Введение
Практически ежедневно каждый человек может наблюдать, как те или иные вещества подвергаются различным изменениям: железный предмет под воздействием влаги покрывается ржавчиной, опавшие листья постепенно истлевают, превращаясь в перегной и т.д. Результат этих изменений – появление новых веществ с совершенно иными свойствами. Такого рода процессы называются химическими явлениями, при которых из одних веществ образуются другие, новые вещества, а наука, изучающая превращения веществ, называется химией.
Химия - одна из важнейших и обширных областей естествознания. Это наука о веществах, их свойствах, строении и превращениях, происходящих в результате химических реакций, а также фундаментальных законах, которым эти превращения подчиняются. Поскольку все вещества состоят из атомов, которые благодаря химическим связям способны формировать молекулы, то химия занимается в основном изучением взаимодействий между атомами и молекулами, полученными в результате таких взаимодействий.
Химия, как никакая другая наука, является одновременно и наукой, и производством. Химия всегда была нужна человечеству для того, чтобы получать из природных веществ материалы с необходимыми для повседневной жизни и производства свойствами. Поэтому все химические знания, приобретённые за многие столетия и представленные в виде теорий, законов, методов, технологий, объединяет одна-единственная непреходящая, главная задача химии - получение веществ с заданными свойствами. Но это – производственная задача, и, чтобы её реализовать, нужно уметь из одних веществ производить другие, т.е. осуществлять качественные превращения веществ. А поскольку качество – это совокупность свойств вещества, то необходимо знать, от чего зависят эти свойства. Иначе говоря, чтобы решить названную производственную задачу, химия должна справиться с теоретической проблемой генезиса (происхождения) свойств вещества.
Таким образом, основанием химии выступает основная двуединая проблема – получение веществ с заданными свойствами (на достижение её направлена производственная деятельность человека) и выявление способов управления свойствами вещества (на реализацию этой задачи направлена научно-исследовательская работа учёных).
Главная цель данного реферата – это рассказать, как появилась и как развивалась на протяжении всего человечества наука химия.
В реферате прослеживается развитие химии от самых ее истоков, с тех времен, когда человек учился добывать и поддерживать огонь и выплавлять с его помощью металлы из руд, далее через эпоху античности и средние века до нашего времени – периода торжества химической науки и технологии.
1. Предалхимический период: до III в.
В предалхимическом периоде теоретический и практический аспекты
знаний о веществе развивались относительно независимо друг от друга.
Практические операции с веществом являлись прерогативой ремесленной
химии. Начало её зарождения следует в первую очередь связывать, видимо, с появлением и развитием металлургии. В античную эпоху были известны в чистом виде семь металлов: медь, свинец, олово, железо, золото, серебро и ртуть, а в виде сплавов - ещё и мышьяк, цинк и висмут. Помимо металлургии, накопление практических знаний происходило и в других областях, таких как производство керамики и стекла, крашение тканей и дубление кож, изготовление лекарственных средств и косметики. Именно на основе успехов и достижений практической химии древности происходило развитие химических знаний в последующие эпохи.
Попытки теоретического осмысления проблемы происхождения свойств вещества привели к формированию в античной греческой натурфилософии учения об элементах-стихиях (вода, дерево, огонь, земля и металл). Наибольшее влияние на дальнейшее развитие науки оказали учения Эмпедокла, Платона и Аристотеля. Согласно этим концепциям все вещества образованы сочетанием четырёх первоначал: земли, воды, воздуха и огня. Сами элементы при этом способны к взаимопревращениям, поскольку каждый из них, согласно Аристотелю, представляет собой одно из состояний единой первоматерии - определённое сочетание качеств. Положение о возможности превращения одного элемента в другой стало позднее основой алхимической идеи о возможности взаимных превращений металлов (трансмутации). Практически одновременно с учением об элементах-стихиях в Греции возник и атомизм, основателями которого стали Левкипп и Демокрит.
2. Алхимический период: III-XVII вв.
Алхимический период - это время поисков философского камня, считавшегося необходимым для осуществления трансмутации металлов. Алхимическая теория, основанная на античных представлениях о четырёх элементах, была тесно переплетена с астрологией и мистикой. Наряду с химико-техническим «златоделием» эта эпоха примечательна также и созданием уникальной системы мистической философии. Алхимический период, в свою очередь, разделяется на три подпериода: александрийскую (греко-египетскую), арабскую и европейскую алхимию.
2.1 Александрийская алхимия
В Александрии произошло соединение теории (натурфилософии Платона и Аристотеля) и практических знаний о веществах, их свойствах и превращениях; из этого соединения и родилась новая наука - химия. Само слово «химия» обычно считается происходящим от древнего названия Египта - Кем или Хем; изначально слово, по-видимому, должно было означать нечто вроде «египетского искусства». Иногда термин производят от греческого χυμος - сок или χυμενσιζ - литьё. Основными объектами изучения александрийской химии являлись металлы. В александрийский период сформировалась традиционная металлопланетная символика алхимии, в которой каждому из семи известных тогда металлов сопоставлялась соответствующая планета: серебру - Луна, ртути - Меркурий, меди - Венера, золоту - Солнце, железу - Марс, олову - Юпитер, свинцу - Сатурн. Небесным покровителем химии в Александрии стал египетский бог Тот или его греческий аналог Гермес.
Среди значительных представителей греко-египетской алхимии, имя которых дошло до наших дней, можно отметить Болоса Демокритоса, Зосима Панополита, Олимпиодора. Написанная Болосом книга «Физика и мистика» (ок. 200 лет до н. э.) состоит из четырёх частей, посвящённых золоту, серебру, драгоценным камням и пурпуру. Болос впервые высказал идею трансмутации металлов - превращения одного металла в другой (прежде всего неблагородных металлов в золото), ставшую основной задачей всего алхимического периода. Зосим в своей энциклопедии (III в.) определил khemeia как искусство делания золота и серебра, описал «тетрасомату» - стадии процесса приготовления искусственного золота; особо он указывал на запрет разглашения тайн этого искусства.
От александрийского периода осталось также и множество герметических текстов, представлявших собой попытку философско-мистического объяснения превращений веществ, среди которых знаменитая «Изумрудная скрижаль» Гермеса Трисмегиста.
К числу несомненных практических достижений греко-египетских алхимиков следует отнести открытие явления амальгамирования металлов. Амальгама золота стала применяться для позолоты. Александрийскими учёными был усовершенствован способ извлечения золота и серебра из руд, для чего широко применялась ртуть, получаемая из киновари или каломели. Помимо практического значения, уникальная способность ртути образовывать амальгаму способствовала появлению представления о ртути, как об особом, «первичном» металле. Алхимиками был разработан также способ очистки золота купелированием - нагреванием руды со свинцом и селитрой.
2.2 Арабская алхимия
Теоретической основой арабской алхимии по-прежнему являлось учение Аристотеля. Однако развитие алхимической практики потребовало создания новой теории, основанной на химических свойствах веществ. Джабир ибн Хайян (Гебер) в конце VIII века разработал ртутно-серную теорию происхождения металлов, согласно которой металлы образованы двумя принципами: Ртутью (принцип металличности) и Серой (принцип горючести). Для образования золота - совершенного металла, помимо Ртути и Серы необходимо наличие некоторой субстанции, которую Джабир называл эликсиром (al-iksir, от греческого ξεριον, то есть «сухой»). Проблема трансмутации, таким образом, в рамках ртутно-серной теории свелась к задаче выделения эликсира, иначе называемого философским камнем (Lapis Philosophorum). Эликсир, как считалось, должен был обладать ещё многими магическими свойствами - исцелять все болезни, и, возможно, давать бессмертие.
Ртутно-серная теория составила теоретическую основу алхимии на несколько последующих столетий. В начале X века другой выдающийся алхимик - Ар-Рази (Разес), - усовершенствовал теорию, добавив к Ртути и Сере принцип твёрдости (хрупкости), или философскую Соль.
Арабская алхимия, в отличие от александрийской, была вполне рациональна; мистические элементы в ней представляли собой скорее дань традиции. Помимо формирования основной теории алхимии, во время арабского этапа был разработан понятийный аппарат, лабораторная техника и методика эксперимента. Арабские алхимики добились несомненных практических успехов - ими выделены сурьма, мышьяк и, по-видимому, фосфор, получены уксусная кислота и разбавленные растворы минеральных кислот. Важной заслугой арабских алхимиков стало создание рациональной фармации, развившей традиции античной медицины.
2.3Европейская алхимия
Научные воззрения арабов проникли в средневековую Европу в XIII веке. Работы арабских алхимиков были переведены на латынь, а затем и на другие европейские языки.
Среди крупнейших алхимиков европейского этапа можно отметить Альберта Великого, Роджера Бэкона, Арнальдо де Вилланову, Раймунда Луллия, Василия Валентина. Р. Бэкон определил алхимию следующим образом: «Алхимия есть наука о том, как приготовить некий состав, или эликсир, который, если его прибавить к металлам неблагородным, превратит их в совершенные металлы».
В Европе в мифологию и символику алхимии были внедрены элементы христианской мифологии (Петрус Бонус, Николай Фламель); в целом для европейской алхимии мистические элементы оказались значительно более характерны, нежели для арабской. Мистицизм и закрытость европейской алхимии породили значительное число мошенников от алхимии; уже Данте Алигьери в «Божественной комедии» поместил в восьмой круг Ада тех, кто «алхимией подделывал металлы». Характерной чертой европейской алхимии стало её двусмысленное положение в обществе. Как церковные, так и светские власти неоднократно запрещали занятия алхимией; в то же время алхимия процветала и в монастырях, и при королевских дворах.
К началу XIV века европейская алхимия добилась первых значительных успехов, сумев превзойти арабов в постижении свойств вещества. В 1270 году итальянский алхимик Бонавентура, в одной из попыток получения универсального растворителя получил раствор нашатыря в азотной кислоте (aqua fortis), который оказался способным растворять золото, царя металлов (отсюда и название - aqua Regis, то есть царская водка). Псевдо-Гебер - один из самых значительных средневековых европейских алхимиков, работавший в Испании в XIV веке и подписывавший свои сочинения именем Гебера, - подробно описал концентрированные минеральные кислоты (серную и азотную). Использование этих кислот в алхимической практике привело существенному росту знаний алхимиков о веществе.
В середине XIII века в Европе началась выделка пороха; первым его (не позже 1249) описал Р. Бэкон (часто упоминаемого монаха Б. Шварца можно считать основоположником порохового дела в Германии). Появление огнестрельного оружия стало сильнейшим стимулом для развития алхимии и её тесного переплетения с ремесленной химией.
2.4 Техническая химия и ятрохимия
Начиная с эпохи Возрождения, в связи c развитием производства всё большее значение в алхимии стало приобретать производственное и вообще практическое направление: металлургия, изготовление керамики, стекла и красок. В первой половине XVI века в алхимии выделились рациональные течения: техническая химия, начало которой положили работы В. Бирингуччо, Г. Агриколы и Б. Палисси, и ятрохимия, основателем которой стал Парацельс.
Бирингуччо и Агрикола видели задачу алхимии в поисках способов совершенствования химической технологии; в своих трудах они стремились к максимально ясному, полному и достоверному описанию опытных данных и технологических процессов.
Парацельс утверждал, что задача алхимии - изготовление лекарств; при этом медицина Парацельса основывалась на ртутно-серной теории. Он считал, что в здоровом организме три принципа - Ртуть, Сера и Соль, - находятся в равновесии; болезнь представляет нарушение равновесия между принципами. Для его восстановления Парацельс ввёл в практику лекарственные препараты минерального происхождения - соединения мышьяка, сурьмы, свинца, ртути и т. п., - в дополнение к традиционным растительным препаратам.
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 (притяжения) и ненависти (отталкивания). 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 ).
Алхимия.
Алхимия – искусство совершенствования вещества через превращение металлов в золото и совершенствования человека путем создания эликсира жизни. Стремясь к достижению самой привлекательной для них цели – созданию неисчислимых богатств, – алхимики разрешили многие практические задачи, открыли множество новых процессов, наблюдали разнообразные реакции, способствуя становлению новой науки – химии.
Эллинистический период.
Колыбелью алхимии был Египет. Египтяне блестяще владели прикладной химией, которая, однако, не была выделена в самостоятельную область знания, а входила в «священное тайное искусство» жрецов. Как отдельная область знания алхимия появилась на рубеже 2 и 3 в. н.э. После смерти Александра Македонского его империя распалась, но влияние греков распространялось на обширные территории Ближнего и Среднего Востока. Особенно бурного расцвета алхимия достигла в 100–300 н.э. в Александрии.
Примерно в 300 н.э. египтянин Зосима написал энциклопедию – 28 книг, охватывавших все знания по алхимии за предыдущие 5–6 вв., в частности сведения о взаимопревращениях (трансмутациях) веществ.
Алхимия в арабском мире.
Завоевав Египет в 7 в., арабы усвоили греко-восточную культуру, сохранявшуюся в течение веков александрийской школой. Подражая древним властителям, халифы начали покровительствовать наукам, и в 7–9 вв. появились первые химики.
Самым талантливым и прославленным арабским алхимиком был Джабир ибн Хайян (конец 8 в.), позднее ставший известным в Европе под именем Гебер. Джабир полагал, что сера и ртуть являются двумя противоположными началами, из которых образуются семь других металлов; труднее всего образуется золото: для этого нужно особое вещество, которое греки называли xerion – «сухой», а арабы изменили на al-iksir (так появилось слово «эликсир»). Эликсир должен был обладать и другими чудесными свойствами: излечивать от всех болезней и давать бессмертие. Другой арабский алхимик, ар-Рази (ок. 865–925) (в Европе известен под именем Разес) занимался также медициной. Так, он описал методику приготовления гипса и способа наложения повязки на место перелома. Однако самым знаменитым врачом был бухарец Ибн Сина , известный также под именем Авиценна. Его сочинения служили руководством для врачей в течение многих веков.
Алхимия в Западной Европе.
Научные воззрения арабов проникли в средневековую Европу в 12 в. через Северную Африку, Сицилию и Испанию. Работы арабских алхимиков были переведены на латынь, а затем и на другие европейские языки. Вначале алхимия в Европе опиралась на работы таких корифеев, как Джабир, но спустя три столетия вновь проявился интерес к учению Аристотеля, особенно в трудах немецкого философа и теолога-доминиканца, ставшего впоследствии епископом и профессором Парижского университета, Альберта Великого и его ученика Фомы Аквинского . Убежденный в совместимости греческой и арабской науки с христианской доктриной, Альберт Великий способствовал введению их в схоластические курсы обучения. В 1250 философия Аристотеля была введена в курс преподавания в Парижском университете. Алхимическими проблемами интересовался и английский философ и естествоиспытатель, монах-францисканец Роджер Бэкон , предвосхитивший многие позднейшие открытия; он изучал свойства селитры и многих других веществ, нашел способ изготовления черного пороха. Среди других европейских алхимиков следует упомянуть Арнальдо да Вилланова (1235–1313), Раймонда Луллия (1235–1313), Василия Валентина (немецкого монаха 15–16 вв.).
Достижения алхимии.
Развитие ремесел и торговли, возвышение городов в Западной Европе 12–13 вв. сопровождались развитием науки и появлением промышленности. Рецепты алхимиков использовались в таких технологических процессах, как обработка металлов. В эти годы начинаются систематические поиски способов получения и идентификации новых веществ. Появляются рецепты производства спирта и усовершенствования процесса его перегонки. Важнейшим достижением было открытие сильных кислот – серной, азотной. Теперь европейские химики смогли осуществить многие новые реакции и получить такие вещества, как соли азотной кислоты, купорос, квасцы, соли серной и соляной кислот. Услугами алхимиков, которые нередко были искусными врачами, пользовалась высшая знать. Считалось также, что алхимики владеют тайной трансмутации обычных металлов в золото.
К концу 14 в. интерес алхимиков к превращению одних веществ в другие уступил место интересу к производству меди, латуни, уксуса, оливкового масла и различных лекарств. В 15–16 вв. опыт алхимиков все чаще использовался в горном деле и медицине.
ЗАРОЖДЕНИЕ СОВРЕМЕННОЙ ХИМИИ
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 (1493–1541). Под таким выбранным им самим именем («превосходящий Цельса») 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 (Вселенной) и связаны с микрокосмом (человеком), 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 (1577–1644), по профессии врач; Франциск Сильвий (1614–1672), пользовавшийся как медик большой славой и устранивший из ятрохимического учения «духовные» начала; Андреас Либавий (ок. 1550–1616), 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 (корпускулярные) 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 (который в конечном счете и был принят), 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.
Техническая химия.
Научные успехи и открытия не могли не повлиять на техническую химию, элементы которой можно найти в 15–17 вв. В середине 15 в. была разработана технология воздуходувных горнов. Нужды военной промышленности стимулировали работы по усовершенствованию технологии производства пороха. В течение 16 в. удвоилось производство золота и в девять раз возросло производство серебра. Выходят фундаментальные труды по производству металлов и различных материалов, используемых в строительстве, при изготовлении стекла, крашении тканей, для сохранения пищевых продуктов, выделки кож. С расширением потребления спиртных напитков совершенствуются методы перегонки, конструируются новые перегонные аппараты. Появляются многочисленные производственные лаборатории, прежде всего металлургические. Среди химиков-технологов того времени можно упомянуть Ванноччо Бирингуччо (1480–1539), чей классический труд О пиротехнике был напечатан в Венеции в 1540 и содержал 10 книг, в которых речь шла о рудниках, испытании минералов, приготовлении металлов, перегонке, военном искусстве и фейерверках. Другой известный трактат, О горном деле и металлургии , был написан Георгом Агриколой (1494–1555). Следует упомянуть также об Иоганне Глаубере (1604–1670), голландском химике, создателе глауберовой соли.
ВОСЕМНАДЦАТЫЙ ВЕК
Химия как научная дисциплина.
С 1670 по 1800 химия получила официальный статус в учебных планах ведущих университетов наряду с натурфилософией и медициной. В 1675 появился учебник Николя Лемери (1645–1715) Курс химии , завоевавший огромную популярность, в свет вышло 13 его французских изданий, а кроме того, он был переведен на латинский и многие другие европейские языки. В 18 в. в Европе создаются научные химические общества и большое количество научных институтов; проводимые в них исследования тесно связаны с социальными и экономическими потребностями общества. Появляются химики-практики, занимающиеся изготовлением приборов и получением веществ для промышленности.
Теория флогистона.
В сочинениях химиков второй половины 17 в. большое внимание уделялось толкованиям процесса горения. По представлениям древних греков, все, что способно гореть, содержит в себе элемент огня, который высвобождается при соответствующих условиях. В 1669 немецкий химик Иоганн Иоахим Бехер попытался дать рационалистическое объяснение горючести. Он предположил, что твердые вещества состоят из трех видов «земли», и один из видов, названный им «жирной землей», принял за «принцип горючести».
Последователь Бехера немецкий химик и врач Георг Эрнст Шталь трансформировал концепцию «жирной земли» в обобщенную доктрину флогистона – «начала горючести». Согласно Шталю, флогистон – это некая субстанция, содержащаяся во всех горючих веществах и высвобождающаяся при горении. Шталь утверждал, что ржавление металлов подобно горению дерева. Металлы содержат флогистон, а ржавчина (окалина) уже не содержит флогистона. Это давало приемлемое объяснение и процессу превращения руд в металлы: руда, содержание флогистона в которой незначительно, нагревается на древесном угле, богатом флогистоном, и последний переходит в руду. Уголь же превращается в золу, а руда – в металл, богатый флогистоном. К 1780 теория флогистона была принята химиками почти повсеместно, хотя и не отвечала на очень важный вопрос: почему железо при ржавлении становится тяжелее, хотя флогистон из него улетучивается? Химикам 18 в. это противоречие не казалось столь важным; главное, по их мнению, было объяснить причины изменения внешнего вида веществ.
В 18 в. работало много химиков, чья научная деятельность не укладывается в обычные схемы рассмотрения этапов и направлений развития науки, и среди них особое место принадлежит русскому ученому-энциклопедисту, поэту, поборнику просвещения Михаилу Васильевичу Ломоносову (1711–1765). Своими открытиями Ломоносов обогатил почти все области знания, и многие его идеи более чем на сто лет опередили науку того времени. В 1756 Ломоносов провел знаменитые опыты по обжиганию металлов в закрытом сосуде, которые дали неоспоримое доказательство сохранения вещества при химических реакциях и роли воздуха в процессах горения: наблюдаемое увеличение веса при обжигании металлов еще до Лавуазье он объяснял соединением их с воздухом. В противоположность господствовавшим представлениям о теплороде он утверждал, что тепловые явления обусловлены механическим движением материальных частиц. Упругость газов он объяснял движением частиц. Ломоносов разграничивал понятия «корпускула» (молекула) и «элемент» (атом), что получило всеобщее признание лишь в середине 19 в. Ломоносов сформулировал принцип сохранения материи и движения, исключил флогистон из числа химических агентов, заложил основы физической химии, создал при Петербургской АН в 1748 химическую лабораторию, в которой проводились не только научные работы, но и практические занятия студентов. Обширные исследования проводил он в смежных с химией областях знания – физике, геологии и др.
Пневматическая химия.
Недостатки теории флогистона наиболее ясно выявились в период развития т.н. пневматической химии. Крупнейшим представителем этого направления был Р.Бойль: он не только открыл газовый закон, носящий теперь его имя, но и сконструировал аппараты для собирания воздуха. Химики получили важнейшее средство для выделения, идентификации и изучения различных «воздухов». Важным шагом было изобретение английским химиком Стивеном Хейлзом (1677–1761) «пневматической ванны» в начале 18 в. – прибора для улавливания газов, выделяющихся при нагревании вещества, в сосуд с водой, опущенный вверх дном в ванну с водой. Позже Хейлз и Генри Кавендиш установили существование неких газов («воздухов»), отличающихся по своим свойствам от обычного воздуха. В 1766 Кавендиш систематически исследовал газ, образующийся при взаимодействии кислот с некоторыми металлами, позже названный водородом. Большой вклад в изучение газов внес шотландский химик Джозеф Блэк .Он занялся исследованием газов, выделяющихся при действии кислот на щелочи. Блэк установил, что минерал карбонат кальция при нагревании разлагается с выделением газа и образует известь (оксид кальция). Выделившийся газ (углекислый газ – Блэк назвал его «связанным воздухом») можно было вновь соединить с известью и получить карбонат кальция. Среди прочего, это открытие устанавливало неразрывность связей между твердыми и газообразными веществами.
Химическая революция.
Больших успехов в выделении газов и изучении их свойств достиг Джозеф Пристли – протестантский священник, увлеченно занимавшийся химией. Близ Лидса (Англия), где он служил, находился пивоваренный завод, откуда можно было получать в больших количествах «связанный воздух» (теперь мы знаем, что это был диоксид углерода) для проведения опытов. Пристли обнаружил, что газы могут растворяться в воде, и попытался собирать их не над водой, а над ртутью. Так он сумел собрать и изучить оксид азота, аммиак, хлороводород, диоксид серы (конечно, это их современные названия). В 1774 Пристли сделал самое важное свое открытие: он выделил газ, в котором вещества горели особенно ярко. Будучи сторонником теории флогистона, он назвал этот газ «дефлогистированным воздухом». Газ, открытый Пристли, казался антиподом «флогистированного воздуха» (азота), выделенного в 1772 английским химиком Даниэлом Резерфордом (1749–1819). В «флогистированном воздухе» мыши умирали, а в «дефлогистированном» были весьма активным. (Следует отметить, что свойства газа, выделенного Пристли, еще в 1771 описал шведский химик Карл Вильгельм Шееле , но его сообщение по небрежности издателя появилось в печати лишь в 1777.) Великий французский химик Антуан Лоран Лавуазье сразу же оценил значение открытия Пристли. В 1775 он подготовил статью, где утверждал, что воздух не простое вещество, а смесь двух газов, один из них – «дефлогистированный воздух» Пристли, который соединяется с горящими или ржавеющими предметами, переходит из руд в древесный уголь и является необходимым для жизни. Лавуазье назвал его oxygen , кислород, т.е. «порождающий кислоты». Второй удар по теории элементов-стихий был нанесен после того, как выяснилось, что вода – это тоже не простое вещество, а продукт соединения двух газов: кислорода и водорода. Все эти открытия и теории, покончив с таинственными «стихиями», повлекли за собой рационализацию химии. На первый план вышли только те вещества, которые можно взвесить или количество которых можно измерить каким-то иным способом. В течение 80-х годов 18 в. Лавуазье в сотрудничестве с другими французскими химиками – Антуаном Франсуа де Фуркруа (1755–1809), Гитоном де Морво (1737–1816) и Клодом Луи Бертолле – разработал логическую систему химической номенклатуры; в ней было описано более 30 простых веществ с указанием их свойств. Этот труд, Метод химической номенклатуры , был опубликован в 1787.
Переворот в теоретических взглядах химиков, который произошел в конце 18 в. в результате быстрого накопления экспериментального материала в условиях господства теории флогистона (хотя и независимо от нее), обычно называют «химической революцией».
ДЕВЯТНАДЦАТЫЙ ВЕК
Состав веществ и их классификация.
Успехи Лавуазье показали, что применение количественных методов может помочь в определении химического состава веществ и выяснении законов их объединения.
Атомная теория.
Рождение физической химии.
К концу 19 в. появились первые работы, в которых систематически изучались физические свойства различных веществ (температуры кипения и плавления, растворимость, молекулярный вес). Начало таким исследованиям положили Гей-Люссак и Вант-Гофф, показавшие, что растворимость солей зависит от температуры и давления. В 1867 норвежские химики Петер Вааге (1833–1900) и Като Максимилиан Гульдберг (1836–1902) сформулировали закон действующих масс, согласно которому скорость реакций зависит от концентраций реагентов. Использованный ими математический аппарат позволил найти очень важную величину, характеризующую любую химическую реакцию, – константу скорости.
Химическая термодинамика.
Тем временем химики обратились к центральному вопросу физической химии – о влиянии теплоты на химические реакции. К середине 19 в. физики Уильям Томсон (лорд Кельвин), Людвиг Больцман и Джеймс Максвелл выработали новые взгляды на природу теплоты. Отвергая калористическую теорию Лавуазье, они представляли теплоту как результат движения. Их идеи развил Рудольф Клаузиус . Он разработал кинетическую теорию, согласно которой такие величины, как объем, давление, температура, вязкость и скорость реакций, можно рассматривать исходя из представления о непрерывном движении молекул и их столкновениях. Одновременно с Томсоном (1850) Клазиус дал первую формулировку второго начала термодинамики, ввел понятия энтропии (1865), идеального газа, длины свободного пробега молекул.
Термодинамический подход к химическим реакциям применил в своих работах Август Фридрих Горстман (1842–1929), который на основе идей Клаузиуса попытался объяснить диссоциацию солей в растворе. В 1874–1878 американский химик Джозайя Уиллард Гиббс предпринял систематическое изучение термодинамики химических реакций. Он ввел понятие свободной энергии и химического потенциала, объяснив суть закона действующих масс, применил термодинамические принципы при изучении равновесия между различными фазами при разных температуре, давлении и концентрации (правило фаз). Работы Гиббса создали фундамент современной химической термодинамики. Шведский химик Сванте Август Аррениус создал теорию ионной диссоциации, объясняющую многие электрохимические явления, и ввел понятие энергии активации. Он также разработал электрохимический метод измерения молекулярной массы растворенных веществ.
Крупным ученым, благодаря которому физическая химия была признана самостоятельной областью знаний, был немецкий химик Вильгельм Оствальд , применивший концепции Гиббса при изучении катализа. В 1886 он написал первый учебник по физической химии, а в 1887 основал (вместе с Вант-Гоффом) журнал «Физическая химия» (Zeitschrift für physikalische Chemie).
ДВАДЦАТЫЙ ВЕК
Новая структурная теория.
С развитием физических теорий о строении атомов и молекул были переосмыслены такие старые понятия, как химическое сродство и трансмутация. Возникли новые представления о строении материи.
Модель атома.
В 1896 Антуан Анри Беккерель (1852–1908) открыл явление радиоактивности, обнаружив спонтанное испускание солями урана субатомных частиц, а спустя два года супруги Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри выделили два радиоактивных элемента: полоний и радий. В последующие годы было установлено, что радиоактивные вещества испускают три вида излучения: a -частицы, b -частицы и g -лучи. Вместе с открытием Фредерика Содди , показавшим, что при радиоактивном распаде происходит превращение одних веществ в другие, все это придало новый смысл тому, что древние называли трансмутацией.
В 1897 Джозеф Джон Томсон открыл электрон, заряд которого с высокой точностью измерил в 1909 Роберт Милликен . В 1911 Эрнст Резерфорд , исходя из электронной концепции Томсона, предложил модель атома: в центре атома находится положительно заряженное ядро, а вокруг него вращаются отрицательно заряженные электроны. В 1913 Нильс Бор , используя принципы квантовой механики, показал, что электроны могут находиться не на любых, а на строго определенных орбитах. Планетарная квантовая модель атома Резерфорда – Бора заставила ученых по-новому подойти к объяснению строения и свойств химических соединений. Немецкий физик Вальтер Коссель (1888–1956) предположил, что химические свойства атома определяются числом электронов на его внешней оболочке, а образование химических связей обусловливается в основном силами электростатического взаимодействия. Американские ученые Гилберт Ньютон Льюис и Ирвинг Ленгмюр сформулировали электронную теорию химической связи. В соответствии с этими представлениями молекулы неорганических солей стабилизируются электростатическими взаимодействиями между составляющими их ионами, которые образуются при переходе электронов от одного элемента к другому (ионная связь), а молекулы органических соединений – за счет обобществления электронов (ковалентная связь). Эти идеи лежат в основе современных представлений о химической связи.
Новые методы исследования.
Все новые представления о строении вещества могли формироваться только в результате развития в 20 в. экспериментальной техники и появления новых методов исследования. Открытие в 1895 Вильгельмом Конрадом Рентгеном Х-лучей послужило основой для создания впоследствии метода рентгеновской кристаллографии, позволяющей определять структуру молекул по картине дифракции рентгеновских лучей на кристаллах. С помощью этого метода была расшифрована структура сложных органических соединений – инсулина, дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), гемоглобина и др. С созданием атомной теории появились новые мощные спектроскопические методы, дающие информацию о строении атомов и молекул. Различные биологические процессы, а также механизм химических реакций исследуются с помощью радиоизотопных меток; широкое применение радиационные методы находят и в медицине.
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 (1902–1971) 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 (1872–1919) описал метод разделения растительных пигментов при прохождении их смеси через трубку, заполненную адсорбентом. Метод был назван хроматографией. В 1944 английские химики Арчер Мартин и 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 (Фредерик Сенгер), а к 1964 этот белок удалось синтезировать. Сейчас методами биохимического синтеза получают многие гормоны, лекарственные средства, витамины.
Промышленная химия.
Вероятно, наиболее важным этапом в развитии современной химии было создание в 19 в. различных исследовательских центров, занимавшихся, помимо фундаментальных, также прикладными исследованиями. В начале 20 в. ряд промышленных корпораций создали первые промышленные исследовательские лаборатории. В США в 1903 была основана химическая лаборатория «Дюпон», а в 1925 – 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 (1881–1965), разработавший теорию строения полимеров. Интенсивные поиски способов получения линейных полимеров привели в 1953 к синтезу полиэтилена (Карл Циглер ,), а затем других полимеров с заданными свойствами. Сегодня производство полимеров – крупнейшая отрасль химической промышленности.
Не все достижения химии оказались благом для человека. В 19 в. при производстве красок, мыла, текстиля использовали соляную кислоту и серу, представлявшие большую опасность для окружающей среды. В 20 в. производство многих органических и неорганических материалов увеличилось за счет вторичной переработки использованных веществ, а также за счет переработки химических отходов, которые представляют опасность для здоровья человека и окружающей среды.
Литература:
Фигуровский Н.А. Очерк общей истории химии
. М., 1969
Джуа М. История химии
. М., 1975
Азимов А. Краткая история химии
. М., 1983
Химия, как одна из наук, изучающих явления природы, зародилась в Древнем Египте еще до нашей эры, одной из самых технически развитых стран в те времена. Первые сведения о химических превращениях люди получили, занимаясь различными ремеслами, когда красили ткани, выплавляли металл, изготавливали стекло. Тогда появились определённые приёмы и рецепты, но химия ещё не была наукой. Уже тогда химия была нужна человечеству в основном для того, чтобы получать от природы все необходимые для жизнедеятельности человека материалы - металлы, керамику, известь, цемент, стекло, красители, лекарства, драгоценные металлы и т.д. С самой древности основной задачей химии было получение веществ с необходимыми свойствами.
В Древнем Египте химия считалась божественной наукой и ее секреты тщательно оберегались жрецами. Несмотря на это, некоторые сведения просачивались за пределы страны и доходили до Европы через Византию.
В VIII веке, в завоеванных арабами европейских странах, эта наука распростаняется под названием "алхимия". Следует отметить, что в истории развития химии как науки, алхимия характеризует целую эпоху. Основной задачей алхимиков было найти "философский камень", якобы превращающий любой металл в золото. Несмотря на обширные знания, полученные в результате экспериментов, теоретические воззрения алхимиков отставали на несколько веков. Но поскольку они проводили различные опыты, им удалось сделать несколько важных практических изобретений. Стали использоваться печи, реторы, колбы, аппараты для перегонки жидкостей. Алхимики приготовили важнейшие кислоты, соли и оксиды, описали способы разложения руд и минералов. Как теорию алхимики использовали учение Аристотеля (384- 322 гг до н.э.) о четырех принципах природы (холод, тепло, сухость и влажность) и четырех элементах (земля, огонь, воздух и вода), впоследствии добавив к ним растворимость (соль), горючесть (серу) и металличность (ртуть).
В начале XVI века в алхимии начинается новая эра. Ее возникновение и развитие связано с учениями Парацельса (1493- 1541) и Агриколы (1494- 1555). Парацельс утверждал, что основной задачей химии является изготовление лекарств, а не золота и серебра. Парацельс имел большой успех, предложив лечить некоторые болезни, используя простые неорганические соединения вместо органических экстрактов. Это побудило многих врачей примкнуть к его школе и заинтересоваться химией, что послужило мощным толчком для ее развития. Агрикола же изучал горное дело и металлургию. Его труд "О металлах" более 200 лет являлся учебником по горному делу.
В XVII веке теория алхимии уже не отвечала требованиям практики. В 1661 г. Бойль выступил против господствующих в химии представлений и подверг жесточайшей критике теорию алхимиков. Он впервые определил центральный объект исследования химии: попытался дать определение химического элемента. Бойль считал, что элемент-это предел разложения вещества на составные части. Разлагая природные вещества на их составные, исследователи сделали много важных наблюдений, открыли новые элементы и соединения. Химик стали изучать, что из чего состоит.
В 1700 году Шталем была развита флогистонная теория, согласно которой все тела, способные гореть и окисляться, содержат вещество флогистон. При горении или окислении флогистон покидает тело, в чем и состоит сущность этих процессов. За время почти столетнего господства теории флогистона были открыты многие газы, изучены различные металлы, оксиды, соли. Однако, противоречивость этой теории тормозила дальнейшее развитие химии.
В 1772- 1777 годах Лавуазье, в результате проведенных им экспериментов, доказал, что процесс горения является реакцией соединения кислорода воздуха и горящего вещества. Таким образом, теория флогистона была опровергнута.
В XVIII веке химия начинает развиваться как точная наука. В начале 19 в. англичанин Дж. Дальтон ввёл понятие атомного веса. Каждый химический элемент получил свою важнейшую характеристику. Атомно-молекулярное учение стало основой теоретической химии. Благодаря этому учению Д. И. Менделеев открыл периодический закон, названный его именем, и составил периодическую таблицу элементов. В 19 в. чётко определились два основных раздела химии: органическая и неорганическая. В конце столетия в самостоятельную отрасль оформилась физическая химия. Результаты химических исследований всё шире стали использоваться в практике, а это повлекло за собой развитие химической технологии.
Химия (наука о веществах, из которых состоит материальный мир) восходит к древней алхимии. Но алхимия, тесно связанная с магией и колдовством, не была наукой в подлинном смысле этого слова. Начало истории развития химии лежит в производственных процессах обработки и приготовлении лекарств. Благодаря постоянным экспериментам химия стала настоящей наукой.
Изучение химических реакций
В 1756 г. шотландский исследователей Джозеф Блэк (1728- 1799) сделал важное открытие в области химических реакций (изменений, приводящих к образованию новых веществ). Блэк обнаружил, что при нагревании углекислого магния его вес уменьшается. Он установил, что происходит это из-за выделения газа при нагревании. Блэк назвал этот газ «пойманным воздухом». Нам он известен как двуокись углерода .
Новый газ
Джозеф Пристли (1733-1804) родился в Йоркшире (Англия). Он хотел стать священником, но увлекся научными исследованиями. Его труды принесли ему широкую известность, однако политические преследования вынудили в 1791 г. эмигрировать в США. Самое значительное свое открытие Пристли сделал в 1774 г. Он заметил, что при нагревании окиси ртути выделяется газ. Если поднести к нему свечу, пламя вспыхивает ярче. В те времена ученые полагали, что при горении вещества теряют особую субстанцию - флогистон (от греческого «пламя»). Пристли назвал открытый им газ «обесфлогисто-женным воздухом». Он думал, что при нагревании теряет флогистон. На самом деле Пристли открыл газ, который мы называем кислородом .
Основоположник современной химии
Антуан Лавуазье (1743- 1794) родился в Париже. Он изучал право, но затем увлекся наукой и работал сборщиком налогов, чтобы иметь средства для научных исследований. Сборщики налогов вызвали особую ярость у лидеров , и Лавуазье разделил участь многих французов, казненных в годы террора.
Кислород
Лавуазье провел целый ряд опытов по изучению процесса горения. Он нагревал различные вещества в воздухе, тщательно взвешивая их до и после нагревания. Оказалось, что некоторые вещества после нагревания становятся тяжелее. Лавуазье предположил, что они поглощают нечто из воздуха, и доказал, что это «нечто» — тот самый газ, который открыл Пристли. Лавуазье назвал газ кислородом. Открытие Лавуазье дало научное объяснение наблюдениям разных ученных и позволило отвергнуть теорию флогистона, которой придерживались в течение века. Его определение горения как реакции вещества с кислородом используется и в наши дни. Лавуазье первым доказал, что кислород необходим для всех видов горения, а также для дыхания животных и растений. Его труды помогли отказаться от многих устаревших взглядов, идущих ещё от алхимии.
Строительные блоки
В 1789 году Лавуазье опубликовал книгу «Методы наименования химических элементов», основанную на работах Роберта Бойля. В ней он изложил теорию (веществ, не поддающихся дальнейшему разложению) как строительных блоков химии. Лавуазье выделил 33 элемента, расположив их так, чтобы показать, как они вступают в соединения друг с другом. В книге содержалась также новая система наименования элементов на основе их химического состава. Прежде многие элементы имели запутанные названия, которые им дали алхимики.
Современная атомарная теория
Джон Долтон (1766-1844) родился в небольшой деревушке на севере Англии и посвятил всю свою жизнь науке. Его идеи позволили проникнуть в сущность фундаментального химического процесса — образования соединений. В 1808 г. он издал книгу «Новая система химической философии», содержащую два важных положения. Одно из них гласит, что все - результат соединения или деления . Важно и утверждение, что атомы разных элементов имеют разный вес.
Взаимосвязь между элементами
Дмитрий Менделеев (1834-1907) родился и вырос в Сибири, в России. Он был в семье младшим из 14 детей. Менделеев блестяще окончил Петербургский университет и вскоре стал в нем профессором химии. Он изучал взаимосвязь между различными элементами. В те времена лишь очень немногие понимали близость некоторых элементов друг к другу, что выражается в их атомном весе. Атомный вес элемента - это вес одного его атома по сравнению с весом атома . Менделеев опубликовал свою «Периодическую систему элементов» в 1869 году. В ней элементы сгруппированы по «семействам» согласно их атомным весам.
Самый легкий — водород, самый тяжелый — свинец. Менделеевская таблица показывает, как элементы связаны между собой. В своей таблице Менделеев предусмотрел и свободные клетки, соответствующие элементам, реально существующим, но тогда еще не открытым. И он оказался прав. Спустя 4 года был открыт первый такой элемент - галлий . Всего в таблицу внесено уже более 100 элементов.
Химия прошла сложный путь развития. Это древняя наука, возникшая из запросов практики.
Естественно, не известны ни время, ни место, когда человек впервые зажег огонь, стал использовать его для приготовления пищи, в гончарном производстве, для обработки металлов. Во всяком случае, к началу исторической эпохи химические знания в этих направлениях находились на высоком уровне. В древнем Египте, например, умели выплавлять из руд металлы (железо, свинец, медь, олово), получать их сплавы (например, бронзу), применяли золото, серебро, производили стекло и фарфор, гончарные изделия, краски и пигменты, парфюмерию. Химические производства существовали в древних Месопотамии, Индии и Китае.
Корни химии как науки следует искать, прежде всего, в эпоху античности. Древние Греция и Рим оказали огромное влияние на искусство, литературу, на политические, философские и религиозные взгляды всех народов Европы.
Вершина развития древнегреческой философии была достигнута в учении Аристотеля. Развивая идеи своих предшественников – Эмпедокла, Платона, он создал стройную философскую систему, в которой поднял естественнонаучное знание на качественно новую ступень. Особое внимание он уделял превращениям веществ. Каждое вещество он считал определенной комбинацией первоэлементов (атомов), определяемых на основе их чувственного восприятия. Движения, соединения и разъединения элементов (атомов) порождают все видимое многообразие во Вселенной.
Этот период развития науки о природе характеризуется полным отрывом теории от практики. Древние философы лишь наблюдали природу и ставили своей задачей ее объяснение.
Приблизительно в 300-е гг. н. э. грек Панополитанский Зосима написал энциклопедию из 28 книг, охватывающую все знания по химии. Этим моментом датируется начало следующего этапа развития химии – алхимии , который продлился вплоть до XVI в.
Наблюдая превращения одних веществ в другие и осуществляя их путем различных воздействий на вещества и их смеси, алхимики не видели препятствий для реализации любых превращений, в том числе одних металлов в другие и, в частности, в золото, получения универсального медицинского препарата – эликсира молодости и, в конечном счете, изготовления «философского камня», с помощью которого можно осуществить эти превращения.
От алхимиков современная наука унаследовала исключительно ценный метод работы – эксперимент, проверяющий гипотезу. В поисках «философского камня», обеспечивающего трансмутацию, алхимики открыли целый ряд веществ (этиловый спирт, многие соли, уксусную кислоту, серную и азотную кислоты и др.) и химических элементов (фосфор, сурьма, мышьяк, хлор и др.).
Третий период – период становления химии – охватывает XVI–XVIII вв. Изменилась цель исследования – вместо экспериментирования начинается изучение законов превращения веществ в целях использования их в практической деятельности.
В этот период развивается техническая химия, появляются научные труды, посвященные описанию на общедоступном языке химических процессов; начинается развитие химии газов – пневматической химии, связанной в первую очередь с именем Р. Бойля. Он ввел первое научное определение химического элемента как составной части вещества, которую нельзя разложить на более простые части; создал по-настоящему экспериментальный метод исследования; положил начало химическому анализу; написал первый научный трактат «Химик-скептик» (1661 г.), ставший широко известным, способствовал становлению химии как самостоятельной науки.
На рубеже XVII–XVIII вв. появилась первая общая химическая теория – теория флогистона (1697–1703 гг. 1 , Г. Э. Шталь), основанная на том положении, что чем больше тело содержит флогистона, тем более оно способно к горению.
Временем зарождения химии как точной науки условно можно считать середину XVIII в., когда М. В. Ломоносов сформулировал закон сохранения массы веществ в химических процессах и доказал его экспериментально. Он же первым высказал мысль, что при нагревании металл соединяется с «частичками воздуха». Заслуга окончательного ниспровержения теории флогистона принадлежит А. Л. Лавуазье, который выяснил и сделал очевидной для всех роль кислорода в процессах горения, внес ясность в понятия химического элемента, простого и сложного вещества и независимо от Ломоносова экспериментально установил закон сохранения массы. Лавуазье поставил химические исследования на количественную основу. Начиная с Лавуазье, химия «заговорила» на современном языке.
Четвертый этап развития химии – период атомно-молекулярного учения – охватывает конец XVIII – 60–70-е годы XIX в. и характеризуется открытием стехиометрических (количественных) законов химии: закон эквивалентов (1792–1802 гг., И. В. Рихтер); закон постоянства состава (1799–1806 гг., Ж. Л. Пруст); закон кратных отношений (1802–1808 гг., Дж. Дальтон); закон объемных отношений (1805–1808 гг., Ж. Л. Гей-Люссак); закон пропорциональности между плотностями газов или паров и молекулярными массами (1811 г., А. Авогадро); закон изоморфизма (1818–1819 гг., Э. Митчерлих); закон удельных теплоемкостей (1819 г., П. Л. Дюлонг, А. Т. Пти); законы электролиза (1834 г., М. Фарадей); закон постоянства количеств теплоты (1840 г., Г. И. Гесс); определения понятий «атом», «молекула» и создание шкалы атомных масс (1858 г., С. Канниццаро).
Следующий этап развития химии – период классической химии – начинается открытием в 1869 г. периодического закона Д. И. Менделеевым и завершается разработкой в 1913–1921 гг. теории строения атома Н. Бора – А. Зоммерфельда.
В это время также развивается понятие о валентности (1852 г., Э. Франкланд), появляются теории строения органических соединений (1861–1864 гг., А. М. Бутлеров), ароматических соединений (1865 г., Ф. А. Кекуле), комплексных соединений (1893 г., А. Вернер); закон действующих масс (1864–1867 гг., К. М. Гульдберг, П. Вааге); термохимия; теория электролитической диссоциации (1884 г., С. А. Аррениус); принцип смещения химического равновесия (1884 г., А. Л. Ле Шателье); правило фаз (1876 г., Дж. У. Гиббс) и др.
Шестой период развития химии – современный .
Успехи химии XX в. связаны с прогрессом аналитической химии и физических методов изучения веществ и воздействия на них, проникновением в механизмы реакций, с синтезом новых классов веществ и новых материалов, дифференциацией химических дисциплин и интеграцией химии с другими науками, с удовлетворением потребностей современной промышленности, техники и технологии, медицины, строительства, сельского хозяйства и других сфер человеческой деятельности в новых химических знаниях, процессах и продуктах. Успешное применение новых физических методов воздействия привело к формированию новых важных направлений химии, например, радиационной химии, плазмохимии. Вместе с химией низких температур (криохимией) и химией высоких давлений, сонохимией (наукой, изучающей химические и физико-химические эффекты, возникающие в звуковых полях), лазерной химией и др. они стали формировать новую область – химию экстремальных воздействий, играющую большую роль в получении новых материалов (например, для электроники) или старых ценных материалов сравнительно дешевым синтетическим путем (например, алмазов или нитридов металлов).
На одно из первых мест в химии выдвигаются проблемы предсказания функциональных свойств вещества на основе знания его структуры и определения структуры вещества (и его синтез), исходя из его функционального назначения. Решение этих проблем связано с развитием расчетных квантово-химических методов и новых теоретических подходов, с успехами в неорганическом и органическом синтезе. Развиваются работы по генной инженерии и по синтезу соединений с необычными строением и свойствами (например, высокотемпературные сверхпроводники, фуллерены). Все шире применяются методы, основанные на матричном синтезе, а также использующие идеи планарной технологии. Получают дальнейшее развитие методы, моделирующие биохимические реакции. Успехи спектроскопии (в том числе сканирующей туннельной) открыли перспективы «конструирования» веществ на молекулярном уровне, привели к созданию нового направления в химии – нанотехнологии. Для управления химическими процессами как в лаборатории, так и в промышленном масштабе, начинают использоваться принципы молекулярной и надмолекулярной организации ансамблей реагирующих молекул (в том числе подходы, основанные на термодинамике иерархических систем).
Развитие химической науки можно обобщить в виде схемы (рис. 1.1), на которой показано появление на определенных этапах новых концептуальных систем (относительно замкнутых систем теорий, объединенных некоей общей концепцией), определяющих дальнейший прогресс.
Рис. 1.1. Модель процесса развития химии
Учение о химических элементах и их соединениях , которое непрерывно развивается, обогащаясь, видоизменяясь, начиная с работ Р. Бойля до наших дней. Даже в наше время в некоторых областях химии категории «состав» и «свойства» остаются фундаментальными. Это учение выводит свойства вещества исходя из его состава (рис. 1.2).
Система структурных теорий, структурная химия возникла с появлением атомно-молекулярной концепции. Теперь свойства веществ (их реакционная способность) описываются не только на основе состава, но и на основе структуры вещества. Таким образом, подобно тому, как «структура» углубляет понятие «состав», так понятие «функция» (реакционная способность) углубляет понятие «свойство» (рис. 1.2).
Теории химической кинетики и химической термодинамики, учение о химических процессах. Возникновение этой концептуальной системы связано с установлением роли условий проведения химических процессов в их протекании. Эти условия – не только внешние факторы (температура, давление и др.), но и концентрации реагентов, присутствие посторонних веществ (катализаторов, ингибиторов и др.) и т. д. Другими словами, данные теории описывают поведение системы веществ исходя из организации химического процесса (рис. 1.2).
Биологическая химия и учение об эволюционном катализе – теория саморазвития (самоорганизации) химических систем (А. П. Руденко). В основе этой теории лежит представление об изменяющемся в ходе химической реакции катализаторе.
Рис. 1.2. Этапы эволюции химических знаний
