Концепции современного естествознания

Химия изучает процессы превращения молекул и веществ и воздействия на них внешних факторов (тепла, света, физических полей и т. п.). Она изучает также связи между атомами, входящими в состав молекул (так называемые химические связи). Выяснилось, что главную роль здесь играют электроны, своего рода «клей», соединяющий ядра атомов. Создание квантовой механики привело к развитию квантовой химии, в которой электрон не считается движущимся по определенной орбите, а вводится представление об электронном облаке.

Рентгеноструктурный анализ, спектроскопические методы и метод ядерного магнитного резонанса позволили в XX в. определить строение огромного числа молекул, что имело не только важное теоретическое, но и практическое значение.

Выдающийся химик XX в. Н.Н. Семенов сводил различия физических и химических процессов к трем основным: у химических процессов есть история, у них отсутствуют мгновенные параметры для скоростей реакций, для них нельзя пользоваться равновесными параметрами. Развитие синергетики существенно уменьшило эти различия, сблизив предметы физики и химии.

Важная заслуга химии заключается в том, что она показала большое значение структуры для свойств вещества и ее относительную самостоятельность. Скажем, алмаз и графит имеют одинаковый вещественный состав (они состоят из углерода), но различие их структур (решетчатая у алмаза и слоистая у графита) приводит к коренному различию свойств. Алмаз — один из самых твердых веществ, а графит, напротив, очень мягок. Именно оценив важность структуры, химия стала родоначальницей структурного подхода, который затем распространился на другие науки, и не только естественные, но и гуманитарные.

Большое значение в химии XX в. имело изучение катализаторов — веществ, которые изменяют скорость реакций, но не входят в состав их конечного продукта. Катализаторы важны для процессов, происходящих в живых организмах. Примером катализаторов является хлорофилл — вещество в живой ткани зеленого листа, благодаря которому происходит процесс фотосинтеза.

Химия имеет ныне огромное практическое значение. Повышение урожайности сельскохозяйственных культур благодаря применению минеральных удобрений и ядохимикатов дало возможность говорить о «зеленой революции», но это же привело к загрязнению почв и самих производимых продуктов, так что в большей цене оказались продукты, выращенные «без химии». В промышленности новые химические вещества дали возможность существенно обогатить производственный потенциал, но и это повлекло за собой отрицательные экологические последствия, так как большинство новых химических веществ не усваивалось природной средой и, таким образом, тоже становилось ее загрязнителями. Химия нашла широкое применение в быту, в частности в косметике (появилось выражение «сделать химию»), что также имело свою обратную экологическую сторону.

Строение атома.

К 1914 г. были открыты отрицательные и положительные частицы: отрицательная — электрон (в конце XIX в.), положительная — позже, и в 1920 г. английский ученый Э. Резерфорд (1871–1937) назвал ее протоном. В 1932 г. английский ученый Д. Чедвик (1891–1974) открыл частицу с такой же массой, как у протона, но не несущую электрического заряда. Ее назвали нейтроном. В. Гейзенберг сразу же после открытия нейтрона предположил, что положительно заряженные частицы большой массы представляют собой протонно-нейтронные комбинации.

Э. Резерфорд с 1906 г. бомбардировал альфа-частицами тонкие листочки металла. На основании того, что большинство альфа-частиц беспрепятственно проходили через пластинки, а некоторые резко отклонялись, он создал теорию строения атома, в соответствии с которой атом имеет небольшое плотное ядро и электронные оболочки, занимающие основную часть объема атома. Немецкий ученый М. Лауэ (1879–1960) в 1909 г., бомбардируя рентгеновскими лучами кристаллы, установил, что они состоят из атомов, образующих кристаллическую решетку.

В 1920 г. Д. Чедвик экспериментально доказал равенство заряда ядра порядковому номеру химического элемента в Периодической системе элементов Менделеева и возникло новое определение химического элемента. Вместо вещества, неразложимого на более простые, химический элемент стали понимать как совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Именно зарядом, который зависит от количества протонов в ядре, определяются свойства химического элемента. Количество нейтронов в ядре не всегда одинаково, и в этом случае говорят, что химический элемент имеет несколько изотопов. Так, калий имеет три изотопа — калий-39, калий-40 и калий-41, где числа обозначают атомную массу, которая равна сумме протонов и нейтронов (масса электронов во много раз меньше).