Лекция 1. Интеллектуальная сфера культуры и её связь с общим естествознанием
Наследников Ю.М.
Н31 Концепции современного естествознания: учеб. пособие/Ю.М. Наследников, И.Г. Попова, Т.И. Гребенюк, И.В. Мардасова, А.Я. Шполянский – Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2013.- с. 135.
ISBN 978-5-7890-0542-2
Цель пособия - оказать помощь студентам в изучении дисциплины «Концепции современного естествознания».
В пособие включены методические указания по изучению дисциплины, самостоятельной подготовке ко всем видам аудиторных занятий, структуре и оформлению контрольных заданий студентами заочной формы обучения; тематический план и структура дисциплины; структурный конспект лекций, задающий структуру семинарских занятий, а так же структуру опорных вопросов и тестов к экзамену (зачету), темы контрольных заданий для заочников..
Предназначено для студентов очной и заочной форм обучения экономико-управленческих и социогуманитарных направлений квалификации: бакалавр.
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Донского государственного технического университета.
Научный редактор канд. физ.-мат. наук, проф. Ю.М. Наследников.
©Ю.М. Наследников, И.Г. Попова, Т.И. Гребенюк, И.В. Мардасова, А.Я. Шполянский, 2013.
© Издательский центр ДГТУ, 2013
Всему, что необходимо знать, научить невозможно.
Учитель может сделать только одно – указать дорогу.
Р. Олдингтон
Введение
Наполеон говорил, что маленький чертеж он предпочитает пространному объяснению.
А. Эйнштейн считал признаком истинности теории простоту и стройность.
Оба суждения великих сходятся в одном: истинное знание всегда просто и четко. Так проявляется любая суть.
Очевидно, что и естественнонаучная истина проста – сложен путь к истине. Другой важный момент: истина системна и конкретна. Система – это главная связь. Общее естествознание – это поиск сущности природы. От общей к любой подчиненной связи – таков путь познания.
Конкретная связь всегда доступна изображению: наглядному, образному и через связь понятий. По этому принципу и построено наше учебное пособие: на основе системных моделей в виде соответствующих таблиц, схем, ключевых понятий и концептуальных программ.
Однако, пока нам приоткрыты только 4-5% материи и энергии, а загадки «темной материи» и «темной энергии» только задаются астрофизикой и космологией. Движение к конкретной и системной истине осуществляется через мегапроектные эксперименты международного и национального характера, в частности, с помощью Большого адронного коллайдера (БАК) и целого ряда новых астрофизических проектов и приборов и ракетно-космической техники. Структурно-системная иерархичность общих уровней материи в рамках микро-, макро- и мегамиров явно стремится к целостности как в рамках холизма, когда целое доминирует, предшествует своим частям, так и редукционизма, в котором единое расщепляется на части, понимаемые более первичными, предшествующими целому.
Важно понимать, что материя и сознание – парные фундаментальные понятия, то же самое, что объективная реальность и субъективная реальность соответственно.
Эта фундаментальная двусторонность объективной и субъективной реальностей и обусловила компетентностный подход к образованию вместо традиционных ЗУНов (знания, умения, навыки). Конечно, структура «компетенции» опирается прежде всего на знания, но в рамках как объективной, так и субъективной реальностей.
Определенный субъективизм понимания, действия и бытия человека, как существа трехстороннего – «биосоциокультурного» задает модульную структуру учебной дисциплины «Концепции современного естествознания» (КСЕ) и определяет особую роль самостоятельной работы студентов, которая организуется на основе всех видов аудиторных занятий и дополнительных консультаций. Очевидно, что обучаемый помимо лекций и учебного пособия может проработать материал курса и в рамках, по крайней мере, основной литературы, приведенной в пособии. Мы считаем полезным использование наших учебных пособий, подготовленных для квалификации «специалист», а также электронного ресурса УМКД по дисциплине КСЕ (№ГР15393). Режим доступа: http://de.dstu.edu.ru/. Электронный ресурс УМКД в форме электронного конспекта лекций особенно полезен студентам заочной формы обучения при подготовке контрольных заданий реферативного характера, а также студентам очной формы обучения при подготовке к семинарским и лабораторным занятиям. В настоящее время конспект лекций сокращен и структурно упорядочен в рамках УМКД для квалификации «бакалавр». Режим доступа такой же: http://de.dstu.edu.ru/.
В современном компетентностном подходе к образованию полезно знать терминологическую двойственность англоязычного термина «competence» в русском языке- «компетенция» и компетентность несущих разную смысловую окраску.
Под компетенцией мы подразумеваем наперед заданное требование к образовательной подготовке выпускника бакалавриата, специалитета или магистратуры, совокупность качеств личности, определяющих эффективное исполнение деятельности в определенной области.
Компетентность – обладание компетенцией, т.е. наличие у личности совокупности характеристик, определяющих эффективность и самостоятельность исполнения деятельности.
Двустороннее взаимодействие компетенций и компетентности при изучении учебного курса КСЕ реализуется в рамках основополагающей концепции курса КСЕ: коэволюции природных систем и бытия человека. Как отмечал В.И. Вернадский: «Лишь благодаря условностям цивилизации неразрывная кровная связь всего человечества с остальным живым миром забывается, и человек пытается рассматривать отдельно от живого мира бытие цивилизованного человечества. Но все эти попытки искусственны и неизбежно разлетаются, когда мы подходим к изучению человечества в общей связи его со всей природой».
Так как основная цель пособия заключается в использовании дистанционного метода организации самостоятельной работы студентов всех форм обучения и особенно заочной формы обучения, то студенту предоставляется возможность самостоятельно внести в таблицы и схемы дополнительный учебный материал электронного конспекта лекций и проработанной им учебной литературы по курсу КСЕ.
Это позволит студентам подготовится к предварительному тестовому контролю знаний на семинарских занятиях, предшествующих рейтингу, а также к тестам интернет-экзамена. Естественно, что тестовый контроль знаний в его классическом исполнении не лишен субъективизма составителя тестов. Особенно ярко субъективизм тестов проявляется в интегрированных курсах и междисциплинарных науках.
Поэтому особую роль в оценке экзамена или зачета мы придаем не только тестовому контролю знаний, но, прежде всего, устному собеседованию и защите контрольных заданий реферативного характера.
Мы желаем студентам успешного изучения курса «Концепции современного естествознания» и будем всячески этому способствовать на основе педагогики сотрудничества didacticos – «поучающего» и didasco – «изучающего».
Общие методические указания по изучению дисциплины «Концепции современного естествознания» и выполнению контрольных заданий
Учиться и, когда придет время,
прикладывать усвоенное к делу-
разве это не прекрасно.
Конфуций
Прежде чем приступить к изучению дисциплины в контексте компетентностного подхода к усвоению знаний: «знать, уметь, владеть», необходимо ознакомится с общими методическими указаниями.
Студенты очной формы обучения имеют следующую структуру аудиторных занятий: лекции, практические (семинарские) занятия, которые в календарно-тематических планах ряда направлений подготовки подразделяются на семинарские и лабораторные занятия. Нам представляется, такая дифференциация практических занятий оправдана для всех направлений подготовки и требует обязательного использования практических работ натурального и виртуального эксперимента помимо чисто семинарских занятий в структуре 2 «Д» (доклад-дискуссия). Общее число аудиторных часов составляет около 40% от заданной трудоемкости курса в 4 кредита (144 часов). Это лишний раз подчеркивает значимость самостоятельной работы студента при изучении курса КСЕ. Обучение осуществляется в течение одного семестра и контролируется двумя рейтинговыми оценками знаний, которые опираются на текущую активность обучаемых и посещаемость всех видов аудиторных занятий. По возможности рейтинговому контролю знаний также предшествует предварительный тестовый контроль знаний на одном из практических занятий. Минимальный балл рейтинга – 12-13 баллов, максимальный балл рейтинга – 25 баллов. Итак, чтобы быть допущенным к экзамену (дифферецированному зачету) студент должен набрать не менее 25 баллов за два рейтинга. Более высокий балл рейтингового контроля способствует и более высокой оценке на экзамене (дифференцированном зачете), на который выделяется 50 баллов, т.е. половина всех оценочных баллов. Конечно, возможны и поощрительные баллы, но не более 5 баллов дополнительных к экзаменационным 50 баллам. Экзаменационные билеты обычно содержат два опорных вопроса и структурно-содержательный тест. Опорные вопросы являются одновременно основными структурными элементами конспекта лекций и календарно– тематического плана семинарских занятий.
Студенты заочной формы обучения имеют следующую структуру аудиторных занятий: обзорные лекции, лабораторные занятия для студентов экономико-управленческих направлений; а также практические занятия для руководства и помощи в выполнении контрольных работ и для организации их защиты. Общее число аудиторных часов составляет 10-15% от заданной трудоемкости курса. Таким образом, особое значение придается самостоятельной работе студентов заочной формы обучения в течении всего заданного семестра.
Основным способом контроля самостоятельной работы студентов-заочников во время семестра является выполнение контрольного задания. При этом необходимо выполнять следующие указания и требования:
1. За время изучения дисциплины «Концепции современного естествознания» студент заочной формы обучения должен представить в деканат одну контрольную работу.
2. Своё контрольное задание студент определяет по таблице вариантов контрольных заданий. Выполнение контрольного задания предусматривается в форме реферата. Реферат должен содержать план изложения и список использованной литературы. Выбор темы контрольной работы осуществляется в соответствии с последними двумя цифрами зачётной книжки.
3. Если работа выполнена студентом не в соответствии с шифром, то она возвращается студенту без рецензирования.
4. Важно при подготовке контрольной работы помнить, что контрольное задание предусматривает проверку самостоятельного изучения дисциплины «Концепции современного естествознания» не только в рамках того или иного вопроса или темы реферата, но и в рамках рабочей программы в целом. В связи с этим в вводной части своего контрольного задания желательно указать место и значение темы реферата в современном естествознании. В случае библиографического характера реферата, посвящённого одному или группе учёных, выдвинувших ту или иную концепцию естествознания или внесших значительный вклад в одну из фундаментальных естественных наук, необходимо оценить роль и значение соответствующей концепции и личный вклад ученых в становлении современного естествознания. Кроме библиографического списка литературы, приведённого в пособии, можно использовать библиографическую и энциклопедическую литературу по естественным наукам, соответствующие библиографические и естественнонаучные справочники, а также информационную сеть Интернет. Значительную помощь при выполнении абсолютного большинства контрольных заданий может оказать и электронный ресурс УМКД по дисциплине КСЕ, а также другие наши учебные пособия как в электронном, так и в печатном виде. Режим доступа: http://de.dstu.edu.ru/. Библиографический список литературы должен содержать не менее 5-7 использованных источников. Полезно в приложении к реферату привести словарь используемых естественнонаучных терминов, а также именной указатель ученых, внесших значительный вклад в постановку и раскрытие темы реферата.
5. Преподаватель после проверки контрольной работы принимает решение допустить или не допустить студента к собеседованию. Если принято и обосновано в рецензии преподавателя решение о недопуске к собеседованию, то студент обязан предоставить контрольную работу на повторное рецензирование.
6. В течение семестра по датам, установленным учебно-методическим отделом, студенты на кафедре физики получают консультации по контрольным работам.
7. Окончательное решение по контрольной работе принимает преподаватель во время устного собеседования со студентом. Даты проведения собеседования могут совпадать с датами консультаций или устанавливаются дополнительно преподавателем перед экзаменом или зачетом.
В исключительных случаях защита контрольных работ может проводится лектором во время экзамена или зачета.
Кроме того для допуска к экзамену или дифференцированному зачету для студентов экономико-управленческих направлений необходимо выполнить и защитить лабораторные работы по статистической обработке результатов прямых и косвенных измерений. В результате студент может набрать максимально 50 рейтинговых баллов (30 баллов за контрольную работу и 20 баллов за лабораторный практикум). Для допуска к экзамену (дифференцированному зачету) необходимо набрать не менее 25 баллов при обязательном выполнении как контрольного задания, так и лабораторного практикума. Казалось бы в более выгодном положении находятся студенты направлений, в календарно-тематических планах которых предусмотрены только контрольные работы без выполнения лабораторного практикума. Однако они обычно демонстрируют более низкий уровень знаний на экзамене (дифференцированном зачете), так как не осознают принципиальную значимость эксперимента в современном естествознании.
В заключении хотелось бы отметить обязательное соблюдение студентами заочной формы обучения графика выполнения контрольных работ, которые должны быть выполнены до начала экзаменационной сессии. Все контрольные работы, выполненные непосредственно в экзаменационную сессию, оцениваются по минимальной шкале баллов.
Тематический план и модульная структура дисциплины «Концепции современного естествознания»
Таблица №1
| Номер модуля | Наименование модуля | Номер задания | Тема задания |
| Структурная, методологическая и историческая панорама естественно-научного познания мира | Предмет курса «Концепции современного естествознания» Цель и задачи курса. Интеллектуальная сфера культуры и ее связь с общим естествознанием. Научный метод познания. Общая периодизация истории естествознания. История естествознания в контексте трансдисциплинарных стратегий естественнонаучного мышления. Развитие представлений о материи, движении и взаимодействии в протонаучной картине мира. Развитие представлений о материи, движении и взаимодействии в классическом и неклассическом естествознании. Развитие представлений о материи, движении и взаимодействии в постнеклассическом естествознании. Основные понятия и идеи общего естествознания. | ||
| Физические концепции познания мира | Физика в контексте интеллектуальной культуры. Фундаментальность физики в естествознании. Общие представления о гипер-, мега-, макро-, микро-, гипомирах.. Фундаментальные взаимодействия. Фундаментальные микрочастицы. Фундаментальный принцип симметрии. Законы сохранения. Концепция пространственно-временных отношений. Физический вакуум. Концепции и методологические принципы квантовой механики. Процессы в микромире. Динамические и статистические закономерности в природе. Основные характеристики (макропараметры) равновесного теплового макросостояния и его термодинамическое и статистическое описание. Элементы неравновесной термодинамики. Закономерности самоорганизации в природе. | ||
| Химическая концепция мира | Химия в контексте интеллектуальной культуры. Структурные уровни организации материи в рамках современной химии. Химические системы. Структурно-концептуальные разделы современной химии: учение о составе; структурная химия; учение о химических процессах; эволюционная химия. | ||
| Панорама современного естествознания в концепции «стрел времени» | Космология. Элементы физики мегамира. Геологическая эволюция. Структурные уровни организации материи в рамках геосфер Земли. Основные гипотезы (теории) происхождения жизни. Что такое жизнь? | ||
| Эволюционная концепция биологического уровня организации материи | Биология в контексте интеллектуальной культуры. Классификационные системы в биологии. Структурные уровни биологической организации материи. Генетика и эволюция. Синтетическая теория эволюции биологических структур материи. Макро- и микроэволюция. | ||
| Биосфера и человек | Человек как особый уровень организации живой материи. Феномен человека «как существа трехстороннего-биосоциокультурного». Концепции биосферы и ноосферы Концепции экологии Коэволюционная синергетическая парадигма современного естествознания. |
Структурный конспект лекций по дисциплине «Концепции современного естествознания» в схемах, определениях и таблицах
Природа может обойтись без культуры.
Но культура без природы быстро выдохнется.
М.Пришвин
Научный метод познания
Терминологическое определение науки буквально означает знание. Наука- исторически сложившаяся форма человеческой деятельности, направленная на познание и преобразование действительности. Итак, наука- это производство знаний и их предметно-практическое использование в производсвенно-практической деятельности человека.
Выделяют три основные ипостаси науки: отрасль культуры, способ познания мира, социальный институт.
Научный метод познания мира опирается на основные функции и модели науки. Под «функцией» будем понимать способ действия, проявление активности системы, общий тип решаемых задач.
Б.М. Кедров все функции науки выделил в три группы соответственно трем сторонам познавательной деятельности субъекта: эмпирической (от греч. emperia - опыт), теоретической (от греч. theoria - исследование) и предметно-практической. К эмпирической группе относятся следующие функции: собирательная (установление фактов, их накопление), описательная (изложение фактов), систематизаторская (первичная группировка опытного материала, приведение его в определенный порядок). Теоретическая группа включает в себя объяснительную функцию, функцию обобщения (с целью раскрытия законов науки и проникновения в сущность изучаемых явлений), функцию прогнозирования (разведывательную функцию) и др. Предметно-практическая группа функций отражает производственно-практическую деятельность человека.
Пренебрегая нелинейной взаимозависимостью функций науки, выделяют эмпирические и теоретические методы. В то же время сохраняется определенное своеобразие эмпирических и теоретических методов конкретных наук. Мы будем опираться на систематизацию официальных методов в обобщенной методологии науки.
Кроме того эмпирические и теоретические методы зачастую пересекаются, в частности, в индуктивном и гипотетико-дедуктивном методах познания. В.Г. Разумовский, обобщая высказывания таких выдающихся ученых, как А. Эйнштейн, М. Планк, М. Борн и др., представил гипотетико-дедуктивный метод в циклической взаимосвязи следующих процедур: обобщение фактов à выдвижение гипотезы и построение абстрактной модели à вывод теоретических следствий à экспериментальная проверка этих следствий.
Гипотеза – научное предположение, выдвигаемое для объяснения какого-либо явления и требующее проверки на опыте и теоретического обоснования.
Пересечение эмпирических и теоретических методов научного познания привело к выделению универсальных общенаучных (общелогических) методов, а также особенных эмпирических и особенных теоретических методов. Мы дадим определения методов познания, исходя из основания всякой реальности – связи элементов (см. схему 5).
Модели развития науки
Важную роль в научном познании мира играли и продолжают играть модели развития науки. Наиболее распространенные в XX веке модели науки рассмотрены в приведённой ниже схеме.
Литература.
1. Наследников Ю.М. Концепции современного естествознания/ Ю.М.Наследников, А.Я.Шполянский, А.П.Кудря, А.Г.Стибаев.-Ростов-на-Дону: ДГТУ 2008-350с. [электронный ресурс № ГР 15393,2010]. Режим доступа: http://de.dstu.edu.ru/., с. 13-29.
2. Наследников Ю.М. Концепции современного естествознания: Учеб.-метод. пособие/ Ю.М. Наследников, А.Я. Шполянский, А.П. Кудря, А.Г. Стибаев.- Ростов-на-Дону: ДГТУ, 2007, с.13-25.
3. Горбачев В.В. Концепции современного естествознания. Интернет-тестирование базовых знаний: Учебное пособие/ В.В. Горбачев, Н.П. Калашников, Н.М. Кожевников.-СПб.: Издательство «Лань»,2010, с. 12-22.
4. Под ред. Л.А. Михайлова. Концепции современного естествознания:Учебник для вузов-СПб.:Питер, 2009, с. 12-10, 27-36.
5. Суханов А.Д. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов/А.Д. Суханов, О.Н. Голубева.- М.: Дрофа, 2004. с. 10-19
Литература.
1. Наследников Ю.М. Концепции современного естествознания/ Ю.М.Наследников, А.Я.Шполянский, А.П.Кудря, А.Г.Стибаев.-Ростов-на-Дону: ДГТУ 2008-350с. [электронный ресурс № ГР 15393,2010]. Режим доступа: http://de.dstu.edu.ru/., с. 30 –79, 85 – 86.
2. Наследников Ю.М. Концепции современного естествознания: Учеб.-метод. пособие/ Ю.М. Наследников, А.Я. Шполянский, А.П. Кудря, А.Г. Стибаев.- Ростов-на-Дону: ДГТУ, 2007, с.25-31, 36-40.
3. Суханов А.Д. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов/А.Д. Суханов, О.Н. Голубева.- М.: Дрофа, 2004, с. 20 – 41.
4. Кожевников Н.М. Концепции современного естествознания: Учебное пособия, 4-е изд.. испр./ Н.М. Кожевников.- СПб.: Издательство «Лань», 2009, с. 42-62.
5. Горбачев В.В. Концепции современного естествознания. Интернет-тестирование базовых знаний: Учебное пособие/ В.В. Горбачев, Н.П. Калашников, Н.М. Кожевников.-СПб.: Издательство «Лань»,2010, с. 12-22.
Литература.
1. Горбачев В.В. Концепции современного естествознания. Интернет-тестирование базовых знаний: Учебное пособие/ В.В. Горбачев, Н.П. Калашников, Н.М. Кожевников.-СПб.: Издательство «Лань»,2010, с. 22-41
2. Суханов А.Д. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов/А.Д. Суханов, О.Н. Голубева.- М.: Дрофа, 2004, с. 76-93.
3. Кожевников Н.М. Концепции современного естествознания: Учебное пособие, 4-е изд.. испр./ Н.М. Кожевников.- СПб.: Издательство «Лань», 2009, с. 42-62.
4. Наследников Ю.М. Концепции современного естествознания/ Ю.М.Наследников, А.Я.Шполянский, А.П.Кудря, А.Г.Стибаев.-Ростов-на-Дону: ДГТУ 2008-350с. [электронный ресурс № ГР 15393,2010]. Режим доступа: http://de.dstu.edu.ru/., с.79-84, 87-92.
5. Наследников Ю.М. Концепции современного естествознания: Учеб.-метод. пособие/ Ю.М. Наследников, А.Я. Шполянский, А.П. Кудря, А.Г. Стибаев.- Ростов-на-Дону: ДГТУ, 2007, с.32-36, 38-40.
Литература.
1. Наследников Ю.М. Концепции современного естествознания/ Ю.М. Наследников, А.Я Шполянский, А.П. Кудря, А.Г. Стибаев. – Ростов н/Д: ДГТУ, 2008 – 350 с. [Электронный ресурс №ГР 15393, 2010]. Режим доступа: http:// de.dstu.edu.ru/, с. 106-135.
2. Наследников Ю.М. Концепции современного естествознания6 учеб-метод. пособие./ Ю.М. Наследников, А.Я. Шполянский, А.П. Кудря, А.Г. Стибаев. – Ростов н/Д, 2007, с. 40-52.
3. Трофимова Т.И. Краткий курс физики с примерами решения задач: учебное пособие/ Т.И. Трофимова. – М.: КНОРУС, 2007, с. 208-222.
4. Горбачев В.В. Концепции современного естествознания. Интернет-тестирование базовых знаний: учебное пособие/ В.В. Горбачев. Н.П. Калашников, Н.М. Кожевников – СПб.: Издательство «Лань», 2010, с. 42-59, 60-64, 73-77, 105-113.
5. Кожевников Н.М. Концепции современного естествознания: Учебное пособие, 4-е изд.. испр./ Н.М. Кожевников.- СПб.: Издательство «Лань», 2009, с. 63-72, 86-109, 126-139.
Литература.
1. Наследников Ю.М. Концепции современного естествознания/ Ю.М. Наследников, А.Я Шполянский, А.П. Кудря, А.Г. Стибаев. – Ростов н/Д: ДГТУ, 2008 – 350 с. [Электронный ресурс №ГР 15393, 2010]. Режим доступа: http:// de.dstu.edu.ru//, с. 135-144.
2. Наследников Ю.М. Концепции современного естествознания6 учеб-метод. пособие./ Ю.М. Наследников, А.Я. Шполянский, А.П. Кудря, А.Г. Стибаев. – Ростов н/Д, 2007, с. 52-55, 87-88.
3. Суханов А.Д. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов/ А.Д. Суханов, О.Н. Голубева. – М.: Дрофа, 2004, с. 183-202.
4. Горбачев В.В. Концепции современного естествознания. Интернет-тестирование базовых знаний: учебное пособие/ В.В. Горбачев. Н.П. Калашников, Н.М. Кожевников – СПб.: Издательство «Лань», 2010, с. 98-105, с. 113-122.
5. Кожевников Н.М. Концепции современного естествознания: Учебное пособие, 4-е изд., испр./ Н.М. Кожевников. – СПб.: Издательство «Лань», 2009, с. 109-126
Учение о составе вещества
Учение о составе включает в себя проблемы химического элемента и химического соединения. Первая модель «химического элемента» была введена в XVII в. Р. Бойлем, как предельного “простого вещества”, получаемого при химическом разложении веществ, переходящего без изменения из состава одного сложного тела в состав другого. Однако само открытие химических элементов произошло значительно позже (фосфор был открыт только в 1669 г., кобальт – в 1735г., никель – в 1751 г., водород – в 1766г., фтор – в 1771 г., азот и кислород – в 1772 г. и т.д.).
А.А Лавуазье (в конце XVIII в.) сделал первую попытку в истории химии систематизации химических элементов и соединений.
Д.И. Менделеев открыл периодический закон и разработал Периодическую систему химических элементов (1889 г.). Он исходил из того, что основной характеристикой химических элементов являются их атомные массы. Дальнейшие уточнения показали, что место химического элемента в Периодической системе определяется не атомной массой, а зарядом атомного ядра. В этой связи можно утверждать, что химический элемент – это совокупность атомов (изотопов), обладающих одинаковым зарядом ядра. Каждый химический элемент имеет определённую массу, представляющую собой среднее значение масс всех его изотопов. Изотопы, с точки зрения радиационной химии – разновидности атомов данного химического элемента, обладающие одинаковым зарядом ядра, но различающиеся массой. Во времена Д.И. Менделеева было известно 62 химических элемента, сейчас – более 114.
Периодический закон формулируется следующим образом: химические свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атома (порядкового номера). Исключение – изотопы водорода: протий, тритий, дейтерий, обладающие различными химическими свойствами.
В периодической системе по горизонтали имеется семь периодов (обозначены арабскими цифрами), из них первый, второй и третий называются малыми, а остальные – большими. Каждый период за исключение первого начинается щелочным металлом и заканчивается благородным газом (седьмой период – незаконченный). В системе 10 рядов (обозначены римскими цифрами). Каждый малый период состоит из одного ряда, каждый большой – из двух рядов: четного (верхнего) и нечетного (нижнего). В четных рядах больших периодов находятся металлы. По вертикали расположено восемь групп (обозначены римскими цифрами). Номер группы связан со степенью окисления элементов, проявляемой ими в соединениях. Каждая группа делится на две подгруппы, причем главную подгруппу начинает элемент малого периода или первый элемент группы. В побочную группу входят элементы только больших периодов. VIII группа отличается от остальных: кроме главной подгруппы гелия она содержит побочную подгруппу, состоящую из триад железа, рутения осмия.
В настоящее время раскрыт физико-химический смысл периодического закона, и дано квантово-механическое объяснение строения атомов химических элементов на основе понятия электронной оболочки квантовых чисел и принципа Паули (см. схемы 33, 34 в лекции 4).
Все свойства элементов таблицы Д.И. Менделеева объясняются порядком заполнения электронами энергетических уровней (оболочек) и подуровней (подоболочек) атомов. Каждый период начинается элементом, в атоме которого на внешней электронной оболочке находится s-электрон. Завершаются периоды благородными газами, атомы которых имеют полностью заполненную внешнюю оболочку. Номер группы, как правило, указывает число электронов, которые могут участвовать в образовании химических связей.
В начале XIX в. Ж. Пруст сформулировал закон постоянства состава: любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определённым неизменным составом, прочным притяжением составных частей (атомов) и тем отличается от смесей. Теоретически закон постоянства состава обосновал Д. Дальтон. Возникла модель веществ постоянного состава – дальтониды. На основе идеи об атомистическом строении вещества он утверждал, что химические соединения состоят из атомов двух или нескольких элементов, образующих определённые (он считал кратные) сочетания друг с другом. Возникла стехиометрическая модель химических соединений, а затем и типологии молекул.
К.Л. Бертолле, внёсший совместно с А.А. Лавуазье значительный вклад в номенклатуру химических соединений, считал, что в химии огромная роль принадлежит веществам переменного состава – бертоллидам. С конца XIX в. возобновились исследования, подвергающие сомнению абсолютизацию закона постоянства состава. Результаты исследований показали, что суть проблемы химических соединений состоит не столько в постоянстве состава, сколько в природе химических связей, объединяющих атомы в единую квантово-механическую систему – молекулу. Молекула представляет собой электронейтральную наименьшую совокупность атомов, образующих определённую структуру посредством химических связей.
В результате открытия физической природы химизма, как обменного взаимодействия электронов, химия по-новому стала решать проблему химического соединения, которое определяется как качественно определённое вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счёт обменного взаимодействия (химической связи) объединены в химическое соединение, неорганическое или органическое, мономеры или полимеры.
Произошло пересечение («вложение» друг в друга) стехиометрической, атомно-молекулярной, геометрической и электронной моделей химии. С современной точки зрения, стехиометрическая модель означает использование химических формул и уравнений, атомно-молекулярная модель – описание химических реакций как внутри- и межмолекулярных перегруппировок атомов, геометрическая модель определяет язык структурных формул и геометрических молекулярных параметров, а электронная модель выводит реакционную способность веществ из электронного строения молекул. Эти модели “вложены” друг в друга: каждая последующая использует и детализирует постулаты предыдущих.
В рамках современной электронной модели можно дать и краткую характеристику основным типам химических связей (см. схему 42).
Структурная химия
«Структурная химия» - термин условный. Речь идет об уровне развития химических знаний, при котором особую роль играет понятие «структура химического соединения», а также структура молекул.
Ф. Кекуле связал структуру молекул с понятием валентности элемента или числа единиц его сродства. На этой основе и возникли структурные формулы органической химии и появился термин «органический синтез».
В это время были синтезированы на основе простейших углеводов анилиновые красители. Затем были поучены новые вещества (лекарственные препараты, взрывчатые вещества и т.д.).
Определяющей идеей понятия химической структуры была теория химического строения А.М.Бутлерова (1861). Характерной, неклассической концепцией стало представление об изомерии и её взаимосвязи со структурой веществ и типологии молекул. Бутлеров первым чётко сформулировал определение химического строения как способа химических связей в молекуле и в химических соединениях. Он же ввёл понятие энергоёмкости химических связей. Так с помощью структурной теории развивалась систематика органических соединений.
Важно было также введение Я. Вант-Гоффом (1874) стереоскопических структурных моделей.
Современная структурная химия использует кооперативное взаимодействие классических химических моделей вещества и типологии молекул (атомно-молекулярной, геометрической как в двумерном, так и в трехмерном виде, с неклассической электронной моделью) и опирается на взаимосодействие классической и квантовой химии.
По современным представлениям, структура молекул – это пространственная и энергетическая упорядоченность квантовомеханической системы, состоящей из атомных ядер и электронов. Органические соединения – структурные образования из органических молекул. Главная роль в структуре органических соединений принадлежит углероду, который строит сложные циклические, ветвистые, линейные цепи, вовлекая в них и другие химические элементы, прежде всего – водород.
Структура неорганических соединений взаимосвязана с химией твердых и жидкокристаллических тел, пересекающейся с квантовой физикой. Структура задается квантовомеханическим взаимодействием атомов в неорганических молекулах, атомов химических элементов и (или) неорганических молекул в неорганических соединениях.
Эволюционная химия
Предметом эволюционной химии является самоорганизация предбиологических систем. Существует два подхода к проблеме самоорганизации предбиологических систем: субстратный и функциональный.
Субстратный подход.
Отличительная черта субстратного подхода состоит в исследовании вещественной основы биологических систем, т.е. определённого состава элементов – органогенов и определённой структуры входящих в живой организм химических соединений. Результатом субстратного подхода к проблеме биогенеза является накопленная информация об отборе химических элементов и структур.
Отбор химических элементов в процессе самоорганизации предбиологических систем внёс определённые закономерности в этот процесс:
Основу живых систем составляют только шесть элементов, получивших название органогенов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера, общая весовая доля которых в организме составляет более 97%. За ними следует 11 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важных компонентов биосистем: натрий, калий, кальций, магний, железо, кремний, алюминий, хлор, медь, цинк, кобальт. Их весовая доля в организме - 1,6%. Есть ещё 20 элементов, участвующих в построении и функционировании отдельных узкоспецифических биосистем, доля которых составляет около 1%. Участие всех остальных элементов в построении биосистем практически не зафиксировано.
Картина химического мира свидетельствует об отборе элементов. В настоящее время насчитывается около 8 млн. химических соединений из них 96% - органические, состоящие из тех же 6 -18 элементов. Интересно, что природа создала всего около 300 тыс. неорганических соединений.
Геохимические условия не играют существенной роли в отборе химических элементов при формировании органических