Сущность химии как науки

Специфика химии как науки

Для человека одной из важнейших естественных наук является химия- наука о составе, внутреннем строении и превращении вещества и, а также о механизмах этих превращений.

Химия всегда была нужна человечеству для того, чтобы получать из природных веществ материалы со свойствами, необходимыми для повседневной жизни и производства. Получение таких веществ-производственная задача, и, чтобы ее реализовать, надо уметь осуществлять качественные превращения вещества. Чтобы этого добиться, химия должна справиться с теоретической проблемой генезиса (происхождения) свойств вещества.

Таким образом, основанием химии выступает двуединая проблема- получение веществ с заданными свойствами (на достижение ее направлена производственная деятельность человека) и выявление способов управления свойствами вещества (на реализацию этой задачи направлена научно-исследовательская работа ученых).

Эта проблема является одновременно и системообразующим началом химии.

Важнейшей особенностью основной проблемой химии является то, что она имеет всего четыре способа решения вопроса.

Свойства вещества зависят от четырех факторов:

1) от элементного и молекулярного состава вещества;

2) от структуры молекул вещества;

3) от термодинамических и кинетических условий, в которых вещество находится в процессе химической реакции;

4) от уровня химической организации вещества.

Поскольку эти способы появлялись последовательно, мы можем в истории химии выделить четыре последовательно сменявших друг друга этапа ее развития. В то же время с каждым из названных способов решения основной проблемы химии связана своя концептуальная система знаний. Эти четыре концептуальных системы знания находятся в отношениях иерархии (субординации). В системе химии они являются подсистемами, так же как сама химия представляет собой подсистему всего естествознания в целом. Концептуальные системы химии можно представить следующим образом:

17в. – учение о составе вещества;

19в. – структурная химия;

20в. – учение о химических процессах;

Середина 20в. – эволюционная химия.

В развитии химии происходит не смена, а строго закономерное, последовательное проявление концептуальных систем. При этом вновь появляющаяся система опирается на предыдущую и включает ее в себя в преобразованном виде. Таким образом, появляется система химии – единая целостность всех химических знаний, которые появляются и существуют в тесной взаимосвязи, дополняют друг друга и объединяются в концептуальные системы знаний, которые находятся между собой в отношениях иерархии.

Источник

Тема 6. Химия и её роль в развитии естественнонаучных знаний

Цель – понимание специфики химических знаний и их роль в современном обществе.

Задачи – уяснение истории развития химического знания, анализ структуры химического знания и его основных концептуальных уровней.

Оглавление

Химия как наука в системе естествознания и цивилизации

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.

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.

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:

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:

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.

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:

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.

Источник