Химия - очень древняя наука.
Химическое производство существовало уже за 3-4 тыс. лет до н. э. В Древнем Египте умели выплавлять из руд металлы (железо, свинец, медь, олово, сурьму), получать их сплавы, применяли золото, серебро, производили стекло, керамику, пигменты, краски, духи, египтяне были непревзойдёнными строителями и скульпторами (рис. 17).
Первыми учёными-химиками были египетские жрецы. Они владели многими до сих пор не разгаданными химическими секретами. К ним, например, относятся приёмы бальзамирования тел умерших фараонов и знати, а также способы получения некоторых красок. Так, изготовленные древними египетскими мастерами голубые и синие краски найденных при раскопках сосудов продолжают оставаться яркими, хотя со времени их изготовления прошло несколько тысяч лет.
Рис. 17.
Химия в Древнем Египте:
а - бальзамирование; б - посмертная золотая маска египетского фараона Тутанхамона; в - скульптура, изготовленная древним мастером
Некоторые химические производства существовали в древности в Греции, Месопотамии, Индии, Китае.
В III в. до н. э. уже был собран и описан значительный экспериментальный материал. Например, в знаменитой Александрийской библиотеке, которая считалась одним из семи чудес света и насчитывала 700 тысяч рукописных книг, хранились и многие труды по химии. В них были описаны такие процессы, как прокаливание, возгонка, перегонка, фильтрование и др.
Накопленные за много веков отдельные химические сведения позволяли сделать и некоторые обобщения о природе веществ и явлений. Например, греческий философ Демокрит, живший в V в. до н. э., впервые высказал мысль о том, что все тела состоят из мельчайших, невидимых, неделимых и вечно движущихся твёрдых частиц материи, которые он назвал атомами. Аристотель в IV в. до н. э. считал, что в основе окружающей природы лежат четыре стихии, которым свойственны четыре основных качества: теплота и холод, сухость и влажность (рис. 18). Эти четыре качества, по его мнению, могли быть отделены от стихий или прибавлены к ним в любом количестве.
Рис. 18.
Диаграмма Аристотеля «Четыре стихии и их взаимодействие»
Учение Аристотеля явилось идейной основой развития отдельной эпохи в истории химии, эпохи так называемой алхимии. В середине VII в. н. э. знания египтян и греков в области химии восприняли арабы; многие сведения по химии они заимствовали у сирийцев и китайцев.
Происхождение слова химия спорно. Хеми - на коптском языке означает «чёрный, тайный». Это слово для народов, населявших пустыню, совпадало с обозначением самого Египта, ибо чёрная, плодородная земля долины Нила сильно отличалась от жёлтой почвы пустыни. Таким образом, для арабов химия стала наукой чёрной земли. Арабы снабдили это слово ещё своей арабской приставкой ал, и таким образом сформировалось слово алхимия. Алхимия - это средневековое название химии, данное арабами. Однако, может быть, представление о чём-то чёрном относилось не только к цвету почвы, но также и к самой сути этой науки - тёмному и таинственному в те времена.
Другое толкование слова «химия» происходит от греческого глагола хюма - «выливать», поскольку оно связано с металлургией - одной из первых по времени отраслей химии.
Как можно заметить, выяснение этимологии (происхождения) химических терминов имеет глубокий смысл - оно помогает понять или историю, или практическое значение того, что обозначают химическим термином.
Цель алхимии - поиски путей превращения неблагородных металлов в благородные (золото и серебро) с помощью воображаемого вещества - философского камня. Многие алхимики занимались бесплодными поисками философского камня, который, по их мнению, мог также удлинить человеческую жизнь, обеспечить бессмертие или исцелить болезни. В поисках философского камня алхимики открыли много новых веществ, разработали способы их очистки, создали некоторое химическое оборудование (рис. 19). Большинством достижений алхимиков невозможно было воспользоваться: они держали свои методы в секрете, зашифровывали описания полученных веществ и проведённых опытов, так как преследовали цели обогащения.
Рис. 19.
В алхимической лаборатории
В начале XVI в. н. э. алхимики стали использовать полученные ими данные для нужд промышленности и медицины. Реформатором в области горного дела и металлургии явился Агрикола, а в области медицины - Парацельс, который указывал, что «цель химии состоит не в изготовлении золота и серебра, а в изготовлении лекарств».
Следует отметить, что на Руси алхимия особого распространения не имела, хотя трактаты алхимиков были известны, а некоторые даже переведены на церковнославянский язык. Мало того, Московскому двору немецкий алхимик Ван Гейден предлагал свои услуги по приготовлению философского камня - как «из свинца и олова, железа, меди и ртути серебро и золото делать и что тому делу пристойно», - но царь Михаил Фёдорович после «расспроса» эти предложения отклонил.
То, что алхимия не получила распространения на Руси, объясняется тем, что деньги и золото на Руси начали широко применяться позже по сравнению с западными странами, так как здесь позднее происходил переход с оброка на денежную ренту. Кроме того, мистицизм, туманность целей и нереальность способов алхимии противоречили здравому смыслу и деловитости русских людей.
Химия на Руси развивалась преимущественно самобытно. В Киевской Руси выплавляли металлы, производили стекло, соли, краски, ткани. При Иване Грозном в Москве в 1581 г. была открыта аптека. При Петре I были построены купоросные и квасцовые заводы, первые химические мануфактуры, а в Москве насчитывалось уже восемь аптек. Дальнейшее развитие химии в России связано с работами М. В. Ломоносова.
М. В. Ломоносов проводил опыты с накаливанием металлов в запаянных сосудах. Этими опытами он доказал, что масса веществ, полученных в результате опыта, была точно такой же, что и масса веществ, вступивших в реакцию. На основании подобных опытов с точным взвешиванием веществ до и после реакции М. В. Ломоносов в 1748 г. впервые сформулировал важнейший закон химии - закон сохранения массы веществ в химических реакциях.
Несколько позже французский учёный Антуан Лавуазье, проводя аналогичные опыты с применением точных методов взвешивания, пришёл к такому же выводу.
Значительный вклад в развитие химии внесли выдающиеся русские учёные А. М. Бутлеров и Д. И. Менделеев.
А. М. Бутлеров в 1861 г. создал теорию строения органических соединений, которая позволила привести в систему знания об огромном числе органических соединений и без которой немыслимы были бы современные успехи в создании новых полимерных материалов. Продолжателями идей А. М. Бутлерова стали выдающиеся русские учёные: В. В. Марковников, А. А. Зайцев, А. Е. Фаворский, Е. Е. Вагнер, С. В. Лебедев, Н. Д. Зелинский и многие другие.
Д. И. Менделеев на основании открытого им в 1869 г. Периодического закона (основополагающего закона естествознания) создал стройную научную классификацию химических элементов - Периодическую систему химических элементов, названную в его честь.
Работа с компьютером
- Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал урока и выполните предложенные задания.
- Найдите в Интернете электронные адреса, которые могут служить дополнительными источниками, раскрывающими содержание ключевых слов и словосочетаний параграфа.
- Предложите учителю свою помощь в подготовке нового урока - сделайте сообщение по ключевым словам и словосочетаниям следующего параграфа.
Вопросы и задания
- Изучив происхождение слова химия, составьте рассказ о химии и её значении в истории древних цивилизаций.
- Сформулируйте закон сохранения массы веществ. Подумайте, почему при горении свечи её масса постепенно уменьшается. Противоречит ли это наблюдение закону сохранения массы веществ?
- Какими чертами русского характера, по вашему мнению, объясняется тот факт, что величайшие обобщения в химии были сделаны именно русскими химиками: М. В. Ломоносов открыл закон сохранения массы веществ, А. М. Бутлеров создал теорию строения органических соединений, а Д. И. Менделеев сформулировал Периодический закон и разработал Периодическую систему химических элементов?
- Подготовьте небольшие сообщения (по выбору) о жизни и деятельности М. В. Ломоносова, А. М. Бутлерова, Д. И. Менделеева,
- Назовите литературные произведения, в которых описаны опыты алхимиков и философский камень.
История химии кратко: описание, возникновение и развитие. Краткий очерк истории развития химии
Зарождение науки о веществах можно отнести к эпохе античности. Древние греки знали семь металлов и еще несколько сплавов. Золото, серебро, медь, олово, свинец, железо и ртуть – вот вещества, которые были известны в то время. История химии началась с практических знаний. Их теоретическое осмысление было впервые предпринято различными учеными и философами – Аристотелем, Платоном и Эмпедоклом. Первый из них считал, что каждое из этих веществ может преобразовываться в другое. Он объяснял это существованием первоматерии, которая послужила началом всех начал.
Античная философия
Также распространенным было мнение о том, что в основе каждого вещества в мире лежит сочетание четырех стихий – воды, огня, земли и воздуха. Именно эти силы природы отвечают за трансмутацию металлов. Одновременно с этим в V в. до н. э. появилась теория атомизма, основоположниками которой были Левкипп и его ученик Демокрит. Это учение утверждало, что все предметы состоят из мельчайших частиц. Их назвали атомами. И хотя данная теория не нашла научного подтверждения в античности, именно это учение стало подспорьем современной химии в новейшее время.
Египетская алхимия
Примерно во II веке до н. э. новым центром науки стала египетская Александрия. Там же возникла алхимия. Эта дисциплина зародилась как синтез теоретических идей Платона и практических знаний эллинов. История химии этого периода характеризуется повышенным интересом к металлам. Для них было придумано классическое обозначение в виде известных тогда планет и небесных тел. Например, серебро изображалось в виде Луны, а железо – в виде Марса. Так как наука в то время была неотделима от религии, то и у алхимии, как у любой другой научной дисциплины, был свой бог-покровитель (Тот).
Одним из самых значимых исследователей того времени являлся Болос из Мендеса, который написал трактат «Физика и мистика». В нем он описал металлы и драгоценные камни (их свойства и ценность). Другой алхимик Зосим Панополит в своих работах исследовал искусственные способы получения золота. Вообще история возникновения химии началась с поиска этого благородного металла.
Египетские алхимики изучали не только сами металлы, но и руды, из которых те добывались. Так была открыта амальгама. Это вид сплава металлов с ртутью, который занял особенное место в мировоззрении алхимиков. Некоторые считали его первичным веществом. К этому же периоду можно отнести открытие способа очистки золота с помощью свинца и селитры.
История развития химии . Около двухсот лет назад были предприняты первые историко-научные исследования и написаны первые книги по истории химии. Это было время скачкообразного развития самой науки. Более чем тысячелетний период накопления естественнонаучных знаний закончился в XVIII в. формированием химии как самостоятельной научной дисциплины, были созданы новые система обучения и терминология. Химические исследования были направлены на решение актуальных задач познания природы и на использование достижений химии в промышленности.
Результаты наблюдений химиков-практиков средневековья в это время начали забываться, поскольку в XVIII в. было получено много новых, гораздо более точных, экспериментальных данных. Но ведущие химики XVIII в. понимали громадное значение работ своих предшественников. Поэтому они приложили немало усилий для публикации многочисленных сборников химических «операций», проведенных в средние века.
На первых историков химии - Торберна Бергмана, Иоганна Христиана Виглеба и Иоганна Фридриха Гмелина - обилие накопленных результатов исследований произвело очень большое впечатление. Поэтому они пытались собрать все эти наблюдения и описать их в хронологическом порядке.
Их последователи - Иоганн Бартоломей Троммсдорф, Жан Батист Дюма, Юстус Либих, Герман Копп, Фридрих Хёфер - уже делали попытки проанализировать исторические факты с определенной точки зрения. Более всех это удалось Герману Коппу. Он пришел к убеждению, что характер проводимых работ определялся главным образом задачами, поставленными химиками перед собой. Так, например, на протяжении довольно долгого исторического периода (от 300-х и до 1600-х гг.) они стремились получить золото из неблагородных металлов. Поэтому Копп назвал этот период алхимическим. Тогда, разумеется, еще не существовало подлинно научной химии, хотя и в древности люди использовали многие химические превращения. Но методы химиков тех времен Копп рассматривал как чисто эмпирические и найденные случайно. Исторический период, последовавший далее, Копп назвал периодом иатрохимии (медицинской химии), поскольку основным направлением химических знаний до 1700-х гг. было получение лекарств. Вслед за периодом иатрохимии Копп выделил еще два периода развития химических знаний: периоды флогистонной и количественной химии. Период флогистонной химии Копп назвал по господствовавшей в XVIII в. «флогистонной теории». Термин «флогистон» образован от древнегреческого слова «флогистос», что означает «воспламеняемый», «горючий»; «флогистон» - особая «субстанция», которая якобы определяет механизм процессов горения.
В конце XIX в. немецкий ученый Альберт Ладенбург принял в качестве главного принципа науки истории химии (Представления своего соотечественника Вильгельма Оствальда: без анализа прогресса химического эксперимента и развития химической промышленности нельзя понять общие закономерности становления химии как науки.
Среди ученых часто вспыхивают споры вокруг проблемы: начиная с какого исторического момента можно говорить о возникновении химии как науки? Одни исследователи отстаивали точку зрения, что химическая наука возникла лишь после того, как ученые смогли объяснить причины и особенности протекания реакций. По мнению других, возникновение научной химии следует датировать временем постановки учеными перед собой научно-исследовательских задач. Копп, например, считал научными даже задачи алхимии, хотя, как стало ясно в XX в., задачи алхимиков были нереальны и в общем-то антинаучны.
Развитие химии всегда шло в нескольких направлениях, но в различные периоды на первый план выдвигались разные исследовательские задачи. Отличие заключено в характере основополагающей в то или иное время научной идеи или теории. Специфика использования химического превращения веществ определяется тем, какую цель она преследует - получение какого-либо продукта или накопление новых знаний. Действительно, обе эти задачи вечно стоят перед человечеством, так как неразрывно связаны с целенаправленным использованием химических превращений.
Однако если абсолютизировать значение лишь одного направления в развитии химии, то, несомненно, нельзя избежать трудностей, с которыми и столкнулся Копп. Он рассмотрел эти трудности, проанализировал их с разных сторон, но не сумел найти удовлетворительного пути их преодоления.
Возникает вопрос: правомерно ли выделять в истории химии различные этапы (или периоды) развития? Никто не отрицает, что между химической практикой и теорией в древности, с одной стороны, и в наши дни - с другой, существует громадное различие. Разница (хотя и несколько меньшая) отчетливо заметна и при сопоставлении химических знаний иных, более близких исторических периодов. Для того чтобы провести периодизацию развития химии, нужно найти правильные критерии выделения исторических этапов. Эти критерии можно получить как следствия из закона накопления знаний и их наивысшего развития. Согласно этому закону, постепенное накопление практических и теоретических знаний приводит их к новому качеству, которое в свою очередь может служить основой дальнейшего развития науки. Постепенное накопление знаний за продолжительный исторический период приводит в конце концов к возникновению «революционной фазы», во время которой достигается наивысший уровень развития в теории или практике либо и в теории, и в практике.
Интенсивное развитие теории и практики в истории химии не всегда проходило одновременно. Фаза наивысшего развития знаний выявляется при анализе не только общего развития химии, но также и при рассмотрении эволюции ее отдельных направлений. И разумеется, в отдельные периоды и для различных направлений развития химии эти фазы наивысшего развития знаний различаются. Если, например, подразделить реальный материал истории химии на две исторические эпохи, то при подобном анализе становится очевиден глубочайший процесс преобразования фазы наивысшего накопления знаний в химии с конца XVIII в. С этого времени теория в химии стала приобретать все большее значение как непременное условие целенаправленного проведения разнообразных превращений веществ. До конца XVIII в., напротив, особо важное значение для прогресса химии имели не столько теоретические основы, сколько практическое проведение разнообразных химических «операций».
Деление истории химии на эмпирические и теоретические эпохи нельзя понимать буквально: будто первые были посвящены главным образом практическим работам, а вторые - лишь теоретическим. В истории вообще (и в истории химии, в частности) не существует застывших границ между историческими периодами: и в «эпохи практики» проводились теоретические изыскания, и в «теоретические эпохи» практика всегда имела немалое значение для развития химии. Поэтому такое однозначное название эпохи не отражает ее содержания. Оно характеризует лишь направление работ, которое определяет специфику развития химических знаний в рамках значительного исторического периода.
Рассмотренные подходы к периодизации можно также положить в основу выделения исторических периодов становления химии в соответствии с законом накопления и наивысшего развития знаний.
Вопрос, на который постоянно должен отвечать историк науки,- как методологически подходить к анализу предмета - относится к области истории логики. Для его решения нужно выяснить, какое значение имели важнейшие события истории науки для развития общества. В этом случае наиболее полно будет проявляться фаза наивысшего развития знаний. Однако нельзя забывать, что развитие науки происходило не во всех странах и частях мира. Кроме того, понимание вклада ученых разных стран в развитие химических знаний зависит от уровня наших знаний об основополагающих химических исследованиях, проведенных в различные исторические эпохи. Довольно достоверны известные историкам науки сведения о развитии химических знаний и навыков в древних Индии, Китае, средневековой Аравии, а также в средневековой Европе.
Название «химия» происходит, как считают ученые, от древнегреческого слова «хемейа» (так называли Египет); другое предполагаемое, тоже древнегреческое слово, от которого образовался термин «химия»,- «хюмейа» (от «хюма»), что означает «литье» металлов.
С самого начала использования человечеством химических превращений стали накапливаться определенные знания об особенностях их проведения. Позже на основе таких наблюдений возникли первые гипотезы о составе и свойствах веществ. Одновременно (в значительной мере под влиянием потребностей ремесленной практики) сформировалось мнение о том, что для развития человечества практические методы получения больших количеств различных веществ гораздо важнее, чем химические теории. Нельзя не отметить ограниченности любой одноплановой точки зрения. В действительности теоретический и практический аспекты изучения природы веществ развивались в тесной взаимосвязи; полученные при этом знания и навыки привели впоследствии к возникновению научного естествознания. Хотя существующие в наши дни отношения между естественными науками и производством сформировались лишь в XIX в., предпосылки научного естествознания были созданы еще во времена античности. Однако долгое время развитие естественнонаучных представлений определялось главным образом результатами наблюдений, полученными в ремесленной практике при проведении разнообразных процессов. Поэтому, чтобы правильно понять существование в древности и в средние века соотношения между ремесленной (а позже производственной) практикой и развитием представлений о природе веществ, не следует оценивать эти отношения лишь с точки зрения современных взаимосвязей естествознания и промышленности.
В значительной мере такие рассуждения относятся и к развитию химической науки и химической промышленности. Химия как самостоятельная наука в современном понимании этого слова возникла лишь в XVIII в. До этого химические знания накапливались главным образом в процессе развития химических ремесел. Среди них в XVI-XVII вв. очень большую роль играло приготовление лекарственных препаратов. Развитие фармации в первую очередь, а также совершенствование иных химических ремесел определяли в то время прогресс химических знаний. Термин «знания» употребляется здесь не в узком смысле, описывающем только развитие теоретических представлений, но в гораздо более широком плане - как историческая категория.
В работе «Роль труда в процессе превращения обезьяны в человека» Фридрих Энгельс выделил различные этапы «развития общества». В основу такого подразделения он положил труд, который рассматривал не как механическое выполнение операций, а как деятельность, точно определенную Карлом Марксом в «Капитале». Маркс определял труд как физические, психические и интеллектуальные возможности, которые реализуются лишь в сложном «процессе целенапраленного, целесообразного общения людей друг с другом». В простейшем же случае под трудом понимают - сознательно или неосознанно - опыт, который является исходным пунктом любого дальнейшего развития: определенные способы воздействия на вещества, связанные с конкретными операциями, ведут к некоторым предполагаемым результатам. Повторение этого процесса приводит к накоплению практических навыков и знаний, совершенствующихся при переходе от поколения к поколению. Под практическими навыками понимают не только механическую последовательность операций, но и совершенствование прикладных знаний. Применяемое здесь понятие «знание» - не априорно данное понятие, а исторически понимаемая категория. Так, например, для людей каменного века понимание влияния различных условий на рост растений имело такое же большое значение для прогресса в развитии навыков и знаний, как открытие важности применения удобрений для повышения урожайности сельскохозяйственных культур, сделанное в XIX в. Юстусом Либихом.
Эволюцию химии можно представить как последовательную смену представлений о химической природе веществ и соединений и химических взаимодействиях. В истории развития химической науки познание химических свойств на уровне элементного состава, на уровне структуры химических соединений, на уровне осуществления химических реакций шло во многом параллельно, но в логическом смысле целесообразно представить эти этапы как последовательно сменяющие друг друга. Традиционно выделяются следующие исторические этапы развития химии: алхимия – от периода древних цивилизаций до XVI в., период зарождения научных представлений XVII – XVIII века, период формирования науки химии и ее основных законов XIX, начало XX веков, современный – вторая половина XX столетия.
Химия достаточно долго существовала и развивалась в форме псевдо науки – алхимии. Алхимия родилась из невозможности подлинно научного анализа накопленных в данной области знаний и под влиянием религиозно-мистического способа их осмысления. Алхимией в истории химии называют длительный период в развитии химического знания с 300 по 1600 гг н.э. Несмотря на то, что алхимия ставила изначально мистические задачи: трансмутацию (взаимопревращение) элементов и создание элексира бессмертия, она послужила несомненным толчком к развитию химической науки. Практический опыт по проведению химических реакций, описание и анализ свойств химических соединений, открытие и технология получения важнейших соединений химии, например, соляной и серной кислот – вот неполный перечень основных достижений алхимии.
Начало становления подлинной химии связывается с деятельностью Роберта Бойля (1627-1691) - английского химика и физика. Бойль проявил осознанный скептицизм по отношению к античному умозрительному установлению элементов. Неслучайно его основополагающая работа 1661 г. называлась «Химик-скептик». Именно после этой работы наука стала называться химией, а ученые – химиками. Первоначальным этапом развития химии следует считать поиск природы химизма. Химического "атома", т.е. того, что определяет свойства различных веществ и типы реакций между ними. Это нечто получило в последствии название элемента .
Идея химического элемента начинает свою жизнь в древнегреческой мысли о качественно обособленных стихиях, из которых состоит все окружающее. Эволюция этой идеи - есть долгий описательный период в развитии химии. Период, когда науки в полном смысле этого слова еще не существовало, но была и бурно развивалась сумма разрозненных знаний о различных веществах и их соединениях.
Мысль о том, что свойства веществ зависят от их элементного состава, а также то, что перечень элементов должен быть найден в опытах высказал все тот же Роберт Бойль . Он считал, что элементом является далее неразложимое химически вещество. Единственным известным в то время методом химического разложения считалось прокаливание. Столь несовершенный метод не мог, разумеется, дать правильных результатов, при несомненной истинности самой идеи: устанавливать элементы не умозрительно, как античные натурфилософы, а опытным путем.
Французский химик Антуан-Лоран Лавуазье (1743-1794) предпринял первую попытку классификации химических элементов. В 1789 г. Лавуазье опубликовал книгу «Элементарный курс химии» . В этом учебнике содержался перечень всех известных в то время элементов. Он указал 33 элемента, среди которых были: Кислород, Сера, Фосфор, Мышьяк, Сурьма, Висмут, Кобальт, Медь, Олово, Железо, Золото, Свинец, Марганец, Ртуть, Молибден, Платина, Никель, Серебро, Вольфрам и Цинк . К числу химических элементов Лавуазье ошибочно отнес: свет, теплород, магнезию, кремнезем и глинозем, - разложимость которых еще не была известна. Кроме того, Лавуазье создал основы классификации химических соединений, положив конец произволу в этой области. Согласно созданной Лавуазье классификации состав веществ можно определить по их названию, например, - хлорид кальция содержит Ca и Cl . Была также разработана система суффиксов, которые показывали относительное количество того или иного вещества в соединении.
В начале XIX века число открытых химических элементов стало стремительно возрастать. Были открыты такие элементы как бор, палладий, родий, церий, осмий, иридий, ниобий, тантал и др. Встал вопрос о числе химических элементов и их классификации. Ряд ученых уловили основы некоторых закономерностей, лежащих в основе списка химических элементов. Решающий успех в деле упорядочения химических элементов выпал на долю Д.И.Менделеева, который положил в основу своей классификации химических элементов атомную массу. Открытие Д.И.Менделеевым периодического закона датируется 1 марта (по новому стилю) 1869 г., когда им была составлена таблица «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве» . Окончательный вид своей таблице Менделеев придал в 1871 году. Будучи уверенным в истинности своей классификации, он предсказал на месте пропусков своей таблицы существование трех новых элементов. Менделеев назвал их экабор, экаалюминий и экакремний . На санскрите приставка «эка»- обозначает «то же самое». В 1875 г. Поль Эмиль Лекок де Буабордан (1838-1912) открыл галлий , в котором Менделеев узнал свой экаалюминий. В 1979 г. Ларс Фредерик Нильсон (1840-1899) открыл скандий , в котором был узнан экабор, а в 1886 г. Клеменс Александр Винклер (1838-1904) открыл германий , идентичный экакремнию. Истинность взглядов Д.И.Менделеева была тем самым блестяще подтверждена.
Периодическому закону Д.И.Менделеева предстояло серьезное испытание в связи с открытием в середине – конце XIX столетия так называемых редкоземельных элементов. Они обладали сходными химическими свойствами и валентностью, равной 3 и близкими атомными весами. Причины сходства химических свойств редкоземельных элементов в то время не удалось. Возникла проблема с размещением в таблице вновь открытых элементов. Приблизительно в это же время были открыты инертные газы – элементы с нулевой валентностью. В результате 14 редкоземельных элементов были размещены в дополнительной группе, а инертные газы организовали самостоятельный столбец в таблице, которая приобрела, таким образом, современный вид.
Позднее было установлено, что химические свойства элементов зависят не от атомной массы, а от заряда атомного ядра. Становление квантовой физики позволило вскрыть действительную сущность периодического закона Менделеева и раскрыло путь к синтезу новых элементов и их изотопов. При жизни Менделеева было известно только 62 химических элемента, а в настоящий момент их - 112. На базе квантовой механики были получены ответы на вопрос о числе возможных в земных условиях химических элементов, указан путь и осуществлен процесс получения искусственных элементов.
Таким образом, первый этап в развитии химии (первый концептуальный уровень химических представлений) можно назвать уровнем исследования химических свойств веществ, определяемых их элементным составом. Историю проблемы химического элемента завершает создание периодического закона и его современной интерпретации. Это обозначает, что современная наука в состоянии ответить на вопросы: что такое химический элемент? Как свойства элемента связаны с его внутренней структурой? Каково число возможных изотопов данного элемента? и подобные данным вопросы.
В ходе развития представлений о химизме стало понятно, что химические свойства веществ зависят не только от того, из каких элементов данные вещества состоят, но в гораздо большей степени от того, как соединены данные элементы.
Проблема химического соединения - это проблема природы химической связи, объединяющей атомы различных веществ в квантовомеханическую систему - молекулу. Большинство атомов различных веществ не могут существовать самостоятельно. Самостоятельно существовать в природе могут только молекулы, поскольку только в молекуле достигается устойчивость вещества за счет насыщения электронных оболочек его атомов. Именно молекула обладает свойствами вещества, в том числе, и способностью вступать в те или иные химические реакции.
В современной химии различают три вида химических связей, возникающих при различных формах перестройки (обобществления) валентных электронов: ковалентную, ионную и металлическую .
Ковалентная связь осуществляется за счет образования электронных пар, в одинаковой мере принадлежащих обоим атомам.
Ионная - представляет собой электростатическое притяжение между ионами, образованными путем полного смещения электронной пары к одному из атомов.
Металлическая связь есть связь между положительными ионами в кристаллах металлов, осуществляемая за счет притяжения электронов, свободно перемещающихся по кристаллу. С точки зрения современной химии кристаллы и полимерные вещества макроскопических размеров представляют собой одну гигантскую молекулу.
Вторым этапом (концептуальным уровнем познания химических свойств веществ) можно считать развитие представлений о структуре химического соединения (структурную химию) . В рамках этого этапа химики должны были ответить на такие вопросы как: Как и почему объединяются элементы в соединения? Чем объясняется структура и устойчивость соединений? Какова структура сложных соединений? и т.п. вопросы.
Свое начало структурная химия берет в идеях английского химика Дж.Дальтона (1766-1844) . Дальтон установил закон кратных отношений , из которого непосредственно вытекало, что химические соединения отличаются по составу на целые атомы. Молекулы, образованные из различных атомов, обладают свойствами отличными от свойств элементов, их составляющих. Йенс Якоб Берцелиус (1779-1848) - шведский химик полагал, что атомы различных веществ обладают различными электрическими зарядами, поэтому объединение их в молекулу приводит к частичной нейтрализации зарядов. Благодаря остающимся избыточным электрическим зарядам молекулы веществ могут организовывать более сложные химические соединения. В 1852 г. Английский химик Эдуард Франкланд (1825-1899) выдвинул идею, которая позднее стала называться теорией валентности (от лат. Valentia – сила).
Подлинным основателем структурной химии можно считать немецкого химика Фридриха Августа Кекуле фон Страдоница (1829-1896) , который сформулировал основные положения теории валентности. Понятие валентных электронов введено другим немцем - физиком Иоханнесом Штарком (1874-1957) . Идеи Ф.Кекуле нашли свое широкое использование в органической химии (молекулы органических веществ в целом много сложнее, чем неорганических). Теория валентности позволила записывать не только буквенные (брутто-формулы), но и структурные формулы химических веществ, которые по ряду показателей гораздо более информативны, чем буквенные. Так раскрылась возможность химической топологии. Русский химик Александр Михайлович Бутлеров (1823-1886) показал, что с помощью структурных формул можно наглядно объяснить существование изомеров. Изменение расположения атомов и групп в молекуле приводит к значительным изменениям химических свойств соединения. Структурные формулы не могли отразить лишь особо сложный тип изомерии – оптическую изомерию.
В конце XIX века датчанином Якобом Гендриком Вант-Гоффом(1852-1911) была обнаружена асимметричность четырехвалентного атома углерода в органических соединениях. В конце XIX столетия утвердилось мнение, что пространственная оптическая изомерия характерна не только для углерода, но и некоторых азотсодержащих соединений, соединений кобальта, хрома, родия и ряда других металлов. Швейцарский химик Альфред Вернер (1866-1919) создал теорию вторичных валентностей , которые порождаются изменением конфигурации электронных облаков в молекулярной структуре. Первоначально считалось, что они резко отличаются от валентных сил, но впоследствии пришли к оправданному мнению, что существенных различий между первичными и вторичными валентностями не существует. На основе этой теории объясняется строение таких веществ, как, например, гемоглобин, хлорофилл .
Дальнейшее развитие структурной химии связано с вхождением в химию идей квантовой механики. Начало идеям квантовой химии было положено работами Фрица Лондона и Вальтера Гайтлера , которые применили к расчетам электронных облаков в химических молекулах квадрат волновой функции. В XX веке в структурной химии стал применяться рентгеноструктурный анализ , спектроскопия и метод ядерного магнитного резонанса , что позволило раскрыть структурное строение огромного числа сложных молекул органических веществ. Открылись новые пути к пониманию синтеза различных химических соединений и расшифровке их свойств. С вхождением в химию теории валентности в ее квантово-механической форме, построением пространственных вариантов молекул, пониманием от чего зависят и как формируются пространственные конфигурации сложных молекул можно стало считать, что проблема химического соединения в целом решена. В настоящее время перспективными направлениями структурной химии являются: синтез особо чистых кристаллов с заданными свойствами и создание кристаллов с программируемыми дефектами.
Третьим этапом развития химической науки стало учение о химических процессах. Этот этап совпадает с рождением химической промышленности. Процедура получения тех или иных веществ связана с исследованием условий протекания реакций между ними, т.е. влияния на возможность и направление реакции различных физических параметров: температуры, давления, концентрации и т.п. Эта отрасль химических знаний получила название химической термодинамики и кинетики . По своему существу эта отрасль знаний является пограничной между физикой и химией, поэтому эта проблематика породила развитие новой области знаний - физической химии .
Характер протекания химических реакций различен: одни из них идут достаточно легко при нормальных условиях, другие, напротив, чрезвычайно трудно. Многие реакции являются обратимыми, и полученное вещество тут же возвращается в первоначальное состояние. Некоторые химические реакции практически невозможно остановить. Например, реакцию взрыва. Чтобы обеспечить протекание реакции в заданном направлении необходимо управлять ею. Различают термодинамические методы управления химическими реакциями и кинетические . Первые ответственны главным образом за возможность и направленность процессов, вторые - за их скорость.
Американский физик Джозайя Гиббс Уиллард (1839-1903) ввел понятие свободной энергии, которая получила впоследствии название энергии Гиббса. Энергия Гиббса описывается уравнением G = H – TS, где H – энтальпия , S – энтропия, T – температура. Любая химическая реакция сопровождается изменением свободной энергии системы. Скорость изменения свободной энергии при изменении концентрации реагирующих веществ получила название химического потенциала системы. Гиббс доказал, что самопроизвольная химическая реакция идет от точки с высоким потенциалом к точке с низким потенциалом, что аналогично передаче температуры от нагретого тела к холодному. В состоянии химического равновесия система обладает наименьшим значением химического потенциала Гиббса. Изменение концентраций реагирующих веществ влечет за собой и изменение свободной энергии. Этот механизм позволяет управлять ходом химических реакций за счет смещения равновесия в ту или другую сторону. В Европе, где труды Гиббса достаточно долго не были известны, основу учения о термодинамических методах управления химическими процессами создал французский химик Анри Луи Ле Шателье (1850-1936) , который сформулировал принцип подвижного равновесия. Изменение температуры, давления, концентрации - способы сместить равновесие в сторону искомой реакции и получения необходимого продукта .
Кинетический метод опробовал академик Петербургской академии наук К.С.Кирхгоф (1764-1833) , который впервые использовал серную кислоту в качестве катализатора в реакции получения сахара из крахмала. Основы химической кинетики были заложены в 80-х годах XIX века голландским химиком Вант-Гоффом , связавшим скорости реакций с концентрацией реагентов и температурой. Немецкий физикохимик Фридрих Вильгельм Оствальд (1853-1932) , обучавшийся в Дерптском (Тартусском) университете и некоторое время работавший профессором химии в Рижском политехникуме, впервые определил катализатор как вещество, изменяющее скорость реакции, но не входящее в состав конечного продукта .
В XX веке стало понятно, что большинство (порядка 80 процентов) химических реакций идет с участием катализаторов. Различают: катализ , ускоряющий химический процесс, и замедляющий его - ингибитор . В современной химической промышленности используются как катализаторы, так и ингибиторы, управляющие скоростью и направленностью химической реакции.
Химическая кинетика изучает возможности управления химическими реакциями и их зависимость от множества кинетических факторов: строения исходных реагентов, их концентрации, наличия катализаторов, способов и порядка смешения реагентов, материала и конструкции реактора и пр. В XX веке успехи химической кинетики стали особенно заметны в органической химии, где с открытием металлоорганических катализаторов стали возможны многие реакции, считавшиеся ранее неосуществимыми. Так, в 1964 году была открыта реакция синтеза аммиака на металлоорганических катализаторах, протекающая при нормальных условиях. В этот же период были разработаны реакции полимеризации дивинила и изопрена, что позволило получать синтетические каучуки. Применение катализа позволило вовлечь в производство органические парафины и циклопарафины - вещества практически не активные химически. На базе этих реакций строится производство олиф, лаков, пластических масс, горюче-смазочных материалов.
Одну из форм энергии, которая влияет на ход химических реакций, а также может быть получена из некоторых реакций представляет собой свет. Область химии, изучающая влияние света на химические процессы называется фотохимией . В 30-х годах XIX в. была разработана методика фотографии. Химическая сущность фотографии заключается в следующем: отраженный от предмета свет попадает на соединения серебра, вызывая его неравномерное (в зависимости от количества попавшего света) разложение. Последующая химическая реакция восстанавливает соединения серебра до металла. Причем процесс этот также неравномерен. Не успевшее восстановиться серебро, устраняют (фиксирование). Таким образом получают негатив изображения. Последующее облучение через негатив бумаги с нанесенными на нее соединениями серебра приводит посредством того же химического механизма к получению верного изображения (позитива). Фотография широко вошла в нашу жизнь, но она была и остается одним из широко применяемых в науке методов. Из физических наук она шагнула, например, в криминалистику, теорию и практику уголовного процесса и другие виды правоохранительной деятельности.
Одним из интересных следствий химического производства стало получение взрывчатых веществ. В 1945 г. швейцарец Христиан Фридрих Шенбайн (1799-1868) открыл нитроклетчатку – бездымный порох. Однако производство этого вещества удалось наладить много позднее Фредерику Августусу Абелю (1872-1902) . В состав современного бездымного пороха входит нитроглицерин, полученный итальянцем Асканио Собреро (1812-1888) . Также как и в случае с нитроклетчаткой, производство нитроглицерина в безопасной форме удалось наладить Альфреду Бернарду Нобелю (1833-1896) , который назвал полученную им смесь динамитом . Дальнейшие поиски в этом направлении привели к созданию все более мощных и разнообразных взрывчатых веществ, используемых в современной военной и инженерной технике. Использование достижений химии в военных целях совпадает с концом XIX началом XX столетий: взрывчатка, отравляющие газы, противогазы, производство биологического оружия (в настоящий момент запрещено), производство боевых отравляющих веществ.
Четвертым уровнем познания химизмастал уровень эволюционной химии . Этот этап развития химии возможен при соответствующем уровне развития биологии и изучения особенностей химического производства в живых организмах.
Ученых всегда поражала высокая эффективность химических реакций в живом веществе и экономичность энергетических затрат в подобных реакциях. Органический синтез в биомолекулах настолько сложен и отлажен, что эти молекулы с огромной степенью точности воспроизводят себе подобные. Эти особенности живого навели на мысль о необходимости построения принципиально новой химии и нового управления химическими процессами. Совсем не обязательно повторять то, что делается природой. Необходимо понять и использовать принципы, которые открывают возможность реакций, подобных осуществляемым в живых организмах. Связь химии с молекулярной биологией в этих областях изучения привела к развитию смежной отрасли исследований - биохимии .
В 1960-х годах были открыты случаи самосовершенствования катализаторов в ходе реакции, тогда как обычно в ее ходе катализаторы дезактивировались, т.е. теряли свою пригодность. Так в химию вошла одна из важнейших идей современной науки - идея эволюционной самоорганизации .
В процессе изучения истории природного химизма на Земле было выяснено, что на ранних стадиях земного химизма катализ вообще отсутствовал, а его появление связано с ходом биохимических реакций в условиях нехватки энергии . Развитие биоорганического катализа приобрело особый размах при накоплении достаточного количества органических систем. В ходе эволюции биохимических систем отбирались и использовались все более и более эффективные катализаторы, наконец, возник механизм саморазвития и самоорганизации каталитических систем. Органические катализаторы способны повысить скорость реакции в миллиарды раз. Но главное то, что живое вещество непрерывно повышает эффективность своих каталитических систем.
В сложившейся во второй половине XX века эволюционной химии различается два основных направления: субстратное и функциональное .
Первое сосредоточивает свое внимание на материалах - носителях биохимизма. Так, например, отмечается тот факт, что из 8 миллионов известных на сегодняшний момент химических соединений 96% составляют органические. В построении абсолютного большинства из них, природа использовала немногим более десятка элементов таблицы Менделеева. Особое значение в природе имеют достаточно широко распространенные в космосе вещества, каждое из которых используется в соответствии с его внутренними возможностями.
В результате эволюции шел не только отбор химических элементов, эффективно используемых биохимией природы, но и отбор соответствующих соединений. Лучший этому пример, что из 100 известных аминокислот в состав белков входит лишь 20, лишь по четыре нуклеотидных цепочки ДНК и РНК лежат в основе тех аминокислот, которые отвечают за наследственность и регулируют синтез белка в живых организмах.
Второе направление эволюционной химии сосредоточивает внимание на функциональных элементах биохимии - механизмах управления отбором биохимических реакций в ходе предбиологической эволюции .
Основное внимание уделяется саморазвитию катализа и каталитических систем.
В 1969 году была сформулирована общая теория химической эволюции и биогенеза, выдвинутая профессором Московского университета А.П.Руденко . Сущность этой теории состоит в утверждении о том, что эволюционирующим веществом являются катализаторы . В ходе эволюции происходит отбор структур и соединений, обладающих наибольшей активностью. При этом базисная реакция сама претерпевает ряд изменений: она дробится на ряд промежуточных стадий, каждая из которых в свою очередь повышает эффективность новых катализаторов. Базисная реакция выступает при этом в качестве поставщика энергии, обеспечивая возможность собственного саморазвития.
В рамках этой теории было введено понятие элементаpной откpытой каталитической системы – ЭОКC . Взаимодействуя с факторами внешней сpеды, ЭОКC pеагиpyет на них как единое целое. При этом возможны обpатимые и необpатимые изменения порядка ее фyнкциониpования (механизма осyществления базисного обменного процесса, зависящего от пpиpоды катализатоpа и процесса). При обратимых изменениях после пpекpащения действия возмyщающего фактора система возвращается к пpежнемy поpядкy. При необpатимых изменениях пpиpоды ЭОКC система пpиобpетает новый yстойчивый тип фyнкциониpования.
Важное значение для пеpехода из неживого в живое имеет фоpмиpование новых функций ЭОКC при пpеодолении пределов развития. Cyществyют два предела - темпеpатypный и концентрационный . При пpеодолении первого происходит фоpмиpование свойства умножения каталитических функций (свойство однородного роста); при пpеодолении второго фоpмиpyется свойство точной пpостpанственной pедyпликации ЭОКC в целом (свойство размножения). В этом случае достигается общий предел химической эволюции. Дальнейший эволюционный процесс приводит к тому, что химическая эволюция переходит в биологическую, неживые ЭОКC пpевpащаются в простейшие живые системы.
Концептуальное содержание химической картины мира связано, таким образом, с суммой представлений о природе неорганического и органического химизма. Химизм на уровне элемента, на уровне соединения и структуры, на уровне химического процесса и химизм на уровне химической самоорганизации – таковы известные в настоящее время способы проявления химической природы веществ. Эти способы обеспечивают все разнообразие химических процессов природы и лежат в основе современного химического производства, роль которого со второй половины XX века в жизни человечества можно сравнить лишь с ролью овладения огнем или изобретения колеса. Нет ни одной отрасли современного хозяйства и производства, где не использовались бы достижения химии. Основа основ тяжелой индустрии – добыча и обработка металлов опираются на достижения химии, это и легирование сталей и сам процесс плавки, и получение сплавов. Производство горюче-смазочных материалов, без которых невозможно функционирование современной цивилизации – процесс, целиком находящийся в ведении химии. Производство пластических масс, полупроводниковых и других кристаллов, лекарственных препаратов, искусственных заменителей органов и тканей, тепло- и ядерная энергетики – вот далеко не полный перечень химических профессий. Широко применяются физико-химические и чисто химические методы в криминалистических экспертизах (экспертиза веществ и материалов). Правоохранительная деятельность не может не ставить себе на службу самые последние достижения науки. Современная химия дает в руки следствия самые совершенные методы химического, физико-химического и химико-биологического анализа.
Литература основная:
Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учебник.- Изд. 3-е, перераб. и доп.- М.: Альфа-М; ИНФРА-М, 2007.-704с.
Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учебник.- Изд.2-е, перераб. и доп. – М.: Альфа-М; ИНФРА-М, 2005.- 662с.
Горбачев В.В. Концепции современного естествознания: Учеб. Пособие для студентов вузов/ В.В. Горбачев.- М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003.- 592с.: ил.
Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов.- М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1997.
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов.- М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1997.- 520с.
Концепции современного естествознания: Учебник для вузов/ В.Н. Лавриненко, В.П. Ратников, В.Ф. Голубь и др; Под ред. проф. В.Н. Лавриненко, проф. В.П. Ратникова.- М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1997.- 271с.
Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учеб. Пособие.- М.: Гардарики, 1999.-476с.
Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. Концепции современного естествознания: Учеб. Пособие – М.: Высш.шк., 1998. – 383с.
Данилова В.С., Кожевников Н.Н. Основные концепции современного естествознания: учебн. Пособие для вузов.- М.: Аспект Пресс, 2001.- 256с.
Кокин А.В. Концепции современного естествознания: Учебное пособие – М.:»Издательство ПРИОР», 1998.- 208с.
Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Учебник под ред акад РАН М.Ф. Жукова. – Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 1997.- 832с.
Литература дополнительная:
Современные философские проблемы естественных, технических и социально-гуманитарных наук: учебник для аспирантов и соискателей ученой степени кандидата наук / под общ. ред. Д-ра филос. наук, проф. В.В. Миронова. М.: Гардарики, 2006.- 639с.
Азимов А. Краткая история химии: Развитие идей и представлений в химии / Пер. с англ. З.Гельмана. – СПб.: Амфора, 2000.- 269с.
Лекция 7 Биологические структуры и организация биологических систем (концепция структурных уровней жизни)
1. История биологии и основные концепции современной биологии
2. Живое и неживое. Элементарная биохимия жизни
3. Концепция структурных уровней жизни – конституция биологического знания
Введение. 3
1. Основные этапы развития химии. 5
2. Алхимия как феномен средневековой культуры.. 7
3. Возникновение и развитие научной химии. 8
§ 3.1. Истоки химии. 8
§ 3.2. Лавуазье: революция в химии. 10
§ 3.3. Победа атомно-молекулярного учения. 11
4. Зарождение современной химии и ее проблемы в 21 веке. 12
Заключение. 19
Список литературы.. 21
Введение
Содержательный подход к истории химии основывается на изучении того, как изменялись со временем теоретические основы науки. Вследствие изменений в теориях на всём протяжении существования химии постоянно менялось её определение. Химия зарождается как "искусство превращения неблагородных металлов в благородные"; Менделеев в 1882 г. определяет её как "учение об элементах и их соединениях". Определение из современного школьного учебника в свою очередь значительно отличается от менделеевского: "Химия – наука о веществах, их составе, строении, свойствах, взаимных превращениях и законах этих превращений".
Следует отметить, что изучение структуры науки мало способствует созданию представления о путях развития химии в целом: общепринятое деление химии на разделы основано на целом ряде различных принципов. Деление химии на органическую и неорганическую произведено по различию их предметов.
Выделение физической химии основано на её близости к физике, аналитическая химия выделена по признаку используемого метода исследования. В целом общепринятое деление химии на разделы является в значительной степени данью исторической традиции; каждый раздел в той или иной степени пересекается со всеми остальными.
Основной задачей содержательного подхода к истории химии является, говоря словами Д. И. Менделеева, выделение "неизменного и общего в изменяемом и частном". Таким неизменным и общим для химических знаний всех исторических периодов является цель химии. Именно цель науки – не только теоретический, но и исторический её стержень.
Целью химии на всех этапах её развития является получение вещества с заданными свойствами. Эта цель, иногда именуемая основной проблемой химии, включает в себя две важнейших задачи – практическую и теоретическую, которые не могут быть решены отдельно друг от друга. Получение вещества с заданными свойствами не может быть осуществлено без выявления способов управления свойствами вещества, или, что то же самое, без понимания причин происхождения и обусловленности свойств вещества. Таким образом, химия есть одновременно и цель и средство, и теория и практика
Таким образом, в рамках содержательного подхода история химии может быть рассмотрена как история возникновения и развития концептуальных систем, каждая из которых представляет собой принципиально новый способ решения основной задачи химии.
1. Основные этапы развития химии
При изучении истории развития химии возможны два взаимно дополняющих подхода: хронологический и содержательный.
При хронологическом подходе историю химии принято подразделять на несколько периодов. Следует учитывать, что периодизация истории химии, будучи достаточно условной и относительной, имеет скорее дидактический смысл.
При этом на поздних этапах развития науки в связи с её дифференциацией неизбежны отступления от хронологического порядка изложения, поскольку приходится отдельно рассматривать развитие каждого из основных разделов науки.
Как правило, большинство историков химии выделяют следующие основные этапы её развития:
1. Предалхимический период: до III в. н.э.
В предалхимическом периоде теоретический и практический аспекты знаний о веществе развиваются относительно независимо друг от друга. Происхождение свойств вещества рассматривает античная натурфилософия, практические операции с веществом являются прерогативой ремесленной химии.
2. Алхимический период: III – XVI вв.
Алхимический период, в свою очередь, разделяется на три подпериода:
· александрийскую,
· арабскую
· европейскую алхимию.
Алхимический период – это время поисков философского камня, считавшегося необходимым для осуществления трансмутации металлов.
В этом периоде происходит зарождение экспериментальной химии и накопление запаса знаний о веществе; алхимическая теория, основанная на античных философских представлениях об элементах, тесно связана с астрологией и мистикой. Наряду с химико-техническим "златоделием" алхимический период примечателен также и созданием уникальной системы мистической философии.
3. Период становления (объединения): XVII – XVIII вв.
В период становления химии как науки происходит её полная рационализация. Химия освобождается от натурфилософских и алхимических взглядов на элементы как на носители определённых качеств. Наряду с расширением практических знаний о веществе начинает вырабатываться единый взгляд на химические процессы и в полной мере использоваться экспериментальный метод. Завершающая этот период химическая революция окончательно придаёт химии вид самостоятельной науки, занимающейся экспериментальным изучением состава тел.
4. Период количественных законов (атомно-молекулярной теории): 1789 – 1860 гг.
Период количественных законов, ознаменовавшийся открытием главных количественных закономерностей химии – стехиометрических законов, и формированием атомно-молекулярной теории, окончательно завершает превращение химии в точную науку, основанную не только на наблюдении, но и на измерении.
5. Период классической химии: 1860 г. – конец XIX в.
Период классической химии характеризуется стремительным развитием науки: создаётся периодическая система элементов, теория валентности и химического строения молекул, стереохимия, химическая термодинамика и химическая кинетика; блестящих успехов достигают прикладная неорганическая химия и органический синтез. В связи с ростом объёма знаний о веществе и его свойствах начинается дифференциация химии – выделение её отдельных ветвей, приобретающих черты самостоятельных наук.
2. Алхимия как феномен средневековой культуры
Алхимия складывалась в эпоху эллинизма на основе слияния прикладной химии египтян с греческой натурфилософией, мистикой и астрологией (золото соотносили с Солнцем, серебро - с Луной, медь - с Венерой, и т.д.) (II-VI вв.) в александрийской культурной традиции, представляя собой форму ритуально-магического искусства.
Алхимия - это самозабвенная попытка найти способ получения благородных металлов. Алхимики считали, что ртуть и сера разной чистоты, соединяясь в различных пропорциях, дают начало металлам, в том числе и благородным. В реализации алхимического рецепта предполагалось участие священных или мистических сил, а средством обращения к этим силам было слово - необходимая сторона ритуала. Поэтому алхимический рецепт выступал одновременно и как действие, и как священнодействие.
В средневековой алхимии выделялись две тенденции.
Первая - это мистифицированная алхимия, ориентированная на химические превращения (в частности, ртути в золото) и, в конечном счете, на доказательство возможности человеческими усилиями осуществлять космические превращения. В русле этой тенденции арабские алхимики сформулировали идею «философского камня» - гипотетического вещества, ускорявшего «созревание» золота в недрах земли; это вещество заодно трактовалось и как эликсир жизни, исцеляющий болезни и дающий бессмертие.
Вторая тенденция была больше ориентирована на конкретную практическую технохимию. В этой области достижения алхимии несомненны. К ним следует отнести: открытие способов получения серной, соляной, азотной кислот, селитры, сплавов ртути с металлами, многих лекарственных веществ, создание химической посуды и др.
3. Возникновение и развитие научной химии
§ 3.1. Истоки химии
Химия древности. Химия, наука о составе веществ и их превращениях, начинается с открытия человеком способности огня изменять природные материалы. По-видимому, люди умели выплавлять медь и бронзу, обжигать глиняные изделия, получать стекло еще за 4000 лет до н.э. К 7 в. до н.э. Египет и Месопотамия стали центрами производства красителей; там же получали в чистом виде золото, серебро и другие металлы. Примерно с 1500 до 350 до н.э. для производства красителей использовали перегонку, а металлы выплавляли из руд, смешивая их с древесным углем и продувая через горящую смесь воздух. Самим процедурам превращения природных материалов придавали мистический смысл.
Греческая натурфилософия. Эти мифологические идеи проникли в Грецию через Фалеса Милетского, который возводил все многообразие явлений и вещей к единой первостихии – воде. Однако греческих философов интересовали не способы получения веществ и их практическое использование, а главным образом суть происходящих в мире процессов. Так, древнегреческий философ Анаксимен утверждал, что первооснова Вселенной – воздух: при разрежении воздух превращается в огонь, а по мере сгущения становится водой, затем землей и, наконец, камнем. Гераклит Эфесский пытался объяснить явления природы, постулируя в качестве первоэлемента огонь.
Четыре первоэлемента. Эти представления были объединены в натурфилософии Эмпедокла из Агригента – создателя теории четырех начал мироздания. В различных вариантах его теория властвовала над умами людей более двух тысячелетий. Согласно Эмпедоклу, все материальные объекты образуются при соединении вечных и неизменных элементов-стихий – воды, воздуха, земли и огня – под действием космических сил любви и ненависти. Теорию элементов Эмпедокла приняли и развили сначала Платон, уточнивший, что нематериальные силы добра и зла могут превращать эти элементы один в другой, а затем Аристотель.
Согласно Аристотелю, элементы-стихии – это не материальные субстанции, а носители определенных качеств – тепла, холода, сухости и влажности. Этот взгляд трансформировался в идею четырех «соков» Галена и господствовал в науке вплоть до 17 в.
Другим важным вопросом, занимавшим греческих натурфилософов, был вопрос о делимости материи. Родоначальниками концепции, получившей впоследствии название «атомистической», были Левкипп, его ученик Демокрит и Эпикур.
Согласно их учению, существуют только пустота и атомы – неделимые материальные элементы, вечные, неразрушимые, непроницаемые, различающиеся формой, положением в пустоте и величиной; из их «вихря» образуются все тела.
Атомистическая теория оставалась непопулярной в течение двух тысячелетий после Демокрита, но не исчезла полностью. Одним из ее приверженцев стал древнегреческий поэт Тит Лукреций Кар, изложивший взгляды Демокрита и Эпикура в поэме «О природе вещей» (De Rerum Natura).
§ 3.2. Лавуазье: революция в химии
Центральная проблема химии XVIII в. - проблема горения. Вопрос состоял в следующем: что случается с горючими веществами, когда они сгорают в воздухе? Для объяснения процессов горения немецкими химиками И. Бехером и его учеником Г. Э. Шталем была предложена теория флогистона. Флогистон - это некоторая невесомая субстанция, которую содержат все горючие тела и которую они утрачивают при горении. Тела, содержащие большое количество флогистона, горят хорошо; тела, которые не загораются, являются дефлогистированными. Эта теория позволяла объяснять многие химические процессы и предсказывать новые химические явления. В течение почти всего XVIII в. она прочно удерживала свои позиции, пока французский химик А. Л. Лавуазье в конце XVIII в. не разработал кислородную теорию горения.
Лавуазье показал, что все явления в химии, прежде считавшиеся хаотическими, могут быть систематизированы и сведены в закон сочетания элементов, старых и новых. К уже установленному до него списку элементов он добавил новые - кислород, который вместе с водородом входит в состав воды, а также и другой компонент воздуха - азот. В соответствии с новой системой химические соединения делились в основном на три категории: кислоты, основания, соли. Лавуазье рационализировал химию и объяснил причину большого разнообразия химических явлений: она заключается в различии химических элементов и их соединений.
§ 3.3. Победа атомно-молекулярного учения
Следующий важный шаг в развитии научной химии был сделан Дж. Дальтоном, ткачом и школьным учителем из Манчестера. Изучая химический состав газов, он исследовал весовые количества кислорода, приходящиеся на одно и то же весовое количество вещества в различных по количественному составу окислах, и установил кратность этих количеств. Например, в пяти окислах азота количество кислорода относится на одно и то же весовое количество азота как 1: 2: 3: 4: 5. Так был открыт закон кратных отношений.
Дальтон правильно объяснил этот закон атомным строением вещества и способностью атомов одного вещества соединяться с различным количеством атомов другого вещества. При этом он ввел в химию понятие атомного веса.
И, тем не менее, в начале XIX в. атомно-молекулярное учение в химии с трудом пробивало себе дорогу. Понадобилось еще полстолетия для его окончательной победы. На этом пути был сформулирован ряд количественных законов, которые получали объяснение с позиций атомно-молекулярных представлений. Для экспериментального обоснования атомистики и ее внедрения в химию много усилий приложил Й.Я. Берцелиус. Окончательную победу атомно-молекулярное учение одержало на 1-м Международном конгрессе химиков.
В 1850-1870-е гг. на основе учения о валентности химической связи была разработана теория химического строения, которая обусловила огромный успех органического синтеза и возникновение новых отраслей химической промышленности, а в теоретическом плане открыла путь теории пространственного строения органических соединений - стереохимии.
Во второй половине XIX в. складываются физическая химия, химическая кинетика - учение о скоростях химических реакций, теория электролитической диссоциации, химическая термодинамика. Таким образом, в химии XIX в. сложился новый общий теоретический подход - определение свойств химических веществ в зависимости не только от состава, но и от структуры.
Развитие атомно-молекулярного учения привело к идее о сложном строении не только молекулы, но и атома. В начале ХГХ в. эту мысль высказал английский ученый У. Праут на основе результатов измерений, показывавших, что атомные веса элементов кратны атомному весу водорода. Праут предложил гипотезу, согласно которой атомы всех элементов состоят из атомов водорода. Новый толчок для развития идеи о сложном строении атома дало великое открытие Д. И. Менделеевым периодической системы элементов, которая наталкивала на мысль о том, что атомы не являются неделимыми, что они обладают структурой и их нельзя считать первичными материальными образованиями.
4. Зарождение современной химии и ее проблемы в 21 веке
Конец средних веков отмечен постепенным отходом от оккультизма, спадом интереса к алхимии и распространением механистического взгляда на устройство природы.
Ятрохимия. Совершенно иных взглядов на цели алхимии придерживался Парацельс. Под таким выбранным им самим именем вошел в историю швейцарский врач Филипп фон Гогенгейм. Парацельс, как и Авиценна, считал, что основная задача алхимии – не поиски способов получения золота, а изготовление лекарственных средств. Он заимствовал из алхимической традиции учение о том, что существуют три основные части материи – ртуть, сера, соль, которым соответствуют свойства летучести, горючести и твердости. Эти три элемента составляют основу макрокосма и связаны с микрокосмом, образованным духом, душой и телом. Переходя к определению причин болезней, Парацельс утверждал, что лихорадка и чума происходят от избытка в организме серы, при избытке ртути наступает паралич и т.д. Принцип, которого придерживались все ятрохимики, состоял в том, что медицина есть дело химии, и все зависит от способности врача выделять чистые начала из нечистых субстанций. В рамках этой схемы все функции организма сводились к химическим процессам, и задача алхимика заключалась в нахождении и приготовлении химических веществ для медицинских нужд.
Основными представителями ятрохимического направления были Ян Гельмонт, по профессии врач; Франциск Сильвий, пользовавшийся как медик большой славой и устранивший из ятрохимического учения «духовные» начала; Андреас Либавий, врач из Ротенбурга.
Их исследования во многом способствовали формированию химии как самостоятельной науки.
Механистическая философия. С уменьшением влияния ятрохимии натурфилософы вновь обратились к учениям древних о природе. На первый план в 17 в. вышли атомистические воззрения. Одним из виднейших ученых – авторов корпускулярной теории – был философ и математик Рене Декарт. Свои взгляды он изложил в 1637 в сочинении Рассуждение о методе. Декарт полагал, что все тела «состоят из многочисленных мелких частиц различной формы и размеров, которые не настолько точно прилегают друг к другу, чтобы вокруг них не оставалось промежутков; эти промежутки не пустые, а наполнены... разреженной материей». Свои «маленькие частички» Декарт не считал атомами, т.е. неделимыми; он стоял на точке зрения бесконечной делимости материи и отрицал существование пустоты.
Одним из виднейших противников Декарта был французский физик и философ Пьер Гассенди.
Атомистика Гассенди была по существу пересказом учения Эпикура, однако, в отличие от последнего, Гассенди признавал сотворение атомов Богом; он считал, что Бог создал определенное число неделимых и непроницаемых атомов, из которых и состоят все тела; между атомами должна быть абсолютная пустота.
В развитии химии 17 в. особая роль принадлежит ирландскому ученому Роберту Бойлю. Бойль не принимал утверждения древних философов, считавших, что элементы мироздания можно установить умозрительно; это и нашло отражение в названии его книги Химик-скептик. Будучи сторонником экспериментального подхода к определению химических элементов, он не знал о существовании реальных элементов, хотя один из них – фосфор – едва не открыл сам. Обычно Бойлю приписывают заслугу введения в химию термина «анализ». В своих опытах по качественному анализу он применял различные индикаторы, ввел понятие химического сродства. Основываясь на трудах Галилео Галилея Эванджелиста Торричелли, а также Отто Герике, демонстрировавшего в 1654 «магдебургские полушария», Бойль описал сконструированный им воздушный насос и опыты по определению упругости воздуха при помощи U-образной трубки. В результате этих опытов был сформулирован известный закон об обратной пропорциональности объема и давления воздуха. В 1668 Бойль стал деятельным членом только что организованного Лондонского королевского общества, а в 1680 был избран его президентом.
Биохимия. Эта научная дисциплина, занимающаяся изучением химических свойств биологических веществ, сначала была одним из разделов органической химии. В самостоятельную область она выделилась в последнее десятилетие 19 в. в результате исследований химических свойств веществ растительного и животного происхождения. Одним из первых биохимиков был немецкий ученый Эмиль Фишер. Он синтезировал такие вещества, как кофеин, фенобарбитал, глюкоза, многие углеводороды, внес большой вклад в науку о ферментах – белковых катализаторах, впервые выделенных в 1878. Формированию биохимии как науки способствовало создание новых аналитических методов.
В 1923 шведский химик Теодор Сведберг сконструировал ультрацентрифугу и разработал седиментационный метод определения молекулярной массы макромолекул, главным образом белков. Ассистент Сведберга Арне Тизелиус в том же году создал метод электрофореза – более совершенный метод разделения гигантских молекул, основанный на различии в скорости миграции заряженных молекул в электрическом поле. В начале 20 в. русский химик Михаил Семенович Цвет описал метод разделения растительных пигментов при прохождении их смеси через трубку, заполненную адсорбентом. Метод был назван хроматографией.
В 1944 английские химики Арчер Мартини Ричард Синг предложили новый вариант метода: они заменили трубку с адсорбентом на фильтровальную бумагу. Так появилась бумажная хроматография – один из самых распространенных в химии, биологии и медицине аналитических методов, с помощью которого в конце 1940-х – начале 1950-х годов удалось проанализировать смеси аминокислот, получающиеся при расщеплении разных белков, и определить состав белков. В результате кропотливых исследований был установлен порядок расположения аминокислот в молекуле инсулина, а к 1964 этот белок удалось синтезировать. Сейчас методами биохимического синтеза получают многие гормоны, лекарственные средства, витамины.
Квантовая химия. Для того, чтобы объяснить устойчивость атома, Нильс Бор соединил в своей модели классические и квантовые представления о движении электрона. Однако искусственность такого соединения была очевидна с самого начала. Развитие квантовой теории привело к изменению классических представлений о структуре материи, движении, причинности, пространстве, времени и т.д., что способствовало коренному преобразованию картины мира.
В конце 20-х – начале 30-х годов XX века на основе квантовой теории формируются принципиально новые представления о строении атома и природе химической связи.
После создания Альбертом Эйнштейном фотонной теории света (1905) и выведения им статистических законов электронных переходов в атоме (1917) в физике обостряется проблема волна-частица.
Если в XVIII-XIX веках имелись расхождения между различными учеными, которые для объяснения одних и тех же явлений в оптике привлекали либо волновую, либо корпускулярную теорию, то теперь противоречие приобрело принципиальный характер: одни явления интерпретировались с волновых позиций, а другие – с корпускулярных. Разрешение этого противоречия предложил в 1924 г. французский физик Луи Виктор Пьер Раймон де Бройль, приписавший волновые свойства частице.
Исходя из идеи де Бройля о волнах материи, немецкий физик Эрвин Шрёдингер в 1926 г. вывел основное уравнение т.н. волновой механики, содержащее волновую функцию и позволяющее определить возможные состояния квантовой системы и их изменение во времени. Шредингер дал общее правило преобразования классических уравнений в волновые. В рамках волновой механики атом можно было представить в виде ядра, окруженного стационарной волной материи. Волновая функция определяла плотность вероятности нахождения электрона в данной точке.
В том же 1926 г. другой немецкий физик Вернер Гейзенберг разрабатывает свой вариант квантовой теории атома в виде матричной механики, отталкиваясь при этом от сформулированного Бором принципа соответствия.
Согласно принципу соответствия, законы квантовой физики должны переходить в классические законы, когда квантовая дискретность стремится к нулю при увеличении квантового числа. В более общем виде принцип соответствия можно сформулировать следующим образом: новая теория, которая претендует на более широкую область применимости по сравнению со старой, должна включать в себя последнюю как частный случай. Квантовая механика Гейзенберга позволяла объяснить существование стационарных квантованных энергетических состояний и рассчитать энергетические уровни различных систем.
Фридрих Хунд, Роберт Сандерсон Малликен и Джон Эдвард Леннард-Джонс в 1929 г. создают основы метода молекулярных орбиталей. В основу ММО заложено представление о полной потере индивидуальности атомов, соединившихся в молекулу. Молекула, таким образом, состоит не из атомов, а представляет собой новую систему, образованную несколькими атомными ядрами и движущимися в их поле электронами. Хундом создаётся также современная классификация химических связей; в 1931 г. он приходит к выводу о существовании двух основных типов химических связей – простой, или?-связи, и?-связи. Эрих Хюккель распространяет метод МО на органические соединения, сформулировав в 1931 г. правило ароматической стабильности (4n+2), устанавливающее принадлежность вещества к ароматическому ряду.
Таким образом, в квантовой химии сразу выделяются два различных подхода к пониманию химической связи: метод молекулярных орбиталей и метод валентных связей.
Благодаря квантовой механике к 30-м годам XX века в основном был выяснен способ образования связи между атомами. Кроме того, в рамках квантово-механического подхода получило корректную физическую интерпретацию менделеевское учение о периодичности.
Вероятно, наиболее важным этапом в развитии современной химии было создание различных исследовательских центров, занимавшихся, помимо фундаментальных, также прикладными исследованиями.
В начале 20 в. ряд промышленных корпораций создали первые промышленные исследовательские лаборатории. В США была основана химическая лаборатория «Дюпон», лаборатория фирмы «Белл». После открытия и синтеза в 1940-х годах пенициллина, а затем и других антибиотиков появились крупные фармацевтические фирмы, в которых работали профессиональные химики. Большое прикладное значение имели работы в области химии высокомолекулярных соединений.
Одним из ее основоположников был немецкий химик Герман Штаудингер, разработавший теорию строения полимеров. Интенсивные поиски способов получения линейных полимеров привели в 1953 к синтезу полиэтилена, а затем других полимеров с заданными свойствами. Сегодня производство полимеров – крупнейшая отрасль химической промышленности.
Не все достижения химии оказались благом для человека. При производстве красок, мыла, текстиля использовали соляную кислоту и серу, представлявшие большую опасность для окружающей среды. В 21 в. производство многих органических и неорганических материалов увеличится за счет вторичной переработки использованных веществ, а также за счет переработки химических отходов, которые представляют опасность для здоровья человека и окружающей среды.
Заключение
К середине 30-х годов XX века химическая теория приобретает вполне современный вид. Хотя основные концепции химии в дальнейшем стремительно развивались, принципиальных изменений в теории больше не происходило.
Установление делимости атома, квантовой природы излучения, создание теории относительности и квантовой механики представляли собой революционный переворот в понимании окружающих человека физических явлений. Этот переворот коснулся прежде всего микро- и мегамира, что к химии в классическом смысле, казалось бы, не имеет прямого отношения. Однако в этом и заключается одна из особенностей химии XX века: для понимания причин, которыми обусловлены фундаментальные химические законы, потребовалось выйти за пределы предмета химии. Ныне теоретическая химия в значительной степени представляет собой физику, "адаптированную" для решения химических задач. В значительной степени именно достижения физики сделали возможными огромные успехи теоретической и прикладной химии в XX столетии.
Объём химических знаний стал настолько велик, что составление краткого, в несколько страниц, очерка новейшей истории химии представляет собой сложнейшую задачу, взяться за которую автор настоящей работы не считает для себя возможным.
Еще одной особенностью химии в ХХ веке стало появление большого числа новых аналитических методов, прежде всего физических и физико-химических. Широкое распространение получили рентгеновская, электронная и инфракрасная спектроскопия, магнетохимия и масс-спектрометрия, спектроскопия ЭПР и ЯМР, рентгеноструктурный анализ и т.п.; список используемых методов чрезвычайно обширен. Новые данные, полученные с помощью физико-химических методов, заставили пересмотреть целый ряд фундаментальных понятий и представлений химии. Сегодня ни одно химическое исследование не обходится без привлечения физических методов, которые позволяют определять состав исследуемых объектов, устанавливать мельчайшие детали строения молекул, отслеживать протекание сложнейших химических процессов.
Для современной химии также стало очень характерным всё более тесное взаимодействие с другими естественными науками. Физическая и биологическая химия стали важнейшими разделами химии наряду с классическими – неорганической, органической и аналитической. Пожалуй, именно биохимия со второй половины ХХ столетия занимает лидирующее положение в естествознании.
Список литературы
2. Джуа М. История химии. – М.: Мир, 1996.
3. Рабинович В.Л. Алхимия как феномен средневековой культуры. М., 1979. Ч. 1. Гл. 1.
5. Соловьев Ю.И., Трифонов Д.Н., Шамин А.Н. История химии. Развитие основных направлений современной химии. – М.: Просвещение, 1984.
Азимов А. Краткая история химии. Развитие идей и представлений в химии. – М.: Мир, 1983.
Азимов А. Краткая история химии. Развитие идей и представлений в химии. – М.: Мир, 1983.
Соловьев Ю.И. История химии. Развитие химии с древнейших времён до конца XIX века. – М.: Просвещение, 1983.
Соловьев Ю.И. История химии. Развитие химии с древнейших времён до конца XIX века. – М.: Просвещение, 1983.
Фигуровский Н.А. История химии. – М.: Просвещение, 1979.
Рабинович В.Л. Алхимия как феномен средневековой культуры. М., 1979. Ч. 1. Гл. 1.
Фигуровский Н.А. История химии. – М.: Просвещение, 1979.
Фигуровский Н.А. История химии. – М.: Просвещение, 1979.
Фигуровский Н.А. История химии. – М.: Просвещение, 1979.
Азимов А. Краткая история химии. Развитие идей и представлений в химии. – М.: Мир, 1983.
Азимов А. Краткая история химии. Развитие идей и представлений в химии. – М.: Мир, 1983.
Фигуровский Н.А. История химии. – М.: Просвещение, 1979.
Соловьев Ю.И. История химии. Развитие химии с древнейших времён до конца XIX века. – М.: Просвещение, 1983.
Соловьев Ю.И. История химии. Развитие химии с древнейших времён до конца XIX века. – М.: Просвещение, 1983.
Азимов А. Краткая история химии. Развитие идей и представлений в химии. – М.: Мир, 1983.
Азимов А. Краткая история химии. Развитие идей и представлений в химии. – М.: Мир, 1983.
Азимов А. Краткая история химии. Развитие идей и представлений в химии. – М.: Мир, 1983.