История развития химии . Около двухсот лет назад были предприняты первые историко-научные исследования и написаны первые книги по истории химии. Это было время скачкообразного развития самой науки. Более чем тысячелетний период накопления естественнонаучных знаний закончился в XVIII в. формированием химии как самостоятельной научной дисциплины, были созданы новые система обучения и терминология. Химические исследования были направлены на решение актуальных задач познания природы и на использование достижений химии в промышленности.
Результаты наблюдений химиков-практиков средневековья в это время начали забываться, поскольку в XVIII в. было получено много новых, гораздо более точных, экспериментальных данных. Но ведущие химики XVIII в. понимали громадное значение работ своих предшественников. Поэтому они приложили немало усилий для публикации многочисленных сборников химических «операций», проведенных в средние века.
На первых историков химии - Торберна Бергмана, Иоганна Христиана Виглеба и Иоганна Фридриха Гмелина - обилие накопленных результатов исследований произвело очень большое впечатление. Поэтому они пытались собрать все эти наблюдения и описать их в хронологическом порядке.
Их последователи - Иоганн Бартоломей Троммсдорф, Жан Батист Дюма, Юстус Либих, Герман Копп, Фридрих Хёфер - уже делали попытки проанализировать исторические факты с определенной точки зрения. Более всех это удалось Герману Коппу. Он пришел к убеждению, что характер проводимых работ определялся главным образом задачами, поставленными химиками перед собой. Так, например, на протяжении довольно долгого исторического периода (от 300-х и до 1600-х гг.) они стремились получить золото из неблагородных металлов. Поэтому Копп назвал этот период алхимическим. Тогда, разумеется, еще не существовало подлинно научной химии, хотя и в древности люди использовали многие химические превращения. Но методы химиков тех времен Копп рассматривал как чисто эмпирические и найденные случайно. Исторический период, последовавший далее, Копп назвал периодом иатрохимии (медицинской химии), поскольку основным направлением химических знаний до 1700-х гг. было получение лекарств. Вслед за периодом иатрохимии Копп выделил еще два периода развития химических знаний: периоды флогистонной и количественной химии. Период флогистонной химии Копп назвал по господствовавшей в XVIII в. «флогистонной теории». Термин «флогистон» образован от древнегреческого слова «флогистос», что означает «воспламеняемый», «горючий»; «флогистон» - особая «субстанция», которая якобы определяет механизм процессов горения.
В конце XIX в. немецкий ученый Альберт Ладенбург принял в качестве главного принципа науки истории химии (Представления своего соотечественника Вильгельма Оствальда: без анализа прогресса химического эксперимента и развития химической промышленности нельзя понять общие закономерности становления химии как науки.
Среди ученых часто вспыхивают споры вокруг проблемы: начиная с какого исторического момента можно говорить о возникновении химии как науки? Одни исследователи отстаивали точку зрения, что химическая наука возникла лишь после того, как ученые смогли объяснить причины и особенности протекания реакций. По мнению других, возникновение научной химии следует датировать временем постановки учеными перед собой научно-исследовательских задач. Копп, например, считал научными даже задачи алхимии, хотя, как стало ясно в XX в., задачи алхимиков были нереальны и в общем-то антинаучны.
Развитие химии всегда шло в нескольких направлениях, но в различные периоды на первый план выдвигались разные исследовательские задачи. Отличие заключено в характере основополагающей в то или иное время научной идеи или теории. Специфика использования химического превращения веществ определяется тем, какую цель она преследует - получение какого-либо продукта или накопление новых знаний. Действительно, обе эти задачи вечно стоят перед человечеством, так как неразрывно связаны с целенаправленным использованием химических превращений.
Однако если абсолютизировать значение лишь одного направления в развитии химии, то, несомненно, нельзя избежать трудностей, с которыми и столкнулся Копп. Он рассмотрел эти трудности, проанализировал их с разных сторон, но не сумел найти удовлетворительного пути их преодоления.
Возникает вопрос: правомерно ли выделять в истории химии различные этапы (или периоды) развития? Никто не отрицает, что между химической практикой и теорией в древности, с одной стороны, и в наши дни - с другой, существует громадное различие. Разница (хотя и несколько меньшая) отчетливо заметна и при сопоставлении химических знаний иных, более близких исторических периодов. Для того чтобы провести периодизацию развития химии, нужно найти правильные критерии выделения исторических этапов. Эти критерии можно получить как следствия из закона накопления знаний и их наивысшего развития. Согласно этому закону, постепенное накопление практических и теоретических знаний приводит их к новому качеству, которое в свою очередь может служить основой дальнейшего развития науки. Постепенное накопление знаний за продолжительный исторический период приводит в конце концов к возникновению «революционной фазы», во время которой достигается наивысший уровень развития в теории или практике либо и в теории, и в практике.
Интенсивное развитие теории и практики в истории химии не всегда проходило одновременно. Фаза наивысшего развития знаний выявляется при анализе не только общего развития химии, но также и при рассмотрении эволюции ее отдельных направлений. И разумеется, в отдельные периоды и для различных направлений развития химии эти фазы наивысшего развития знаний различаются. Если, например, подразделить реальный материал истории химии на две исторические эпохи, то при подобном анализе становится очевиден глубочайший процесс преобразования фазы наивысшего накопления знаний в химии с конца XVIII в. С этого времени теория в химии стала приобретать все большее значение как непременное условие целенаправленного проведения разнообразных превращений веществ. До конца XVIII в., напротив, особо важное значение для прогресса химии имели не столько теоретические основы, сколько практическое проведение разнообразных химических «операций».
Деление истории химии на эмпирические и теоретические эпохи нельзя понимать буквально: будто первые были посвящены главным образом практическим работам, а вторые - лишь теоретическим. В истории вообще (и в истории химии, в частности) не существует застывших границ между историческими периодами: и в «эпохи практики» проводились теоретические изыскания, и в «теоретические эпохи» практика всегда имела немалое значение для развития химии. Поэтому такое однозначное название эпохи не отражает ее содержания. Оно характеризует лишь направление работ, которое определяет специфику развития химических знаний в рамках значительного исторического периода.
Рассмотренные подходы к периодизации можно также положить в основу выделения исторических периодов становления химии в соответствии с законом накопления и наивысшего развития знаний.
Вопрос, на который постоянно должен отвечать историк науки,- как методологически подходить к анализу предмета - относится к области истории логики. Для его решения нужно выяснить, какое значение имели важнейшие события истории науки для развития общества. В этом случае наиболее полно будет проявляться фаза наивысшего развития знаний. Однако нельзя забывать, что развитие науки происходило не во всех странах и частях мира. Кроме того, понимание вклада ученых разных стран в развитие химических знаний зависит от уровня наших знаний об основополагающих химических исследованиях, проведенных в различные исторические эпохи. Довольно достоверны известные историкам науки сведения о развитии химических знаний и навыков в древних Индии, Китае, средневековой Аравии, а также в средневековой Европе.
Название «химия» происходит, как считают ученые, от древнегреческого слова «хемейа» (так называли Египет); другое предполагаемое, тоже древнегреческое слово, от которого образовался термин «химия»,- «хюмейа» (от «хюма»), что означает «литье» металлов.
С самого начала использования человечеством химических превращений стали накапливаться определенные знания об особенностях их проведения. Позже на основе таких наблюдений возникли первые гипотезы о составе и свойствах веществ. Одновременно (в значительной мере под влиянием потребностей ремесленной практики) сформировалось мнение о том, что для развития человечества практические методы получения больших количеств различных веществ гораздо важнее, чем химические теории. Нельзя не отметить ограниченности любой одноплановой точки зрения. В действительности теоретический и практический аспекты изучения природы веществ развивались в тесной взаимосвязи; полученные при этом знания и навыки привели впоследствии к возникновению научного естествознания. Хотя существующие в наши дни отношения между естественными науками и производством сформировались лишь в XIX в., предпосылки научного естествознания были созданы еще во времена античности. Однако долгое время развитие естественнонаучных представлений определялось главным образом результатами наблюдений, полученными в ремесленной практике при проведении разнообразных процессов. Поэтому, чтобы правильно понять существование в древности и в средние века соотношения между ремесленной (а позже производственной) практикой и развитием представлений о природе веществ, не следует оценивать эти отношения лишь с точки зрения современных взаимосвязей естествознания и промышленности.
В значительной мере такие рассуждения относятся и к развитию химической науки и химической промышленности. Химия как самостоятельная наука в современном понимании этого слова возникла лишь в XVIII в. До этого химические знания накапливались главным образом в процессе развития химических ремесел. Среди них в XVI-XVII вв. очень большую роль играло приготовление лекарственных препаратов. Развитие фармации в первую очередь, а также совершенствование иных химических ремесел определяли в то время прогресс химических знаний. Термин «знания» употребляется здесь не в узком смысле, описывающем только развитие теоретических представлений, но в гораздо более широком плане - как историческая категория.
В работе «Роль труда в процессе превращения обезьяны в человека» Фридрих Энгельс выделил различные этапы «развития общества». В основу такого подразделения он положил труд, который рассматривал не как механическое выполнение операций, а как деятельность, точно определенную Карлом Марксом в «Капитале». Маркс определял труд как физические, психические и интеллектуальные возможности, которые реализуются лишь в сложном «процессе целенапраленного, целесообразного общения людей друг с другом». В простейшем же случае под трудом понимают - сознательно или неосознанно - опыт, который является исходным пунктом любого дальнейшего развития: определенные способы воздействия на вещества, связанные с конкретными операциями, ведут к некоторым предполагаемым результатам. Повторение этого процесса приводит к накоплению практических навыков и знаний, совершенствующихся при переходе от поколения к поколению. Под практическими навыками понимают не только механическую последовательность операций, но и совершенствование прикладных знаний. Применяемое здесь понятие «знание» - не априорно данное понятие, а исторически понимаемая категория. Так, например, для людей каменного века понимание влияния различных условий на рост растений имело такое же большое значение для прогресса в развитии навыков и знаний, как открытие важности применения удобрений для повышения урожайности сельскохозяйственных культур, сделанное в XIX в. Юстусом Либихом.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Химия - одна из самых древних наук, Человек всегда наблюдал вокруг себя изменения, когда одни вещества давали жизнь другим или неожиданно меняли свою форму, окраску, запах.
Задолго до наступления новой эры люди уже умели извлекать металлы из руд, красить ткани, обжигать глину, неспокойные умы мыслителей прошлого пытались объяснить непрерывно возникающие в Природе химические превращения, любознательные глаза подмечали все новые явления в окружающем мире, искусные руки осваивали сложные ремесла, - неизменно связанные с химией.
Истоки химии. Алхимия
Первыми учеными-химиками были египетские жрецы. Они владели многими до сих пор не разгаданными химическими секретами. К ним, например, относятся приемы бальзамирования тел умерших фараонов и знатных египтян, а также способы получения некоторых красок. Так, изготовленные древними египетскими мастерами голубые и синие краски найденных при раскопках сосудов продолжают оставаться яркими, хотя со времени их изготовления прошло несколько тысяч лет.
Некоторые химические производства существовали в древности в Греции, Месопотамии, Индии, Китае.
В III веке до нашей эры уже был собран и описан значительный материал. Например, в знаменитой Александрийской библиотеке, которая считалась одним из семи чудес света и насчитывала 700 тысяч рукописных книг, хранились и многие труды по химии. В них были описаны такие процессы, как прокаливание, возгонка, перегонка, фильтрование и др. Накопленные за много веков отдельные химические сведения позволяли сделать и некоторые обобщения о природе веществ и явлений.
Например, греческий философ Демокрит, живший в V веке до нашей эры, впервые высказал мысль о том, что все тела состоят из мельчайших, невидимых, неделимых и вечно движущихся твердых частиц материи, которые он назвал атомами. Аристотель в IV веке до нашей эры считал, что в основе окружающей природы лежит вечная первоматерия, которой свойственны четыре основных качества: теплота и холод, сухость и влажность. Эти четыре качества, по его мнению, могли быть отделены от первоматерии или прибавлены к ней в любом количестве.
Учение Аристотеля явилось идейной основой развития отдельной эпохи в истории химии, эпохи так называемой алхимии.
Алхимия (позднелатинское Alchemia, alchimia, alchymia), донаучное направление в химии, зародилась в III-IV веках до нашей эры. Ее название восходит через арабское к греческому сhemeia от cheo - лью, отливаю, что указывает на связь алхимии с искусством плавки и литья металлов. Другое толкование - от египетского иероглифа «хми», означавшего черную (плодородную) землю, в противовес бесплодным пескам. Этим иероглифом обозначался Египет, место, где, возможно, возникла алхимия, которую часто называли «египетским искусством». Арабы снабдили это слово еще своей арабской приставкой «ал», и таким образом сформировалось слово алхимия. Впервые термин «алхимия» встречается в рукописи Юлия Фирмика, астролога 4 века.
Важнейшей задачей алхимики считали превращение (трансмутацию) неблагородных металлов в благородные (ценные), в чем собственно и заключалась главная задача химии до 16 столетия. Эта идея базировалась на представлениях греческой философии о том, что материальный мир состоит из одного или нескольких «первоэлементов», которые при определенных условиях могут переходить друг в друга. Распространение алхимии приходится на 4-16 века, время развития не только «умозрительной» алхимии, но и практической химии. Несомненно, что эти две отрасли знания влияли друг на друга. Недаром знаменитый немецкий химик Либих писал про алхимию, что она «никогда не была ничем иным, как химией».
Таким образом, алхимия относится к современной химии так, как астрология к астрономии. Задачей средневековых алхимиков было приготовление двух таинственных веществ, с помощью которых можно было бы достичь желанного облагораживания металлов. Наиболее важный из этих двух препаратов, который должен был обладать свойством превращать в золото не только серебро, но и такие, например, металлы, как свинец, ртуть и т. д., носил название философского камня, красного льва, великого эликсира. Он также именовался философским яйцом, красной тинктурой, панацеей и жизненным эликсиром. Это средство должно было не только облагораживать металлы, но и служить универсальным лекарством, раствор его, так называемый золотой напиток, должен был исцелять все болезни, омолаживать старое тело и удлинять жизнь.
Другое таинственное средство, уже второстепенное по своим свойствам, носившее название белого льва, белой тинктуры, ограничивалось способностью превращать в серебро все неблагородные металлы.
Родиной алхимии считается Древний Египет. Сами 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». Арабский ученый аль-Надим (10 век) полагал, что родоначальником алхимии был Гермес Великий, родом из Вавилона, поселившийся в Египте после Вавилонского столпотворения.
Существовали греко-египетская, арабская и западно-европейская школы алхимии. Римский император Диоклетиан повелел в 296 г. предавать сожжению все египетские рукописи, касающиеся искусства делать золото (речь, вероятно, шла о позолоте и искусстве изготовления поддельных украшений). В 4 веке нашей эры задача превращения металлов в золото исследовалась Александрийской школой ученых. Писатель, выступавший под псевдонимом Демократа, принадлежавший к александрийским ученым, своим сочинением «Физика и мистика» положил начало длинному ряду алхимических руководств. Для того чтобы обеспечить успех, такие труды появлялись под именами известных философов (Платон, Пифагор и т. д.), но вследствие общей затемненности стиля, они мало доступны пониманию, так как большинство своих достижений алхимики держали в секрете, зашифровывали описания полученных веществ и проведенных опытов.
Крупнейшая коллекция алхимических рукописей хранится в Библиотеке Святого Марка в Венеции.
Греки были учителями арабов, давших алхимии имя. Запад воспринял алхимию от арабов в 10-м столетии. В период с 10 по 16 век алхимией занимались известные ученые, оставившие след в европейской науке. Например, Альберт Великий, создатель работы «О металлах и минералах», и Роджер Бэкон, оставивший потомству труды «Могущество алхимии» и «Зеркало алхимии», были также и знаменитейшими алхимиками своего времени. Арнольдо де Вилланова, выдающийся врач, умерший в 1314 г., он издал более 20 алхимических трудов.
Раймунд Луллий, известнейший ученый 13 и 14 веков, был автором 500 сочинений алхимического содержания, главное из которых имеет название «Завещание, излагающее в двух книгах всеобщее химическое искусство». (Многие специалисты считают, впрочем, что известный своей набожностью Луллий этих сочинений не писал, и они лишь приписаны ему)..
В 15-17 веках многие коронованные особы ревностно занимались алхимией. Таков, например, английский король Генрих VI, в правление которого страна была наводнена фальшивым золотом и фальшивой монетой. Металл, игравший в этом случай роль золота, был по всей вероятности медной амальгамой. Подобным же образом действовал и Карл VII во Франции, вместе с известным мошенником Жаком ле Кер.
Император Рудольф II был покровителем странствующих алхимиков, и его резиденция представляла центр алхимической науки того времени. Императора называли германским Гермесом Трисмегистом.
Курфюрст Август Саксонский и его супруга Анна Датская производили опыты: первый - в своем дрезденском «Золотом дворце», а его супруга - в роскошно устроенной лаборатории на своей даче «Фазаний сад». Дрезден долго оставался столицею государей, покровительствующих алхимии, особенно в то время, когда соперничество за польскую корону требовало значительных денежных расходов. При саксонском дворе алхимик И. Бетгер, не сумевший сделать золото, впервые в Европе открыл фарфор.
Одним из последних адептов алхимии был Каэтан, называемый графом Руджиеро, родом неаполитанец, сын крестьянина. Он действовал при мюнхенском, венском и берлинском дворах, пока не окончил своих дней в 1709 году в Берлине на виселице, украшенной мишурным золотом.
Но и после распространения уже собственно химии, алхимия вызывала интерес у многих, в частности И.В. Гете несколько лет посвятил изучению трудов алхимиков.
Из дошедших до нас алхимических текстов видно, что алхимикам принадлежит открытие или усовершенствование способов получения ценных соединений и смесей, таких, как минеральные и растительные краски, стекла, эмали, соли, кислоты, щелочи, сплавы, лекарственные препараты. Они использовали такие приемы лабораторных работ, как перегонка, возгонка, фильтрование. Алхимики изобрели печи для длительного нагревания, перегонные кубы.
Достижения алхимиков Китая и Индии остались неизвестны в Европе. В России алхимия не была распространена, хотя трактаты алхимиков были известны, а некоторые даже переведены на церковно-славянский язык. Мало того, Московскому двору немецкий алхимик Ван Гейден предлагал свои услуги по приготовлению философского камня, но царь Михаил Федорович после «расспроса» эти предложения отклонил.
То, что алхимия не получила распространения на Руси, объясняется тем, что деньги и золото на Руси начали широко применять позже по сравнению с западными странами, так как здесь позднее происходил переход с оброка на денежную ренту. Кроме того, мистицизм, туманность целей и нереальность способов алхимии противоречили здравому смыслу и деловитости русских людей. Почти все русские алхимики (самый знаменитый из них Я. Брюс) иностранного происхождения.
Химия в средние века
С эпохи Возрождения химические исследования все в большей степени стали использовать для практических целей (металлургия, стеклоделие, производство керамики, красок). В начале VI века алхимики стали использовать полученные знания для нужд промышленности и медицины. Реформатором в области горного дела и металлургии явился Агрикола, а в области медицины - Парацельс, который указывал, что « цель химии состоит не в изготовлении золота и серебра, а в изготовлении лекарств». В 16-18 веках возникло также особое медицинское направление алхимии - ятрохимия (иатрохимия), представители которого рассматривали процессы, происходящие в организме, как химические явления, болезни - как результат нарушения химического равновесия и ставили задачу поиска химических средств их лечения.
Все настойчивее становилось желание исследователей понять истинные причины необъяснимых процессов, раскрыть тайны великих, но случайных достижений практики. Множилось число опытов, появлялись первые научные гипотезы. В средние века человек начал активно и сознательно соперничать с Природой в получении полезных веществ и материалов. Постепенно создавалась химическая наука, и уже в средневековье появилось химическое производство.
На Руси химия развивалась преимущественно самобытно. В Киевской Руси осуществляли выплавку металлов, производство стекла, солей, красок, тканей. При Иване Грозном в Москве в 1581 г. была открыта аптека. При Петре I были построены купоросные и квасцовые заводы, первые химические мануфактуры, а в Москве насчитывалось уже восемь аптек. Дальнейшее развитие химии в России связано с работами М.В. Ломоносова.
Более двухсот лет назад наш знаменитый соотечественник Михаил Васильевич Ломоносов выступил в публичном собрании петербургской Академии наук. В докладе, сохранившемся в истории науки под красноречивым названием « Слово о пользе химии», мы читаем вещие строки: «Широко распростирает химия руки свои в дела человеческие... Куда ни посмотрим, куда ни оглянемся, везде обращаются веред очами нашими успехи ее прилежания».
Глубокие и оригинальные исследования Михаила Васильевича способствовали развитию не только теории химии, но и химической практики. Ему удалось разработать простую технологию окрашивания стекла, он делал яркие искусственные мозаичные плитки, превосходившие по сочности и разнообразию оттенков натуральные цветные камни, пластинки из которых много веков использовались для составления мозаик, украшавших здания. М.В. Ломоносов наладил, выражаясь современным языком, их промышленный выпуск. Это была одна из первых в истории химии побед синтезированного, изготовленного человеком нового материала над веществом, созданным Природой. Удачи все же приходили слишком редко. Наиболее проницательные ученые XVIII века, и среди них М.Н. Ломоносов, понимали, что научные основы химии только закладываются. Нельзя же все время следовать по бесконечному пути бесчисленных опытов и повторять одни и те же ошибки. Для дальнейшего прогресса химии были жизненно необходимы новые теории, объясняющие опытные данные и предсказывающие, как поведут себя материалы и вещества при изменении условий, в которых они находятся.
Во 2-й половине 17 века Р. Бойль дал первое научное определение понятия «химический элемент». Период превращения химии в подлинную науку завершился во 2-й половине 18 века, когда был открыт М. В. Ломоносовым (1748 г.) и в общем виде сформулирован А. Лавуазье (1789 г.) закон сохранения массы при химических реакциях. В настоящее время этот закон формулируется так: сумма массы вещества системы и массы, эквивалентной энергии, полученной или отданной той же системой, постоянна. При ядерных реакциях закон сохранения массы следует применять в современной формулировке.
В начале 19 века Дж. Дальтон заложил основы химической атомистики, А. Авогадро ввел понятие «молекула» (новолатинское molecula, уменьшительное от латинского moles - масса). В современном понимании это микрочастица, образованная из атомов и способная к самостоятельному существованию. Она имеет постоянный состав входящих в нее атомных ядер и фиксированное число электронов и обладает совокупностью свойств, позволяющих отличать молекулы одного вида от молекул другого. Число атомов в молекуле может быть различным: от двух до сотен тысяч (например, в молекуле белков); состав и расположение атомов в молекуле передает химическая формула. Молекулярное строение вещества устанавливается рентгеноструктурным анализом, электронографией, масс-спектрометрией, электронным парамагнитным резонансом (ЭПР), ядерным магнитным резонансом (ЯМР) и другими методами.
Эти атомно-молекулярные представления утвердились лишь в 60-х годах 19 века. Тогда же А.М. Бутлеров создал теорию строения химических соединений, а Д.И. Менделеев (1869 г.) открыл периодический закон, представляющий собой естественную систему химических элементов. Современная формулировка этого закона звучит так: свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда их атомных ядер. Заряд ядра Z равен атомному (порядковому) номеру элемента в системе. Элементы, расположенные по возрастанию Z (H, He, Li, Be...), образуют 7 периодов. В 1-м - 2 элемента, во 2-м и 3-м - по 8, в 4-м и 5-м - по 18, в 6-м - 32. В 7-м периоде (на 1990 г.) известны 23 элемента. В периодах свойства элементов закономерно изменяются при переходе от щелочных металлов к благородным газам. Вертикальные столбцы - группы элементов, сходных по свойствам. Внутри групп свойства элементов также изменяются закономерно (напр., у щелочных металлов при переходе от Li к Fr возрастает химическая активность). Элементы с Z = 58-71, а также с Z = 90-103, особенно сходные по свойствам, образуют 2 семейства - соответственно лантаноиды и актиноиды. Периодичность свойств элементов обусловлена периодическим повторением конфигурации внешних электронных оболочек атомов. С положением элемента в системе связаны его химические и многие физические свойства. Тяжелые ядра неустойчивы, поэтому, напр., америций (Z = 95) и последующие элементы не обнаружены в природе; их получают искусственно при ядерных реакциях.
Закон и система Менделеева лежат в основе современного учения о строении вещества, играют первостепенную роль в изучении всего многообразия химических веществ и в синтезе новых элементов.
Полное научное объяснение периодическая система элементов Менделеева получила на основе квантовой механики. Квантовая механика впервые позволила описать структуру атомов и понять их спектры, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов и т. д. Т. к. свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием образующих их частиц, законы квантовой механики лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений. Так, квантовая механика позволила понять многие свойства твердых тел, объяснить явления сверхпроводимости, ферромагнетизма, сверхтекучести и многое др.; квантовомеханические законы лежат в основе ядерной энергетики, квантовой электроники и т. д. В отличие от классической теории, все частицы выступают в квантовой механике как носители и корпускулярных, и волновых свойств, которые не исключают, а дополняют друг друга.
С конца 19 - начала 20 веков важнейшим направлением химии стало изучение закономерностей химических процессов.
Современное развитие химии
Из чего состоят химические соединения? Как устроены мельчайшие частицы материи? Как расположены они в пространстве? Что объединяет эти частицы? Почему одни вещества реагируют между собой, а другие - нет? Можно ли ускорить течение химических реакций? Вероятно, больше, чем для любой другой науки, для химии требовалось понимание первооснов, знание первопричин. И химики успешно применяли в своих рассуждениях основные положения атомно-молекулярной теории задолго до появления точных экспериментальных доказательств реального существования атомов и молекул. В историю химической науки вошли теоретические обобщения А.Л. Лавуазье, Д.У. Гиббса, Д.И. Менделеева и других выдающихся ученых. Периодический закон и периодическая система элементов, законы химического равновесия и теория химического строения неотделимы сейчас от новых представлений о химии.
Значительный вклад в развитие химии внес выдающийся русский ученый А.М. Бутлеров. В 1861 г. он создал теорию строения органических соединений, которая позволила привести в систему огромное число органических веществ и без которой не мыслимы были бы современные успехи в создании новых полимерных материалов.
Теории химической связи, созданные в XX веке, позволяют описать все тонкости взаимоотношений частиц, входящих в состав вещества. Открыты законы, управляющие течением химических процессов. Теперь экспериментаторы и технологи имеют возможность выбрать самый простой и эффективный способ осуществления любой химической реакции. У химии появился прочный фундамент, рожденный в союзе с математикой и физикой. Химия превратилась в точную науку. Необыкновенные успехи практической химии, опиравшейся на глубокое теоретическое постижение химических явлений, были достигнуты за сравнительно недолгое время, отделяющее нас от эпохи Ломоносова. Разгаданы, например, разнообразные стадии химического процесса, позволившего Природе превратить органические вещества в полезные для нас сегодня нефть и газ. Эта важная для современной промышленности реакция происходила с участием микроорганизмов и длилась многие сотни и тысячи лет. Удалось не только понять, но и воссоздать этот процесс. Ученые Московского университета разработали установку, в которой под благотворным влиянием света ламп в неглубоком бассейне с питательным раствором, содержащим органические вещества и микроорганизмы, происходит ускоренно - в течение нескольких дней и месяцев - получение искусственных нефти и газа.
Химия наших дней способна и на более неожиданные превращения. Разработан промышленный химический аппарат - высокий цилиндр, в верхнюю часть которого подается измельченная зеленая травяная масса. Внутри колонны особые биологические соединения - ферменты, ускоряющие химические реакции, по программе, заданной учеными, преобразуют непрерывно поступающую массу в... молоко. К этим «чудесам» мы привыкли так же быстро, как к полетам в космос. Не существует, вероятно, сферы человеческой деятельности, где не применялись бы изделия из материалов, появившихся на свет благодаря таланту и кропотливому труду нескольких поколений химиков. По своим свойствам они часто превосходят химические творения Природы. Эти материалы незаметно и прочно вошли в наш быт, но удивление людей, впервые их увидевших, вполне понятно. В начале семидесятых годов нашего века любознательные и вездесущие туристы обнаружили в глухом углу бескрайних сибирских лесов семью, прожившую вдали от городов и сел несколько десятков лет. Что же поразило отшельников больше всего среди вещей, принесенных туристами? Прозрачная пластмассовая пленка! «Стекло, а мнется»,- восхищенно сказал седобородый глава семьи, ощупывая и разглядывая на свет полиэтиленовую пленку - один из многих синтетических материалов, придуманных химиками для облегчения и улучшения нашего хозяйства и быта. Материалов, ставших полезной и незаметной частью повседневной жизни людей. Химия сейчас способна получать вещества с заранее намеченными свойствами: морозостойкие и жаропрочные, твердые и мягкие, жесткие и эластичные, любящие влагу и влагонепроницаемые, сплошные и пористые, чувствительные к воздействию малейших следов посторонних примесей или инертные по отношению к сильнейшим химическим влияниям.
Появление внутри полупроводника одного постороннего атома примеси на миллион атомов основного вещества изменяет его свойства до неузнаваемости: полупроводник начинает чувствовать свет и проводить электрический ток. Химики разработали методы полной очистки полупроводников от примесей, создали способы введения в их состав малого количества примесей, придумали приборы, сигнализирующие о появлении в веществе «чужеродных» атомов. Ученые умеют синтезировать материалы, стабильные и неизменные даже при длительном воздействии солнечного света и тепла, холода и влаги.
Химические открытия происходят в лабораториях всего мира, где рождаются новые сложные соединения. Известный французский химик М. Бертло с гордостью указывал на внутреннюю общность химии и искусства, которая коренится в их творческой природе. Химия, как и искусство, сама создает объекты для изучения и своих дальнейших исследований. И эта особенность, по мнению М. Бертло, отличает химию от других естественных и гуманитарных наук. Без глубокого понимания химических законов нельзя всесторонне и полно объяснить явления, изучаемые биологами и физиками, археологами и ботаниками, геологами и зоологами.
В современной химии отдельные ее области - неорганическая химия, органическая химия, физическая химия, аналитическая химия, химия полимеров стали в значительной степени самостоятельными науками. На стыке химии и других областей знания возникли такие дочерние, родственные науки, как:
биохимия - наука, которая изучает входящие в состав организмов химические вещества, их структуру, распределение, превращения и функции. Первые сведения по биохимии связаны с хозяйственной деятельностью человека (обработка растительного и животного сырья, использование различных типов брожения и т. п.) и медициной. Принципиальное значение для развития биохимии имел первый синтез природного вещества - мочевины (Ф. Велер, 1828 г.), подорвавший представления о «жизненной силе», участвующей якобы в синтезе различных веществ организмом. Используя достижения общей, аналитической и органической химии, биохимия в 19 веке сформировалась в самостоятельную науку. Внедрение в биологию идей и методов физики и химии и стремление объяснить такие биологические явления, как наследственность, изменчивость, мышечное сокращение и др., строением и свойствами биополимеров привело в середине 20 века к выделению из биохимии молекулярной биологии. Потребности народного хозяйства в получении, хранении и обработке различных видов сырья привели к развитию технической биохимии. Наряду с молекулярной биологией, биофизикой, биоорганической химией биохимию включают в комплекс наук - физико-химическую биологию;
агрохимия - наука о химических процессах в почве и растениях, минеральном питании растений, применении удобрений и средств химической мелиорации почв; основа химизации сельского хозяйства. Сформировалась во 2-й половине 19 века. Становление агрохимии связано с именами А. Тэера, Ю. Либиха, Д. И. Менделеева, Д. Н. Прянишникова и др. Развивается на основе достижений агрономии и химии;
геохимия - наука, изучающая химический состав Земли, распространенность в ней химических элементов и их стабильных изотопов, закономерности распределения химических элементов в различных геосферах, законы поведения, сочетания и миграции (концентрации и рассеяния) элементов в природных процессах. Термин «геохимия» введен К. Ф. Шенбейном в 1838 г. Основоположники геохимии - В. И. Вернадский, В. М. Гольдшмидт, А. Е. Ферсман; первая крупная сводка по геохимии (1908 г.) принадлежит Ф. У. Кларку (США). Геохимия включает: аналитическую геохимию, физическую геохимию, геохимию литосферы, геохимию процессов, региональную геохимию, гидрогеохимию, радиогеохимию, изотопную геохимию, радиогеохронологию, биогеохимию, органическую геохимию, геохимию ландшафта, геохимию литогенеза. Геохимия - одна из теоретических основ поисков полезных ископаемых; и другие. На законах химии базируются такие технические науки, как химическая технология, металлургия.
Окруженная науками-сестрами и науками-дочерьми, химия продолжает развиваться. Она помогает нам понять самих себя, позволяет постичь очень многие происходящие в мире сложные процессы.
Химия и охрана окружающей среды
Все чаще возникает и совсем другая проблема: быстрее и бесследнее растворить или разъять на отдельные простые элементы материалы, ставшие уже ненужными человеку. Некоторые стойкие химические вещества, особенно искусственные полимеры, образованные очень большими молекулами, сохраняются в земле десятки и сотни лет, не разрушаясь. Химики разрабатывают сейчас синтетические ткани, пленки, волокна, пластмассы из созданных в лаборатории полимеров, подобных крахмалу или клетчатке, образуемых в растениях. По окончании срока их полезной службы эти полимеры будут быстро и легко распадаться, не загрязняя окружающую среду. Химия с каждым днем полнее и разнообразнее использует богатства Земли, хотя уже давно пора начать их экономить. Ученым все время необходимо вспоминать предостережение древнеримского философа Сенеки: «Как считали наши предки, поздно быть бережливым, когда осталось на донышке. Да и к тому же остается там не только мало, но и самое скверное». Мы должны беречь нашу Землю, мы стольким ей обязаны...
Больше внимания стали обращать ученые и на чистоту воздуха, которым дышит все живое на Земле. Атмосфера Земли - не просто механическая смесь газов. В окружающей Землю газовой оболочке происходят быстрые химические реакции, и некоторые промышленные выбросы в атмосферу могут привести к необратимым и нежелательным изменениям в хрупком балансе разнородных, но очень важных для нас составляющих воздуха. Советский ученый В. Л. Тальрозе справедливо отметил однажды, как ничтожно малы массы веществ, образующих жизненно необходимую растениям, животным и человеку газовую оболочку Земли: «Слой вещества, создающий давление всего в один килограмм на квадратный сантиметр,- вот та среда, в которой мы живем и работаем, которая проводит звуки к нашему уху, пропускает свет Солнца. Десять миллиграммов углекислого газа из каждого килограмма этого вещества, взаимодействуя с солнечным светом, непрерывно поддерживают жизнь на Земле, 300 микрограмм озона защищают эту жизнь от губительного ультрафиолета, миллионная микрограмма электронов создает возможность общаться по радио. Эта среда, которая позволяет нам летать друг к другу, которой мы дышим, наконец, она тоже живет, живет физически: это не только бурный воздушный океан, но и газовый химический реактор». Химики научились создавать новые вещества и даже сумели обогнать Природу, получив материалы, в которых соединилось несоединимое. Сейчас ученые исследуют способность и умение Природы поддерживать мудрое равновесие между противоположными процессами: отнимая у Земли ее минеральные богатства, они стараются сохранить в неприкосновенности чистоту рек, озер, морей, прозрачность воздуха и благоухающий запах трав.
алхимия химия лабораторный естественный
Заключение
Химия оказалась в центре важных и сложных физических процессов. Химические реакции происходят не только в окружающем нас мире, но и в тканях, клетках, сосудах человеческого тела. Ученые XX века обнаружили, что именно химия помогает человеку различать запахи и цвета, позволяет быстро откликаться на едва уловимые перемены, происходящие в Природе. Зрительный пигмент родопсин улавливает световые лучи, и мы видим многообразие красок вокруг. Пахучие травы и растения рассылают во все стороны летучие органические молекулы, попадающие на чувствительные центры в органах обоняния живых существ, передавая тончайшие запахи Природы. В ответ на любое внешнее раздражение мозг человека посылает по нервным волокнам сигнал тревоги или радости, действия или успокоения. В организме человека нервные волокна, руководящие нашим движением, и мышцы, осуществляющие его, разделены зазором шириной не более 50 нанометров. Это расстояние в 1000 раз меньше толщины человеческого волоса. Окончания нервных волокон выделяют органическое вещество - ацетилхолин, который передает химический сигнал мышцам любого органа, совершая прыжок через пространство, отделяющее волокна от мышц.
Бурные химические процессы протекают внутри далеких звезд и в термоядерных реакторах, созданных учеными. Непрерывно идет химическое взаимодействие атомов и молекул в растениях и в недрах Земли, на поверхности водных просторов и в толще горных хребтов. Природа многое доверила химии и не ошиблась: химия оказалась ее верным союзником и трудолюбивым помощником.
Не может существовать и развиваться без химии ни одна из областей современных естественных наук.
Впереди у химии - и радости свершений, и трудности преодолений.
Химия к ним готова. В этот далекий, интересный поход она отправляется вместе с лучшим другом - неуемной, беспокойной, ищущей человеческой мыслью.
Список литературы
1. Габриелян О. С. Химия. 8 класс: Учеб. для общеобразоват. Учеб. Заведений. - 4-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2000. - 208 с.: ил.
2. Колтун М. М. Мир химии: Научно-художественная лит-ра / Оформ. Б. Чупрыгин. - М.: Дет. лит., 1988.- 303 с.: ил., фотоил.
3. Концепции современного естествознания: Сер. «Учебники и учебные пособия» / Под ред. С. И. Самыгина. - Ростов н/Д: «Феникс», 1997. - 448 с.
4. Современная мультимедиа-энциклопедия «Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия 2004» / © «Кирилл и Мефодий» 2002, 2003, с изменениями и дополнениями, © «МультиТрейд», 2004.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Основные этапы развития химии. Алхимия как феномен средневековой культуры. Возникновение и развитие научной химии. Истоки химии. Лавуазье: революция в химии. Победа атомно-молекулярного учения. Зарождение современной химии и ее проблемы в XXI веке.
реферат , добавлен 20.11.2006
Происхождение термина "химия". Основные периоды развития химической науки. Типы наивысшего развития алхимии. Период зарождения научной химии. Открытие основных законов химии. Системный подход в химии. Современный период развития химической науки.
реферат , добавлен 11.03.2009
Теоретическая основа аналитической химии. Спектральные методы анализа. Взаимосвязь аналитической химии с науками и отраслями промышленности. Значение аналитической химии. Применение точных методов химического анализа. Комплексные соединения металлов.
реферат , добавлен 24.07.2008
Процесс зарождения и формирования химии как науки. Химические элементы древности. Главные тайны "трансмутации". От алхимии к научной химии. Теория горения Лавуазье. Развитие корпускулярной теории. Революция в химии. Победа атомно-молекулярного учения.
реферат , добавлен 20.05.2014
От алхимии - к научной химии: путь действительной науки о превращениях вещества. Революция в химии и атомно-молекулярное учение как концептуальное основание современной химии.Экологические проблемы химической компоненты современной цивилизации.
реферат , добавлен 05.06.2008
Зарождение химии в Древнем Египте. Учение Аристотеля об атомах как идейная основа эпохи алхимии. Развитие химии на Руси. Вклад Ломоносова, Бутлерова и Менделеева в развитие этой науки. Периодический закон химических элементов как стройная научная теория.
презентация , добавлен 04.10.2013
История химии как науки. Родоночальники российской химии. М.В.Ломоносов. Математическая химия. Атомная теория - основа химической науки. Атомная теория просто и естественно объясняла любое химическое превращение.
реферат , добавлен 02.12.2002
Истоки и развитие химии, ее связь с религией и алхимией. Важнейшие особенности современной химии. Основные структурные уровни химии и ее разделы. Основные принципы и законы химии. Химическая связь и химическая кинетика. Учение о химических процессах.
реферат , добавлен 30.10.2009
Основные функции химии. Свойства моющих и чистящих средств. Использование химии в здравоохранении и образовании. Обеспечение роста производства, продление сроков сохранности сельхозпродукции и повышение эффективности животноводства при помощи химии.
презентация , добавлен 20.12.2009
Химия как одна их важнейших наук для человечества. Основные периоды развития науки. Символика алхимии. Становление технической химии и ятрохимии. Таблица атомных масс Дальтона. Открытие электрона и радиоактивности. Структурная и физическая химия.
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 (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.
Эволюцию химии можно представить как последовательную смену представлений о химической природе веществ и соединений и химических взаимодействиях. В истории развития химической науки познание химических свойств на уровне элементного состава, на уровне структуры химических соединений, на уровне осуществления химических реакций шло во многом параллельно, но в логическом смысле целесообразно представить эти этапы как последовательно сменяющие друг друга. Традиционно выделяются следующие исторические этапы развития химии: алхимия – от периода древних цивилизаций до XVI в., период зарождения научных представлений XVII – XVIII века, период формирования науки химии и ее основных законов XIX, начало XX веков, современный – вторая половина XX столетия.
Химия достаточно долго существовала и развивалась в форме псевдо науки – алхимии. Алхимия родилась из невозможности подлинно научного анализа накопленных в данной области знаний и под влиянием религиозно-мистического способа их осмысления. Алхимией в истории химии называют длительный период в развитии химического знания с 300 по 1600 гг н.э. Несмотря на то, что алхимия ставила изначально мистические задачи: трансмутацию (взаимопревращение) элементов и создание элексира бессмертия, она послужила несомненным толчком к развитию химической науки. Практический опыт по проведению химических реакций, описание и анализ свойств химических соединений, открытие и технология получения важнейших соединений химии, например, соляной и серной кислот – вот неполный перечень основных достижений алхимии.
Начало становления подлинной химии связывается с деятельностью Роберта Бойля (1627-1691) - английского химика и физика. Бойль проявил осознанный скептицизм по отношению к античному умозрительному установлению элементов. Неслучайно его основополагающая работа 1661 г. называлась «Химик-скептик». Именно после этой работы наука стала называться химией, а ученые – химиками. Первоначальным этапом развития химии следует считать поиск природы химизма. Химического "атома", т.е. того, что определяет свойства различных веществ и типы реакций между ними. Это нечто получило в последствии название элемента .
Идея химического элемента начинает свою жизнь в древнегреческой мысли о качественно обособленных стихиях, из которых состоит все окружающее. Эволюция этой идеи - есть долгий описательный период в развитии химии. Период, когда науки в полном смысле этого слова еще не существовало, но была и бурно развивалась сумма разрозненных знаний о различных веществах и их соединениях.
Мысль о том, что свойства веществ зависят от их элементного состава, а также то, что перечень элементов должен быть найден в опытах высказал все тот же Роберт Бойль . Он считал, что элементом является далее неразложимое химически вещество. Единственным известным в то время методом химического разложения считалось прокаливание. Столь несовершенный метод не мог, разумеется, дать правильных результатов, при несомненной истинности самой идеи: устанавливать элементы не умозрительно, как античные натурфилософы, а опытным путем.
Французский химик Антуан-Лоран Лавуазье (1743-1794) предпринял первую попытку классификации химических элементов. В 1789 г. Лавуазье опубликовал книгу «Элементарный курс химии» . В этом учебнике содержался перечень всех известных в то время элементов. Он указал 33 элемента, среди которых были: Кислород, Сера, Фосфор, Мышьяк, Сурьма, Висмут, Кобальт, Медь, Олово, Железо, Золото, Свинец, Марганец, Ртуть, Молибден, Платина, Никель, Серебро, Вольфрам и Цинк . К числу химических элементов Лавуазье ошибочно отнес: свет, теплород, магнезию, кремнезем и глинозем, - разложимость которых еще не была известна. Кроме того, Лавуазье создал основы классификации химических соединений, положив конец произволу в этой области. Согласно созданной Лавуазье классификации состав веществ можно определить по их названию, например, - хлорид кальция содержит Ca и Cl . Была также разработана система суффиксов, которые показывали относительное количество того или иного вещества в соединении.
В начале XIX века число открытых химических элементов стало стремительно возрастать. Были открыты такие элементы как бор, палладий, родий, церий, осмий, иридий, ниобий, тантал и др. Встал вопрос о числе химических элементов и их классификации. Ряд ученых уловили основы некоторых закономерностей, лежащих в основе списка химических элементов. Решающий успех в деле упорядочения химических элементов выпал на долю Д.И.Менделеева, который положил в основу своей классификации химических элементов атомную массу. Открытие Д.И.Менделеевым периодического закона датируется 1 марта (по новому стилю) 1869 г., когда им была составлена таблица «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве» . Окончательный вид своей таблице Менделеев придал в 1871 году. Будучи уверенным в истинности своей классификации, он предсказал на месте пропусков своей таблицы существование трех новых элементов. Менделеев назвал их экабор, экаалюминий и экакремний . На санскрите приставка «эка»- обозначает «то же самое». В 1875 г. Поль Эмиль Лекок де Буабордан (1838-1912) открыл галлий , в котором Менделеев узнал свой экаалюминий. В 1979 г. Ларс Фредерик Нильсон (1840-1899) открыл скандий , в котором был узнан экабор, а в 1886 г. Клеменс Александр Винклер (1838-1904) открыл германий , идентичный экакремнию. Истинность взглядов Д.И.Менделеева была тем самым блестяще подтверждена.
Периодическому закону Д.И.Менделеева предстояло серьезное испытание в связи с открытием в середине – конце XIX столетия так называемых редкоземельных элементов. Они обладали сходными химическими свойствами и валентностью, равной 3 и близкими атомными весами. Причины сходства химических свойств редкоземельных элементов в то время не удалось. Возникла проблема с размещением в таблице вновь открытых элементов. Приблизительно в это же время были открыты инертные газы – элементы с нулевой валентностью. В результате 14 редкоземельных элементов были размещены в дополнительной группе, а инертные газы организовали самостоятельный столбец в таблице, которая приобрела, таким образом, современный вид.
Позднее было установлено, что химические свойства элементов зависят не от атомной массы, а от заряда атомного ядра. Становление квантовой физики позволило вскрыть действительную сущность периодического закона Менделеева и раскрыло путь к синтезу новых элементов и их изотопов. При жизни Менделеева было известно только 62 химических элемента, а в настоящий момент их - 112. На базе квантовой механики были получены ответы на вопрос о числе возможных в земных условиях химических элементов, указан путь и осуществлен процесс получения искусственных элементов.
Таким образом, первый этап в развитии химии (первый концептуальный уровень химических представлений) можно назвать уровнем исследования химических свойств веществ, определяемых их элементным составом. Историю проблемы химического элемента завершает создание периодического закона и его современной интерпретации. Это обозначает, что современная наука в состоянии ответить на вопросы: что такое химический элемент? Как свойства элемента связаны с его внутренней структурой? Каково число возможных изотопов данного элемента? и подобные данным вопросы.
В ходе развития представлений о химизме стало понятно, что химические свойства веществ зависят не только от того, из каких элементов данные вещества состоят, но в гораздо большей степени от того, как соединены данные элементы.
Проблема химического соединения - это проблема природы химической связи, объединяющей атомы различных веществ в квантовомеханическую систему - молекулу. Большинство атомов различных веществ не могут существовать самостоятельно. Самостоятельно существовать в природе могут только молекулы, поскольку только в молекуле достигается устойчивость вещества за счет насыщения электронных оболочек его атомов. Именно молекула обладает свойствами вещества, в том числе, и способностью вступать в те или иные химические реакции.
В современной химии различают три вида химических связей, возникающих при различных формах перестройки (обобществления) валентных электронов: ковалентную, ионную и металлическую .
Ковалентная связь осуществляется за счет образования электронных пар, в одинаковой мере принадлежащих обоим атомам.
Ионная - представляет собой электростатическое притяжение между ионами, образованными путем полного смещения электронной пары к одному из атомов.
Металлическая связь есть связь между положительными ионами в кристаллах металлов, осуществляемая за счет притяжения электронов, свободно перемещающихся по кристаллу. С точки зрения современной химии кристаллы и полимерные вещества макроскопических размеров представляют собой одну гигантскую молекулу.
Вторым этапом (концептуальным уровнем познания химических свойств веществ) можно считать развитие представлений о структуре химического соединения (структурную химию) . В рамках этого этапа химики должны были ответить на такие вопросы как: Как и почему объединяются элементы в соединения? Чем объясняется структура и устойчивость соединений? Какова структура сложных соединений? и т.п. вопросы.
Свое начало структурная химия берет в идеях английского химика Дж.Дальтона (1766-1844) . Дальтон установил закон кратных отношений , из которого непосредственно вытекало, что химические соединения отличаются по составу на целые атомы. Молекулы, образованные из различных атомов, обладают свойствами отличными от свойств элементов, их составляющих. Йенс Якоб Берцелиус (1779-1848) - шведский химик полагал, что атомы различных веществ обладают различными электрическими зарядами, поэтому объединение их в молекулу приводит к частичной нейтрализации зарядов. Благодаря остающимся избыточным электрическим зарядам молекулы веществ могут организовывать более сложные химические соединения. В 1852 г. Английский химик Эдуард Франкланд (1825-1899) выдвинул идею, которая позднее стала называться теорией валентности (от лат. Valentia – сила).
Подлинным основателем структурной химии можно считать немецкого химика Фридриха Августа Кекуле фон Страдоница (1829-1896) , который сформулировал основные положения теории валентности. Понятие валентных электронов введено другим немцем - физиком Иоханнесом Штарком (1874-1957) . Идеи Ф.Кекуле нашли свое широкое использование в органической химии (молекулы органических веществ в целом много сложнее, чем неорганических). Теория валентности позволила записывать не только буквенные (брутто-формулы), но и структурные формулы химических веществ, которые по ряду показателей гораздо более информативны, чем буквенные. Так раскрылась возможность химической топологии. Русский химик Александр Михайлович Бутлеров (1823-1886) показал, что с помощью структурных формул можно наглядно объяснить существование изомеров. Изменение расположения атомов и групп в молекуле приводит к значительным изменениям химических свойств соединения. Структурные формулы не могли отразить лишь особо сложный тип изомерии – оптическую изомерию.
В конце XIX века датчанином Якобом Гендриком Вант-Гоффом(1852-1911) была обнаружена асимметричность четырехвалентного атома углерода в органических соединениях. В конце XIX столетия утвердилось мнение, что пространственная оптическая изомерия характерна не только для углерода, но и некоторых азотсодержащих соединений, соединений кобальта, хрома, родия и ряда других металлов. Швейцарский химик Альфред Вернер (1866-1919) создал теорию вторичных валентностей , которые порождаются изменением конфигурации электронных облаков в молекулярной структуре. Первоначально считалось, что они резко отличаются от валентных сил, но впоследствии пришли к оправданному мнению, что существенных различий между первичными и вторичными валентностями не существует. На основе этой теории объясняется строение таких веществ, как, например, гемоглобин, хлорофилл .
Дальнейшее развитие структурной химии связано с вхождением в химию идей квантовой механики. Начало идеям квантовой химии было положено работами Фрица Лондона и Вальтера Гайтлера , которые применили к расчетам электронных облаков в химических молекулах квадрат волновой функции. В XX веке в структурной химии стал применяться рентгеноструктурный анализ , спектроскопия и метод ядерного магнитного резонанса , что позволило раскрыть структурное строение огромного числа сложных молекул органических веществ. Открылись новые пути к пониманию синтеза различных химических соединений и расшифровке их свойств. С вхождением в химию теории валентности в ее квантово-механической форме, построением пространственных вариантов молекул, пониманием от чего зависят и как формируются пространственные конфигурации сложных молекул можно стало считать, что проблема химического соединения в целом решена. В настоящее время перспективными направлениями структурной химии являются: синтез особо чистых кристаллов с заданными свойствами и создание кристаллов с программируемыми дефектами.
Третьим этапом развития химической науки стало учение о химических процессах. Этот этап совпадает с рождением химической промышленности. Процедура получения тех или иных веществ связана с исследованием условий протекания реакций между ними, т.е. влияния на возможность и направление реакции различных физических параметров: температуры, давления, концентрации и т.п. Эта отрасль химических знаний получила название химической термодинамики и кинетики . По своему существу эта отрасль знаний является пограничной между физикой и химией, поэтому эта проблематика породила развитие новой области знаний - физической химии .
Характер протекания химических реакций различен: одни из них идут достаточно легко при нормальных условиях, другие, напротив, чрезвычайно трудно. Многие реакции являются обратимыми, и полученное вещество тут же возвращается в первоначальное состояние. Некоторые химические реакции практически невозможно остановить. Например, реакцию взрыва. Чтобы обеспечить протекание реакции в заданном направлении необходимо управлять ею. Различают термодинамические методы управления химическими реакциями и кинетические . Первые ответственны главным образом за возможность и направленность процессов, вторые - за их скорость.
Американский физик Джозайя Гиббс Уиллард (1839-1903) ввел понятие свободной энергии, которая получила впоследствии название энергии Гиббса. Энергия Гиббса описывается уравнением G = H – TS, где H – энтальпия , S – энтропия, T – температура. Любая химическая реакция сопровождается изменением свободной энергии системы. Скорость изменения свободной энергии при изменении концентрации реагирующих веществ получила название химического потенциала системы. Гиббс доказал, что самопроизвольная химическая реакция идет от точки с высоким потенциалом к точке с низким потенциалом, что аналогично передаче температуры от нагретого тела к холодному. В состоянии химического равновесия система обладает наименьшим значением химического потенциала Гиббса. Изменение концентраций реагирующих веществ влечет за собой и изменение свободной энергии. Этот механизм позволяет управлять ходом химических реакций за счет смещения равновесия в ту или другую сторону. В Европе, где труды Гиббса достаточно долго не были известны, основу учения о термодинамических методах управления химическими процессами создал французский химик Анри Луи Ле Шателье (1850-1936) , который сформулировал принцип подвижного равновесия. Изменение температуры, давления, концентрации - способы сместить равновесие в сторону искомой реакции и получения необходимого продукта .
Кинетический метод опробовал академик Петербургской академии наук К.С.Кирхгоф (1764-1833) , который впервые использовал серную кислоту в качестве катализатора в реакции получения сахара из крахмала. Основы химической кинетики были заложены в 80-х годах XIX века голландским химиком Вант-Гоффом , связавшим скорости реакций с концентрацией реагентов и температурой. Немецкий физикохимик Фридрих Вильгельм Оствальд (1853-1932) , обучавшийся в Дерптском (Тартусском) университете и некоторое время работавший профессором химии в Рижском политехникуме, впервые определил катализатор как вещество, изменяющее скорость реакции, но не входящее в состав конечного продукта .
В XX веке стало понятно, что большинство (порядка 80 процентов) химических реакций идет с участием катализаторов. Различают: катализ , ускоряющий химический процесс, и замедляющий его - ингибитор . В современной химической промышленности используются как катализаторы, так и ингибиторы, управляющие скоростью и направленностью химической реакции.
Химическая кинетика изучает возможности управления химическими реакциями и их зависимость от множества кинетических факторов: строения исходных реагентов, их концентрации, наличия катализаторов, способов и порядка смешения реагентов, материала и конструкции реактора и пр. В XX веке успехи химической кинетики стали особенно заметны в органической химии, где с открытием металлоорганических катализаторов стали возможны многие реакции, считавшиеся ранее неосуществимыми. Так, в 1964 году была открыта реакция синтеза аммиака на металлоорганических катализаторах, протекающая при нормальных условиях. В этот же период были разработаны реакции полимеризации дивинила и изопрена, что позволило получать синтетические каучуки. Применение катализа позволило вовлечь в производство органические парафины и циклопарафины - вещества практически не активные химически. На базе этих реакций строится производство олиф, лаков, пластических масс, горюче-смазочных материалов.
Одну из форм энергии, которая влияет на ход химических реакций, а также может быть получена из некоторых реакций представляет собой свет. Область химии, изучающая влияние света на химические процессы называется фотохимией . В 30-х годах XIX в. была разработана методика фотографии. Химическая сущность фотографии заключается в следующем: отраженный от предмета свет попадает на соединения серебра, вызывая его неравномерное (в зависимости от количества попавшего света) разложение. Последующая химическая реакция восстанавливает соединения серебра до металла. Причем процесс этот также неравномерен. Не успевшее восстановиться серебро, устраняют (фиксирование). Таким образом получают негатив изображения. Последующее облучение через негатив бумаги с нанесенными на нее соединениями серебра приводит посредством того же химического механизма к получению верного изображения (позитива). Фотография широко вошла в нашу жизнь, но она была и остается одним из широко применяемых в науке методов. Из физических наук она шагнула, например, в криминалистику, теорию и практику уголовного процесса и другие виды правоохранительной деятельности.
Одним из интересных следствий химического производства стало получение взрывчатых веществ. В 1945 г. швейцарец Христиан Фридрих Шенбайн (1799-1868) открыл нитроклетчатку – бездымный порох. Однако производство этого вещества удалось наладить много позднее Фредерику Августусу Абелю (1872-1902) . В состав современного бездымного пороха входит нитроглицерин, полученный итальянцем Асканио Собреро (1812-1888) . Также как и в случае с нитроклетчаткой, производство нитроглицерина в безопасной форме удалось наладить Альфреду Бернарду Нобелю (1833-1896) , который назвал полученную им смесь динамитом . Дальнейшие поиски в этом направлении привели к созданию все более мощных и разнообразных взрывчатых веществ, используемых в современной военной и инженерной технике. Использование достижений химии в военных целях совпадает с концом XIX началом XX столетий: взрывчатка, отравляющие газы, противогазы, производство биологического оружия (в настоящий момент запрещено), производство боевых отравляющих веществ.
Четвертым уровнем познания химизмастал уровень эволюционной химии . Этот этап развития химии возможен при соответствующем уровне развития биологии и изучения особенностей химического производства в живых организмах.
Ученых всегда поражала высокая эффективность химических реакций в живом веществе и экономичность энергетических затрат в подобных реакциях. Органический синтез в биомолекулах настолько сложен и отлажен, что эти молекулы с огромной степенью точности воспроизводят себе подобные. Эти особенности живого навели на мысль о необходимости построения принципиально новой химии и нового управления химическими процессами. Совсем не обязательно повторять то, что делается природой. Необходимо понять и использовать принципы, которые открывают возможность реакций, подобных осуществляемым в живых организмах. Связь химии с молекулярной биологией в этих областях изучения привела к развитию смежной отрасли исследований - биохимии .
В 1960-х годах были открыты случаи самосовершенствования катализаторов в ходе реакции, тогда как обычно в ее ходе катализаторы дезактивировались, т.е. теряли свою пригодность. Так в химию вошла одна из важнейших идей современной науки - идея эволюционной самоорганизации .
В процессе изучения истории природного химизма на Земле было выяснено, что на ранних стадиях земного химизма катализ вообще отсутствовал, а его появление связано с ходом биохимических реакций в условиях нехватки энергии . Развитие биоорганического катализа приобрело особый размах при накоплении достаточного количества органических систем. В ходе эволюции биохимических систем отбирались и использовались все более и более эффективные катализаторы, наконец, возник механизм саморазвития и самоорганизации каталитических систем. Органические катализаторы способны повысить скорость реакции в миллиарды раз. Но главное то, что живое вещество непрерывно повышает эффективность своих каталитических систем.
В сложившейся во второй половине XX века эволюционной химии различается два основных направления: субстратное и функциональное .
Первое сосредоточивает свое внимание на материалах - носителях биохимизма. Так, например, отмечается тот факт, что из 8 миллионов известных на сегодняшний момент химических соединений 96% составляют органические. В построении абсолютного большинства из них, природа использовала немногим более десятка элементов таблицы Менделеева. Особое значение в природе имеют достаточно широко распространенные в космосе вещества, каждое из которых используется в соответствии с его внутренними возможностями.
В результате эволюции шел не только отбор химических элементов, эффективно используемых биохимией природы, но и отбор соответствующих соединений. Лучший этому пример, что из 100 известных аминокислот в состав белков входит лишь 20, лишь по четыре нуклеотидных цепочки ДНК и РНК лежат в основе тех аминокислот, которые отвечают за наследственность и регулируют синтез белка в живых организмах.
Второе направление эволюционной химии сосредоточивает внимание на функциональных элементах биохимии - механизмах управления отбором биохимических реакций в ходе предбиологической эволюции .
Основное внимание уделяется саморазвитию катализа и каталитических систем.
В 1969 году была сформулирована общая теория химической эволюции и биогенеза, выдвинутая профессором Московского университета А.П.Руденко . Сущность этой теории состоит в утверждении о том, что эволюционирующим веществом являются катализаторы . В ходе эволюции происходит отбор структур и соединений, обладающих наибольшей активностью. При этом базисная реакция сама претерпевает ряд изменений: она дробится на ряд промежуточных стадий, каждая из которых в свою очередь повышает эффективность новых катализаторов. Базисная реакция выступает при этом в качестве поставщика энергии, обеспечивая возможность собственного саморазвития.
В рамках этой теории было введено понятие элементаpной откpытой каталитической системы – ЭОКC . Взаимодействуя с факторами внешней сpеды, ЭОКC pеагиpyет на них как единое целое. При этом возможны обpатимые и необpатимые изменения порядка ее фyнкциониpования (механизма осyществления базисного обменного процесса, зависящего от пpиpоды катализатоpа и процесса). При обратимых изменениях после пpекpащения действия возмyщающего фактора система возвращается к пpежнемy поpядкy. При необpатимых изменениях пpиpоды ЭОКC система пpиобpетает новый yстойчивый тип фyнкциониpования.
Важное значение для пеpехода из неживого в живое имеет фоpмиpование новых функций ЭОКC при пpеодолении пределов развития. Cyществyют два предела - темпеpатypный и концентрационный . При пpеодолении первого происходит фоpмиpование свойства умножения каталитических функций (свойство однородного роста); при пpеодолении второго фоpмиpyется свойство точной пpостpанственной pедyпликации ЭОКC в целом (свойство размножения). В этом случае достигается общий предел химической эволюции. Дальнейший эволюционный процесс приводит к тому, что химическая эволюция переходит в биологическую, неживые ЭОКC пpевpащаются в простейшие живые системы.
Концептуальное содержание химической картины мира связано, таким образом, с суммой представлений о природе неорганического и органического химизма. Химизм на уровне элемента, на уровне соединения и структуры, на уровне химического процесса и химизм на уровне химической самоорганизации – таковы известные в настоящее время способы проявления химической природы веществ. Эти способы обеспечивают все разнообразие химических процессов природы и лежат в основе современного химического производства, роль которого со второй половины XX века в жизни человечества можно сравнить лишь с ролью овладения огнем или изобретения колеса. Нет ни одной отрасли современного хозяйства и производства, где не использовались бы достижения химии. Основа основ тяжелой индустрии – добыча и обработка металлов опираются на достижения химии, это и легирование сталей и сам процесс плавки, и получение сплавов. Производство горюче-смазочных материалов, без которых невозможно функционирование современной цивилизации – процесс, целиком находящийся в ведении химии. Производство пластических масс, полупроводниковых и других кристаллов, лекарственных препаратов, искусственных заменителей органов и тканей, тепло- и ядерная энергетики – вот далеко не полный перечень химических профессий. Широко применяются физико-химические и чисто химические методы в криминалистических экспертизах (экспертиза веществ и материалов). Правоохранительная деятельность не может не ставить себе на службу самые последние достижения науки. Современная химия дает в руки следствия самые совершенные методы химического, физико-химического и химико-биологического анализа.
Литература основная:
Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учебник.- Изд. 3-е, перераб. и доп.- М.: Альфа-М; ИНФРА-М, 2007.-704с.
Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учебник.- Изд.2-е, перераб. и доп. – М.: Альфа-М; ИНФРА-М, 2005.- 662с.
Горбачев В.В. Концепции современного естествознания: Учеб. Пособие для студентов вузов/ В.В. Горбачев.- М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003.- 592с.: ил.
Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов.- М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1997.
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов.- М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1997.- 520с.
Концепции современного естествознания: Учебник для вузов/ В.Н. Лавриненко, В.П. Ратников, В.Ф. Голубь и др; Под ред. проф. В.Н. Лавриненко, проф. В.П. Ратникова.- М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1997.- 271с.
Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учеб. Пособие.- М.: Гардарики, 1999.-476с.
Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. Концепции современного естествознания: Учеб. Пособие – М.: Высш.шк., 1998. – 383с.
Данилова В.С., Кожевников Н.Н. Основные концепции современного естествознания: учебн. Пособие для вузов.- М.: Аспект Пресс, 2001.- 256с.
Кокин А.В. Концепции современного естествознания: Учебное пособие – М.:»Издательство ПРИОР», 1998.- 208с.
Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Учебник под ред акад РАН М.Ф. Жукова. – Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 1997.- 832с.
Литература дополнительная:
Современные философские проблемы естественных, технических и социально-гуманитарных наук: учебник для аспирантов и соискателей ученой степени кандидата наук / под общ. ред. Д-ра филос. наук, проф. В.В. Миронова. М.: Гардарики, 2006.- 639с.
Азимов А. Краткая история химии: Развитие идей и представлений в химии / Пер. с англ. З.Гельмана. – СПб.: Амфора, 2000.- 269с.
Лекция 7 Биологические структуры и организация биологических систем (концепция структурных уровней жизни)
1. История биологии и основные концепции современной биологии
2. Живое и неживое. Элементарная биохимия жизни
3. Концепция структурных уровней жизни – конституция биологического знания
