Природознавство: основні поняття

Природознавство. Предмет вивчення. предмет природознавства - різні форми руху матерії в природі: їх матеріальні носії (субстрати), що утворюють сходи послідовних рівнів структурної організації матерії, їх взаємозв'язку, внутрішня структура і генезис; основні форми всякого буття - простір і час; закономірна зв'язок явищ природи як загального характеру, так і специфічного характеру.

Науки про землю і космосі. Предмет вивчення. Астрономія - наука про будову і розвитку космічних тіл, утворених ними систем і Всесвіту в цілому. Геологія - комплекс наук про складі, будові та історії розвитку земної кори і Землі. Географія - система природних (фізико-географічних) і суспільних (економіко-і соціально-географічних) наук, що вивчають географічну оболонку Землі, природні, виробничо-територіальні та соціально-територіальні комплекси та їх компоненти.

1.15 Третій етап "новітньої" революції в природознавстві. Початком 3-го етапу в природознавстві було перше оволодіння атомною енергією в результаті відкриття поділу ядра (1930) і наступних досліджень, з якими пов'язане зародження електронно-обчислювальних машин і кібернетики. Тепер у природознавстві на ряду з фізикою лідирує біологія, хімія, а також науки, суміжні з природознавством -- космонавтика, кібернетика.

1.2 Науки, відносяться до числа природних. - Фізика, хімія, біологія, геологія.

Взаємодія природничих наук. Взаємна зв'язок галузей природознавства відображає загальний хід розвитку всієї природи від більш простих, нижчих ступенів і форм до найвищих і найскладніших. Роздвоєння природи на неживу і живу, яке зароджується в межах хімії (оскільки хімічні сполуки диференціюються на неорганічні і органічні) можна представити так:

фізика неорганічес .. (шлях до неживої природи)

хімія органічна (шлях до живої природи)

1.16 Три основних сучасних напрямки в розвитку природничих наук. В даний час вивчення природної науки сконцентрована на трьох головних фронтах: 1) вивчення дуже великого - (займається астрономія, астрономи спостерігають все більше віддалені об'єкти і намагаються скласти уявлення про те, як виглядає населяє нами світ в макрокосмосі); 2) вивчення дуже малого - (представляє собою світ атомів. Ми самі і все навколо нас складається з атомів, для нас першорядний представляє інтерес як ми складені); 3) вивчення дуже складного (ця область належить біології)

Цілі природознавства. Мета природознавства - двоякі: 1) знаходити суть явищ природи, їх закони і на цій основі передбачати або створювати нові явища і 2) розкривати можливість використання на практиці пізнаних законів, сил і речовин природи.

1.10 Основні ступені загального ходу розвитку природознавства. Загальний хід пізнання природи проходить наступні основні ступені: 1) безпосереднє споглядання природи як нерозчленованого цілого; 2) аналіз природи, розчленування її на частини, виділення і вивчення окремих речей і явищ, пошуки окремих причин і наслідків; 3) відтворення цілісної картини на основі вже пізнаних частковостей шляхом приведення в рух зупиненого, пожвавлення омертвлення, зв'язування ізольованого раніше, тобто на основі фактичного з'єднання аналізу із синтезом.

2.1 Корпускулярна і контінтуальная концепції в описі природи. До 20-х років XX століття фізична картина світу складалася з 2-х елементів - частинок і полів. Частинки - маленькі грудочки матерії -- корпускули, що рухаються за законами класичної механіки Ньютона. Кожна з них має 3 ступені свободи - її положення в просторі задається 3-ма координатами. Якщо залежність координат від часу відома, це дає вичерпну інформацію про рух частинки.

Методи дослідження, що використовуються в природознавстві. Методи природознавства можуть бути поділені на групи: а) загальні методи, що стосуються всього природознавства, будь-якого предмета природи, будь-якої науки; б) особливі методи - спеціальні методи, які стосуються не предмета природознавства в цілому, а лише однією з його сторін або ж певного прийому досліджень: аналіз, синтез, індукція, дедукція; в) приватні методи - це методи, що діють або тільки в межах окремої галузі природознавства, або за межами тієї галузі природознавства, де вони виникли.

1.11 Підготовчі періоди (історичні) до систематичного вивчення природи. Перший підготовчий період - натурфілософські (зародження елементів майбутнього природознавства) - характерний для давнину. Другий період характеризується пануванням схоластики і теології в Західній Європі та спорадичними відкриттями у арабо-мовних народів. Період механічного і метафізичного природознавства. Період відкриття загального зв'язку і затвердження еволюційних ідей в природознавстві характеризується стихійним проникненням діалектики в природознавстві. Період "новітньої революції"

2.2 Механіка Ньютона. Область застосування. Механіку (динаміку), засновану на законах Ньютона називають ньютонівської або класичною механікою. Як показав досвід вона виявляється вірною для дуже широкого кола явищ. За допомогою законів Ньютона розраховують рух автомобілів і літаків, штучних супутників і космічних кораблів, рідин і газів, електронів в кінескопа телевізора і т.д.

1.5 Фізика. Предмет вивчення. Фізика - наука про природу, що вивчає найпростіші і разом з тим найбільш загальні властивості матеріального світу. Внаслідок цієї спільності фізика і її закони лежать в основі всього природознавства.

1.12 Характеристика кризи і революції в науці. У 1913-1921 рр.. на основі уявлень про атомному ядрі, електронах і кванти Н. Бор створює модель атома, розробка якої ведеться відповідно періодичній системі Д.І. Менделєєва. Це супроводжується порушенням колишніх уявлень про матерію і її будову, властивості, форми руху і типах закономірностей, про простір і часу. Це призвело до кризи фізики і всього природознавства.

2.3 Мікро-, макро-і мегасвіті. В даний час вивчення природної науки сконцентрована на трьох головних фронтах: 1) вивчення дуже великого - (займається астрономія, астрономи спостерігають все більш віддалені об'єкти і намагаються скласти уявлення про те, як виглядає населяє нами світ в макрокосмосі); 2) вивчення дуже малого - (представляє собою світ атомів. Ми самі і все навколо нас складається з атомів, для нас представляє першорядний інтерес як ми складені); 3) вивчення дуже складного (ця область належить біології).

1.6 Хімія. Предмет вивчення. - Наука, що вивчає перетворення речовин, що супроводжуються зміною їх складу або будови. У сучасній хімії окремі її області: неорганічна хімія, органічна хімія, фізична хімія, аналітична хімія, хімія полімерів стали значною мірою самостійними науками. На законах хімії базуються такі технічні науки, як хімічна технологія, металургія.

1.13 Перший етап "новітньої" революції в природознавстві. У середині 90-х років XIX століття почалася новітня революція в природознавстві, головним чином у фізиці, а також у хімії та біології. У 1913-1921 рр.. на основі уявлень про атомному ядрі, електронах і кванти Н. Бор створює модель атома, розробка якої ведеться відповідно періодичній системі Д.І. Менделєєва. Це супроводжується порушенням колишніх уявлень про матерію і її будову, властивості, форми руху і типах закономірностей, про простір і час. Це був I етап революції у фізиці та в усьому природознавстві.

2.4 Елементарні частинки. Протон, нейтрон, позитрон. Атом складається з найдрібніших частинок, які називаються елементарними частинками. Протон - найважча елементарна частинка, ядро атома водню, заряджений позитивно. Нейтрон - володіє майже такою ж масою як протон, але електрично нейтральна, входить до складу всіх атомних ядер. Позитрон - позитивно заряджена частинка. (Що володіє такими ж властивості, що й електрон) .- античастинка електрона.

1.7 Біологія. Предмет вивчення. - Сукупність наук про живу природу - про величезний різноманітті вимерлих і нині що населяють Землю живих істот, їх будову і функції, походження, поширення і розвитку, зв'язках один з одним і з неживою природою.

1.14 Другий етап "новітньої" революції в природознавстві. - Розпочався в середині 20-х років XX століття у зв'язку з створенням квантової механіки і поєднанням її з теорією відносності в загальну квантово-релятивістську концепцію. Відбувається подальший бурхливий розвиток природознавства і в зв'язку з цим продовжується корінна ломка старих понять, головним чином тих, які пов'язані зі старої класичної картиною світу.

2.5 Взаємодія елементарних частинок. У фізиці називається вплив чи тіл частинок один на одного, що призводить до зміни стану їхнього руху. У механіці Ньютона дію тіл один на одного кількісно характеризується силою. Більше загальною характеристикою взаємодії є потенційна енергія. Взаємодія електрично заряджених тіл здійснюється не миттєво, а лише через кінцеве час.

2.6 Типи фундаментальних взаємодій у природі. У природі, за сучасними даними, є лише 4 типи взаємодій (у порядку зростання інтенсивності): гравітаційні взаємодії, слабкі взаємодії (що відповідають за розпад елементарних часток), електромагнітні взаємодії, сильні взаємодії (що забезпечують, зокрема, зв'язок частинок в атомних ядрах).

2.10 Хвилі де Бройля. Двоєдиним, корпускулярно-хвильовий уявлення про Кванті електромагнітного випромінювання - фотона - було поширено Луї де Бройля. У 1924 Л. Де Бройль отримав просту залежність, у якій між собою пов'язані як карпускулярние (енергія, маса, швидкість пересування), так і хвильові властивості матерії. Він показав, що будь-яка рухається частинка характеризується певною довжиною хвилі, яка обернено пропорційна масі й швидкості переміщення частинки. При цьому коефіцієнтом пропорційності є постійна Планка.

Принцип додатковості. - Був висловлений М. Бором. З цього принципу випливає, що отримання експериментальних даних про одні фізичних величинах неминуче пов'язане зі зміною таких даних про величини, додаткових до першого (координата та імпульс частинки) і лише вся сума вичерпує інформацію про об'єкті.

2.7 Концепція блізкодействія. Відповідно до цієї концепції, взаємодія між тілами здійснюється за допомогою тих чи інших полів, безперервно розподілених в просторі. Так, всесвітнє тяжіння здійснюється гравітаційне поле.

2.11 Квантова механіка. Область застосування. Квантова механіка (хвильова механіка), теорія, встановлює спосіб опису і закони руху мікрочастинок в заданих зовнішніх полях; один з основних розділів квантової теорії. Квантова механіка вперше дозволила описати структуру атомів і зрозуміти їх спектри, встановити природу хімічних зв'язків, пояснити періодичну систему елементів. Закони квантової механіки лежать в основі розуміння більшості мікроскопічних явищ.

Принцип невизначеності. Вернер Гейзенберг математично висловив принцип невизначеності. Виявилося, що не тільки координату, а й імпульс частинки неможливо точно визначити. Згідно з цим принципом, чим точніше визначається місцезнаходження даної частинки, тим менше точності у визначенні її швидкості і навпаки.

Концепція дальнодії. Взаємодія між тілами може здійснюватися безпосередньо через порожній простір, який не бере ніякої участі в передачі взаємодії, при цьому передача взаємодії відбувається миттєво. Так вважалося, що переміщення Землі має одразу призводити до зміни сили тяжіння, що діє на Місяць.

2.12 Основні принципи квантової механіки. - Принцип додатковості, принцип суперпозиції, принцип симетрії, принцип невизначеності.

2.15 Принцип суперпозиції. - Це припущення, згідно з яким результуючий ефект представляє собою суму ефектів, що викликаються кожним впливає явищем в окремо. Принцип суперпозиції виконується, коли впливають явища не впливають один на одного.

2.9 Розвиток корпускулярно-контінтуальной концепції опису природи. Корпускулярно-хвильової дуалізм. Корпускулярно-хвильовий дуалізм полягає в тому, що будь-які мікрооб'єкт матерії (фотони, електрони, протони, атоми) мають властивості і частинок і хвиль. Кількісне вираження корпускулярно-хвильового дуалізму -- співвідношення де Бройля.

Закони збереження. Закон збереження енергії, Закон збереження електричного заряду, Закон збереження кількості руху, Закон збереження моменту кількості руху, Закон збереження маси, Закон збереження імпульсу та ін

2.23 Ентропія. Принцип зростання ентропії. Принцип Карно виражає собою дуже цікаву особливість: він визначає загальну тенденцію в еволюції фізичного світу. З плином часу в замкнутій ізольованій системі ентропія повинна постійно зростати. Функція стану термодинамічної системи, зміни якої в рівноважному процесі дорівнює відношенню кількості теплоти, повідомленого системі або відведеного від неї, до термодинамічної температури системи. Нерівноважний процеси в ізольованій системі супроводжуються зростанням ентропії, вони наближають систему до стану рівноваги, в якому ентропія максимальна.

Фундаментальні постійні природи. - Швидкість світла в порожнечі і постійна Планка (квант дії).

Закон збереження енергії. За будь-яких взаємодіях тіл енергія не зникає безслідно і не виникає з нічого. Енергія тільки передається від одного тіла до іншого або перетворюється з однієї форми в іншу. Внутрішня енергія U системи, ізольованою від будь-яких взаємодій із зовнішнім середовищем, не змінюється при будь-яких взаємодіях всередині системи. Отже, для ізольованої системи справедливо співвідношення:

U = const, або

DU = 0

2.24 Зв'язок між ентропією і ймовірністю процесу. Чи є правилом, що ентропія безпосередньо пов'язана з вірогідністю. Цей зв'язок можна уявити математичним співвідношенням. М. Планк виразив співвідношення у вигляді такої формули: S0 = K ln P0, де k = 1,38 * 1016. в цьому виразі S0 - характеризує ентропію фізичної системи, а P0 - число елементарних мікроскопічних станів -- "Комплекс", як їх називає Планк.

Простір і час. Принцип відносності. Теорія відносності розглядає просторово-часові властивості фізичних процесів. Ці властивості залежать від полів тяжіння в даній області простору і часу. Теорія, що описує просторово-часові властивості в наближенні, коли полями тяжіння можна зневажити, називається теорією відносності. В основі теорії лежать два положення: принцип відносності, що означає рівноправність усіх інерційних систем відліку, і сталість швидкості світла у вакуумі, її незалежність від швидкості руху джерела світла.

Механізм генетичного коду. Подвійна спіраль ДНК - це негатив + позитив. У механізмах спадковості у всьому Всесвіті головне не матеріал субстат, а матричний принцип його синтезу. У хімічному коді ДНК - 64 "букви", число сполучень з 4 підстав нуклеотидів в ДНК по 3 кодону, 1 триплет (кодон) кодує одне амінокислотні ланка поліпептидного (білкової) ланцюга, що складається з 20 природних амінокислот. У хімічному коді деякі триплети виконують функцію стоп-сигналу, визначаючи кінець і початок нової пропозиції.

3.1 Атом (визначення). - Від грецького-неподільний, дрібна частка хімічного елемента, яка зберігає його властивості. В центрі атома знаходиться позитивно заряджене ядро, в якому зосереджена майже вся маса атома; навколо рухаються електрони, що утворюють електронні оболонки, розміри яких визначають розміри атомів.

Принцип симетрії. - Стверджує, що якщо простір однорідне, перенесення системи як цілого в просторі не змінює властивостей системи. Якщо всі напрямки в просторі рівнозначні, то принцип симетрії дозволяє поворот системи як цілого в просторі. Принцип симетрії дотримується, якщо змінити початок відліку часу. Відповідно до принципу, можна здійснити перехід в іншу систему відліку, що рухається щодо даної системи з постійною швидкістю.

4.13 Спадковість.Закони Менделя. У короткому викладі: Спадкові ознаки передаються в спадщину як якісь дискретні одиниці (гени). Гени кодують певні функціонально-значущі білки. Гени можуть об'єднуватися в індивідуумі, що виникає в результаті запліднення, але потім розходяться, так що в репродуктивну клітину надходить для передачі наступному поколінню або один, або інший ген. Механізми розподілу і з'єднання хромосом забезпечують певну статистичну правильність розподілу успадкованих рис. Якщо контрастують гени якого-небудь ознаки присутні у гібридних індивідуумів, то один з них може виявлятися (домінувати) у даного індивідуума і замаскувати (рецессіровать) присутність свого партнера.

3.2 Молекула (визначення). - Від латинського - маса, найменша частка речовини, що володіє усіма його хімічними властивостями. Складається з атомів, з'єднаних хімічними зв'язками.

Речовина (визначення). Речовиною називають кожен окремий вид матерії, що володіє при даних умовах певними фізичними властивостями, наприклад: вода, залізо, кисень та ін

3.4 Просте і складна речовина (визначення). Елемент або елементарне речовина, що складається з атомів лише одного виду. З'єднання або складна речовина, складається з двох або більше різних атомів.

3.5 Моль (визначення). - Одиниця кількості речовини, позначається - міль. 1 моль речовини містить 6,02 * 1023 відповідних атомів. Моль-це число молекул кисню, яка міститься в 32,0 г цього елементу. Число рівне 6,02 * 1023 - називається числом Авогадро.

3.6 Закон Авогадро. Обсяг одного благаючи газоподібного речовини. - Рівні об'єми газів при Обсяг одного благаючи газоподібного речовини дорівнює числу Авогадро - 6,022 * 1023 моль-1.

Рівняння хімічної реакції (приклади). 1) 2 H2O + 1 O2 = 2 H2O;

2) 4 H2 + 2 O2 = 4 H2O - освіта води з елементів;

3) 2 H2O = 1 O2 + 2 H2 - Розкладання води; 3.17 Залежність швидкості хімічної реакції від концентрації реагуючих вещ-в. Під багатьох випадках, при підвищ. концентрації реагуючих речовин, швидкість реакції зростає. Всі вещ-ва побудовані з молекул, тому для того щоб вступити в реакцію, дві молекули мають достатньо зблизитися. Химич. реакція залежить від зіткнень між реагують частками - атомами, молекулами. Концентрацію вещ-ва можна як підвищувати, так і знижувати. У газах концентрації. будь-якого одного реагує вещ-ва може бути збільшена введенням доповнить. кол-ва цього вещ-ва в реакційну суміш. Концентрація всіх компонентів можна збільшити одночасно, зменшуючи об'єм, який займає сумішшю.

Число Авогадро. - Число молекул атомів у 1моле речовини, Na = 6,022 * 1023 моль-1.

3.13 Екзо-і ендотермічні реакції. (визначення, приклади). Реакція, при якій виділяється тепло, називається екзотермічної. (якщо реагують 1моль чистого водню і 0,5 благаючи чистого кисню, утворюється 1моль води, при цьому виділяється тепло, кількість якого дорівнює 68000 кал.); Реакція, при якій відбувається поглинання тепла, називається ендотермічний. (при розкладанні в приладі 1моля води на електродах утворюються 1моль водню і 0,5 благаючи кисню. Для того, щоб відбувалося розкладання води, необхідно витратити певний кількість енергії.)

3.18 Вплив температури на швидкість реакції. Температурний коефіцієнт реакції. при підвищенні температури збільшується швидкість зіткнення молекул, що приводить до збільшення швидкості реакцій. Проте цей вплив температури на швидкість реакції дуже невелике в порівнянням з впливом підвищення ефективності зіткнень за рахунок кінетичної енергії. Зіткнення призводить до хімічної реакції лише в тому випадку, якщо зіштовхуються молекули володіють енергією, перевищує деяку певну величину.

Атомний вага елемента (приклади). - Це вага авогадрова числа його атомів, виражений у грамах.

Приклад: атомний вага H = 1,01 г; атомний вага O = 16,00 г

3.14 Тепломісткості речовини. Тепловий ефект реакції. 1моль кожного індивідуального речовини має певний тепломісткості, так само як і масою. Це тепломісткості є мірою енергії, що накопичується речовиною при його освіту. Тепловий ефект хімічної реакції дорівнює різниці між тепломісткості продуктів реакції і тепломісткості реагуючих речовин.

3.19 Енергія активації (визначення). - Це енергія необхідна для перетворення реагуючих речовин в стан активованого комплексу.

3.9 Молекулярна вага (приклади). - Вага авогадрова числа його молекул, виражений у грамах.

Приклад: Молекулярна вага H2O = 2 (атомний вага H) + 1 (атомний вага O) = 2 * (1,01) + 16,00 г = 18,02 р.

Адіттівность теплот реакцій (закон Гесса). Якщо реакцію можна представити у вигляді алгебраїчної суми двох або декількох послідовних реакцій, то теплота реакції дорівнює алгебраїчної сумі цих реакцій. Це узагальнення, яке застосовується до всім реакцій, називається законом аддитивності теплот реакцій.

3.20 Каталізатори (визначення, приклади). Багато реакції протікають дуже повільно, якщо просто змішати реагують речовини, але швидкість їх перебігу можна значно прискорити шляхом введення деяких інших речовин. Ці речовини, звані каталізаторами не витрачаються при реакції. прикладом може служити каталітичну дію кислоти H2SO4 при розкладанні мурашиної кислоти HCOOH.

3.10 Хімічна формула речовини (приклади). Число і вид атомів можуть бути охарактеризовані з допомогою молекулярної формули-наприклад, молекула води може бути позначена H2O. Число і розташування атомів в молекулі можна бачити з структурної формули. Так H2O має структурну формулу: HOH.

Швидкості хімічних реакцій. Фактори, що впливають на швидкість реакції. CO + NO2 = CO2 + NO - відношення числа молей проеагіровавшей NO2 до проміжку часу називається швидкістю реакції.

кількість відреагують. вещ.

Швидкість = -------------------------------- =

проміжок часу

= кількість речовини, прореагувати в одиницю часу.

Швидкість реакції залежить від природи реагуючих речовин, також від концентрації реагуючих речовин і від температури.

3.21 Стан хімічної рівноваги. Динамічний характер рівноваги. Рівновага характеризується сталістю мікроскопічних властивостей. Рівновага може існувати тільки в замкнутій системі - системі, яка містить постійне кількість речовини при постійній температурі. Динамічний характер рівноваги характеризується розчинністю і тиском пари. При рівновазі мікроскопічні процеси тривають, але вони взаємно врівноважуються, тому ніяких макроскопічних змін не спостерігається.

3.11 Хімічні реакції (визначення). Основні типи хімічних реакцій. - Це хімічна перетворення речовини в результаті його взаємодії з іншою речовиною, або до Наприклад в результаті горіння. Види: екзотермічна, ендотермічною

.

3.25 Зсув хімічної рівноваги. Принцип Лешательє. Якісно передбачити вплив зміни зовнішніх умов можна за допомогою правила, вперше сформульованого французьким хіміком Лешательє. Це правило називається принципом Лешательє або принципом рухомого рівноваги. Якщо на систему, що знаходиться в стійкому рівновазі впливати ззовні, змінюючи яке-небудь з умов, що визначають стан рівноваги, то рівновага зміщується в тому напрямі, в якому ефект впливу зменшується.

4.5 Проблема симетрії і асиметрії в живої і неживої природи. Неживий світ дуже симетричний. Нерідко порушення симетрії в квантовій фізиці елементарних частинок - Це прояв ще глибшої симетрії. Асиметрія є структуроутворюючих й творчої принципом життя. В живих клітинах функціонально-значущі біомолекули асиметричний.: білки складаються з левовращающіх амінокислот (L-форма), а нуклеїнові кислоти містять у своєму складі, крім гетероциклічних підстав, правовращающіе вуглеводи - цукру (Д-форма), крім того сама ДНК - основа спадковості - є правою подвійною спіраллю.

Фактори, що впливають на стан хімічної рівноваги. 1) вплив концентрації; 2) вплив температури; 3) вплив каталізаторів.

4.1 Життя (визначення). - Це активне, що йде з витратами підтримку (за рахунок постійного обміну речовин з окруж. Середовищем) і матричне відтворення специфічної і впорядкованої структури. У живому все підпорядковано закону оптимуму. Живі сист. мають високий ступінь складності, динамічної упорядкованості і ієрархічності своєї структури, неоднорідністю в просторі; енергія з окруж. середовища використовується не тільки для підтримки, але і для посилення своєї впорядкованості. Головна властивість - постач. своєї цілісності і відтворення собі подібних, відповідно до вкладеної в неї програмі, ріпліцірующейся матричним способом.

Гіпотези зародження життя на Землі, їх експериментальна обгрунтованість. Чотири гіпотези зародження життя на Землі: 1) креаціонізм (не випадкове, а запрграммірованное появу життя); 2) мимовільне, випадкове зародження з неживого шляхом біохімії, існування добіологіческіх форм преджізні; 3) життя існувало завжди, але в різних формах; 4) життя на Землю занесена ззовні з Космосу.

3.23 Закон хіміч. рівноваги. Константа хіміч. рівноваги. Для реакції АА + bB