Химия в современной научной картине мира. Тема: Контрольная по естествознанию

Химия – наука о превращениях веществ, сопровождающихся изменением их состава и строения.

Явления, при которых из одних веществ образуются другие, называются химическими . Естественно, что, с одной стороны, в этих явлениях можно обнаружить чисто физические изменения, а, с другой стороны, химические явления всегда присутствуют во всех биологических процессах. Таким образом, очевидна связь химии с физикой и биологией.

Эта связь, по-видимому, была одной из причин того, почему химия долго не могла стать самостоятельной наукой. Хотя уже Аристотель разделял вещества на простые и сложные, чистые и смешанные и пытался объяснить возможность одних превращений и невозможность других, химические явления в целом он считал качественными изменениями и потому относил к одному из родов движения . Химия Аристотеля была частью его физики – знания о природе ().

Другая причина несамостоятельности античной химии связана с теоретичностью , созерцательностью всей древнегреческой науки в целом. В вещах и явлениях искали неизменное – идею . Теория химических явлений приводила к идее элемента () как некоего начала природы или к идее атома как неделимой частицы вещества. Согласно атомистической концепции, особенности форм атомов во множестве их сочетаний обуславливают разнообразие качеств тел макромира.

Эмпирический опыт относился в Древней Греции к области искусств и ремесел . Он включал также и практические знания о химических процессах: выплавке металлов из руд, крашении тканей, выделке кожи.

Вероятно, из этих древних ремесел, известных еще в Египте и Вавилоне, возникло «тайное» герметическое искусство Средневековья – алхимия, наиболее распространенное в Европе в IX-XVI веках.

Зародившись в Египте в III-IV веках, это направление практической химии было связано с магией и астрологией. Целью ее было разработать способы и средства превращения менее благородных веществ в более благородные, чтобы достичь реального совершенства, как материального, так и духовного. В ходе поисков универсальных средств таких превращений арабские и европейские алхимики получили много новых и ценных продуктов, а также усовершенствовали лабораторную технику.

1. Период зарождения научной химии (XVII – конец XVIII в.; Парацельс, Бойль, Кавендиш, Шталь, Лавуазье, Ломоносов). Характеризуется тем, что химия выделяется из естествознания в качестве самостоятельной науки. Ее цели определяются развитием промышленности в Новое время. Однако, теории этого периода, как правило, используют либо античные, либо алхимические представления о химических явлениях. Завершился период открытием закона сохранения массы при химических реакциях.

Например, ятрохимия Парацельса (XVI в.) была посвящена приготовлению лекарств и лечению болезней. Парацельс объяснял причины болезней нарушением химических процессов в организме. Как и алхимики, он сводил разнообразие веществ к нескольким элементам – носителям основных свойств материи. Следовательно, восстановление их нормального соотношения приемом лекарств излечивает болезнь.

Теория флогистона Шталя (XVII-XVIII вв.) обобщала множество химических реакций окисления, связанных с горением. Шталь предположил существование во всех веществах элемента «флогистон» – начала горючести.

Тогда реакция горения выглядит так: горючее тело → остаток + флогистон; возможен и обратный процесс: если остаток насытить флогистоном, т.е. смешать, например, с углем, то снова можно получить металл.

2. Период открытия основных законов химии (1800-1860 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;

3. 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.

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 (СО 2 , H 2 O). 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 (N 2 , Fe). Сложные вещества или химические соединения образованы атомами разных элементов (CuO, H 2 O).

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.

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

Развитие химических знаний стимулируется необходимостью получения человеком различных веществ для своей жизнедеятельности. В наши дни химическая наука дает возможность получать вещества с заданными свойствами, находить способы управления этими свойствами, что является основной проблемой химии и системообразующим началом ее как науки.

Химия обычно рассматривается как наука, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения. Она изучает природу и свойства различных химических связей, энергетику химических реакций, реакционную способность веществ, свойства катализаторов и т.д.

Термин «химия » происходит, по Плутарху, от одного из древних названий Египта, Хеми («черная земля»). Именно в Египте задолго до нашей эры достигли значительного развития металлургия, керамика, изготовление стекла, крашение, парфюмерия, косметика и др. Существует и иная точка зрения, связанная с греческим hymia - искусство литья (от hyma - литье).

На арабском Востоке появился термин «алхимия ». Целью алхимиков, главным образом, было создание «философского камня», способного все металлы превращать в золото. В основе этого лежал практический заказ: золото в Европе было необходимо для развития торговли, а известных месторождений было мало. Алхимики накопили огромный практический опыт превращения веществ, разработали соответствующий инструментарий, методику, химическую посуду и др.

Что касается химии , то, несмотря на многообразие эмпирического материала, в этой науке вплоть до открытия в 1869 г. периодической системы химических элементов Д.И.Менделеевым (1834 – 1907), по существу, не существовало объединяющей концепции , с помощью которой можно было бы объяснить весь накопленный фактический материал. Следовательно, невозможно было представить все наличное знание как систему теоретической химии.

Было бы, однако, неправильным не учитывать той громадной исследовательской работы, которая привела к утверждению системного взгляда на химические знания. Если обратиться к фундаментальным теоретическим обобщениям химии, то могут быть выделены четыре концептуальных уровня.

Уже с первых шагов химики на интуитивном и эмпирическом уровне поняли, что свойства простых веществ и химических соединений зависят от тех неизменных начал , которые впоследствии стали называть элементами . Выявление и анализ этих элементов, раскрытие связи между ними и свойствами веществ охватывает значительный период в истории химии. Этот первый концептуальный уровень можно назвать учением о составе веществ. На этом уровне проходило исследование различных свойств и превращений веществ в зависимости от их химического состава, определяемого их элементами. Очевидна поразительная аналогия с концепцией атомизма в физике. Химики, как и физики, искали ту первоначальную основу, с помощью которой пытались объяснить свойства всех простых и сложных веществ. Сформулирована эта концепция была довольно поздно – в 1860 году, на первом Международном съезде химиков в Карлсруэ в Германии. Ученые-химики исходили из того, что:

· все вещества состоят из молекул, которые находятся в непрерывном и самопроизвольном движении;

· все молекулы состоят из атомов;

· атомы и молекулы находятся в непрерывном движении;

Второй концептуальный уровень познания связан с исследованием структуры , то есть способа взаимодействия элементов в составе веществ и их соединений. Было установлено, что свойства веществ, полученных в результате химических реакций, зависят не только от элементов, но и от взаимосвязи и взаимодействия этих элементов в процессе реакции. Так, алмаз и уголь обладают различными свойствами именно вследствие различия структур, хотя их химический состав одинаков.

Третий концептуальный уровень познания представляет собой исследование внутренних механизмов и условий протекания химических процессов , таких, как температура, давление, скорость протекания реакций и некоторые другие. Все эти факторы оказывают громадное влияние на характер процессов и объем получаемых веществ, что имеет первостепенное значение для массового производства.

Четвертый концептуальный уровень – уровень эволюционной химии – является дальнейшим развитием предыдущего уровня, связанным с более глубоким изучением природы реагентов, участвующих в химических реакциях, а также применением катализаторов, значительно ускоряющих скорость их протекания. На этом уровне осмысливается процесс происхождения живой материи из материи косной.

2. Учение о составе вещества.

На этом уровне решались вопросы определения химического элемента, химического соединения и получения новых материалов на базе более широкого использования химических элементов.

Первое научное определение химического элемента, как «простого тела», сформулировал в XVII в. английский химик и физик Р. Бойль. Но в это время еще не было открыто ни одного из них. Первым был открыт химический элемент фосфор в 1669 г., потом кобальт, никель и другие.

				4. Эволюционная химия
			3. Учение о химических процессах
		2. Структурная химия
	1. Учение о составе
	1660-е гг.	1800-е гг.	1950-е гг.	1970-е гг.	Настоящее время

Рис. 1. Основные концепции химической науки.

Но еще и в XVIII веке железо, медь и другие, известные в то время металлы, ученые рассматривали как сложные тела, а окалину, получающуюся при их нагревании – за простое тело. Но окалина – это оксид металла, сложное тело.

Ошибочное представление, существовавшее в XVIII веке, было связано с ложной гипотезой флогистона немецкого врача и химика Георга Шталя (1660 – 1734). Он считал, что металлы состоят из окалины и флогистона (от греч. flogizein – зажигать, гореть), особого невесомого вещества, которое при нагревании улетучивается и остается чистый элемент. В состав пчелиного воска и угля, по его мнению, входит преимущественно флогистон, который при горении улетучивается и в результате остается лишь немного золы.

Открытие французским химиком А. Л. Лавуазье кислорода и установление его роли в образовании различных химических соединений позволило отказаться от прежних представлений о флогистоне. Лавуазье впервые систематизировал химические элементы на базе имевшихся в XVIII в. знаний. Постепенно химики открывали все новые и новые химические элементы, описывали их свойства и реакционную способность и благодаря этому накопили огромный эмпирический материал, который необходимо было привести в определенную систему . Такие системы предлагались разными учеными, но были весьма несовершенными потому, что в качестве системообразующего фактора брались несущественные, второстепенные и даже чисто внешние признаки элементов.

Великая заслуга Д. И. Менделеева состоит в том, что, открыв в 1869 г. периодический закон , он заложил фундамент для построения подлинно научной системы химических элементов. В качестве системообразующего фактора он выбрал атомный вес . В соответствии с атомным весом он расположил химические элементы в систему и показал, что их свойства находятся в периодической зависимости от величины атомного веса. До системного подхода Менделеева учебники по химии были очень громоздки. Так, учебник химии Л.Ж. Тенара состоял из 7 томов по 1000 – 1200 страниц каждый.

Периодический закон Д. И. Менделеева сформулирован в следующем виде: «Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов».

Это обобщение давало новые представления об элементах, но в силу того, что еще не было известно строение атома, физический смысл его был недоступен . В современном представлении этот периодический закон выглядит следующим образом: «Свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атома (порядкового номера)». Например, элемент хлор имеет два изотопа , отличающиеся друг от друга по массе атома. Но оба они относятся к одному химическому элементу - хлору из-за одинакового заряда их ядер. Атомный же вес является средним арифметическим величин масс изотопов, из которых состоит элемент.

В Периодической системе Д.И. Менделеева насчитывалось 62 элемента, в 1930-е гг. она заканчивалась ураном (Z = 92). В 1999 г. было сообщено, что путем физического синтеза атомных ядер открыт 114-й элемент.

Длительное время химикам казалось очевидным, что именно относится к химическим соединениям , а что - к простым телам или смесям. Однако применение в последнее время физических методов исследования вещества позволило выявить физическую природу химизма , т.е. те внутренние силы, которые объединяют атомы в молекулы, представляющие собой прочную квантово-механическую целостность. Такими силами оказались химические связи.

Химическая связь является таким взаимодействием, которое связывает отдельные атомы в более сложные образования, в молекулы, ионы, кристаллы, т.е. в те структурные уровни организации материи, которые изучает химическая наука. Химические связи представляют собой обменное взаимодействие электронов с соответствующими характеристиками. Речь идет, прежде всего, об электронах, расположенных на внешней оболочке и связанных с ядром наименее прочно. Их назвали валентными электронами. В зависимости от характера взаимодействия между этими электронами выделяют типы связи.

Ковалентная связь осуществляется за счет образования электронных пар, в одинаковой мере принадлежащих обоим атомам.

Ионная связь представляет собой электростатическое притяжение между ионами, образованное за счет полного смещения электрической пары к одному из атомов, например, NaCl.

Металлическая связь - это связь между положительными ионами в кристаллах атомов металлов, образующаяся за счет притяжения электронов, но перемещающаяся по кристаллу в свободном виде.

Дальнейшее развитие науки позволило уточнить, что свойства химических элементов зависят от заряда ядра атомов, который определяется числом протонов или соответственно электронов. В настоящее время химическим элементом называют совокупность атомов с конкретным зарядом ядра Z, хотя и различающихся по своей массе, вследствие чего атомные веса элементов не всегда выражаются целыми числами.

Простое вещество – это форма существования химического элемента в свободном состоянии. Однако, к примеру, даже газообразный (не говоря уже о жидком и твердом агрегатном состоянии) водород существует в двух разновидностях, различающихся магнитной ориентацией ядер Н – ортоводород и параводород. Они различаются, к примеру, теплоемкостью. Существует также две разновидности газообразного и четыре – жидкого кислорода. Поэтому простых веществ насчитывается св. 500, в то время как химических элементов – чуть более ста.

С позиций атомизма решается также проблема химического соединения. Что считать смесью, а что химическим соединением? Обладает ли такое соединение постоянным или переменным составом?

Французский химик Жозеф Пруст (1754 – 1826) считал, что любое химическое соединение должно обладать вполне определенным, неизменным составом: «…природа дала химическому соединению постоянный состав и тем самым поставила его в совершенно особое положение по сравнению с раствором, сплавом и смесью» . При этом состав химического соединения не зависит от способа его получения.

Впоследствии закон постоянства состава с позиций атомно-молекулярного учения обосновал выдающийся английский химик Джон Дальтон (1766 – 1844). Он ввел в науку понятие «атомный вес» и утверждал, что всякое вещество, простое или сложное, состоит из мельчайших частиц – молекул, которые в свою очередь образованы из атомов. Именно молекулы являются наименьшими частицами, обладающими свойствами вещества.

Долгое время сформулированный Прустом закон постоянства химического состава считался абсолютной истиной, хотя другой французский химик Клод Бертолле (1748 – 18232) указывал на существование соединений переменного состава в форме растворов и сплавов. Впоследствии были найдены более убедительные доказательства существования химических соединений переменного состава в школе известного русского физикохимика Николая Семеновича Курнакова (1860 – 1940). В честь К. Бертолле он назвал их бертоллидами. К ним он отнес те соединения, состав которых зависит от способа их получения . Например, соединения таких двух металлов, как марганец и медь, магний и серебро и других характеризуются переменным составом, но они составляют единые химические соединения. Со временем химики открыли другие соединения такого же переменного состава и пришли к выводу, что они отличаются от соединений постоянного состава тем, что не обладают специфическим молекулярным строением.

Поскольку выяснилось, что природа соединения, то есть характер связи атомов в его молекуле зависит от их химических связей , то расширилось и представление о молекуле. Молекулой по-прежнему называют наименьшую частицу вещества, которая определяет его свойства и может существовать самостоятельно. Однако к молекулам теперь относят также разнообразные другие квантово-механические системы (ионные, атомные монокристаллы, полимеры, возникающие на основе водородных связей, и другие макромолекулы). В них химическая связь осуществляется не только путем взаимодействия внешних , валентных электронов, но и ионов, радикалов и других компонентов. Они обладают молекулярным строением, хотя и не находятся в строго постоянном составе.

Таким образом, ныне исчезает резкое прежнее противопоставление химических соединений постоянного состава, обладающих специфическим молекулярным строением, и соединений переменного состава, лишенных этой специфики. Теряет также силу отождествление химического соединения с молекулой, состоящей из нескольких разных атомов химических элементов. В принципе молекула соединения может состоять и из двух или нескольких атомов одного элемента: это молекулы Н 2 , О 2 , графит, алмаз и другие кристаллы.

Ныне имеются сведения о 8 млн. индивидуальных химических соединений постоянного и миллиардах – переменного состава.

В рамках учения о составе и строении элементов важное место занимает проблема производства новых материалов. Речь идет о включении в их состав новых химических элементов. Дело в том, что 98,7% массы слоя Земли, на котором осуществляет свою производственную деятельность человек, составляют восемь химических элементов: 47,0% - кислород, 27,5% - кремний, 8,8% - алюминий, 4,6% - железо, 3,6% - кальций, 2,6% - натрий, 2,5% - калий, 2,1% - магний. Однако эти химические элементы распределены на Земле неравномерно и также неравномерно используются. Более 95% изделий из металла в своей основе содержат железо. Такое потребление ведет к дефициту железа. Поэтому стоит задача использовать для человеческой деятельности и другие химические элементы, способные заменить железо, в частности, наиболее распространенный кремний. Силикаты, различные соединения кремния с кислородом и другими элементами составляют 97% массы земной коры.

На основе современных достижений химии появилась возможность замены металлов керамикой не только как более экономичным продуктом, но во многих случаях и как более подходящим конструкционным материалом по сравнению с металлом. Более низкая плотность керамики (40%) дает возможность снизить массу изготовляемых из нее предметов. Включение в производство керамики новых химических элементов: титана, бора, хрома, вольфрама и других позволяет получать материалы с заранее заданными специальными свойствами (огнеупорность, термостойкость, высокая твердость и т.д.).

Во второй половине XX в. стали использоваться все новые и новые химические элементы в синтезе элементоорганических соединений от алюминия до фтора. Часть таких соединений служит в качестве химических реагентов для лабораторных исследований, а другая - для синтеза новейших материалов.

Около 10 лет назад насчитывалось более 1 млн. разновидностей продукции, выпускаемой химической промышленность. Ныне в химических лабораториях нашей планеты ежедневно синтезируется 200 – 250 новых химических соединений.

3. Уровень структурной химии.

Структурная химия представляет собой уровень развития химических знаний, на котором доминирует понятие «структура», т.е. структура молекулы, макромолекулы, монокристалла.

С возникновением структурной химии у химической науки появились неизвестные ранее возможности целенаправленного качественного влияния на преобразование вещества. Известный немецкий химик Фридрих Кекуле (1829 – 1896) стал связывать структуру с понятием валентности элемента. Известно, что химические элементы обладают определенной валентностью (от лат. valentia – сила, способность) – способностью образовывать соединения с другими элементами. Валентность как раз и определяет, с каким числом атомов способен соединяться атом данного элемента. Еще в 1857 г. Ф.А. Кекуле показал, что углерод четырехвалентен, и это дает возможность присоединить к нему до четырех элементов одновалентного водорода. Азот может присоединить до трех одновалентных элементов, кислород - до двух.

Эта схема Кекуле натолкнула исследователей на понимание механизма получения новых химических соединений. А. М. Бутлеров заметил, что в таких соединениях большую роль играет энергия , с которой вещества связываются между собой . Эта трактовка Бутлерова подтвердилась исследованиям квантовой механики. Таким образом, исследование структуры молекулы неразрывно связано с квантово-механическими расчетами.

На основе представлений о валентности возникли те структурные формулы , которыми пользуются при изучении химии, особенно органической. Комбинируя атомы различных химических элементов по их валентности, можно прогнозировать получение различных химических соединений в зависимости от исходных реагентов. Таким путем можно было управлять процессом синтеза различных веществ с заданными свойствами, а именно это и составляет важнейшую задачу химической науки.

В 60 – 80-е гг. XIX века появился термин «органический синтез». Из аммиака и каменноугольной смолы были получены анилиновые красители - фуксин, анилиновая соль, ализарин, а позднее - взрывчатые вещества и лекарственные препараты - аспирин и др. Структурная химия дала повод для оптимистических заявлений, что химики могут все.

Однако дальнейшее развитие химической науки и основанного на ее достижениях производства показали более точно возможности и пределы структурной химии . На уровне структурной химии не представлялось возможным указать эффективные пути получения этилена, ацетилена, бензола и других углеводородов из парафиновых углеводородов. Многие реакции органического синтеза на основе структурной химии давали очень низкие выходы необходимого продукта и большие отходы в виде побочных продуктов. А сам технологический процесс является многоэтапным и трудноуправляемым . Вследствие этого их нельзя было использовать в промышленном масштабе. Требовалось углубление знаний о химических процессах.

4. Учение о химических процессах.

Химические процессы представляют собой сложнейшее явление как в неживой, так и в живой природе. Перед химической наукой стоит принципиальная задача - научиться управлять химическими процессами. Дело в том, что некоторые процессы не удается осуществить , хотя в принципе они осуществимы, другие трудно остановить - реакции горения, взрывы, а часть из них трудноуправляема , поскольку они самопроизвольно создают массу побочных продуктов.

Все химические реакции имеют свойство обратимости , происходит перераспределение химических связей. Обратимость удерживает равновесие между прямой и обратной реакциями. В действительности равновесие зависит от условий прохождения процесса и чистоты реагентов. Смещение равновесия в ту или другую стороны требует специальных способов управления реакциями. Например, реакция получения аммиака: N 2 + 3H 2 ↔ 2NH 3

Эта реакция проста по составу элементов и своей структуре. Однако на протяжении целого столетия с 1813 по 1913 гг. химики не могли ее провести в законченном виде, так как не были известны средства управления ею. Она была осуществима только после открытия соответствующих законов нидерландским и французским физико-химиками Я.Х. Вант-Гофом и А.Д. Ле-Шателье . Было установлено, что синтез аммиака происходит на поверхности твердого катализатора (специально обработанного железа) при сдвиге равновесия за счет высоких давлений. Получение таких давлений сопряжено с большими технологическими трудностями. С открытием возможностей металлорганического катализатора синтез аммиака происходит при обычной температуре 180 о С и нормальном атмосферном давлении,

Проблемы управления скоростью химических процессов решает химическая кинетика. Она устанавливает зависимость химических реакций от различных факторов.

Термодинамическими факторами , которые оказывают существенное влияние на скорость химических реакций, являются температура и давление в реакторе. Например, смесь водорода и кислорода в условиях комнатной температуры и нормального давления можно хранить годами , и никакой реакции при этом не произойдет. Но стоит пропустить через смесь электрическую искру , как произойдет взрыв .

Скорость реакции в существенной степени зависит от температуры . Каждый знает, что сахар скорее растворяется в горячем чае, чем в холодной воде. Так, для большинства химических реакций скорость протекания при повышении температуры на 100 о С возрастает приблизительно в два раза.

Наиболее активны в этом отношении соединения переменного состава с ослабленными связями между их компонентами. Именно на них и направлено в первую очередь действие разных катализаторов , которые значительно ускоряют ход химических реакций.

5. Эволюционная химия

Химики давно пытались понять, какая лаборатория лежит в основе процесса возникновения жизни из неорганической безжизненной материи - лаборатория, в которой без участия человека получаются новые химические соединения» более сложные, чем исходные вещества?

И. Я. Берцелиус (1779-1848)первым установил, что основой живого является биокатализ , т.е. присутствие различных природных веществ в химической реакции, способных управлять ею, замедляя или ускоряя ее протекание. Эти катализаторы в живых системах определены самой природой. Возникновение и эволюция жизни на Земле была бы невозможна без существования ферментов , служащих по сути дела живыми катализаторами.

Несмотря на то, что ферменты обладают общими свойствами, присущими всем катализаторам, тем не менее, они не тождественны последним, поскольку функционируют в рамках живых систем. Поэтому попытки использовать опыт живой природы для ускорения химических процессов в неорганическом мире наталкиваются на серьезные ограничения .

Тем не менее, современные химики считают, что на основе изучения химии организмов можно будет создать новое управление химическими процессами. Для решения проблемы биокатализа и использования его результатов в промышленных масштабах химическая наука разработала ряд методов:

· изучение и использование приемов живой природы,

· применения отдельных ферментов для моделирования биокатализаторов,

· освоение механизмов живой природы,

· развитие исследований с целью применения принципов биокатализа в химических процессах и химической технологии.

В эволюционной химии существенное место отводится проблеме самоорганизации систем. В процессе самоорганизации предбиологических систем шел отбор необходимых элементов для появления жизни и ее функционирования. Из более чем ста химических элементов, открытых к настоящему времени, многие принимают участие в жизнедеятельности живых организмов. Наука же считает, что только шесть элементов - углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера составляют основу живых систем, из-за чего они получили название органогенов . Весовая доля этих элементов в живом организме составляет 97,4%. Кроме того, в состав биологически важных компонентов живых систем входят еще 12 элементов; натрий, калий, кальций, магний», железо, цинк, кремний, алюминий, хлор, медь, кобальт, бор.

Особая роль отведена природой углероду. Этот элемент способен организовать связи с элементами, противостоящими друг другу, и удерживать их внутри себя. Атомы углерода образуют почти все типы химических связей. На основе шести органогенов и еще около 20 других элементов природа создала около 8 млн. различных химических соединений, обнаруженных к настоящему времени. 96% из них приходится на органические соединения.

Из такого количества органических соединений в строительстве биомира задействованы природой всего несколько сотен. Из 100 известных аминокислот в состав белков входит только 20; лишь по четыре нуклеотида ДНК и РНК лежат в основе всех сложных полимерных нуклеиновых кислот, ответственных за наследственность и регуляцию белкового синтеза в любых живых организмах.

Каким образом природа из такого ограниченного количества химических элементов и химических соединений образовала сложнейший высокоорганизованный комплекс - биосистему ?

Этот процесс ныне представляется следующим образом.

1. На ранних стадиях химической эволюции мира катализ отсутствовал . Условия высоких температур - выше 5 тыс. градусов по Кельвину, электрических разрядов и радиации препятствуют образованию конденсированного состояния.

2. Проявления катализа начинаются при смягчении условий ниже 5 тыс. град, по Кельвину и образования первичных тел.

3. Роль катализатора возрастала (но пока еще незначительно), по мере того, как физические условия (главным образом температура) приближались к современным земным. Появление таких, даже относительно несложных систем, как: СН 3 ОН, СН 2 = СН 2 ; НС ≡ СН, Н 2 СО, НСООН, НС ≡ N, а тем более аминокислот, первичных сахаров, было своеобразной некаталитической подготовкой старта для большого катализа.

4. Роль катализа в развитии химических систем после достижения стартового состояния, т.е. известного количественного минимума органических и неорганических соединений, начала возрастать с фантастической быстротой . Отбор активных соединений происходил в природе из тех продуктов, которые получились относительно большим числом химических путей и обладали широким каталитическим спектром.

В 1969 г. появилась общая теория химической эволюции и биогенеза , выдвинутая ранее в самых общих положениях профессором Московского университета А.П. Руденко. Сущность этой теории состоит в том, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем и, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы . Открытый А.П. Руденко основной закон химической эволюции гласит, что эволюционные изменения катализатора происходят в том направлении, где проявляется его максимальная активность. Теория саморазвития каталитических систем позволяет выявлять этапы химической эволюции; дать конкретную характеристику пределов в химической эволюции и перехода от химогенеза (химического становления) к биогенезу.

Химическая эволюция на Земле создала все предпосылки для появления живого из неживой природы. А Земля оказалась в таких специфических условиях, что эти предпосылки смогли реализоваться. Жизнь во всем ее многообразии возникла на Земле самопроизвольно из неживой материи, она сохранилась и функционирует уже миллиарды лет. Жизнь полностью зависит от сохранения соответствующих условий ее функционирования. А это во многом зависит от самого человека. Видимо, одним из проявлений природы и является появление человека как самосознающей себя материи. На определенном этапе он может оказывать ощутимое воздействие на среду собственного обитания, причем как позитивное, так и негативное.

В последующих лекциях мы будем более подробно говорить о сущности жизни.

Вопросы для повторения

1. Что изучает химия, и какие основные методы она использует?

2. Какая связь существует между атомным весом и зарядом ядра атома?

3. Что называют химическим элементом?

4. Что называется простым и сложным веществом?

5. От каких факторов зависят свойства веществ?

6. Кто стал основоположником системного подхода в развитии химических знаний? Какую систему он построил?

7. Какой вклад в развитие химических знаний внесли физики?

8. Что такое катализаторы?

9. Какие элементы называют органогенами?

10. Для чего химики изучают лабораторию «живой природы»?

11. Чем отличаются ферменты от химических катализаторов?

12. Каковы потенциальные возможности эволюционной химии?

Литература

Основная:

1. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания: Курс лекций. – М.: Гардарики, 2006. Гл. 11.

2. Концепции современного естествознания / Под ред. В.Н. Лавриненко и В.П. Ратникова. – М.: ЮНИТИ-ДАНА.2003. – Гл. 5.

3. Карпенков С.Х. Основные концепции естествознания. – М.: Академический Проект, 2002. Гл. 4.

Дополнительная:

1. Азимов А. Краткая история химии: Развитие идей и представлений химии от алхимии до ядерной бомбы. – СПб.: Амфора, 2002.

2. Некрасов Б.В. Основы общей химии. Изд. 4-е. В 2 т. – СПб., М., Краснодар: Лань, 2003.

3. Пиментел Д., Курод Д. Возможности химии сегодня и завтра. М., 1992.

4. Фримантл М. Химия в действии: В 2 ч. – М.: Мир, 1998.

5. Эмсли Дж. Элементы. - М.: Мир, 1993.

6. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия / Глав. Ред. В.А. Володин. – М.: Аванта+, 2000.

Изотопами называются разновидности атомов, которые имеют одинаковый заряд ядра, но отличаются по своей массе.

Цит. по: Колтун Марк. Мир химии. – М.: Дет. лит., 1988. С.48.

История химии: алхимия; период объединения химии (ятрохимия, пневматическая химия, теория флогистона и ее противники, период количественных законов (атомистическая химия)); структуризация современного химического знания.

Вещество и элемент. Химические системы. Энергетика химических процессов. Физическая связь и химическая реакция. Подходы к классификации химических реакций. Скорость химической реакции.

Периодическая система элементов Д. Менделеева.

Химия Земли: геохимия. Химия жизни: биохимия.

Применение химического знания в промышленности, сельском хозяйстве, медицине.

Модуль 3 Науки о живой природе

Тема 6. Специфика биологического объекта и проблема происхождения жизни

Специфика живой природы. Понятия хаоса и порядка. Единство живого и неживого. Границы жизни. Феномен жизни и его трактовки.

Подходы к выявлению специфики живого: субстратный, энергетический, информационный. Подходы к определению жизни: моноатрибутивный, полиатрибутивный.

Специфика и структура биологического знания. Задачи современной биологии: решение проблемы возникновения биологического объекта, системной организации живого, эволюции биологического объекта.

Методологическое значение принципа историзма в решении проблемы происхождения жизни. Историческая экстраполяция.

Эволюция концепций происхождения жизни. Биогенез и абиогенез. Концепция самопроизвольного зарождения жизни. Опыты Л. Пастера. Концепция панспермии и ее эволюция (С. Аррениус, В.И. Вернадский, Хоолдейн, Крик). Субстратная концепция происхождения жизни.

Тема 7. Системность живого и проблема развития органического мира

Принцип системности в исследовании живого. Полемика механистического и виталистического направления в биологии. Особенности живых систем: эволюционизм, раздражимость, наличие и использование информации, самоуправление и др.

Критерии выявления уровней организации живого. Упорядоченность биологического объекта: пространственный, функциональный, временной аспекты. Уровни организации живого: клетка и ее составляющие, организм и его свойства; вид, биогеоценоз.

Зарождение идеи развития живой природы в античной натурфилософии. Наивный трансформизм. Креационизм. Систематизация материала ботаники и зоологии. Первые таксономические классификации.

Эволюционное учение Ч. Дарвина и утверждение идеи развития в биологии. Движущие силы и факторы эволюции. Понятия «наследственность», «изменчивость», «естественный отбор». Экспериментальное изучение отдельных факторов эволюции. Генетика и эволюция. Синтетическая теория эволюции.

Проблема выделения системных единиц эволюции: организмоцентрический и популяционный подходы. Филогенез и онтогенез. Проблема управления эволюционным процессом.

Тема 8. Проблема происхождения и сущности идеальных процессов

Понятие и свойства кибернетических систем. Основные этапы процесса цефализации. Опережающее отражение действительности. Раздражимость, чувствительность, психика.

Свойства психического отражения действительности: целенаправленность, целостность, субъективность, предметность, Избирательность, переживаемость, регулятивность.

Сознание и его структура. Отличия сознания человека от психики животных.

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.