Взаимосвязь химии с физикой
Помимо процессов дифференциации самой химической науки, в настоящее время идут и 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.
История взаимодействия химии и 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 -спектроскопов, 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 формулы 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.
Физика и химия 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, изложенными выше. 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).
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 ключ к объяснению 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 блестяще решила такие вопросы химии, как природа химической связи, особенности химического строения молекул органических и неорганических соединений и т.д.
В области соприкосновения физики и химии возник и успешно развивается сравнительно молодой из основных разделов химии - физическая химия, которая оформилась в конце XIX века 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. Ныне это разносторонне разветвленная наука, тесно связывающая физику и химию.
Внутри 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 века выделилась также в самостоятельную науку выросшая в недрах физической химии коллоидная химия. Со второй половины XX века в связи с интенсивной разработкой проблем ядерной энергии возникла и получила большое развитие новейшая отрасль физической химии - химия высоких энергий, радиационная химия (предметом ее изучения являются реакции, протекающие под действием ионизирующего излучения), химия изотопов.
Вообще 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.).
В первой половине XX века возникает 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.
Постоянно расширяющиеся связи химии и физики привели целый ряд ученых к идее координации и субординации этих наук.
Таким образом, химия XX века предстает перед нами как весьма многообразная и разветвленная система знаний, которая находится в процессе интенсивного развития. В основной своей массе развитие химии идет в виде узкоориентированных прикладных исследований, но вместе с ними сегодня развиваются и концептуальные направления фундаментального характера, которые и определяют статус и положение этой науки в системе современного естествознания. К числу таких концептуальных направлений развития современной химии следует отнести: проблему химического элемента, исследование структуры химических соединений, учение о химических процессах и эволюционную химию.
- Т.Г.Грушевицкая, а.П.Садохин
- Тема 1. Наука и ее роль в жизни общества
- Тема 1 наука и ее роль в жизни общества проблема определения науки
- Соотношение науки, философии и религии
- Структура науки и ее функции
- Критерии научности знания
- Тема 2 научная теория. Структура и основания теории
- Теория как форма научного знания. Теория и научные программы
- Структура научной теории
- Гносеологические предпосылки науки
- Классификация научных теорий
- Научные понятия и способ их образования
- Введение и исключение научных абстракций
- Тема 3 методы научного познания. Развитие научного знания
- Методы научного познания
- Законы науки
- Развитие научного знания
- Специфика научных революций
- Тема 4 возникновение науки. Появление первых научных программ проблема начала науки
- Научные знания на древнем востоке
- Начало науки. Античная наука
- Первые научные программы античности
- Тема 5 формирование основ естествознания в эпоху средневековья и возрождения
- Основные черты средневекового мировоззрения
- Наука и научное познание в средние века
- Революция в мировоззрении в эпоху возрождения
- Тема 6 научная революция XVI-xvh вв. И становление классической науки
- Галилей и его роль в возникновении современной науки
- Основные аспекты научной революции
- Исаак ньютон и завершение научной революции
- Тема 7 специфика и природа современной науки
- Особенности классической науки
- Наука XIX века
- Новейшая революция в науке
- Основные черты современной науки
- Кризис современной науки. Постнеклассическая наука
- Тема 8 физическая картина мира
- Механическая картина мира
- Электромагнитная картина мира
- Становление современной физической картины мира
- Тема 9 структурные уровни организации материи структурность и системность материи
- Поле и вещество
- Классификация элементарных частиц
- Тема 10 физическое взаимодействие проблемы учения о взаимодействии и движении
- Общая характеристика физических взаимодействий
- Гравитационное взаимодействие
- Электромагнитное взаимодействие
- Слабое взаимодействие
- Сильное взаимодействие
- Теории большого объединения и суперобъединения
- Тема 11 концепции пространства и времени в современном естествознании
- Развитие представлений о пространстве и времени
- Теория относительности
- Единство и многообразие свойств пространства и времени
- Тема 12 детерминизм и причинность в современной физике. Динамические и статистические законы
- Динамические законы и теории и механический, детерминизм
- Статистические законы и теории и вероятностный детерминизм
- Соотношение динамических и статистических законов
- Тема 13 принципы современной физики
- Принцип симметрии и законы сохранения
- Принцип соответствия
- Принцип дополнительности и соотношение неопределенностей
- Принцип суперпозиции
- Основы термодинамики
- Тема 14 космологические модели вселенной что такое космология?
- Начало научной космологии
- Космологические парадоксы
- Неевклидовы геометрии
- Модель расширяющейся вселенной
- Некоторые трудности гипотезы расширяющейся вселенной
- Тема 15 эволюция вселенной рождение вселенной
- Ранний этап эволюции вселенной
- Структурная самоорганизация вселенной
- Образование солнечной системы
- Тема 16 проблемы самоорганизации материи формирование идеи самоорганизации
- Понятие самоорганизации
- Основы синергетики
- Неравновесная термодинамика и. Пригожина
- Тема 17 становление и развитие химической картины мира возникновение химии
- Алхимия
- Арабская алхимия
- Западноевропейская алхимия
- Период зарождения научной химии
- Теория флогистона
- Закон сохранения массы лавуазье
- Открытие основных законов химии
- Химия как наука
- Тема 18 современные концепции химии структура химии
- Взаимосвязь химии с физикой
- Проблема химического элемента
- Концепции структуры химических соединений
- Учение о химических процессах
- Эволюционная химия
- Взаимосвязь химии с биологией
- Тема 19 происхождение и сущность жизни история проблемы
- Концепция происхождения жизни а.И. Опарина
- Современные концепции происхождения и сущности жизни
- Сущность и определение жизни
- Появление жизни на земле
- Формирование биосферы земли
- Тема 20 эволюция органического мира
- Становление идеи развития в биологии
- Концепция развития ж.-б.Ламарка
- Теория катастроф ж. Кювье
- Эволюционная теория ч.Дарвина
- Антидарвинизм конца XIX-начала XX века
- Тема 21 современные теории эволюции
- Основы генетики
- Синтетическая теория эволюции (стэ)
- Тема 22 человек как предмет естествознания
- Происхождение человека
- Сущность человека
- Телесность и здоровье человека
- Тема 23 человек, биосфера и космос
- Человек и космос
- Космизация современной науки и философии
- Антропный принцип
- Тема 24 на пути к ноосфере
- Современные концепции экологии
- Концепция ноосферы и устойчивого развития