Химия, как одна из наук, изучающих явления природы, зародилась в Древнем Египте еще до нашей эры, одной из самых технически развитых стран в те времена. Первые сведения о химических превращениях люди получили, занимаясь различными ремеслами, когда красили ткани, выплавляли металл, изготавливали стекло. Тогда появились определённые приёмы и рецепты, но химия ещё не была наукой. Уже тогда химия была нужна человечеству в основном для того, чтобы получать от природы все необходимые для жизнедеятельности человека материалы - металлы, керамику, известь, цемент, стекло, красители, лекарства, драгоценные металлы и т.д. С самой древности основной задачей химии было получение веществ с необходимыми свойствами.

В Древнем Египте химия считалась божественной наукой и ее секреты тщательно оберегались жрецами. Несмотря на это, некоторые сведения просачивались за пределы страны и доходили до Европы через Византию.

В VIII веке, в завоеванных арабами европейских странах, эта наука распростаняется под названием "алхимия". Следует отметить, что в истории развития химии как науки, алхимия характеризует целую эпоху. Основной задачей алхимиков было найти "философский камень", якобы превращающий любой металл в золото. Несмотря на обширные знания, полученные в результате экспериментов, теоретические воззрения алхимиков отставали на несколько веков. Но поскольку они проводили различные опыты, им удалось сделать несколько важных практических изобретений. Стали использоваться печи, реторы, колбы, аппараты для перегонки жидкостей. Алхимики приготовили важнейшие кислоты, соли и оксиды, описали способы разложения руд и минералов. Как теорию алхимики использовали учение Аристотеля (384- 322 гг до н.э.) о четырех принципах природы (холод, тепло, сухость и влажность) и четырех элементах (земля, огонь, воздух и вода), впоследствии добавив к ним растворимость (соль), горючесть (серу) и металличность (ртуть).

В начале XVI века в алхимии начинается новая эра. Ее возникновение и развитие связано с учениями Парацельса (1493- 1541) и Агриколы (1494- 1555). Парацельс утверждал, что основной задачей химии является изготовление лекарств, а не золота и серебра. Парацельс имел большой успех, предложив лечить некоторые болезни, используя простые неорганические соединения вместо органических экстрактов. Это побудило многих врачей примкнуть к его школе и заинтересоваться химией, что послужило мощным толчком для ее развития. Агрикола же изучал горное дело и металлургию. Его труд "О металлах" более 200 лет являлся учебником по горному делу.

В XVII веке теория алхимии уже не отвечала требованиям практики. В 1661 г. Бойль выступил против господствующих в химии представлений и подверг жесточайшей критике теорию алхимиков. Он впервые определил центральный объект исследования химии: попытался дать определение химического элемента. Бойль считал, что элемент-это предел разложения вещества на составные части. Разлагая природные вещества на их составные, исследователи сделали много важных наблюдений, открыли новые элементы и соединения. Химик стали изучать, что из чего состоит.

В 1700 году Шталем была развита флогистонная теория, согласно которой все тела, способные гореть и окисляться, содержат вещество флогистон. При горении или окислении флогистон покидает тело, в чем и состоит сущность этих процессов. За время почти столетнего господства теории флогистона были открыты многие газы, изучены различные металлы, оксиды, соли. Однако, противоречивость этой теории тормозила дальнейшее развитие химии.

В 1772- 1777 годах Лавуазье, в результате проведенных им экспериментов, доказал, что процесс горения является реакцией соединения кислорода воздуха и горящего вещества. Таким образом, теория флогистона была опровергнута.

В XVIII веке химия начинает развиваться как точная наука. В начале 19 в. англичанин Дж. Дальтон ввёл понятие атомного веса. Каждый химический элемент получил свою важнейшую характеристику. Атомно-молекулярное учение стало основой теоретической химии. Благодаря этому учению Д. И. Менделеев открыл периодический закон, названный его именем, и составил периодическую таблицу элементов. В 19 в. чётко определились два основных раздела химии: органическая и неорганическая. В конце столетия в самостоятельную отрасль оформилась физическая химия. Результаты химических исследований всё шире стали использоваться в практике, а это повлекло за собой развитие химической технологии.

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

Зарождение науки о веществах можно отнести к эпохе античности. Древние греки знали семь металлов и еще несколько сплавов. Золото, серебро, медь, олово, свинец, железо и ртуть - вот вещества, которые были известны в то время. История химии началась с практических знаний. Их теоретическое осмысление было впервые предпринято различными учеными и философами - Аристотелем, Платоном и Эмпедоклом. Первый из них считал, что каждое из этих веществ может преобразовываться в другое. Он объяснял это существованием первоматерии, которая послужила началом всех начал.

Античная философия

Также распространенным было мнение о том, что в основе каждого вещества в мире лежит сочетание четырех стихий - воды, огня, земли и воздуха. Именно эти силы природы отвечают за Одновременно с этим в V в. до н. э. появилась теория атомизма, основоположниками которой были Левкипп и его ученик Демокрит. Это учение утверждало, что все предметы состоят из мельчайших частиц. Их назвали атомами. И хотя данная теория не нашла научного подтверждения в античности, именно это учение стало подспорьем современной химии в

Египетская алхимия

Примерно во II веке до н. э. новым центром науки стала египетская Александрия. Там же возникла алхимия. Эта дисциплина зародилась как синтез теоретических идей Платона и практических знаний эллинов. История химии этого периода характеризуется повышенным интересом к металлам. Для них было придумано классическое обозначение в виде известных тогда планет и небесных тел. Например, серебро изображалось в виде Луны, а железо - в виде Марса. Так как наука в то время была неотделима от религии, то и у алхимии, как у любой другой научной дисциплины, был свой бог-покровитель (Тот).

Одним из самых значимых исследователей того времени являлся Болос из Мендеса, который написал трактат «Физика и мистика». В нем он описал металлы и драгоценные камни (их свойства и ценность). Другой алхимик Зосим Панополит в своих работах исследовал искусственные способы получения золота. Вообще история возникновения химии началась с поиска этого благородного металла. Алхимики пытались получить золото с помощью экспериментов или магии.

Египетские алхимики изучали не только сами металлы, но и руды, из которых те добывались. Так была открыта амальгама. Это вид сплава металлов с ртутью, который занял особенное место в мировоззрении алхимиков. Некоторые считали его первичным веществом. К этому же периоду можно отнести открытие способа очистки золота с помощью свинца и селитры.

Арабские открытия

Если в эллинистических странах история химии началась, то продолжилась она несколько веков спустя во время арабского золотого века, когда ученые молодой исламской религии были в авангарде человеческой науки. Эти исследователи открыли множество новых веществ, например сурьму или фосфор. Большая часть уникальных знаний применялась в медицине и фармации для разработки лекарств и снадобий. Очерк истории развития химии без упоминания о философском камне - мифической субстанции, позволяющей превращать любое вещество в золото, невозможен.

Около 815 года арабский алхимик Джабир ибн Хайян сформулировал ртутно-серную теорию. Она по-новому объясняла происхождение металлов. Эти принципы стали основополагающими для алхимии не только арабской, но и европейской школы.

Европейские алхимики Средневековья

Благодаря Крестовым походам и большему соприкосновению Запада и Востока христианские ученые наконец узнали об открытиях мусульман. С XIII века именно европейцы заняли уверенную лидерскую позицию в исследованиях веществ. История химии Средневековья многим обязана Роджеру Бэкону, Альберту Великому, Раймунду Луллию и т. д.

В отличие от арабской науки европейские исследования были пропитаны духом христианской мифологии и религии. Основными центрами изучения веществ стали монастыри. Одним из первых серьезных достижений монахов стало открытие нашатыря. Его получил знаменитый теолог Бонавентура. Открытия алхимиков мало затрагивали общество до тех пор, пока не Роджер Бэкон не описал порох в 1249 году. Со временем это вещество произвело революцию на полях сражений и в амуниции армий.

В XVI веке алхимия получила толчок в качестве медицинской дисциплины. Больше всего известны труды Паральцеса, который открыл множество лекарств.

Новое время

Реформация и наступление Нового времени не могло не затронуть и химию. Она все больше избавлялась от религиозных оттенков, становясь эмпирической и экспериментальной наукой. Пионером этого направления стал который поставил перед химией конкретную цель - найти как можно больше химических элементов, а также изучить их состав и свойства.

В 1777 году Антуан Лавуазье сформулировал кислородную теорию горения. Она стала фундаментом для создания новой научной номенклатуры. История химии, кратко описанная в его учебнике «Элементарный курс химии», сделала рывок. Лавуазье составил новую таблицу простейших элементов, основываясь на законе сохранения массы. Изменились представления и понятия о природе веществ. Теперь химия стала самостоятельной рациональной наукой, основывающейся только на экспериментах и реальных доказательствах.

XIX век

В начале XIX века сформулировал атомную теорию строения веществ. По сути, он повторил и углубил учение античного философа Демокрита. В обиходе появился такой термин, как атомная масса.

С открытием новых законов получила новый импульс история развития химии. Кратко говоря, на рубеже XVIII и XIX вв. появились математические и физические теории, которые легко и логично объясняли многообразие веществ на планете. Открытие Дальтона было подтверждено, когда шведский ученый Йенс Якоб Берцелиус связал атомы с полярностью электричества. Также он ввел в обиход привычные сегодня обозначения веществ в виде латинских литер.

Атомная масса

В 1860 году химики всего мира на конгрессе в Крлсруэ признали основополагающей атомно-молекулярную теорию, которую предложил Станислао Канниццаро. С ее помощью была вычислена относительная масса кислорода. Так история химии (кратко ее описать очень сложно) за несколько десятков лет прошла огромный путь.

Относительная атомная масса позволила систематизировать все элементы. В XIX веке было предложено множество вариантов того, как это сделать наиболее удобно и практично. Но лучше всего это удалось русскому ученому Дмитрию Менделееву. Его элементов, предложенная в 1869 году, стала фундаментом для современной химии.

Современная химия

Через несколько десятков лет был и явление радиоактивности. Это подтвердило давние предположения о делимости атома. Кроме того, данные открытия дали толчок к развитию пограничной дисциплины между химией и физикой. Появились макеты строения атома.

Краткий очерк истории развития химии не может обойтись без упоминания о квантовой механике. Эта дисциплина повлияла на представления о связях внутри вещества. Появились новые методы анализа научных знаний и теорий. Это были различные вариации спектроскопии и использование рентгена.

В последние годы история развития химии, кратко описанная выше, ознаменовалась большими результатами в связке с биологией и медициной. Новые вещества активно используются в современных лекарствах и т. д. Была исследована структура белков, ДНК и других важных элементов внутри живых организмов. Краткий очерк истории развития химии можно закончить открытием все новых веществ в таблице Менделеева, которые получают экспериментальным путем.

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.

Существует множество определений химии, но ни одно из этих определений не даёт полного ответа на вопрос: что такое химия? Объясняется это тем, что химия является не просто суммой знаний о веществах, но высоко упорядоченной, постоянно развивающейся системой знаний. Историки науки переводят этот термин как «египетское искусство». Таким образом, химия – искусство производить необходимые вещества, в том числе и искусство превращать обыкновенные металлы в золото и серебро и их сплавы.

Химия – одна из важнейших и обширных областей естествознания, наука о веществах, их свойствах, строении и превращениях, происходящих в результате химических реакций. 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.

Предмет химии – химические элементы и их соединения, а также закономерности, которым подчиняются различные химические реакции.

Главная задача химии – выяснение природы вещества, главный подход к решению этой задачи – разложение вещества на более простые компоненты и синтез новых веществ. Используя этот подход, химики научились воспроизводить множество природных химических субстанций и создавать материалы, не существующие в природе. Живой организм можно рассматривать как сложнейший химический завод, на котором тысячи веществ вступают в точно отрегулированные химические реакции.

Заслугой химии является то, что она показала большое значение структуры для свойств вещества и её относительную самостоятельность.

Химия как никакая другая наука, является одновременно и наукой, и производством.

Успехи человека в решении больших и малых проблем выживания в значительной мере были достигнуты благодаря развитию химии, становлению различных химических технологий. Успехи многих отраслей человеческой деятельности, таких как энергетика, металлургия, машиностроение, лёгкая и пищевая промышленность и других, во многом зависит от состояния и развития химии. Огромное значение химия имеет для успешной работы сельскохозяйственного производства, фармацевтической промышленности, обеспечения быта человека.

Химизация, как процесс внедрения химических методов в общественное производство и быт, позволила человеку решить многие технически, экономические и социальные проблемы. Однако масштабность, а нередко и неуправляемость этого процесса обернулось «второй стороной медали». Химия прямо или опосредованно затронула практически все компоненты окружающей среды – сушу, атмосферу, воду Мирового океана, внедрилась в природные круговороты веществ. В результате этого нарушилось сложившееся в течение миллионов лет равновесие природных процессов на планете, химизация стала заметно отражаться на здоровье самого человека. Возникла ситуация, которую учёные обоснованно именуют химической войной против населения Земли. В связи с этим возникла самостоятельная ветвь экологической науки – химическая экология.

Место и роль химии в современной цивилизации должны рассматриваться системно, т.е. во всём многообразии отношений, существующих между обществом и природной средой в рамках критерия экологической безопасности. При этом неизбежно рассмотрение химии как активного элемента сложной системы «общество-природа», представляющего собой, в свою очередь, открытую систему со своей структурой и взаимообменом между веществом, энергией и информацией.

История развития химического знания

История химии изучает и описывает сложный процесс накопления специфических знаний относящихся к изучению свойств и превращений веществ. Её можно рассматривать как пограничную область знания, которая связывает явления и процессы, относящиеся к развитию химии, с историей человеческого общества.

Историю химии принято подразделять на несколько периодов, при этом следует учитывать, что эта периодизация, будучи достаточно условной и относительной, имеет скорее дидактический характер.

1. Предалхимический период: до III в.
2. Алхимический период: III – XVII вв.

• Александрийская алхимия;
• Арабская алхимия;
• Европейская алхимия;
• Техническая химия и ятрохимия.

Период становления (объединения): XVII - середина XIX вв.

• Теория флогистона;
• Химическая революция.

Период количественных законов: конец XVIII – середина XIX вв.

Период классической химии: вторая половина XIX века.

• Периодическая система элементов;
• Структурная химия;
• Физическая химия.

Современный период: с начала ХХ века.

В предалхимический период теоретический и практический аспекты знаний о веществе развивались относительно независимо друг от друга.

Зачатки химии возникли ещё со времён появления человека разумного. Поскольку человек всегда так или иначе имел дело с химическими веществами то его первые эксперименты с огнём, дублением шкур, приготовлением пищи можно назвать зачатками практической химии. Постепенно практические знания накапливались, и в самом начале развития цивилизации люди умели готовить некоторые краски, эмали, яды и лекарства. Вначале человек использовал биологические процессы, такие как брожение, гниение, но с освоением огня начал использовать процессы горения, спекания, сплавления. Использовались окислительно-восстановительные реакции, не протекающие в живой природе – например, восстановление металлов из их соединений.

Практические операции с веществом являлись прерогативой ремесленной химии, которые были заложены в Древнем Египте. Начало её зарождения следует в первую очередь связывать, видимо, с появлением и развитием металлургии. Но накопление практических знаний происходило и в других областях, таких как производство керамики и стекла, крашения 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.

Хотя химические знания тщательно скрывалось египетскими жрецами от непосвящённых, но всё равно они медленно проникали в другие страны. К европейцам химическая наука попала главным образом от арабов после завоевания ими Испании в 711 году. Они называли эту науку «алхимией», от них это название распространилось в Европе.

Алхимический период – это время поисков философского камня, считавшегося необходимым для осуществления трансмутации металлов. Алхимическая теория, основанная на античных представлениях о четырёх стихиях (огне, земле, воздухе, воде), 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 периода.

Начиная с эпохи Возрождения развивается техническая химия и ятрохимия, которые непосредственно подвели к созданию химии как науки. На этом этапе были накоплены навыки экспериментальной работы и наблюдений, в частности, разработаны и усовершенствованы конструкции печей и лабораторных приборов, методы очистки веществ (кристаллизация, перегонка и др.), получены новые химические препараты.

Главным результатом алхимического периода, помимо накопления значительного запаса знаний о веществе, явилось зарождение эмпирического подхода к изучению свойств вещества. Алхимический период стал совершенно необходимым этапом между натурфилософией и экспериментальным естествознанием.

Период становления (объединения ). Вторая половина XVII века ознаменовалась первой научной революцией, результатом которой стало новое естествознание, целиком основанное на экспериментальных данных. Одним из следствий этой научной революции явилось создание новой химии, основоположником которой традиционно считается Р. Бойль, который выступил с критикой алхимии и поставил перед химией задачу поиска реальных химических элементов.

Главной задачей химии Бойль считал изучение состава вещества и зависимости свойств вещества от его состава.

Основной движущей силой развития учения об элементах в первой половине XVIII века стала теория флогистона , предложенная немецким химиком Г.Э. Шталем. Она объясняла горючесть тел наличием в них некоего материального начала горючести – флогистона, и рассматривала горение как разложение. Теория флогистона обобщила широкий круг фактов, касавшихся процессов горения и обжига металлов, послужила мощным стимулом для развития количественного анализа сложных тел, без которых было бы абсолютно невозможным экспериментальное подтверждение идей о химических элементах. Она стимулировала также изучение газообразных продуктов горения в частности и газов вообще. В результате появилась пневматическая химия, основоположниками которой стали Дж. Блэк, Д. Резерфорд, Г. Кавендиш, Дж. Пристли и К.В. Шееле.

Процесс превращения химии в науку завершился открытиями А.Л. Лавуазье. С создания им кислородной теории горения (1777 г.) начался переломный этап в развитии химии, названный «химической революцией». Отказ от теории флогистона потребовал пересмотра всех основных принципов и понятий химии, изменения терминологии и номенклатуры веществ. Лавуазье создал новую химическую номенклатуру, он привёл первый в истории новой химии список химических элементов (таблицу простых тел). Лавуазье сформулировал закон сохранения массы, создал рациональную классификацию химических соединений, основанную, во-первых, на различии в элементарном составе соединений и, во-вторых, на характере их свойств.

Химическая революция окончательно придала химии вид самостоятельной науки, занимающейся экспериментальным изучением состава тел; она завершила период становления химии, ознаменовала собой полную рационализацию химии, окончательный отказ от алхимических представлений о природе вещества и его свойств.

Период количественных законов : конец XVIII - середина XIX в. Главным итогом развития химии в этот период стало её превращение в точную науку, основанную не только на наблюдении, но и на измерении. За законом сохранения массы последовал целый ряд новых количественных закономерностей – стехиометрические законы : Закон эквивалентов (И.В. Рихтер); Закон постоянства состава (Ж.Л.Пруст); Закон кратных отношений (Дж. Дальтон); Закон объёмных отношений, или закон соединения газов (Ж.Л. Гей-Люссак); Закон Авогадро (А.Авогадро); Закон удельных теплоёмкостей (П.Л. Дюлонг и А.Тю Пти); Закон изоморфизма (Э. Мичерлих); Законы электролиза (М. Фарадей).

Дж. Дальтон, основываясь на законе кратных отношений и законе постоянства состава, разработал атомную теорию (1808). Важнейшей характеристикой атома элемента Дальтон считал атомный вес.

Шведский химик Й.Я.Берцелиус определил атомные массы многих элементов, и разработал электрохимическую теорию сродства, объяснявшую соединение атомов на основе представления о полярности атомов и элетроотрицательности.

Окончательную ясность в атомно-молекулярную теорию внёс С. Канниццаро.

Для периода классической химии характерно стремительное развитие науки: были созданы периодическая система элементов, теория химического строения молекул, стереохимия, химическая термодинамика и химическая кинетика. Больших результатов добились неорганическая химия и органический синтез. В связи с ростом объёма знаний о веществах и его свойствах началась дифференциация химии – выделение её отдельных ветвей, приобретающих черты самостоятельных наук.

В конце 20-х – начале 30-х гг. ХХ века сформировались принципиально новые – квантово-механические – представления о строении атома и природе химической связи. Благодаря этому в основном был выяснен способ образования связи между атомами; кроме того, в рамках квантово-механического подхода получило корректную физическую интерпретацию менделеевское учение о периодичности.

Создание надёжного теоретического фундамента привело к значительному росту возможностей прогнозирования свойств веществ. Особенностью химии в ХХ веке стало широкое использование физико-математического аппарата и разнообразных расчётных методов. Подлинным переворотом в химии стало появление в ХХ веке большого числа новых аналитических методов, прежде всего физических и физико-химических (рентгеноструктурный анализ, электронная и колебательная спектроскопия, магнетохимия и масс-спктрометрия, спектроскопия ЭПР и ЯМР, хроматография и т. п.). Эти методы предоставили новые возможности для изучения состава, структуры и реакционной способности вещества.

Отличительной чертой современной химии стало её тесное взаимодействие с другими естественными науками, в результате которого на стыке наук появились биохимия, геохимия и др. разделы. Одновременно с этим процессом интеграции интенсивно протекал и процесс дифференциации самой химии. Хотя границы между разделами химии достаточно условны, коллоидная и координационная химия, кристаллохимия и электрохимия, химия высокомолекулярных соединений и некоторые другие разделы приобрели черты самостоятельных наук.

Неизбежным следствием совершенствования химической теории в ХХ веке стали новые успехи практической химии. Успехи химиков в деле получения вещества с желаемыми свойствами в числе прочих достижений прикладной науки к концу ХХ столетия привели к коренным преобразованиям в жизни человечества.

Структура химического знания и основные химические понятия

Современная химия – настолько обширная область естествознания, что многие её разделы по существу представляют собой самостоятельные, хотя и тесно взаимосвязанные научные дисциплины.

По признаку изучаемых объектов (веществ) химию принято делить на неорганическую и органическую. Объяснением сущности химических явлений и установлением их общих закономерностей на основе физических принципов и экспериментальных данных занимается физическая химия, включающая квантовую химию, электрохимию, химическую термодинамику, химическую кинетику. Самостоятельными разделами являются также аналитическая и коллоидная химия.

Технологические основы современных производств излагает химическая технология.

Химия – это наука, исследующая закономерности, проявляющиеся на атомно-молекулярном уровне организации материи. Задача химии состоит в изучении строения молекул и процессов изменения этого строения в результате их взаимодействия.

Фундаментальными основами химии стали квантовая механика, атомная физика, термодинамика, статистическая физика, физическая кинетика. На основе физики построена теоретическая химия. Но из этого не следует, что химия не существует как самостоятельная наука: химия «выводится» из физики, но не сводится к ней.

Физической основой химического знания являются три главных постулата квантовой механики:

1. уравнение Шредингера как квантовый наследник уравненийц классической механики;
2. принцип Паули, организующий электроны по спиновым состояниям и энергетическим уровням;
3. волновая функция – носитель информации о плотности распределения заряда и спина.

На основании этих постулатов химическую реакцию следует рассматривать как физический процесс перестройки электронных оболочек и перегруппировки ядер.

Математической основой химии стало установление множества количественных закономерностей, точных законов, высочайшего измерительного уровня определения атомно-молекулярных, термодинамических и кинетических констант, характеризующих вещество и химический процесс.

Согласно системному подходу изучаемый химиками мир должен включать элементы, связи, структуру, подсистемы, системы, надсистему, субстрат. В с соответствии с информационным подходом, изучаемые химией объекты должны иметь жизненный цикл, подчиняющийся законам максимальной пространственной экспансии, усложнения и деградации. Иными словами, системный подход позволяет характеризовать химический мир как статичный, а информационный подход – как динамичный. В соответствии с системным и информационным подходами структуру химических знаний составляют:

1. химические элементы;
2. химические связи;
3. химические структуры;
4. химические подсистемы или классы химических веществ;
5. система химического мира;
6. надсистема химического мира;
7. субстрат химического мира;
8. трансформация химических веществ.

На химическом уровне мы имеем дело с очень большим числом частиц, участвующих в квантово-механических процессах обмена электронами (химических реакциях ). Это обусловливает макроскопичность проявления законов квантовой физики в химических процессах. Базовое понятие химии - валентность - э то макроскопическое, химическое отображение квантово-механических взаимодействий.

Эмпирическая химическая формула соединения показывает, какие элементы и в каком соотношении входят в состав химического соединения. Эмпирическая формула устанавливается опытным путём. Но основе эмпирической формулы некоторого вещества может быть найдена его молекулярная формула. В химии выработаны правила определения молекулярной формулы. Для этого используются химические уравнения , которые являются эффективным и простым способом описания химических процессов. Методика составления уравнений химических реакций с учётом характера конкретных веществ и взаимодействий хорошо разработана современной химией.

Результаты химического взаимодействия могут быть вычислены с помощью методов физики, но эти расчёты были бы очень сложны. На основе методов, выработанных в химии, используя для описания вещества и его превращения язык химических формул и уравнений, химия решает эти проблемы намного проще и быстрее.

Благодаря тому, что химии удалось выработать свой собственный язык, своё феноменологическое описание свойств веществ и химических превращений, химия стала великой наукой задолго до того, как квантовая механика вскрыла сущность химических явлений.

Язык химии разнообразен; он содержит возможности отображения особенностей химических реакций и различных свойств веществ. Например, структурные формулы показывают последовательность и пространственный порядок соединения атомов в молекулах.

Таким образом, атомно-молекулярный уровень организации материи, чрезвычайно сложно описываемый на фундаментальном уровне, на уровне квантовой механики, потребовал выработки своего химического языка. Сегодня физики, составляющая ядро теоретической химии, служит базой дальнейшего развития этой науки. Развитие современной химии, её основные концепции оказались тесно связанными не только с физикой, но и с другими естественными науками, особенно с биологией.

В соответствии с классическими научными воззрениями различаются две физические формы существования материи – вещество и поле. Вещество – это форма материи, обладающая массой покоя (масса покоя равна нулю). Все вещества корпускулярны. Химия изучает большей частью вещества, организованные в атомы, молекулы, ионы и радикалы. Те, в свою очередь, состоят из элементарных частиц: электронов, протонов, нейтронов и т.д.

Среди чистых веществ принято различать простые (состоящие из одного химического элемента) и сложные (образованы несколькими химическими элементами) вещества.

Химический элемент – это вид атомов с определённым положительным зарядом ядра. Все химические элементы указаны в Периодической системе элементов Д.И. Менделеева; каждому элементу отвечает свой порядковый (атомный) номер в Периодической системе. Значение порядкового номера элемента и значение ядра атома того же элемента совпадают, т.е. химический элемент – это совокупность атомов с одинаковым порядковым номером.

Простые вещества представляют собой формы существования химических элементов свободном виде. Каждому элементу соответствует, как правило, несколько простых веществ (аллотропных форм), которые могут различаться по составу. Простые вещества могут быть одно- и многоатомными.

Сложные вещества иначе называются химическими соединениями. Этот термин означает, что вещества могут быть получены с помощью химических реакций соединения из простых веществ (химического синтеза) или разделены на элементы в свободном виде (простые вещества) с помощью химических реакций разложения (химический анализ).

В настоящее время понятия «синтез» и «анализ» химических веществ используются в более широком смысле. К синтезу относят любой химический процесс, который приводит к получению необходимого вещества и при этом существует возможность его выделения из реакционной смеси. Анализом считается любой химический процесс, позволяющий определить качественный и количественный состав вещества или смеси веществ, т.е установить, из каких элементов составлено данное вещество и каково содержание каждого элемента в этом веществе. Соответственно различают качественный и количественный анализ – две составные части одной из химических наук – аналитической химии.

Процессы, протекающие в химическом веществе, или в смесях различных веществ, представляют собой химические реакции . При протекании химических реакций всегда образуются новые вещества. В сущности этот процесс изменения структуры молекулы. В результате реакции количество атомов в молекуле может увеличиваться (синтез), уменьшаться (разложение) или оставаться постоянным (изометрия, перегруппировка). В ходе реакции изменяются связи между атомами и порядок размещения атомов в молекулах.

Химические реакции выявляют и характеризуют химические свойства вещества.

Исходные вещества, взятые для проведения химической реакции, называются реагентами , а новые вещества, образующиеся в результате химической реакции, - продуктами реакции. Химия изучает и описывает эти процессы как в макромасштабе, на уровне макроколичеств веществ, так и в микромасштабе, на атомно-молекулярном уровне.

Концептуальные уровни современной химии

По мере развития химии до её современного уровня в ней сложилось четыре совокупности подходов к решению основной задачи. Развитие подходов обусловило формирование четырёх концептуальных систем химического знания:

1. учение о составе (XVII в.);
2. структурная химия (XIX в.);
3. учение о химических процессах (середина ХХ в);
4. эволюционная химия (ХХ в.)

Первоначально свойства веществ связывались исключительно с их составом, в этом суть учения о составе.

Далее учение о составе было дополнено концепцией структурной химии, которая объединяет теоретические представления в химии, устанавливающие связь свойств веществ не только с составом, но и со структурой молекул. В рамках этого подхода возникло понятие «реакционная способность», включающее представление о химической активности отдельных фрагментов молекулы – отдельных её атомов (и даже отдельных химических связей). Структурная концепция позволила превратить химию из преимущественно аналитической науки в науку синтетическую.

Затем было развито учение о химических процессах. В рамках этой концепции с помощью методов физической кинетики и термодинамики были выявлены факторы, влияющие на направленность и скорость протекания химических превращений и на их результат. Химия вскрыла механизмы управления реакциями и предложила способы изменения свойств получаемых веществ.

Последний этап концептуального развития химии связан с использованием в ней некоторых принципов, реализованных в химизме живой природы. В рамках эволюционной химии осуществляется поиск таких условий, при которых в процессе химических превращений идёт самосовершенствование катализаторов реакций. По существу, речь идёт о самоорганизации химических процессов, происходящих в клетках живых организмов.

Каждая новая концептуальная ступень в развитии химии означает не отрицание подходов, использовавшихся ранее, а опору на них как на основание. Это составляет логику развития химии как науки.

Двуединая задача современной химии

Как и другие составляющие естествознания, химия имеет многочисленные практические приложения. Но её существенной особенностью является то, что химия в значительной мере сама создаёт свой объект изучения.

Самые разнообразные исследования в ней направлены на раскрытие закономерностей химических превращений, которые реализованы искусственно, на получение и изучение веществ, большинство из которых в природе не встречается.

Основная цель современной химии, вокруг которой строится вся исследовательская работа, заключается в получении веществ с заданными свойствами. Это и определяет содержание двуединой центральной задачи химии: исследование генезиса свойств веществ и разработка на этой основе методов получения веществ с заранее заданными свойствами.

Вопросы для самоконтроля

1. В чём двуединая основная проблема химии?
2. Раскройте взаимосвязь физических, химических и биологических знаний.
3. В чём предмет познания химической науки и её проблемы?
4. Назовите и охарактеризуйте основные исторические этапы развития химии как науки.
5. Каково содержание и историческое значение алхимии?
6. Назовите основные методы и концепции познания в химии.
7. Что такое эволюционная химия?
8. В чём различие биохимии и химии жизни?

1. Азимов А. Краткая история химии: развитие идей и представлений о химии. М., 1983.
2. Бернал Дж. Возникновение жизни. М., 1969.
3. Браун Т., Лемей Т.Ю. Химия – в центре наук. М., Мир, 1983.
4. Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и её окружение. М., 1965.
5. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Новосибирск, 1997.
6. История учения о химическом процессе. Всеобщая история химии. М., 1981.
7. Кузнецов В.И. Общая химия. Тенденции развития. М., 1989.
8. Кузнецов В.И. и др. Естествознание. М., 1996.
9. Полинг Л. Общая химия. М., Мир, 1964.
10. Соловьёв Ю.И. История химии. М., 1983.
11. Становление химии как науки. Всеобщая история химии. М., 1983.
12. Тейлер Р.Д. Происхождение химических элементов. М., 1975.

Версия для печати