Методическое и педагогическое обеспечение разработки УМК по химии в системе подготовки квалифицированных специалистов

Часть I. Химия в системе подготовке специалистов


1.1 Химия в системе подготовки будущих учителей технологии и предпринимательства


Химия - одна из фундаментальных: естественных наук, знание основ которой необходимо для плодотворной творческой деятельности инженера-педагога любой специализации.

В химии рассматриваются наиболее общие законы, характерные для любых объектов, в том числе и технических. Общетехнические дисциплины и дисциплины специализации, базируясь на соответствующих химических понятиях, далее развивают их, применительно к тому комплексу технических объектов, которые составляют предмет их исследования.

Полученные при изучении курса знания и умения позволяют специалисту понимать сущность и природу химических и физико-химических процессов, свойства различных материалов и возможности их применения. Качество химических знаний будущих инженеров - педагогов приобретает особенно большое значение в связи с необходимостью решения таких задач, как выбор и использование новых материалов, повышение надежности современной техники, уменьшение энергозатрат, реализация природоохранных мероприятий.

Курс «Химия» способствует формированию у студентов научного стиля мышления, убежденности в возможности рационального познания мира с помощью научных методов и приемов; показывает место и значение химии в культуре современной цивилизации. В связи с этим изменяется значение учебной дисциплины «Химия». Целью обучения становится не только получение учащимися основных представлений об общетеоретических вопросах курса, материалов неорганической и органической химии, но и раскрытие химического смысла обсуждаемых понятий и определений, который максимально согласован с профилем учебного заведения и соответствующей специальностью.

Таким образом, знание химии необходимо, для того чтобы выпускники инженерно-педагогического факультета могли успешно работать на руководящих и инженерно-технических должностях в фирмах и производственных отделах, организуя снабжение и сбыт химических продуктов и красителей, текстильных материалов и изделий, приборов контроля качества химических продуктов и красителей, на предприятиях текстильной и легкой промышленности, предприятиях выпускающих бытовую химию, в научно-исследовательских организациях и отделах, выполняющих аналитический контроль качества продукции и разработку современных технологий колорирования текстильных и любых полимерных материалов, обеспечивать организацию работы предприятий бытового обслуживания по химической чистке и реставрации изделий из текстиля, кожи и меха, а также в пищевой и лакокрасочной промышленности.

Таким образом, знание курса химии необходимо выпускнику вуза для успешного трудоустройства, а это самая главная задача для учебного заведения.

1.2 Межпредметные связи химии с другими дисциплинами


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 учеников интереса к знаниям основ наук, в том числе и естественных.

Вот что показал анализ уроков физики, химии и биологии: в большинстве случаев учителя ограничиваются лишь фрагментарным включением межпредметных связей (МПС). Иными словами, лишь напоминают факты, явления или закономерности из смежных предметов.

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, что мало способствует осознанному усвоению биологических знаний.

Общий анализ учебников позволяет отметить: многие факты и понятия излагаются в них неоднократно по разным дисциплинам, причем повторное их изложение практически мало чего прибавляет к знаниям учащихся. Более того, зачастую одно и то же понятие разными авторами интерпретируется по-разному, тем самым, затрудняя процесс их усвоения. Часто в учебниках используются малоизвестные учащимся термины, в них мало заданий межпредметного характера. Многие авторы почти не упоминают о том, что какие-то явления, понятия уже изучались в курсах смежных предметов, не указывают на то, что данные понятия будут более подробно рассмотрены при изучении другого предмета. Анализ ныне действующих программ по естественным дисциплинам позволяет сделать вывод о том, что межпредметным связям не уделяется должного внимания. Только в программах по общей биологии 10-11 классов (В.Б. Захаров); «Человек» (В.И. Сивоглазов) есть специальные разделы «Межпредметные связи» с указанием на физические и химические понятия, законы и теории, являющиеся фундаментом при формировании биологических понятий. В программах по физике и химии таких разделов нет, и учителям приходится самим устанавливать необходимые МПС. А это задачка многотрудная - координировать материал смежных предметов таким образом, чтобы обеспечить единство в интерпретации понятий.

Межпредметные связи физики, химии и биологии могли бы устанавливаться значительно чаще и эффективнее. Изучение процессов, протекающих на молекулярном уровне возможно только при условии привлечения знаний молекулярной биофизики, биохимии, биологической термодинамики, элементов кибернетики, взаимно дополняющих друг друга. Эта информация рассредоточена по курсам физики и химии, но только в курсе биологии появляется возможность рассмотреть сложные для учащихся вопросы, используя межпредметные связи. Кроме того, появляется возможность отработать понятия, общие для цикла естественных дисциплин, такие, как вещество, взаимодействие, энергия, дискретность и др.

При изучении основ цитологии межпредметные связи устанавливаются с элементами знаний биофизики, биохимии, биокибернетики. Так, например, клетка может быть представлена как механическая система, и в этом случае рассматриваются ее механические параметры: плотность, упругость, вязкость и т. д. Физико-химические характеристики клетки позволяют рассматривать ее как дисперсную систему, совокупность электролитов, полупроницаемых мембран. Без совмещения «таких образов» вряд ли можно сформировать понятие о клетке как сложной биологической системе. В разделе «Основы генетики и селекции» МПС устанавливаются между органической химией (белки, нуклеиновые кислоты) и физикой (основы молекулярно-кинетической теории, дискретность электрического заряда и др.).

Учитель должен заранее запланировать возможность осуществления как предшествующих, так и перспективных связей биологии с соответствующими разделами физики. Информация по механике (свойства тканей, движение, упругие свойства сосудов и сердца и т. д.) дает возможность рассматривать физиологические процессы; об электромагнитном поле биосферы - для объяснения физиологических функций организмов. Такое же значение имеют и многие вопросы биохимии. Изучение сложных биологических систем (биогеоценозы, биосфера) связано с необходимостью усвоения знаний о способах обмена информацией между отдельными особями (химической, оптической, звуковой), но для этого опять же необходимо использовать знания по физике и химии.

Использование межпредметных связей - одна из наиболее сложных методических задач учителя химии. Она требует знания содержания программ и учебников по другим предметам. Реализация межпредметных связей в практике обучения предполагает сотрудничество учителя химии с учителями других предметов.

Учитель химии разрабатывает индивидуальный план реализации межпредметных связей в курсе химии. Методика творческой работы учителя в этом плане проходит следующие этапы:

1. Изучение программы по химии, ее раздела «Межпредметные связи», программ и учебников по другим предметам, дополнительной научной, научно-популярной и методической литературы;

2. Поурочное планирование межпредметных связей с использованием курсовых и тематических планов;

3. Разработка средств и приемов реализации межпредметных связей на конкретных уроках (формулировка межпредметных познавательных задач, домашних заданий, подбор дополнительной литературы для учащихся, подготовка необходимых учебников и наглядных пособий по другим предметам, разработка методических приемов их использования);

4. Разработка методики подготовки и проведения комплексных форм организации обучения (обобщающих уроков с межпредметными связями, комплексных семинаров, экскурсий, занятий кружка, факультатива по межпредметным темам и т.д.);

5. Разработка приемов контроля и оценки результатов осуществления межпредметных связей в обучении (вопросы и задания на выявление умений учащихся устанавливать межпредметные связи).

Планирование межпредметных связей позволяет учителю успешно реализовать их методологические, образовательные, развивающие, воспитательные и конструктивные функции; предусмотреть всё разнообразие их видов на уроках, в домашней и внеклассной работе учащихся.

Для установления межпредметных связей необходимо осуществить отбор материалов, то есть определить те темы химии, которые тесно переплетаются с темами из курсов других предметов.

Курсовое планирование предполагает краткий анализ содержания каждой учебной темы курса с учетом внутрипредметных и межпредметных связей.

Для успешного осуществления межпредметных связей учитель химии, биологии и физики должен знать и уметь:

Когнитивный компонент

· содержание и структуру курсов смежных предметов;

· осуществлять согласование во времени изучения смежных предметов;

· теоретические основы проблемы МПС (виды классификаций МПС, способы их реализации, функции МПС, основные компоненты МПС и т. д.);

· обеспечивать преемственность в формировании общих понятий, изучении законов и теорий; использовать общие подходы к формированию умений и навыков учебного труда у учащихся, преемственности в их развитии;

· раскрывать взаимосвязи явлений различной природы, изучаемых смежными предметами;

· формулировать конкретные учебно-воспитательные задачи, исходя из целей МПС физики, химии, биологии;

· анализировать учебную информацию смежных дисциплин; уровень сформированности межпредметных знаний и умений у учащихся; эффективность применяемых методов обучения, форм учебных занятий, средств обучения на основе МПС.

Конструктивный компонент

· формировать систему целей и задач, способствующих реализации МПС;

· планировать учебно-воспитательную работу, направленную на реализацию МПС; выявлять воспитательные и развивающие возможности МПС;

· конструировать содержание межпредметных и интегративных уроков, комплексных семинаров и т.д. Предвидеть трудности и ошибки, которые могут возникнуть у учащихся при формировании межпредметных знаний и умений;

· конструировать методическое оснащение уроков, выбирать наиболее рациональные формы и методы обучения на основе МПС;

· планировать различные формы организации учебно-познавательной деятельности; конструировать дидактическое оснащение учебных занятий. Организационный компонент

· организовывать учебно-познавательную деятельность учащихся в зависимости от целей и задач, от их индивидуальных особенностей;

· формировать познавательный интерес учащихся к предметам естественного цикла на основе МПС;

· организовывать и руководить работой меж предметных кружков и факультативов; владеть навыками НОТ; методами управления деятельностью учащихся.

Коммуникативный компонент

· психологию общения; психолого-педагогические основы формирования межпредметных знаний и умений; психологические особенности учащихся;

· ориентироваться в психологических ситуациях в ученическом коллективе; устанавливать межличностные отношения в классе;

· устанавливать межличностные отношения с учителями смежных дисциплин в деятельности по совместной реализации МПС.

Ориентационный компонент

· теоретические основы деятельности по установлению МПС при изучении предметов естественного цикла;

· ориентироваться в учебном материале смежных дисциплин; в системе методов и форм обучения, способствующих успешной реализации МПС.

Мобилизационный компонент

· адаптировать педагогические технологии для реализации МПС физики, химии, биологии; предложить авторскую или подобрать наиболее адекватную методику формирования межпредметных знаний и умений в процессе обучения физике, химии, биологии;

· разработать авторскую или адаптировать традиционные методики решения задач межпредметного содержания;

· овладеть методикой проведения комплексных форм учебных занятий; уметь организовать самообразовательную деятельность по овладению технологией реализации МПС в обучении физике, химии и биологии.

Исследовательский компонент

· анализировать и обобщать опыт своей работы по реализации МПС; обобщать и внедрять опыт своих коллег; провести педагогический эксперимент, анализ своих результатов;

· организовать работу по методической теме МПС.

Данную профессиограмму можно рассматривать и как основу для построения процесса подготовки учителей физики, химии и биологии к деятельности по реализации МПС, и как критерий для оценки качества их подготовки.

Использование в изучении химии межпредметных связей позволяет с первого курса ознакомить студентов с предметами, которые они будут изучать на старших курсах: электротехника, менеджмент, экономика, материаловедение, детали машин, промышленная экология и т.д. Указывая на уроках химии, для чего и в каких предметах студентам пригодятся те или иные знания, педагог мотивирует запоминание материала не только на один урок, для получения оценки, но и изменяет личностные интересы студентов нехимических специальностей.

Взаимосвязь химии и физики

Наряду с процессами дифференциации самой химической науки, в настоящее время идут в интеграционные процессы химии с другими отраслями естествознания. Особенно интенсивно развиваются взаимосвязи между физикой и химией. Этот процесс сопровождается возникновением все новых и новых смежных физико-химических отраслей знания.

Вся история взаимодействия химии я физики полна примеров обмена идеями, объектами и методами исследования. На разных этапах своего развития физика снабжала химию понятиями и теоретическими концепциями, оказавшими сильное воздействие на развитие химии. При этом, чем больше усложнялись химические исследования, тем больше аппаратура и методы расчетов физики проникали в химию. Необходимость измерения тепловых эффектов реакции, развитие спектрального и рентгеноструктурного анализа, изучение изотопов и радиоактивных химических элементов, кристаллических решеток вещества, молекулярных структур потребовали создания и привели к использованию сложнейших физических приборов эспектроскопов, масс-спектрографов, дифракционных решеток, электронных микроскопов и т.д.

Развитие современной науки подтвердило глубокую связь между физикой и химией. Связь эта носит генетический характер, то есть образование атомов химических элементов, соединение их в молекулы вещества произошло на определенном этапе развития неорганического мира. Также эта связь основывается на общности строения конкретных видов материи, в том числе и молекул веществ, состоящих в конечном итоге из одних и тех же химических элементов, атомов и элементарных частиц. Возникновение химической формы движения в природе вызвало дальнейшее развитие представлений об электромагнитном взаимодействии, изучаемом физикой. На основе периодического закона ныне осуществляется прогресс не только в химии, но и в ядерной физике, на границе которой возникли такие смешанные физико-химические теории, как химия изотопов, радиационная химия.

Химия и физика изучают практически одни и те же объекты, но только каждая из них видит в этих объектах свою сторону, свой предмет изучения. Так, молекула является предметом изучения не только химии, но и молекулярной физики. Если первая изучает ее с точки зрения закономерностей образования, состава, химических свойств, связей, условий ее диссоциации на составляющие атомы, то последняя статистически изучает поведение масс молекул, обусловливающее тепловые явления, различные агрегатные состояния, переходы из газообразной в жидкую и твердую фазы и обратно, явления, не связанные с изменением состава молекул и их внутреннего химического строения. Сопровождение каждой химической реакции механическим перемещением масс молекул реагентов, выделение или поглощение тепла за счет разрыва или образования связей в новых молекулах убедительно свидетельствуют о тесной связи химических и физических явлений. Так, энергетика химических процессов тесно связана с законами термодинамики. Химические реакции, протекающие с выделением энергии обычно в виде тепла и света, называются экзотермическими. Существуют также эндотермические реакции, протекающие с поглощением энергии. Все сказанное не противоречит законам термодинамики: в случае горения энергия высвобождается одновременно с уменьшением внутренней энергии системы. В эндотермических реакциях идет повышение внутренней энергии системы за счет притока тепла. Измеряя количество энергии, выделяющейся при реакции (тепловой эффект химической реакции), можно судить об изменении внутренней энергии системы. Он измеряется в килоджоулях на моль (кДж/моль).

Еще один пример. Частным случаем первого начала термодинамики является закон Гесса. Он гласит, что тепловой эффект реакции зависит только от начального и конечного состояния веществ и не зависит от промежуточных стадий процесса. Закон Гесса позволяет вычислить тепловой эффект реакции в тех случаях, когда его непосредственное измерение почему-либо неосуществимо.

С возникновением теории относительности, квантовой механики и учения об элементарных частицах раскрылись еще более глубокие связи между физикой и химией. Оказалось, что разгадка объяснения существа свойств химических соединений, самого механизма превращения веществ лежит в строении атомов, в квантово-механических процессах его элементарных частиц и особенно электронов внешней оболочки, Именно новейшая физика сумела решить такие вопросы химии, как природа химической связи, особенности химического строения молекул органических и неорганических соединений и т.д.

В сфере соприкосновения физики и химии возник и успешно развивается такой сравнительно молодой раздел из числа основных разделов химии как физическая химия, которая оформилась в конце XIX в. в результате успешных попыток количественного изучения физических свойств химических веществ и смесей, теоретического объяснения молекулярных структур. Экспериментальной и теоретической базой для этого послужили работы Д.И. Менделеева (открытие Периодического закона), Вант-Гоффа (термодинамика химических процессов), С. Аррениуса (теория электролитической диссоциации) и т.д. Предметом ее изучения стали общетеоретические вопросы, касающиеся строения и свойств молекул химических соединений, процессов превращения веществ в связи с взаимной обусловленностью их физическими свойствами, изучение условий протекания химических реакций и совершающихся при этом физических явлений. Сейчас физхимия - это разносторонне разветвленная наука, тесно связывающая физику и химию.

В самой физической химии к настоящему времени выделились и вполне сложились в качестве самостоятельных разделов, обладающих своими особыми методами и объектами исследования, электрохимия, учение о растворах, фотохимия, кристаллохимия. В начале XX в. выделилась также в самостоятельную науку выросшая в недрах физической химии коллоидная химия. Со второй половины XX в. в связи с интенсивной разработкой проблем ядерной энергии возникли и получили большое развитие новейшие отрасли физической Химии - химия высоких энергий, радиационная химия (предметом ее изучения являются реакции, протекающие под действием ионизирующего излучения), химия изотопов.

Физическая химия рассматривается сейчас как наиболее широкий общетеоретический фундамент всей химической науки. Многие ее учения и теории имеют большое значение для развития неорганической и особенно органической химии. С возникновением физической химии изучение вещества стало осуществляться не только традиционными химическими методами исследования, не только с точки зрения его состава и свойств, но и со стороны структуры, термодинамики и кинетики химического процесса, а также со стороны связи и зависимости последнего от воздействия явлений, присущих другим формам движения (световое и радиационное облучение, световое и тепловое воздействие и т.д.).

Примечательно, что в первой половине XX в. сложилась пограничная между химией и новыми разделами физики (квантовая механика, электронная теория атомов и молекул) наука, которую стали позднее называть химической физикой. Она широко применила теоретические и экспериментальные методы новейшей физики к исследованию строения химических элементов и соединений и особенно механизма реакций. Химическая физика изучает взаимосвязь и взаимопереход химической и субатомной форм движения материи.

В иерархии основных наук, данной Ф. Энгельсом, химия непосредственно соседствует с физикой. Это соседство и обеспечило ту быстроту и глубину, с которой многие разделы физики плодотворно вклиниваются в химию. Химия граничит, с одной стороны, с макроскопической физикой - термодинамикой, физикой сплошных сред, а с другой - с микрофизикой - статической физикой, квантовой механикой.

Общеизвестно, сколь плодотворными эти контакты оказались для химии. Термодинамика породила химическую термодинамику - учение о химических равновесиях. Статическая физика легла в основу химической кинетики - учения о скоростях химических превращений. Квантовая механика вскрыла сущность Периодического закона Менделеева. Современная теория химического строения и реакционной способности - это квантовая химия, т.е. приложение принципов квантовой механики к исследованию молекул и «X превращений».

Еще одним свидетельством плодотворности влияния физики на химическую науку является все расширяющееся применение физических методов в химических исследованиях. Поразительный прогресс в этой области особенно отчетливо виден на примере спектроскопических методов. Еще совсем недавно из бесконечного диапазона электромагнитных излучений химики использовали лишь узкую область видимого и примыкающего к нему участков инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов. Открытие физиками явления магнитного резонансного поглощения привело к появлению спектроскопии ядерного магнитного резонанса, наиболее информативного современного аналитического метода и метода изучения электронного строения молекул, и спектроскопии электронного парамагнитного резонанса, уникального метода изучения нестабильных промежуточных частиц - свободных радикалов. В коротковолновой области электромагнитных излучений возникла рентгеновская и гамма-резонансная спектроскопия, обязанная своим появлением открытию Мессбауэра. Освоение синхротронного излучения открыло новые перспективы развития этого высокоэнергетического раздела спектроскопии.

Казалось бы, освоен весь электромагнитный диапазон, и в этой области трудно ждать дальнейшего прогресса. Однако появились лазеры - уникальные по своей спектральной интенсивности источники - и вместе с ними принципиально новые аналитические возможности. Среди них можно назвать лазерный магнитный резонанс - быстро развивающийся высокочувствительный метод регистрации радикалов в газе. Другая, поистине фантастическая возможность - это штучная регистрация атомов с помощью лазера - методика, основная на селективном возбуждении, позволяющая зарегистрировать в кювете всего несколько атомов посторонней примеси. Поразительные возможности для изучения механизмов радикальных реакций дало открытие явления химической поляризации ядер.

Сейчас трудно назвать область современной физики, которая бы прямо или косвенно не оказывала влияние на химию. Взять, например, далекую от мира молекул, построенного из ядер и электронов, физику нестабильных элементарных частиц. Может показаться удивительным, что на специальных международных конференциях обсуждается химическое поведение атомов, имеющих в своем составе позитрон или мюон, которые, в принципе, не могут дать устойчивых соединений. Однако уникальная информация о сверхбыстрых реакциях, Которую такие атомы позволяют получать, полностью оправдывает этот интерес.

Оглядываясь на историю взаимоотношений физики и химии, мы видим, что физика играла важную, подчас решающую роль в развитии теоретических концепций и методов исследования в химии. Степень признания этой роли можно оценить, просмотрев, например, список лауреатов Нобелевской премии по химии. Не менее трети в этом списке - авторы крупнейших достижений в области физической химии. Среди них - те, кто открыл радиоактивность и изотопы (Резерфорд, М. Кюри, Содди, Астон, Жолио-Кюри и др.), заложил основы квантовой химии (Полинг и Малликен) и современной химической кинетики (Хиншелвуд и Семенов), развил новые физические методы (Дебай, Гейеровский, Эйген, Норриш и Портер, Герцберг).

Наконец, следует иметь в виду и то решающее значение, которое начинает играть в развитии науки производительность труда ученого. Физические методы сыграли и продолжают играть в этом отношении в химии революционизирующую роль. Достаточно сравнить, например, время, которое затрачивал химик-органик на установление строения синтезированного соединения химическими средствами и которое он затрачивает теперь, владея арсеналом физических методов. Несомненно, что этот резерв применения достижений физики используется далеко не достаточно.

Подведем некоторые итоги. Мы видим, что физика во все большем масштабе, и все более плодотворно вторгается в химию. Физика вскрывает сущность качественных химических закономерностей, снабжает химию совершенными инструментами исследования. Растет относительный объем физической химии, и не видно причин, которые могут замедлить этот рост.

Взаимосвязь химии и биологии

Общеизвестно, что химия и биология долгое время шли каждая своим собственным путем, хотя давней мечтой химиков было создание в лабораторных условиях живого организма.

Резкое укрепление взаимосвязи химии с биологией произошло в результате создания А.М. Бутлеровым теория химического строения органических соединений. Руководствуясь этой теорией, химики-органики вступили в соревнование с природой. Последующие поколения химиков проявили большую изобретательность, труд, фантазию и творческий поисках направленном синтезе вещества. Их замыслом было не только подражать природе, они хотели превзойти ее. И сегодня мы можем уверенно заявить, что во многих случаях это удалось.

Поступательное развитие науки XIX в., приведшее к раскрытию структуры атома и детальному познанию строения и состава клетки, открыло перед химиками и биологами практические возможности совместной работы над химическими проблемами учения о клетке, над вопросами о характере химических процессов в живых тканях, об обусловленности биологических функций химическими реакциями.

Если посмотреть на обмен веществ в организме с чисто химической точки зрения, как это сделал А.И. Опарин, мы увидим совокупность большого числа сравнительно простых и однообразных химических реакций, которые сочетаются между собой во времени, протекают не случайно, а в строгой последовательности, в результате чего образуются длинные цепи реакций. И этот порядок закономерно направлен, к постоянному самосохранению и самовоспроизведению всей живой системы в целом в данных условиях окружающей среды.

Словом, такие специфические свойства живого, как рост, размножение, подвижность, возбудимость, способность реагировать на изменения внешней среды, связаны с определенными комплексами химических превращений.

Значение химии среди наук, изучающих жизнь, исключительно велико. Именно химией выявлена важнейшая роль хлорофилла как химической основы фотосинтеза, гемоглобина как основы процесса дыхания, установлена химическая природа передачи нервного возбуждения, определена структура нуклеиновых кислот и т.д. Но главное заключается в том, что объективно в самой основе биологических процессов, функций живого лежат химические механизмы. Все функции и процессы, происходящие в живом организме, оказывается возможным изложить на языке химии, в виде конкретных химических процессов.

Разумеется, было бы неверным сводить явления жизни к химическим процессам. Это было бы грубым механистическим упрощением. И ярким свидетельством этого выступает специфика химических процессов в живых системах по сравнению с неживыми. Изучение этой специфики раскрывает единство и взаимосвязь химической и биологической форм движения материи. Об этом же говорят и другие науки, возникшие на стыке биологии, химии и физики: биохимия - наука об обмене веществ и химических процессов в живых организмах; биоорганическая химия - наука о строении, функциях и путях синтеза соединений, составляющих живые организмы; физико-химическая биология как наука о функционировании сложных систем передачи информации и регулировании биологических процессов на молекулярном уровне, а также биофизика, биофизическая химия и радиационная биология.

Крупнейшими достижениями этого процесса стали определение химических продуктов клеточного метаболизма (обмена веществ в растениях, животных, микроорганизмах), установление биологических путей и циклов биосинтеза этих продуктов; был реализован их искусственный синтез, сделано открытие материальных основ регулятивного и наследственного молекулярного механизма, а также в значительной степени выяснено значение химических процессов» энергетике процессов клетки и вообще живых организмов.

Ныне для химии особенно важным становится применение биологических принципов, в которых сконцентрирован опыт приспособления живых организмов к условиям Земли в течение многих миллионов лет, опыт создания наиболее совершенных механизмов и процессов. На этом пути есть уже определенные достижения.

Более столетия назад ученые поняли, что основой исключительной эффективности биологических процессов является биокатализ. Поэтому химики ставят своей целью создать новую химию, основанную на каталитическом опыте живой природы. В ней появится новое управление химическими процессами, где начнут применяться принципы, синтеза себе подобных молекул, по принципу ферментов будут созданы катализаторы с таким разнообразием качеств, которые далеко превзойдут существующие в нашей промышленности.

Несмотря на то, что ферменты обладают общими свойствами, присущими всем катализаторам, тем не менее, они не тождественны последним, поскольку функционируют в рамках живых систем. Поэтому все попытки использовать опыт живой природы для ускорения химических процессов в неорганическом мире сталкиваются с серьезными ограничениями. Пока речь может идти только о моделировании некоторых функций ферментов и использовании этих моделей для теоретического анализа деятельности живых систем, а также частично-практического применения выделенных ферментов для ускорения некоторых химических реакций.

Здесь самым перспективным направлением, очевидно, являются исследования, ориентированные на применение принципов биокатализа в химии и химической технологии, для чего нужно изучить весь каталитический опыт живой природы, в том числе и опыт формирования самого фермента, клетки и даже организма.

Теория саморазвития элементарных открытых каталитических систем, в самом общем виде выдвинутая профессором МГУ А.П. Руденко в 1964 г., является общей теорией химической эволюции и биогенеза. Она решает вопросы о движущих силах и механизмах эволюционного процесса, то есть о законах химической эволюции, об отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, о высоте химической организации и иерархии химических систем как следствии эволюции.

Теоретическим ядром этой теории является положение о том, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем и, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы. В ходе реакции происходит естественный отбор тех каталитических центров, которые обладают наибольшей активностью. Саморазвитие, самоорганизация и самоусложнение каталитических систем происходит за счет постоянного притока трансформируемой энергии. А так как основным источником энергии является базисная реакция, то максимальные эволюционные преимущества получают каталитические системы, развивающиеся на базе экзотермических реакций. Отсюда базисная реакция является не только источником энергии, но и орудием отбора наиболее прогрессивных эволюционных изменений катализаторов.

Развивая эти взгляды, А.П. Руденко сформулировал основной закон химической эволюции, согласно которому с наибольшей скоростью и вероятностью образуются те пути эволюционных изменений катализатора, на которых происходит максимальное увеличение его абсолютной активности.

Практическим следствием теории саморазвития открытых каталитических систем является так называемая «нестационарная технология», то есть технология с меняющимися условиями реакции. Сегодня исследователи приходят к выводу, что стационарный режим, надежная стабилизация которого казалась залогом высокой эффективности промышленного процесса, является лишь частным случаем нестационарного режима. При этом обнаружено множество нестационарных режимов, способствующих интенсификации реакции.

В настоящее время уже видны перспективы возникновения и развития новой химии, на основе которой будут созданы малоотходные, безотходные и энергосберегающие промышленные технологии.

Сегодня химики пришли к выводу, что, используя те же принципы, на которых построена химия организмов, в будущем (не повторяя в точности природу) можно будет построить принципиально новую химию, новое управление химическими, процессами, где начнут применяться принципы синтеза себе подобных молекул. Предвидится создание преобразователей, использующих с большим КПД солнечный свет, превращая его в химическую и электрическую энергию, а также химическую энергию в свет большой интенсивности.

Заключение

Современная химия представлена множеством различных направлений развития знаний о природе вещества и способах его преобразования. В то же время химия является не просто суммой знаний о веществах, а высоко упорядоченной, постоянно развивающейся системой знаний, имеющей свое место в ряду других естественных наук.

Химия изучает качественное многообразие материальных носителей химических явлений, химической формы движения материи. Хотя структурно она пересекается в определенных областях и с физикой, и с биологией, и с другими естественными науками, но сохраняет при этом свою специфику.

Одним из наиболее существенных объективных оснований выделения химии в качестве самостоятельной естественнонаучной дисциплины является признание специфичности химизма взаимоотношения веществ, проявляющегося, прежде всего, в комплексе сил и различных типов взаимодействий, обусловливающих существование двух и многоатомных соединений. Этот комплекс принято характеризовать как химическую связь, возникающую либо разрывающуюся в ходе взаимодействия частиц атомного уровня организации материи. Для возникновения химической связи характерно знач
Автор: Капин Артем Витальевич