Сообщение как развивалась химия
Предмет и задачи химии, значение и история развития науки
В статье кратко представлен круг вопросов, изучаемых химией, дается представление о задачах, которые решает эта наука. Рассказывается об основных этапах предыстории, становления и развития химии, о ее состоянии в настоящее время. В заключение дается оценка значения химии в жизни современного человека.
Окружающий нас материальный мир — объект изучения системы естественных наук. Химия – одна из ее важнейших отраслей. Значение химии в жизни человечества непрерывно растет, и одновременно усложняется роль этой фундаментальной науки в современном мире. Она имеет множество практических приложений, которые оказывают влияние и на развитие человеческой цивилизации в целом, и на нашу повседневную жизнь.
Предмет и задачи химии
Химия как часть естествознания изучает материю, а предмет химии включает состав вещества, его строение и обусловленные ими свойства. Также химия исследует изменения этих характеристик в процессах превращения веществ – химических реакциях – и устанавливает закономерности таких изменений.
Уровень, на котором сохраняются химические свойства – это молекулы и атомы. Этими структурными единицами химия оперирует при описании процессов в веществе. Опираясь на законы движения материи на атомно-молекулярном уровне, химики решают множество задач. Можно сгруппировать эти задачи по нескольким направлениям:
Но прежде чем прийти к постановке столь высокотехнологичных задач, наука о веществах проделала большой исторический путь.
История развития химии
Накапливать сведения о различных веществах и их превращениях человек начал еще на заре своей истории. Он занимался обработкой шкур, использовал огонь и, наблюдая происходящие изменения, наивно систематизировал их.
Нахождение способов добычи огня, изобретение обжига глиняной посуды и другие достижения способствовали появлению первых химико-практических знаний. Но их рост, связанный с общими темпами развития общества, шел крайне медленно.
Древность: ремесленники и натурфилософы
Люди узнали о химических процессах гораздо больше с появлением и развитием металлургии. Человек открыл золото, медь, самородное метеоритное железо, а также свинец, олово, серебро и ртуть. Уже в древнейших государствах процветала не только обработка металлов, но и другие ремесла, связанные с преобразованием веществ.
Особенно славился производством стекла, красок, косметики, парфюмерии, лекарств Египет.
Само название «химия» восходит, к египетскому слову khemi, означавшему «чернозем» и служившему наименованием страны. Термин khemeia вошел в греческий язык при знакомстве греков с культурой Египта и стал обозначать знание руд и различных минералов.
В попытках обобщить разрозненные знания и включить их в представления об устройстве мироздания античные натурфилософы выработали две умозрительных концепции:
Атомизм не получил широкого признания, в отличие от учения о стихиях, надолго укоренившегося в умах благодаря авторитету Аристотеля в средние века.
Время алхимиков
«Египетское искусство» или «египетское знание» – khemeia, химия – считалось магическим, священным. Мыслители эллинистической эпохи подвели под него теоретическую основу – стихии Аристотеля и числовую мистику пифагорейцев. Так родилась дисциплина, которая после завоевания Египта арабами в VII веке стала известна как алхимия.
Как на арабском Востоке, так и в Европе XIII–XVII веков своей главной задачей алхимия ставила трансмутацию – превращение одного металла в другой, желательно в золото. Обеспечить ее должен был «эликсир» или «философский камень» – особая субстанция, способная также излечивать все недуги и дарить бессмертие.
В тщетных поисках эликсира алхимики создали и усовершенствовали лабораторное оборудование – весы, химическую посуду, – и совершили ряд открытий. Они получили фосфор, мышьяк и другие вещества, изучили многие соединения. Главным же достижением алхимии было внедрение эмпирического – экспериментального – метода исследования вещества.
От натурфилософии к науке
В XVI веке алхимия претерпела идейное разделение. Часть алхимиков продолжала поиски эликсира. Но это течение, пронизанное мистицизмом, становилось все более закрытым и привело в тупик. Другие исследователи ставили во главу угла решение практических задач. Самыми важными в рациональной алхимии стали два направления:
Деятельность этих алхимиков подвела черту под натурфилософским подходом к изучению химических явлений и стимулировала развитие химии как науки, базирующейся на осмыслении опытных данных.
Возникновение и прогресс научной химии
Вторая половина XVII века в Европе отмечена революцией в естествознании. Возрождается атомизм, появляются средства измерений, создаются объединяющие естествоиспытателей научные общества. В русле этого процесса развивается и история химии, которая четко разделяется на несколько этапов.
Современность: химия в содружестве наук
Эпоха современной химии началась вместе с XX веком. С помощью квантовой теории удалось объяснить химическую связь и понять причину периодической повторяемости свойств элементов.
Исследования по химии в современном мире нельзя представить без мощных аналитических методов, созданных развитием физики. На стыке химии с другими областями естествознания родились новые науки: геохимия, радиохимия, биохимия. С другой стороны, продолжается выделение самостоятельных дисциплин. Эти тенденции особенно заметны в XXI веке.
Значение химии в жизни человека
Наука о превращениях веществ занимается не только фундаментальными проблемами. Большинство лекарственных препаратов, средств гигиены и косметики, материалов, окружающих нас в быту, – творения прикладной химии.
Но, не забывая о пользе, нельзя не отметить и отрицательного значения химии. Оно проявляется в негативном воздействии токсичных химических продуктов и отходов на здоровье человека и в экологических проблемах.
Повинна в этих бедах не наука, а безответственность самого человека, причем не только производителя товаров и материалов, но и потребителя. Впрочем, устранить неблагоприятные явления, а тем более предупредить их без помощи той же науки не удастся.
Роль химии в современной жизни без преувеличения огромна, и она будет возрастать. И лишь от человека зависит, какой она станет по преимуществу – отрицательной или положительной.
Сообщение «История развития химии» кратко
«История развития химии» сообщение 8 класс кратко расскажет о том, как химия вошла в жизнь человека и почему она так важна для нас. Доклад о развитии химии можно использовать во время подготовки к занятию.
Сообщение «История развития химии» кратко
Химия особенно выделяется среди других наук. Благодаря ей человек научился добывать из минералов и руд металлы, из природного сырья вещества, которые делают нашу жизнь комфортней. Химия помогает превращать нефть в бензин, каучук, уголь — в красители и духи, газ — в ткань, лекарственные вещества. Она нас одевает, обувает, кормит, предоставляет блага, без которых цивилизованное общество не может существовать.
Где зародилась химия?
Химия, как наука о веществах и их превращениях, зародилась в древнем Египте. И совсем не зря, ведь Египет был передовой страной древнего мира, жрецы которого были первыми учеными-химиками. Они хранили много неразгаданных химических секретов. Сам термин «химия», по мнению французского ученого М. Бертло, происходит от слова «хума» или «хеми» — черное искусство. В древнее время химия считалась «божественной» наукой.
В 641 году в Египет вторглись арабы, которые переняли от жрецов некоторые химические тайны. Арабские халифы властители стали покровительствовать наукам и в VIII – IX веках появились первые арабские химики. Они и переделали название «химия» в «алхимия», которое европейцы позаимствовали у них. Поэтому в период с 300 года до 1600 года в Европе употреблялся именно данный термин.
Основные реформаторы алхимики следующего этапа развития химии — Возрождения это Агрикола и Парацельс. Последний считал, что все заболевания организма происходят из-за недостатка химических, минеральных соединений. Благодаря ему в развитии химии начался новый толчок, который заставил многих ученых обратить свои взоры к этой науке. Началось ее широкое практическое применение.
К XVII веку бытующая алхимическая теория стала затормаживать развитие науки в целом. В 1661 году Роберт Бойль выступил против господствующей системы, однако взамен не предложил своей. Новую общую теорию предложил Шталь в 1700 году, связанную с реакциями горения: во всех телах, которые способны гореть, имеется особенное вещество — «флогистон», выделяющееся из этих тел при горении. Новая флогистонная теория объединила накопленные до этого знания и выдвинула ряд проблем, требующих научного исследования. Благодаря этой теории было открыто много газов, различных металлов и других веществ. Таким образом, она освободила науку от устаревших представлений алхимиков.
Можно смело утверждать, что химия, как точная наука, зародилась именно в период господства флогистонной теории: в середине XVIII — начале XIХ века. В этот период на благо химии трудились такие ученые как Джозеф Пристли, Михаил Ломоносов, Антуан Лоран Лавуазье, Жозеф Луи Пруст, Карл Вильгельм Шееле, Клод Луи Бертолле, Гемфри Дэви, Джон Дальтон, Майкл Фарадей. Они сформировали многие законы химии.
В XIX веке в химию начали вливаться математические и физические методы. Ученые выявили зависимость ее развития от уровня смежных с ними дисциплин (в особенности физико-математического цикла). Развитие химии связано с такими именами как Станислао Каниццаро, Марселена Бертло, Николай Николаевич Зининн, Август Кекуле, Дмитрий Менделеев, Александр Бутлеров, Эмиль Фишер, Анри Муассан.
В ХХ веке, используя химическую науку, люди научились добывать синтетические антибиотики, синтетические полимеры, пластмассу, строительные материалы, ткани. Современная химия связана с другими науками, вследствие которых появились новые дисциплины — геохимия, биохимия, коллоидная химия, электрохимия, кристаллохимия, химия высокомолекулярных соединений. Самое важное направление химии на сегодня это получение дешевого топлива, которое создает альтернативу основным источникам энергии – газу и нефти.
Надеемся, что сообщение на тему «История развития химии» помогло Вам подготовиться к занятию, и Вы узнали, какие этапы в своем развитии прошла наука. А свой краткий доклад история развития химии Вы можете оставить через форму комментариев ниже.
ХИМИИ ИСТОРИЯ
ХИМИИ ИСТОРИЯ. В статье прослеживается развитие химии от самых ее истоков, с тех времен, когда человек учился добывать и поддерживать огонь и выплавлять с его помощью металлы из руд, далее через эпоху античности и средние века до нашего времени – периода торжества химической науки и технологии.
ИСТОКИ ХИМИИ
Химия древности.
Химия, наука о составе веществ и их превращениях, начинается с открытия человеком способности огня изменять природные материалы. По-видимому, люди умели выплавлять медь и бронзу, обжигать глиняные изделия, получать стекло еще за 4000 лет до н.э. К 7 в. до н.э. Египет и Месопотамия стали центрами производства красителей; там же получали в чистом виде золото, серебро и другие металлы. Примерно с 1500 до 350 до н.э. для производства красителей использовали перегонку, а металлы выплавляли из руд, смешивая их с древесным углем и продувая через горящую смесь воздух. Самим процедурам превращения природных материалов придавали мистический смысл.
Греческая натурфилософия.
Четыре первоэлемента.
Алхимия.
Алхимия – искусство совершенствования вещества через превращение металлов в золото и совершенствования человека путем создания эликсира жизни. Стремясь к достижению самой привлекательной для них цели – созданию неисчислимых богатств, – алхимики разрешили многие практические задачи, открыли множество новых процессов, наблюдали разнообразные реакции, способствуя становлению новой науки – химии.
Эллинистический период.
Колыбелью алхимии был Египет. Египтяне блестяще владели прикладной химией, которая, однако, не была выделена в самостоятельную область знания, а входила в «священное тайное искусство» жрецов. Как отдельная область знания алхимия появилась на рубеже 2 и 3 в. н.э. После смерти Александра Македонского его империя распалась, но влияние греков распространялось на обширные территории Ближнего и Среднего Востока. Особенно бурного расцвета алхимия достигла в 100–300 н.э. в Александрии.
Примерно в 300 н.э. египтянин Зосима написал энциклопедию – 28 книг, охватывавших все знания по алхимии за предыдущие 5–6 вв., в частности сведения о взаимопревращениях (трансмутациях) веществ.
Алхимия в арабском мире.
Завоевав Египет в 7 в., арабы усвоили греко-восточную культуру, сохранявшуюся в течение веков александрийской школой. Подражая древним властителям, халифы начали покровительствовать наукам, и в 7–9 вв. появились первые химики.
Самым талантливым и прославленным арабским алхимиком был Джабир ибн Хайян (конец 8 в.), позднее ставший известным в Европе под именем Гебер. Джабир полагал, что сера и ртуть являются двумя противоположными началами, из которых образуются семь других металлов; труднее всего образуется золото: для этого нужно особое вещество, которое греки называли xerion – «сухой», а арабы изменили на al-iksir (так появилось слово «эликсир»). Эликсир должен был обладать и другими чудесными свойствами: излечивать от всех болезней и давать бессмертие. Другой арабский алхимик, ар-Рази (ок. 865–925) (в Европе известен под именем Разес) занимался также медициной. Так, он описал методику приготовления гипса и способа наложения повязки на место перелома. Однако самым знаменитым врачом был бухарец Ибн Сина, известный также под именем Авиценна. Его сочинения служили руководством для врачей в течение многих веков.
Алхимия в Западной Европе.
Научные воззрения арабов проникли в средневековую Европу в 12 в. через Северную Африку, Сицилию и Испанию. Работы арабских алхимиков были переведены на латынь, а затем и на другие европейские языки. Вначале алхимия в Европе опиралась на работы таких корифеев, как Джабир, но спустя три столетия вновь проявился интерес к учению Аристотеля, особенно в трудах немецкого философа и теолога-доминиканца, ставшего впоследствии епископом и профессором Парижского университета, Альберта Великого и его ученика Фомы Аквинского. Убежденный в совместимости греческой и арабской науки с христианской доктриной, Альберт Великий способствовал введению их в схоластические курсы обучения. В 1250 философия Аристотеля была введена в курс преподавания в Парижском университете. Алхимическими проблемами интересовался и английский философ и естествоиспытатель, монах-францисканец Роджер Бэкон, предвосхитивший многие позднейшие открытия; он изучал свойства селитры и многих других веществ, нашел способ изготовления черного пороха. Среди других европейских алхимиков следует упомянуть Арнальдо да Вилланова (1235–1313), Раймонда Луллия (1235–1313), Василия Валентина (немецкого монаха 15–16 вв.).
Достижения алхимии.
Развитие ремесел и торговли, возвышение городов в Западной Европе 12–13 вв. сопровождались развитием науки и появлением промышленности. Рецепты алхимиков использовались в таких технологических процессах, как обработка металлов. В эти годы начинаются систематические поиски способов получения и идентификации новых веществ. Появляются рецепты производства спирта и усовершенствования процесса его перегонки. Важнейшим достижением было открытие сильных кислот – серной, азотной. Теперь европейские химики смогли осуществить многие новые реакции и получить такие вещества, как соли азотной кислоты, купорос, квасцы, соли серной и соляной кислот. Услугами алхимиков, которые нередко были искусными врачами, пользовалась высшая знать. Считалось также, что алхимики владеют тайной трансмутации обычных металлов в золото.
К концу 14 в. интерес алхимиков к превращению одних веществ в другие уступил место интересу к производству меди, латуни, уксуса, оливкового масла и различных лекарств. В 15–16 вв. опыт алхимиков все чаще использовался в горном деле и медицине.
ЗАРОЖДЕНИЕ СОВРЕМЕННОЙ ХИМИИ
Конец средних веков отмечен постепенным отходом от оккультизма, спадом интереса к алхимии и распространением механистического взгляда на устройство природы.
Ятрохимия.
Совершенно иных взглядов на цели алхимии придерживался Парацельс (1493–1541). Под таким выбранным им самим именем («превосходящий Цельса») вошел в историю швейцарский врач Филипп фон Гогенгейм. Парацельс, как и Авиценна, считал, что основная задача алхимии – не поиски способов получения золота, а изготовление лекарственных средств. Он заимствовал из алхимической традиции учение о том, что существуют три основные части материи – ртуть, сера, соль, которым соответствуют свойства летучести, горючести и твердости. Эти три элемента составляют основу макрокосма (Вселенной) и связаны с микрокосмом (человеком), образованным духом, душой и телом. Переходя к определению причин болезней, Парацельс утверждал, что лихорадка и чума происходят от избытка в организме серы, при избытке ртути наступает паралич и т.д. Принцип, которого придерживались все ятрохимики, состоял в том, что медицина есть дело химии, и все зависит от способности врача выделять чистые начала из нечистых субстанций. В рамках этой схемы все функции организма сводились к химическим процессам, и задача алхимика заключалась в нахождении и приготовлении химических веществ для медицинских нужд.
Основными представителями ятрохимического направления были Ян Гельмонт (1577–1644), по профессии врач; Франциск Сильвий (1614–1672), пользовавшийся как медик большой славой и устранивший из ятрохимического учения «духовные» начала; Андреас Либавий (ок. 1550–1616), врач из Ротенбурга. Их исследования во многом способствовали формированию химии как самостоятельной науки.
Механистическая философия.
Техническая химия.
Научные успехи и открытия не могли не повлиять на техническую химию, элементы которой можно найти в 15–17 вв. В середине 15 в. была разработана технология воздуходувных горнов. Нужды военной промышленности стимулировали работы по усовершенствованию технологии производства пороха. В течение 16 в. удвоилось производство золота и в девять раз возросло производство серебра. Выходят фундаментальные труды по производству металлов и различных материалов, используемых в строительстве, при изготовлении стекла, крашении тканей, для сохранения пищевых продуктов, выделки кож. С расширением потребления спиртных напитков совершенствуются методы перегонки, конструируются новые перегонные аппараты. Появляются многочисленные производственные лаборатории, прежде всего металлургические. Среди химиков-технологов того времени можно упомянуть Ванноччо Бирингуччо (1480–1539), чей классический труд О пиротехнике был напечатан в Венеции в 1540 и содержал 10 книг, в которых речь шла о рудниках, испытании минералов, приготовлении металлов, перегонке, военном искусстве и фейерверках. Другой известный трактат, О горном деле и металлургии, был написан Георгом Агриколой (1494–1555). Следует упомянуть также об Иоганне Глаубере (1604–1670), голландском химике, создателе глауберовой соли.
ВОСЕМНАДЦАТЫЙ ВЕК
Химия как научная дисциплина.
С 1670 по 1800 химия получила официальный статус в учебных планах ведущих университетов наряду с натурфилософией и медициной. В 1675 появился учебник Николя Лемери (1645–1715) Курс химии, завоевавший огромную популярность, в свет вышло 13 его французских изданий, а кроме того, он был переведен на латинский и многие другие европейские языки. В 18 в. в Европе создаются научные химические общества и большое количество научных институтов; проводимые в них исследования тесно связаны с социальными и экономическими потребностями общества. Появляются химики-практики, занимающиеся изготовлением приборов и получением веществ для промышленности.
Теория флогистона.
В сочинениях химиков второй половины 17 в. большое внимание уделялось толкованиям процесса горения. По представлениям древних греков, все, что способно гореть, содержит в себе элемент огня, который высвобождается при соответствующих условиях. В 1669 немецкий химик Иоганн Иоахим Бехер попытался дать рационалистическое объяснение горючести. Он предположил, что твердые вещества состоят из трех видов «земли», и один из видов, названный им «жирной землей», принял за «принцип горючести».
Последователь Бехера немецкий химик и врач Георг Эрнст Шталь трансформировал концепцию «жирной земли» в обобщенную доктрину флогистона – «начала горючести». Согласно Шталю, флогистон – это некая субстанция, содержащаяся во всех горючих веществах и высвобождающаяся при горении. Шталь утверждал, что ржавление металлов подобно горению дерева. Металлы содержат флогистон, а ржавчина (окалина) уже не содержит флогистона. Это давало приемлемое объяснение и процессу превращения руд в металлы: руда, содержание флогистона в которой незначительно, нагревается на древесном угле, богатом флогистоном, и последний переходит в руду. Уголь же превращается в золу, а руда – в металл, богатый флогистоном. К 1780 теория флогистона была принята химиками почти повсеместно, хотя и не отвечала на очень важный вопрос: почему железо при ржавлении становится тяжелее, хотя флогистон из него улетучивается? Химикам 18 в. это противоречие не казалось столь важным; главное, по их мнению, было объяснить причины изменения внешнего вида веществ.
В 18 в. работало много химиков, чья научная деятельность не укладывается в обычные схемы рассмотрения этапов и направлений развития науки, и среди них особое место принадлежит русскому ученому-энциклопедисту, поэту, поборнику просвещения Михаилу Васильевичу Ломоносову (1711–1765). Своими открытиями Ломоносов обогатил почти все области знания, и многие его идеи более чем на сто лет опередили науку того времени. В 1756 Ломоносов провел знаменитые опыты по обжиганию металлов в закрытом сосуде, которые дали неоспоримое доказательство сохранения вещества при химических реакциях и роли воздуха в процессах горения: наблюдаемое увеличение веса при обжигании металлов еще до Лавуазье он объяснял соединением их с воздухом. В противоположность господствовавшим представлениям о теплороде он утверждал, что тепловые явления обусловлены механическим движением материальных частиц. Упругость газов он объяснял движением частиц. Ломоносов разграничивал понятия «корпускула» (молекула) и «элемент» (атом), что получило всеобщее признание лишь в середине 19 в. Ломоносов сформулировал принцип сохранения материи и движения, исключил флогистон из числа химических агентов, заложил основы физической химии, создал при Петербургской АН в 1748 химическую лабораторию, в которой проводились не только научные работы, но и практические занятия студентов. Обширные исследования проводил он в смежных с химией областях знания – физике, геологии и др.
Пневматическая химия.
Химическая революция.
Переворот в теоретических взглядах химиков, который произошел в конце 18 в. в результате быстрого накопления экспериментального материала в условиях господства теории флогистона (хотя и независимо от нее), обычно называют «химической революцией».
ДЕВЯТНАДЦАТЫЙ ВЕК
Состав веществ и их классификация.
Успехи Лавуазье показали, что применение количественных методов может помочь в определении химического состава веществ и выяснении законов их объединения.
Атомная теория.
Химическое сродство.
В течение всего 17 в. химики, рассуждая о «сродстве» – тенденции атомов к образованию соединений, – следовали идеям Бехера и Шталя, которые классифицировали все вещества в соответствии с их способностью реагировать со специфическими кислотами.
Исследование сродства и состава различных типов веществ пошло по другому руслу в начале 19 в. с открытием нового аналитического метода. В 1807 английский химик Хамфри Дэви пропустил электрический ток, получаемый от батареи из 250 металлических пластин, через расплавленный поташ (карбонат калия) и получил маленькие шарики металла, впоследствии названного калием, а затем таким же способом выделил из соды натрий. Дэви предположил, что химическое сродство сводится к электризации атомов при контакте. Шведский химик Йенс Якоб Берцелиус уточнил и развил представление об атоме и электрическом сродстве, предложив первую концепцию химического взаимодействия – электрохимическую теорию. Берцелиус полагал, что, поскольку соли в растворе под действием электрического тока разлагаются на отрицательные и положительные компоненты, все соединения должны состоять из положительных и отрицательных частей – радикалов (дуалистическая теория Берцелиуса). Кислород – самый электроотрицательный элемент, и те элементы, которые образуют с ним соединения со свойствами оснований, электроположительны, а те, которые образуют вещества с кислотными свойствами, – электроотрицательны. В соответствии с этим Берцелиус получил шкалу элементов, первым членом которой был кислород, затем шли сера, азот, фосфор и т.д. с переходом через водород к натрию, калию и другим металлам. К 1840-м годам, однако, стало ясно, что электрохимическая теория не может объяснить существование простых двухатомных молекул (например, O2 и H2) или реакцию замещения водорода (положительное сродство) хлором (отрицательное сродство).
Классификация по атомному весу.
Со времен Дальтона до 1860 в химии не было точного определения понятия атомного веса. Система, основанная на «эквивалентных весах», предложенная английским химиком Уильямом Волластоном (1766–1828), опиралась на соотношения, в которых элементы могли объединяться, и каждый химик мог составить собственный список атомных весов. Не существовало никакой отправной точки для создания системы элементов и никакого соглашения о том, как выражать состав соединений. В 1860 на первом Международном химическом конгрессе в Карлсруэ (Германия) итальянский химик Станислао Канниццаро вновь вернул к жизни забытую гипотезу своего соотечественника Амедео Авогадро, который, основываясь на открытии Гей-Люссаком закона объемных отношений, предположил, что равные объемы газов содержат одинаковое число молекул. Канниццаро утверждал, что с помощью гипотезы Авогадро можно разграничить понятия «атомный вес» и «молекулярный вес» для газообразных элементов и внести ясность в вопрос об атомных весах вообще.
В 1869 великий русский химик Дмитрий Иванович Менделеев, присутствовавший на конгрессе в Карлсруэ и слышавший доклад Канниццаро, опубликовал свою периодическую таблицу. Все известные элементы он расположил в соответствии с увеличением их атомного веса и разбил на периоды и группы, отвечающие изменению валентности. В таблице были оставлены пустые места для еще неоткрытых элементов; некоторым из них Менделеев даже присвоил названия (экабор, экаалюминий и экакремний; приставка «эка» означает «одно и то же»). Замечательная точность периодического закона была продемонстрирована открытиями галлия в 1875, идентичного по своим свойствам экаалюминию, скандия (экабора) в 1879 и германия (экакремния) в 1886.
Органическая химия.
В течение всего 18 в. в вопросе о химических взаимоотношениях организмов и веществ ученые руководствовались доктриной витализма – учения, рассматривавшего жизнь как особое явление, подчиняющееся не законам мироздания, а влиянию особых жизненных сил. Этот взгляд был унаследован и многими учеными 19 в., хотя его основы были поколеблены еще в 1777, когда Лавуазье предположил, что дыхание – процесс, аналогичный горению. Первые экспериментальные свидетельства единства неорганического и органического мира были получены в начале 19 в.
Теория типов.
Открытие и выделение огромного числа сложных углеродсодержащих соединений остро поставили вопрос о составе их молекул и привели к необходимости ревизовать существующую систему классификации. К 1840-м годам ученые-химики осознали, что дуалистические идеи Берцелиуса применимы только к неорганическим солям. В 1853 была предпринята попытка классифицировать все органические соединения по типам. Обобщенная «теория типов» была предложена французским химиком Шарлем Фредериком Жераром, который полагал, что объединение различных групп атомов определяется не электрическим зарядом этих групп, а их специфическими химическими свойствами. Жерар выделил четыре основных типа атомных групп, из которых, по его мнению, и состоят все соединения – как органические, так и неорганические.
Структурная химия.
В 1857 Кекуле, исходя из теории валентности (под валентностью понималось число атомов водорода, вступающих в соединение с одним атомом данного элемента), предположил, что углерод четырехвалентен и потому может соединяться с четырьмя другими атомами, образуя длинные цепи – прямые или разветвленные. Поэтому органические молекулы стали изображать не в виде комбинаций радикалов, а в виде структурных формул – атомов и связей между ними. К 1860-м годам работами Кекуле и русского химика Александра Михайловича Бутлерова (1828–1886) был заложен фундамент структурной химии, позволяющей объяснять свойства веществ, основываясь на расположении атомов в их молекулах.
В 1874 датский химик Якоб Вант-Гофф и французский химик Жозеф Ашиль Ле Бель (1847–1930) распространили эту идею на расположение атомов в пространстве. Они считали, что молекулы не плоские, а трехмерные структуры. Эта концепция позволяла объяснить многие известные явления, например пространственную изомерию, существование молекул одинакового состава, но с разными свойствами. Очень хорошо вписывались в нее данные Луи Пастера об изомерах винной кислоты.
К концу 19 в. идеи структурной химии были подкреплены данными, полученными спектроскопическими методами. Эти методы позволяли получать информацию о строении молекул исходя из их спектров поглощения. К 1900 концепция трехмерной организации молекул – как сложных органических, так и неорганических – была принята практически всеми учеными.
Химическая технология.
Успехи органической химии стимулировали бурное развитие химической промышленности, прежде всего в Германии. Была разработана технология производства серной кислоты, на основе которой получали взрывчатые вещества, красители и соду, необходимую для производства отбеливателей и мыла. Очень большую роль в развитии химических технологий сыграли работы Либиха и целой плеяды его учеников. В результате их деятельности в сельском хозяйстве стали применять химические удобрения и были созданы предприятия по их производству. Быстрое развитие лакокрасочной промышленности Германии было связано с работами Адольфа фон Байера по индиго и другим красителям, а промышленный синтез аммиака под высоким давлением – с работами Фрица Габера.
Рождение физической химии.
К концу 19 в. появились первые работы, в которых систематически изучались физические свойства различных веществ (температуры кипения и плавления, растворимость, молекулярный вес). Начало таким исследованиям положили Гей-Люссак и Вант-Гофф, показавшие, что растворимость солей зависит от температуры и давления. В 1867 норвежские химики Петер Вааге (1833–1900) и Като Максимилиан Гульдберг (1836–1902) сформулировали закон действующих масс, согласно которому скорость реакций зависит от концентраций реагентов. Использованный ими математический аппарат позволил найти очень важную величину, характеризующую любую химическую реакцию, – константу скорости.
Химическая термодинамика.
Термодинамический подход к химическим реакциям применил в своих работах Август Фридрих Горстман (1842–1929), который на основе идей Клаузиуса попытался объяснить диссоциацию солей в растворе. В 1874–1878 американский химик Джозайя Уиллард Гиббс предпринял систематическое изучение термодинамики химических реакций. Он ввел понятие свободной энергии и химического потенциала, объяснив суть закона действующих масс, применил термодинамические принципы при изучении равновесия между различными фазами при разных температуре, давлении и концентрации (правило фаз). Работы Гиббса создали фундамент современной химической термодинамики. Шведский химик Сванте Август Аррениус создал теорию ионной диссоциации, объясняющую многие электрохимические явления, и ввел понятие энергии активации. Он также разработал электрохимический метод измерения молекулярной массы растворенных веществ.
ДВАДЦАТЫЙ ВЕК
Новая структурная теория.
С развитием физических теорий о строении атомов и молекул были переосмыслены такие старые понятия, как химическое сродство и трансмутация. Возникли новые представления о строении материи.
Модель атома.
В 1896 Антуан Анри Беккерель (1852–1908) открыл явление радиоактивности, обнаружив спонтанное испускание солями урана субатомных частиц, а спустя два года супруги Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри выделили два радиоактивных элемента: полоний и радий. В последующие годы было установлено, что радиоактивные вещества испускают три вида излучения: a-частицы, b-частицы и g-лучи. Вместе с открытием Фредерика Содди, показавшим, что при радиоактивном распаде происходит превращение одних веществ в другие, все это придало новый смысл тому, что древние называли трансмутацией.
Новые методы исследования.
Все новые представления о строении вещества могли формироваться только в результате развития в 20 в. экспериментальной техники и появления новых методов исследования. Открытие в 1895 Вильгельмом Конрадом Рентгеном Х-лучей послужило основой для создания впоследствии метода рентгеновской кристаллографии, позволяющей определять структуру молекул по картине дифракции рентгеновских лучей на кристаллах. С помощью этого метода была расшифрована структура сложных органических соединений – инсулина, дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), гемоглобина и др. С созданием атомной теории появились новые мощные спектроскопические методы, дающие информацию о строении атомов и молекул. Различные биологические процессы, а также механизм химических реакций исследуются с помощью радиоизотопных меток; широкое применение радиационные методы находят и в медицине.
Биохимия.
Эта научная дисциплина, занимающаяся изучением химических свойств биологических веществ, сначала была одним из разделов органической химии. В самостоятельную область она выделилась в последнее десятилетие 19 в. в результате исследований химических свойств веществ растительного и животного происхождения. Одним из первых биохимиков был немецкий ученый Эмиль Фишер. Он синтезировал такие вещества, как кофеин, фенобарбитал, глюкоза, многие углеводороды, внес большой вклад в науку о ферментах – белковых катализаторах, впервые выделенных в 1878. Формированию биохимии как науки способствовало создание новых аналитических методов. В 1923 шведский химик Теодор Сведберг сконструировал ультрацентрифугу и разработал седиментационный метод определения молекулярной массы макромолекул, главным образом белков. Ассистент Сведберга Арне Тизелиус (1902–1971) в том же году создал метод электрофореза – более совершенный метод разделения гигантских молекул, основанный на различии в скорости миграции заряженных молекул в электрическом поле. В начале 20 в. русский химик Михаил Семенович Цвет (1872–1919) описал метод разделения растительных пигментов при прохождении их смеси через трубку, заполненную адсорбентом. Метод был назван хроматографией. В 1944 английские химики Арчер Мартини Ричард Синг предложили новый вариант метода: они заменили трубку с адсорбентом на фильтровальную бумагу. Так появилась бумажная хроматография – один из самых распространенных в химии, биологии и медицине аналитических методов, с помощью которого в конце 1940-х – начале 1950-х годов удалось проанализировать смеси аминокислот, получающиеся при расщеплении разных белков, и определить состав белков. В результате кропотливых исследований был установлен порядок расположения аминокислот в молекуле инсулина (Фредерик Сенгер), а к 1964 этот белок удалось синтезировать. Сейчас методами биохимического синтеза получают многие гормоны, лекарственные средства, витамины.
Промышленная химия.
Вероятно, наиболее важным этапом в развитии современной химии было создание в 19 в. различных исследовательских центров, занимавшихся, помимо фундаментальных, также прикладными исследованиями. В начале 20 в. ряд промышленных корпораций создали первые промышленные исследовательские лаборатории. В США в 1903 была основана химическая лаборатория «Дюпон», а в 1925 – лаборатория фирмы «Белл». После открытия и синтеза в 1940-х годах пенициллина, а затем и других антибиотиков появились крупные фармацевтические фирмы, в которых работали профессиональные химики. Большое прикладное значение имели работы в области химии высокомолекулярных соединений. Одним из ее основоположников был немецкий химик Герман Штаудингер (1881–1965), разработавший теорию строения полимеров. Интенсивные поиски способов получения линейных полимеров привели в 1953 к синтезу полиэтилена (Карл Циглер,), а затем других полимеров с заданными свойствами. Сегодня производство полимеров – крупнейшая отрасль химической промышленности.
Не все достижения химии оказались благом для человека. В 19 в. при производстве красок, мыла, текстиля использовали соляную кислоту и серу, представлявшие большую опасность для окружающей среды. В 20 в. производство многих органических и неорганических материалов увеличилось за счет вторичной переработки использованных веществ, а также за счет переработки химических отходов, которые представляют опасность для здоровья человека и окружающей среды.