Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович

§ 93. Значення хімії для розуміння природничонаукової картини світу

Місце хімії серед природничих наук

Хімія — одна з природничих наук, тобто наук, що вивчають об’єкти та явища природи. До природничих наук також відносять фізику, біологію, фізичну географію, астрономію тощо. Усі природничі науки вивчають природу, але з різних боків. Так, наприклад, одне й те саме тіло може вивчати і хімія, і фізика, і астрономія. Для хімії насамперед важливий хімічний склад тіла та перетворення, що з ним можуть відбуватися.

Хімія — наука про хімічні речовини та їх перетворення.

Оскільки в хімічних реакціях ядра атомів не змінюються, а відбувається виключно перебудова електронної структури атомів та молекул, то також справедливим є таке визначення:

Хімія — наука про перетворення речовин, пов'язаних зі зміною електронного оточення атомних ядер.

Складовими хімічних речовин є хімічні частинки: атоми, молекули та йони. Їхні розміри — близько 10^-10-10^-6 м (мал. 93.1). Об’єкти менших і більших розмірів, а також їхні взаємодії вивчають інші природничі науки. Наприклад, процеси, в яких беруть участь як мікрофізичні частинки, так і тіла значно більших розмірів, вивчає фізика. Природні об’єкти, що утворюють поверхню Землі, вивчає фізична географія. Розміри таких об’єктів — від кількох метрів (наприклад, ширина річки) до 40 тисяч кілометрів (довжина земного екватора). Планети, зорі, галактики і явища, що з ними відбуваються, вивчають астрономія й астрофізика. Ще одна природнича наука — біологія — вивчає живі організми різних розмірів, що населяють Землю.

Мал. 93.1. Зіставлення розмірів природних об'єктів і наук, що їх вивчають

Усі природничі науки ґрунтуються на фізичних законах: найбільш загальних законах природи, яким підпорядковуються всі матеріальні об’єкти, зокрема хімічні частинки. Отже, хімія, вивчаючи атоми, молекули, хімічні речовини і їхні взаємодії, має в повному обсязі використовувати закони фізики. У свою чергу, біологія й геологія, вивчаючи свої об’єкти, мають використовувати не лише закони фізики, але і хімічні закони.

Структура хімічної науки

Сучасну хімію прийнято поділяти принаймні на п’ять розділів: неорганічну, органічну, фізичну, аналітичну і хімію високомолекулярних сполук. Кожний із цих розділів також поділяють на окремі дисциплін (схема 6). Іноді виділяють окремо загальну хімію, предмет вивчення якої тісно пов’язаний з неорганічною хімією: хімічні елементи, утворені ними найпростіші неорганічні сполуки і загальні фізичні й хімічні закони. Однак чітких меж між окремими розділами хімії не існує.

Схема 6. Структура хімічної науки

Різні розділи хімії вивчають або різні класи сполук (органічна й неорганічна хімія), або різні типи реакцій (радіохімія, каталітичний синтез, хімія полімерів), або використання різних методів дослідження (фізична хімія в її різних напрямках).

За останні 50 років багато розділів органічної хімії поступово перетворилися на відносно самостійні галузі зі своїми об’єктами вивчення. Так з’явилися хімія елементоорганічних сполук, хімія високомолекулярних сполук, хімія антибіотиків, барвників, запашних сполук, фармацевтична хімія тощо. Наприкінці XX століття виникла хімія металоорганічних сполук: були відкриті органічні сполуки Меркурію, Кадмію, Цинку, Плюмбуму тощо. Набувають важливого значення супрамолекулярна хімія та нанохімія.

Для сучасної хімії характерна інтеграція з іншими науками, завдяки цьому виникають нові її розділи.

Взаємозв'язок хімії та фізики

Особливо інтенсивно розвиваються взаємозв’язки між фізикою і хімією.

На різних етапах свого розвитку фізика була для хімії джерелом теоретичних концепцій, які значно вплинули і на розвиток хімії. Чим складнішими ставали хімічні експерименти, тим більше апаратури й фізичних методів досліджень вони вимагали. Для вимірювання теплових ефектів реакцій, проведення спектрального й рентгеноструктурного аналізу, вивчення ізотопів і радіоактивних хімічних елементів, кристалічних ґраток речовини, молекулярних структур необхідні найскладніші фізичні прилади — спектроскопи, мас-спектрографи, електронні мікроскопи тощо.

Сучасна фізика сприяла вивченню природи хімічного зв’язку, особливостей будови молекул органічних і неорганічних сполук.

На межі фізики й хімії виник такий розділ хімії, як фізична хімія. Предметом її вивчення є будова і властивості молекул хімічних сполук, вплив різних чинників на умови перебігу хімічних реакцій. Фізична хімія сьогодні є загальнотеоретичним фундаментом усієї хімічної науки. Її теорії мають велике значення для розвитку неорганічної та, особливо, органічної хімії. У першій половині XX століття сформувався новий розділ фізики (квантова механіка, електронна теорія атомів і молекул), який пізніше почали називати хімічною фізикою. Вона вивчає взаємозв’язок і взаємоперетворення хімічної й субатомної форм руху матерії.

Взаємозв'язок хімії та біології

Взаємозв’язку хімії з біологією сприяло становлення органічної хімії. Розвиток науки й технології надав можливість детального дослідження будови й складу живої клітини, хімічних процесів у живих організмах, дозволив виявити взаємозв’язок між біологічними функціями організму та хімічними реакціями. Такі специфічні властивості живого, як ріст, розмноження, рухливість, збудливість, здатність реагувати на зміни зовнішнього середовища, пов’язані з певними комплексами хімічних перетворень у клітинах.

Значення хімії в біологічних дослідженнях надзвичайно велике. Саме хіміки виявили найважливішу роль хлорофілу як хімічної основи фотосинтезу, гемоглобіну як основи процесу дихання. Було з’ясовано хімічну природу передачі нервового збудження, визначено структуру нуклеїнових кислот тощо. Виявилося, що всі функції та процеси, які відбуваються в живому організмі, можна викласти мовою хімії у вигляді конкретних хімічних реакцій.

На межі біології, хімії та фізики виникли такі науки: біохімія — наука про обмін речовин і хімічні процеси в живих організмах, біоорганічна хімія — наука про будову, функції та способи синтезу сполук, з яких складаються живі організми, фізико-хімічна біологія — наука про функціонування складних систем передачі інформації й регулювання біологічних процесів на молекулярному рівні, а ще біофізика, біофізична хімія й радіаційна біологія.

Ключова ідея

Усі природничі науки вивчають природу, але кожна зі свого боку. Лише поєднання всіх знань створює цілісну картину світу.

Запитання та завдання

551. Що вивчає хімія? Які основні завдання хімії?

552.За яким принципом класифікують сучасні науки?

553. Які науки відносять до природничих?

554. Назвіть, що є об'єктом вивчення: а) астрономії; б) біології; в) географії; г) фізики. У чому виявляється зв'язок між предметами вивчення цих наук і тим, що вивчає хімія?

555. Що, на вашу думку, вивчають біохімія, космохімія, геохімія, агрохімія, кристалохімія й аналітична хімія?

556. У чому полягає взаємозв'язок і співпраця хімії з іншими природничими науками?