Установление основных законов химии Дальтоном, Авогадро и Берцеллиусом

1. Установление  основных законов химии Дальтоном, Авогадро и      Берцеллиусом.

Амедео Авогадро ди Кваренья выдвинул в 1811 г. предположение, получившее название гипотезы (закона) Авогадро: «Равные объёмы газов при  одинаковых давлении и температуре  содержат одинаковое число молекул, так что плотность газов служит мерой массы их молекул и отношение объёмов при соединении суть не что иное, как отношение между числом молекул, соединяющихся между собой при образовании сложной молекулы». При выводе своего закона Авогадро использовал закон Гей-Люссака и результаты исследования электролиза воды, которое провели в 1800 г. два английских химика - Уильям Николсон и Энтони Карлайл. Николсон и Карлайл обнаружили, что объёмы выделяющихся при электролизе водорода и кислорода относятся как 2:1. Следствием из гипотезы Авогадро являлось предположение о том, что газообразные водород, кислород, азот и хлор состоят из двухатомных молекул; однако этот вывод вызвал резкие возражения. Предположение о том, что корпускулы элементарных субстанций являются сложными, казалось химикам противоречащим здравому смыслу. Молекулярная гипотеза Авогадро не была принята большинством физиков и химиков 1-й половины XIX в., которые не смогли отчётливо понять различия между атомом и молекулой. Тем не менее, в середине XIX века метод определения молекулярных масс по плотности паров получил широкое распространение. Дальтон составил первую таблицу атомных весов. Эта таблица и была самой важной работой Дальтона, но в ряде аспектов она оказалась ошибочной. Основное заблуждение Дальтона состояло в убеждении, что при образовании молекулы атомы одного элемента соединяются с атомами другого элемента попарно. Хотя уже в то время было накоплено достаточно данных, свидетельствующих о том, что подобное сочетание атомов «один к одному» не является общим правилом.

Для того, чтобы атомная  теория Дальтона могла получить свой научный статус в химии, надо было объединить ее с молекулярной теорией, которая предполагала существование  частиц (молекул), образованных из двух или более атомов и способных в химических реакциях расщепляться на составные атомы.  Поворотный этап в развитии химической атомистики связан с именем шведского химика Иенса Якоба Берцелиуса, который вслед за Дальтоном внес особенно большой вклад в создание атомной теории. Когда Дальтон предложил свою атомную теорию и установил закон кратных отношений, молодой шведский химик Берцелиус, руководимый стремлением найти закон образования химических соединений, тщательно изучил вопрос об их составе. Проведя не одну сотню анализов, он представил столько доказательств, подтверждающих закон постоянства состава, что химики были вынуждены признать справедливость этого закона, а следовательно, и принять атомистическую теорию, которая непосредственно вытекала из закона постоянства состава. После этого Берцелиус обратился к проблеме определения атомных весов элементов, разрабатывая более сложные и точные методы экспериментов, чем те, которые были доступны Дальтону. В результате длительной и тщательной аналитической работы Берцелиус пришел к выводу, что в солях существуют простые и постоянные отношения между атомами кислорода основания и атомами кислорода кислоты. Этого правила он постоянно придерживался при изучении атомной проблемы. На основании своих исследований и расчетов в 1826 г. Берцелиус опубликовал первую таблицу атомных весов, отличающихся высокой точностью, причем атомные веса были соотнесены им с кислородом, атомный вес которого был принят за сто. Приведенные в этой таблице величины в основном совпадают (за исключением атомных весов двух-трех элементов) с принятыми в настоящее время. Существенное различие между таблицами Берцелиуса и Дальтона состоит в том, что величины, полученные Берцелиусом, в своем большинстве не были целыми числами. Эти расчеты потом были подтверждены и уточнены другими учеными. С работами Берцелиуса по атомистике тесно связано введение в употребление символов, предложенных им в 1814 г. для обозначения не только элементов, но и химических реакций. Все символы, формулы соединений и химические уравнения следует вести от Берцелиуса. Его система химической символики весьма содействовала развитию химии. В качестве символа элемента принимается первая буква его латинского или греческого названия. В тех случаях, когда названия двух или более элементов начинаются с одних и тех же букв, к ним добавляется вторая буква названия. Так появились химические символы элементов, которые используются во всем мире и поныне.

2. Максвелл как основоположник классического естествознания. Последовательную, единственно признаваемую и сегодня, теорию электромагнитных явлений удалось построить лишь самому Максвеллу, который отказался от представления о дальнодействии взял за основу в электромагнетизме идею о поле, выдвинутую впервые великим физиком-экспериментатором Майклом Фарадеем (1791–1867), который благодаря своим опытам доказал также тождественность различных видов электричества. Установленные Фарадеем законы электролиза доказывали выдающийся факт природы — дискретность электрического заряда. Начиная с 30-х годов XIX столетия, у Фарадея, под влиянием проводимых им экспериментов, начинает формироваться идея о передаче электромагнитных взаимодействий посредством поля. По мнению А. Эйнштейна, идея поля была самым важным открытием не только в физике, но во всей классической науке, со времен Ньютона (Эйнштейн тогда еще не подозревал, что электромагнетизм, эксперименты Фарадея и теория Максвелла дали начало новому этапу науки — неклассическому). Ученым, который осознал глубину и оригинальность представлений Фарадея о поле на примере электромагнитного поля, стал именно Джеймс Максвелл (1831–1867). В 1865 году Максвелл опубликовал свою основополагающую работу «Динамическая теория электромагнитного поля», в которой он вывел математические уравнения теории поля — уравнения Максвелла. Одним из самых поразительных выводов электромагнитной теории Максвелла было указание на возможность распространения электромагнитных волн со скоростью света. Вывод Максвелла о том, что свет — электромагнитные волны, по праву считается вершиной его исследований в области электромагнетизма. Электромагнитная теория волн и поля позволяет наилучшим образом объяснить все явления, связанные со светом.

3. Становление  идей самоорганизации с античности  до современности. Теории самоорганизации как основа постнеклассической науки. 

Важным аспектом совершенствования  методологии познания является всесторонний анализ проблемного поля современной  науки. До сегодняшних дней господствующая научная картина мира, в которой  процессы самодвижения, самоорганизации  имели место, по существу распадалась на три части (неорганическую, органическую и социальную), но с точки зрения глобального (магистрального) эволюционизма они не были объединены.

Многие понятия  теории самоорганизации стали переосмысливаться  в новой единой картине мира, в которой магистральная эволюция непротиворечивым образом объединяла и то, как материя движется, и то, как она мыслит. Абстрактная формулировка идеи глобального эволюционизма (от Аристотеля до Пригожина и Моисеева) сменилась на научно оформленную в результате ассимиляции этой идеи физикой (эволюционирующие космогонические модели Вселенной, развитие необратимых термодинамических процессов), химией (каталитические системы типа Белоусова-Жаботинского, элементарные каталитические системы А. Руденко), биологией (биогенез, синтетическая теория эволюции, несводимость макроэволюции к микроэволюционным изменениям), социологией (тектология А. Богданова). Хотя специфика картины мира допускает многоязычие средств выражения идеи всеобщего развития, язык диссипативных структур и синергетического (корпоративного) эффекта наиболее адекватно описывает процессы самоорганизации и самодвижения. В рамках синергетического подхода самоорганизация определяется как одна из форм организации материи. При этом определяются, с одной стороны, равновесные формы организации, отличающиеся от самоорганизации, а с другой – под «крышей» синергетического подхода объединяются в особый класс динамические, физические, химические и биологические структуры, которые ранее принципиально не сводились вместе. Самоорганизация – это процесс, в ходе которого создается, воспроизводится или совершенствуется организация сложной динамической системы. Процессы самоорганизации встречаются в системах высокого уровня сложности, обладающих большим количеством элементов, связи между которыми имеют нежесткий характер. Эти процессы происходят путем перестройки существующих и организации новых связей между элементами системы, то есть синергетически. Синергетическое познание самоорганизации и эволюции имеет новый образ, новую парадигму, которую несет в себе современная наука, вступающая в принципиально новый «постнеклассический», «бифуркационный» этап своего развития. Пока сам термин «синергетическое познание» носит условный смысл, так как происходит становление науки с не принятым еще всеми названием. В синергетике (равно как в «теории диссипативных структур» по Пригожину) как новом междисциплинарном направлении сфокусированы главные, ключевые особенности парадигмы постнеклассической науки, обусловленные, прежде всего, присущей ей нелинейным стилем мышления, плюрализмом, неоднозначностью теоретических представлений и формулировок, наконец – новым пониманием роли хаоса в мироздании как его необходимого конструктивного начала, как необходимый созидательный момент общей картины становящейся, самоорганизующейся реальности. Необходимо усвоить не только нелинейное мышление, но главное, в контексте синергетического познания понять, что «порядок и беспорядок представляются не как противоположности, а как то, что неотделимо друг от друга» (И. Пригожин). Эволюционные идеи в разных науках развивались изолированно друг от друга, пока не было стержневой, объединяющей идеи универсальной эволюции в космогенезе, геогенезе, биогенезе, антропосоциогенезе. Но такая концепция все-таки появилась и имеет название глобальный эволюционизм. В этой концепции Вселенная предстает как развивающееся во времени природное целое, а вся история Вселенной от «Большого Взрыва» до возникновения человечества рассматривается как единый процесс, в котором космический, химический, биологический и социальный типы эволюции преемственно и генетически связаны между собой. Космохимия, геохимия, биохимия отражают здесь фундаментальные переходы в эволюции молекулярных систем и неизбежности их превращения в органическую материю. В концепции глобального эволюционизма подчеркивается важнейшая закономерность – направленность развития мирового целого на повышение своей структурной организации, в которой все предстает как единый процесс материальной эволюции, самоорганизации, саморазвития. Также в этой концепции важны идеи отбора и подробно рассмотренный нами ранее антропный принцип. Согласно этому принципу существует некоторый тип универсальных системных связей, определяющих целостный характер существования и развития нашей Вселенной, нашего мира как определенного системно-организованного фрагмента бесконечно многообразной материальной природы.

4. Современные  концепции сущности информации. Информация как объект и предмет  естествознания. Информация как  мера организованной сложности.

Информация  — специфическая форма взаимодействия между объектами любой физической природы или, точнее, такой аспект взаимодействия, который несет сведения о взаимодействующих объектах. В  сущности информация - мера организованности системы в противоположность понятию энтропии как меры неорганизованности.

Представление об энтропии как мере неорганизованности было введено Р. Клаузиусом в связи  с изучением термодинамических  явлений. Л. Больцман дал статистическую интерпретацию энтропии, позволившую  рассматривать энтропию как меру вероятности пребывания системы в конкретном состоянии. Больцман показал, что природные процессы стремятся перевести термодинамическую систему из состояний менее вероятных в состояния более вероятные, т.е. привести систему в равновесное состояние, для которого значения энтропии (неупорядоченности) максимальны. После построения в середине XX в. К.Э. Шенноном теории информации оказалось, что формула Больцмана для термодинамической энтропии и формула Шеннона для информационной энтропии тождественны. Таким образом, понятие энтропии приобрело более универсальный смысл в изучении систем различного происхождения.

Изучение потоков  информации в системах имеет очень  большое значение. Так, если вещественные и энергетические потоки обеспечивают целостность системы и возможность ее существования, то потоки информации, переносимые сигналами, организуют все ее функционирование, управляют ею. Поэтому при изучении любого объекта как системы не следует ограничиваться рассмотрением и описанием вещественной и энергетической его сторон, необходимо проводить исследование информационных аспектов системы (сигналов, информационных потоков, организации, управления и т.д.). Информационный анализ систем использует представление о сигналах - носителях информации, средстве перенесения информации в пространстве и времени. В качестве сигналов выступают состояния некоторых объектов: чтобы два объекта содержали информацию друг о друге, необходимо соответствие между их состояниями; тогда по состоянию одного объекта можно судить о состоянии другого. Соответствие между состояниями двух объектов устанавливается либо в результате непосредственного взаимодействия, либо с помощью взаимодействия с промежуточными объектами. Например, от преподавателя до ушей студентов звук переносят колебания воздуха. Не всякое состояние имеет сигнальные свойства, поскольку объект взаимодействует не только с тем объектом, информацию о котором требуется получить, но и с другими объектами, в результате чего соответствие состояний ослабевает. Условия, обеспечивающие установление и способствующие сохранению сигнального соответствия состояний, называют кодом, а посторонние воздействия, нарушающие это соответствие, - помехами или шумами. Нарушение соответствия состояний возможно не только вследствие помех, но и из-за рассогласования кодов взаимодействующих объектов. При этом предполагается, что в природных системах согласование кодов происходит в самой структуре систем путем естественного отбора различных вариантов.

Сигналы делятся  на два типа: статические сигналы, являющиеся стабильными состояниями физических объектов (например, книга, фотография, магнитофонная запись, состояние памяти компьютера, положение триангуляционной вышки и т.д.);

динамические  сигналы, в качестве которых могут  выступать динамические состояния силовых полей. Изменение состояния таких полей приводит к распространению возмущения, конфигурация которого во время распространения обладает определенной устойчивостью, что обеспечивает сохранение сигнальных свойств. Примерами таких сигналов могут служить звуки (изменение состояния поля сил упругости в газе, жидкости или твердом теле), световые и радиосигналы (изменения состояния электромагнитного поля). Так как сигналы - это состояния физических объектов, можно математически описать данное явление. Например, можно зафиксировать звуковые колебания, соответствующие конкретному сигналу, в виде зависимости давления хот времени t и изобразить этот сигнал функцией х(t). Так же функцией можно изобразить и статический сигнал, например запись звука на магнитной ленте, поставив в соответствие параметру t протяженность (длину) записи. Однако между просто состоянием объекта и сигналом имеется существенное различие: единственная функция x(t) не исчерпывает всех важных свойств сигналов. Дело в том, что понятие функции предполагает, что нам известно значение х(либо правило его вычисления) для каждого интервала времени. Но если это известно получателю сигнала, то отпадает необходимость в его передаче, так как функция x(t) может быть и без этого воспроизведена на приемном конце. Следовательно, функция приобретает сигнальные свойства только тогда, когда она является одной из возможных функций. Моделью сигнала может быть набор (ансамбль) функций параметра t, причем до передачи сигнала неизвестно, какая из них будет отправлена. Каждая такая конкретная функция называется реализацией. Если ввести вероятностную меру на множество реализации, то получается математическая модель, называемая случайным процессом. При обмене информацией между системами возникают специфические эффекты, полезные для анализа систем. Например, избыточность - явление не всегда отрицательное. При искажениях, выпадениях и вставках символов именно избыточность позволяет обнаружить и исправить ошибки.

Важным понятием информационного характера является скорость передачи информации - количество информации, передаваемое в единицу времени. В дискретном случае единицей времени удобно считать время передачи одного символа. Для непрерывных каналов единицей времени может служить либо обычная единица (например, секунда), либо интервал между отсчетами. Для более наглядного представления об этой величине укажем, что темп обычной речи человека соответствует скорости примерно 20 бит/с, муравьи обмениваются информацией (путем касания усиками) со скоростью около 0,1 бит/с. Скорость передачи информации по каналу связи зависит от многих факторов (энергия сигнала, количество символов в алфавите, избыточность, способ кодирования и декодирования и т.д.) и не превышает некоторого предела, называемого пропускной способностью канала. Например, пропускные способности зрительного, слухового и тактильного (осязательного) каналов связи человека составляют приблизительно 50 бит/с (заметим, что распространено мнение о сильном отличии зрительного канала). Если включить в канал и «исполнительные» органы человека (например, предложить ему нажимать педаль или кнопку в темпе получения сигналов), то пропускная способность снизится до 10 бит/с.

Теория информации имеет большое значение для системного подхода. Ее конкретные методы и результаты позволяют проводить количественные исследования информационных потоков в изучаемой системе. Однако более важным является эвристическое значение основных понятий теории информации - неопределенности, энтропии, количества информации, избыточности, пропускной способности.

Список  использованной литературы:

1. Концепции  современного естествознания: Учебник  для вузов/ Под ред. проф. В.Н.  Лавриненко и др.- М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2010. – 317 с.

2. Концепции современного  естествознания: Учебник для вузов/  Под ред. Л.А. Михайловой. – СПб.: Питер, 2009. – 334 с.

3. Концепции современного  естествознания: Учебн. пособие /А.А.  Горелов. – М.: Библионика, 2006. - 205 с.

4. Лозовский В.Н., Лозовский  С.В.  Концепции современного естествознания: Учебн. для вузов. –2-е изд.- СПб.: Изд-во «Лань», 2006. – 224с.

5. Грушевицкая Т. Г.,  Садохин А.П.  Концепции современного  естествознания: Учебн. пособие.  – М.: Высш. шк.,1998. – 383 с.

6. Концепции современного  естествознания: Учебник для вузов/  Под ред. С.Х. Карпенкова. - 6-е  изд. – М.: Высшая школа,  2003. - 480с.