Взаимосвязь химии с другими естественными науками. Единство и взаимосвязь естественнонаучных и гуманитарных наук (культур)

Система естественно-научных знаний

Естествознание является одной из составляющих системы современного научного знания, включающей также комплексы технических и гуманитарных наук. Естествознание представляет собой эволюционирующую систему упорядоченных сведений о закономерностях движения материи.

Объектами исследования отдельных естественных наук, совокупность которых еще в начале XX в. носила название естественной истории, со времени их зарождения и до наших дней были и остаются: материя, жизнь, человек, Земля, Вселенная. Соответственно современное естествознание группирует основные естественные науки следующим образом:

• физика, химия, физическая химия;
• биология, ботаника, зоология;
• анатомия, физиология, генетика (учение о наследственности);
• геология, минералогия, палеонтология, метеорология, физическая география;
• астрономия, космология, астрофизика, астрохимия.

Конечно же, здесь перечислены лишь основные естественные , на самом же деле современное естествознание представляет собой сложный и разветвленный комплекс, включающий сотни научных дисциплин. Одна только физика объединяет целое семейство наук (механика, термодинамика, оптика, электродинамика и т. д.). По мере роста объема научного знания отдельные разделы наук приобрели статус научных дисциплин со своим понятийным аппаратом, специфическими методами исследования, что зачастую делает их трудно доступными для специалистов, занимающихся другими разделами той же, скажем, физики.

Подобная дифференциация в естественных науках (как, впрочем, и в науке вообще) является естественным и неизбежным следствием всё более сужающейся специализации.

Вместе с тем также естественным образом в развитии науки происходят встречные процессы, в частности складываются и оформляются естественно-научные дисциплины, как часто говорят, «на стыках» наук: химическая физика, биохимия, биофизика, биогеохимия и многие другие. В результате границы, некогда определившиеся между отдельными научными дисциплинами и их разделами, становятся весьма условными, подвижными и, можно сказать, прозрачными.

Эти процессы, приводящие, с одной стороны, к дальнейшему росту количества научных дисциплин, но с другой — к их сближению и взаимопроникновению, являются одним из свидетельств интеграции естественных наук, отражающей общую тенденцию в современной науке.

Именно здесь, пожалуй, уместно обратиться к такой занимающей, безусловно, особое место научной дисциплине, как математика, которая является инструментом исследования и универсальным языком не только естественных наук, но и многих других — тех, в которых можно усмотреть количественные закономерности.

В зависимости от методов, лежащих в основе исследований, можно говорить о естественных науках:

• описательных (исследующих фактические данные и связи между ними);
• точных (строящих математические модели для выражения установленных фактов и связей, т. е. закономерностей);
• прикладных (использующих систематику и модели описательных и точных естественных наук для освоения и преобразования природы).

Тем не менее, общим родовым признаком всех наук, изучающих природу и технику, является сознательная деятельность профессиональных работников науки, направленная на описание, объяснение и предсказание поведения исследуемых объектов и характера изучаемых явлений. Гуманитарные же науки отличаются тем, что объяснение и предсказание явлений (событий) опирается, как правило, не на объяснение, а на понимание реальности.

В этом состоит принципиальное различие между науками, имеющими объекты исследования, допускающие систематическое наблюдение, многократную опытную проверку и воспроизводимые эксперименты, и науками, изучающими по сути уникальные, неповторяющиеся ситуации, не допускающие, как правило, точного повторения опыта, проведения более одного раза какого-либо эксперимента.

Современная культура стремится преодолеть дифференциацию познания на множество самостоятельных направлений и дисциплин, в первую очередь раскол между естественными и гуманитарными науками, явно обозначившийся в конце XIX в. Ведь мир един во всем своем бесконечном многообразии, поэтому относительно самостоятельные области единой системы человеческого знания органически взаимосвязаны; различие здесь преходяще, единство абсолютно.

В наши дни явно наметилась интеграция естественнонаучного знания, которая проявляется во многих формах и становится наиболее выраженной тенденцией его развития. Всё в большей степени эта тенденция проявляется и во взаимодействии естественных наук с науками гуманитарными. Свидетельством этому является выдвижение на передний фронт современной науки принципов системности, самоорганизации и глобального эволюционизма, открывающих возможность объединения самых разнообразных научных знаний в цельную и последовательную систему, объединяемую общими закономерностями эволюции объектов различной природы.

Есть все основания полагать, что мы являемся свидетелями всё большего сближения и взаимной интеграции естественных и гуманитарных наук. Подтверждением тому служит широкое использование в гуманитарных исследованиях не только технических средств и информационных технологий, применяемых в естественных и технических науках, но и общенаучных методов исследования, выработанных в процессе развития естествознания.

Предметом настоящего курса являются концепции, относящиеся к формам существования и движения живой и неживой материи, в то время как законы, определяющие ход социальных явлений, являются предметом гуманитарных наук. Следует, однако, иметь в виду, что, как бы ни различались между собой естественные и гуманитарные науки, они обладают общеродовым единством, каковым является логика науки. Именно подчинение этой логике делает науку сферой человеческой деятельности, направленной на выявление и теоретическую систематизацию объективных знаний о действительности.

Естественно-научная картина мира создается и видоизменяется учеными разных национальностей, среди которых и убежденные атеисты, и верующие различных вероисповеданий и конфессий. Однако в своей профессиональной деятельности все они исходят из того, что мир материален, т. е. существует объективно вне зависимости от изучающих его людей. Заметим, однако, что сам процесс познания может оказывать влияние на изучаемые объекты материального мира и на то, как представляет их себе человек в зависимости от уровня развития средств исследования. Кроме того, каждый ученый исходит из того, что мир принципиально познаваем.

Процесс научного познания — это поиск истины. Однако абсолютная истина в науке непостижима, и с каждым шагом по пути познания она отодвигается дальше и глубже. Таким образом, на каждом этапе познания ученые устанавливают относительную истину, понимая, что на следующем этапе будет достигнуто знание более точное, в большей степени адекватное реальности. И это еще одно свидетельство того, что процесс познания объективен и неисчерпаем.

Одной из закономерностей развития естествознания является взаимодействие естественных наук, взаимосвязь всех отраслей естествознания. Наука, таким образом, единое целое.

Главными путями взаимодействия являются следующие:

Изучение одного предмета одновременно несколькими науками (например, изучение человека);

Использование одной наукой знаний, полученных другими науками, например, достижения физики тесно связаны с развитием астрономии, химии, минералогии, математики и используют знания, полученные этими науками;

Использование методов одной науки для изучения объектов и процессов другой. Чисто физический метод – метод «меченых атомов» – широко применяется в биологии, ботанике, медицине и т. д. Электронный микроскоп используется не только в физике: он необходим и для изучения вирусов. Явление парамагнитного резонанса находит применение во многих отраслях науки. Во многих живых объектах природой заложены чисто физические инструментарии, например, гремучая змея имеет орган, способный воспринимать инфракрасное излучение и улавливать изменения температуры на тысячную долю градуса; у летучей мыши есть ультразвуковой локатор, позволяющий ей ориентироваться в пространстве и не натыкаться на стены пещер, где она обычно обитает и т.д.;

Взаимодействие через технику и производство, осуществляемое там, где используются данные нескольких наук, например, в приборостроении, кораблестроении, космосе, автоматизации, военной промышленности и т.д.;

Взаимодействие через изучение общих свойств различных видов материи, ярким примером чему служит кибернетика – наука об управлении в сложных динамических системах любой природы (технических, биологических, экономических, социальных, административных и т. п.), использующих обратную связь. Процесс управления в них осуществляется в соответствии с поставленной задачей и происходит до тех пор, пока цель управления не окажется достигнутой.

В процессе развития человеческого познания наука все больше дифференцируется на отдельные отрасли, изучающие частные вопросы многогранной действительности. С другой стороны, наука вырабатывает единую картину мира, отражающую общие закономерности его развития, что приводит к более широкому синтезу наук, т.е. все более углубленному познанию природы. Единство мира лежит в основе единства наук, к которому в конечном счете направлено развитие знания на каждом отдельном витке человеческого познания. Путь к единству наук лежит через интеграцию ее отдельных отраслей, что предполагает интеграцию различных теорий и методов исследования. Таким образом, в процессе развития современных наук процессы дифференциации переплетаются с процессами интеграции наук: физика подразделяется на механику, а та, в свою очередь, на кинематику, динамику и статику; молекулярную, атомную, ядерную физику, термодинамику, электричество, магнетизм, оптику и т.д.; медицинские институты готовят врачей самых разных специальностей: терапевтов, хирургов, психиатров, кардиологов, окулистов, урологов и т.д. – спектр специализаций очень широк, но любой выпускник медицинского института – врач.

Дифференциация научного знания на отдельные области побуждает выявлять необходимые связи между ними. Возникает много пограничных наук, например, на границе между физикой и химией возникли новые отрасли науки: физхимия и химфизика (в Москве при Российской академии наук (РАН) есть институты физической химии и химической физики); на границе между биологией и химией – биохимия; биологией и физикой – биофизика. В силу единства науки интеграция принципов в одной из ее областей обязательно связана с интеграцией в другой. Обобщая вышесказанное, можно констатировать тот факт, что дифференциация и интеграция естествознания – процесс незавершенный, открытый. Естествознание не является замкнутой системой, и вопрос о сущности естествознания с каждым новым открытием становится яснее.

Согласно общей теории систем (ОТС), важнейшим свойством систем со сложной структурой является их иерархичность (от греческого hierarchia – лестница соподчинения), характеризующаяся наличием субординации или соподчинения её подсистем или структурных уровней. Иерархичность есть и в естественных науках. Впервые на неё указал французский физик Андре Ампер (1775-1836), который пытался найти принцип естественной классификации всех известных в его время естественных наук. Физику он поместил на первое место как науку более фундаментальную.

Идеи о субординации естественных наук широко обсуждаются и сегодня. При этом выделяют два направления в науке: редукционизм (от латинского reduction – возвращение), согласно которому всё «высшее» сводится к более простому – «низшему», т.е. все биологические явления к химическим, а химические – к физическим, и интегратизм (всё наоборот).

Различие между редукционизмом и интегратизмом заключается лишь в направлении движения мысли учёного. Кроме того иерархия основных естественных наук имеет циклически замкнутый характер. Цикличность – это свойство, присущее самой Природе. Приведём примеры: круговорот веществ в Природе, смена дня и ночи, смена времён года, растение, умирая, оставляет на Земле семена, из которых затем появляется новая жизнь. Поэтому и естествознание, имеющее единый объект исследования – Природу, которой присуще это свойство, то же обладает им.

Качество подготовки инженеров существенно зависит от уровня их образования в области фундаментальных наук: математики, физики и химии. Роль и место химии в системе естественнонаучных дисциплин определяется тем, что в области материального производства человеку всегда приходится иметь дело с веществом.

В повседневной жизни мы наблюдаем, что вещества подвергаются различным изменениям: стальной предмет во влажном воздухе покрывается ржавчиной; дрова в печи сгорают, оставляя лишь небольшую кучку золы; бензин в двигателе автомобиля сгорает, при этом в окружающую среду поступает около двухсот различных веществ, в том числе токсичных и канцерогенных; опавшие листья деревьев постепенно истлевают, превращаясь в перегной, и т.д.

Познание свойств вещества, строения, химической природы его частиц, механизмов их взаимодействия, возможных путей превращения одного вещества в другое, - эти проблемы составляют предмет химии.

Химия – это наука о веществах и законах их превращений.

Как одна из отраслей естествознания, химия связана с другими естественными науками. Химические изменения всегда сопровождаются изменениями физическими. Широкое применение физических методов исследования и математического аппарата в химии сблизило её с физикой и математикой. Химия также связана и с биологией, поскольку биологические процессы сопровождаются непрерывными химическими превращениями. Химические методы используют для решения проблем геологии. Связь между различными естественными науками очень тесная, на стыках наук возникают новые науки, например, ядерная химия, биохимия, геохимия, космохимия и т.д.

Изучение химическими методами ряда технических проблем связывает химию с инженерно – техническими и специальными дисциплинами, необходимыми для практической деятельности инженера. Так, производство стали и других сплавов, чистых металлов и полупроводников, выработка из них изделий и их дальнейшее использование, эксплуатация различных механизмов в соответствующих газовых и жидких средах – всё это требует конкретных химических знаний и умения применить их на практике.

Нет почти ни одной отрасли производства, не связанной с применением химии. Природа даёт нам исходное сырьё: дерево, руду, нефть, газ и др. Подвергая природные материалы химической переработке, человек получает разнообразные вещества, необходимые для сельского хозяйства, промышленности, домашнего обихода: удобрения, металлы, пластические массы, краски, лекарственные вещества, мыло, соду и т.д. Химия нужна человечеству для того, чтобы получить из природных веществ, всё необходимое – металлы, цемент и бетон, керамику, фарфор и стекло, каучук, пластмассы, искусственные волокна, фармацевтические средства. Для химической переработки природного сырья необходимо знать общие законы превращения веществ, а эти знания даёт химия.

В современных условиях, когда стало ясно, что запасы многих природных ресурсов ограничены и не восстанавливаются, когда нагрузка на окружающую среду со стороны человека стала столь велика, а способность природы к самоочищению ограничена, на первый план выдвигается ряд принципиально новых проблем, решение которых невозможно без химических знаний. К ним в первую очередь относятся вопросы охраны окружающей среды и соблюдение экологических требований в новых технологических процессах, создание замкнутых производственных циклов и безотходных технологий, теоретическое обоснование и разработка энерго- и ресурсосберегающих технологий. Реализация требований к высокому качеству продукции и её долговечности немыслима без понимания того, что контроль за химическим составом является важнейшим этапом технологического цикла. Борьба с коррозией материалов, изделий из них, новые методы обработки поверхностей требуют от инженера глубокого понимания сущности химических процессов.

Указанные выше проблемы по силам решить всесторонне грамотным инженерам, способным наряду с другими задачами разбираться и самостоятельно ориентироваться в химических вопросах.

Основные понятия химии

Объектом изучения в химии являются химические элементы и их соединения.

Химическим элементом называют вид атомов с одинаковым зарядом ядер. Атом – наименьшая частица элемента, обладающая его химическими свойствами.

Молекулой называют наименьшую частицу индивидуального вещества, способную к самостоятельному существованию, обладающую его основными химическими свойствами и состоящую из одинаковых или различных атомов.

Если молекулы состоят из одинаковых атомов, то вещество называют простым или элементарным , например He, Ar, H 2 , O 2 , S 4 . Простое вещество является формой существования химического элемента в свободном состоянии. Если молекула вещества состоит из разных атомов, то вещество называют сложным (или химическим соединением) , например CO, H 2 O , H 3 PO 4 .

Химические свойства вещества характеризуют его способность участвовать в химических реакциях, т. е. в процессах превращения одних веществ в другие.

Массы атомов, молекул очень малы. Например, массы отдельных атомов составляют 10 -24 - 10 -22 г. Массы атомов, молекул выражают или в относительных единицах (через массу какого-либо одного определенного вида атома), или в атомных единицах массы (а.е.м.).

1а.е.м.-это 1/12 часть массы атома изотопа углерода С. 1а.е.м.=1.66053*10 -24 г.

Значение относительной атомной (A r) или молекулярной массы (M r) показывает, во сколько раз масса атома или молекулы больше чем 1/12 часть массы атома изотопа углерода С (углеродная шкала атомных масс) . A r и М r – безразмерны. Значения А r приводятся в периодической системе элементов Д.И. Менделеева под символом элемента. Численно А r и А (а.е.м.) совпадают. Зная относительную атомную массу, легко можно найти и массу атома, выраженную в граммах. Так, масса атома углерода-12 в г равна: 12* 1.66053*10 -24 = 1.992636*10 -23 г . Масса молекулы равна сумме масс атомов, входящих в ее состав.

Количество вещества (n;n) – это число структурных единиц (атомов, молекул, ионов, эквивалентов, электронов и т.д.) в системе. Единицей измерения количества вещества является моль. Моль – количество вещества, которое содержит столько определенных структурных единиц, сколько атомов содержится в 12 г изотопа углерода 12 С. Число структурных единиц, содержащихся в 1 моле любого вещества в любом агрегатном состоянии, есть постоянная Авогадро: N A= 6,02*10 23 моль -1 .

Количество вещества (n) равно отношению числа структурных единиц (атомов, молекул, ионов, эквивалентов, электронов и т.д.) в системе (N) к их числу в 1 моле вещества (N А):

Молярная масса (М) – это масса 1 моль вещества, равная отношению массы вещества (m) к его количеству (n):

Основной единицей измерения молярной массы является г/моль (кг/моль). Молярная масса вещества, выраженная в граммах, численно равна относительной молекулярной массе этого вещества.

Молярный объем (V м) – это объем, занимаемый 1 моль газообразного вещества, равный отношению объема газообразного вещества (V) к его количеству():

При н.у. (273,15 К и 101,325 кПа) для любого вещества в газообразном состоянии V м = 22,4 л/моль.

Эквивалент (Э) – это реальная или условная частица вещества, которая может замещать, присоединять, высвобождать или быть каким-либо другим образом эквивалентна (равноценна) одному иону водорода в кислотно-основных или ионно-обменных реакциях или одному электрону в окислительно-восстановительных реакциях (ОВР). Эквивалент безразмерен, его состав выражают с помощью знаков и формул так же, как в случае молекул, атомов или ионов.

Для того чтобы определить формулы эквивалента вещества и правильно записать его химическую формулу, надо исходить из конкретной реакции, в которой участвует данное вещество.

Рассмотрим несколько примеров определения формулы эквивалента:

А. 2NaOH+H 2 SO 4 =2H 2 O+Na 2 SO 4 .

Краткое ионно-молекулярное уравнение процесса:

2OH - +2H + =2H 2 O.

В данной ионообменной реакции участвуют два иона водорода. На один ион водорода приходится:

NaOH+1/2H 2 SO 4 =H 2 O+1/2Na 2 SO 4 ,

т.е. одному иону водорода соответствует: одна молекула NaOH, 1/2 молекулы H 2 SO 4 , одна молекула H 2 O, 1/2 молекулы Na 2 SO 4 , поэтому Э(NaOH)=NaOH; Э(H 2 SO 4)=1/2H 2 SO 4 ; Э(H 2 O)=H 2 O; Э(Na 2 SO 4)=1/2Na 2 SO 4 .

Б. Zn+2HCl=ZnCl 2 +H 2

Ионно-электронные уравнения процессов окисления, восстановления:

В данной ОВР участвуют два электрона. На один электрон приходится:

1/2Zn+HCl=1/2ZnCl 2 +1/2H 2 ,

т.е. одному электрону соответствует 1/2 атома Zn, одна молекула HСl,1/2 молекулы ZnCl 2 и 1/2 молекулы Н 2 , поэтому Э(Zn) = 1/2Zn; Э(HCl) = HCl; Э(ZnCl 2) = 1/2ZnCl 2 ; Э(H 2) = 1/2H 2 .

Число, обозначающее, какая доля от реальной частицы эквивалентна одному иону водорода или одному электрону, получило название фактора эквивалентности f э . Например, в рассматриваемых реакциях f э (Zn)=1/2, f э (NaOH)=1.

Для окислительно-восстановительных реакций используют понятие «эквивалентное число» (Z), которое равно числу электронов, присоединенных одной молекулой окислителя или отданных одной молекулой восстановителя.

Моль эквивалента – количество вещества, cодержащего 6,02*10 23 эквивалентов. Массу одного моля эквивалента вещества называют молярной массой эквивалента вещества (М э), измеряют в г/моль и рассчитывают по формулам:

М э =m/n э; М э =f э *М,

где М – молярная масса вещества, г/моль; ν э – количество эквивалента вещества, моль.

Для расчета молярной массы эквивалента вещества можно использовать следующие формулы:

1. Для простого вещества:

М э =М А /В, f э = 1/В,

где М А – молярная масса атомов данного вещества; В – валентность атома, например, М э (Al)=27/3=9 г/моль.

2. Для сложного вещества:

М э =М/В*n, f э = 1/В*n,

где В – валентность функциональной группы; n – число функциональных групп в формуле молекулы вещества.

Для кислот функциональной группой является ион водорода, для оснований – ион гидроксила, для солей – ион металла, для оксидов – оксидообразующий элемент.

М э кислоты =М кислоты /основность кислоты.

Основность кислоты определяется числом протонов, которое отдает молекула кислоты, реагируя с основанием .

Например, М э (H 2 SO 4)=98/2=49 г/моль.

М э основания = М основания /кислотность основания.

Кислотность основания определяется числом протонов, присоединяемых молекулой основания при взаимодействии его с кислотой.

Например, М э (NaOH)=40/1=40 г/моль.

М э соли =М соли /(число атомов металла*валентность металла).

Например, М э (Al 2 (SO 4) 3)=342/(2*3)=57 г/моль.

М э оксида =М оксида /(число атомов оксидообразующего элемента * валентность элемента).

Например, М э (Al 2 O 3)=102/(2*3)=17 г/моль.

В общем случае молярная масса эквивалента химического соединения равна сумме молярных масс эквивалентов составляющих его частей.

3. Для окислителя, восстановителя:

где Z – эквивалентное число (Z=1/f э).

Как известно, моль любого газа при нормальных условиях (Т=273,15 К, Р=101,325 кПа или 760 мм рт. ст.) занимает объем, равный 22,4 л; этот объем называется молярным объемом V м. Исходя из этой величины, можно рассчитать объем одного моля эквивалента газа (V э, л/моль) при нормальных условиях. Например, для водорода Э(Н 2)=1/2Н 2 , моль эквивалента водорода в два раза меньше его моля молекул и поэтому объем одного моля эквивалента водорода также в два раза меньше его молярного объема: 22,4 л/2=11,2 л. Для кислорода Э(О 2)=1/4 О 2 , отсюда объем одного моля эквивалента кислорода в четыре раза меньше его молярного объема: 22,4 л/4=5,6 л.

В общем случае: V э =f э *V м; V э = V/ .

Основные законы химии

1. Закон сохранения массы веществ (М.В. Ломоносов; 1756 г.):

масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, образовавшихся в результате реакции.

2. Закон постоянства состава.

Имеет различные формулировки:

Состав соединений молекулярной структуры является постоянным независимо от способа получения (более точная современная формулировка);

- любое сложное вещество независимо от способа его получения имеет постоянный качественный и количественный состав ;

Соотношения между массами элементов, входящих в состав данного соединения, постоянны и не зависят от способа получения этого соединения.

3. Закон кратных отношений (Дальтон, 1803 г.):

если два элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то массы одного из элементов, приходящиеся в этих соединениях на одну и ту же массу другого, относятся между собой как небольшие целые числа.

Закон свидетельствовал о том, что элементы входят в состав соединений лишь определенными порциями, подтвердил атомистические представления. Наименьшее количество элемента, вступающее в соединение, - это атом. Следовательно, в соединение может вступать только целое число атомов, а не дробное. Например, массовые соотношения С:О в оксидах СО 2 и СО равны 12:32 и 12:16. Следовательно, массовое отношение кислорода, связанное с постоянной массой углерода в СО 2 и СО, равно 2:1.

4. Закон объемных отношений (закон Гей-Люссака):

объемы вступающих в реакцию газов относятся друг к другу и к объемам образующихся газообразных продуктов реакции как небольшие целые числа.

5.Закон Авогадро (1811 г.):

в равных объемах любых газов, взятых при одной и той же температуре и при одинаковом давлении, содержится одно и то же число молекул. Постоянная Авогадро N A = 6,02*10 23 моль -1 – число структурных единиц в одном моле вещества.

Следствия из закона Авогадро:

а) при определенных температуре и давлении 1 моль любого вещества в газообразном состоянии занимает один и тот же объем;

б) при н.у. (273,15 К и 101,325 кПа) молярный объем (V м) любого газа равен 22,4 л моль.

6. Уравнениесостояния идеального газа – Менделеева-Клапейрона:

где Р – давление газа, Па; V – объем газа, м 3 ; m – масса вещества, г; М – его молярная масса, г/моль; Т – абсолютная температура, К; R – универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/моль*К.

7. Закон парциальных давлений (закон Дальтона):

Давление смеси газов, химически не взаимодействующих друг с другом, равно сумме парциальных давлений газов, составляющих смесь .

8. Закон эквивалентов.

Имеет несколько формулировок:

1) массы участвующих в реакции веществ пропорциональны их молярным массам эквивалента :

m 1 / m 2 = M Э1 / M Э2 = …;

2) все вещества реагируют между собой в эквивалентных количествах, т.е. количества молей эквивалента веществ, участвующих в реакции, равны между собой:

ν э1 =ν э2 = …;

m 1 / M Э1 = m 2 / M Э2 =… . .

3) для реагирующих веществ, находящихся в растворе, закон эквивалентов записывают следующим образом:

С Э 1 *V 1 =C Э 2 *V 2 ,

где С Э 1 , С Э 2 – нормальные концентрации или молярные концентрации эквивалента первого и второго растворов, моль/л; V 1 и V 2 – объемы реагирующих растворов, л.

В современном мире существуют тысячи самых разных наук, образовательных дисциплин, разделов и прочих структурных звеньев. Однако особое место среди всех занимают те, что касаются непосредственно человека и всего, что его окружает. Это система естественных наук. Конечно, все остальные дисциплины тоже важны. Но именно эта группа имеет самое древнее происхождение, а потому и особенное значение в жизни людей.

Что такое естественные науки?

Ответ на этот вопрос прост. Это такие дисциплины, которые занимаются изучением человека, его здоровья, а также всей окружающей среды: почвы, в целом, космоса, природы, веществ, составляющих все живые и неживые тела, их превращений.

Изучение естественных наук было интересно людям с древности. Как избавиться от болезни, из чего состоит тело изнутри, и что они собой представляют, а также миллионы подобных вопросов - это то, что интересовало человечество с самых истоков его возникновения. Ответы на них и дают рассматриваемые дисциплины.

Поэтому на вопрос о том, что такое естественные науки, ответ однозначен. Это дисциплины, которые изучают природу и все живое.

Классификация

Можно выделить несколько основных групп, которые относятся к естественным наукам:

1. Химические (аналитическая, органическая, неорганическая, квантовая, элементоорганических соединений).
2. Биологические (анатомия, физиология, ботаника, зоология, генетика).
3. химия, физико-математические науки).
4. Науки о Земле (астрономия, астрофизика, космология, астрохимия,
5. Науки о земных оболочках (гидрология, метеорология, минералогия, палеонтология, физическая география, геология).

Здесь представлены только основные естественные науки. Однако следует понимать, что каждая из них имеет свои подразделы, отрасли, побочные и дочерние дисциплины. И если объединить все их в единое целое, то можно получить целый естественный комплекс наук, исчисляемый сотнями единиц.

При этом его можно разделить на три большие группы дисциплин:

• прикладные;
• описательные;
• точные.

Взаимодействие дисциплин между собой

Разумеется, ни одна дисциплина не может существовать изолированно от других. Все они находятся в тесном гармоничном взаимодействии друг с другом, формируя единый комплекс. Так, например, знания по биологии были бы невозможны без использования технических средств, сконструированных на основах физики.

При этом превращения внутри живых существ изучить невозможно без знаний по химии, ведь каждый организм - это целая фабрика реакций, происходящих с колоссальной скоростью.

Взаимосвязь естественных наук прослеживалась всегда. Исторически сложилось так, что развитие одной из них влекло за собой интенсивный рост и накопление знаний в другой. Как только стали осваиваться новые земли, открываться острова, участки суши, так сразу получили развитие и зоология, и ботаника. Ведь новые места обитания были заселены (пусть и не все) неизвестными ранее представителями рода человеческого. Таким образом, тесно связались воедино география и биология.

Если говорить об астрономии и смежных с ней дисциплинах, то невозможно не отметить тот факт, что развивались они благодаря научным открытиям в области физики, химии. Конструирование телескопа во многом определило успехи в данной области.

Подобных примеров можно привести массу. Все они иллюстрируют тесную взаимосвязь между всеми естественными дисциплинами, составляющими одну огромную группу. Ниже рассмотрим методы естественных наук.

Методы исследования

Прежде чем остановиться на методах исследования, которыми пользуются рассматриваемые науки, следует обозначить объекты их изучения. Ими являются:

• человек;
• жизнь;
• Вселенная;
• материя;
• Земля.

Каждый из этих объектов имеет свои особенности, и для их изучения необходимо подбирать тот или иной метод. Среди таковых, как правило, выделяют следующие:

1. Наблюдение - один из самых простых, эффективных и древних способов познать мир.
2. Эксперимент - основа химических наук, большинства биологических и физических дисциплин. Позволяет получить результат и по нему сделать вывод о
3. Сравнение - данный метод основан на использовании исторически накопленных знаний по тому или иному вопросу и сравнении их с полученными результатами. На основании анализа делается вывод о новшестве, качестве и прочих характеристиках объекта.
4. Анализ. Данный метод может включать в себя математическое моделирование, систематику, обобщение, результативность. Чаще всего является итоговым после ряда других исследований.
5. Измерение - используется для оценки параметров конкретных объектов живой и неживой природы.

Также существуют самые последние, современные методы исследований, которые применяются в физике, химии, медицине, биохимии и генной инженерии, генетике и прочих важных науках. Это:

• электронная и лазерная микроскопия;
• центрифугирование;
• биохимический анализ;
• рентгено-структурный анализ;
• спектрометрия;
• хроматография и прочие.

Конечно, это далеко не полный список. Существует множество самых различных приспособлений для работы в каждой области научного знания. Ко всему необходим индивидуальный подход, а значит, формируется свой комплекс методик, подбирается аппаратура и оборудование.

Современные проблемы естествознания

Основные проблемы естественных наук на современном этапе развития - это поиск новой информации, накопление теоретической базы знаний в более углубленном, насыщенном формате. До начала XX века главной проблемой рассматриваемых дисциплин было противостояние гуманитарным отраслям.

Однако сегодня данное препятствие уже не актуально, поскольку человечество осознало важность междисциплинарной интеграции в овладевании знаниями о человеке, природе, космосе и прочих вещах.

Теперь перед дисциплинами естественнонаучного цикла стоит иная задача: как сохранить природу и оградить ее от воздействия самого человека и его хозяйственной деятельности? И проблемы здесь самые злободневные:

• кислотные дожди;
• парниковый эффект;
• разрушение озонового слоя;
• исчезновение видов растений и животных;
• загрязнение атмосферы и прочие.

Биология

В большинстве случаев в ответ на вопрос "Что такое естественные науки?" в голову приходит сразу одно слово - биология. Такое мнение у большинства людей, не связанных с наукой. И это совершенно верное мнение. Ведь что, как не биология, напрямую и очень тесно связывает между собой природу и человека?

Все дисциплины, составляющие данную науку, нацелены на изучение живых систем, их взаимодействия между собой и с окружающей средой. Поэтому вполне нормально, что именно биологию считают основоположницей естественных наук.

Кроме того, она является еще и одной из самых древних. Ведь к себе, своему телу, окружающим растениям и животным зародился вместе с человеком. С этой же дисциплиной тесно связаны генетика, медицина, ботаника, зоология, анатомия. Все эти отрасли составляют биологию в целом. Они же дают нам полное представление и о природе, и о человеке, и обо всех живых системах и организмах.

Химия и физика

Эти основополагающие в развитии знаний о телах, веществах и природных явлениях науки являются не менее древними, чем биология. Они также развивались вместе с развитием человека, становлением его в социальной среде. Основными задачами данных наук является изучение всех тел неживой и живой природы с точки зрения протекающих в них процессов, их связи с окружающей средой.

Так, физика рассматривает природные явления, механизмы и причины их возникновения. Химия же базируется на знании веществ и их взаимопревращений друг в друга.

Вот что такое естественные науки.

Науки о Земле

И напоследок перечислим дисциплины, позволяющие узнать больше о нашем доме, имя которому - Земля. К таковым можно отнести:

• геологию;
• метеорологию;
• климатологию;
• геодезию;
• гидрохимию;
• картографию;
• минералогию;
• сейсмологию;
• почвоведение;
• палеонтологию;
• тектонику и прочие.

Всего насчитывается около 35 различных дисциплин. Все вместе они изучают нашу планету, ее строение, свойства и особенности, что так необходимо для жизни людей и развития хозяйства.

Весь окружающий нас многообразный мир – это материя , которая проявляется в двух формах: вещества и поля . Вещество состоит из частиц, имеющих собственную массу. Поле – такая форма существования материи, которая характеризуется энергией.

Свойством материи является движение . Формы движения материи изучаются различными естественными науками: физикой, химией, биологией и т.д.

Не следует считать, что существует однозначное строгое соответствие между науками с одной стороны, и формами движения материи с другой. Необходимо иметь в виду, что вообще нет такой формы движения материи, которая существовала бы в чистом виде, отдельно от других форм. Все это подчеркивает трудность классификации наук.

Химию можно определить как науку, изучающую химическую форму движения материи, под которой понимают качественное изменение веществ: Химия изучает строение, свойства и превращения веществ.

К химическим явлениям относят такие явления, при которых одни вещества превращаются в другие. Химические явления называют иначе химическими реакциями. Физические явления не сопровождаются превращением одних веществ в другие.

В основе каждой науки лежит некоторый набор предварительных убеждений, фундаментальных философских установок и ответов на вопрос о природе реальности и человеческого знания. Этот набор убеждений, ценностей, разделяемых членами данного научного сообщества называется парадигмами.

Основные парадигмы современной химии:

1. Атомно-молекулярное строение вещества

2. Закон сохранения материи

3. Электронная природа химической связи

4. Однозначная связь строения вещества и его химических свойств (периодический закон)

Химия, физика, биология только на первый взгляд могут показаться далекими друг от друга науками. Хотя лаборатории физика, химика и биолога очень непохожи, все эти исследователи имеют дело с природными (естественными) объектами. Это отличает естественные науки от математики, истории, экономики и многих других наук, изучающих то, что создано не природой, а прежде всего самим человеком.

Близко к естественным наукам примыкает экология. Не следует думать, будто экология - это "хорошая" химия, в отличие от классической "плохой" химии, которая загрязняет окружающую среду. Нет "плохой" химии или "плохой" ядерной физики - есть научный и технический прогресс или его недостаток в какой-нибудь области деятельности. Задача эколога - использовать новые достижения естественных наук для того, чтобы при максимальной выгоде свести к минимуму риск нарушения среды обитания живых существ. Баланс "риск-выгода" является предметом изучения экологов.

Между естественными науками нет строгих границ. Например, открытие и изучение свойств новых видов атомов когда-то было принято считать задачей химиков. Однако получилось так, что из известных на сегодняшний день видов атомов часть открыта химиками, а часть - физиками. Это лишь один из многих примеров "открытых границ" между физикой и химией.

Жизнь является сложной цепью химических превращений. Все живые организмы поглощают из окружающей среды одни вещества и выделяют другие. Значит, серьезному биологу (ботанику, зоологу, врачу) не обойтись без знания химии.

Позже мы убедимся в том, что нет совершенно точной границы между превращениями физическими и химическими. Природа едина, поэтому мы всегда должны помнить о том, что невозможно разобраться в устройстве окружающего нас мира, углубившись только в одну из областей человеческого знания.

Дисциплина "Химия" связана с другими естественнонаучными дисциплинами межпредметными связями: предшествующими – с математикой, физикой, биологией, геологией и другими дисциплинами.

Современная химия – это разветвленная система многих наук: неорганической, органической, физической, аналитической химии, электрохимии, биохимии, которые осваиваются студентами на последующих курсах.

Знание курса химии необходимо для успешного изучения других общенаучных и специальных дисциплин.

Рисунок 1.2.1 – Место химии в системе естественных наук

Совершенствование методов исследования, прежде всего экспериментальной техники, привело к разделению науки на все более узкие направления. В результате количество и «качество», т.е. надежность информации возросли. Однако невозможность для одного человека обладать полными знаниями даже для смежных научных областей породила новые проблемы. Как в военной стратегии самые слабые места обороны и наступления оказываются на стыке фронтов, в науке наименее разработанными остаются области, не поддающиеся однозначной классификации. Среди прочих причин можно отметить и сложность с получением соответствующей квалификационной ступени (ученой степени) для ученых, работающих в областях «стыка наук». Но там же делаются и основные открытия современности.