Место химии в системе естественных наук кратко. Естествознание. Глобальные естественнонаучные революции

Одной из наук, сочетающих в себе содержание естественных и общественных научных дисциплин, является геронтология. Эта наука изучает старение живых организмов, в том числе человека.

С одной стороны, объект ее изучения шире объекта многих научных дисциплин, изучающих человека, а с другой - он совпадает с их объектами.

В то же время геронтология акцентирует внимание прежде всего на процессе старения живых организмов в целом и человека в частности, что является ее предметом. Именно учет объекта и предмета изучения позволяет видеть как общее, так и специфическое научных дисциплин, изучающих человека.

Поскольку объект изучения геронтологии - живые организмы в процессе их старения, можно сказать, что эта наука является и естественно-научной и обществоведческой дисциплиной. В первом случае ее содержание определяется биологической природой организмов, во втором - биопсихосоциальными свойствами человека, находящимися в диалектическом единстве, взаимодействии и взаимопроникновении.

Одной из основополагающих естественно-научных дисциплин, имеющих прямую связь с социальной работой (а также, конечно, с геронтологией), является медицина. Эта область науки (и одновременно практической деятельности) направлена на сохранение и укрепление здоровья людей, предупреждение и лечение болезней. Имея разветвленную систему отраслей, медицина в своей научной и практической деятельности решает проблемы сохранения здоровья и лечения пожилых людей. Вклад ее в это святое дело огромен, о чем свидетельствует практический опыт человечества.

Следует, вероятно, отметить и особое значение гериатрии как раздела клинической медицины, изучающего особенности заболеваний у людей пожилого и старческого возраста и разрабатывающего методы их лечения и профилактики.

И геронтология, и медицина базируются на знании биологии как совокупности наук о живой природе (огромном многообразии вымерших и ныне населяющих Землю живых существ), об их строении и функциях, происхождении, распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой. Данные биологии являются естественно-научной основой познания природы и места человека в ней.

Несомненный интерес представляет вопрос о соотношении социальной работы и реабилитологии, которая играет все большую роль в теоретических исследованиях и практической деятельности. В самом общем виде реабилитологию можно определить как учение, науку о реабилитации как о достаточно емком и сложном процессе.

Реабилитация (от позднелатинского rehabilitatio - восстановление) означает: во-первых, восстановление доброго имени, прежней репутации; восстановление в прежних правах, в том числе в административном и судебном порядке (например, реабилитация репрессированных); во-вторых, применение к подсудимым (прежде всего к несовершеннолетним) мер воспитательного характера или наказаний, не связанных с лишением свободы, в целях их исправления; в-третьих, комплекс медицинских, юридических и других мер, направленных на восстановление или компенсацию нарушенных функций организма и трудоспособности больных и инвалидов.

К сожалению, представители отраслевых, конкретных научных дисциплин не всегда указывают (и учитывают) последний вид реабилитации. В то время как социальная реабилитация имеет важнейшее значение в жизнедеятельности людей (восстановление основных социальных функций личности, общественного института, социальной группы, их социальной роли как субъектов основных сфер жизни общества). В содержательном плане социальная реабилитация, по существу, в концентрированном виде включает все аспекты реабилитации. И в этом случае она может рассматриваться как социальная реабилитация в широком смысле, т. е. включающая все виды жизнедеятельности людей. Некоторые исследователи выделяют так называемую профессиональную реабилитацию, которая входит в социальную реабилитацию. Точнее можно было бы назвать этот вид социально-трудовой реабилитацией.

Таким образом, реабилитация является одним из важнейших направлений, технологий в социальной работе.

Для выяснения соотношения социальной работы и реабилито- логии как научных направлений важно уяснить объект и предмет последней.

Объект реабилитологии - определенные группы населения, отдельные личности и слои, нуждающиеся в восстановлении своих прав, репутации, социализации и ресоциализации, восстановлении здоровья в целом или нарушенных отдельных функций организма. Предметом реабилитологии выступают конкретные стороны реабилитации названных групп, изучение закономерностей реабилитационных процессов. Такое понимание объекта и предмета реабилитологии показывает ее тесную связь с социальной работой и как с наукой, и как со специфическим видом практической деятельности.

Социальная работа является методологической основой реабилитологии. Выполняя функцию выработки и теоретической систематизации знаний о социальной сфере (совместно с социологией), анализа существующих форм и методов социальной работы, разработки оптимальных технологий разрешения социальных проблем различных объектов (индивидов, семей, групп, слоев, общностей людей), социальная работа как наука способствует - прямо или косвенно - решению вопросов, являющихся сутью, содержанием реабилитологии.

Тесная связь между социальной работой и реабилитологией как науками определяется и тем, что они являются, по существу, междисциплинарными, универсальными по своему содержанию. Эта связь, кстати, в МГУ сервиса была обусловлена и организационно: в рамках факультета социальной работы в 1999 г. открыта новая кафедра - медико-психологической реабилитологии. Медико-психологическая реабилитация и сейчас (после преобразования кафедры) остается важнейшим структурным подразделением кафедры психологии.

Говоря о методологической роли социальной работы в становлении и функционировании реабилитологии, следует учитывать и влияние знаний в области реабилитологии на социальную работу. Эти знания способствуют не только конкретизации понятийного аппарата социальной работы, но и обогащению понимания тех закономерностей, которые изучают и выявляют социономы.

Что касается технических наук , то социальная работа связана с ними благодаря процессу информатизации, ведь сбор, обобщение и анализ информации в области социальной работы осуществляются с помощью компьютерной техники, а распространение, усвоение и применение знаний и умений - других технических средств, наглядной агитации, демонстрации различных приборов и приспособлений, специальной одежды и обуви ит.д., призванных облегчить самообслуживание, передвижение по улице, ведение домашнего хозяйства и т. д. определенным категориям населения - пенсионерам, инвалидам и др.

Технические науки имеют важное значение при создании соответствующей инфраструктуры, обеспечивающей возможность повышения эффективности всех видов и направлений социальной работы, включая инфраструктуру различных сфер жизнедеятельности как специфических объектов социальной работы.

У них отсутствует научное понимание закономерностей развития окружающего мира, умение комплексно применять знания, полученные ими при изучении основ естественных наук в школе. В преодолении этих недостатков в условиях традиционно сложившейся системы изучения основ естественных наук в школе большая роль отводится межпредметным связям.

В большинстве случаев учителя ограничиваются лишь фрагментарным включением МПС. Учителя редко включают учащихся в самостоятельную работу по применению межпредметных знаний и умений при изучении программного материала, а также в процессе самостоятельного переноса ранее усвоенных знаний в новую ситуацию. Следствие - неумение ребят осуществлять перенос и синтез знаний из смежных предметов.

Нет и преемственности в обучении. Так, учителя биологии непрерывно "забегают вперед", знакомя учащихся с различными физико-химическими процессами, протекающими в живых организмах, без опоры на физические и химические понятия.

Решение межпредметных задач требует особых умений: связывать между собой и обобщать предметные знания, видеть объект в единстве его многообразных свойств и отношений, оценивать частное с позиций общего, что обеспечивает формирование научного мировоззрения школьников.

Умения комплексной многосторонней характеристики объекта — это наиболее сложный вид умений. Это умения учащихся осуществлять комплексные межпредметные связи. Специфичным для них является познавательное действие широкого переноса предметных знаний и умений в новые условия их комплексного применения. Такие умения в своей содержательной основе опираются на знания из разных учебных предметов и обобщенные идеи, а их операционная сторона имеет сложную структуру действий разной степени обобщенности.

Межпредметные связи усложняют содержание и процесс познавательной деятельности учащихся. Поэтому необходимо постепенное введение как элементов проблемности, так и объема и сложности межпредметных связей. Важно обеспечить рост познавательных умений и учебных успехов, укрепляющих самостоятельность и интерес учащихся к познанию связей между знаниями из разных предметов. Методика организации процесса обучения осуществляется следующими этапами:

1. односторонние МПС на уроках по смежным предметам на основе репродуктивного обучения и элементов проблемности;
2. усложнение межпредметных познавательных задач и усиление самостоятельности учащихся в поиске их решения;
3. включение двусторонних, а затем и многосторонних связей между предметами путем координации деятельности учителей (выдвижение общих учебных проблем, их поэтапное решение в системе уроков);
4. разработка широкой системы в работе учителей, осуществляющих МПС как в содержании и методах, так и в формах организации обучения (комплексные домашние задания, уроки, семинары, экскурсии, конференции), включая внеклассную работу и расширяя рамки учебной программы.

Для тех учеников, которые не имеют прочной системы знаний, решение межпредметных задач может оказаться непосильным, а их интерес к обучению снизится. Для учащихся с высоким уровнем знаний по предметам опора на межпредметные связи является необходимым условием их дальнейшего развития в процессе обучения. Поэтому в организации творческой деятельности учащихся на основе МПС ведущее место занимает учебная работа, направленная на усвоение системы предметных знаний и овладение способами их переноса и обобщения.

«Научение» учащихся достигается с помощью системы тренировочных самостоятельных работ, отрабатывающих отдельные элементы умений комплексного применения знаний: распознавание МПС в учебных текстах, в отрывках из научных статей, в первоисточниках отбор фактического предметного материала для подтверждения, доказательства законов диалектики, общенаучных идей, понятий; анализ конкретных примеров (из области биологии, физики, химии, истории) с позиций общих закономерностей, категорий; осознание межпредметного характера познавательных учебных задач; самостоятельная постановка (видение) межпредметных задач, проблем на основе сравнения и анализа научных фактов пограничных предметов (биохимических, физико-химических, биофизических и т. п.); составление плана для решения межпредметной проблемы и др.

Важную роль играют показ образца выполнения таких заданий, проведение установочных бесед, определяющих логику рассуждения, доводящих до осознания последовательность выполняемых действий, дифференцированный подход с учетом познавательных интересов и возможностей учащихся. Необходимы последовательные стадии в формировании умений осуществлять межпредметные связи:

1. пробуждение познавательного интереса учащихся к решению межпредметных задач, их распознавание и осознание ими необходимости использовать знания из разных дисциплин;
2. отработка отдельных способов творческой деятельности на основе межпредметных связей;
3. синтез частных умений в целостное умение комплексного применения знаний при решении межпредметных задач. Основным условием успешного переноса предметных знаний выступают сходство, аналогичность структуры содержательных и процессуальных элементов в серии межпредметных познавательных задач определенного типа. На уроках необходимо побуждать учащихся к самостоятельному решению таких задач с выполнением ими действий по образцу и усвоением обобщенных ориентиров в синтезе знаний.

Взаимодействие интереса и умений в процессе решения межпредметных задач.

Развитие познавательных интересов зависит от овладения учащимися обобщенными умениями поисковой деятельности и умениями осуществлять МПС. Изучение психологии мышления доказало, что в качестве внутреннего побудителя поисковой деятельности, действующего сопряжено со знаниями и способами, выступает осознание цели, познавательной потребности, которая регулирует процесс поиска, отражаясь и на его эмоциональной насыщенности. Принятие межпредметной задачи в значительной мере зависит от теоретической направленности познавательных интересов ученика, его стремления к познанию философских, мировоззренческих аспектов в предметных знаниях.

Осознанное вычленение межпредметной задачи, являясь одним из проявлений творческих действий учащихся, способствует тесной корреляции знаний и способов действий в структуре умений ее решать. Вычисление коэффициентов корреляции показало тесную связь между уровнями знаний и способов действий в работах учащихся, самостоятельно выделивших межпредметную познавательную задачу.

В процесс решения межпредметной познавательной задачи учащиеся включают предметные умения, их активность зависит и от мотива интереса к соответствующим учебным дисциплинам. Здесь также наблюдается тесная связь между уровнем интереса к предмету, широтой и успешностью использования знаний из него. Учащиеся привлекают новые сведения из дополнительных источников информации, находят оригинальные способы их анализа и связи с программным материалом. Отсутствие устойчивых предметных интересов и знаний лишает ученика основы в «межпредметной» деятельности, вызывая подчас негативное отношение к ней.

Межпредметные связи на первых этапах включения в познавательную деятельность изменяют соответствие уровней умений и интересов учащихся по предметам. Умения, проявляемые при решении межпредметных задач, начинают в большей степени зависеть от опыта переноса, овладения его способами, чем от ранее сложившегося, но тем не менее подвижного интереса к тому или иному предмету. У одних учащихся под влиянием межпредметных связей повышается интерес к ранее не интересовавшим их предметам, а уровень знаний и умений еще остается невысоким. У других, наоборот, значительно возрастают умения межпредметного переноса, но заметных изменений в развитии предметных интересов не наблюдается. Они сохраняют устойчивость. Это объясняется тем, что МПС не являются единственным фактором, формирующим познавательные интересы учащихся.

Познавательный опыт, ограниченный узкопредметными рамками, мешает увидеть хорошо известное в новом, необычном аспекте, необходимом для творческого решения межпредметной задачи. Возникающее на первых этапах познавательной деятельности на основе межпредметных связей рассогласование между ранее сформировавшимися умениями и интересами учащихся в последующем нивелируется, происходит усиление взаимосвязей умений и интереса на качественно новой обобщенной содержательной основе. Систематически включаемые в учебное познание МПС положительно изменяют широту и диапазон применения знаний и умений. Это способствует умственному развитию школьников и формированию широких познавательных интересов как одному из показателей развития личности. В деятельности на основе МПС возникает устойчивая зависимость: широта познавательных интересов - осознанное восприятие межпредметных задач - потребность в познании межпредметных связей - творческий подход - умение мыслить системно - познавательная самостоятельность ученика.

Формирование мировоззренческой направленности познавательных интересов старшеклассников.

Включение в процесс обучения межпредметных связей как стимула познавательного интереса качественно преобразует другие его стимулы. Это происходит в силу того, что учебный процесс представляет собой систему, в которой все компоненты находятся в структурно-функциональной связи и изменение одного из них нарушает эти связи и вызывает необходимость системного подхода к организации всего процесса. Включаемые в содержание урока межпредметные связи усиливают его новизну, вызывают обновление уже известного материала, объединяют новые и прежние знания в систему.

Связи смежных курсов позволяют глубже проникнуть в сущность предметов, раскрыть, например, причинно-следственные, физико-химические связи в биологических процессах. Это дает возможность полнее показать историю науки, методы и достижения современной науки, в которой усиливаются интеграция знаний и системный подход к познанию. Укрепляя стимулирующее содержание уроков, межпредметные связи активизируют и процесс усвоения знаний, основанный на их постоянном применении. Становится наглядной практическая нужность и полезность знаний по всем предметам. Осознание нужности знаний надежно укрепляет интерес к их углублению и расширению. Сам процесс познания, обогащенный межпредметными связями, активизируя мыслительные процессы, служит источником устойчивого" интереса школьников. Межпредметные связи усиливают обобщающий характер содержания учебного материала, который требует изменения и методов обучения.

Межпредметные связи приводят в действие все стимулы познавательного интереса, связанные с учебной деятельностью: вносят проблемность, элементы исследования и творчества, разнообразят формы самостоятельной работы, побуждают к овладению новыми умениями. Преобразуя методы обучения, МПС оказывают влияние на изменение и его организационных форм. Возникает потребность в коллективных формах организации учебной работы, которые наилучшим образом обеспечивают решение межпредметных проблем, создавая условия для проявления знаний и интересов учащихся по другим предметам. При этом возможен успех для каждого.

Успешность деятельности, как известно, важнейший побудитель активности и интереса к ней. В коллективных формах учебной работы активно действуют стимулы познавательного интереса, связанные с отношениями между участниками учебного процесса: эмоциональный тонус, доверие к познавательным возможностям учащихся, взаимная поддержка в деятельности, элементы соревнования, поощрение и другие (Г. И. Щукина).

В процессе формирования познавательных интересов учащихся межпредметные связи (содержательные, операционно - деятельностные, организационно - методические) выполняют многоплановые функции. Прежде всего, они выступают как стимул интересов учащихся к урокам, преломляясь во всех других положительных стимулах, идущих от содержания, деятельности и отношений. Учебная деятельность с опорой на межпредметные связи вызывает непосредственный интерес к урокам. Осуществляясь систематически, они становятся условием формирования устойчивых познавательных интересов школьников. Такие умения формируются на основе установления межпредметных связей, когда учитель предлагает задачи типа «дать критику», «доказать», «обосновать», «аргументировать вывод» и т. п. Оценочный фактор в познании стимулирует интерес и активность учащихся.

Итак, обучение на основе разносторонних межпредметных связей активно формирует устойчивые широкие мировоззренческие познавательные интересы, что особенно ценно для всестороннего развития личности старшеклассника.

Мировоззренческая направленность познавательных интересов — это устойчивое стремление школьника к пониманию и обоснованию существенных связей, объясняющих отношения «личность и общество», «природа и общество», «человек и труд». Процесс формирования мировоззренческой направленности познавательных интересов включает этапы:

1. пробуждение интереса и желания опираться на межпредметные связи при усвоении общепредметных мировоззренческих идей с помощью элементов проблемности;
2. развитие и расширение интереса к усвоению мировоззренческих идей, формирование познавательной самостоятельности при решении межпредметных задач;
3. укрепление и углубление интереса к мировоззренческим проблемам в процессе постоянно развиваемой активности и самостоятельной деятельности учащихся (система творческих работ и внеклассной работы межпредметного содержания).

Развитие познавательной самостоятельности старшеклассников в деятельности на основе межпредметных связей происходит в тесной взаимосвязи с формированием мировоззренческих, ценностных ориентаций личности, регулирующих ее социальную активность.

Средства реализации межпредметных связей могут быть различны:

• вопросы межпредметного содержания: направляющие деятельность школьников на воспроизведение ранее изученных в других учебных курсах и темах знаний и их применение при усвоении нового материала.
• межпредметные задачи, которые требуют подключения знаний из различных предметов или составлены на материале одного предмета, но используемые с определенной познавательной целью в преподавании одного другого предмета. Они способствуют более глубокому и осмысленному усвоению программного материла, совершенствованию умений выявить причинно-следственные связи между явлениями.
• домашнее задание межпредметного характера - постановка вопросов на размышление, подготовка сообщений, рефератов, изготовление наглядных пособий, составление таблиц, схем, кроссвордов, требующих знаний межпредметного характера.
• межпредметные наглядные пособия - обобщающие таблицы, схемы, диаграммы, плакаты. Они позволяют учащимся наглядно увидеть совокупность знаний из разных предметов, раскрывающую вопросы межпредметного содержания.
• химический эксперимент - если предметом его являются биологические объекты и химические явления, происходящие в них.

Использование межпредметных связей вызвало появление новых форм организации учебного процесса: урок с межпредметными связями, комплексный семинар, комплексная экскурсия, межпредметная экскурсия и др.

Уроки с межпредметным содержанием могут быть следующих видов: урок-лекция; урок-семинар; урок-конференция; урок-ролевая игра; урок-консультация и др.

Необходимость межпредметных связей в обучении бесспорна. Последовательное и систематическое их осуществление значительно усиливает эффективность учебно-воспитательного процесса, формирует диалектический способ мышления учащихся. К тому же межпредметные связи - непременное дидактическое условие развития у них интереса к знаниям основ наук, в том числе и естественных.

ЛИТЕРАТУРА

1. Данилюк Д.Я. Учебный предмет как интегрированная система / Д.Я. Данилюк // Педагогика. - 1997. - № 4. - С. 24 - 28.
2. Ильченко В. Р. Перекрестки физики, химии и биологии. - М.: Просвещение, 1986.
3. Максимова В. Н. Межпредметные связи и совершенствование процесса обучения. - М.: Просвещение, 1984. -143с.
4. Максимова В. Н. Межпредметные связи в учебно-воспитательном процессе средней школе. - М.: Просвещение, 1986.

Новикова Ирина Петровна
учитель химии
МОУ Совхозная сош
Тамбовский район

Химия - наука о строении, свойствах веществ, их превращениях и сопровождающих явлениях.

Задачи:

1. Исследование строения вещества, развитие теории строения и свойств молекул и материалов. Важно установление связи между строением и разнообразными свойствами веществ и на этой основе построение теорий реакци­онной способности вещества, кинетики и механизма химических реакций и ката­литических явлений.

2. Осуществление направленного синтеза новых веществ с заданными свойствами. Здесь также важно найти новые реакции и катализаторы для более эффективного осуществления синтеза уже известных и имеющих промышленное значение соединений.

3. Традиционная задача химии приобрела особое значе­ние. Оно связано как с увеличением числа химических объектов и изучаемых свойств, так и с необходимостью определения и уменьшения последствий воз­действия человека на природу.

Химия является общетеоретической дисциплиной. Она призвана дать студентам современное научное представление о веществе как одном из видов движущейся материи, о путях, механизмах и способах превращения одних веществ в другие. Знание основных химических за­конов, владение техникой химических расчетов, понимание возможностей, пре­доставляемых химией с помощью других специалистов, работающих в отдель­ных и узких ее областях, значительно ускоряют получение нужного результата в различных сферах инженерной и научной деятельности.

Химическая отрасль - одна из важнейших отраслей промышленности в нашей стране. Производимые ею химические соединения, различные композиции и материалы применяются повсюду: в машиностроении, металлургии, сельском хозяйстве, строительстве, электротехнической и элек­тронной промышленности, связи, транспорте, космической технике, медицине, быту, и др. Главными направлениями развития современной химической промышленности являются: производство новых соединений и материалов и повышение эффек­тивности существующих производств.

В медицинском вузе студенты изучают общую, биоорганическую, биологическую химию, а также клиническую биохимию. Знания студентами комплекса химических наук в их преемственности и взаимосвязи дают большую возможность, больший простор в исследовании и практическом использовании различных явлений, свойств и закономерностей, способствует развитию личности.

Специфическими особенностями изучения химических дисциплин в медицинском вузе являются:

· взаимозависимость между целями химического и медицинского образования;

· универсальность и фундаментальность данных курсов;

· особенность построения их содержания в зависимости от характера и общих целей подготовки врача и его специализации;

· единство изучения химических объектов на микро- и макроуровнях с раскрытием разных форм их химической организации как единой системы и проявляемых ею разных функций (химических, биологических, биохимических, физиологических и др.) в зависимости от их природы, среды и условий;

· зависимость от связи химических знаний и умений с реальной действительностью и практикой, в том числе медицинской, в системе «общество - природа - производство - человек», обусловленных неограниченными возможностями химии в создании синтетических материалов и их значением в медицине, развитием нанохимии, а также в решении экологических и многих других глобальных проблем человечества.

1. Взаимосвязь между процессами обмена веществ и энергии в организме

Процессы жизнедеятельности на Земле обусловлены в значительной мере накоплением солнечной энергии в биогенных веществах - белках, жирах, углеводах и последующими превращениями этих веществ в живых организмах с выделением энергии. Особенно отчетливо понимание взаимосвязи химических превращений и энергетических процессов в организме было осознано после работы А. Лавуазье (1743-1794) и П. Лапласа (1749- 1827). Они прямыми калориметрическими измерениями показали, что энергия, выделяемая в процессе жизнедеятельности, определяется окислением продуктов питания кислородом воздуха, вдыхаемым животными.

Обмен веществ и энергии - совокупность процессов превращения веществ и энергии, происходящих в живых организмах, и обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой. Обмен веществ и энергии является основой жизнедеятельности организмов и принадлежит к числу важнейших специфических признаков живой материи, отличающих живое от неживого. В обмене веществ, или метаболизме, обеспеченном сложнейшей регуляцией на разных уровнях, участвует множество ферментных систем. В процессе обмена поступившие в организм вещества превращаются в собственные вещества тканей и в конечные продукты, выводящиеся из организма. При этих превращениях освобождается и поглощается энергия.

С развитием в XIX-XX вв. термодинамики - науки о взаимопревращениях теплоты и энергий - стало возможно количественно рассчитывать превращение энергии в биохимических реакциях и предсказывать их направление.

Обмен энергии может осуществляться передачей теплоты или совершением работы. Однако живые организмы не находятся в равновесии с окружающей средой и поэтому могут быть названы неравновесными открытыми системами. Тем не менее при наблюдении в течение определенного отрезка времени в химическом составе организма видимых изменений не происходит. Но это не значит, что химические вещества, составляющие организм, не подвергаются никаким превращениям. Напротив, они постоянно и достаточно интенсивно обновляются, о чем можно судить по скорости включения в сложные вещества организма стабильных изотопов и радионуклидов, вводимых в клетку в составе более простых веществ-предшественников.

Между обменом веществ и обменом энергии существует одно принципиальное различие . Земля не теряет и не получает сколько-нибудь заметного количества вещества. Вещество в биосфере обменивается по замкнутому циклу и т.о. используется многократно. Обмен энергией осуществляется иначе. Она не циркулирует по замкнутому циклу, а частично рассеивается во внешнее пространство. Поэтому для поддержания жизни на Земле необходим постоянный приток энергии Солнца. За 1 год в процессе фотосинтеза на земном шаре поглощается около 10 21 кал солнечной энергии. Хотя она составляет лишь 0,02% всей энергии Солнца, это неизмеримо больше, чем та энергия, которая используется всеми машинами, созданными руками человека. Столь же велико количество участвующего в кругообороте вещества.

2. Химическая термодинамика как теоретическая основа биоэнергетики. Предмет и методы химической термодинамики

Химическая термодинамика изучает переходы химической энергии в другие формы - тепловую, электрическую и т. п., уста­навливает количественные законы этих переходов, а также направление и пределы самопроизвольного протекания химиче­ских реакций при заданных условиях.

Термодинамический метод основан на ряде строгих понятий: «система», «состояние системы», «внутренняя энергия системы», «функция состояния системы».

Объектом изучения в термодинамике является система

Одна и та же система может находиться в различных состоя­ниях. Каждое состояние системы характеризуется определенным набором значений термодинамических параметров. К термодина­мическим параметрам относятся температура, давление, плот­ность, концентрация и т. п. Изменение хотя бы только одного термодинамического параметра приводит к изменению состояния системы в целом. Термодинамическое состояние системы назы­вают равновесным, если оно характеризуется постоянством тер­модинамических параметров во всех точках системы и не изменя­ется самопроизвольно (без затраты работы).

Химическая термоди­намика изучает систему в двух равновесных состояниях (конеч­ном и начальном) и на этом основании определяет возможность (или невозможность) самопроизвольного течения процесса при заданных условиях в указанном направлении.

Термодинамика изучает взаимные превращения различных видов энергии, связанные с переходом энергии между телами в форме теплоты и работы. Термодинамика базируется на двух основных законах, по­лучивших название первого и второго начал термодинамики. Предметом изучения в термодинамике является энергия и законы взаимных превращений форм энергии при химических ре акциях, процессах растворения, испарения, кристаллизации.

Хими́ческая термодина́мика - раздел физической химии, изучающий процессы взаимодействия веществ методами термодинамики.
Основными направлениями химической термодинамики являются:
Классическая химическая термодинамика, изучающая термодинамическое равновесие вообще.
Термохимия, изучающая тепловые эффекты, сопровождающие химические реакции.
Теория растворов, моделирующую термодинамические свойства вещества исходя из представлений о молекулярном строении и данных о межмолекулярном взаимодействии.
Химическая термодинамика тесно соприкасается с такими разделами химии, как аналитическая химия; электрохимия; коллоидная химия; адсорбция и хроматография.
Развитие химической термодинамики шло одновременно двумя путями: термохимическим и термодинамическим.
Возникновением термохимии как самостоятельной науки следует считать открытие Германом Ивановичем Гессом, профессором Петербургского университета, взаимосвязи между тепловыми эффектами химических реакций ---законы Гесса.

3. Термодинамические системы: изолированные, закрытые, открытые, гомогенные, гетерогенные. Понятие о фазе.

Система – это совокупность взаимодействующих веществ, мысленно или фактически обособленная от окружающей среды (пробирка, автоклав).

Химическая термодинамика рассматривает переходы из одного состояния в другое, при этом могут изменяться или оставаться постоянными некоторые параметры :

· изобарические – при постоянном давлении;

· изохорические – при постоянном объеме;

· изотермические – при постоянной температуре;

· изобарно - изотермические – при постоянном давлении и температуре и т.д.

Термодинамические свойства системы можно выразить с помощью нескольких функций состояния системы , называемых характеристическими функциями : внутреннейэнергииU , энтальпии H , энтропии S , энергии Гиббса G , энергии Гельмгольца F . Характеристические функции обладают одной особенностью: они не зависят от способа (пути) достижения данного состояния системы. Их значение определяется параметрами системы (давлением, температурой и др.) и зависит от количества или массы вещества, поэтому принято относить их к одному молю вещества.

По способу передачи энергии, вещества и информации между рассматриваемой системы и окружающей средой термодинамические системы классифицируются:

1. Замкнутая (изолированная) система - это система в которой нет обмена с внешними телами ни энергией, ни веществом (в том числе и излучением) , ни информацией.

2. Закрытая система - система в которой есть обмен только с энергией.

3. Адиабатно изолированная система - это система в которой есть обмен энергией только в форме теплоты.

4. Открытая система - это система, которая обменивается и энергией, и веществом, и информацией.

Классификация систем :
1) по возможности тепло- и массообмена: изолированные, закрытые, открытые. Изолированная система не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией. Закрытая система обменивается с окружающей средой энергией, но не обменивается веществом. Открытая система обменивается с окружающей средой и веществом и энергией. Понятие изолированной системы используется в физической химии как теоретическое.
2) по внутренней структуре и свойствам: гомогенные и гетерогенные. Гомогенной называется система, внутри которой нет поверхностей, делящих систему на части, различные по свойствам или химическому составу. Примерами гомогенных систем являются водные растворы кислот, оснований, солей; смеси газов; индивидуальные чистые вещества. Гетерогенные системы содержат внутри себя естественные поверхности. Примерами гетерогенных систем являются системы, состоящие из различных по агрегатному состоянию веществ: металл и кислота, газ и твёрдое вещество, две нерастворимые друг в друге жидкости.
Фаза – это гомогенная часть гетерогенной системы, имеющая одинаковый состав, физические и химические свойства, отделённая от других частей системы поверхностью, при переходе через которую свойства системы меняются скачком. Фазы бывают твёрдые, жидкие и газообразные. Гомогенная система всегда состоит из одной фазы, гетерогенная – из нескольких. По числу фаз системы классифицируются на однофазные, двухфазные, трёхфазные и т.д.

5.Первое начало термодинамики. Внутренняя энергия. Изобарный и изохорный тепловые эффекты .

Первое начало термодинамики - один из трёх основных законов термодинамики, представляет собой закон сохранения энергии для термодинамических систем.

Первое начало термодинамики было сформулировано в середине XIX века в результате работ немецкого учёного Ю. Р. Майера, английского физика Дж. П. Джоуля и немецкого физика Г. Гельмгольца.

Согласно первому началу термодинамики, термодинамическая система может совершать работу только за счёт своей внутренней энергии или каких-либо внешних источников энергии .

Первое начало термодинамики часто формулируют как невозможность существования вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника. Процесс, протекающий при постоянной температуре, назы­вается изотермическим , при постоянном давлении - изобаричес­ким , при постоянном объеме – изохорическим. Если во время процесса система изолирована от внешней среды таким образом, что исключен теплообмен со средой, процесс называют адиабатическим.

Внутренняя энергия системы. При переходе системы из одного состояния в другое изменяются некоторые ее свойства, в част­ности внутренняя энергия U.

Внутренняя энергия системы представляет со­бой ее полную энергию, которая складывается из кинетической и потенциальной энергий молекул, атомов, атомных ядер и элект­ронов. Внутренняя энергия включает в себя энергию поступатель­ного, вращательного и колебательного движений, а также потен­циальную энергию, обусловленную силами притяжения и оттал­кивания, действующими между молекулами, атомами и внутри­атомными частицами. Она не включает потенциальную энергию положения системы в пространстве и кинетическую энергию дви­жения системы как целого.

Внутренняя энергия является термодинамической функ­цией состояния системы. Это значит, что всякий раз, когда система оказывается в данном состоянии, ее внутренняя энергия принимает определенное присущее этому состоянию зна­чение.

∆U = U 2 - U 1

где U 1 и U 2 - внутренняя энергия системы в конечном и началь­ном состояниях cсоответственно.

Первый закон термодинамики. Если система обменивается с внешней средой тепловой энергией Q и механической энергией (работой) А, и при этом переходит из состояния 1 в состоянии 2, количество энергии, которое выделится или поглощается системой форм теплоты Q или работой А равно полной энергии системы при переходе из одного состояния в другое и записывается.

Классификация наук

Удобно классифицировать науки по тому, в каком «мире», т. е. в какой области знаний «действует» наука. Можно выделить четыре таких «мира»: мир идей, мир природы, мир культуры и мир человека (жизненный, или практический). По этому критерию науки группируют в четыре класса: интеллектуалистика, естествознание, культурология и праксеология.

Интеллектуалистика как предмет использует мир идей, понятия о числах, фигурах, ценностях. К таким наукам относят математику,

философию, теологию и др. Интеллектуальные науки не ставят перед собой никакой практической цели. Интеллектуальные науки «не волнует», будут применяться их результаты или нет.

Естествознание как класс наук принципиально отличается от интеллектуалистики. Его предмет — природа, живая и неживая. Естествознание возникает в процессе столкновения человека с окружающей действительностью. Основа естествознания — опыт, который приобретают при непосредственном изучении объектов или явлений. Этот опыт невозможно получить путем размышлений.

Культурология объединяет общественные и исторические науки: социологию, историю, этнографию и др.

Праксеология объединяет науки, направленные на практическое применение, их еще называют прикладными. Прикладные физика, математика, химия, психология и др. применяют полученные знания там, где это только возможно. К праксеологии относят также экономику, педагогику, политологию, юриспруденцию и другие науки, которые реализуют общепринятые или значимые ценности при помощи научных методов. В отличие от естествознания, праксеология субъективна — применение знаний может быть противоположным. Например, химические знания могут быть использованы для создания современных лекарств или, наоборот, химического оружия.

Место химии среди естественных наук

Химия — одна из естественных наук, т. е. наук, изучающих объекты и явления природы. Все естественные науки изучают природу, но с разных сторон. Так, например, одно и то же тело может изучать и химия, и физика, и астрономия. Но для химии прежде всего важен химический состав тела и преобразования, которые с ним могут происходить. Поскольку в химических реакциях ядра атомов не меняются, а происходит только перестройка электронной структуры атомов и молекул, то для химии можно предложить следующее определение:

Химия — наука о преобразованиях веществ, связанных с изменением электронного окружения атомных ядер.

Составными частями химических веществ являются химические частицы: атомы, молекулы и ионы. Их размеры — около 10 -10 -10 -6 м (рис. 41.1, с. 236). Объекты больших и меньших размеров изучают другие естественные науки.

Химия, изучая атомы, молекулы, химические вещества и их взаимодействия, должна в полном объеме использовать законы физики.

Рис. 41.1. Сопоставление размеров природных объектов и наук, которые их изучают

В свою очередь, биология и геология, изучая свои объекты, должны брать на вооружение и химические законы.

Еще в XVIII веке связь химии и физики заметил и использовал в своей работе М. В. Ломоносов, писавший: «Химик без знания физики подобен человеку, который должен все искать на ощупь. И эти две науки так взаимосвязаны, что друг без друга совершенными быть не могут».

Структура химической науки

В современной химии выделяют по крайней мере пять разделов: неорганическую, органическую, физическую, аналитическую и химию высокомолекулярных соединений. Каждый из этих разделов также разбит на самостоятельные дисциплины (схема 7). Иногда также выделяют общую химию, предмет изучения которой тесно связан с неорганической химией: химические элементы, образованные ими простейшие неорганические соединения и общие физические и химические законы. Однако четких границ между отдельными разделами не существует.

Схема 7. Структура химической науки

Для современной химии характерна интеграция с другими науками, благодаря этому возникают новые ее разделы.

Взаимосвязь химии и физики

Особенно интенсивно развиваются взаимосвязи между химией и физикой. На разных этапах своего развития физика была для химии источником различных теоретических концепций, оказывая значительное влияние на ее развитие. Чем сложнее становились химические эксперименты, тем больше аппаратуры и физических методов исследований они требовали. Для измерения тепловых эффектов реакций, проведения спектрального и структурного анализа, изучения изотопов и радиоактивных химических элементов, кристаллических решеток веществ, молекулярных структур необходимы сложные физические приборы — спектроскопы, масс-спектрографы, электронные микроскопы и др.

Современная физика способствовала изучению природы химической связи, особенностей химического строения молекул органических и неорганических соединений.

На границе физики и химии возник новый раздел химии — физическая химия. Предметом ее изучения являются строение и свойства молекул химических соединений, влияние различных факторов на условия протекания химических реакций. Физическая химия сегодня является общетеоретическим фундаментом всей химической науки. Ее теории имеют большое значение для развития неорганической и, особенно, органической химии.

В первой половине XX века сформировался новый раздел физики — квантовая механика, электронная теория атомов и молекул, который позже стали называть химической физикой. Она изучает взаимосвязь и взаимные превращения химической и субатомной форм энергии.

Взаимосвязь химии и биологии

Взаимосвязи химии с биологией способствовало становление органической химии. Развитие науки дало возможность детально исследовать строение и состав живой клетки, химические процессы в живых организмах, позволило выявить взаимосвязь между биологическими функциями организма и химическими реакциями.

Такие свойства живого, как рост, размножение, подвижность, способность реагировать на изменения внешней среды, связаны с определенными комплексами химических превращений в клетках.

Значение химии в биологических исследованиях чрезвычайно велико. Именно благодаря химии была раскрыта роль хлорофилла как химической основы фотосинтеза, гемоглобина как основы процесса дыхания. Была выяснена химическая природа передачи нервного возбуждения, определена структура нуклеиновых кислот и др. Оказалось, что все функции и процессы, происходящие в живом организме, можно изложить языком химии в виде конкретных химических реакций.

На границе биологии, химии и физики возникли следующие науки: биохимия — наука об обмене веществ и химических процессах в живых организмах; биоорганическая химия — наука о строении, функциях и способах синтеза соединений, из которых состоят живые организмы; физико-химическая биология — наука о функционировании сложных систем передачи информации и регулировании биологических процессов на молекулярном уровне, а еще биофизика, биофизическая химия и радиационная биология.

Ключевая идея

Все естественные науки изучают природу, но каждая со своей стороны. Только объединение всех знаний воедино создает целостную картину мира.

Контрольные вопросы

492. Приведите известные вам определения науки химии. Что является предметом изучения химии?

493. По какому принципу классифицируют современные науки?

494. Какие науки относятся к естественным?

495. Что, по вашему мнению, изучают биохимия, космохимия, геохимия, агрохимия, кристаллохимия и аналитическая химия?

496. Каковы основные задачи химии?

497. Назовите, что является объектом изучения: а) астрономии; б) биологии; в) географии; г) физики. В чем проявляется связь между предметами изучения этих наук и тем, что изучает химия?

498. В чем заключается взаимосвязь химии с другими естественными науками?

499. Проанализируйте рис. 41.1. Сопоставьте размеры указанных на нем объектов с науками, которые их изучают. Приведите примеры объектов, одновременно являющихся предметом изучения различных естественных наук.

500. Как вы считаете, что является предметом изучения химических дисциплин, перечисленных на схеме 7?

Это материал учебника

Науку о Природе, т. е естествознание, традиционно подразделяют на такие более или менее самостоятельные разделы, как физика, химия, биология и психология.

Физика имеет дело не только со всевозможными материальными телами, но с материей вообще. Химия - со всевозможными видами так называемой субстанциональной материи, т. е. с различными субстанциями, или веществами. Биология - со всевозможными живыми организмами.

Ни одна научная дисциплина не ограничивается лишь собиранием наблюдаемых фактов. Задача науки состоит не только в описании, но в объяснении, а это не что иное, как нахождение зависимостей, которые позволяют одну совокупность явлений, часто весьма широкую, вывести на основе теории из другой, как правило, более узкой совокупности явлений.

"Диалектическая логика, в противоположность старой, чисто формальной логике, - говорит Энгельс, - не довольствуется тем, чтобы перечислить и без всякой связи поставить рядом друг возле друга формы движения мышления... Она, наоборот, выводит эти формы одну из другой, устанавливает между ними отношение субординации, а не координации, она развивает более высокие формы из нижестоящих".

Классификация наук, предложенная Ф. Энгельсом, отвечала именно этим требованиям. Установив положение, согласно которому каждой форме движения материи соответствует своя определенная "форма движения мышления", т. е. отрасль науки, Ф. Энгельс выяснил, что как между формами движения материи, так и между их отражением в голове человека-отраслями науки, существуют отношения субординации. Эти отношения он выразил в виде иерархии естественных наук: Биология, Химия, Физика.

И чтобы подчеркнуть, что эта иерархическая связь между естественными науками обусловливает их единство, т. е. целостность всего естествознания как одной системы, Ф. Энгельс прибег к таким определениям отраслей естествознания, которые указывают на происхождение высших форм из низших, "одну из другой". Физику он назвал "механикой молекул", химию-"физикой атомов", а биологию - "химией белка". При этом Ф. Энгельс отметил, что такого рода прием не имеет ничего общего с механистической попыткой сведения одной формы к другой, что это - лишь демонстрация диалектической связи между разными уровнями как материальной организации, так и ее познания, и вместе с тем это - демонстрация скачков от одного дискретного уровня научных знаний к другому и качественного отличия этих уровней между собой.

Однако следует иметь в виду условную (относительную) обоснованность каких бы то ни было подразделений естествознания на отдельные естественнонаучные дисциплины и его безусловную (принципиальную) целостность. Об этом свидетельствует систематическое возникновение междисциплинарных проблем и соответствующих синтетических предметов (таких, как физическая химия или химическая физика, биофизика, биохимия, физико-химическая биология).

При формировании общих - натурфилософских -- представлений о Природе она первоначально и воспринималась как нечто принципиально целостное, единое или во всяком случае как-то связанное воедино. Но по мере необходимой детализации конкретных знаний о Природе они оформлялись в как бы самостоятельные раздеты естествознания, прежде всего основные, а именно такие, как физика, химия, биология. Однако эту аналитическую стадию исследований Природе, связанную с детализацией естествознания и с его расчленением на отдельные части, в копне концов должна была сменить или дополнить, как это и произошло на самом деле, противоположная по своему характеру стадия их синтеза. За видимой дифференцией естествознания, или наряду с ней обязательно следует его существенная интеграция, действительное обобщение, принципиальное углубление.

Тенденции единения, пли интеграции, естественнонаучных знаний, стали проявляться очень давно. Еще в 1747--1752 годах Михаил Васильевич Ломоносов обосновал необходимость привлечения физики для объяснения химических явлении и создал на этой основе, как он сам выражался, «теоретическую часть химии», назвав ее физической химией. С тех пор появились самые разнообразные варианты объединения физических и химических знаний (приведшие к таким наукам, как химическая кинетика, термохимия, химическая термодинамика, электрохимия, радиохимия, фотохимия, плазмохимия, квантовая химия). Сегодня всю химию можно назвать физической, потому что у таких наук, которые носят названия «общая химия» и «физический химия», один и тот же предмет и одни и те же методы исследования. Но появилась еще «химическая физика», которую иногда называют химией высоких энергий или химией экстремальных (далеких от нормы) состояний.

С одной стороны (внешне), такое объединение продиктовано невозможностью объяснить химические явления «чисто химическими» средствами и, следовательно, необходимостью обращения за помощью к физике. С другой стороны (внутренне), это объединение есть не что иное, как проявление принципиального единства Природы, которая не знает никакого абсолютно резкого о деления на рубрики и разные науки.

Точно так же в свое время появилась необходимость синтеза биологических и химических знаний. В прошлом столетии стали известны физиологическая химия и затем биохимия. А совсем недавно появилась и стала широко известной, даже модной, новая синтетическая наука физико-химическая биология. Она в сущности претендует на то, что представляет собой не более, но и не менее, как «теоретическую биологию». Потому что для объяснения сложнейших явлений, происходящих в живом организме, нет иных путей, кроме привлечения знаний из химии и физики. Ведь даже простейший живой организм - это и механический агрегат, и термодинамическая система, и химический реактор с разнонаправленными потоками материальных масс, тепла, электроимпульсов. И вместе с тем это ни то, ни другое в отдельности, потому что живой организм - единое целое.

При этом в принципе речь идет уже не только и не столько о редукции, т. е. о сведении всей биологии просто к одной чистой химии, а всей химии просто к одной чистой физике, сколько о действительном взаимопроникновении всех трех этих основных естественных наук друг в друга, хотя и с преимущественным развитием естествознания именно в направлении от физики к химии и биологии.

В настоящее время, вообще говоря, нет ни одной области собственно естественнонаучных исследований, которые относились бы исключительно к физике, химии или биологии в чистом изолированном состоянии. Биология опирается на химию и вместе с ней или непосредственно, как сама химия, на физику. Они пронизаны общими для них законами Природы.

Таким образом, все исследование Природы сегодня можно наглядно представить в виде огромной сети, состоящей из ветвей и узлов, связывающих многочисленные ответвления физических, химических и биологических наук.

концепция современное естествознание наука