ТЕМА 2.7. ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ В СОВРЕМЕННОЙ ХИМИИ

2.7.1. Становление и развитие химической картины мира

Химия — наука о веществах и их превращениях. Возникновение химии как

самостоятельной науки обычно относят к XIX в., хотя химические представления всегда

входили в качестве составной части естественнонаучных взглядов на природу.

В своей практической деятельности человек имеет дело с веществом и его

превращениями в течение многих тысячелетий: добывание и поддержание огня, хранение

пищевых продуктов и приготовление пищи, получение металлов из руд, выделка шкур,

крашение и т.д.

Химическое искусство возникло в глубокой древности и его трудно отличить от

производства. Т.о., корни химии проросли в плодородной почве практики.

Само слово «химия», по всей вероятности, связано с очень древними понятиями,

обозначающими наливание, настаивание. У древних греков слово «химия» означало литье и

смешивание; у древних китайцев — золото; у древних египтян — чернозем, черная земля.

Полагают, что современное название химии произошло от позднелатинского chimia и

является интернациональным.

Первыми, наиболее последовательными химическими взглядами на природу,

дошедшими до нас из глубины человеческой истории, являются воззрения древних греков (V

— III вв. до н. э.). Здесь отчетливо выделялись два направления: атомистические

представления и учение об элементах (всеобщих началах или стихиях). Оба эти направления

носили либо абстрактный и умозрительный, либо слишком наивный характер и имеют мало

общего с современными представлениями об атомах, молекулах, химических элементах.

IV — XVI вв. — стали периодом господства алхимии. В этот период широкое

распространение получило учение Аристотеля, которое корнями уходит еще в IV в. до н. э.

Аристотель считал, что первоначалом всех вещей являются огонь, воздух, вода, и еще 5-й

элемент, который проникает во все вещи и имеет эфирную, духовную природу.

В средневековье церковь поддерживала учение Аристотеля, признавая его

священным, и в то же время преследовала атомистические представления как еретические и

безбожные.

Пятому элементу, введенному Аристотелем, алхимики приписывали особый смысл.

Пятая сущность — квинтэссенция — вызывает взаимные превращения остальных элементов

и, следовательно, может превращать обычные металлы в золото и серебро, излечивать

болезни, возвращать молодость. Ее также называли «философским камнем», «эликсиром

здоровья», «универсальным растворителем».

Наивысшего развития алхимия достигла в трех основных своих типах: греко –

египетском, арабском и западноевропейском. Родиной алхимии был Египет и связано это с

производством металлов, получением сплавов, изготовлением драгоценных изделий и монет.

С VIII в. н. э. в двух направлениях развивается арабская химия. Одни арабские алхимики

предпринимали попытки трансмутации золота, другие искали эликсир жизни, дававший

бессмертие.

На Западе (в Европе) алхимия появилась благодаря крестовым походам, и очень

многое заимствовала от арабов. Наиболее глубокий след алхимия Запада оставила в период

с XI по XVI вв. За это время был описаны некоторые химические вещества (серная и азотная

кислоты, хлористый натрий, селитра).

Западные алхимики стали изучать продукты брожения вина и уксуса и впервые

стали изготовлять из крепких вин и водки путем перегонки чистый спирт. Отсюда пошло

создание аппаратов для перегонки, а также связанных с нагреванием на прямом огне, на

водяной бане, для выпаривания, фильтрования, кристаллизации, настаивании и возгонке. Так

были подготовлены условия для исследований химических элементов, их применения в

медицине и практической науке.

Начиная с XVI в. алхимия в Европе утрачивает свое назначение, и ей на смену

пришло совершенно новое понимание задач химии. Это назначение состояло в

приготовлении лекарств и получило название ятрохимии. Основателем ятрохимии считают

швейцарского врача и естествоиспытателя Парацельса.

Ятрохимия сыграла положительную роль в развитии химии как науки. Она

освободила ее от алхимии, расширила знания о многих жизненно важных соединениях. Но

затем она превратилась в помеху для развития химии, т.к. сужала поле ее исследований.

Поэтому в XVII в. многие исследователи отказались от принципов ятрохимии.

С XVII в. начинает развиваться наука Нового времени, для которой характерны

большое количество экспериментов и коллективные исследования. В это время создаются

общества и объединения прогрессивных ученых в Италии, Франции, Англии.

Одним из основателей такого общества в Англии стал Р. Бойль. Он предложил

считать истинными элементами такие вещества, которые не подвергаются дальнейшему

разложению. Число таких элементов сразу возросло (у Аристотеля их было всего 5) и эти

элементы получили реальное, экспериментальное обоснование.

В XVIII в. большое значение приобрела новая теория флогистона, заслуга, в

создании которой принадлежит немецкому химику Г. Шталю. Согласно этой теории такие

горючие вещества, как водород, сера, уголь, а также металлы содержат в своем составе

особую «субстанцию», называемую флогистоном. При нагревании флогистон удаляется из

вещества и остается чистый элемент. Но теория не могла объяснить, почему вес окалины

больше, чем вес чистого металла. Приходилось предполагать, что флогистон может иметь

отрицательную массу. Т.е., теория имела внутренние противоречия, для преодоления их

нужны были серьезные количественные исследования.

Такая работа в XVIII в. была проделана М.В. Ломоносовым и завершилась

открытием закона сохранения и превращения энергии. Этим был заложен прочный

фундамент под все последующие количественные исследования.

В XIX в. дальнейшие количественные исследования Д. Дальтона, Ж. Гей-Люссака,

А. Авогадро позволили создать атомно – молекулярное учение, основные положения

которого были приняты в 1860 г. на международном конгрессе химиков в Карлсруэ. Эти

положения сохраняют силу и сегодня. На этом же конгрессе были приняты и другие

основополагающие принципы, теории и законы химии. Так химия заявила о себе как о

самостоятельной науке.

Блестящим развитием атомно – молекулярного учения явилась классическая теория

химического строения, созданная А.М. Бутлеровым в 1861 г. Он обосновал утверждение, что

структурные формулы открывают последовательность химических связей атомов в

молекулах. В создании классической теории химического строения большую роль имели

также работы А. Кекуле, Я. Вант – Гоффа и В.В. Марковникова.

Теория химического строения создала все необходимые предпосылки для

целенаправленного синтеза разнообразных органических веществ заданного состава и

строения. Она позволила планировать синтез новых органических веществ: лекарственных

препаратов, взрывчатых веществ, красителей. С 60 – 80 – гг. XIX в. появился термин

«органический синтез».

Гениальным завершением развития учения о химических элементах явилось

открытие Д.И. Менделеевым периодического закона – важнейшего обобщения в химии,

которое имело и имеет громадное значение для развития всего естествознания.

В XX в. раскрыт физический смысл периодического закона и дано квантово –

механическое обоснование строения атомов химических элементов периодической системы

Менделеева.

Все перечисленные научные достижения заложили прочный фундамент для

развития основных химических концепций:

1.Учения о химическом составе;

2.Структурной химии;

3.Учения о химических процессах;

4.Эволюционной химии.

2.7.2. Концептуальные системы химических знаний, их краткое содержание

Учение о химическом составе охватывает три основные проблемы: анализ состава

химического элемента; определение состава химического соединения; применение все

большего числа химических элементов для производства новых материалов.

В истории развития учения о составе вещества решение первой из обозначенных

проблем началось с ошибочного представления о химическом элементе. Первая научная

теория химии – теория флогистона, касающаяся состава вещества, оказалась неверной.

Примерно, до середины XVII в. не был известен ни один химический элемент. И только в

1660 г. Р. Бойль положил начало современному представлению о химическом элементе как о

«простом теле» или как о пределе разложения вещества. Постепенно были открыты

истинные химические элементы.

В XVIII в. А. Лавуазье сделал первую попытку систематизации химических

элементов. В свою систему он включил кислород, водород, азот, серу, фосфор, углерод, 7

известных к тому времени металлов, а также известь, магнезию, глинозем и кремнезем

(потому что они не поддавались дальнейшему разложению). Все элементы своей системы А.

Лавуазье считал неделимыми.

Ошибку эту исправил в дальнейшем Д.И. Менделеев, когда сформулировал свой

периодический закон и составил периодическую систему химических элементов.

Проблема химического соединения — вторая проблема учения состава вещества. В

конце XVIII в. — начале XIX в. французский ученый Ж. Пруст установил закон

постоянство состава, согласно которому любое индивидуальное химическое соединение

обладает строго определенным, неизменным составом, прочным притяжением составных

частей (атомов) и тем отличается от смесей.

В дальнейшем этот закон теоретически обосновал Д. Дальтон. Он показал, что все

индивидуальные вещества в отличие от смесей состоят из мельчайших частиц — молекул,

которые, в свою очередь, состоят из простых атомов разных химических элементов.

В конце XIX — начале XX вв. русский химик Н.С. Курнаков в результате

исследований интерметаллических соединений (соединений, состоящих из двух металлов:

магний – серебро, кадмий – мышьяк и т.д.) установил образование настоящих

индивидуальных соединений переменного состава. Он назвал их бертоллидами, а за

соединениями постоянного состава оставил название дальтониды (в честь выдающихся

химиков К. Бертоле и Д. Дальтона).

Как показали результаты физических исследований, суть проблемы химических

соединений состоит не столько в постоянстве или непостоянстве химического состава,

сколько в физической природе химических связей, объединяющих атомы в единую квантово

–механическую систему — молекулу.

В результате того, что физика XX в. открыла природу химизма как обменного

взаимодействия электронов, химия стала принципиально по-новому решать и проблему

химического соединения.

Химическое соединение определяется как качественно определенное вещество,

состоящее из одного или нескольких элементов, атомы которых за счет взаимодействия

(химической связи) объединены в частицы — молекулы, комплексы, монокристаллы или

иные агрегаты. Т.е., химические соединения могут состоять как из одного, так и из многих

химических элементов.

Наконец, третья проблема учения о составе — применение химических элементов

для производства новых материалов. Известно, что 98, 6 % физически доступного слоя

Земли составляют всего 8 химических элементов. Это кислород, кремний, алюминий,

железо, кальций, натрий, калий, магний. Более всего используется железорудное сырье, а

железо по распространенности на четвертом месте.

Вообще же, материально-техническую базу современного производства примерно

на 90 % составляют два вида материалов — металлы и керамика. В настоящее время все

больше открывается возможностей для замены металлов керамикой. Керамика используется

как строительный материал, посуда, тепло - и электроизолятор. Производство ее выгоднее

как в техническом, так и экономическом отношении отношениях.

В XX в. получено очень много новых материалов. В 60-е гг. синтезирован

сверхтвердый гексанит – Р (разновидность нитрида бора) с температурой плавления > 3 200

0 С и твердостью, близкой к твердости алмаза. Этот материал относится к керамике.

Начиная с середины XX, новые химические элементы стали использоваться и в

синтезе элементоорганических соединений (от алюминия до фтора). В результате появились

абсолютно новые соединения, которые используются в качестве химических реагентов, а

также для производства фторорганических соединений, которые исключительно устойчивы

даже в самых агрессивных средах. Эти материалы можно использовать для протезов

внутренних органов человека.

Второй концепцией в химии или обширным пластом ее знаний является структурная

химия. «Структурная химия» — понятие условное. В этом разделе химии особое внимание

обращено на структуру любой молекулы. Возникновение структурной химии означало, что

появился инструмент целенаправленного качественного преобразования веществ.

Комбинация атомов химических элементов дала возможность сначала получения новых

структурных формул веществ, а затем указала и на путь их синтеза.

Изначально большое влияние на развитие этого раздела химии оказала теория

валентности Ф. Кекуле. Он предложил изображать формулы схематически, это натолкнуло

исследователей на попытки синтеза некоторых веществ.

Активным действиям в этом направлении способствовала и теория химического

строения А. М. Бутлерова, которая появилась в 1861 году. Именно она дала толчок к

развитию органического синтеза.

Однако оказалось, что структурная химия ограничена рамками сведений только о

молекулах вещества, находящегося в дореакционном состоянии. Этих сведений

недостаточно, чтобы управлять процессами синтеза.

Тем не менее, современная структурная химия достигла высоких результатов:

синтезированы многие лекарства и душистые вещества, полимеры для энергетики и

авиапромышленности, фторорганические материалы, которые используются в медицине.

В настоящее время исследования в области структурной химии идут по двум

направлениям:

1.Синтез кристаллов для получения материалов с высокими техническими

показателями — максимальной прочностью, термической стойкостью, долговечностью в

эксплуатации и пр. В этих случаях необходимо исключать влияние некоторых внешних

факторов (например, гравитации). Поэтому эксперименты по выращиванию таких

кристаллов проводятся в космосе на орбитальных станциях.

2.Создание кристаллов с заранее запрограммированными дефектами для получения

материалов с заданными электрическими, магнитными и другими свойствами. Эти процессы

сопровождаются появлением незапрограммированных дефектов, поэтому такие работы

весьма сложны. Однако они проводятся и небезрезультатно.

Третий пласт химических знаний — это учение о химических процессах. Это учение

связывает способность взаимодействия различных химических веществ с условиями

протекания химических реакций.

В основе этого учения лежат химическая термодинамика и кинетика, которые

традиционно относятся к физической химии. Отсюда деление методов управления

химическими процессами на термодинамические и кинетические.

Термодинамические методы лежат в основе химической термодинамики,

изучающей закономерности химических процессов в зависимости от изменения температуры

и тепловых воздействий. О принципе подвижного равновесия химических реакций впервые

заговорил французский химик А. Ле Шателье. В дальнейшем было выяснено, что смещение

равновесия возможно при изменении температуры, давления и концентраций реагирующих

веществ.

Вопросами управления скоростью химических реакций занимается химическая

кинетика. В настоящее время установлено, что скорость химических реакций зависит от

строения исходных веществ, их концентрации, наличия катализаторов и других добавок,

способов смешивания реагентов, конструкции реакторов и др.

В XIX в. большой вклад в изучение действия катализаторов внес акад. К. Кирхгоф,

а в 60-е гг. XX в. лауреат Нобелевской премии Н.Н. Семенов. На современном этапе своего

развития учение о химических процессах занимается разработкой таких проблем, как химия

плазмы, радиационная химия, химия высоких давлений и температур.

Четвертый пласт химических знаний сравнительно свежий. Это эволюционная

химия — наука о самоорганизации и саморазвитии химических систем, которая стала

развиваться с 60 – 70 –х гг. нашего столетия.

Эволюционная химия базируется на синтезе соединений, который протекает

самопроизвольно (без участия человека). Истоки этой химии уходят в далекое прошлое. Они

связаны с давнишней мечтой химиков — освоить опыт протекания химических реакций в

живых организмах и понять, как из неорганической материи возникает органическая, а

вместе с ней и жизнь.

Первым ученым, осознавшим важность исключительно высокой упорядоченности,

организованности и эффективности процессов в живых организмах, был один из основателей

органической химии, шведский ученый Я. Берцелиус (XIX в.). Он установил, что основой

лаборатории живого организма является биокатализ. В XX в. много внимания

каталитическому опыту живой природы уделял Н.Н. Семенов.

Современные химики пришли к выводу, что, используя закономерности химических

реакций, протекающих в живых организмах, можно будет построить совершенно новую

химию.

Для освоения каталитического опыта живой природы и реализации полученных

знаний в промышленном производстве химики наметили четыре перспективных

направления.

Первое направление — это развитие исследований в области металлокомплексного

катализа с ориентацией на соответствующие объекты живой природы. Этот катализ

обогащается приемами, которыми пользуются живые организмы в ферментативных

реакциях.

Второе направление — моделирование биокатализаторов (т.е. ферментов, которые

по своей природе являются белками). Некоторые модели уже получены, но они пока не в

состоянии заменить природные биокатализаторы живых систем.

Третье направление — развитие химии иммобилизированных систем. Сущность

иммобилизации состоит в закреплении выделенных из живого организма ферментов на

твердой поверхности путем адсорбции. При этом ферменты превращаются в гетерогенные

катализаторы со стабильным и непрерывным действием. В этом направлении в 70 – 80-х гг.

нашего столетия много сделал И.В. Березин и его школа.

Четвертое направление — изучение и освоение всего каталитического опыта живой

природы (опыта формирования фермента, клетки и даже организма). Это направление

связано с теорией химической эволюции и биогенеза, выдвинутой в 1964 г. А.П. Руденко.

Эта теория в настоящее время служит основанием эволюционной химии.

Сущность этой теории состоит в утверждении, что химическая эволюция

представляет собой саморазвитие открытых каталитических систем (т.е.

эволюционирующим веществом являются катализаторы). По мере протекания реакций

происходит естественный отбор тех каталитических систем, которые обладают наибольшей

активностью.

Саморазвитие, самоорганизация и самоусложнение каталитических систем

происходит за счет постоянного притока трансформируемой энергии. А так как основным

источником энергии является базисная реакция, то максимальные эволюционные

преимущества получают каталитические системы, которые развиваются на базе

экзотермических реакций.

Поэтому базисная реакция является не только источником энергии, но и орудием

отбора наиболее прогрессивных эволюционных изменений катализаторов.

А.П. Руденко сформулировал основной закон химической эволюции. Согласно

этому закону с наибольшей скоростью и вероятностью образуются те пути эволюционных

изменений катализатора, на которых происходит максимальное увеличение его абсолютной

активности.

В результате развития этого направления химикам открылись перспективы создания

и развития такой химии, на основе которой будут созданы малоотходные, безотходные и

энергосберегающие промышленные технологии.

Контрольные вопросы

1.Что изучает химия?

2.Каковы основные этапы развития химических знаний?

3.Как объясняли свойства вещества в древние времена?

4.В чем сущность «теории» флогистона?

5.Кто и когда предложил теорию химического строения вещества?

6.Какие концептуальные системы химии Вы знаете?

7.В чем состоит суть учения о химическом составе?

8.Что изучает структурная химия?

9.Какие проблемы охватывает учение о химических процессах?

10.Что изучает эволюционная химия?

Литература

1.Будрейко Н.А. Философские вопросы химии. — М., 1970.

2.Васильева Т.С., Орлов В.В. Химическая форма материи. — М., 1983.

3.Данцев А.А. Философия и химия. — Ростов – на Дону, 1991.

4.Соловьев Ю.И., Курашов В.И. Химия на перекрестке наук. — М., 1989.

5.Фигуровский Н.А. История химии. — М., 1979.

Контрольные задания к теме 2.7.

№ 1. Дайте определение химии, когда она возникла как наука.

№ 2. Дайте определение алхимии и назовите период ее господства.

№ 3. Вставьте в предложение нужные фамилию ученого и другие обозначения.

№ 4. Поясните, что изучает эволюционная химия.

№ 5. Назовите теорию, объяснявшую процесс горения выделением из тел особого

летучего, невидимого и невесомого вещества.

№ 6. Укажите, где и когда возникла ятрохимия, и кто явился ее создателем.

№ 7. Поясните, когда появился термин «органический синтез».

№ 8. Вставьте в предложение фамилию ученого.

« … является автором периодического закона и периодической системы химических

элементов».

№ 9. Объясните, какой химический элемент больше всего используется в настоящее

время на Земле. Почему?

№ 10. Выберите правильный ответ.

Бертолиды – это соединения … а) постоянного состава; б) переменного состава; в)

смеси.

№ 11. Объясните основные положения:

а) атомно – молекулярного учения; б) учения о химическом составе; в) учения о

химических процессах.

№ 12. Поясните связь химии экстремальных состояний с достижениями научно –

технического прогресса.