Роль химии в создании научной картины мира. Химическая картина мира. Этапы развития. Структурные уровни организации живой материи

Химия – наука о веществах и их превращениях, которые сопровождаются изменением состава и строения вещества. Эти процессы осуществляются на границе микро- и макромира.

Как самостоятельная наука химия начинает развиваться с середины XVII века. Научному этапу развития химии предшествовал период алхимии. Это явление культуры связывается с попытками получить «совершенные» металлы – золото и серебро – из «несовершенных» металлов с помощью гипотетического вещества – «философского камня» или эликсира. Не смотря на очевидную невозможность осуществить это превращение, алхимия стимулировала развитие химических технологий (металлургия, стеклоделие, производство керамики, бумаги, спиртных напитков) и открытие способов получения новых химических веществ.

Научный этап развития химии принято делить на четыре периода, в каждом из которых формируется концептуальная система знаний:

а) учение о составе вещества (сер. 17 – сер. 18 вв.) – изучает зависимость свойств веществ от химического состава (состава молекулы);

б) учение о структуре вещества (структурная химия) (сер. 18 – сер. 20 вв.) – изучает зависимость свойств веществ от строения молекулы;

в) учение о химических процессах (сер. 20 в.) – изучаются механизмы протекания химических реакций, а также процессы их ускорения (катализ);

г) эволюционная химия (последние 25-30 лет) - изучает химические процессы в живой природе, процессы самоорганизации химических систем.

3.1.1 Учение о составе вещества

В основе классической химии лежит концепция атомизма, которая была сформулирована еще в античной философии Левкипом, Демокритом и Эпикуром. На основе атомизма в середине 19 века были сформулированы основные положения атомно-молекулярного учения.

Вещества состоят из молекул. Молекула - наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами. Молекулы отличаются между собой составом, размерами, физическими и химическими свойствами.

Молекулы находятся в непрерывном движении; между ними существует взаимное притяжение и отталкивание. Скорость движения молекул зависит от агрегатного состояния веществ.

При физических явлениях состав молекул остается неизменным, при химических реакциях из одних молекул образуются другие.

Молекулы состоят из атомов. Свойства атомов одного элемента отличаются от свойств атомов других элементов. Атомы характеризуются определенными размерами и массой. Масса атома, выраженная в атомных единицах массы (а.е.м.) называется относительной атомной массой.

1 а.е.м. = 1,667 10 -27 кг.

Атомно-молекулярное учение позволило объяснить основные понятия и законы химии. Понятие «химический элемент» предложил Р.Бойль, обозначение химических элементов символами предложил в 1814 г. Й. Берцелиус. Химический элемент – определенный вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Заряд ядра численно равен порядковому номеру элемента в периодической системе. В настоящее время известно 118 химических элементов, из них 94 обнаружены в природе, остальные 24 получены искусственно в результате ядерных реакций.

Атом - наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Химические свойства элемента определяются строением его атома. Отсюда следует определение атома, соответствующее современным представлениям: Атом - это электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного атомного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Изотопы – атомы одного и того же химического элемента, имеющие разную массу и, соответственно, различное количество нейтронов в ядре. Изотопы могут быть стабильными, т.е. их ядра не подверженными самопроизвольному распаду, и радиоактивными, которые способны превращаться в атомы других элементов до тех пор, пока не образуется стабильный изотоп (Уран-238 Свинец-206).

Аллотропия – способность элементов существовать в виде различных простых веществ, отличающихся физическими и химическими свойствами. Аллотропия может быть результатом образования молекул с различным числом атомов (например, атомарный кислород O, молекулярный кислород O 2 и озон O 3) или образования различных кристаллических форм (например, графит и алмаз). В результате аллотропии из 118 элементов образуется около 400 простых веществ.

Молекула - это наименьшая частица данного вещества, обладающая его химическими свойствами. Понятие молекула ввел итальянский ученый А.Авогадро. В 1811 году он предложил молекулярную теорию строения вещества.

Химические свойства молекулы определяются ее составом и химическим строением. Размеры молекул определяются их массой и структурой и у больших молекул могут достигать 10 -5 см. В настоящее время известно свыше 18 млн. видов молекул разных веществ.

Химическая формула - это условная запись состава вещества с помощью химических знаков и индексов. Химическая формула показывает, атомы каких элементов и в каком отношении соединены между собой в молекуле.

Основные хи мические законы.

Закон сохранения массы (М.В.Ломоносов, А.Л.Лавуазье): масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции. С точки зрения атомно-молекулярного учения в результате химических реакций атомы не исчезают и не возникают, а происходит их перегруппировка (химическое превращение). Поскольку число атомов до и после реакции остается неизменным, то их общая масса также изменяться не должна. Исходя из закона сохранения массы, можно составлять уравнения химических реакций и по ним производить расчеты. Этот закон является основой количественного химического анализа.

В начале 20 века формулировка закона сохранения массы подверглась пересмотру в связи с появлением теории относительности (см. п.2.4.1), согласно которой масса тела зависит от его скорости и, следовательно, характеризует не только количество материи, но и ее движение. Полученная телом энергия E связана с увеличением его массыm соотношениемE =m c 2 , где с - скорость света. Это соотношение не используется в химических реакциях, т.к. 1 кДж энергии соответствует изменению массы приблизительно на 10 -11 г и m практически не может быть измерено. Однако в ядерных реакциях, где изменение энергииЕ в миллионы раз больше, чем в химических реакциях,m следует учитывать.

Закон постоянства состава вещества :

Согласно закону постоянства состава, всякое химически чистое вещество имеет постоянный качественный и количественный состав независимо от способа его получения. Качественный и количественный состав вещества показывает химическая формула. Например, независимо от того, каким способом получено вещество вода (Н 2 О), оно имеет постоянный состав: два атома водорода и один атом кислорода.

Из закона постоянства состава следует, что при образовании сложного вещества элементы соединяются друг с другом в определенных массовых соотношениях.

В настоящее время установлено, что этот закон всегда выполним для соединений с молекулярной структурой. Состав же соединений с немолекулярной структурой (с атомной, ионной и металлической кристаллической решеткой) не является постоянным и зависит от условий получения.

Закон кратных отношений (Дж. Дальтон) - если два элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то массы элементов соотносятся между собой как небольшие целые числа.

Например: в оксидах азота N 2 O, N 2 O 3 , NO 2 (N 2 O 4), N 2 O 5 число атомов кислорода, приходящихся на два атома азота, относятся между собой как 1: 3: 4: 5.

Закон объемных отношений (Гей-Люссак )- объемы газов, вступающих в химические реакции, и объемы газов, образующихся в результате реакции, относятся между собой как небольшие целые числа. Следовательно, стехиометрические коэффициенты в уравнениях химических реакций для молекул газообразных веществ показывают, в каких объемных отношениях реагируют или получаются газообразные вещества. Например:

2CO + O 2
2CO 2

При окислении двух объемов оксида углерода (II) одним объемом кислорода образуется 2 объема углекислого газа, т.е. объем исходной реакционной смеси уменьшается на 1 объем.

Закон Авогадро - в равных объемах любых газов, взятых при одной и той же температуре и при одинаковом давлении, содержится одно и то же число молекул. Согласно этому закону:

одно и то же число молекул различных газов при одинаковых условиях занимает одинаковые объемы;

1моль любого идеального газа при нормальных условиях (0°C = 273°К, 1 атм = 101,3 кПа) занимает одинаковый объем 22,4 л.

Французский химик А.Л. Лавуазье впервые попытался систематизировать химические элементы в соответствии с их массой. Английский химик Дж.Дальтон ввел понятие атомная масса и явился создателем теории атомного строения. В 1804 году он предложил таблицу относительных атомных масс водорода, азота, углерода, серы и фосфора, приняв за единицу атомную массу водорода. В настоящее время атомная масса измеряется относительно 1/12 массы атома изотопа углерода.

Работу по изучению свойств атомов продолжил Д.И. Менделеев и в 1869 г. сформулировал периодический закон и разработал Периодическую систему химических элементов. Периодический закон был сформулирован в следующем виде: «Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов». В качестве системообразующего фактора Д.И.Менделеев использовал массу химического элемента. В Периодической системе Д.И. Менделеева насчитывалось 62 элемента.

Квантовая механика уточнила, что свойства химических элементов и их соединений определяются зарядом атомного ядра. Современная формулировка периодического закона химических элементов: свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атома и определяются периодически повторяющимися однотипными электронными конфигурациями их атомов.

Реакционная способность атома химического элемента определяется количеством электронов на внешней оболочке атома.

Валентность – свойства атомов одного элемента образовывать определенное число связей с атомами других элементов. Осуществляют химические связи между атомами электроны, расположенные на внешней оболочке и связанные с ядром наименее прочно. Их назвали валентными электронами. Определить валентность (число валентных электронов) можно по таблице Д.И.Менделеева, зная номер группы, в которой находится химический элемент.

Электроотрицательность – свойство атома в соединении притягивать к себе валентные электроны. Чем сильнее атом оттягивает к себе электроны, тем больше его электроотрицательность. Степень окисления - условный заряд, который образуется на атоме, если учесть, что электрон при образовании связи переходит полностью к более электроотрицательному атому. Максимальная степень окисления элемента определяется номером группы в таблице Менделеева.

Атомы в молекулах связаны между собой химическими связями, которые образуются за счет перераспределения валентных электронов между атомами. При образовании химической связи атомы стремятся приобрести устойчивую (завершенную) внешнюю электронную оболочку. Химическая связь – вид фундаментального электромагнитного взаимодействия. Образование химической связи происходит за счет притяжения положительных и отрицательных зарядов, которые образуются на атоме при потере или смещении его электрона со стационарной орбиты. В зависимости от характера взаимодействия атомов различают ковалентную, ионную, металлическую и водородную химические связи.

Ковалентная связь осуществляется за счет образования общих электронных пар между двумя атомами. Она может быть полярной и неполярной. Ионная связь представляет собой электростатическое притяжение между ионами, которые образуются за счет полного смещения электронной пары к одному из атомов. Металлическая связь - это связь между положительными ионами металлов посредством общего электронного облака («электронного газа»).

Кроме внутримолекулярных связей образуются и межмолекулярные связи. Межмолекулярные взаимодействия - взаимодействия молекул между собой, не приводящие к разрыву или образованию внутримолекулярных химических связей. От межмолекулярных взаимодействий зависят агрегатное состояние вещества, структурные, термодинамические, теплофизические и другие свойства веществ. Примером межмолекулярной связи является водородная связь.

Водородная связь - межмолекулярная связь, образованная за счет притяжения более электроотрицательного атома (F, O, N), и атома водорода с частичным положительным зарядом. Например, водородная связь реализуется между молекулами воды, спирта, органических кислот. Она оказывает влияние на температуру кипения вещества.

Водородная связь может образоваться и внутри молекул. Например, внутримолекулярные водородные связи существуют в молекулах нуклеиновых кислот, белков, полипептидов и др. и определяют структуру этих макромолекул

Лекция 10. Система химии.

1. Основная проблема химии. Концептуальные системы химии.

2. Учение о составе вещества. Решение проблем химического элемента и химического соединения. Периодическая система элементов.

3. Структурная химия.

4. Кинетическая химия.

5. Эволюционная химия.

Основная проблема химии как науки. Концептуальные системы химии. Д. И. Менделеев называл химию «наукой о химических элементах и их соединениях». В одних учебниках химию определяют как «науку о веществах и их превращениях», в других - как “науку, изучающую процессы качественного превращения веществ” и т.д. Все эти определения по своему хороши, но они не учитывают тот факт, чтохимия является не просто суммой знаний о веществах, а упорядоченной, постоянно развивающейся системой знаний , имеющей определенное социальное назначение и свое место в ряду других наук.

Вся история развития химии является закономерным процессом смены способов решения ее основной проблемы. Все химические знания, которые были приобретены в течение многих веко, подчинены единственной главной задаче химии - задаче получения веществ с необходимыми свойствами .

Итак, основная двуединая проблема химии - это:

1.Получение веществ с заданными свойствами - производственная задача.

2. Выявление способов управления свойствами вещества - задача научного исследования.

По мере развития науки изменялись представления об организации материи, составе веществ, структуре молекул, были получены новые данные о самих химических процессах, что, конечно же, в корне изменяло и способы синтеза новых соединений, и методы исследования их свойств. Существует только четыре способа решения этой проблемы , которые связаны, прежде всего, с наличием всего четырех основных природных факторов, от которых зависят свойства получаемых веществ:

1. Состав вещества (элементарный, молекулярный).

2. Структура молекул.

3. Термодинамические и кинетические условия химической реакции, в процессе которой это вещество получается.

4. Уровень организации вещества.

Последовательное появление сначала первого, затем второго, третьего и, наконец, четвертого способов решения основной проблемы химии приводит к последовательному появлению и сосуществованию четырех уровней развития химических знаний, или, как принято теперь их называть, четырех концептуальных систем , находящихся в отношениях иерархии, т. е. субординации. В системе всей химии они являются подсистемами так же как сама химия представляет собой подсистему всего Естествознания в целом. Существование всего четырех способов решения основной проблемы химии нашло свое отражение в делении Системы химии на четыре подсистемы.

Таким образом, в развитии химии происходит не смена, а строго закономерное, последо­ва­тельное появление концептуальных систем. При этом каждая вновь появляю­щаяся система не отрицает предыдущую, а, наоборот, опирается на нее и включает в себя в преобразованном виде.

Подводя некоторые итоги, можно дать следующее определение: Система химии -единая целост­ность всех химических знаний, которые появляются и существуют не отдельно друг от друга, а в тесной взаимосвязи, дополняют друг друга и объединяются в концепту­альные системы химических знаний, которые находятся между собой в отношениях иерархии .

На каждом из четырех исторических этапов добычи химических знаний возникали свои задачи, которые требовали решения.

Первый этап развития химии - XVII в: Учение о составе вещества. Основные проблемы, стоявшие перед учеными на самом первом этапе - этапеизучения состава вещества :

1.Проблема химического элемента.

2.Проблема химического соединения.

3.Проблема создания новых материалов, в состав которых входят вновь открываемые химические элементы.

Действенный способ решения проблемы происхождения свойств вещества появился во второй половине XVII в. в работах английского ученогоРоберта Бойля . Его исследования показали, что качества и свойства тел не имеют абсолютного характера и зависят от того, из каких материальных элементов эти тела составлены.

Бойль тем самым способствовал решению основной проблемы химии посредством установления взаимосвязи:

СОСТАВ ВЕЩЕСТВА ---------> СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА

Этот способ положил начало учению о составе веществ, которое явилось первым уровнем научных химических знаний . Вплоть до первой половины XIX в. учение о составе веществ представляло собой всю тогдашнюю химию.

Решение проблемы химического элемента. Исторические корни решения этой проблемы уходят в глубокую древность. В Древней Греции возникают первые атомистические теории о строении мира и в противовес им - представления об элементах; свойствах и элементах, - качествах, подхваченных позже ложными учениями алхимиков.

Р.Бойль положил начало современному представлению о химическом элементе как о «простом» теле или как о пределе химического разложения вещества. Химики, стремясь получить «простые вещества», пользовались при этом самым распространенным в то время методом - прокаливанием «сложных веществ». Прокаливание же приводило к окалине, которую и принимали за новый элемент. Соответственно, металлы - железо, например, принимали за сложные тела, состоящие из соответствующего элемента и универсального «невесомого тела» -флогистона (флогистос - греч. зажженный). Теория флогистона (ложная по своей сути) была первой научной химической теорией и послужила толчком к множеству исследований.

В 1680-1760 гг. появились точные количественные методы анализа вещества, а они, в свою очередь, способствовали открытию истинных химических элементов. В это время были открытыфосфор, кобальт, никель, водород, фтор, азот, хлор и марганец .

В 1772-1776 гг. одновременно в Швеции, Англии и Франции был открыт кислород . Во Франции его первооткрывателем был замечательный химикА.Л. Лавуазье (1743-1794 гг.). Он установил роль кислорода в образовании кислот, оксидов и воды, опроверг теорию флогистона и создал принципиально новую теорию химии. Ему принадлежала также первая попытка систематизации химических элементов, которая в дальнейшем была исправлена Д. И. Менделеевым.

Периодический закон и периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева. Русский химик Д. И. Менделеев сделал это открытие в 1869 г., совершив революцию в естествознании, т.к. оно не просто устанавливало связь между химическими и физическими свойствами отдельных элементов, но и взаимную связь между всеми химическими элементами. Группы и ряды периодической системы стали надежной основой для выявления семейств родственных элементов.

N . B ! Первым практическим применением периодического закона было исправление величин валентности и атомных весов некоторых элементов, для которых в то время принимались неверные значения. Это относилось, в частности, к индию, церию, другим редкоземельным элементам: торию, урану.

Основным принципом, по которому Менделеев строил свою таблицу, было размещение элементов в порядке возрастания их атомных весов. Основываясь на валентности и химических свойствах элементов, Менделеев расположил все элементы по 8 группам, в каждой из которых размещались элементы со сходными свойствами.

Причина периодических изменений физических и химических свойств элементов кроется в периодичности строения электронных оболочек атомов .

N . B ! В начале каждого периода валентные электроны находятся на s-подуровнях соответствующих уровней энергии в атомах. Затем в малых периодах происходит заполнение электронами s и p-подуровней, а в больших периодах также и d-подуровней. В VI и VII периодах, кроме того, наблюдается заполнение f-подуровней. Атомы инертных газов содержат наружные электроны всегда на полностью сформированных s и p-подуровнях. Таким образом, химические элементы одинаковых подгрупп периодической системы характеризуются аналогичным строением электронных оболочек атома.

Одними из наиболее важных свойств атомов, связанных со строением их электронных оболочек, являются эффективные атомные и ионные радиусы. Оказывается, что они также периодически изменяются в зависимости от величины атомного номера элемента. Для элементов одного периода по мере увеличения порядкового номера сначала наблюдается уменьшение атомных радиусов, а затем, к концу периода, их увеличение. Это необычное физическое свойство находит простое объяснение, основанное на знании строения внешней электронной оболочки атомов, принадлежащих одному периоду: все дело в электростатике .

Но самое главное заключалось в том, что таблица Менделеева не просто давала объяснение физическим свойствам элементов, а ставила им в соответствие и их химические свойства. Основным постулатом таблицы являлось то, что валентность химического элемента определяется числом электронов на внешней электронной оболочке (эти электроны так и называются -валентные электроны ).

Важная роль периодического закона заключается в том, что в нем устанавливается связь между строением атомов и влиянием этого строения на физические и химические свойства элементов.

Решение проблемы химического соединения. Начало решению этой проблемы было положено благодаря работам французского химикаЖ. Пруста , который в 1801-1808 гг. установилзакон постоянства состава , согласнокоторомулюбое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным, неизменным составом - прочным притяжением составных частей (атомов) и тем самым отличается от смесей.

Теоретическое обоснование закона Пруста было дано англичанином Дж. Дальтоном , являющимся автором другого основополагающего закона в учении о составе веществ -закона кратных отношений . Он показал, что все вещества состоят из молекул, а все молекулы, в свою очередь, - из атомов, и что состав любого вещества можно представить себе как простую формулу типа АВ, АВ2, А2 В3 и т.д., где символы А и В обозначают названия двух атомов, из которых состоит молекула. Согласно этому закону эквивалентов «составные части молекулы» - атомы А и В могут замещаться на другие атомы - С и D, например, согласно реакциям:

АВ + С --> АС + В или

А2В3 + 3D ---> А2D3 + 3В

Закон кратных отношений Дальтона (1803 г.) гласит:Если определенное количество одного элемента вступает в соединение с другим элементом в нескольких весовых отношениях, то количества второго элемента относятся между собой как целые числа.

Молекулярная теория строения вещества позволила по-новому взглянуть на процессы, происходящие в газовой фазе, и дала начало новой науке, стоящей на стыке химии и физики - молекулярной физике . Настоящей сенсацией стало откры­тиезакона Авогадро в 1811г.Итальянский ученыйАмадео Авогадро (1776-1856 гг.) установил, чтопри одинаковых физических условиях (давлении и температуре) равные объемы различных газов содержат равное число молекул . Другими словами, это означает, чтограмм-молекула любого газа при одинаковой температуре и давлении занимает один и тот же объем.

Однако, развитие химии и изучение все большего числа соединений приводили химиков к мысли, что наряду с веществами, имеющими определенный состав , существуют еще и соединенияпеременного состава - и это явилось причиной пересмотра представлений о молекуле в целом. Молекулой, как и прежде, продолжали называть наименьшую частичку вещества, способную определять его свойства и существовать самостоятельно, но теперь к молекулам стали относить и такие необычные квантово-механические системы, такие как ионные, атомные и металлическиемонокристаллы , а такжеполимеры , образованные за счет водородных связей.

В результате применения физических методов исследования вещества стало ясно, что свойства реального тела определяются не столько тем, постоянен или не постоянен состав химического соединения, а скорее физической природой химизма , т.е. природой тех сил, которые заставляют несколько атомов объединяться в одну молекулу. Поэтому теперь подхимическим соединением понимаютопределенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет взаимодействия друг с другом объединены в частицу, обладающую устойчивой структурой - молекулу , комплекс, монокристалл или иной агрегат. Это более широкое понятие, чем понятие «сложное вещество». Действительно, ведь всем известны химические соединения, состоящие не из разных, а из одинаковых элементов. Это молекулы водорода, кислорода, хлора, графита, алмаза и т.д.

Особое положение в ряду молекулярных частиц занимают макромоле­кулы полимеров . Они содержат большое число повторяющихся, химически связанных друг с другом в единое целое структурных единиц -фрагментов мономерных молекул , обладающих одинаковыми химическими свойствами.

Дальнейшее усложнение химической организации материи идет по пути образования более сложной совокупности взаимодействующих атомных и молекулярных частиц, так называемых молекулярных ассоциатов и агрегатов , а также их комбинаций. При образовании агрегатов изменяется фазовое состояние системы, чего не происходит при образовании ассоциатов.Ф азовое состояние -это основное физическое состояние, в котором может существовать любое вещество (газ, жидкость, твердое тело).

Проблема создания новых материалов . Природа щедро «разбросала» свои материальные ресурсы по всей планете. Но вот какую странную закономерность обнаружили ученые: оказывается, чаще всего в своей деятельности человек использует те вещества, запасы которых в природе ограничены.

Поэтому в настоящее время перед учеными-химиками стоят три задачи:

1. Приведение в соответствие практики использования химических элементов в производстве с их реальными ресурсами в природе.

2. Последовательная замена металлов различными видами керамики.

3. Расширение производства элементоорганических соединений на базе органического синтеза. Элементоорганические соединени я -это соединения, в состав которых входят как органические элементы (углерод, водород, сера, азот, кислород), так и производ­ные ряда других химических элементов: кремния, фтора, магния, кальция, цинка, натрия, лития и т.д.

Предлагается сосредоточить внимание на увеличении использования на производстве таких элементов как алюминий, магний, кальций, кремний. В природе эти элементы встречаются довольно часто, и их добыча не составляет особого труда. Кроме того, использование этих веществ, составленных из наиболее часто встречающихся природных элементов, приведет к меньшему загрязнению окружающей среды отходами, - проблеме, так остро ощущаемой всеми в настоящее время.

Возросшая необходимость замены металлов керамикой вызвана тем, что производство керамики легче и экономически выгоднее и, кроме того, на некоторых производствах она просто не может быть заменена металлами. Химики научились получать огнеупорную, термостойкую, химически стойкую, высокотвердую керамику, а также керамику для электротехники. В последнее время было обнаружено удивительное свойство некоторых керамических изделий обладать высокотемпера­турной сверхпроводимостью, т.е. сверхпроводимостью при температурах выше температуры кипения азота. Открытию этого уникального физического свойства способствовали работы химиков по созданию новой керамики на основе комплексов с барием, лантаном и медью, взятых в едином комплексе.

Химия элементооргани­ческих материалов с применением крем­ния (кремнийорганическая химия) лежит в основе создания производства многих полимеров, обладающих ценными свойствами и незаменимых в авиации и энергети­ке. А фторорганичес­кие соединения обладают исключительной устойчивос­тью (даже в кислотах и щелочах) особой поверхностной активностью и поэтому могут переносить, например, кислород как молекула гемоглобина! Фторорганичес­кие соединения активно используются в медицине для создания всевозможных покрытий и т.д.

Решение практических задач, стоящих перед химиками в настоящее время сопряжено с синтезом новых веществ и анализом их химического состава. Поэтому, как и много лет тому назад, проблема состава веществ остается в химии по-прежнему актуальной.

Второй этап развития химии как науки - XIX в: Структурная химия.

В 1820 - 1830 гг. мануфактурная стадия производства с ее ручной техникой сменилась фабричной стадией. На производстве появились новые машины, возникла потребность в поиске новых сырьевых материалов для использования в промышленности. В химическом производстве стала преобладать переработка огромных масс веществ растительного и животного происхождения, качественное разнообразие которых было потрясающе велико, а состав однообразен: углерод, водород, кислород, сера, азот, фосфор. Значит, свойства веществ, определяется не одним только составом - сделали вывод химики.

Химики выяснили, что свойства веществ, а значит и их качествен­ное разнообразие обусловливается не только их составом, но и структурой молекул. Если знание состава вещества отвечает на вопрос о том, из каких химических элементов состоит молекула данного вещества , тознание структуры вещества дает представление о пространственном расположении атомов в этой самой молекуле.

Вместе с тем стало ясно, что не все атомы, входящие в состав моле­кулы данного вещества одинаково хорошо вступают во взаимодействие с атомами других молекул. Каждую молекулу можно условно подразделить на несколько так называемых функциональных или реактивных блоков, в которые входят группы атомов, просто отдельные атомы или даже отдельные химические связи. Каждая из таких структур обладает своей уникальной способностью вступать в химические реакции, т.е. своей реакционной способностью .

Второй уровень развития химических знаний получил условное название структурная химия .Главным достижением этого этапа можно было назвать установление связи между структурой молекулы и функциональной активностью соединения:

СТРУКТУРА МОЛЕКУЛЫ ---> ФУНКЦИЯ (РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ)

Таким образом, познание структуры молекул перевело химию на второй уровень развития химических знаний и способствовало превращению химии из преимущественно аналитической науки в наукусинтетическую . Возникла такжетехнология органических веществ , которой ранее не было.

Эволюция понятия «структура» в химии. Согласно теории, выдвинутойДж. Дальтоном, любое химическое вещество представляет собой совокупность молекул, обладающих строго определенным качественным и количественным составом, т. е. состоящих из определенного количества атомов одного, двух или трех химических элементов. Теория строения вещества Дж. Дальтона отвечала на вопрос:как можно отличить индивидуальное вещество от смесей веществ , но она не давала ответа на множество других вопросов: каким образом объединяются атомы в молекулу, существует ли какая-то упорядоченность в расположении атомов в молекуле или они объединены как попало, случайно?

На эти вопросы попытался дать ответ шведский химик И.Я. Берцелиус , живший в первой половине XIX в. И. Я. Берцелиус полагал, что молекула представляет собой не простое нагромождение атомов, а определенную упорядоченную структуру атомов, связанных между собой электростатическими силами. Он предложил новуюмодель атома в виде электрического диполя . И.Я. Берцелиус выдвинул гипотезу, согласно которойвсе атомы разных химических элементов обладают различной электроотрицательностью и расположил их в своеобразный ряд по мере ее увеличения .

N . B ! И.Я. Берцелиус на основании определения данного им процентного состава многих веществ и поиска элементарных стехиометрических закономернос­тей, а также изучения разложения сложных веществ в растворе под действием электрического тока, задался вопросом: что влияет на знак и величину электрического заряда конкретного вещества? Почему существуют электроположительные и электроотрицательные вещества? В чем различие в строении молекул кислоты и щелочи или щелочи и нейтральной соли?

В 1840 г. в работах французского ученого Ш. Жерара было показано, что структуры И. Я. Берцелиуса справедливы не во всех случаях: есть масса веществ, молекулы которых невозможно разложить на отдельные атомы под действием электрического тока, они представляют как бы единую целую систему и именно такуюнеделимую систему взаимосвязанных друг с другом атомов Ш. Жерар и предлагал называтьмолекулой . Он разработал теорию типов органических соединений.

В 1857 г. немецкий химик А. Кекуле обнародовал свои наблюдения о свойствах отдельных элементов, которые могут замещать атомы водорода в ряде соединений. Он пришел к выводу о том, что некоторые из них могут замещать три атома водорода, другие же - только два или даже один. А.Кекуле также установил, что «один атом углерода... эквивалентен четырем атомам водорода». Это были основополагающие положениятеории валентности веществ .

А. Кекуле ввел в обиход новый химический термин сродство , который и обозначал количество атомов водорода, которое может заместить данный химический элемент. Он приписал всем элементам соответственно три, две или одну единицу сродства. Углерод же находился при этом в необычном положении - его атом обладал четырьмя единицами сродства.Число единиц сродства, присущее данному химическому элементу ученый назвал валентностью атома .

При объединении атомов в молекулу происходит замыкание свободных единиц сродства.

Понятие структура молекулы с легкой руки А.Кекуле свелось к построению наглядных формульных схем, которые служили химикам руководством в их практической работе, конкретным указанием на то, какие исходные вещества следует брать для того, чтобы получить необходимый химический продукт.

N . B ! Схемы А. Кекуле, однако, не всегда можно было осуществить на практике: хорошо продуманная (или придуманная) реакция не хотела протекать согласно красивой схеме. Это происходило потому, что формульный схематизм не учитывал реакционную способность веществ, вступающих в химическое взаимодействие друг с другом.

Ответы на волнующие практических химиков вопросы дала теория химического строения русского ученого Александра Михайловича Бутлерова. Бутлеров, так же как и Кекуле, признавал, что образование молекул из атомов происходит за счет замыкания свободных единиц сродства, но одновременно с этим он указывал на важность того, с каким «напряжением, большей или меньшей энергией (это сродство) связывает вещества между собой».

Теория А. М. Бутлерова стала для химиков руководством в их практической деятельности. Позже она нашла свое подтверждение и физическое обоснование в квантовой механике.

Химическая связь. Химической связью называется взаимодействие между атомами элементов, обуславливающее их соединение в молекулы и кристаллы.

Тип связи определяется характером физического взаимодействия атомно-молекулярных частиц друг с другом. Фундаментальную теорию химических связей создал в 30-е годы ХХ века американский химикЛайнус Полинг .

В настоящее время понятие «химическая связь» стало более широким. Теперь подхимической связью понимается такойвид взаимодействия не просто между отдельными атомами, а иногда и между атомно-молекулярными частицами, который обусловлен совместным использованием их электронов . При этом имеется в виду, что такое обобществление электронов взаимодействую­щими частицами может изменяться в широких пределах. Существуютковалентная (полярная, неполярная), водородная и ионная (ионно-ковалентная) связи, а также металлическая связь .

Ионная связь образуется в том случае, когда, объединяясь в одну молекулу, один из атомов теряет электроны со своей внешней оболочки (катион), а другой их приобретает (анион) противоположно заряженные ионы притягиваются друг к другу, образуя прочные связи. Ионные соединения – как правило, твердые вещества, имеющие очень высокую температуру плавления (соли, щелочи, напр., поваренная соль).

Ковалентная связь образуется в результате электронной пары, принадлежащей одновременно обоим атомам, создающим молекулу вещества. Поскольку такие молекулы удерживаются слабыми силами, они неустойчивы и существуют в виде жидкостей или газов с низкими температурами плавления и кипения (кислород, бутан).

Водородная связь обусловлена поляризацией ковалентных связей , когда совместные электроны большую часть времени находятся у атома элемента, связанного с атомом водорода. В результате такой атом получает небольшой отрицательный заряд, что делает соединения с водородными связями более крепкими по сравнению с другими ковалентными соединениями (вода).

Металлические связи обусловлены свободным перемещением электронов внешних оболочек атомов металлов . Атомы в металлах выстраиваются в точно подогнанные друг к другу ряды, удерживаемые вместе электронным полем.

Благодаря развитию структурных представлений в 1860-1880 гг. в химии появился термин органический синтез , обозначавший не только действия по получению новых органических веществ, но и целую область науки, названную так в противоположность всеобщему увлечению анализом природных веществ.

Итак, под валентностью атомных частиц понимается ихсвойство вступать в химическое взаимодействие, количественной мерой которого является суммарное число неспаренных электронов, неподеленных электронных пар и вакантных орбиталей, участвующих в образовании химических связей. Валентность атомной частички не является постоянной величиной и может изменяться от единицы до некоторого максимального значения в зависимости от природы частиц-партнеров и условий образования химического соединения.

Под понятием структура понимаютустойчивую упорядоченность качественно неизменной системы.

Под молекулярной структурой понимаютсочетание ограниченного числа атомов, имеющих закономерное расположение в пространстве и связанных друг с другом химической связью с помощью валентных электронов . Молекулярную структуру подразделяют наатомную (геометрическую) иэлектронную .

В первом приближенииподатомной структурой следует пониматьустойчивую совокупность ядра и окружающих его электронов, находящихся в электромагнитном взаимодействии друг с другом.

Третий этап развития химии как науки - первая половина XX в: Учение о химических процессах - кинетическая химия.

В связи с развитием техники и именно в это времяхимия становится наукой уже не только и не столько о веществах, сколько наукой о процессах и механизмах изменения веществ.

Интенсивное развитие автомобильной промышленности, авиации, энергетики и приборостроения в начале нашего века требовало качественного топлива для работы моторов. Специальные высокопрочные каучуки для шин автомобилей, пластмассы для облегчения их веса, всевозможные полимеры и полупроводники,- все это было необходимо получать в больших количествах, но, увы, развитие химических навыков не соответствовало запросам производства.

Дело в том, что сама по себе химическая реакция - вещь достаточно капризная. Взаимодействие веществ в ходе реакции приводит к изменению состава вещества. Для этого должна быть разрушена одна комбинация атомов и создана другая. Для разрушения старого соединения необходимо затратить энергию. Образование нового соединения, как правило, сопровождается выделением энергии.

Химические реакции описываются уравнениями, основанными на законе сохранения вещества . Согласно этому закону, полная масса веществ, вступивших в реакцию, должна точно соответствовать массе образовавшихся веществ. Для расчетов массы используется счетная единица – моль, содержит одинаковое количество частиц (6 10 23 , число Авогадро)

Учение о химических процессах. Методы управления химическим процессом. Учение о химических процессах - это такая область науки, в которой существует наиболее глубокое взаимопроникновение физики, химии и биологии. В основе этого учения находятсяхимическая термодинамика и кинетика , поэтому все это учение о химических процессах в равной степени относится как к химии, так и к физике.

Существует большое количество решаемых проблем в связи с созданием учения о химических процессах. Подробное их описание можно найти в любом современном учебнике по физической химии. Но, пожалуй, одной из самых основных проблем являлась задача создания методов, позволяющих управлять химическими процессами.

В самом общем виде все методы управления можно подразделить на две большие группы: термодинамические и кинетические. Первая группа - термодинамические методы - этометоды, влияющие на смещение химического равновесия реакции ; вторая группа - кинетические методы -это методы, влияющие на скорость протекания реакции.

В 1884 г. появляется книга выдающегося голландского химика Я. Вант-Гоффа , в которой он обосновал законы, устанавливающие зависимость направления химической реакции от изменения температуры и теплового эффекта реакции. В том же году французский химикА. Ле-Шателье сформулировал свой знаменитыйпринцип подвижного равновесия , вооружив химиков методами смещения равновесия в сторону образования продуктов реакции. Основными управляющими рычагами в данном случае выступалитемпература, давление и концентрация реагирующих веществ. Поэтому эти методы управления и получили свое название -термодинамические .

Вспомним, что любая химическая реакция обратима. Например, реакция типа:

AB + CD <=> AC + BD

Обратимость реакций служит основанием равновесия между прямой и обратной реакциями. На практике равновесие смещается в ту или иную сторону. Для того, чтобы химическая реакция пошла в сторону увеличения продуктов реакции АС и BD, необходимо либо увеличить концентрацию веществ AB и CD, либо изменить температуру или давление.

Нотермодинамические методы позволяли управлять тольконаправлением реакций, а не их скоростями.Управлением скоростью химических реакций в зависимости от различных факторов занимается специальная наука -химическая кинетика . На скорость химической реакции может влиять очень многое, даже стенки сосуда, в котором протекает реакция.

Третий способ решения основной проблемы, учитывающий всю сложность организации химических процессов и обеспечивший экономически приемлемую производительность этих процессов в химических реакторах, может быть представлен схемой:

ОРГАНИЗАЦИЯ ХИМИЧЕСКОГО ---> ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ

ПРОЦЕССА В РЕАКТОРЕ РЕАКТОРА

Катализ и химия экстремальных состояний. В 1812 г. русским академикомК.С.Кирхгофом было открыто явлениехимического катализа .Катализ представляет собой наиболее общий и распространенный способ проведения химических реакций, особенность которого состоит в активации молекул реагента при их контакте с катализатором . При этом происходит как бы «расслабление» химических связей в исходном веществе, «растаскивание» его на отдельные части, которые затем легче вступают во взаимодействие друг с другом.

Нестационарная кинетика. Развитие представлений об эволюции систем. В 1970 годы было обнаружено много химических систем, в которых использовались катализаторы, в которых с течением времени все происходило наоборот, - процесс не стабилизировался, как обычно, а становилсянестационар­ным . Было открыто несколько типовавтоколебательных химических реакций , в которых с течением времени происходят периодические изменения выхода продуктов реакции. Другими словами, необходимый продукт химической реакции то выделяется в большом количестве, то, напротив, реакция почти не идет или даже изменяет свое направление, а затем все это повторяется вновь. Оказалось, что в ряде случаев общее количество вещества, получаемое в ходе такойнестабильной химической реакции, даже превышает то количество вещества, которое выделялось бы в ходе реакции, если бы она проходиластационарно или, т.е. имела быпостоянную скорость .

Изучение нестационарной кинетики началось недавно. Но уже есть и практические результаты. С ее помощью были исследованы некоторые энергетически сопряженные процессы, т.е. такие химические процессы, в которых принимают участие сразу несколько реакций, обменивающихся энергией друг с другом. Нестационарные химические процессы были обнаружены и в живой природе.

Четвертый этап развития химии как науки - вторая половина XX в: Эволюционная химия. В 1960 - 1979 г. г. появился новый способ решения основной проблемы химии, который получил названиеэволюционная химия . В основе этого способа лежит принцип использования в процессах получения химических продуктов таких условий, которые приводят к самосовершенствованию катализаторов химических реакций, т.е. к самоорганизации химических систем.

Таким образом, четвертый этап развития химии, который продолжает­ся и до настоящего времени,устанавливает связь самоорганизации системы реагентов с поведением этой системы:

САМООРГАНИЗАЦИЯ -----> ПОВЕДЕНИЕ СИСТЕМЫ РЕАГЕНТОВ СИСТЕМЫ РЕАГЕНТОВ

Эволюционные проблемы химии. Начало эволюционной химии связывают с 1950-1960 гг. Подэволюционными проблемами следует пониматьпроблемы синтеза новых сложных, высокоорганизо­ванных соединений без участия человека.

Теория химической эволюции и биогенеза А.П.Руденко. В 1960-х годах были отмечены случаи самосовершенствования некоторых химических катализаторов в ходе химической реакции. Обычные катализаторы со временем (как и все на свете) стареют и изнашиваются. Но химикам удалось обнаружить такие катализаторы, которые не только не старели, а, напротив, «молодели» с каждой химической реакцией. Ответ на этот вопрос попыталась дать теория химической эволюции и биогенеза, предложенная ученым мира в 1964 г. русским профессоромА. П. Руденко . Сущность этой теории состоит в том, что химическая эволюция представляет собойсаморазвитие каталитических систем . В ходе реакции происходит отбор тех каталитических центров, которые обладают наибольшей активностью (основной закон химической эволюции):Эволюционные изменения катализатора происходят в том направлении, где проявляется его максимальная активность. Саморазвитие систем происходит за счет постоянного поглощения катализаторами потока энергии, которая выделяется в ходе самой химической реакции, поэтому эволюционируют каталитические системы с большей энергией. Такие системы разрушают химическое равновесие и в результате являются инструментом отбора наиболее устойчивых эволюционных изменений в катализаторе.

Изучение строения и функционирования ферментов в живой природе - это такая ступень химического познания, которая откроет в дальнейшем создание принципиально новых химических технологий.

Несмотря на то, что химия в настоящее время все еще далека от совершенства, которым обладает «лаборатория живого организма», пути к этому идеалу намечены. Сегодня химики пришли к выводу, что используя те же принципы, на которыхпостроена химия живых организмов, в будущем (не повторяя в точности природу) можно будет «построить» принципиально новую химию, новое управление химическими процессами - так, как это происходит в любой живой клетке. Химики надеются получить катализаторы нового поколения, которые бы позволили создавать, например, необычные преобразователи солнечного света.

Ученые стремятся создавать промышленные аналоги химических процессов, происходящих в живой природе. Они исследуют опыт работы биохимических катализаторов и создают такие катализаторы в лабораторных условиях. Особой сложностью работы с биохимическими катализаторами - ферментами , является то обстоятельство, что они очень неустойчивы при хранении и быстро портятся, теряя свою активность. Поэтому химики долгое время работали над созданием стабилизации ферментови в результате научились получать так называемыеиммобилизованные ферменты - этоферменты, выделенные из живого организма и прикреплен­ные к твердой поверхности путем их адсорбции . Такие биокатализаторы очень стабильны и устойчивы в химических реакциях и их можно использовать многократно. Основоположникомхимии иммобилизованных систем является русский химикИ. В. Березин.

Среди перспективных направлений химии XXIвека особый интерес вызывают:

Химия мозга

Макрохимия Земли

Когерентная химия

Спиновая химия и химическая радиофизика

Химия экстремальных состояний

Холодный синтез

Физика химических реакций.

Истоки химических знаний лежат в глубокой древности. В их основе – потребность человека получить необходимые вещества для своей жизнедеятельности. Происхождение термина «химия» не выяснено до сих пор, хотя по этому вопросу существует несколько версий. Согласно одной из них, это название произошло от египетского слова «хеми», что означало Египет, а также «черный». Историки науки переводят этот термин также как «египетское искусство». Таким образом, в этой версии слово химия означает искусство производить необходимые вещества, в том числе и искусство превращать обыкновенные металлы в золото и серебро или их сплавы.

Однако в настоящее время более популярно другое объяснение. Слово «химия» произошло от греческого термина «химос», который можно перевести как «сок растений». Поэтому «химия» означает «искусство получения соков», но сок, о котором идет речь, может быть и расплавленным металлом. Так что химия может означать и «искусство металлургии».

История химии показывает, что ее развитие происходило неравномерно: периоды накопления и систематизации данных эмпирических опытов и наблюдений сменялись периодами открытия и бурного обсуждения фундаментальных законов и теорий. Последовательное чередование таких периодов позволяет разделить историю химической науки на несколько этапов.

Основные периоды развития химии

1. Период алхимии – с древности до XVI в. нашей эры. Он характеризуется поисками философского камня, эликсира долголетия, алкагеста (универсального растворителя). Кроме того, в алхимический период почти во всех культурах практиковалось «превращение» неблагородных металлов в золото или серебро, но все эти «превращения» у каждого народа осуществлялись самыми разными способами.

2. Период зарождения научной химии , который продолжался в течение XVI - XVIII веков. На этом этапе были созданы теории Парацельса, теории газов Бойля, Кавендиша и др., теория флогистона Г. Шталя и, наконец, теория химических элементов Лавуазье. В течение этого периода совершенствовалась прикладная химия, связанная с развитием металлургии, производства стекла и фарфора, искусства перегонки жидкостей и т.д. К концу XVIII века произошло упрочение химии как науки, независимой от других естественных наук.

3. Период открытия основных законов химии охватывает первые шестьдесят лет XIX века и характеризуется возникновением и развитием атомной теории Дальтона, атомно-молекулярной теории Авогадро, установлением Берцелиусом атомных весов элементов и формированием основных понятий химии: атом, молекула и др.

4. Современный период длится с 60-х годов XIX века до наших дней. Это наиболее плодотворный период развития химии, так как в течение немногим более 100 лет были разработаны периодическая классификация элементов, теория валентности, теория ароматических соединений и стереохимия, теория электролитической диссоциации Аррениуса, электронная теория материи и т.д.

Вместе с тем, в этот период значительно расширился диапазон химических исследований. Такие составные части химии, как неорганическая химия, органическая химия, физическая химия, фармацевтическая химия, химия пищевых продуктов, агрохимия, геохимия, биохимия и т.д., приобрели статус самостоятельных наук и собственную теоретическую базу.

Период алхимии

Исторически алхимия сложилась как тайное, мистическое знание, направленное на поиски философского камня, превращающего металлы в золото и серебро, и эликсира долголетия. В течение своей многовековой истории алхимия решала многие практические задачи, связанные с получением веществ и заложила фундамент для создания научной химии.

Наивысшего развития алхимия достигла в трех основных типах:

· греко-египетском;

· арабском;

· западно-европейском.

Родина алхимии – Египет. Еще в древности там были известны способы получения металлов, сплавов, применявшихся для производства монет, оружия, украшений. Эти знания держались в секрете и были достоянием ограниченного круга жрецов. Увеличивающийся спрос на золото подтолкнул металлургов к поиску способов превращения (трансмутации) неблагородных металлов (железа, свинца, меди и др.) в золото. Алхимический характер древней металлургии связал ее с астрологией и магией. Каждый металл имел астрологическую связь с соответствующей планетой. Погоня за философским камнем позволила углубить и расширить знания о химических процессах. Получила развитие металлургия, были усовершенствованы процессы очистки золота и серебра. Тем не менее, в период правления императора Диоклетиана в Древнем Риме алхимия стала преследоваться. Возможность получения дешевого золота напугала императора и по его приказу были уничтожены все труды по алхимии. Значительную роль в запрете алхимии сыграло христианство, которое рассматривало ее как дьявольское ремесло.

После завоевания арабами Египта в VII в. н. э. алхимия стала развиваться в арабских странах. Самым выдающимся арабским алхимиком был Джабир ибн Хайям , известный в Европе как Гебер . Он описал нашатырный спирт, технологию приготовления свинцовых белил, способ перегонки уксуса для получения уксусной кислоты. Основополагающей идеей Джабира являлась теория образования всех известных тогда семи металлов из смеси ртути и серы как двух основных составляющих. Эта идея предвосхитила деление простых веществ на металлы и неметаллы.

Развитие арабской алхимии шло двумя параллельными путями. Одни алхимики занимались трансмутацией металлов в золото, другие искали эликсир жизни, дававший бессмертие.

Появление алхимии в странах Западной Европы стало возможным благодаря крестовым походам. Тогда европейцы позаимствовали у арабов научно-практические знания, среди которых была алхимия. Европейская алхимия попала под покровительство астрологии и поэтому приобрела характер тайной науки. Имя самого выдающегося средневекового западноевропейского алхимика осталось неизвестным, известно лишь, что он был испанцем и жил в XIV веке. Он первым описал серную кислоту, процесс образования азотной кислоты, царской водки. Несомненной заслугой европейской алхимии было изучение и получение минеральных кислот, солей, спирта, фосфора и т. д. Алхимиками была создана химическая аппаратура, разработаны различные химические операции: нагревание на прямом огне, водяной бане, прокаливание, перегонка, возгонка, выпаривание, фильтрование, кристаллизация и др. Таким образом, были подготовлены соответствующие условия для развития химической науки.

2. Период зарождения химической науки охватывает три столетия: с XVI по XIX вв. Условиями становления химии как науки были:

Ø обновление европейской культуры;

Ø потребность в новых видах промышленного производства;

Ø открытие Нового света;

Ø расширение торговых отношений.

Отделившись от старой алхимии, химия приобрела большую свободу исследования и утвердилась как единая независимая наука.

В XVI в. на смену алхимии пришло новое направление, которое занималось приготовлением лекарств. Это направление получило название ятрохимии . Основателем ятрохимии был швейцарский ученый Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм , известный в науке под именем Парацельс .

Ятрохимия выражала стремление соединить медицину с химией, переоценивая при этом роль химических превращений в организме и приписывая определенным химическим соединениям способность устранять в организме нарушения равновесия. Парацельс свято верил, что если человеческое тело состоит из особых веществ, то происходящие в них изменения должны вызывать болезни, которые могут быть излечены лишь путем применения лекарств, восстанавливающих нормальное химическое равновесие. До Парацельса в качестве лекарств использовались преимущественно растительные препараты, но он полагался только на эффективность лекарственных средств, изготовленных из минералов, и поэтому стремился создавать лекарства такого типа.

В своих химических изысканиях Парацельс заимствовал из алхимической традиции учение о трех основных составных частях материи – ртути, сере и соли, которым соответствуют основные свойства материи: летучесть, горючесть и твердость. Эти три элемента составляют основу макрокосма (вселенной), но относятся и микрокосму (человеку), состоящему из духа, души и тела. Определяя причины болезней, Парацельс утверждал, что лихорадка и чума происходят от избытка в организме серы, при избытке ртути наступают параличи, а избыток соли может вызвать расстройство желудка и водянку. Точно также и причины многих других болезней он приписывал избытку или недостатку этих трех основных элементов.

В сохранении здоровья человека Парацельс придавал большое значение химии, так как исходил из наблюдения, что медицина покоится на четырех опорах, а именно на философии, астрологии, химии и добродетели. Химия должна развиваться в согласии с медициной, потому что этот союз приведет к прогрессу обеих наук.

Ятрохимия принесла значительную пользу химии, так как способствовала освобождению ее от влияния алхимии и существенно расширила знания о жизненно важных соединениях, оказав тем самым благотворное влияние и на фармацию. Но одновременно ятрохимия была и помехой для развития химии, потому что сужала поле ее исследований. По этой причине в XVII и XVIII вв. целый ряд исследователей отказались от принципов ятрохимии и избрали иной путь своих исследований, внедряя химию в жизнь и ставя ее на службу человеку.

Именно эти исследователи своими открытиями способствовали созданию первых научных химических теорий.

В XVII столетии, в век бурного развития механики, в связи с изобретением паровой машины, возник интерес химии к процессу горения. Итогом этих исследований стала теория флогистона , основоположником которой был немецкий химик и врач Георг Шталь.

Теория Флогистона

Задолго до XVIII века греческие и западные алхимики пытались ответить на эти вопросы: почему одни предметы горят, а другие не горят? Что представляет собой процесс горения?

По представлениям древних греков все, что способно гореть, содержит в себе элемент огня, который в соответствующих условиях может высвобождаться. Алхимики придерживались примерно той же точки зрения, но считали, что способные к горению вещества содержат в себе элемент «сульфур». В 1669 году немецкий химик Иоганн Бехер попытался дать рациональное объяснение явлению горючести. Он предположил, что твердые вещества состоят из трех видов «земли», и один из этих видов, названный им «жирная земля», служит горючим веществом. Все эти объяснения не отвечали на вопрос о сущности процесса горения, но они стали отправной точкой для создания единой теории, известной под названием теории флогистона.

Шталь вместо понятия Бехера «жирная земля» ввел понятие «флогистона» – от греческого «флогистос» – горючий, воспламеняющийся. Термин «флогистон» получил большое распространение благодаря работам самого Шталя и потому, что его теория объединила многочисленные сведения о горении и обжигании.

Теория флогистона основана на убеждении, что все горючие вещества богаты особым горючим веществом – флогистоном и чем больше флогистона содержит данное тело, тем более оно способно к горению. То, что остается после завершения процесса горения, флогистона не содержит и потому гореть не может. Шталь утверждает, что расплавление металлов подобно горению дерева. Металлы, по его мнению, тоже содержат флогистон, но, теряя его, превращаются в известь, ржавчину или окалину. Однако если к этим остаткам опять добавить флогистон, то вновь можно получить металлы. При нагревании этих веществ с углем металл «возрождается».

Такое понимание процесса плавления позволило дать приемлемое объяснение и процессу превращение руд в металлы – первому теоретическому открытию в области химии.

Теория флогистона Шталя на первых порах встретила резкую критику, но при этом быстро начала завоевывать популярность и во второй половине XVII в. была принята химиками повсеместно, так как позволила дать четкие ответы на многие вопросы. Однако один вопрос ни Шталь, ни его последователи разрешить не смогли. Дело в том, что большинство горючих веществ (дерево, бумага, жир) при горении в значительной степени исчезали. Оставшиеся зола и сажа были намного легче, чем исходное вещество. Но химикам XVIII в. эта проблема не казалась важной, они еще не сознавали важность точных измерений, и изменением в весе они пренебрегали. Теория флогистона объясняла причины изменения внешнего вида и свойств веществ, а изменения веса были неважны.

Влияние идей А.Л. Лавуазье на развитие химического знания

К концу XVIII в. в химии был накоплен большой объем экспериментальных данных, которые необходимо было систематизировать в рамках единой теории. Создателем такой теории стал французский химик Антуан-Лоран Лавуазье.

С самого начала своей деятельности на поприще химии Лавуазье понял важность точного измерения веществ, участвующих в химических процессах. Применение точных измерений при изучении химических реакций позволило ему доказать несостоятельность старых теорий, мешавших развитию химии.

Вопрос о природе процесса горения интересовал всех химиков XVIII в., и Лавуазье также не мог не заинтересоваться им. Его многочисленные опыты по нагреванию различных веществ в закрытых сосудах позволили установить, что независимо от характера химических процессов и их продуктов, общий вес всех участвующих в реакции веществ остается без изменений.

Это позволило ему выдвинуть новую теорию образования металлов и руд. Согласно этой теории, в руде металл соединен с газом. Когда руду нагревают на древесном угле, уголь абсорбирует газ из руды и при этом образуется углекислый газ и металл.

Таким образом, в отличие от Шталя, который считал, что плавка металла включает переход флогистона из древесного угля в руду, Лавуазье представляет себе этот процесс как переход газа из руды в уголь. Идея Лавуазье позволяла объяснить причины изменения веса веществ в результате горения.

Обдумывая результаты проведенных им опытов, Лавуазье пришел к мысли, что если учитывать все вещества, участвующие в химической реакции и все образующиеся продукты, то изменений в весе никогда не будет. Другими словами, Лавуазье пришел к выводу, что масса никогда не создается и не уничтожается, а лишь переходит от одного вещества к другому. Этот вывод, известный сегодня как закон сохранения массы, стал основой для всего процесса развития химии XIX века.

Однако сам Лавуазье был неудовлетворен полученными результатами, так как не понимал, почему при соединении воздуха с металлом образовывалась окалина, а при соединении с деревом – газы, и почему при этих взаимодействиях участвовал не весь воздух, а только примерно пятая часть его?

Вновь в результате многочисленных опытов и экспериментов Лавуазье пришел к выводу, что воздух является не простым веществом, а смесью двух газов. Одну пятую часть воздуха, по мнению Лавуазье, составляет «дефлогистированный воздух», который соединяется с горящими и ржавеющими предметами, переходит из руд в древесный уголь и необходим для жизни. Лавуазье назвал этот газ кислородом, то есть порождающим кислоты, так как ошибочно полагал, что кислород – компонент всех кислот.

Второй газ, составляющий четыре пятых воздуха («флогистированный воздух») был признан совершенно самостоятельным веществом. Этот газ не поддерживал горения, и его Лавуазье назвал азотом – безжизненным.

Важную роль в исследованиях Лавуазье сыграли результаты опытов английского физика Кавендиша, который доказал, что образующиеся при горении газы конденсируются в жидкость, которая, как показали анализы, является всего-навсего водой.

Важность этого открытия была огромной, так как выяснилось, что вода – не простое вещество, а продукт соединения двух газов.

Лавуазье назвал выделяющийся при горении газ водородом («образующим воду») и отметил, что водород горит, соединяясь с кислородом, и, следовательно, вода является соединением водорода и кислорода.

Новые теории Лавуазье повлекли за собой полную рационализацию химии. Было окончательно покончено со всеми таинственными элементами. С того времени химики стали интересоваться только теми веществами, которые можно было взвесить или измерить каким-либо другим способом.

Период алхимии - с древности до XVI в. Гермес Трисмегист Родиной алхимии считается Древний Египет. Алхимики вели начало своей науки от Гермеса Трисмегиста (он же египетский бог Тот), и поэтому искусство делать золото называлось герметическим. Свои сосуды алхимики запечатывали печатью с изображением Гермеса – отсюда выражение «герметически закрытый». Существовало предание, что искусству обращать «простые» металлы в золото ангелы научили земных женщин, с которыми вступили в брак, о чем рассказано в «Книге Бытия» и «Книге пророка Еноха» в Библии. Это искусство было изложено в книге, которая называлась «Хема».

Во все времена алхимики страстно пытались решить две задачи: трансмутации и обнаружения эликсира бессмертия и вечной жизни. При решении первой задачи возникла химическая наука. При решении второй возникли научная медицина и фармакология. Трансмутация - это процесс превращения неблагородных металлов – ртути, цинка, свинца в благородные – золото и серебро при помощи философского камня, который пытались безуспешно обнаружить алхимики. «Квадратура круга»: алхимический символ философского камня, XVII век.

Наивысшего развития алхимия достигла в трех основных типах: · греко-египетском; · арабском; После завоевания арабами Египта в VII в. н. э. алхимия стала развиваться в арабских странах. · западно-европейском. Появление алхимии в странах Западной Европы стало возможным благодаря крестовым походам. Тогда европейцы позаимствовали у арабов научно- практические знания, среди которых была алхимия. Европейская алхимия попала под покровительство астрологии и поэтому приобрела характер тайной науки. Европейцы первыми описали серную кислоту, процесс образования азотной кислоты, царской водки. Несомненной заслугой европейской алхимии было изучение и получение минеральных кислот, солей, спирта, фосфора и т. д. Алхимиками была создана химическая аппаратура, разработаны различные химические операции: нагревание на прямом огне, водяной бане, прокаливание, перегонка, возгонка, выпаривание, фильтрование, кристаллизация и др.

Период зарождения научной химии - XVI-XVII вв Условиями становления химии как науки были: · обновление европейской культуры; · потребность в новых видах промышленного производства; · открытие Нового света; · расширение торговых отношений. Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм В XVI в. на смену алхимии пришло новое направление, которое занималось приготовлением лекарств. Это направление получило название ятрохимии. Ятрохимия стремилась соединить медицину с химией, используя препараты нового типа, приготовленные из минералов. Ятрохимия принесла значительную пользу химии, т. к. способствовала освобождению ее от влияния алхимии и заложила научно-практические основы фармакологии.

В XVII столетии, в век бурного развития механики, в связи с изобретением паровой машины, возник интерес химии к процессу горения. Итогом этих исследований стала теория флогистона, основоположником которой был немецкий химик и врач Георг Шталь. Теория флогистона основана на утверждении, что все горючие вещества богаты особым горючим веществом - флогистоном. Чем больше флогистона содержит вещество, тем более оно способно к горению. Металлы тоже содержат флогистон, но теряя его, превращаются в окалину. При нагревании окалины с углем, металл забирает от него флогистон и возрождается. Теория флогистона, несмотря свою на ошибочность, давала приемлемое объяснение процессу выплавки металлов из руд. Необъяснимым оставался вопрос, почему зола и сажа, оставшиеся от сгорания таких веществ, как дерево, бумага, жир, намного легче, чем исходное вещество. Георг Шталь

Антуан Лоран Лавуазье В XVIII в. французский физик Антуан Лоран Лавуазье, нагревая различные вещества в закрытых сосудах, установил, что общая масса всех веществ, участвующих в реакции, остается без изменений. Лавуазье пришел к выводу, что масса веществ никогда не создается и не уничтожается, а лишь переходит от одного вещества к другому. Этот вывод, известный сегодня как закон сохранения массы, стал основой для всего процесса развития химии XIX в.

Период открытия основных законов химии - первые 60 лет XIX в. (гг.; Дальтон, Авогадро, Берцелиус). Итогом периода стала атомно-молекулярная теория: а) все вещества состоят из молекул, которые находятся в непрерывном хаотическом движении; б) все молекулы состоят из атомов; в) атомы представляют собой мельчайшие, далее неделимые составные части молекул.

Современный период (начался в 1860 гг.; Бутлеров, Менделеев, Аррениус, Кекуле, Семенов). Характеризуется выделением разделов химии в качестве самостоятельных наук, а также развитием смежных дисциплин, например, биохимии. В этот период были предложены периодическая система элементов, теории валентности, ароматических соединений, электрохимической диссоциации, стереохимия, электронная теория материи. Александр Бутлеров Сванте Август Аррениус Николай Иванович Семенов

Современная химическая картина мира выглядит так: 1. Вещества в газообразном состоянии состоят из молекул. В твердом и жидком состоянии из молекул состоят только вещества с молекулярной кристаллической решеткой (СО2, H2O). Большинство твердых тел имеет структуру либо атомную, либо ионную и существует в виде макроскопических тел (NaCl, CaO, S). 2. Химический элемент – определенный вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Химические свойства элемента определяются строением его атома. 3. Простые вещества образованы из атомов одного элемента (N2, Fe). Сложные вещества или химические соединения образованы атомами разных элементов (CuO, H2O). 4. Химические явления или реакции – это процессы, в которых одни вещества превращаются в другие по строению и свойствам без изменения состава ядер атомов. 5. Масса веществ, вступающих в реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции (закон сохранения массы). 6. Всякое чистое вещество независимо от способа получения всегда имеет постоянный качественный и количественный состав (закон постоянства состава). Основная задача химии – получение веществ с заранее заданными свойствами и выявление способов управления свойствами вещества.

Основные проблемы химии При решении вопроса и составе вещества, перед химиками встают 3 основные проблемы: 1)Проблема химического элемента. С точки зрения современной химии – химический элемент – это совокупность всех атомов с одинаковым зарядом ядра. Физический смысл периодического закона: Периодичность расположения элементов в этой таблице зависел от заряда ядра атома. 2) Проблема химического соединения. Суть проблемы заключается в понимании разницы, что нужно относить к химическому соединению, а что нужно относиться к смесям. Ясность в этот вопрос была внесена, когда был открыт «закон постоянства состава». Открыт Джозефом Маусом. 3) Проблема создания новых материалов.

Рождение химии, так же как и всей европейской науки, несмотря на их долгую историю становления, связывают с возникновением идеи существования законов природы в Новое время. Классическим определением химии является определение, согласно которому, химия - это наука о веществах, об их строении, свойствах, о реакциях и законах, которым подчиняются их превращения; одна из отраслей естествознания 1 . Однако уже в 1967 г. в фундаментальной монографии «Эволюция представлений об основных законах химии» В. И. Кузнецова сделан вывод, что определение химии как «науки о веществах и их превращениях» устарело . Изменились понимание структуры вещества и динамики химических процессов и, соответственно, методология их исследования. Это привело к плодотворному развитию всех основных направлений химических исследований. Были открыты новые химические соединения. Так, современная химия располагает более 15 млн химических соединений и химических реакций, обнаруживающие неожиданные свойства и потребовавших введения совершенно новых понятий.

Ю. А. Жданов, обращаясь к проблеме специфики химической формы движения, отмечает, что как это ни парадоксально, но химия в системе современного естествознания занимает несколько двусмысленное положение: ее охотно признают в качестве необходимой научной основы для понимания биологических, геологических явлений, для создания технологических процессов, но нередко ей отказывают в статусе теоретической науки, сводя к квантовой механике, статической физике, термодинамике . Жданов пишет, что существует немало авторитетных свидетелей как из среды философов, так и из числа естествоиспытателей, готовых поклясться, что химия как наука в принципе не существует, что под термином «химия» скрывается смесь точной, элегантной физической теории и грязной, вульгарной кухни, которую лишь из сострадания можно назвать наукой. В такой ситуации справедлив вопрос, который ставит в своих исследованиях не только К). А. Жданов, но и многие ученые и философы: если теоретическая сторона химии исчерпывается физикой, то от химии остается лишь практическое экспериментирование, но кто же решится считать наукой область деятельности, лишенную своей собственной теории?

Несмотря на то, что возникают оценки современного состояния химии как рождения повой химии, одной из проблем, которая требует прояснения, является вопрос о редукции химического знания к физическому . Эта проблема - философский вопрос, поскольку, по сути, это вопрос, как он сформулирован

В. Декельманом о том, имеет ли химия некоторое собственное понятие бытия или же она по самым своим основам является всего лишь частной областью физики . Традиция сведения химических изменений к физическим имеет свои истоки в представлениях о том, что атомы огня, воздуха и земли механически взаимодействуют друг с другом и образуют «смешанные тела» (Р. Декарт, Р. Бойль, И. Ньютон). Согласно М. Волькенштей- ну, не существует теоретической химии, кроме физики. Это понимание утвердилось с развитием, во-первых, классической механики (М. Фарадей) и разделялось многими химиками; например, Д. И. Менделеев признавал, что блеск химических открытий сделал современную химию совершенно специальной наукой, при этом отмечал, что «несомненно, должно настать время, когда химическое сродство будет рассматриваться как механическое явление» . Во-вторых, с развитием квантовой механики, принципы и положения которой применимы для решения традиционных проблем химической науки, что дает основания для убеждений в квантовомеханическом характере фундаментальных основ химии.

Физической основой химического знания являются следующие главные постулаты квантовой механики: 1) понятие волновой функции электрона как распределенного в пространстве и времени заряда и спина (углового момента); 2) принцип Паули, «организующий» электроны по энергетическим уровням, спиновым состояниям и но их собственным орбиталям (волновым функциям); 3) уравнение Э. Шрёдингера как квантовый наследник уравнений классической механики.

В связи с этим многие физики XX в., например, В. Гейзенберг, П. Иордан, Р. Фейнман, развивали тезис о возможности сведения закономерностей любых химических процессов к фундаментальным физическим законам. Более того, физиками выражается уверенность в том, что непременно наступит момент, «когда биология также полностью сольется с физикой и химией, как нынешняя квантовая механика слила воедино физику и химию» . Многие представители отечественной физики и философии также разделяют эту точку зрения. Так, С. В. Вонсовский пишет, что во всех химических процессах мы встречаемся, прежде всего, с атомизмом тел природы . Химия понимается им как одна из важнейших естественно-научных дисциплин, прежде всего наука о структуре молекул, а также о процессах взаимодействия молекул и поведении веществ при различных химических реакциях.

Проблема редукции в химической картине мира - это попытки превратить химию в столь же точную науку, как и теоретическая физика. Однако существует и другая основа химии - математическая, выражением которой стало установление множества количественных закономерностей, точных законов (включая электронную периодичность закона Менделеева), высочайшего измерительного уровня определения атомно-молекулярных, термодинамических и кинетических констант, характеризующих вещество и химический процесс. Наряду с фундаментальной физико-математической основой химии на сегодняшний день сформировалось большое количество исследовательских областей самого химического знания. Более того, тенденции развития междисциплинарных взаимодействий как на стыках химических дисциплин, так и между всеми естественными науками, привели к действию обратных связей между дисциплинами.

Основной тезис традиции, противостоящей редукции химии к физике: «В явлении химическом всегда есть нечто большее, чем в просто явлении физическом» (В. Оствальд, Н. Н. Семенов, Ю. А. Жданов, Б. М. Кедров, А. Н. Несмеянов и др.). Это положение приводит к необходимости постановки проблемы объектной основы химии. Выражением этой проблемы может служить вопрос: имеют ли химия и физика дело с одним и тем же объектом изучения?

Как отмечает Г. А. Крестов, химия изучает мир объединяемым понятием материи, которая существует в форме вещества и поля, обладающих массой, энергией и характеризующихся диалектическим единством корпускулярных и волновых свойств .

Однако понятием «поля» оперирует физика. В. М. Кедров отмечает, что атомы и молекулы могут быть конечной ступенью развития объекта по отношению к своим исходным структурным элементам и являться объектом изучения физики, однако они могут быть и исходной химической единицей по отношению к возникающим из него молекулярным структурам и в этом случае выступать объектом изучения химии 11 .

Сторонники сведения химических связей к физическим постулируют понимание химического взаимодействия как особой разновидности более общего электромагнитного взаимодействия. Если принять во внимание, что индивидуальный атом еще не является химическим веществом, то и периодическая система элементов Д. И. Менделеева не является химической концепцией. Как справедливо отмечает В. А. Энгельгардт, проводя анализ химического процесса: «...часть, ранее бывшая самостоятельной, перестает существовать как таковая, становится компонентом внутренне объединенного интегрального целого. Возникает нечто новое, ранее не существовавшее, со свойственными ему новыми качествами» .

Особенность химической картины мира заключается в том, что основными объектами изучения являются не просто атомы или молекулы, но очень сложная организация вещества. Необходимо принять во внимание, что перестройка электронных орбиталей атома происходит внутри атома как единого целого. То есть перестройка электронных орбиталей обусловлена всей структурой атома, а не только индивидуальными свойствами электронов. Только в рамках целого можно говорить о том, что то или иное взаимодействие является химическим. Необходимо принять во внимание, что химические соединения построены не из индивидуальных атомов, а из атомных ядер (атомных остовов), связанных обобществленным электронным континуумом . Это обусловливает то, что процесс потери электрона одним атомом и присоединение его другим не может отражать сущность химического взаимодействия.

В этом вопросе такие исследователи, как Н. М. Черемных и О. С. Сироткин , справедливо полагают, что именно наличие химической связи в веществе является критерием того, что оно является объектом химического исследования; ни элементарная частица, ни атом (считающийся иногда «законным» объектом химии) этому критерию не удовлетворяют, и поэтому модели элементарного и атомного уровня организации вещества нельзя экстраполировать на химический уровень. Химическая система - это некоторая целостность, поэтому описание отдельных элементов, на основе которых она возникла, не может дать цельную картину химического процесса, например, образования гликогена из глюкозы и т. д. Справедливо утверждение того, что существует различие между физикой и химией, оно не сводится только к различию химического и физического (электромагнитного) взаимодействий. Н. Н. Семёнов выделяет основные принципы, из которых могут быть выведены все химические закономерности, не сводимые к законам физики:

Принцип электронного строения молекулярных систем; учение о взаимосвязи строения и свойств молекулярных

• - учение о реакционной способности химических соединений;
• - концепция единства химических явлений .

Более того, если принять во внимание то, что, согласно авторитетному мнению физикохимика Н. Н. Семёнова, сущностью химического является химический процесс, рассматриваемый в современной химии как кинетический континуум множества веществ, то именно химический процесс образует мост между объектами физики и объектами биологии .

• См.: Химический энциклопедический словарь. М. : Советская энциклопедия,1983.
• См.: Кузнецов В. И. Эволюция представлений об основных законах химии.М. : Наука, 1967.
• См.: Жданов Ю. А. Углерод и жизнь. Ростов н/Д: Изд-во РГУ, 1968 ; Жданов Ю. А. Очерки методологии органической химии. М. : Высш. школа, 1960.
• См.: Кузнецов В. И. Диалектика развития химии. М. : Наука, 1973 ; Соловьёв Ю. И., Трифонов Д. II., Шамин А. II. Развитие основных направлений современной химии. М. : Просвещение, 1978 ; Полит Л. Общая химия. М. : Мир, 1974.