания химии".

Кафедру неорганической химии возглавляет профессор В.Ф. Борбат. Здесь вас познакомят с проблемами защиты металлов от коррозии, очистки стоков от тяжелых металлов, научат различным электрохимическим методам анализа и еще многому другому. В итоге вы получите специализацию "электрохимия". Кроме того, кафедра начинает подготовку специалистов в области экологии и охраны окружающей среды, что так актуально для нашего города. Студенты, проявившие склонность к научной работе, могут продолжить ее на кафедре, поступив в аспирантуру по специальностям "физическая химия" и "электрохимия".

На кафедре органической химии, возглавляемой профессором Р.С. Сагитуллиным, ведут синтез новых органических соединений, занимаются разработкой принципиально новых способов получения лекарственных препаратов, красителей, антиокислителей и т.п. Студенты на этой кафедре получают специализацию "органическая химия". И так же, как на двух других кафедрах, здесь имеется аспирантура по специальности "органическая химия".

Кроме вышеперечисленных специализаций, студенты по желанию могут получить еще одну, дополнительную специализацию - "методика преподавания химии". Эта специализация будет особенно полезна тем студентам, которые по окончании университета решат заняться преподавательской работой в школах, техникумах, вузах.

Теоретические знания, полученные студентами на лекциях, закрепляются в учебных лабораториях. Факультет обладает достаточно большими учебными площадями, неплохим парком современных приборов, имеет свой компьютерный класс. Финалом обучения на факультете является дипломная работа.

Универсальность подготовки наших специалистов позволяет им быстро осваиваться на любом рабочем месте. Вы встретите выпускников химфака на промышленных предприятиях города, в лабораториях сертификации, СЭС, контроля окружающей среды, в вузах, техникумах, школах.

Мы надеемся встретить вас в числе абитуриентов нашего факультета. А если для вас еще не наступило время "Х", или вы еще не определились с выбором профессии, приходите к нам в Химическую школу, которая действует на базе факультета для учащихся 10-11-х классов. Здесь под руководством опытных преподавателей вы получите реальную возможность расширить и углубить свои знания по химии, познакомиться с основами анализа и синтеза, выполнить научную работу на современном оборудовании.

Современные экономические условия таковы, что предприятия, для того чтобы выдержать конкуренцию, должны постоянно совершенствовать свои технологии и формы контроля качества продукции, а для этого им просто необходимы высококвалифицированные специалисты-химики. При этом предприятие не должно загрязнять окружающую среду, ведь в противном случае придется платить огромные штрафы, поэтому лучше уж иметь в штате хороших химиков-аналитиков, которые бы следили за содержанием вредных веществ и контролировали их выбросы. Так что спрос на специалистов с университетским химическим образованием будет всегда. И постепенно станет в нашем городе и воздух чище, и вода светлее, и хлеб вкуснее.

Зарождение современной химии

Представления древнегреческих натурфилософов оставались основными идейными истоками естествознания вплоть до XVIII в. До начала эпохи Возрождения в науке господствовали представления Аристотеля. В дальнейшем стало расти влияние атомистических взглядов, впервые высказанных Левкиппом и Демокритом. Алхимические работы опирались преимущественно на натурфилософские взгляды Платона и Аристотеля. Большинство экспериментаторов того периода были откровенными шарлатанами, которые пытались с помощью примитивных химических реакций получить или золото, или философский камень - вещество дающее бессмертие. Однако были и настоящие ученые, которые пытались систематизировать знания. Среди них Авиценна, Парацельс, Роджер Бэкон др. Некоторые химики считают, что алхимия - это зря потерянное время. Однако это не так: в процессе поиска золота было открыто множество химических соединений и изучены их свойства. Благодаря этим знаниям в конце XVII века была создана первая серьезная химическая теория - теория флогистона.

Теория флогистона и система Лавуазье

Творец теории флогистона - Георг Шталь. Он считал, что флогистон содержится во всех горючих и способных к окислению веществах. Горение или окисление рассматривалось им как процесс, при котором тело теряет флогистон. Воздух играет при этом особо важную роль. Он необходим для окисления, чтобы “вбирать” в себя флогистон. Из воздуха флогистон попадает в листья растений и в их древесину, из которых при восстановлении он вновь освобождается и возвращается телу. Так впервые была сформулирована теория, описывающая процессы горения. Ее особенности и новизна состояли в том, что одновременно рассматривались во взаимосвязи процессы окисления и восстановления. Теория флогистона развивала идеи Бехера и атомистические представления. Она позволяла объяснить протекание различных процессов в ремесленной химии и, в первую очередь, в металлургии и оказала громадное влияние на развитие химических ремесел и совершенствование методов "экспериментального искусства" в химии. Теория флогистона способствовала и развитию учения об элементах. Приверженцы теории флогистона называли элементами оксиды металлов, рассматривая их как металлы, лишенные флогистона. Металлы же, напротив, считали соединениями элементов (оксидов металлов) с флогистоном. Потребовалось лишь поставить все положения этой теории “с головы на ноги”. Что и было сделано в дальнейшем. Для объяснения того, что масса оксидов больше чем масса металлов, Шталь предположил (а, вернее утверждал), что флогистон имеет отрицательный вес, т.е. флогистон соединившись с элементом “тянет” его вверх. Несмотря на одностороннюю, лишь качественную характеристику процессов, происходящих при горении, теория флогистона имела громадное значение для объяснения и систематизации именно этих превращений. На неверность флогистонной теории указывал Михаил Иванович Ломоносов. Однако экспериментально доказать это смог Антуан Лоран Лавуазье. Лавуазье заметил, что при горении фосфора и серы же, как и при прокаливании металлов, происходит увеличение веса вещества. Казалось бы естественным сделать: увеличение веса сжигаемого вещества происходит при всех процессах горения. Однако этот вывод настолько противоречил положениям теории флогистона, что нужна была недюжинная смелость, чтобы высказать его хотя бы в виде гипотезы. Лавуазье решил проверить высказанные ранее Бойлем, Реем, Мэйоу и Ломоносовым гипотезы о роли воздуха в процессах горения. Он интересовался тем, увеличивается ли количество воздуха, если в нем происходит восстановление окисленного тела и выделение благодаря этому дополнительного воздуха. Лавуазье удалось доказать, что действительно количество воздуха при этом возрастает. Это открытие Лавуазье назвал самым интересным со времени работ Шталя. Поэтому в ноябре 1772 г. Он направил в Парижскую Академию наук специальное сообщение о полученных им результатах. На следующем этапе исследований Лавуазье полагал выяснить, какова природа “воздуха”, соединяющегося с горючими телами при их окислении. Однако все попытки установить природу этого “воздуха” в 1772-1773 гг. Окончились безрезультатно. Дело в том, что Лавуазье, так же как и Шталь, восстанавливал “металлические извести” путем непосредственного контакта с “углеобразной материей” и тоже получал при этом диоксид углерода, состав которого он не мог тогда установить. Как считал Лавуазье, “уголь сыграл с ним злую шутку”. Однако, Лавуазье, как и многим другим химикам, не приходила мысль, что восстановление оксидов металлов можно осуществить нагреванием с помощью зажигательного стекла. Но вот осенью 1774 г. Джозеф Пристли сообщил, что при восстановлении окиси ртути с помощью зажигательного стекла образуется новый вид воздуха - “дефлогистированный воздух”. Незадолго до этого кислород был открыт Шееле, но сообщение об этом было опубликовано с большим запозданием. Шееле и Пристли объясняли наблюдаемое ими явление выделения кислорода с позиций флогистонной теории. Только Лавуазье смог использовать открытие кислорода в качестве главного аргумента против теории флогистона. Весной 1775 г. Лавуазье воспроизвел опыт Пристли. Он хотел получить кислород и проверить, был ли кислород тем компонентом воздуха, благодаря которому происходило горение или окисление металлов. Лавуазье удалось не только выделить кислород, но и вновь получить оксид ртути. Одновременно Лавуазье определял весовые отношения вступающих в эту реакцию веществ. Ученому удалось доказать, что отношения количества веществ, участвующих в реакциях окисления и восстановления, остаются неизменными. Работы Лавуазье произвели в химии, пожалуй, такую же революцию, как два с половиной века до открытия Коперника в астрономии. Вещества, которые раньше считались элементами, как показал Лавуазье, оказались соединениями, состоящими в свою очередь из сложных “элементов”. Открытия и воззрения Лавуазье оказали громадное влияние не только на развитие химической теории, но и на всю систему химических знаний. Они так преобразовали саму основу химических знаний и языка, что следующие поколения химиков, по существу, не могли понять даже терминологию, которой пользовались до Лавуазье. На этом основании в последствии стали считать, что о “подлинной” химии нельзя говорить до открытий Лавуазье. Преемственность химических исследований при этом была забыта. Только историки химии начали вновь воссоздавать действительно существовавшие закономерности развития химии. При этом было выяснено, что “химическая революция” Лавуазье была бы невозможна без существования до него определенного уровня химических знаний.

Развитие химических знаний Лавуазье увенчал созданием новой системы, в которую вошли важнейшие достижения химии прошлых веков. Эта система, правда, в значительно расширенном и исправленном виде, стала основой научной химии. В 80-х гг. XVIII в. Новая система Лавуазье получила признание у ведущих естествоиспытателей Франции - К.Бертолле, А. Де Фуркруа и Л. Гитона де Морво. Они поддержали новаторские идеи Лавуазье и совместно с ним разработали новую химическую номенклатуру и терминологию. В 1789 г. Лавуазье изложил основы разработанной им системы знаний в учебнике “Начальный курс химии, представленный в новом виде на основе новейших открытий”. Лавуазье разделял элементы на металлы и неметаллы, а соединения на двойные и тройные. Двойные соединения, образуемые металлами с кислородом, он относил к основаниям, а соединения неметаллов с кислородом - к кислотам. Тройные соединения, получающиеся при взаимодействии кислот и оснований, он называл солями. Система Лавуазье основывалась на точных качественных и количественных исследованиях. Этот довольно новый вид аргументации он использовал, изучая многие спорные проблемы химии - вопросы теории горения, проблемы взаимного превращения элементов, которые были весьма актуальны в период становления научной химии. Так, для проверки представления о возможности взаимного превращения элементов Лавуазье в течение нескольких дней нагревал воду в запаянной сосуде. В итоге он обнаружил в воде незначительное количество “земли”, установив при этом, что изменение общего веса сосуда вместе с водой не происходит. Образование “земель” Лавуазье объяснил не как результат их выделения из воды, а за счет разрушения стенок реакционного сосуда. Для ответа на этот вопрос шведский химик аптекарь К. Шееле в то же время использовал качественные методы доказательства, установив идентичность выделяющихся “земель” и материала сосуда. Лавуазье, как и Ломоносов, учитывал существовавшие с древности наблюдения о сохранении веса веществ и систематически изучал весовые соотношения веществ, участвующих в химической реакции. Он обратил внимание на то, что, например, при горении серы или при образовании ржавчины на железе происходит увеличение веса исходных веществ. Это противоречило теории флогистона, согласно которой при горении должен был выделяться гипотетический флогистон. Лавуазье счел ошибочным объяснение, согласно которому флогистон обладал отрицательным весом, и окончательно отказался от этой идеи. Другие химики, например М.В.Ломоносов или Дж. Мэйоу, пытались объяснить окисление элементов и образование оксидов металлов (или, как тогда говорили, “известей”) как процесс, при котором частицы воздуха соединяются с каким-либо веществом. Этот воздух может быть “оттянут обратно” путем восстановления. В 1772 г. Лавуазье собрал этот воздух, но не смог установить его природу. Первым об открытии кислорода сообщил Пристли. В 1775 г. Ему удалось доказать, что именно кислород соединяется с металлом и вновь выделяется из него при его восстановлении, как, например, при образовании “извести” ртути и ее восстановлении. Систематическим взвешиванием было установлено, что вес металла, участвующего в этих превращениях, не изменяется. Сегодня этот факт, казалось бы, убедительно доказывает справедливость предположений Лавуазье, а тогда большинство химиков отнеслись к нему скептически. Одной из причин такого отношения было то, что Лавуазье не мог объяснить процесс горения водорода. В 1783 г. он узнал, что, используя электрическую дугу, Кавендиш доказал образование воды при сжигании смеси водорода и кислорода в закрытом сосуде. Повторив этот опыт, Лавуазье нашел, что вес воды соответствует весу исходных веществ. Затем он провел эксперимент, в котором пропускал водяной пар через железные стружки, помещенные в сильно нагреваемую медную трубку. Кислород соединялся с железными стружками, а водород собирался на конце трубки. Таким образом, воспользовавшись превращениями веществ, Лавуазье сумел объяснить процесс горения и качественно, и количественно, и для этого ему уже не нужна была теория флогистона. Пристли же и Шееле, которые, открыв кислород, фактически создали основные предпосылки для появления кислородной теории Лавуазье, сами твердо придерживались позиций теории флогистона. Кавендиш, Пристли, Шееле и некоторые другие химики полагали, что расхождения между результатами опытов и положениями теории флогистона удастся устранить путем создания дополнительных гипотез. Надежность и полнота опытных данных, ясность аргументации и простота изложения способствовали быстрому распространению системы Лавуазье в Англии, Голландии, Германии, Швеции, Италии. В Германии представления Лавуазье были изложены в двух работах д-ра Гиртаннера “Новая химическая номенклатура на немецком языке” (1791 г.) и “Основы антифлогистонной химии” (1792 г.). Благодаря Гиртаннеру впервые появились немецкие обозначения веществ, соответствующие новой номенклатуре, например кислорода, водорода, азота. Работавший в Берлине Гермбштедт опубликовал в 1792 г. учебник Лавуазье в переводе на немецкий язык, а М. Клапрот после того, как он повторил опыты Лавуазье, признал, новое учение; взгляды Лавуазье разделял и знаменитый естествоиспытатель А. Гумбольдт.

В 1790-х годах в Германии не раз публиковались работы Лавуазье. Большинство известных химиков Англии, Голландии, Швеции, талии разделяли взгляды Лавуазье. Нередко в историко-научной литературе можно прочесть, что для признания теории Лавуазье химикам понадобилось достаточно много времени. Однако по сравнению с 200 годами непризнания астрономами взглядов Коперника 10-15-летний период дискуссий в химии не так уж велик. В последней трети XVIII в. одной из важнейших была проблема, которая многие века интересовала ученых: химики хотели понять, почему и в каких соотношениях соединяются вещества друг с другом. К этой проблеме проявляли интерес еще греческие философы, а во времена Возрождения ученые выдвигали идею о сродстве веществ и даже строили ряды веществ по сродству. Парацельс писал, что ртуть образует с металлами амальгамы, причем для разных металлов с различной скоростью ив такой последовательности: быстрее всего с золотом, затем с серебром, свинцом, оловом, медью и, наконец, медленнее всего с железом. Парацельс считал, что причиной этого ряда химического сродства является не только “ненависть” и “любовь” веществ друг к другу. В соответствии с его представлениями металлы содержат серу, и, чем меньше ее содержание, тем чище металлы, а чистота веществ в значительной мере определяет их сродство друг к другу. Г. Шталь объяснял ряд осаждения металлов как результат различного содержания в них флогистона. До последней трети XVIII в. многочисленные исследования были направлены на то, чтобы расположить вещества по величине их “сродства”, и многие химики составляли соответствующие таблицы. Для объяснения различного химического сродства веществ выдвигались и атомистические представления, а после того, как в конце XVIII - начале XIX вв. Ученые стали понимать влияние электричества на протекание некоторых химических процессов, для этой же цели пытались использовать и представления об электричестве. Основываясь на них, Берцелиус создал дуалистическую теорию состава веществ, в соответствии с, например, соли состоят из положительно и отрицательно заряженных “оснований” и “кислот”: при электролизе они притягиваются к противоположно заряженным электродам и могут распадаться при этом на элементы вследствие нейтрализации зарядов. Со второй половины XVIII в. особенно много внимания ученые стали уделять вопросу: в каких количественных соотношениях взаимодействуют друг с другом вещества в химических реакциях? Уже давно было известно, что кислоты и основания могут нейтрализовать друг друга. Предпринимались также попытки установить содержание кислот и оснований в солях. Т. Бергман и Р. Кирван нашли, что, например, в реакции двойного обмена между химически нейтральными сульфатом калия и нитратом натрия образуются новые соли - сульфат натрия и нитрат калия, которые тоже являются химически нейтральными. Но ни один из исследователей не сделал из этого наблюдения общего вывода. В 1767 г. Кавендиш обнаружил, что количество азотной и серной кислот, нейтрализующие одинаковые количества карбоната калия, нейтрализуют также одинаковое количество карбоната кальция. И.Рихтер первым сформулировал закон эквивалентов, объяснение которому было найдено позднее с позиций атомистической теории Дальтона.

Рихтер установил, что раствор, получающийся при смешивании растворов двух химически нейтральных солей, тоже нейтрален. Он провел многочисленные определения количеств оснований и кислот, которые, соединяясь, дают химически нейтральные соли. Рихтер сделал следующий вывод: если одно и то же количество какой-либо кислоты нейтрализуется различными, строго определенными количествами разных оснований, то эти количества оснований эквивалентны и нейтрализуются одним и тем же количеством другой кислоты. Выражаясь современным языком, если к раствору сульфата калия, например, добавить раствор нитрата бария до полного осаждения сульфата бария, то раствор, содержащий нитрат калия, тоже будет нейтрален:

K2SO4 + Ba(NO3)2 = 2KNO3 + BaSO4

Следовательно, при образовании нейтральной соли эквивалентны друг другу следующие количества: 2K, 1Ba, 1SO4 и 2NO3. Полинг обобщил и сформулировал в современном виде этот закон соединительных весов”: “Весовые количества двух элементов (или их целочисленные кратные), которые, реагируют с одним и тем же количеством третьего элемента, реагируют друг с другом в тех же количествах”. Вначале работы Рихтера почти не привлекли внимания исследователей, поскольку он пользовался еще терминологией флогистонной теории. Кроме того, полученные ученым ряды эквивалентных весов были недостаточно наглядны, а предложенный им выбор относительных количеств оснований не имел серьезных доказательств. Положение исправил Э.Фишер, который среди эквивалентных весов Рихтер выбрал в качестве эталона эквивалент серной кислоты, приняв его равным 100, и составил, исходя из этого, таблицу “относительных весов” (эквивалентов) соединений. Но о таблице эквивалентов Фишера стало известно лишь благодаря Бертолле, который, критикуя Фишера, привел эти данные в своей книге “Опыт химической статики” (1803 г.). Бертолле сомневался, что состав химических соединений постоянен. Он имел на это основание. Вещества, которые в начале XIX в. считались чистыми, на самом деле были либо смесями, либо равновесными системами различных веществ, а количественный состав химических соединений во многом зависел от количеств веществ, участвующих в реакциях их образования.

Некоторые историки химии считают, что, подобно Венцелю, Бертолле также предвосхитил основные положения закона действия масс, который аналитически выражал влияние количеств взаимодействующих на скорость превращения. Немецкий химик К. Венцель в 1777 г. показал, что скорость растворения металла в кислоте, измеряемая количеством металла, растворившегося за определенное время, пропорциональна “силе” кислоты. Бертолле сделал многое для учета влияния масс реагентов на ход превращения. Однако между работами Венцеля и даже Бертолле, с одной стороны, и точной формулировкой закона действия масс - с другой, существует качественное различие. Негативное отношение Бертолле к закону нейтрализации Рихтера не могло длиться долго, так как против положений Бертолле энергично выступил Пруст. Проделав в течение 1799-1807 гг. массу анализов, Пруст доказал, что Бертолле сделал свои выводы о различном составе одних и тех же веществ, анализируя смеси, а не индивидуальные вещества, что он, например, не учитывал содержания воды в некоторых оксидах. Пруст убедительно доказал постоянство состава чистых химических соединений и завершил свою борьбу против взглядов Бертолле установлением закона постоянства состава веществ: состав одних и тех же веществ независимо от способа получения одинаков (постоянен).

Периодический закон

Рассматривая историю химии я не могу не упамяуть об открытии периодического закона. Уже на ранних этапах развития химии было обнаружено, что различным элементам присущи особые свойства. Вначале элементы раз-деляли всего на два типа - металлы и неметаллы. В 1829 г. немецкий химик Иоганн Деберейнер обнаружил существование нескольких групп из трех элементов (триад) со сходными химическими свойствами. Деберейнер обнаружил всего 5 триад, это:

Это обнаружение свойств элементов побудило к дальнейшим исследованиям химиков, которые пытались найти рациональные способы классификации элементов.

В 1865 г. английский химик Джон Ньюлендс (1839-1898) заинтересовался проблемой периодической повторяемости свойств элементов. Он расположил из известных элементов в порядке возрастания их атомных масс следующим образом: H Li Be B C N O F Na Mg Al Si P S Cl K Ca Cr Ti Mn Fe

Ньюлендс заметил, что в этой последовательности восьмой элемент (фтор) напоминает первый (водород), девятый элемент напоминает второй и т.д. Тем самым через каждые восемь элементов свойства повторялись. Однако в этой системе элементов было много неверного:

1) В таблице не нашлось места новым элементам.

2) Таблица не открывала возможности научного подхода к определению атомных масс и не позволяла сделать выбор между их вероятными наилучшими значениями.

3) Некоторые элементы представлялись неудачно размещенными в таблице. Например железо сопоставлялось с серой (!) и т.д.

Несмотря на большое количество недостатков, попытка Ньюлендса явилась шагом в правильном направлении. Мы знаем, открытие периодического закона при-надлежит Дмитрию Ивановичу Менделееву. Давайте рассмотрим историю его открытия. В 1869 году Н.А. Меншуткин представил членам Русского химического общества небольшую работу Д.И.Менделеева “Соотношение свойств с атомным весом элементов”. (Сам Д.И.Менделеев на заседании не присутствовал.) На этом заседании работа Д.И.Менделеева не была воспринята всерьез. Пауль Вальден писал впоследствии: “Большие события слишком часто встречают незначительный отклик, и тот день, который должен был стать знаменательным днем для молодого Русского химического общества, а в действительности оказался будничным днем”. Д.И.Менделеев любил дерзкие идеи. Обнаруженная им закономерность гласила: химические и физические свойства элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от атомных весов элементов. Подобно своим предшественникам, Д.И.Менделеев выделил наиболее типичные элементы. Однако он предположил наличие пустот в таблице и осмелился утверждать, что они должны быть заполнены не открытыми еще элементами. В одно и тоже время с Менделеевым над этой же проблемой работал Лотарь Мейер, который опубликовал свою работу в 1870 году. Однако приоритет в открытии периодического заслуженно остается за Дмитрием Ивановичем Менделеевым, т.к. даже сам Л.Мейер не помышлял отрицать выдающуюся роль Д.И.Менделеева в открытии периодического закона. В своих воспоминаниях Л.Мейер указывал, что пользовался при написании своей работы рефератом статьи Д.И.Менделеева. В 1870 году Менделеев внес в таблицу некоторые изменения: как любая закономерность, в основе которой лежит bepm` идея, новая система оказалась жизнеспособной, поскольку в ней предусматривалась возможность уточнений. Как я уже говорил, гениальность теории Менделеева состояла в том, что он оставил пустоты в своей таблице. Тем самым он предположил (а точнее был уверен), что еще не все элементы открыты. Однако Дмитрий Иванович не остановился на достигнутом. С помощью периодического закона он даже описал химические и физические свойства еще не открытых химических элементов, например: галлия, германия, скандия, которые полностью подтвердились. После этого большинство ученых убедилось в правильности теории Д.И.Менделеева. В наше время периодический закон имеет огромное значение. С помощью его предсказывают свойства химических соединений, продукты реакций. С помощью периодического закона и в наше время предсказывают свойства элементов - это элементы которые нельзя получить в весомых количествах.

После работ Лавуазье, Пруста, Ломоносова и Менделеева, уже в нашем веке было сделано много важнейших открытий в области химии и физики. Это работы по термодинамике, строению атома и молекул, электрохимии, - этот список можно продолжить до бесконечности. Однако, открытия Лавуазье и Д.И.Менделеева остаются фундаментом химических знаний.

Особенности современной химии

Я разбил на разделы особенности современной химии, предлагаю их к вашему вниманию:

1) Атомно-молекулярная концепция, структурные и электронные представления - основа современной химии.

2) Широкое использование -- математики и компьютеров, -- сложных физических методов, -- классической и квантовой механики.

3) Особая роль теоретической химии, компьютерного моделирования и компьютерных экспериментов. Химия на бумаге. Химия на дисплее.

4) Доминирующая роль биохимических и экологических проблем.

Заключение

Представленный в настоящем реферат единообразный подход к строению весьма различных объектов облегчает совместное сравнительное обсуждение структуры упорядоченных и неупорядоченных фаз. Практическая важность такого обсуждения обусловлена тем, что если для кристаллических веществ рентгено-структурный анализ и другие дифракционные методы дают надежную структурную информацию, то для жидких кристаллов и тем более жидкостей точные сведения о структуре (в особенности о тотальной структуре) практически недоступны. Поэтому особое значение приобретает интерполяция кристаллоструктурной информации на другие фазовые состояния химических соединений.

Аналогичная ситуация возникает при распространении строгих математических подходов, разработанных в рамках кристаллографии, на объекты, не являющиеся кристаллами. В связи с этим Бернал и Карлайл ввели понятие "обобщенной кристаллографии". Позднее аналогичные соображения высказали Маккей и Финней . Сравнительный анализ структуры различных конденсированных фаз можно назвать "обобщенной кристаллохимией". Важную роль в этой области будет играть консерватизм структурных фрагментов (в частности, молекулярных ассоциатов и агломератов), о котором говорилось выше.

Список использованной литературы

1. Химический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия,1983.

2. Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия,1983.

3. Гордон А., Форд Р. Спутник химика. М.: Мир, 1976.

4. Афанасьев В.А., Заиков Г.Е. Физические методы в химии. М.: Наука,1984. (Серия "История науки и техники").

5. Драго Р. Физические методы в химии. Т. 1, 2. М.: Мир, 1981.

6. Вилков Л.В., Пентин Ю.А. Физические методы исследования в химии. Структурные методы и оптическая спектроскопия. М: Высшая школа, 1987.

7. Вилков Л.В., Пентин Ю.А. Физические методы исследования в химии. Резонансные и электрооптические методы. М.: Высшая школа, 1989.

8. Журнал Всесоюзного химического общества им. Д.И. Менделеева. 1985. Т. 30. N 2.

Подобные документы

Химический взгляд на природу, истоки и современное состояние. Предмет познания химической науки и ее структура. Взаимосвязь химии и физики. Взаимосвязь химии и биологии. Химия изучает качественное многообразие материальных носителей химических явлений.

реферат , добавлен 15.03.2004

Теория флогистона и система Лавуазье. Периодический закон. История современной химии как закономерный процесс смены способов решения ее основной проблемы. Различные подходы к самоорганизации вещества. Общая теория химической эволюции и биогенеза Руденко.

курсовая работа , добавлен 28.02.2011

Основные этапы развития химии. Алхимия как феномен средневековой культуры. Возникновение и развитие научной химии. Истоки химии. Лавуазье: революция в химии. Победа атомно-молекулярного учения. Зарождение современной химии и ее проблемы в XXI веке.

реферат , добавлен 20.11.2006

Теория флогистона и система Лавуазье. Творец теории флогистона - Георг Шталь. Он считал, что флогистон содержится во всех горючих и способных к окислению веществах. Периодический закон. Дмитрий Иванович Менделеев.

реферат , добавлен 05.04.2004

Зарождение химии в Древнем Египте. Учение Аристотеля об атомах как идейная основа эпохи алхимии. Развитие химии на Руси. Вклад Ломоносова, Бутлерова и Менделеева в развитие этой науки. Периодический закон химических элементов как стройная научная теория.

презентация , добавлен 04.10.2013

Процесс зарождения и формирования химии как науки. Химические элементы древности. Главные тайны "трансмутации". От алхимии к научной химии. Теория горения Лавуазье. Развитие корпускулярной теории. Революция в химии. Победа атомно-молекулярного учения.

реферат , добавлен 20.05.2014

Происхождение термина "химия". Основные периоды развития химической науки. Типы наивысшего развития алхимии. Период зарождения научной химии. Открытие основных законов химии. Системный подход в химии. Современный период развития химической науки.

реферат , добавлен 11.03.2009

Истоки и развитие химии, ее связь с религией и алхимией. Важнейшие особенности современной химии. Основные структурные уровни химии и ее разделы. Основные принципы и законы химии. Химическая связь и химическая кинетика. Учение о химических процессах.

реферат , добавлен 30.10.2009

История химии как науки. Родоночальники российской химии. М.В.Ломоносов. Математическая химия. Атомная теория - основа химической науки. Атомная теория просто и естественно объясняла любое химическое превращение.

реферат , добавлен 02.12.2002

От алхимии - к научной химии: путь действительной науки о превращениях вещества. Революция в химии и атомно-молекулярное учение как концептуальное основание современной химии.Экологические проблемы химической компоненты современной цивилизации.

Необходимость межпредметных связей в обучении бесспорна. Последовательное и систематическое их осуществление значительно усиливает эффективность учебно-воспитательного процесса, формирует диалектический способ мышления учащихся. К тому же межпредметные связи - непременное дидактическое условие развития у учеников интереса к знаниям основ наук, в том числе и естественных.

Вот что показал анализ уроков физики, химии и биологии: в большинстве случаев учителя ограничиваются лишь фрагментарным включением межпредметных связей (МПС). Иными словами, лишь напоминают факты, явления или закономерности из смежных предметов.

Учителя редко включают учащихся в самостоятельную работу по применению межпредметных знаний и умений при изучении программного материала, а также в процессе самостоятельного переноса ранее усвоенных знаний в новую ситуацию. Следствие - неумение ребят осуществлять перенос и синтез знаний из смежных предметов. Нет и преемственности в обучении. Так, учителя биологии непрерывно «забегают вперед», знакомя учащихся с различными физико-химическими процессами, протекающими в живых организмах, без опоры на физические и химические понятия, что мало способствует осознанному усвоению биологических знаний.

Общий анализ учебников позволяет отметить: многие факты и понятия излагаются в них неоднократно по разным дисциплинам, причем повторное их изложение практически мало чего прибавляет к знаниям учащихся. Более того, зачастую одно и то же понятие разными авторами интерпретируется по-разному, тем самым, затрудняя процесс их усвоения. Часто в учебниках используются малоизвестные учащимся термины, в них мало заданий межпредметного характера. Многие авторы почти не упоминают о том, что какие-то явления, понятия уже изучались в курсах смежных предметов, не указывают на то, что данные понятия будут более подробно рассмотрены при изучении другого предмета. Анализ ныне действующих программ по естественным дисциплинам позволяет сделать вывод о том, что межпредметным связям не уделяется должного внимания. Только в программах по общей биологии 10-11 классов (В.Б. Захаров); «Человек» (В.И. Сивоглазов) есть специальные разделы «Межпредметные связи» с указанием на физические и химические понятия, законы и теории, являющиеся фундаментом при формировании биологических понятий. В программах по физике и химии таких разделов нет, и учителям приходится самим устанавливать необходимые МПС. А это задачка многотрудная - координировать материал смежных предметов таким образом, чтобы обеспечить единство в интерпретации понятий.

Межпредметные связи физики, химии и биологии могли бы устанавливаться значительно чаще и эффективнее. Изучение процессов, протекающих на молекулярном уровне возможно только при условии привлечения знаний молекулярной биофизики, биохимии, биологической термодинамики, элементов кибернетики, взаимно дополняющих друг друга. Эта информация рассредоточена по курсам физики и химии, но только в курсе биологии появляется возможность рассмотреть сложные для учащихся вопросы, используя межпредметные связи. Кроме того, появляется возможность отработать понятия, общие для цикла естественных дисциплин, такие, как вещество, взаимодействие, энергия, дискретность и др.

При изучении основ цитологии межпредметные связи устанавливаются с элементами знаний биофизики, биохимии, биокибернетики. Так, например, клетка может быть представлена как механическая система, и в этом случае рассматриваются ее механические параметры: плотность, упругость, вязкость и т. д. Физико-химические характеристики клетки позволяют рассматривать ее как дисперсную систему, совокупность электролитов, полупроницаемых мембран. Без совмещения «таких образов» вряд ли можно сформировать понятие о клетке как сложной биологической системе. В разделе «Основы генетики и селекции» МПС устанавливаются между органической химией (белки, нуклеиновые кислоты) и физикой (основы молекулярно-кинетической теории, дискретность электрического заряда и др.).

Учитель должен заранее запланировать возможность осуществления как предшествующих, так и перспективных связей биологии с соответствующими разделами физики. Информация по механике (свойства тканей, движение, упругие свойства сосудов и сердца и т. д.) дает возможность рассматривать физиологические процессы; об электромагнитном поле биосферы - для объяснения физиологических функций организмов. Такое же значение имеют и многие вопросы биохимии. Изучение сложных биологических систем (биогеоценозы, биосфера) связано с необходимостью усвоения знаний о способах обмена информацией между отдельными особями (химической, оптической, звуковой), но для этого опять же необходимо использовать знания по физике и химии.

Использование межпредметных связей - одна из наиболее сложных методических задач учителя химии. Она требует знания содержания программ и учебников по другим предметам. Реализация межпредметных связей в практике обучения предполагает сотрудничество учителя химии с учителями других предметов.

Учитель химии разрабатывает индивидуальный план реализации межпредметных связей в курсе химии. Методика творческой работы учителя в этом плане проходит следующие этапы:

1. Изучение программы по химии, ее раздела «Межпредметные связи», программ и учебников по другим предметам, дополнительной научной, научно-популярной и методической литературы;
2. Поурочное планирование межпредметных связей с использованием курсовых и тематических планов;
3. Разработка средств и приемов реализации межпредметных связей на конкретных уроках (формулировка межпредметных познавательных задач, домашних заданий, подбор дополнительной литературы для учащихся, подготовка необходимых учебников и наглядных пособий по другим предметам, разработка методических приемов их использования);
4. Разработка методики подготовки и проведения комплексных форм организации обучения (обобщающих уроков с межпредметными связями, комплексных семинаров, экскурсий, занятий кружка, факультатива по межпредметным темам и т.д.);
5. Разработка приемов контроля и оценки результатов осуществления межпредметных связей в обучении (вопросы и задания на выявление умений учащихся устанавливать межпредметные связи).

Планирование межпредметных связей позволяет учителю успешно реализовать их методологические, образовательные, развивающие, воспитательные и конструктивные функции; предусмотреть всё разнообразие их видов на уроках, в домашней и внеклассной работе учащихся.

Для установления межпредметных связей необходимо осуществить отбор материалов, то есть определить те темы химии, которые тесно переплетаются с темами из курсов других предметов.

Курсовое планирование предполагает краткий анализ содержания каждой учебной темы курса с учетом внутрипредметных и межпредметных связей.

Для успешного осуществления межпредметных связей учитель химии, биологии и физики должен знать и уметь:

Когнитивный компонент

· содержание и структуру курсов смежных предметов;
· осуществлять согласование во времени изучения смежных предметов;
· теоретические основы проблемы МПС (виды классификаций МПС, способы их реализации, функции МПС, основные компоненты МПС и т. д.);
· обеспечивать преемственность в формировании общих понятий, изучении законов и теорий; использовать общие подходы к формированию умений и навыков учебного труда у учащихся, преемственности в их развитии;
· раскрывать взаимосвязи явлений различной природы, изучаемых смежными предметами;
· формулировать конкретные учебно-воспитательные задачи, исходя из целей МПС физики, химии, биологии;
· анализировать учебную информацию смежных дисциплин; уровень сформированности межпредметных знаний и умений у учащихся; эффективность применяемых методов обучения, форм учебных занятий, средств обучения на основе МПС.

Конструктивный компонент

· формировать систему целей и задач, способствующих реализации МПС;
· планировать учебно-воспитательную работу, направленную на реализацию МПС; выявлять воспитательные и развивающие возможности МПС;
· конструировать содержание межпредметных и интегративных уроков, комплексных семинаров и т.д. Предвидеть трудности и ошибки, которые могут возникнуть у учащихся при формировании межпредметных знаний и умений;
· конструировать методическое оснащение уроков, выбирать наиболее рациональные формы и методы обучения на основе МПС;
· планировать различные формы организации учебно-познавательной деятельности; конструировать дидактическое оснащение учебных занятий. Организационный компонент
· организовывать учебно-познавательную деятельность учащихся в зависимости от целей и задач, от их индивидуальных особенностей;
· формировать познавательный интерес учащихся к предметам естественного цикла на основе МПС;
· организовывать и руководить работой меж предметных кружков и факультативов; владеть навыками НОТ; методами управления деятельностью учащихся.

Коммуникативный компонент

· психологию общения; психолого-педагогические основы формирования межпредметных знаний и умений; психологические особенности учащихся;
· ориентироваться в психологических ситуациях в ученическом коллективе; устанавливать межличностные отношения в классе;
· устанавливать межличностные отношения с учителями смежных дисциплин в деятельности по совместной реализации МПС.

Ориентационный компонент

· теоретические основы деятельности по установлению МПС при изучении предметов естественного цикла;
· ориентироваться в учебном материале смежных дисциплин; в системе методов и форм обучения, способствующих успешной реализации МПС.

Мобилизационный компонент

· адаптировать педагогические технологии для реализации МПС физики, химии, биологии; предложить авторскую или подобрать наиболее адекватную методику формирования межпредметных знаний и умений в процессе обучения физике, химии, биологии;
· разработать авторскую или адаптировать традиционные методики решения задач межпредметного содержания;
· овладеть методикой проведения комплексных форм учебных занятий; уметь организовать самообразовательную деятельность по овладению технологией реализации МПС в обучении физике, химии и биологии.

Исследовательский компонент

· анализировать и обобщать опыт своей работы по реализации МПС; обобщать и внедрять опыт своих коллег; провести педагогический эксперимент, анализ своих результатов;
· организовать работу по методической теме МПС.

Данную профессиограмму можно рассматривать и как основу для построения процесса подготовки учителей физики, химии и биологии к деятельности по реализации МПС, и как критерий для оценки качества их подготовки.

Использование в изучении химии межпредметных связей позволяет с первого курса ознакомить студентов с предметами, которые они будут изучать на старших курсах: электротехника, менеджмент, экономика, материаловедение, детали машин, промышленная экология и т.д. Указывая на уроках химии, для чего и в каких предметах студентам пригодятся те или иные знания, педагог мотивирует запоминание материала не только на один урок, для получения оценки, но и изменяет личностные интересы студентов нехимических специальностей.

Взаимосвязь химии и физики

Наряду с процессами дифференциации самой химической науки, в настоящее время идут в интеграционные процессы химии с другими отраслями естествознания. Особенно интенсивно развиваются взаимосвязи между физикой и химией. Этот процесс сопровождается возникновением все новых и новых смежных физико-химических отраслей знания.

Вся история взаимодействия химии я физики полна примеров обмена идеями, объектами и методами исследования. На разных этапах своего развития физика снабжала химию понятиями и теоретическими концепциями, оказавшими сильное воздействие на развитие химии. При этом, чем больше усложнялись химические исследования, тем больше аппаратура и методы расчетов физики проникали в химию. Необходимость измерения тепловых эффектов реакции, развитие спектрального и рентгеноструктурного анализа, изучение изотопов и радиоактивных химических элементов, кристаллических решеток вещества, молекулярных структур потребовали создания и привели к использованию сложнейших физических приборов эспектроскопов, масс-спектрографов, дифракционных решеток, электронных микроскопов и т.д.

Развитие современной науки подтвердило глубокую связь между физикой и химией. Связь эта носит генетический характер, то есть образование атомов химических элементов, соединение их в молекулы вещества произошло на определенном этапе развития неорганического мира. Также эта связь основывается на общности строения конкретных видов материи, в том числе и молекул веществ, состоящих в конечном итоге из одних и тех же химических элементов, атомов и элементарных частиц. Возникновение химической формы движения в природе вызвало дальнейшее развитие представлений об электромагнитном взаимодействии, изучаемом физикой. На основе периодического закона ныне осуществляется прогресс не только в химии, но и в ядерной физике, на границе которой возникли такие смешанные физико-химические теории, как химия изотопов, радиационная химия.

Химия и физика изучают практически одни и те же объекты, но только каждая из них видит в этих объектах свою сторону, свой предмет изучения. Так, молекула является предметом изучения не только химии, но и молекулярной физики. Если первая изучает ее с точки зрения закономерностей образования, состава, химических свойств, связей, условий ее диссоциации на составляющие атомы, то последняя статистически изучает поведение масс молекул, обусловливающее тепловые явления, различные агрегатные состояния, переходы из газообразной в жидкую и твердую фазы и обратно, явления, не связанные с изменением состава молекул и их внутреннего химического строения. Сопровождение каждой химической реакции механическим перемещением масс молекул реагентов, выделение или поглощение тепла за счет разрыва или образования связей в новых молекулах убедительно свидетельствуют о тесной связи химических и физических явлений. Так, энергетика химических процессов тесно связана с законами термодинамики. Химические реакции, протекающие с выделением энергии обычно в виде тепла и света, называются экзотермическими. Существуют также эндотермические реакции, протекающие с поглощением энергии. Все сказанное не противоречит законам термодинамики: в случае горения энергия высвобождается одновременно с уменьшением внутренней энергии системы. В эндотермических реакциях идет повышение внутренней энергии системы за счет притока тепла. Измеряя количество энергии, выделяющейся при реакции (тепловой эффект химической реакции), можно судить об изменении внутренней энергии системы. Он измеряется в килоджоулях на моль (кДж/моль).

Еще один пример. Частным случаем первого начала термодинамики является закон Гесса. Он гласит, что тепловой эффект реакции зависит только от начального и конечного состояния веществ и не зависит от промежуточных стадий процесса. Закон Гесса позволяет вычислить тепловой эффект реакции в тех случаях, когда его непосредственное измерение почему-либо неосуществимо.

С возникновением теории относительности, квантовой механики и учения об элементарных частицах раскрылись еще более глубокие связи между физикой и химией. Оказалось, что разгадка объяснения существа свойств химических соединений, самого механизма превращения веществ лежит в строении атомов, в квантово-механических процессах его элементарных частиц и особенно электронов внешней оболочки, Именно новейшая физика сумела решить такие вопросы химии, как природа химической связи, особенности химического строения молекул органических и неорганических соединений и т.д.

В сфере соприкосновения физики и химии возник и успешно развивается такой сравнительно молодой раздел из числа основных разделов химии как физическая химия, которая оформилась в конце XIX в. в результате успешных попыток количественного изучения физических свойств химических веществ и смесей, теоретического объяснения молекулярных структур. Экспериментальной и теоретической базой для этого послужили работы Д.И. Менделеева (открытие Периодического закона), Вант-Гоффа (термодинамика химических процессов), С. Аррениуса (теория электролитической диссоциации) и т.д. Предметом ее изучения стали общетеоретические вопросы, касающиеся строения и свойств молекул химических соединений, процессов превращения веществ в связи с взаимной обусловленностью их физическими свойствами, изучение условий протекания химических реакций и совершающихся при этом физических явлений. Сейчас физхимия - это разносторонне разветвленная наука, тесно связывающая физику и химию.

В самой физической химии к настоящему времени выделились и вполне сложились в качестве самостоятельных разделов, обладающих своими особыми методами и объектами исследования, электрохимия, учение о растворах, фотохимия, кристаллохимия. В начале XX в. выделилась также в самостоятельную науку выросшая в недрах физической химии коллоидная химия. Со второй половины XX в. в связи с интенсивной разработкой проблем ядерной энергии возникли и получили большое развитие новейшие отрасли физической Химии - химия высоких энергий, радиационная химия (предметом ее изучения являются реакции, протекающие под действием ионизирующего излучения), химия изотопов.

Физическая химия рассматривается сейчас как наиболее широкий общетеоретический фундамент всей химической науки. Многие ее учения и теории имеют большое значение для развития неорганической и особенно органической химии. С возникновением физической химии изучение вещества стало осуществляться не только традиционными химическими методами исследования, не только с точки зрения его состава и свойств, но и со стороны структуры, термодинамики и кинетики химического процесса, а также со стороны связи и зависимости последнего от воздействия явлений, присущих другим формам движения (световое и радиационное облучение, световое и тепловое воздействие и т.д.).

Примечательно, что в первой половине XX в. сложилась пограничная между химией и новыми разделами физики (квантовая механика, электронная теория атомов и молекул) наука, которую стали позднее называть химической физикой. Она широко применила теоретические и экспериментальные методы новейшей физики к исследованию строения химических элементов и соединений и особенно механизма реакций. Химическая физика изучает взаимосвязь и взаимопереход химической и субатомной форм движения материи.

В иерархии основных наук, данной Ф. Энгельсом, химия непосредственно соседствует с физикой. Это соседство и обеспечило ту быстроту и глубину, с которой многие разделы физики плодотворно вклиниваются в химию. Химия граничит, с одной стороны, с макроскопической физикой - термодинамикой, физикой сплошных сред, а с другой - с микрофизикой - статической физикой, квантовой механикой.

Общеизвестно, сколь плодотворными эти контакты оказались для химии. Термодинамика породила химическую термодинамику - учение о химических равновесиях. Статическая физика легла в основу химической кинетики - учения о скоростях химических превращений. Квантовая механика вскрыла сущность Периодического закона Менделеева. Современная теория химического строения и реакционной способности - это квантовая химия, т.е. приложение принципов квантовой механики к исследованию молекул и «X превращений».

Еще одним свидетельством плодотворности влияния физики на химическую науку является все расширяющееся применение физических методов в химических исследованиях. Поразительный прогресс в этой области особенно отчетливо виден на примере спектроскопических методов. Еще совсем недавно из бесконечного диапазона электромагнитных излучений химики использовали лишь узкую область видимого и примыкающего к нему участков инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов. Открытие физиками явления магнитного резонансного поглощения привело к появлению спектроскопии ядерного магнитного резонанса, наиболее информативного современного аналитического метода и метода изучения электронного строения молекул, и спектроскопии электронного парамагнитного резонанса, уникального метода изучения нестабильных промежуточных частиц - свободных радикалов. В коротковолновой области электромагнитных излучений возникла рентгеновская и гамма-резонансная спектроскопия, обязанная своим появлением открытию Мессбауэра. Освоение синхротронного излучения открыло новые перспективы развития этого высокоэнергетического раздела спектроскопии.

Казалось бы, освоен весь электромагнитный диапазон, и в этой области трудно ждать дальнейшего прогресса. Однако появились лазеры - уникальные по своей спектральной интенсивности источники - и вместе с ними принципиально новые аналитические возможности. Среди них можно назвать лазерный магнитный резонанс - быстро развивающийся высокочувствительный метод регистрации радикалов в газе. Другая, поистине фантастическая возможность - это штучная регистрация атомов с помощью лазера - методика, основная на селективном возбуждении, позволяющая зарегистрировать в кювете всего несколько атомов посторонней примеси. Поразительные возможности для изучения механизмов радикальных реакций дало открытие явления химической поляризации ядер.

Сейчас трудно назвать область современной физики, которая бы прямо или косвенно не оказывала влияние на химию. Взять, например, далекую от мира молекул, построенного из ядер и электронов, физику нестабильных элементарных частиц. Может показаться удивительным, что на специальных международных конференциях обсуждается химическое поведение атомов, имеющих в своем составе позитрон или мюон, которые, в принципе, не могут дать устойчивых соединений. Однако уникальная информация о сверхбыстрых реакциях, Которую такие атомы позволяют получать, полностью оправдывает этот интерес.

Оглядываясь на историю взаимоотношений физики и химии, мы видим, что физика играла важную, подчас решающую роль в развитии теоретических концепций и методов исследования в химии. Степень признания этой роли можно оценить, просмотрев, например, список лауреатов Нобелевской премии по химии. Не менее трети в этом списке - авторы крупнейших достижений в области физической химии. Среди них - те, кто открыл радиоактивность и изотопы (Резерфорд, М. Кюри, Содди, Астон, Жолио-Кюри и др.), заложил основы квантовой химии (Полинг и Малликен) и современной химической кинетики (Хиншелвуд и Семенов), развил новые физические методы (Дебай, Гейеровский, Эйген, Норриш и Портер, Герцберг).

Наконец, следует иметь в виду и то решающее значение, которое начинает играть в развитии науки производительность труда ученого. Физические методы сыграли и продолжают играть в этом отношении в химии революционизирующую роль. Достаточно сравнить, например, время, которое затрачивал химик-органик на установление строения синтезированного соединения химическими средствами и которое он затрачивает теперь, владея арсеналом физических методов. Несомненно, что этот резерв применения достижений физики используется далеко не достаточно.

Подведем некоторые итоги. Мы видим, что физика во все большем масштабе, и все более плодотворно вторгается в химию. Физика вскрывает сущность качественных химических закономерностей, снабжает химию совершенными инструментами исследования. Растет относительный объем физической химии, и не видно причин, которые могут замедлить этот рост.

Взаимосвязь химии и биологии

Общеизвестно, что химия и биология долгое время шли каждая своим собственным путем, хотя давней мечтой химиков было создание в лабораторных условиях живого организма.

Резкое укрепление взаимосвязи химии с биологией произошло в результате создания А.М. Бутлеровым теория химического строения органических соединений. Руководствуясь этой теорией, химики-органики вступили в соревнование с природой. Последующие поколения химиков проявили большую изобретательность, труд, фантазию и творческий поисках направленном синтезе вещества. Их замыслом было не только подражать природе, они хотели превзойти ее. И сегодня мы можем уверенно заявить, что во многих случаях это удалось.

Поступательное развитие науки XIX в., приведшее к раскрытию структуры атома и детальному познанию строения и состава клетки, открыло перед химиками и биологами практические возможности совместной работы над химическими проблемами учения о клетке, над вопросами о характере химических процессов в живых тканях, об обусловленности биологических функций химическими реакциями.

Если посмотреть на обмен веществ в организме с чисто химической точки зрения, как это сделал А.И. Опарин, мы увидим совокупность большого числа сравнительно простых и однообразных химических реакций, которые сочетаются между собой во времени, протекают не случайно, а в строгой последовательности, в результате чего образуются длинные цепи реакций. И этот порядок закономерно направлен, к постоянному самосохранению и самовоспроизведению всей живой системы в целом в данных условиях окружающей среды.

Словом, такие специфические свойства живого, как рост, размножение, подвижность, возбудимость, способность реагировать на изменения внешней среды, связаны с определенными комплексами химических превращений.

Значение химии среди наук, изучающих жизнь, исключительно велико. Именно химией выявлена важнейшая роль хлорофилла как химической основы фотосинтеза, гемоглобина как основы процесса дыхания, установлена химическая природа передачи нервного возбуждения, определена структура нуклеиновых кислот и т.д. Но главное заключается в том, что объективно в самой основе биологических процессов, функций живого лежат химические механизмы. Все функции и процессы, происходящие в живом организме, оказывается возможным изложить на языке химии, в виде конкретных химических процессов.

Разумеется, было бы неверным сводить явления жизни к химическим процессам. Это было бы грубым механистическим упрощением. И ярким свидетельством этого выступает специфика химических процессов в живых системах по сравнению с неживыми. Изучение этой специфики раскрывает единство и взаимосвязь химической и биологической форм движения материи. Об этом же говорят и другие науки, возникшие на стыке биологии, химии и физики: биохимия - наука об обмене веществ и химических процессов в живых организмах; биоорганическая химия - наука о строении, функциях и путях синтеза соединений, составляющих живые организмы; физико-химическая биология как наука о функционировании сложных систем передачи информации и регулировании биологических процессов на молекулярном уровне, а также биофизика, биофизическая химия и радиационная биология.

Крупнейшими достижениями этого процесса стали определение химических продуктов клеточного метаболизма (обмена веществ в растениях, животных, микроорганизмах), установление биологических путей и циклов биосинтеза этих продуктов; был реализован их искусственный синтез, сделано открытие материальных основ регулятивного и наследственного молекулярного механизма, а также в значительной степени выяснено значение химических процессов» энергетике процессов клетки и вообще живых организмов.

Ныне для химии особенно важным становится применение биологических принципов, в которых сконцентрирован опыт приспособления живых организмов к условиям Земли в течение многих миллионов лет, опыт создания наиболее совершенных механизмов и процессов. На этом пути есть уже определенные достижения.

Более столетия назад ученые поняли, что основой исключительной эффективности биологических процессов является биокатализ. Поэтому химики ставят своей целью создать новую химию, основанную на каталитическом опыте живой природы. В ней появится новое управление химическими процессами, где начнут применяться принципы, синтеза себе подобных молекул, по принципу ферментов будут созданы катализаторы с таким разнообразием качеств, которые далеко превзойдут существующие в нашей промышленности.

Несмотря на то, что ферменты обладают общими свойствами, присущими всем катализаторам, тем не менее, они не тождественны последним, поскольку функционируют в рамках живых систем. Поэтому все попытки использовать опыт живой природы для ускорения химических процессов в неорганическом мире сталкиваются с серьезными ограничениями. Пока речь может идти только о моделировании некоторых функций ферментов и использовании этих моделей для теоретического анализа деятельности живых систем, а также частично-практического применения выделенных ферментов для ускорения некоторых химических реакций.

Здесь самым перспективным направлением, очевидно, являются исследования, ориентированные на применение принципов биокатализа в химии и химической технологии, для чего нужно изучить весь каталитический опыт живой природы, в том числе и опыт формирования самого фермента, клетки и даже организма.

Теория саморазвития элементарных открытых каталитических систем, в самом общем виде выдвинутая профессором МГУ А.П. Руденко в 1964 г., является общей теорией химической эволюции и биогенеза. Она решает вопросы о движущих силах и механизмах эволюционного процесса, то есть о законах химической эволюции, об отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, о высоте химической организации и иерархии химических систем как следствии эволюции.

Теоретическим ядром этой теории является положение о том, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем и, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы. В ходе реакции происходит естественный отбор тех каталитических центров, которые обладают наибольшей активностью. Саморазвитие, самоорганизация и самоусложнение каталитических систем происходит за счет постоянного притока трансформируемой энергии. А так как основным источником энергии является базисная реакция, то максимальные эволюционные преимущества получают каталитические системы, развивающиеся на базе экзотермических реакций. Отсюда базисная реакция является не только источником энергии, но и орудием отбора наиболее прогрессивных эволюционных изменений катализаторов.

Развивая эти взгляды, А.П. Руденко сформулировал основной закон химической эволюции, согласно которому с наибольшей скоростью и вероятностью образуются те пути эволюционных изменений катализатора, на которых происходит максимальное увеличение его абсолютной активности.

Практическим следствием теории саморазвития открытых каталитических систем является так называемая «нестационарная технология», то есть технология с меняющимися условиями реакции. Сегодня исследователи приходят к выводу, что стационарный режим, надежная стабилизация которого казалась залогом высокой эффективности промышленного процесса, является лишь частным случаем нестационарного режима. При этом обнаружено множество нестационарных режимов, способствующих интенсификации реакции.

В настоящее время уже видны перспективы возникновения и развития новой химии, на основе которой будут созданы малоотходные, безотходные и энергосберегающие промышленные технологии.

Сегодня химики пришли к выводу, что, используя те же принципы, на которых построена химия организмов, в будущем (не повторяя в точности природу) можно будет построить принципиально новую химию, новое управление химическими, процессами, где начнут применяться принципы синтеза себе подобных молекул. Предвидится создание преобразователей, использующих с большим КПД солнечный свет, превращая его в химическую и электрическую энергию, а также химическую энергию в свет большой интенсивности.

Заключение

Современная химия представлена множеством различных направлений развития знаний о природе вещества и способах его преобразования. В то же время химия является не просто суммой знаний о веществах, а высоко упорядоченной, постоянно развивающейся системой знаний, имеющей свое место в ряду других естественных наук.

Химия изучает качественное многообразие материальных носителей химических явлений, химической формы движения материи. Хотя структурно она пересекается в определенных областях и с физикой, и с биологией, и с другими естественными науками, но сохраняет при этом свою специфику.

Одним из наиболее существенных объективных оснований выделения химии в качестве самостоятельной естественнонаучной дисциплины является признание специфичности химизма взаимоотношения веществ, проявляющегося, прежде всего, в комплексе сил и различных типов взаимодействий, обусловливающих существование двух и многоатомных соединений. Этот комплекс принято характеризовать как химическую связь, возникающую либо разрывающуюся в ходе взаимодействия частиц атомного уровня организации материи. Для возникновения химической связи характерно значительное перераспределение электронной плотности по сравнению с простым положением электронной плотности несвязанных атомов или атомных фрагментов, сближенных на расстояние связи. Эта особенность наиболее точно отделяет химическую связь от разного рода проявлений межмолекулярных взаимодействий.

Происходящее ныне неуклонное возрастание в рамках естествознания роли химии как науки сопровождается быстрым развитием фундаментальных, комплексных и прикладных исследований, ускоренной разработкой новых материалов с заданными свойствами и новых процессов в области технологии производства и переработки веществ.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Размещено на http://www.allbest.ru/

План

1. Естествознание как наука о Природе. Базовые науки естествознания и их взаимосвязь

2. Квантовая физика и ее основные принципы. Мир частиц и античастиц

3. Механика. Основные законы классической механики

1. Естествознание как наука о Природе. Базовые науки естествознания и их взаимосвязь

Естествознание наука о природе . В современном мире естествознание представляет систему наук о природе, или так называемых естественных наук, взятых во взаимной связи и опирающихся, как правило, на математические способы описания объектов исследования.

Естествознание:

Одна из трех основных областей научного знания о природе, обществе и мышлении;

Является теоретической основой промышленной и сельскохозяйственной техники и медицины

Является естественнонаучным фундаментом картины мира.

Являясь фундаментом формирования научной картины мира, естествознание представляет собой определенную систему взглядов на то или иное понимание естественных явлений или процессов. И если такая система взглядов принимает единый, определяющий характер, то она, как правило, называется концепцией. С течением времени появляются новые эмпирические факты и обобщения и система взглядов на понимание процессов изменяется, появляются новые концепции.

Если рассматривать предметную область естествознания предельно широко, то она включает:

Различные формы движения материи в природе;

Их материальные носители, которые образуют "лестницу" уровней структурной организации материи;

Их взаимосвязь, внутреннюю структуру и генезис.

Но так было не всегда. Проблемы устройства, происхождения организации всего, что есть во Вселенной (Космосе), в 4-6 веках относились к "физике". А Аристотель называл тех, кто занимался этими проблемами, просто "физиками" или "физиологами", т.к. древнегреческое слово "физика" равно слову "природа".

В современном естествознании природа рассматривается не абстрактно, вне деятельности человека, а конкретно, как находящаяся под воздействием человека, т.к. ее познание достигается не только умозрительной, теоретической, но и практической производственной деятельностью людей.

Таким образом, естествознание как отражение природы в человеческом сознании совершенствуется в процессе ее активного преобразования в интересах общества.

Из этого вытекают и цели естествознания:

Выявление сущности явлений природы, их законов и на этой основе предвидение или создание новых явлений;

Умение использовать на практике познанные законы, силы и вещества природы.

Отсюда следует, что если общество заинтересовано в подготовке высококвалифицированных специалистов, способных продуктивно использовать свои знания, то цель изучения концепций современного естествознания - это не изучение физики, химии, биологии и т.п., а выявление тех скрытых связей, которые создают органическое единство физических, химических, биологических явлений.

К естественным наукам относятся:

Науки о космосе, его строении и эволюции (астрономия, космология, астрофизика, космохимия и т.д.);

Физические науки (физика) - науки о наиболее глубоких законах природных объектов и в то же время - о наиболее простых формах их изменений;

Химические науки (химия) - науки о веществах и их превращениях

Биологические науки (биология) - науки о жизни;

Науки о Земле (геономия) - сюда относится: геология (наука о строении земной коры), география (наука о размерах и формах участков земной поверхности) и др.

Перечисленные науки не исчерпывают всего естествознания, т.к. человек и человеческое общество от природы неотделимы, являются его частью.

Стремление человека к познанию окружающего мира выражается в различных формах, способах и направлениях его исследовательской деятельности. Каждая из основных частей объективного мира - природа, общество и человек - изучается своими отдельными науками. Совокупность научных знаний о природе формируется естествознанием, т. е. знанием о природе ("естество" - природа - и "знание").

Естествознание - совокупность наук о природе, имеющих предметом своих исследований различные явления и процессы природы, закономерности их эволюции. Кроме того, естествознание является отдельной самостоятельной наукой о природе, как едином целом. Оно позволяет изучить любой объект окружающего нас мира более глубоко, чем это может сделать какая-либо одна из естественных наук. Поэтому естествознание, наряду с науками об обществе и мышлении, - важнейшая часть человеческого знания. Оно включает в себя как деятельность по получению знания, так и ее результаты, т. е. систему научных знаний о природных процессах и явлениях.

Спецификой предмета естествознания является то, что оно исследует одни и те же природные явления сразу с позиций нескольких наук, выявляя наиболее общие закономерности и тенденции, рассматривая Природу как бы сверху. Только так можно представить Природу как единую целостную систему, выявить те основания, на которых строится все разнообразие предметов и явлений окружающего мира. Итогом таких исследований становится формулировка основных законов, связывающих микро-, макро- и мегамиры, Землю и Космос, физические и химические явления с жизнью и разумом во Вселенной. Главная задача настоящего курса - осознание Природы как единой целостности, поиск более глубоких взаимоотношений между физическими, химическими и биологическими явлениями, а также выявление скрытых связей, создающих органическое единство этих явлений.

Структура естествознания представляет собой сложную разветвленную систему знаний, все части которой находятся в отношении иерархической соподчиненности. Это означает, что систему естественных наук можно представить в виде своеобразной лестницы, каждая ступенька которой является фундаментом для следующей за ней науки, и в свою очередь основывается на данных предшествующей науки.

Так, основа, фундамент всех естественных наук - физика, предметом которой являются тела, их движения, превращения и формы проявления на различных уровнях.

Следующая ступень иерархии - химия, изучающая химические элементы, их свойства, превращения и соединения.

В свою очередь химия лежит в основе биологии - науки о живом, изучающей клетку и все от нее производное. В основе биологии - знания о веществе, химических элементах.

Науки о Земле (геология, география, экология и др.) - следующая степень структуры естествознания. Они рассматривают строение и развитие нашей планеты, представляющей собой сложнейшее сочетание физических, химических и биологических явлений и процессов.

Завершает эту грандиозную пирамиду знаний о Природе космология, изучающая Вселенную как целое. Частью этих знаний являются астрономия и космогония, изучающие строение и происхождение планет, звезд, галактик и т. д. На этом уровне происходит новое возвращение к физике. Это позволяет говорить о циклическом, замкнутом характере естествознания, что, очевидно, отражает одно из важнейших свойств самой Природы.

В науке идут сложнейшие процессы дифференциации и интеграции научного знания. Дифференциация науки - это выделение внутри какой-либо науки более узких, частных областей исследования, превращение их в самостоятельные науки. Так, внутри физики выделились физика твердого тела, физика плазмы.

Интеграция науки - это появление новых наук на стыках старых, проявление процессов объединения научного знания. Примером такого рода наук являются: физическая химия, химическая физика, биофизика, биохимия, геохимия, биогеохимия, астробиология и др.

Естествознание - совокупность наук о природе, имеющих предметом своих исследований различные явления и процессы природы, закономерности их эволюции.

Метафизика (греч. meta ta physika - после физики) - философское учение о сверхчувствительных (недоступных опыту) принципах бытия.

Натурфилософия - умозрительное истолкование природы, восприятие ее как единого целого.

Системный подход - представление о мире как о совокупности разноуровневых систем, связанных отношениями иерархической соподчиненности.

2. Квантовая физика и ее основные пр инципы. Мир частиц и античастиц

В 1900г. немецкий физик М. Планк своими исследованиями продемонстрировал, что излучение энергии происходит дискретно, определенными порциями - квантами, энергия которых зависит от частоты световой волны. Теория М. Планка не нуждалась в концепции эфира и преодолевала противоречия и трудности электродинамики Дж. Максвелла. Эксперименты М. Планка привели к признанию двойственного характера света, который обладает одновременно корпускулярными и волновыми свойствами. Понятно, что такой вывод был несовместим с представлениями классической физики. Теория М. Планка положила начало новой квантовой физики, которая описывает процессы, протекающие в микромире.

Опираясь на идеи М. Планка, А. Эйнштейн предложил фотонную теорию света, согласно которой свет есть поток движущихся квантов. Квантовая теория света (фотонная теория) рассматривает свет как волну с прерывистой структурой. Свет есть поток неделимых световых квантов - фотонов. Гипотеза А. Эйнштейна позволила объяснить явление фотоэффекта - выбивания электронов из вещества под действием электромагнитных волн. Стало ясно, что электрон выбивается фотоном лишь в том случае, если энергия фотона достаточна для преодоления силы взаимодействия электронов с атомным ядром. В 1922 г. за создание квантовой теории света А. Эйнштейн получил Нобелевскую премию.

Объяснение процесса фотоэффекта опиралось, помимо квантовой гипотезы М. Планка, также на новые представления о строении атома. В 1911г. английский физик Э. Резерфорд предложил планетарную модель атома. Модель представляла собой атом как положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны. Возникающая при движении электронов по орбитам сила уравновешивается притяжением между положительно заряженным ядром и отрицательно заряженными электронами. Общий заряд атома равен нулю, поскольку заряды ядра и электронов равны друг другу. Почти вся масса атома сосредоточена в его ядре, а масса электронов ничтожно мала. С помощью планетарной модели атома было объяснено явление отклонения альфа-частиц при прохождении через атом. Поскольку размеры атома велики по сравнению с размерами электронов и ядра, альфа-частица без препятствий проходит через него. Отклонение наблюдается только тогда, когда альфа-частица проходит близко от ядра, в этом случае электрическое отталкивание вызывает ее резкое отклонение от первоначального пути. В 1913г. датский физик Н. Бор предложил более совершенную модель атома, дополнив идеи Э. Резерфорда новыми гипотезами. Постулаты Н. Бора звучали следующим образом:

1. Постулат стационарных состояний. Электрон совершает в атоме устойчивые орбитальные движения по стационарным орбитам, не испуская и не поглощая энергии.

2. Правило частот. Электрон способен переходить с одной стационарной орбиты на другую, при этом испуская или поглощая энергию. Поскольку энергии орбит дискретны и постоянны, то при переходе с одной из них на другую всегда испускается или поглощается определенная порция энергии.

Первый постулат позволил ответить на вопрос: почему электроны при движении по круговым орбитам вокруг ядра не падают на него, т.е. почему атом остается устойчивым образованием?

Второй постулат объяснил прерывность спектра излучения электрона. Квантовые постулаты Н. Бора означали отказ от классических физических представлений, которые до этого времени считались абсолютно истинными.

Несмотря на быстрое признание, теория Н. Бора все же не давала ответов на многие вопросы. В частности, ученым не удавалось точно описать многоэлектронные атомы. Выяснилось, что это связано с волновой природой электронов, представлять которые в виде твердых частиц, движущихся по определенным орбитам, ошибочно.

В действительности состояния электрона могут меняться. Н. Бор предположил, что микрочастицы не являются ни волной, ни корпускулой. При одном типе измерительных приборов они ведут себя как непрерывное поле, при другом - как дискретные материальные частицы. Выяснилось, что представление о точных орбитах движения электронов также ошибочно. Вследствие своей волновой природы электроны скорее "размазаны" по атому, причем весьма неравномерно. В определенных точках плотность их заряда достигает максимума. Кривая, связывающая точки максимальной плотности заряда электрона, и представляет собой его "орбиту".

В 20-30-е гг. В. Гейзенберг и Л. де Бройль заложили основы новой теории - квантовой механики. В 1924г. в работе "Свет и материя"

Л. де Бройль высказал предположение об универсальности корпускулярно-волнового дуализма, согласно которому все микрообъекты могут вести себя и как волны, и как частицы. На основе уже установленной дуальной (корпускулярной и волновой) природы света он высказал идею о волновых свойствах любых материальных частиц. Так, например, электрон ведет себя как частица, когда движется в электромагнитном поле, и как волна, когда проходит сквозь кристалл. Эта идея получила название корпускулярно-волнового дуализма. Принцип корпускулярно-волнового дуализма устанавливает единство дискретности и непрерывности материи.

В 1926г. Э. Шредингер на основе идей Л. де Бройля построил волновую механику. По его мнению, квантовые процессы - это волновые процессы, поэтому классический образ материальной точки, занимающей определенное место в пространстве, адекватен только макропроцессам и совершенно неверен для микромира. В микромире частица существует одновременно и как волна, и как корпускула. В квантовой механике электрон можно представить как волну, длина которой зависит от ее скорости. Уравнение Э. Шредингера описывает движение микрочастиц в силовых полях и учитывает их волновые свойства.

На основе этих представлений в 1927г. был сформулирован принцип дополнительности, по которому волновые и корпускулярные описания процессов в микромире не исключают, а взаимно дополняют друг друга, и только в единстве дают полное описание. При точном измерении одной из дополнительных величин другая претерпевает неконтролируемое изменение. Понятия частицы и волны не только дополняют друг друга, но и в то же время противоречат друг другу. Они являются дополняющими картинами происходящего. Утверждение корпускулярно-волнового дуализма стало основой квантовой физики.

В 1927г. немецкий физик В. Гейзенберг пришел к выводу о невозможности одновременного, точного измерения координаты частицы и ее импульса, зависящего от скорости, эти величины мы можем определить только с определенной степенью вероятности. В классической физике предполагается, что координаты движущегося объекта можно определить с абсолютной точностью. Квантовая механика существенно ограничивает эту возможность. В. Гейзенберг в работе "Физика атомного ядра" изложил свои идеи.

Вывод В. Гейзенберга получил название принципа соотношения неопределенностей, который лежит в основе физической интерпретации квантовой механики. Его суть в следующем: невозможно одновременно иметь точные значения разных физических характеристик микрочастицы - координаты и импульса. Если мы получаем точное значение одной величины, то другая остается полностью неопределенной, существуют принципиальные ограничения на измерение физических величин, характеризующих поведение микрообъекте.

Таким образом, заключил В. Гейзенберг, реальность различается в зависимости от того, наблюдаем мы ее или нет. "Квантовая теория уже не допускает вполне объективного описания природы", - писал он. Измерительный прибор влияет на результаты измерения, т.е. в научном эксперименте влияние человека оказывается неустранимым. В ситуации эксперимента мы сталкиваемся с субъект-объектным единством измерительного прибора и изучаемой реальности.

Важно отметить, что это обстоятельство не связано с несовершенством измерительных приборов, а является следствием объективных, корпускулярно-волновых свойств микрообъектов. Как утверждал физик М. Борн, волны и частицы - это только "проекции" физической реальности на экспериментальную ситуацию.

Два фундаментальных принципа квантовой физики - принцип соотношения неопределенностей и принцип дополнительности - указывают на то, что наука отказывается от описания только динамических закономерностей. Законы квантовой физики - статистические. Как пишет В. Гейзенберг, "в экспериментах с атомными процессами мы имеем дело с вещами и фактами, которые столь же реальны, сколь реальны любые явления повседневной жизни. Но атомы или элементарные частицы реальны не в такой степени. Они образуют скорее мир тенденций или возможностей, чем мир вещей и фактов". В дальнейшем квантовая теория стала базой для ядерной физики, а в 1928г. П. Дирак заложил основы релятивистской квантовой механики.

3. Механика. Основн ые законы классической механики

естествознание наука механика квантовый

Классическая механика - физическая теория, устанавливающая законы движения макроскопических тел со скоростями, значительно меньшими скорости света в вакууме.

Классическая механика подразделяется на:

Статику (которая рассматривает равновесие тел)

Кинематику (которая изучает геометрическое свойство движения без рассмотрения его причин)

Динамику (которая рассматривает движение тел).

Основу классической механики составляют три закона Ньютона:

Первый закон Ньютона постулирует существование особых систем отсчета, называемых интерциальными, в которых любое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока на него не действуют силы со стороны других тел (закон инерции).

Второй закон Ньютона утверждает, что в инерциальных системах отсчета ускорение любого тела пропорционально сумме действующих на него сил и обратно пропорционально массе тела (F = ma).

Третий закон Ньютона гласит, что при взаимодействии любых двух тел, они испытывают друг со стороны друга силы, одинаковые по величине и противоположные по направлению (действие равно противодействию).

Чтобы на базе этих основных законов Ньютоновой механики рассчитывать движение физических тел, их необходимо дополнить описанием сил, возникающих между телами при различных способах взаимодействия. В современной физике рассматривается множество различных сил: гравитации, трения, давления, натяжения, Архимеда, подъемная сила, Кулона (электростатическая), Лоренца (магнитная) и др. Все эти силы зависят от взаимного расположения и скорости взаимодействующих тел.

Классическая механика - вид механики (раздела физики, изучающей законы изменения положений тел и причины, это вызывающие), основанный на 3 законах Ньютона и принципе относительности Галилея. Поэтому её часто называют "Ньютоновской механикой". Важное место в классической механике занимает существование инерциальных систем. Классическая механика подразделяется на статику (которая рассматривает равновесие тел) и динамику (которая рассматривает движение тел). Классическая механика дает очень точные результаты в рамках повседневного опыта. Но для систем, движущихся с большими скоростями, приближающимися к скорости света, более точные результаты дает релятивистская механика, для систем микроскопических размеров - квантовая механика, а для систем, обладающих обеими характеристиками - квантовая теория поля. Тем не менее, классическая механика сохраняет свое значение, поскольку она намного проще в понимании и использовании, чем остальные теории, и в обширном диапазоне она достаточно хорошо приближается к реальности. Классическую механику можно использовать для описания движения таких объектов, как волчок и бейсбольный мяч, многих астрономических объектов (таких, как планеты и галактики), и даже многих микроскопических объектов, таких как органические молекулы. Хотя классическая механика в общих чертах совместима с другими "классическими теориями", такими как классическая электродинамика и термодинамика, в конце 19 века были найдены несоответствия, которые удалось разрешить только в рамках более современных физических теорий. В частности, классическая электродинамика предсказывает, что скорость света постоянна для всех наблюдателей, что трудно совместить с классической механикой, и что привело к необходимости создания специальной теории относительности. При рассмотрении совместно с классической термодинамикой, классическая механика приводит к парадоксу Гиббса в котором невозможно точно определить величину энтропии и к ультрафиолетовой катастрофе, в которой абсолютно чёрное тело должно излучать бесконечное количество энергии. Попытки разрешить эти проблемы привели к развитию квантовой механики.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Основные компоненты естествознания как системы естественных наук. Александрийский период развития науки. Основные законы механики Ньютона. Этапы создания учения об электромагнетизме. Квантовая механика. Стехиометрические законы. Явление катализа.

контрольная работа , добавлен 16.01.2009

Цели и задачи курса "Концепции современного естествознания", место данной дисциплины в системе других наук. Классификация наук, предложенная Ф. Энгельсом. Взаимосвязь физических, химических и биологических знаний. Виды атмосферных процессов в природе.

контрольная работа , добавлен 13.06.2013

Место естествознания в современной научной картине мира. Вклад средневековой науки в развитие научного знания. Пример смены парадигм в археологии – борьба концепций эволюционизма и миграционизма. Развитие науки в Средние века, вклад Леонардо да Винчи.

реферат , добавлен 09.12.2010

Значение науки в современной культуре и структура научного знания. Основные этапы эволюции европейского естествознания. Типы физических взаимодействий. Механистическая, электромагнитная и квантово-релятивистская картина мира. Модели строения атома.

учебное пособие , добавлен 27.01.2010

Определение естествознания как отрасли научного познания, его отличие от других наук, разделы естествознания. Наука как одна из форм общественного сознания. Описание и объяснение различных процессов и явлений действительности как основные цели науки.

реферат , добавлен 16.04.2011

Классическая механика как фундамент естественнонаучной теории. Возникновение и развитие классического естествознания. Система Коперника. Галлилео Галлилей. Исаак Ньютон. Формирование основ классической механики. Метод флюксий.

контрольная работа , добавлен 10.06.2007

Систематизация знаний в отдельные науки. Возникновение и развитие естествознания, основные понятия и цели. Связь научных знаний о природе с производственной и трудовой деятельностью человека. Взаимосвязь и взаимозависимость естествознания и общества.

контрольная работа , добавлен 04.04.2009

Концепция как совокупность главных идей методов исследования и описания результатов, функции науки. Картин мира – научная, механическая, электромагнитная и современная (объединяющая все естественные науки). Основные принципы, на которых они основываются.

реферат , добавлен 10.06.2010

Естествознание как система научных знаний о природе, обществе и мышлении взятых в их взаимной связи. Формы движения материи в природе. Предмет, цели, закономерности и особенности развития, эмпирическая, теоретическая и прикладная стороны естествознания.

реферат , добавлен 15.11.2010

Физика и естествознание. Формирование квантовой механики и квантовой физики, специфика их законов и принципов. Основные понятия "элементарность", "простое-сложное", "деление". Многообразие и единство элементарных частиц, проблема их классификации.

Категории

Выбор редакции

Естествознание. Межпредметные связи химии с другими дисциплинами Химия в системе естественных наук

Связь химии с другими науками

Возникновение химии как науки, основные этапы ее развития.

Что такое естественные науки?

Классификация

Взаимодействие дисциплин между собой

Методы исследования

Современные проблемы естествознания

Биология

Химия и физика

Науки о Земле

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Подобные документы

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Подобные документы

Поиск

Подписка

Популярные записи

Последние записи