Развитие науки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

План

Вопрос 14. Что такое парадигма? В чем заключаются сильные и слабые стороны концепции Т. Куна?

Вопрос 30. Опишите современные представления о строении Земли и ее эволюции.

Вопрос 39. Что такое термодинамическое равновесие? Что является его критерием? Чем определяется устойчивость состояния термодинамического равновесия? Сформулируйте принцип Ле Шателье.

Вопрос 48. Как образуются молекулы? Кратко охарактеризуйте основные виды химической связи. Приведите примеры соединений с различными типами химических связей.

Список литературы.

Вопрос 14. Что такое парадигма? В чем заключаются сильные и слабые стороны концепции Т. Куна?

На первый взгляд Кун не открывает ничего нового, о наличии в развитии науки нормальных и революционных периодов говорили многие авторы. Но они не смогли найти аргументированного ответа на вопросы: "Чем отличаются небольшие, постепенные, количественные изменения от изменений коренных, качественных, в том числе революционных?", "Как эти коренные сдвиги назревают и подготавливаются в предшествующий период?". Не случайно поэтому история науки нередко излагается как простой перечень фактов и открытий. При таком подходе прогресс в науке сводится к простому накоплению и росту научного знания (кумуляции), вследствие чего не раскрываются внутренние закономерности происходящих в процессе познания изменений. Этот кумулятивистский подход и критикует Кун в своей книге, противопоставляя ему свою концепцию развития науки через периодически происходящие революции.

Кратко теория Куна состоит в следующем: периоды спокойного развития (периоды "нормальной науки") сменяются кризисом, который может разрешиться революцией, заменяющей господствующую парадигму. Под парадигмой Кун понимает общепризнанную совокупность понятий, теории и методов исследования, которая дает научному сообществу модель постановки проблем и их решений.

В качестве попытки наглядно представить рассматриваемую теорию читателю предлагается схематический график развития науки по Куну. Дальнейшее изложение идет по пути раскрытия понятий и процессов, изображенных на схеме.

Согласно книге «Структура научных революций» Т.Куна, историю науки можно представить в виде следующих периодов.

Допарадигмальный период

Допарадигмальный период в развитии науки характеризуется наличием большого числа школ и различных направлений. Каждая школа по-своему объясняет различные явления и факты, лежащие в русле конкретной науки, причем в основе этих интерпретаций могут находиться различные методологические и философские предпосылки. В качестве примера можно рассмотреть историю физической оптики. От глубокой древности до конца XVII века не было периода, для которого была бы характерна единственная и общепринятая в научном сообществе точка зрения на природу света. Вместо этого было множество противоборствующих школ, большинство из которых придерживалось какой-либо разновидности теории Эпикура, Аристотеля или Платона. Одно из направлений рассматривало свет как частицы, испускаемые материальным телом; для другого свет был модификацией среды, находящейся между этим телом и человеческим глазом; кроме того, свет объяснялся в терминах взаимодействия среды с излучением самих глаз. Хотя представители всех этих школ физической оптики до Ньютона были учеными, результат их деятельности нельзя в полной мере назвать научным. Не имея возможности принять какую-либо общую основу для своих убеждений, представители каждой школы пытались строить свою собственную физическую оптику заново, начиная с наблюдений.

Зрелая наука

На смену допарадигмальной науки приходит, по мнению Куна, зрелая наука. Зрелая наука характеризуется тем, что в данный момент в ней существует не более одной общепринятой парадигмы.

Первоначальные расхождения, характерные для ранних стадий развития науки, с появлением общих теоретических и методологических предпосылок и принципов постепенно исчезают, сначала в весьма значительной степени, а затем и окончательно. Более того, их исчезновение обычно вызвано триумфом одной из допарадигмальных школ, например, общественным признанием парадигмы Франклина в области исследования электрических явлений.

Существование парадигмы предполагает и более четкое определение области исследования в зрелой науке (или профессионализм). Именно благодаря принятию парадигмы школа, интересовавшаяся ранее изучением природы из простого любопытства, становится вполне профессиональной научной школой, а предмет ее интереса превращается в научную дисциплину.

В наши дни такие парадигмы или научные достижения, которые в течение долгого времени признаются определенным научным сообществом как основа для развития его дальнейшей деятельности, излагаются в учебниках. Учебники разъясняют сущность принятой теории, иллюстрируют многие ее применения и сравнивают эти применения с типичными наблюдениями и экспериментами. Они определяют правомерность проблем и методов исследования каждой области науки для последующих поколений ученых. До того как подобные учебники стали общераспространенными, аналогичную функцию выполняли знаменитые классические труды ученых: "Начала" и "Оптика" Ньютона, "Электричество" Франклина, "Химия" Лавуазье и многие другие. Их создание было в достаточной мере беспрецедентным, чтобы на долгое время отвратить ученых от конкурирующих концепций, и, в то же время, они были достаточно открытыми, чтобы новые поколения ученых могли в их рамках найти для себя нерешенные проблемы любого вида.

Этапы развития зрелой науки

Зрелая наука в своем развитии последовательно проходит несколько этапов. Период нормальной науки сменяется периодом кризиса, который либо разрешается методами нормальной науки, либо приводит к научной революции, которая заменяет парадигму. С полной или частичной заменой парадигмы снова наступает период нормальной науки.

Нормальная наука

"Нормальной наукой" Кун называет исследование, прочно опирающееся на одно или несколько прошлых научных достижений, которые в течение некоторого времени признаются определенным научным сообществом в качестве основы для развития, то есть это исследование в рамках парадигмы и направленное на поддержание этой парадигмы. При ближайшем рассмотрении "создается впечатление, будто бы природу пытаются втиснуть в парадигму, как в заранее сколоченную и довольно тесную коробку", "явления, которые не вмещаются в эту коробку, часто, в сущности, вообще упускаются из виду"1.

Нормальная наука не ставит своей целью создание новой теории, и успех в нормальном научном исследовании состоит не в этом. Исследование в нормальной науке направлено на разработку тех явлений и теорий, существование которых парадигма заведомо предполагает. Кратко деятельность ученых в рамках нормальной науки можно охарактеризовать как наведение порядка (ни в коем случае не революционным путем).

Понятие "нормальной науки", введенное Куном, подверглось острой критике сторонниками критического рационализма во главе с Карлом Поппером. Поппер согласен с тем, что нормальная наука существует, но если Куну этот феномен представляется как нормальный, то Поппер в работе "Нормальная наука и ее опасности" (1970) рассматривает его как опасный для науки в целом.

В критике понимания Куном нормальной науки можно выделить два направления. Во-первых, полное отрицание самого существования нормальной науки. С этой точки зрения наука никогда бы не сдвинулась с места, если бы основной деятельностью ученых была нормальная наука, как ее представляет Кун. Сторонники этого направления в критике Куна полагают, что нормальной науки, предполагающей только кумулятивное накопление знания, вообще не существует; что из нормальной науки Куна не может вырасти революции. "Нормальная наука" отождествляется с теоретическим застоем или стагнацией в науке.

Второе направление в критике нормальной науки представлено К.Поппером. Он признает существование нормальной науки, но вместе с тем принижает ее роль. Нормальная наука Куна, как считает Поппер, представляет опасность для самого существования науки. "Нормальный" ученый вызывает у Поппера чувство жалости: он не привык к критическому мышлению. На самом деле, хотя ученый и работает обычно в рамках какой-то теории, при желании он может в любой момент выйти за эти рамки. Неверно, однако, на этом основании говорить об истории науки как о непрерывной революции, к чему склоняется Поппер, и принижать роль нормальной науки как периода эволюционного развития в науке.

Аномалии и кризис в науке

Нормальная наука не ставит своей целью нахождение нового факта или теории, тем не менее новые явления вновь и вновь открываются научными исследованиями, а радикально новые теории опять и опять изобретаются учеными. "Открытие начинается с осознания аномалии, то есть с установления того факта, что природа каким-то образом нарушила навеянные парадигмой ожидания, направляющие развитие нормальной науки"5 -- пишет Кун. Это осознание различия между вновь обнаруженными фактами и теорией приводит затем к более или менее расширенному исследованию области аномалии.

Аномалия появляется только на фоне парадигмы. Чем более точна и развита парадигма, тем более чувствительным индикатором она выступает при обнаружения аномалии, что тем самым приводит к изменению в парадигме. Осознание аномалии открывает период, когда парадигмальные теории приспосабливаются (подгоняются) к новым обстоятельствам до тех пор, пока аномалия не становится ожидаемой. Причем усвоение теорией нового вида фактов требует чего-то большего, чем просто дополнительного приспособления теории; ученый должен научиться видеть природу в ином свете. Так восприятие обнаруженной аномалии потребовало изменения парадигмы. Все известные в истории естествознания открытия новых видов явлений характеризуются тремя общими чертами: предварительное осознание аномалии, постепенное или мгновенное ее признание и последующее изменение парадигмальных понятий и процедур.

После того как открытие осознано, научное сообщество получает возможность объяснять более широкую область явлений и процессов или более точно описать те явления, которые были известны ранее, но были плохо объяснены. Но этого можно достичь только путем отбрасывания некоторых убеждений прежней парадигмы или их замены другими.

История науки свидетельствует о том, что на ранних стадиях развития новой парадигмы возможно создание альтернативных теорий. Как замечает Кун, "философы науки неоднократно показывали, что на одном и том же наборе данных всегда можно возвести более чем один теоретический конструкт"8. Но ученые редко прибегают к подобному изобретению альтернатив, характерному для допарадигмального периода. "Как и в производстве, в науке смена оборудования -- крайняя мера, к которой прибегают лишь в случае действительной необходимости". Именно кризисы выступают индикаторами своевременности этого переоборудования.

Революция в науке

Научная революция, в отличие от периода постепенного накопления (кумуляции) знаний, рассматривается как такой некумулятивный эпизод развития науки, во время которого старая парадигма замещается полностью или частично новой парадигмой, несовместимой со старой.

Осознание кризиса, описанное в предыдущем разделе, составляет предпосылку революции.

Как во время политических революций выбор между конкурирующими политическими институтами оказывается выбором между несовместимыми моделями жизни общества, так и во время научных революций выбор между конкурирующими парадигмами оказывается выбором между несовместимыми моделями жизни научного сообщества. Кун утверждает, что "Вследствие того, что выбор носит такой характер, он не детерминирован и не может быть детерминирован просто оценочными характеристиками процедур нормальной науки... Когда парадигмы, как это и должно быть, попадают в русло споров о выборе парадигмы... каждая группа использует свою собственную парадигму для аргументации в защиту этой же парадигмы"9. Кун считает, что аргументация за выбор какой-то конкретной парадигмы "обращается не к логике, а к убеждению".

Кун показывает, что научные революции не являются кумулятивным этапом в развитии науки, напротив, кумулятивным этапом являются только исследование в рамках нормальной науки, благодаря умению ученых отбирать разрешимые задачи-головоломки.

В результате научной революции изменяется взгляд ученых на мир. В каком-то смысле можно сказать, что в результате революции ученый оказывается в другом мире, разительно отличающемся от прежнего. Это происходит вследствие того, что ученые видят мир своих исследований через призму парадигмы. Кун сравнивает изменения взглядов ученых в результате научной революции с переключением зрительного гештальта: "То, что казалось ученому уткой до революции, после революции оказывалось кроликом"12. В гештальт-экспериментах предпосылкой самого восприятия является некоторый стереотип, напоминающий парадигму. К сожалению, ученые не могут переключать в ту или другую сторону свое восприятие также сравнительно легко, как это происходит с испытуемыми в гештальт-экспериментах.

Иногда новая парадигма выбирается не на основе сравнения возможностей конкурирующих теорий в решении проблем. В этом случае аргументы в защиту парадигмы апеллируют к "индивидуальному ощущению удобства, к эстетическому чувству". Новая теория должна быть более ясной, удобной и простой. Кун считает, что "такие аргументы более эффективны в математике, чем в других естественных науках"16.

Концепция научных революций Куна представляет собой довольно-таки спорный взгляд на развитие науки. На первый взгляд, Кун не открывает ничего нового, о наличии в развитии науки нормальных и революционных периодов говорили многие авторы. В чем же особенность философских взглядов Куна на развитие научного знания?

Во-первых, Кун представляет целостную концепцию развития науки, а не ограничивается описанием тех или иных событий из истории науки. Эта концепция решительно порывает с целым рядом старых традиций в философии науки.

Во-вторых, в своей концепции Кун решительно отвергает позитивизм - господствующее в с конца XIX века течение в философии науки. В противоположность позитивисткой позиции в центре внимания Куна не анализ готовых структур научного знания, а раскрытие механизма развития науки, т.е., по существу, исследование движения научного знания.

В-третьих, в отличие от широко распространенного кумулятивисткого взгляда на науку, Кун не считает, что в наука развивается по пути наращивания знания. В его теории накопление знаний допускается лишь на стадии нормальной науки.

В-четвертых, научная революция, по Куну, сменяя взгляд на природу, не приводит к прогрессу, связанному с возрастанием объективной истинности научных знаний. Он опускает вопрос о качественном соотношении старой и новой парадигмы: является ли новая парадигма, пришедшая на смену старой, лучше с точки зрения прогресса в научном познании? Как мне кажется, новая парадигма, с точки зрения Куна, ничуть не лучше старой.

Вопрос 30. Опишите современные представления о строении Земли и ее эволюции

парадигма эволюция молекула химический

Земля -- спутник Солнца в мировом пространстве, вечно кружащийся вокруг этого источника тепла и света. Самыми яркими из постоянно наблюдаемых нами небесных объектов, кроме Солнца и Луны, являются соседние с нами планеты. Они принадлежат к числу тех девяти миров (включая Землю), которые обращаются вокруг Солнца (а его радиус 700 тыс. км, т.е. в 100 раз больше радиуса Земли) на расстояниях, достигающих нескольких миллиардов километров. Группа планет вместе с Солнцем составляет Солнечную систему. Планеты хотя и кажутся похожими на звезды, в действительности гораздо меньше последних и темнее. Они видны только потому, что отражают солнечный свет, который кажется очень яркими, поскольку планеты гораздо ближе к Земле, чем звезды.

Строение планет слоистое. Выделяют несколько сферических оболочек, различающихся по химическому составу, фазовому состоянию, плотности и другим характеристикам.

Все планеты земной группы имеют твердые оболочки, в которых сосредоточена почти вся их масса. Венера, Земля и Марс обладают газовыми атмосферами. Меркурий практически лишен атмосферы. Окутан плотной атмосферой крупнейший спутник Сатурна -- Титан, который по размерам больше планеты Меркурий. Титан -- единственный спутник в нашей Солнечной системе, обладающий постоянной и плотной газовой атмосферой, которая состоит главным образом из азота и метана. Запущенная в 1997 г. к Сатурну автоматическая космическая станция «Кассини», уже передавшая изображения Сатурна, в 2004 г. должна сблизиться с Титаном, спустить на его поверхность, «прититанить» на парашюте космический зонд «Гюйгенс», который будет передавать информацию о состоянии атмосферы и поверхности Титана (ее температура -- 180°С).

Земля имеет жидкую оболочку из воды -- гидросферу, а также биосферу (результат прошлой и современной деятельности живых организмов). Аналогом земной гидросферы на Марсе является криосфера -- лед в полярных шапках и в грунте (вечная мерзлота). Одна из загадок Солнечной системы -- дефицит воды на Венере.

Характеристики твердых оболочек планет относительно хорошо известны лишь для Земли. Модели внутреннего строения других планет земной группы строятся главным образом на основании данных о свойствах вещества земных недр. Как и у Земли, в твердых оболочках планет выделяют: кору -- самую внешнюю тонкую (10--100 км) твердую оболочку; мантию -- твердую и толстую (1000--3000 км) оболочку; ядро -- наиболее плотную часть планетных недр.

Ядро Земли, состоящее, скорее всего, из железа, подразделяется на внешнее (жидкое) и внутреннее (твердое); температура в центре Земли оценивается в 4000--5000 К. Жидкое ядро, вероятно, есть также у Меркурия и Венеры; у Марса его, по-видимому, нет.

Наиболее распространены в твердом «теле» Земли железо (34,6%), кислород (29,5%), кремний (15,2%) и магний (12,7%).

Таким образом, планеты земной группы резко отличаются по элементному составу от Солнца и совершенно не соответствуют средней космической распространенности элементов -- очень мало водорода, инертных газов, включая гелий.

Предполагается, что планеты возникли одновременно (или почти одновременно) 4,6 млрд лет назад из газово-пылевой туманности, имевшей форму диска, в центре которого располагалось молодое Солнце. Образование звезд и планетных систем -- это, по-видимому, все-таки единый процесс, происходящий в результате конденсации облака межзвездного газа в силу его гравитационной неустойчивости.

Таким образом, протопланетная туманность образовалась вместе с Солнцем из межзвездного вещества, плотность которого превысила критические пределы. По некоторым данным (присутствие специфических изотопов в метеоритах), такое уплотнение произошло в результате относительно близкого взрыва сверхновой звезды. Взрыв сверхновой мог ускорить и стимулировать процесс конденсации, а также обеспечить содержание в составе газовой туманности тяжелых элементов. Допланетное облако было мало массивным. Если бы его масса превышала 0,15 массы Солнца, оно аккумулировалось бы не в систему планет, а в звездообразный спутник Солнца.

Протопланетное облако было неустойчивым, оно становилось все более плоским, конденсировалось в уплотненный диск, в нем возникали неустойчивости, которые приводили к образованию ряда колец, а газовые кольца превращались в газовые сгустки -- протопланеты. Протопланеты сжимались, твердые пылинки сближались, сталкивались, образовывали тела все больших размеров. В относительно короткий срок (10n лет, где, по разным оценкам, n = 5--8) сформировались девять больших планет.

В настоящее время господствует идея холодного, а не горячего, начального состояния Земли и других планет Солнечной системы, которые возникли в результате аккреции частиц и твердых тел газово-пылевого протопланетного облака, окружавшего Солнце. Однако пока не решен вопрос, была ли Земля гомогенна или гетерогенна к концу своего формирования, образовались ли ядро, мантия и кора в результате гетерогенной аккреции или же наша планета создавалась из гомогенного материала, который затем подвергался дифференциации в процессе последующей геологической истории. Большинство исследователей придерживаются модели гетерогенной аккреции. (Хотя вопрос о разделе вещества допланетного облака на железные и силикатные частицы пока окончательно не решен.)

Астероиды, кометы, метеориты являются, вероятно, остатками материала, из которого сформировались планеты. Астероиды сохранились до нашего времени благодаря тому, что подавляющее большинство их движется в широком промежутке между орбитами Марса и Юпитера. Аналогичные каменистые тела, некогда существовавшие во всей зоне планет земной группы, давно либо присоединились к этим планетам, либо разрушились при взаимных столкновениях, либо были выброшены на пределы этой зоны вследствие гравитационного воздействия планет.

Происхождение систем регулярных спутников (т.е. движущихся в направлении вращения планеты по почти круговым орбитам, лежащим в плоскости ее экватора) авторы космогонических гипотез обычно объясняют повторением в малом масштабе того же процесса, который они предлагают для объяснения образования планет Солнечной системы. Такие спутники есть у Юпитера, Сатурна, Урана. Происхождение иррегулярных спутников (т.е. таких, которые обладают обратным движением) эти теории объясняют захватом.

Что касается Луны, то наиболее вероятным является ее образование на околоземной орбите (возможно, из нескольких крупных спутников, которые в конечном счете объединились в одно тело -- Луну, что обеспечило ее быстрое нагревание), хотя продолжают обсуждаться и маловероятные гипотезы захвата Землей готовой Луны и отделения Луны от Земли.

Вопрос 39. Что такое термодинамическое равновесие? Что является его критерием? Чем определяется устойчивость состояния термодинамического равновесия? Сформулируйте принцип Ле Шателье

Все теpмодинамические системы подчиняются общему закону макpоскопической необpатимости, суть котоpого состоит в следующем: если система замкнута (не обменивается энеpгией с окpужающей сpедой) и поставлена в неизменные внешние условия, то, из какого бы состояния она не исходила, в pезультате внутpенних пpоцессов чеpез опpеделенное вpемя система непpеменно пpидет в состояние макpоскопического покоя, называемое термодинамическим pавновесием .

В теpмодинамическом pавновесии какие бы то ни было макроскопические пpоцессы (механическое движение, теплопеpедача, химические pеакции, электpические pазpяды и т.д.) пpекpащаются. Однако не пpекpащаются микpоскопические пpоцессы (атомы движутся, химические pеакции с участием отдельных молекул пpодолжают пpоисходить и т.д.). В системе устанавливается макpоскопическое, но не микpоскопическое pавновесие. Микpоскопические же пpоцессы пpодолжают пpотекать, но в пpотивоположных напpавлениях. Из-за чего макpоpавновесие имеет подвижный хаpактеp, пpи котоpом число пpямых актов движения или pеакции уpавновешивается числом обpатных актов. Микpоскопическое подвижное pавновесие в макpоскопическом отношении пpоявляется как полный покой, как пpекpащение каких бы то ни было теpмодинамических пpоцессов.

Если система пpишла в состояние теpмодинамического pавновесия, то она сама собой не выйдет из него, т.е. пpоцесс пеpехода системы в состояние pавновесия необpатим. Отсюда и название закона - закон макpоскопической необpатимости. Закон макpоскопической необpатимости не имеет исключений. Он касается всех без исключения теpмодинамических систем, а системы могут быть чpезвычайно pазнообpазными. Поэтому понятие теpмодинамического pавновесия в теpмодинамике занимает центpальное место. Оно пpостое по содеpжанию и очень емкое по объему, так как включает в себя множество частных случаев pавновесия. Остановимся на некотоpых из них.

Теpмодинамическое pавновесие может иметь место в механических системах. Если, напpимеp, жидкость в сосуде приведена в движение, то, будучи предоставленной самой себе, она из-за вязкости придет в состояние механического покоя или механического pавновесия .

Если холодное и горячее тела приведены в тепловой контакт, то спустя некоторое вpемя их темпеpатуpы непременно выpавняются - наступит тепловое равновесие

Если в замкнутом сосуде находится жидкость, которая испаряется, то наступит момент, когда испаpение пpекpатится. В сосуде установится фазовое равновесие между жидкостью и ее паpом.

Если в жидкости или в газе начался процесс диссоциации молекул (сопровождающийся обратным процессом их рекомбинации), то установится ионное pавновесие, пpи котоpом сpеднее число ионов в жидкости будет постоянным.

Если в некоторой смеси веществ идут химические реакции, то спустя опpеделенное вpемя в неизменных внешних условиях (постоянные темпеpатуpа и давление) установится химическое равновесие, при котором количества химических реагентов не будут изменяться.

Если стенки некоторой замкнутой полости излучают свет (внутрь полости), то в полости устанавливается световое равновесие, пpи котором стенки полости излучают столько же света за определенное время, сколько его и поглощают.

Как видим понятие теpмодинамического pавновесия включает в себя большое число частных видов pавновесия. В конкpетных задачах обычно имеют дело с каким-нибудь одним или двумя видами pавновесия. Пpи pассмотpении общих теоpетических вопpосов можно говоpить о теpмодинамическом pавновесии в шиpоком смысле слова.

Пpоцесс пеpехода системы из неpавновесного состояния в pавновесное называется пpоцессом pелаксации, а вpемя пеpехода называется вpеменем pелаксации .

Закон макpоскопической необратимости можно конкpетизиpовать. Всякая теpмодинамическая система поставлена в определенные внешние условия. Количественно внешние условия хаpакеpизуются рядом величин, которые называются внешними паpаметpами . Как правило, в числе внешних паpаметpов выступает один - объем системы V, задаваемый обычно сосудом, в котоpом система находится. С другой стороны, если система замкнута, то ее внутpеннее состояние хаpактеpизуется постоянной энергией U. Конкретизация закона термодинамической необратимости заключается в следующем.

Если замкнутая система исходит из некоторого неравновесного состояния с фиксированными внешними паpаметpами, то равновесие, в которое она непременно придет, будет однозначно определяться внешними паpаметpами и энеpгией.

Это означает, что, из каких бы начальных неравновесных состояний с заданными и фиксиpованными внешними паpаметpами и энеpгией система не исходила, она пpидет в одно и то же состояние pавновесия. Равновесие полностью опpеделяется внешними паpаметpами и энеpгией. Если внешним паpаметpом является объем системы и только объем, то состояние pавновесия опpеделяется только объемом и энеpгией. Все иные паpаметpы системы (напpимеp, давление, темпеpатуpа и т.п.) в состоянии pавновесия есть функции этих двух - объема и энеpгии.

Принцип Ле Шателье -- Брауна (1884 г.) -- если на систему, находящуюся в равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-нибудь из условий (температура, давление, концентрация), то равновесие смещается таким образом, чтобы уменьшить изменение. Повышение температуры вызывает смещение равновесия в направлении того из процессов, который сопровождается поглощением теплоты. Повышение давления смещает равновесие в направлении процесса, сопровождающегося уменьшением объема. Введение дополнительных количеств какого-либо из веществ, участвующих в реакции, смещает равновесие в том направлении, при котором концентрация этого вещества уменьшается.

Вопрос 48. Как образуются молекулы? Кратко охарактеризуйте основные виды химической связи. Приведите примеры соединений с различными типами химических связей

Важная часть квантовой химии -- теория молекулярного строения вещества. Как уже отмечалось выше, атомы, соединяясь химическими связями, образуют молекулы, которые являются наименьшей частицей вещества, обладающей его химическими свойствами. (Одноатомные молекулы инертных газов, строго говоря, молекулами не являются.) Как и атомы, молекулы -- это квантовые системы.

Понятие о молекулярном строении вещества утвердилось в химии в середине XIX в. в связи с развитием термодинамики и теории газов, и окончательно было подтверждено экспериментами Ж.Б. Перрена, проводившимися над явлением броуновского движения (беспорядочного движения малых частиц, взвешенных в жидкости или газе, вызванного движением ударов молекул окружающей среды) в 1906 г. Эти эксперименты подтверждали теорию броуновского движения как флуктуаций давления окружающих молекул, разработанную в 1905--1906 гг. А. Эйнштейном и М. Смолуховским.

Молекулы как атомные системы характеризуются составом (из атомов каких элементов они состоят), молекулярной массой и структурной формулой, указывающей последовательность химических связей атомов. Так, молекула воды имеет состав Н2О, молекулярную массу 18 единиц, из которых 16 приходится на кислород (О) и 2 на водород (Н), и структурную формулу Н--О--Н. Размеры молекул определяются их массой и структурой и у больших молекул могут достигать 10-5 см.

Некоторые молекулы, обладая одинаковым составом, тем не менее различаются расположением атомов, последовательностью химических связей. Такие молекулы называются изомерами и изображаются разными структурными формулами. Их химические свойства обычно также значительно разнятся. В любом случае расположение атомов в молекуле всегда симметрично.

Молекула -- это сложная, находящаяся в постоянном движении квантовая система. Атомы входят в состав молекулы и в то же время совершают непрерывные колебательные движения. Причем в многоатомной молекуле колебания различных атомов зависят друг от друга, и каждое характеризуется своей частотой. Кроме того, сами молекулы как целое, например в газах, совершают еще и поступательные, и вращательные движения.

В квантовой химии состояние молекулы как квантовой системы также описывается уравнением Шрёдингера. Решение этого уравнения обычно распадается на два уравнения -- для электронов и для ядер. Решение для электронов позволяет определять уровни энергии электронов, которых значительно больше, чем уровней энергии составляющих молекулу атомов. Ведь каждый атом находится в электрическом поле остальных атомов, и в результате уровни расщепляются. При решении уравнения Шрёдингера для электронов учитываются электростатические взаимодействия электронов с ядрами, друг с другом, а также кинетическая энергия ядер и электронов. Решения уравнения Шрёдингера для ядер дает возможность охарактеризовать колебательные и вращательные движения молекул как целого.

Важным понятием квантовой теории молекул является понятие химической связи. Химическая связь -- это та связь между атомами, которая приводит к образованию молекул. Для возникновения химической связи абсолютным является одно условие: образование молекулы из атомов возможно в том случае, когда внутренняя энергия молекулы оказывается ниже суммарной энергии этих атомов в изолированном состоянии. А понижение энергии системы означает повышение ее устойчивости.

Химическая связь устанавливается исключительно за счет электромагнитного взаимодействия электронов и ядер, входящих в молекулу атомов. Выделяют два основных типа химических связей -- ионную и ковалентную. Ионная связь образуется за счет переноса электронов с одного атома на другой и образования при этом положительных и отрицательных ионов, которые связываются друг с другом электростатически (например, NaCl). Ковалентная связь образуется в результате обобществления электронов (обычно электронных пар) соседними атомами; иначе говоря, электроны верхнего слоя двух (и большего количества) атомов становятся общими для этих атомов (например, в молекулах Н2, О2, СО и др.). При этом следует иметь в виду, что понятия ионной и ковалентной связи -- это некоторые идеализации. На самом деле в природе нет чистых ионных и чистых ковалентных связей; имеет смысл говорить о преимущественно той или другой.

И, наконец, в металлах преобладает тип химической связи, который называется металлической связью. Она реализуется за счет большой концентрации в кристаллах свободных электронов («электронный газ»), которые удерживают положительные ионы на определенных расстояниях друг от друга, осуществляя коллективное взаимодействие атомов. Такие связи изучают в физике твердого тела.

Список литературы

1. Карпенков С.Х. Основные концепции естествознания. М., 1997.

2. Концепции современного естествознания. Под ред. С.И.Самыгина. Ростов н/Д, 2001.

3. Кун Т. Структура научных революций. М., 1975.

4. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учебник. М., 2004.

5. Пахомов Б.Я. Становление современной научной картины мира. М., 1995.

6. Розенталь И.Л. Элементарные частицы и структура Вселенной. М, 1984.

7. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания. М., 1997.

8. Солопов Е.Ф. Концепции современного естествознания. М., 1998.

Размещено на Allbest.ru