Химия в системе естественных наук

49. Каковы место и роль химии в современной цивилизации?

На протяжении длительного развития человечество не ра₃ сталкивалось с большим числом проблем, от которых нередко зависело само его существование. Чтобы выжить, наш пре­док научился изготавливать и использовать простейшие ору­дия труда, чем компенсировал свои природные недостатки. В дальнейшем первобытный человек, оказавшись перед про­блемой обеспечения пищей, освоил охоту, затем земледелие и скотоводство. Освоение все более сложных орудий и пред­метов труда вызвало энергетическую проблему, потребовало перехода от естественных источников энергии к более совер­шенным. Энергетическая проблема последовательно привела человека к освоению энергии пара, тепловой, электрической энергии, и, наконец, энергии атома.

Необходимость повышения производительности труда и эф­фективности производства, роста темпов добычи и перера­ботки громадного объема минеральных ресурсов, наряду с необходимостью решения многих жизненно важных проблем вызвали к жизни использование химической технологии, все­общую химизацию, а затем компьютеризацию общественно­го производства и быта.

Успехи человека в решении больших и малых проблем вы­живания в значительной мере были достигнуты благодаря раз­витию химии, становлению различных химических техноло­гий. Успехи многих отраслей человеческой деятельности, та­ких как энергетика, металлургия, машиностроение, легкая и пищевая промышленность и других, во многом зависит от состояния и развития химии. Огромное значение химия име­ет для успешной работы сельскохозяйственного производства, фармацевтической промышленности, обеспечения быта человеком.

Химическая промышленность производит десятки тысяч наименований продуктов, многие из которых по технологи­ческим и экономическим характеристикам успешно конкури­руют с традиционными материалами, а часть — являются уни­кальными по своим параметрам. Химия дает материалы с за­ранее заданными свойствами, в том числе и такими, которые не встречаются в природе. Подобные материалы позволяют проводить технологические процессы с большими скоростями температурами, давлениями, в условиях агрессивных сред. Для промышленности химия поставляет такие продук­ты, как кислоты и щелочи, краски, синтетические волокна и.т.п. Для сельского хозяйства химическая промышленность выпускает минеральные удобрения, средства защиты от вре­дителей, химические добавки и консерванты к кормам для животных. Для домашнего хозяйства и быта химия поставля­ет моющие средства, краски, аэрозоли и другие продукты.

Химия характерна не только тем, что обеспечивает произ­водство многих необходимых продуктов, материалов, лекарств. Во многих отраслях промышленности широко используются также химические методы обработки: беление, крашение, пе­чатание — в текстильной промышленности; обезжиривание, травление, цианирование — в машиностроении; кислородное дутье — в металлургии; консервация, синтезирование витами­нов и аминокислот — в пищевой и фармацевтической про­мышленности, и т.д. Внедрение химических методов ведет к интенсификации технологических процессов, увеличению вы­хода полезного вещества, снижению отходов, повышению качества продукции.

Таким образом, химизация, как процесс внедрения хи­мических методов в общественное производство и быт, по­зволила человеку решить многие технические, экономичес­кие и социальные проблемы. Однако масштабность, а не-Редко и неуправляемость этого процесса обернулось «второй ^стороной медали». Химия прямо или опосредованно затронула практически все компоненты окружающей среды — сушу, атмосферу, воду Мирового океана, внедрилась в природные Круговороты веществ. В результате этого нарушилось сложившееся в течение миллионов лет равновесие природных процессовна планете, химизация стала заметно отражаться на здоровье самого человека. Возникла ситуация, которую уче­ные обоснованно именуют химической войной против насе­ления Земли. За последние 30—40 лет в этой войне пострада­ли сотни миллионов жителей планеты. Возникла в связи с этим самостоятельная ветвь экологической науки — химичес­кая экология.

Основными источниками, загрязняющими окружающую среду, кроме собственно химической промышленности, яв­ляются металлургия, автомобильный транспорт, тепловые электростанции. Они дают большой объем газообразных от­ходов, загрязняют реки и озера сточными водами, использу­емыми в технологических целях. Газообразные отходы содер­жат оксиды углерода, серы, азота, соединения свинца, рту­ти, бензопирен, сероводород и другие вредные вещества. В связи со сжиганием топлива в больших объемах возникла про­блема снижения концентрации кислорода и озона в атмосфе­ре, получившая название «кислородного голодания».

К твердым отходам относятся отходы горнодобывающей промышленности, строительный и бытовой мусор. Сточные воды содержат многие неорганические соединения — ионы ртути, цинка, кадмия, меди, никеля и т.д. Пятая часть вод Мирового океана загрязнена нефтью и нефтепродуктами. Зна­чительный ущерб водоемам вследствие вымывания удобрений из почвы наносят загрязнения, связанные с сельскохозяй­ственным производством. Вредные вещества из воздуха и воды попадают в почву, в которой накапливаются тяжелые метал­лы, радиоактивные элементы.

В организм человека вредные вещества попадают через воздух, воду и пищу. Таким образом, человечество, пройдя ряд этапов развития — от огня до термоядерной бомбы, — ^Б начале XXI в. оказалось в условиях, когда в очередной Р^а3 встал вопрос о его выживании. Угроза экологической катас­трофы требует решительного пересмотра отношений современной «химической» цивилизации и природы в сторону оптимизации этих отношений. Задача заключается в том, что- бы через новые технологии гармонизировать отношения «об­щество — природа» таким образом, чтобы компенсаторных возможностей окружающей среды было достаточно для нейт­рализации антропогенных воздействий на нее.

Новые технологии по своим параметрам должны прибли­жаться к природным процессам, отличаться от промышлен­ных своей безотходностью или малоотходностью. В настоя­щее время наметились следующие пути решения сложных эко­логических проблем: комплексная переработка сырья; пересмотр традиционных процессов и схем получения известных продук­тов; внедрение бессточных и замкнутых схем водопотребления; очистка выбрасываемых газов; использование промышленных комплексов с замкнутой структурой материальных и энергетических потоков.

Проблема выживания человека в настоящее время оказа­лась осложненной проблемами геополитического, социаль­ного и чисто технического характера. Решение последних затруднено ввиду потребительского характера сложившейся ци­вилизации и эгоцентризма индустриально развитых стран. Однако, опираясь на идеи В.И.Вернадского о перерастании биосферы в ноосферу, можно говорить о неслучайности по­явления человека на Земле, о его предназначении в кризис­ной ситуации сыграть роль спасителя природы.

Экологические проблемы порождены не только экономи­кой и техникой, но и нравственным состоянием человека.Во­прос состоит не только в том, чтобы остановить процесс разрушения природы техническими средствами. Вопрос состоит в том, чтобы в корне изменить потребительское отношение человека к окружающему миру.

Из сказанного вытекает, что место и роль химии в совре­менной цивилизации должны рассматриваться системно, т.е. Во всем многообразии отношений, существующих между обществом и природной средой в рамках критерия экологичес­ки безопасности. При этом неизбежно рассмотрение химии как активного элемента сложной системы «общество-природа», представляющего собой, в свою очередь, открытую си­стему со своей структурой и взаимообменом между веществом, энергией и информацией.

Какие науки составляют

Фундаментальные основы

современной химии?

На определенном этапе эволюции Вселенной в ней реали­зуются условия, допускающие формирование атомов веще­ства. Определенный набор атомов способен образовать новую систему — молекулу. Организация материи на атомно-молеку­лярном уровне приводит к появлению новых свойств материи — к возможности существования множества веществ с громадным разнообразием свойств.

Наукой, исследующей закономерности, проявляющиеся на атомно-молекулярном уровне организации материи, явля­ется химия.Задача химии состоит в изучении строения моле­кул и процессов изменения этого строения в результате их взаимодействия.

Фундаментальными основами химии стали квантовая меха­ника, атомная физика, термодинамика, статистическая физи­ка, а также физическая кинетика.На основе физики постро­ена теоретическая химия. Из этого не следует, что химия не существует как самостоятельная наука: химия «выводится» из физики, но не сводится к ней.

На химическом уровне мы имеем дело с очень большим числом частиц, участвующих в квантово-механических про­цессах обмена электронами (химических реакциях).Это обусловливает макроскопичность проявления законов квантовой физики в химических процессах. Базовое понятие химии валентность— это макроскопическое, химическое отображе­ние квантово-механических взаимодействий.

Эмпирическая химическая формула соединения показыва­ет, какие элементы и в каком соотношении входят в состав химического соединения. Эмпирическая формула устанавливается опытным путем. На основе эмпирической формулы некоторого вещества может быть найдена его молекулярная формула. В химии выработаны правила определения молеку­лярной формулы. Молекулярные формулы позволяют отобра­зить химические превращения. Для этого используются хи­мические уравнения, которые являются эффективным и про­стым способом описания химических процессов. Методика составления уравнений химических реакций с учетом характера конкретных веществ и взаимодействий хорошо разработана со­временной химией.

Результаты химического взаимодействия могут быть вычис­лены с помощью методов физики. Однако даже в простых слу­чаях эти расчеты были бы чрезвычайно сложны. На основе методов, выработанных в химии, используя для описания ве­щества и его превращения язык химических формул и уравне­ний, химик решает эти проблемы намного проще и быстрее.

Благодаря тому, что химии удалось выработать свой соб­ственный язык, свое феноменологическое описание свойств веществ и химических превращений, химия стала великой наукой задолго до того, как квантовая механика вскрыла сущ­ность химических явлений.

Язык химии разнообразен; он содержит возможности ото­бражения особенностей химических реакций и различных свойств веществ. Например, структурные формулы показывают последовательность и пространственный порядок соеди­нения атомов вмолекулах.

Таким образом, атомно-молекулярный уровень организации ^материи, чрезвычайно сложно описываемый на фундаменталь­ном уровне, на уровне квантовой механики, потребовал выработ­ки своего химическогоязыка. Сегодня физика, составляющая ядро теоретической химии, служит базой дальнейшего разви­тия этой науки. Развитие современной химии, ее основные кон­цепции оказались тесно связанными не только с физикой, но и с другими естественными науками, особенно с биологией.

В чем состоит особенность