Химия Жизни

Химия, Биохимия- Химия  жизни 

Введение

Химический взгляд на природу, истоки и современное  состояние.

Предмет познания химической науки и ее структура

Взаимосвязь химии  и физики

Взаимосвязь химии  и биологии, эаключение и литература 

Введение

Современная химия  представляет собой широкий комплекс наук, постепенно сложившийся в ходе ее длительного исторического развития. Практическое знакомство человека с  химическими процессами восходит к  глубокой древности. В течение многих столетий теоретическое объяснение хими-ческих процессов основывалось на натурфилософском учении об элементах-качествах. В модифицированном виде оно послужило  основой для алхимии, возникшей  примерно в III-IV вв. н.э. и стремившейся решить задачу превращения неблагородных  металлов в благородные. Не добившись  успеха в решении этой задачи, алхимики, тем не менее, выработали ряд приемов  исследования веществ, открыли некоторые  химические соединения, чем в определенной степени способствовали возникновению  научной химии. 

Натурфилософия и  её воззрения лежали также в основе возникшей в XVI в. ятрохимии (предшественницы  медицинской химии), стремившейся найти  в химических препаратах средства лечения  многочисленных болезней. В средние  века получили ускоренное развитие химические производства: металлургия, стеклоделие, изготовление красителей. Это способствовало выработке первых теоретических  установок в развивавшемся химическом знании. 

Научная химия берет  свое начало со второй половины XVII в., когда  Р. Бойль и его единомышленники  дали первое научное определение  понятия химический элемент. Важной вехой на пути создания научной химии  стало открытие благодаря работам  М.В. Ломоносова и А. Лавуазье, закона сохранения массы при химических реакциях. Важную роль в становлении  химии как самостоятельной науки  сыграло открытие в конце XVII —  начале XIX вв. стехиометрических законов. 

Разработка химических воззрений в XIX в. началась с создания Д. Дальтоном основ химической атомистики. Вскоре А. Авогадро ввел понятие молекула. Однако атомно-молекулярные представления  утвердились в науке лишь в 60-х  годах XIX в. В тот же период в познавательном прицеле химии заняла основополагающее место, наряду с составом, также структура  веществ. Этому в решающей степени  способствовало создание А.М. Бутлеровым теории химического строения. К числу наиболее значительных вех развития научной химии и всего естествознания принадлежит открытие Д.И. Менделеевым периодического закона химических элементов. В конце XIX — начале XX вв. к ведущим направлениям развития химии стало относиться изучение закономер-ностей химического процесса. Со второй половины XX в. в химии плодотворно развивается концепция, нацеленная на изучение возможностей использования в процессах получения целевых продуктов таких условий, которые приводят к самосовершенствованию катализаторов химических реакций, т.е. к самоорганизации химических систем. Эволюционная химия обратилась к постижению путей получения наиболее высокоорганизованных химических систем, которые только возможны в настоящее время. 

В химии исторически  сложились, таким образом, четыре уровня изучения веществ: с позиций их состава, строения, химического действия и  самоорганизации. Тем не менее, специфика  химии не может быть сведена только к исследованию веществ с позиций  этого многоуровневого подхода. Наиболее специфичным для нее  является постижение химизме взаимоотношений  веществ. Причем осмысление феномена химизма, находит свое концентрированное  выражение в современной трактовке  предмета химии. 

Химический взгляд на природу, истоки и современное  состояние.

Химия — очень  древняя наука. Существует несколько  объяснений слова химия. Согласно одной  из имеющихся теорий, оно происходит от древнего названия Египта — Kham и, следовательно, должно означать египетское искусство. Согласно другой теории, слово химия  произошло от греческого слова cumoz (сок  растения) и означает искусство выделения  соков. Этот сок может быть расплавленным  металлом, так что при подобном расширенном толковании данного  термина в него приходится включать и искусство металлургии. 

С химией тесно связаны  элементы стихий древнегреческой на-турфилософии, атомистика Левкиппа и Демокрита. Но, конечно, наибольший вклад в становление  этой науки внесли египтяне. Имя  первого из дошедших до нас химиков  — Болос из Менда, жившего в  дельте Нила на рубеже III и II вв. до н.э. К 300 г. н.э. египтянин Зосима написал  энциклопедию, которая охватывала все  собранные к тому времени знания по химии. Но химия, представленная в  этом труде, еще не была наукой в  полном смысле слова, а оставалась тесно  связанной с древнеегипетской религией и не выходила в своем развитии за пределы формирования феноменологического  уровня. В химии выявлялись свойства, устанавливались закономерности между  ними, сущность же явлений подменялась  их мистической интерпретацией. Химию (химиков) искореняли и преследовали древнеримские императоры, фанатики христианства: ученые изгонялись, книги  их сжигались, сама наука запрещалась. Одни опасались, на-пример, того, что  химики занимались получением золота; вторые преследовали ученых за тесную связь химии с древнеегипетской религией, которая, с точки зрения христианства, была язычеством. 

Начиная с последних  веков I тыс. до н.э. химия бурно развивалась  в арабском мире, а в первой половине нынешнего тысячелетия она получила широкое распространение в Западной Европе. С одной стороны, развитие химии в этот период шло вслед за развитием техники, однако, с другой стороны, она оставалась тесно связанной с религиозно-философской мыслью. В тот период химия существовала главным образом как алхимия. В химии необходимо отметить, прежде всего, существование особого химического взгляда на природу, который не может быть сведен к физическому, несмотря на все успехи физической химии в нынешнем столетии. То есть у химии давно были обнаружены качества некоторого особого типа. Так, согласно известному химику А. А. Бутакову, химические реакции нельзя объяснить только действием сил электрического притяжения и отталкивания. Их действием объясняется лишь физическая сторона химического процесса. Химическая форма движения материи представляет собой процессы изменения частиц вещества, которые, в конечном счете, определяются действием периодического закона. Подобного мнения придерживаются и многие другие ученые-химики. Известный российский физико-химик Н. Н. Семенов сводил основные отличия между физическим и химическим процессом к трем: Истории системы, отсутствию мгновенных параметров для скоростей химических реакций, возможности пользоваться равновесными параметрами для физических процессов и невозможности — для химических. 

В химии хорошо используется подход индуктивный, гораздо менее  продуктивным здесь оказался дедуктивный  подход. При дедуктивном подходе  вся совокупность известных естественно-научных  фактов (не только химических, но и физических, биологических) представляется вытекающей из ряда основных законов. Такой подход, как правило, оказывается достаточно эффективным в физике и там, где  могут быть использованы физические идеи (в химии). Индуктивный подход — это движение в обратном направлении, когда на основе химической фактологии выявляются более или менее общие  закономерности (правила, законы), а  затем уже создаются обобщенные модели, составляющие основу современной  теоретической химии.

Важнейшие особенности  современной химии таковы. 

1. В химии, прежде  всего в физической химии, появляются  многочисленные самостоятельные  научные дисциплины (химическая  термодинамика, химическая кинетика, электрохимия, термохимия, радиационная  химия, фотохимия, плазмохимия,  лазерная химия). 

2. Химия активно  интегрируется с остальными науками,  результатом чего было появление  биохимии, молекулярной биологии, космохимии, геохимии, биогеохимии. Первые изучают  химические процессы в живых  организмах, геохимия — закономерности  поведения химических элементов  в земной коре. Биогеохимия —  это наука о процессах перемещения,  распределения, рассеяния и концентрации  химических элементов в биосфере  при участии организмов. Основоположником  биогеохимии является В. И.  Вернадский. Космохимия изучает  химический состав вещества во  Вселенной, его распространенность  и распределение по отдельным  космическим телам. 3. В химии появляются  принципиально новые методы исследования (структурный рентгеновский анализ, масс-спектроскопия, радиоспектроскопия  и др.). Химия способствовала интенсивному  развитию некоторых направлений  человеческой деятельности. Например, хирургии химия дала три главных  средства, благодаря которым современные  операции стали безболезненными  и вообще возможными: 1) введение  в практику эфирного наркоза, а затем и других наркотических веществ; 2) использование антисептических средств для преду-преждения инфекции; 3) получение новых, не имеющихся в природе аллопластических материалов-полимеров. 

В химии весьма отчетливо  проявляется неравноценность отдельных  химических элементов. Подавляющее  большинство химических соединений (96% из более 8,5 тыс. известных в настоящее  время) — это органические соединения. В их основе лежат 18 элементов), и  большее распространение имеют  всего 6из них). Это происходит в силу того, что, во-первых, химические связи  прочны (энергоемки) и, во-вторых, они  еще и лабильны. Углерод как  никакой другой элемент отвечает всем этим требованиям энергоемкости  и лабильности связей. Он совмещает  в себе химические противоположности, реализуя их единство. 

Однако подчеркнем, что материальная основа жизни не сводится ни к каким, даже самым сложным, химическим образованиям. Она не просто агрегат определенного химического  состава, но одновременно и структура, имеющая функции и осуществляющая процессы. Поэтому невозможно дать жизни только функциональное определение.

В последнее время  химия все чаще предпринимает  штурм соседних с нею уровней  структурной организации природы. Например, химия все более и  более вторгается в биологию, пытаясь  объяснить основы жизни. 

Предмет познания химической науки и ее структура

Современная химия  изучает превращения, при которых  молекулы одного соединения обмениваются атомами с молекулами других соединений, распадаются на молекулы с меньшим  числом атомов, а также вступают в химические реакции, в результате которых образуются новые вещества. Атомы претерпевают в химических процессах некоторые изменения  лишь в наружных электронных оболочках, атомное ядро и внутренние электронные  оболочки при этом не изменяются.

При определении  предмета химии нередко акцентируют  внимание на том, что его составляют, прежде всего, соединения атомов и превращения  этих соединений, происходящее с разрывом одних и образованием других межатомных связей. 

Различные химические науки отличаются тем, что они  занимаются изучением либо различных  классов соединений (такое различие положено в основу разграничения  органической и неорганической химии), либо разных типов реакций (радиохимия, радиационная химия, каталитический синтез, химия полимеров), либо использованием разных методов исследования (физическая химия в ее различных направлениях). Отграничение одной химической дисциплины от другой, сохраняющее в нынешних условиях исторически сложившиеся  разграничительные линии, имеет  относительный характер. 

До конца XIX века химия  в основном была целостной единой наукой. Внутреннее ее деление на органическую и неорганическую не нарушало этого  единства. Но последовавшие вскоре многочисленные открытия, как в самой  химии, так и в биологии, физике положили начало быстрой ее дифференциации.

Современная химическая наука, опираясь в прочные теоретические  основы, непрерывно развивается вширь  и вглубь. В частности, происходит открытие и изучение новых, качественно  различных дискретных химических частиц. Так, еще в первой половине XIX века при изучении электролиза были обнаружены ионы — особые частицы, образованные из атомов и молекул, но электрически заряженные. Ионы являются структурными единицами многих кристаллов, кристаллических  решеток металлов, они существуют в атмосфере, в растворах и  т.д. 

В начале XX в. химики открыли радикалы как одну из активных форм химического вещества. Они образуются из молекул путем отщепления отдельных  атомов или групп и содержат атомы  элементов в необычном для  них валентном состоянии, что  связано с наличием одиночных (неспаренных) электронов, объясняющих их исключительную химическую активность.

К особым формам химического  вещества относятся также макромолекулы. Они состоят из сотен и тысяч  атомов и вследствие этого приобретают  в отличие от обычной молекулы качественно новые свойства. 

Характерный для  новейшей химии, как и для всей науки XX в., процесс глубокой внутренней дифференциации в значительной степени  связан с открытием этого качественного  многообразия химических веществ. Их строение, превращения и свойства стали  предметом изучения специальных  разделов химии: электрохимии, химической кинетики, химии полимеров, химии  комплексных соединений, коллоидной химии, химии высокомолекулярных соединений.

Уже к началу XX в. внутри самой химии четко различаются  общая и неорганическая химия, и  органическая химия. Предметом изучения общей и тесно связанной с  ней неорганической химии стали  химические элементы, образуемые ими  простейшие неорганические соединения и их общие законы (прежде всего  Периодический закон Д.И. Менделеева).

Сильный толчок развитию неорганической химии дали проникновение  в недра атома и изучение ядерных  процессов. Поиски элементов, наиболее пригодных для расщепления в  ядерных реакторах, способствовали исследованию малоизученных и синтезу  новых элементов с помощью  ядерных реакций. Изучением их свойств, а также физико-химических основ  и химических свойств радиоактивных  изотопов, методикой их выделения  и концентрации занялась радиохимия, возникшая во второй четверти XX в. 

Органическая химия  окончательно сложилась в самостоятельную  науку во второй половине XIXв. Этому  способствовало получение большого эмпирического и теоретического материала о соединениях углерода и его производных. Определяющим фактором для всех органических соединений яв-ляются особенности валентного состояния  углерода — способность его атомов связываться между собой как  одинарной, так и двойной, тройной  связью в длинные линейные и разветвленные  цепи. Благодаря бесконечному многообразию форм сцепления углеродных атомов, наличию изомерии и гомологических рядов почти во всех классах органических соединений возможности получения этих соединений практически безграничны.