Развитие химических знаний

История развития химических знаний начинается с древних времен. Древнегреческие философы Демокрит и его последователь Эпикур – основоположники античной атомистики – высказали идею: все тела состоят из неделимых материальных частиц – атомов, имеющих разную форму и величину. Именно этими различиями они объясняли и качественные различия веществ. Натурфилософскому атомистическому учению о строении вещества противопоставлялась алхимия – донаучное направление в развитии химии, возникшее в III-IV вв. н.э. и получившее широкое распространение в Западной Европе в XI-XVI вв. Основная цель алхимии – нахождение так называемого "философского камня" для превращения неблагородных металлов в золото и серебро, получения эликсира долголетия и т.д. В эпоху Возрождения результаты химических исследований все в большей степени стали использоваться в металлургии, стеклоделии, производстве керамики и красок.

Первое научное определение химического элемента в 1661 г. сформулировал английский химик и физик Р. Бойль, положивший начало химическому анализу, основанному на экспериментальном методе.

В современном представлении химический элемент – совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Основываясь на результатах своих экспериментов, Р. Бойль сделал важный вывод: качества и свойства вещества зависят от того, из каких химических элементов оно состоит. Возникшее таким образом учение о составе вещества развивается и сегодня на качественно новом уровне.

Период превращения химии в подлинную науку завершился во второй половине XVIII в., когда первый российский ученый-естествоиспытатель М.В. Ломоносов сформулировал принцип сохранения материи и движения и исключил из числа химических агентов флогистон – невесомую материю.

Первая химическая теория – теория флогистона, согласно которой металлы (железо, медь, свинец и др.) считались сложными телами, состоящими из соответствующих элементов и универсального "невесомого тела" – флогистона, оказалась ошибочной. Выяснив роль кислорода в процессе горения, окисления и дыхания, французский химик А.Л. Лавуазье опроверг теорию флогистона.

В начале XIX в. английский химик и физик Дж. Дальтон заложил основы химической атомистики. Он впервые ввел понятие "атомный вес" и определил атомные массы (веса) ряда элементов. В 1803 г. он открыл закон кратных отношений: массы двух химических элементов в любых возможных соединениях относятся друг к другу как целые числа.

В 1811 г. итальянский физик и химик А. Авогадро ввел понятие "молекула" и выдвинул молекулярную гипотезу строения вещества. Молекула – микрочастица, образованная из атомов и способная к самостоятельному существованию. Атомно-молекулярные представления утвердились лишь в 60-х годах XIX в.

Немалая заслуга в развитии представлений о строении химических веществ принадлежит русскому ученому A.M. Бутлерову. В 1861 г. он обосновал теорию химического строения вещества, согласно которой различие веществ, обладающих одинаковым составом, можно объяснить только различием их химического строения. От химического строения зависят те реакции, в которых участвует вещество. Таким образом, в конце XIX в. ученые пришли к выводу, что свойства веществ зависят не только от входящих в них химических элементов, т.е. от состава, но и от структуры, которая определяется способом взаимодействия между этими элементами.

В 1869 г. Д.И. Менделеев открыл периодический закон химических элементов – один из фундаментальных законов естествознания. Современная формулировка данного закона такова: свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда их атомных ядер. Заряд ядра равен атомному (порядковому) номеру элементов в периодической системе Менделеева. Он стал основоположником системного подхода в химии. Попытки объединения элементов в группы предпринимались и до него, однако не были найдены причины изменений свойств вещества. Д.И. Менделеев считал, что любое точное знание составляет систему. Системный подход позволил ему в 1869 г. открыть периодический закон и разработать Периодическую систему химических элементов.

С конца XIX в. важнейшим направлением химии стало изучение закономерностей химических процессов. Число известных в природе и технике химических процессов очень велико. Одни из них, например, окисление бронзы на воздухе, протекают веками, другие – горение бензина – очень быстро. Изучением скорости и особенностей протекания химических реакций занимается химическая кинетика. Исследования показали, что химические реакции протекают тем быстрее, чем выше температура, давление и концентрация реагентов.

На скорость химических реакций влияет и присутствие веществ, которые сами в реакции участия не принимают. Это - катализаторы. Каталитическое ускорение химической реакции называется катализом и является приемом современной химической технологии (производство полимерных материалов, синтетического топлива и др.). Удельный вес каталитических процессов в химической промышленности достигает 80%. Благодаря катализу существенно повысилась эффективность экономики химической промышленности, поскольку ускорение химических реакций заметно влияет на снижение издержек производства. Таким образом, управление химическими процессами – одна из главных проблем современной химии.

Это очень перспективная и практически значимая сфера исследований, поскольку дальнейшие открытия в этой области позволяют создавать разнообразные химические соединения с заранее заданными свойствами. На сегодняшний день известно около 14 млн. химических соединений и ежегодно синтезируется до 250 новых.

По мере развития химических знаний отдельные области химии – неорганическая химия, органическая химия, физическая химия, аналитическая химия – стали в значительной степени самостоятельными отраслями естествознания. На стыке химии и других отраслей естествознания возникли, например, биохимия, агрохимия, геохимия. На законах химии базируются химические технологии, металлургия и т.п.

Наивысшим этапом развития химии, самым новым ее разделом, является эволюционная химия. Ее возникновение и самоопределение стало следствием проникновения в естествознание идей и принципов эволюционной теории. Главным предметом изучения в эволюционной химии является химогенез, который рассматривается как неотъемлемая часть эволюционных процессов на нашей планете. Эволюционная химия утверждает, что на протяжении длительного времени происходил отбор химических элементов по тем свойствам, которые давали преимущество при переходе на более высокий уровень организации материи – биологический. Химическая эволюция обеспечивала переход от химогенеза к биогенезу, поэтому понимание ее механизмов важно для прояснения проблемы происхождения жизни на Земле и процессов самоорганизации материальных систем.

В последние десятилетия благодаря открытию новых явлений и эффектов, прежде всего физических, и созданию на их основе высокочувствительных аппаратов, электронных микроскопов, спектроскопов, масс-спектрометров и др. появилась реальная возможность проводить экспериментальные химические исследования на молекулярном уровне. Такие исследования позволили раскрыть механизм многих процессов в живом организме, синтезировать не существующие в природе вещества с необычными свойствами, установить сложную структуру молекулы ДНК, расшифровать молекулярный генный механизм наследственности и др. Благодаря применению современной лазерной техники и высокочувствительных приборов удалось зарегистрировать быстропротекающие химические процессы, возможность протекания которых раньше даже не предполагалась.

Молекулярный уровень современного естествознания позволяет создавать не только сверхпрочные, сверхпроводящие и другие материалы, но и производить операции с фрагментами молекулы ДНК, изменяя ее генетический код. Сегодня уже говорят о конструировании устройств из отдельных молекул, о создании молекулярного компьютера, обладающего чрезвычайно большими возможностями.

5.3. Концептуальные системыхимических знаний

Наряду с классическими отраслями химии (органической, неорганической, аналитической, физической) появились сотни новых. Однако всю эту необозримую картину современной химии в состоянии объяснить четыре концептуальные системы химических знаний.

1. Учение о составе (1660-е гг).

2. Структурная химия (1800 –е гг.)

3. Учение о химических процессах (1950 – е гг).

4. Эволюционная химия (1970-е гг. – настоящее время)

В развитии химии происходило последовательное появление концептуальных систем, причем каждая новая возникала на основе научных достижений предыдущей, опиралась на нее и включала ее в себя в преобразованном виде.

Рассмотрим детальнее все четыре концептуальные системы химии.

5.3.1. Проблемы элементного и молекулярного состава и их решение

При исследовании состава решались три главные проблемы:

1) проблема химического элемента; 2) проблема химического соединения; 3) проблема вовлечения все большего числа химических элементов в производство новых материалов.

По отношению к этим трем проблемам все остальные, пусть даже и очень важные, носят частный характер.

1. Проблема химического элемента. Первым положил начало современному представлению о химическом элементе как о "простом теле", или как о пределе химического разложения вещества Р. Бойль.Однако химики в то время еще не знали ни одного химического элемента.

Открыв кислород и установив его роль в образовании кислот, оксидов и воды, А.Л. Лавуазье отверг господствовавшую в химии XVIII в. ложную теорию флогистона – "огненная материя", якобы содержится во всех горючих веществах и выделяется из них при горении. Он создал принципиально новую теорию химии. Лавуазье принадлежит первая в истории попытка систематизации химических элементов.

Д.И. Менделеев доказал, что показателем химического элемента является его место в Периодической системе, определяемое по атомной массе. Дальнейшие уточнения показали, что место элемента в Периодической системе оказалось не просто его порядковым номером: не атомная масса, а именно заряд ядра обеспечивает индивидуальность химического элемента.Во времена Д.И. Менделеева было известно 62 элемента, в настоящее время около 120.

2. Решение проблемы химического соединения. Проблема химического соединения до недавнего времени у химиков не вызывала споров. Было общепринято, что нужно относить к химическим соединениям, а что – к "простым телам" или смесям. Однако применение в последнее время физических методов исследования вещества открыло физическую природу химизма, которая заключается во внутренних силах, объединяющих атомы в молекулы как единую квантово-механическую систему. Этими силами являются химические связи.

В результате того, что физика открыла природу химизма как обменного взаимодействия электронов, химия стала принципиально по-новому решать и проблему химического соединения. Химическое соединение определяется как качественно определенное вещество, состоящее из одного или нескольких элементов, атомы которых за счет обменного взаимодействия (химической связи) объединены в частицы – молекулы, комплексы, монокристаллы или иные агрегаты.

3. Проблемы вовлечения новых химических элементов в производство материалов. 98,6% массы физически доступного слоя Земли составляют всего восемь химических элементов: 47,0% – кислород, 27,5% – кремний, 8,8% – алюминий, 4,6% – железо, 3,6% – кальций, 2,6% – натрий, 2,5% – калий, 2,1% – магний. Однако эти ресурсы используются неравномерно. Например, железа содержится в Земле в два раза меньше, чем алюминия. В то же время более 95% металлических изделий – конструкций, самых разнообразных машин и механизмов, транспортных путей производится из железорудного сырья.

Широкая распространенность кремния (97% массы земной коры составляют силикаты) дает основание утверждать, что силикаты должны стать основным сырьем для производства практически всех строительных материалов и полуфабрикатов при изготовлении керамики, способной конкурировать с металлами.

Металлы и керамика – два вида материалов, которые на 90% составляют материальную основу условий жизни человечества. Однако металл в производстве обходится в сотни и тысячи раз дороже, чем керамика. На основе современных достижений химии появились возможности замены металлов керамикой в различных областях человеческой деятельности.

Керамические изделия имеют плотность на 40% ниже плотности металлов, что позволяет снизить массу изготовляемых из керамики деталей. А благодаря внедрению в ее производство новых химических элементов (циркония, титана, бора, германия, хрома, молибдена, вольфрама и др.) стали получать изделия с заранее заданными специальными свойствами – огнеупорную, термостойкую, хемостойкую, высокотвердую, а также керамику с набором заданных электрофизических свойств.

Начиная с середины XX в. новые химические элементы стали использоваться и в синтезе элементоорганических соединений от алюминия до фтора. В результате появились целые области элементоорганических соединений, одну часть которых начали применять в качестве химических реагентов для лабораторных исследований, а другую – для синтеза уникальных материалов.