Концепции химии Процесс зарождения и формирования химии

Концепции химии

Процесс зарождения и формирования химии как науки был длительным во времени, сложным и противоречивым по содержанию. Истоки химических знаний лежат в глубокой древности. В их основе - потребность человека получить необходимые вещества для своей жизнедеятельности. Человеку нужно было научиться производить из одних веществ другие, с заданными свойствами, то есть осуществлять качественные превращения.

Значение алхимии Родина алхимии Египет. Алхимики решали многие практически важные задачи: -получены сведения о многих процессах и открыты различные методы производства продуктов, пользовавшихся большим спросом. -сделали открытия в области химических соединений (не нашли философский камень) и наблюдали реакции, что способствовало становлению новой науки фундамент для создания химии. Наивысшего развития алхимия достигла в трех основных своих типах: грекоегипетском, арабском и западно-европейском. Выделение типов в структуре алхимических исследований обусловлено особым пониманием целей и предмета в каждом из них. Еще в древности были известны способы производства металлов, получения сплавов для монет и драгоценных изделий, которые держались в секрете и были достоянием очень ограниченного круга жрецов. Увеличивался спрос на благородные металлы, вызванный ростом населения, расширением торгового обмена, снижением продуктивности старых золотоносных месторождений. Достижения: Развитие практической металлургии - реализация предполагавшейся тогда возможности превращения одного металла в другой, в частности, превращения свинца или железа в золото (трансмутация). трансмутация Накоплено достаточное количество наблюдений, подтверждающих превращение наблюдений неблагородных металлов в благородные.

(вода, воздух, земля, огонь) в становлении алхимии Согласно теории различные вещества на Земле различаются только по характеру сочетания этих элементов. Эти четыре элемента могут смешиваться и в однородные вещества. Само предположение о том, что эти элементы взаимозаменимы, не лишено оснований. Можно допустить, что вода при испарении превращается в воздух, который в свою очередь превращается в воду во время дождя. Дерево во время нагревания превращается в огонь и дым (вид воздуха) и т. п. Почему же в таком случае не допустить возможность других изменений? Может быть, все зависит только от выбранного метода? Практическим следствием такого хода мысли явилось то, что на протяжении столетий алхимики самозабвенно старались отыскать способ получения золота. Многочисленные неудачи привели некоторых из них к выводу, что проще и выгоднее представить себя обладателем философского камня, так как это давало власть и создавало репутацию. Алхимический характер металлургии связал ее с астрологией и магией. Число семь в древности было священным, число известных металлов было тоже семь и открытых планет также семь. Это совпадение легло в основу предположения - каждый металл имеет астрологическую связь с соответствующей планетой Золото связывалось с Солнцем, серебро - с Луной, медь - с Венерой, железо - с Марсом, свинец - с Сатурном, олово - с Юпитером, ртуть - с Меркурием. Соответственно возникло обозначение металлов символами и наименованиями, отвечающими небесным светилам.

Химия - наука о составе, внутреннем строении и превращении вещества, а также о механизмах этих превращений.

Происхождение названия «химия» не выяснено до сих пор и существует несколько версий 1 - название произошло от египетского слова «хеми» - означает Египет, а также «черный» . Историки науки переводят этот термин как «египетское искусство» искусство производить необходимые вещества, в том числе и искусство превращать обыкновенные металлы в золото и серебро или их сплавы. 2 - слово «химия» произошло от греческого термина «химос» - «сок растений» . Поэтому «химия» означает «искусство получения соков» , но сок, о котором идет речь, может быть и расплавленным металлом. Так что химия может означать и «искусство металлургии» . Развитие химии происходило неравномерно. Ее периоды накопления и систематизации данных эмпирических опытов и наблюдений сменялись периодами открытия и бурного обсуждения фундаментальных законов и теорий. Последовательное чередование таких периодов позволяет разделить историю химической науки на несколько этапов.

Этапы развития химии 1. Период алхимии - с древности до XVI в. нашей эры. Характеризуется поисками философского камня, эликсира долголетия, универсального растворителя. В этот период почти во всех культурах практиковалось «превращение» неблагородных металлов в золото или серебро, но все эти «превращения» у каждого народа осуществлялись самыми разными способами. 2. Период зарождения научной химии - продолжался в течение XVI - XVIII веков. Были созданы теории Парацельса, теории газов Бойля, Кавендиша и др. , теория флогистона Г. Шталя и, теория химических элементов Лавуазье. Совершенствовалась прикладная химия, связанная с развитием металлургии, производства стекла и фарфора, искусства перегонки жидкостей и т. д. К концу XVIII века произошло упрочение химии как науки, независимой от других естественных наук. 3. Период открытия основных законов химии - первые шестьдесят лет XIX века. Возникновение и развитие атомной теории Дальтона, атомно-молекулярной теории Авогадро, установлением Берцелиусом атомных весов элементов и формированием основных понятий химии: атом, молекула и др. 4. Современный с 60 -х годов XIX века до наших дней. Наиболее плодотворный период развития химии, так как в течение немногим более 100 лет были разработаны периодическая классификация элементов, теория валентности, теория ароматических соединений и стереохимия, теория электролитической диссоциации Аррениуса, электронная теория материи и т. д. Разделы химии: неорганическая химия, физическая химия, фармацевтическая химия, химия пищевых продуктов, агрохимия, геохимия, биохимия и т. д. самостоятельные науки с собственной теоретической базой.

Период зарождения научной химии охватывает три столетия, на протяжении которых отмечаются попытки придать химии единое теоретическое содержание, как это следует из трудов Парацельса, Шталя, Лавуазье. Предпосылки для становления химии как науки: -обновление европейской культуры, -потребность в новых видах промышленного производства, -открытие Америки и расширение торговых отношений, -другие факторы прогресса, которые сначала проявили себя в Италии, а затем во всей Западной Европе. Химия испытала на себе влияние новых условий жизни и, отделившись от старой алхимии, приобрела довольно большую свободу исследования. Химия сделала первые шаги как самостоятельная наука, сформировала современный взгляд на цели и задачи химических исследований, утвердилась как единая и независимая наука. В XVI веке в европейских странах алхимия утратила старое назначение, которое она имела в предшествующие века. На смену алхимии пришло совершенно новое понимание задач химии Ее назначение состояло не в получении золота, а в приготовлении лекарств - это направление в химической науке называется ятрохимией.

Основатель ятрохимии швейцарец Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм – Парацельс ( «превосходящий Цельса» ) (Цельс был древнеримским ученым, писавшим труды по медицине). Ятрохимия – «попытка» соединить медицину с химией. Она переоценивала роль химических превращений в организме и приписывала определенным химическим соединениям способность устранять в организме нарушения равновесия. Парацельс верил, что если человеческое тело состоит из особых веществ, то происходящие в них изменения должны вызывать болезни, которые могут быть излечены лишь путем применения лекарств, восстанавливающих нормальное химическое равновесие. До Парацельса в качестве лекарств использовались преимущественно растительные препараты, но он полагался только на эффективность лекарственных средств, изготовленных из минералов, и поэтому стремился создавать лекарства такого типа. Парацельс заимствовал из алхимической традиции учение о трех основных составных частях материи - ртути, сере и соли, которым соответствуют основные свойства материи: летучесть, горючесть и твердость. Эти три элемента составляют основу макрокосма (вселенной), но относятся и микрокосму (человеку), состоящему из духа, души и тела.

Причины болезней по Парацельсу Определяя причины болезней утверждал, что лихорадка и чума происходят от избытка в организме серы, при избытке ртути наступают параличи, а избыток соли может вызвать расстройство желудка и водянку. Причины многих других болезней он приписывал избытку или недостатку этих трех основных элементов. В сохранении здоровья человека Парацельс придавал большое значение химии, так как исходил из наблюдения, что медицина покоится на четырех опорах, а именно на философии, астрологии, химии и добродетели. Причины болезней по Парацельсу: -утверждал, что лихорадка и чума происходят от избытка в организме серы, при избытке ртути наступают параличи, а избыток соли может вызвать расстройство желудка и водянку. Точно также и причины многих других болезней он приписывал избытку или недостатку этих трех основных элементов. В сохранении здоровья человека Парацельс придавал большое значение химии, так как исходил из наблюдения, что медицина покоится на четырех опорах, а именно на философии, астрологии, химии и добродетели. Химия должна развиваться в согласии с медициной, потому что этот союз приведет к прогрессу обеих наук.

Значение ятрохимии для химии Ятрохимия принесла значительную пользу химии: -способствовала освобождению ее от влияния алхимии; -расширила знания о жизненно важных соединениях; -положительное влияние и на фармацию. Но одновременно была и помехой для развития химии, потому что сужала поле ее исследований. По этой причине в XVII и XVIII вв. целый ряд исследователей отказались от принципов ятрохимии и избрали иной путь своих исследований, внедряя химию в жизнь и ставя ее на службу человеку. Именно эти исследователи своими открытиями способствовали созданию первых научных химических теорий. В XVII и XVIII вв. целый ряд исследователей отказались от принципов ятрохимии и избрали иной путь своих исследований, внедряя химию в жизнь и ставя ее на службу человеку. Они своими открытиями способствовали созданию первых научных химических теорий.

Предмет исследования химии Д. И. Менделеев обратил внимание на то, что химия, в отличие от многих других наук (например, биологии или географии), сама создает свой предмет исследования Химия является одновременно и наукой, и производством. Химия всегда была нужна человечеству для того, чтобы получать из природных веществ материалы с необходимыми для повседневной жизни и производства свойствами. Поэтому все химические знания, приобретенные за многие столетия и представленные в виде теорий, законов, методов, технологий, объединяет одна-единственная главная задача химии - получение веществ с заданными свойствами. Это - производственная задача. Для ее реализации нужно уметь из одних веществ производить другие, т. е. осуществлять качественные превращения веществ. Качество (свойства) - это совокупность свойств вещества и необходимо знать, от чего свойства они зависят. Основание химии - двуединая проблема (системообразующее начало науки химии): -получение веществ с заданными свойствами (на достижение ее направлена производственная деятельность человека) -выявление способов управления свойствами вещества (на реализацию этой задачи направлена научно-исследовательская работа ученых).

Истоки двуединой проблемы Возникли в глубокой древности и не потеряла своей актуальности в наши дни. В разные исторические эпохи решалась поразному, т. к. : -способы решения зависят от уровня материальной и духовной культуры общества, -от внутренних закономерностей, присущих ходу научного познания. (изготовление стекла, керамики, краски, душистых веществ, в древности осуществлялось совершенно иначе, чем в XVIII в. и позже)

Теория флогистона В семнадцатом столетии началось бурное развитие механики, которое оказалось плодотворным и для химии. Развитие механики привело к созданию паровой машины и положило начало промышленной революции. Человек получил машину, которая, казалось, может делать всю тяжелую работу на свете. Но использование огня в паровой машине возродило у химиков интерес к процессу горения. Почему одни предметы горят, а другие не горят? Что представляет собой процесс горения? Задолго до XVIII века греческие и западные алхимики пытались ответить на эти вопросы. По представлениям древних греков все, что способно гореть, содержит в себе элемент огня, который в соответствующих условиях может высвобождаться. Алхимики придерживались примерно той же точки зрения, но считали, что способные к горению вещества содержат в себе элемент «сульфур» . В 1669 году немецкий химик Иоганн Бехер попытался дать рациональное объяснение явлению горючести. Он предположил, что твердые вещества состоят из трех видов «земли» , и один из этих видов, названный им «жирная земля» , служит горючим веществом. Все эти объяснения не отвечали на вопрос о сущности процесса горения, но они стали отправной точкой для создания единой теории, известной под названием теории флогистона. Основоположником теории флогистона считается немецкий врач и химик Георг Шталь, который постарался последовательно развить идеи Бехера о «жирной земле» , но в отличие от Бехера Шталь вместо понятия «жирная земля» ввел понятие «флогистона» - от греческого «флогистос» - горючий, воспламеняющийся. Термин «флогистон» получил большое распространение благодаря работам самого Шталя и потому, что его теория объединила многочисленные сведения о горении и обжигании.

Теория флогистона основана на убеждении - все горючие вещества богаты особым горючим веществом - флогистоном и чем больше флогистона содержит данное тело, тем более оно способно к горению. То, что остается после завершения процесса горения, флогистона не содержит и потому гореть не может. Шталь утверждает, что расплавление металлов подобно горению дерева. Металлы, по его мнению, тоже содержат флогистон, но, теряя его, превращаются в известь, ржавчину или окалину. Если к этим остаткам опять добавить флогистон, то вновь можно получить металлы. При нагревании этих веществ с углем металл «возрождается» . Объяснение процесса плавления позволило дать приемлемое объяснение и процессу превращение руд в металлы - первому теоретическому открытию в области химии Объяснение Шталя - руда, содержание флогистона в которой мало, нагревается на древесном угле, весьма богатом флогистоном. Флогистон переходит из древесного угля в руду, в результате чего древесный уголь превращается в золу, бедную флогистоном, а руда превращается в металл, богатый флогистоном. Теория флогистона Шталя встретила резкую критику, но завоевывать популярность и во второй половине XVII в. была принята химиками повсеместно, так как позволила дать четкие ответы на многие вопросы. Но большинство горючих веществ (дерево, бумага, жир) при горении в значительной степени исчезали. Оставшиеся зола и сажа были намного легче, чем исходное вещество. Но химикам XVIII в. эта проблема не казалась важной, они еще не сознавали важность точных измерений, и изменением в весе они пренебрегали. Теория флогистона объясняла причины изменения внешнего вида и свойств веществ, а

Сложность выделения химических элементов Целый век химики делали ошибки в выделении химических элементов. Сформулировав понятие химического элемента, химики еще не знали ни одного из них. Стремясь получить элементы в чистом виде, они пользовались считавшимся тогда универсальным методом прокаливания, и окалину принимали за чистый элемент. Известные тогда металлы - железо, медь, свинец - принимали за сложные тела, состоявшие из соответствующего элемента и флогистона. Флогистонная теория, ложная по сути, оказалась двигателем многих исследований, приведших в итоге к истинным выводам. Этот вывод был сделан Д. И. Менделеевым, доказавшим, что свойства химического элемента зависят от места данного атома в периодической системе.

Д. И. Менделеев (1834 -1907) Доказал, что свойства химического элемента зависят от места данного атома в периодической системе. Определил это место по атомной массе. Но в XX в. было выяснено, что порядковый номер элемента зависит не от атомной массы, а от заряда атомного ядра и массы количества электронов. Найдены особенности строения электронных орбиталей атомов всех элементов и особая роль внешнего электронного уровня атома, от количества электронов в котором зависит реакционная способность элемента - химическая активность вещества, учитывающая как разнообразие реакций, возможных для данного вещества, так и их скорость. Наиболее активными с химической точки зрения являются элементы, имеющие минимальную атомную массу и 6 -7 электронов на внешнем электронном уровне (фтор, хлор, кислород). В настоящее время известно, что атом представляет собой сложную квантовомеханическую систему, состоящую из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки.

Современный окружающий человека мир заполнен многочисленными соединениями, образованными элементами периодической системы Менделеева. Во времена самого Менделеева было известно всего 62 химических элемента. В 30 -е гг. XX в. таблица Менделеева включала 88 элементов, а всего в ней было 92 клетки (элемент под номером 92 - это уран). Сегодня науке известно 110 химических элементов (элемент 109 получил название мейтнерий, 110 -й элемент еще не имеет официального названия), и химиков продолжает волновать вопрос, сколько всего элементов в таблице Менделеева.

Особенности основной проблемы химии она имеет всего четыре способа решения (не частные методы изучения превращений веществ - их множество, а самые общие способы решения вопроса: от чего, oт каких факторов зависят свойства веществ) Они зависят они от четырех факторов: 1)от элементного и молекулярного состава вещества; 2)структуры молекул вещества; 3)термодинамических и кинетических (наличие катализаторов и ингибиторов, воздействие материала стенок сосудов и т. д. ) условий, в которых вещество находится в процессе химической реакции; 4)уровня химической организации вещества. Способы решения основной проблемы химии появлялись последовательно. В истории химии четыре последовательно сменявших друга этапа. С каждым из способов решения основной проблемы химии связана собственная 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 естествознания в целом.

Концептуальные системы химии Середина XX века 4. Эволюционная химия XX век 3. Учение о химических процессах XIX век 2. Структурная химия XVII век 1. Учение о составе вещества В развитии химии происходит не смена, а строго закономерное, последовательное появление концептуальных систем. При этом каждая вновь появляющаяся система не отрицает предыдущую, а, наоборот, опирается на нее и включает в себя в преобразованном виде. Система химии формировалась как единая целостность всех химических знаний, которые возникают и существуют не отдельно друг от друга, а в тесной взаимосвязи, дополняют друга и объединяются в концептуальные системы химических знаний, которые находятся между собой в отношениях иерархии.

XVII век - учение о составе вещества Концепция химического элемента появилась в химии как результат стремления человека обнаружить первоэлемент природы. Корни решения данной проблемы уходят в Древнюю Грецию, где возникли учения о первоэлементах природы. Там же возникла и атомистическая концепция природы, возрожденная в Новое время в химии Р. Бойлем. Именно он положил начало современному представлению о химическом элементе как о простом теле, пределе химического разложения вещества, переходящем без изменения из состава одного сложного тела в другое.

Основные положения теории Дальтона 1. Все вещества состоят из большого числа атомов (простых или сложных) (+). 2. Атомы одного вещества полностью тождественны. Простые атомы абсолютно неизменны и неделимы (+; -). 3. Атомы различных элементов способны соединяться между собой в определённых соотношениях (+). 4. Важнейшим свойством атомов является Перечень символов химических элементов и атомный вес (+). их атомных весов Дж. Дальтона (1808) Атомы одного химического вещества (химический элемент) обладают одинаковыми свойствами, но отличаются от атомов другого вещества. При взаимодействии атомов образуются молекулы (гомоядерные - простые вещества, гетероядерные сложные вещества). При физических явлениях молекулы не изменяются, при химических происходит изменение их состава. Химические реакции заключаются в образовании новых веществ из тех же самых атомов, из которых состояли исходные вещества. Закон сохранения массы - масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции. Закон постоянства состава (закон кратных отношений) - любое определенное химически чистое соединение независимо от способа его получения состоит из одних и тех же химических элементов, причем отношения их масс постоянны, а относительные числа их атомов выражаются целыми числами. Аллотропия - существование одного и того же химического элемента в виде нескольких простых веществ, различных по строению и свойствам.

Химическим элементом называют все атомы, имеющие одинаковый заряд ядра Особой разновидностью химических элементов являются изотопы, у которых ядра атомов отличаются числом нейтронов (поэтому у них разная атомная масса), но содержат одинаковое число протонов и поэтому занимают одно и то же место в периодической системе элементов. Термин «изотоп» был введен в 1910 г. Фредериком Содди, известным английским радиохимиком, лауреатом Нобелевской премии. Различают стабильные (устойчивые) и нестабильные (радиоактивные) изотопы.

Второй уровень развития химических знаний XIX век - структурная химия Элементы-органогены - углерод, водород, кислород, сера, азот, фосфор. Объяснение широкому разнообразию органических соединений при бедном элементном составе найдено в явлениях - изомерии и полимерии – изучает структурная химия. Термин «структурная химия» - понятие условное. Химия из преимущественно аналитической науки превратилась в науку синтетическую. Достижения этого этапа развития химии: -установление связи между структурой молекул и реакционной способностью веществ; -комбинируя атомы различных химических элементов, можно создать структурные формулы любого химического соединения; -появилась возможность для целенаправленного качественного преобразования веществ, создания схемы синтеза любых химических соединений, в том числе и ранее неизвестных.

В начале XIX в. Ж. Пруст сформулировал закон постоянства состава в соответствии с которым любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным, неизменным составом прочным притяжением составных частей (атомов) и тем самым отличается от смесей. Пруст установил, что всякое чистое вещество независимо от его происхождения и способа получения имеет один и тот же состав. Теоретическое обоснование закона Пруста было дано Дж. Дальтоном в законе кратных отношений. Согласно этому закону состав любого вещества можно представить как простую формулу, а эквивалентные составные части молекулы - атомы, обозначавшиеся соответствующими символами, могли замещаться на другие атомы. Под химическим соединением понимают определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет взаимодействия друг с другом объединены в частицу, обладающую устойчивой структурой - молекулу, комплекс, монокристалл или иной агрегат.

Электрохимическая теория В середине XIX в. структура молекул оставалась загадочной. Основы структурной химии Дж. Дальтона - любое химическое вещество представляет собой совокупность молекул, состоящих из определенного количества атомов одного, двух или трех химических элементов (1808 г. ). 1803 г. работа по электролизу (совместно с Вильгельмом Гизингером). 812 г. работа по электрохимической классификации элементов. 1818 г. - сформулирована электрохимическая теория: По роду преобладающего на атомах заряда разграничил электроотрицательные и электроположительные элементы и разделил известные в то время 56 элементов на два класса, исходя из свойств образуемых ими соединений с наиболее 1779 - 1848 электроотрицательным элементом – кислородом - получил электрохимический ряд элементов и разделил их на металлы и -молекула не простое металлоиды. Электрохимическая теория легла в основу нагромождение атомов, а упорядоченная дуалистической системы, созданной Берцелиусом для определенная структура атомов, связанных между установления рациональных формул химических соединений. Опираясь на данные, полученные при электролизе разных собой электростатическими силами. -экспериментально подтвердил закон растворов солей, пришел к выводу, что в них существуют кратных отношений простые и постоянные отношения между атомами кислорода -разработал современную основания и атомами кислорода кислоты. химическую нотацию Термин «органическая химия» введен Берцелиусом в 1806 -открыл селен, торий и церий -впервые выделил в чистом виде году. кремний, титан, тантал и цирконий

А. Кекуле нем. химик (1829 – 1896) В 1857 г. опубликовал наблюдения о свойствах некоторых элементов, могущих заменять атомы водорода в ряде соединений, и ввел новый термин - сродство Число единиц сродства, присущее данному химическому элементу, Кекуле назвал валентностью Он обозначал количество атомов водорода, которые может заместить данный химический элемент. При объединении атомов в молекулу происходит замыкание свободных единиц сродства. Понятие «структура молекулы» свелось к формульным схемам – это руководство для химиков. Они указывали, какие исходные вещества нужно брать для получения конечного продукта. Структурная химия позволяет наглядно демонстрировать валентность химических элементов как число единиц сродства, присущих атому: =С=; -О-; НКомбинируя атомы различных химических элементов с их единицами сродства, можно создать структурные формулы любого химического соединения, сл-но создавать план синтеза любого химического соединения - как известного, так и неоткрытого. Химик может прогнозировать получение неизвестного соединения и проверить свой прогноз синтезом.

Теория химического строения органических соединений русского химика А. М. Бутлерова (1828– 1886) Бутлеров вслед за Кекуле признавал, что образование молекул из атомов происходит за счет замыкания свободных единиц сродства, но при этом он указывал сродства на то, с какой энергией (большей или меньшей) это сродство связывает вещества между собой. Бутлеров впервые в истории химии обратил внимание на энергетическую неравноценность разных химических связей Эта теория: -позволила строить структурные формулы любого химического соединения, так как показывала взаимное влияние атомов в структуре молекулы, а через это объясняла химическую активность одних веществ и пассивность других; -указывала на наличие активных центров и активных группировок в структуре молекул.

Исследования в области современной структурной химии идут по двум перспективным направлениям: 1)синтез кристаллов с максимальным приближением к идеальной решетке для получения материалов с высокими техническими показателями: максимальной прочностью, термической стойкостью, долговечностью в эксплуатации и др. ; 2)создание кристаллов с заранее запрограммированными дефектами кристаллической решетки для производства материалов с заданными электрическими, магнитными и другими свойствами.

Третий уровень химического знания. XX век - учение о химических процессах В XX в. структурная химия получила дальнейшее развитие: - уточнено понятие структуры - устойчивая упорядоченность качественно неизменной системы; - введено понятие атомной структуры - устойчивая совокупность ядра и окружающих его электронов, находящихся в электромагнитном взаимодействии друг с другом, и молекулярной структуры - сочетание ограниченного числа атомов, имеющих закономерное расположение в пространстве и связанных друг с другом химической связью с помощью валентных электронов. На основе достижений структурной химии у исследователей появилась уверенность в положительном исходе экспериментов в области органического синтеза. Термин «органический синтез» формировался в 1860 - 1880 -е гг. область химической науки. Химики обещали синтезировать из угля, воды и воздуха все самые сложные тела, вплоть до белков, гормонов и пр. За вторую половину XX в. число органических соединений за счет вновь синтезированных возросло с полумиллиона до двух миллионов.

Учение о химическом процессе Учение о химических процессах базируется на идее, что способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется кроме всего прочего и условиями протекания химических реакций. Эти условия могут оказывать воздействие на характер и результаты химических реакций. Химия дает ежегодно сотни тысяч тонн мочевины и нефтяного белка в качестве корма скоту и около 200 млн. т удобрений. Столь впечатляющие успехи были достигнуты на основе учения о химических процессах - области науки, в которой осуществлена наиболее глубокая интеграция физики, химии и биологии. В основу данного учения положены химическая термодинамика и кинетика, поэтому этот раздел науки в равной степени принадлежит физике и химии. Одним из основоположников этого научного направления стал русский химик Н. Н. Семенов - лауреат Нобелевской премии, основатель химической физики. В Нобелевской лекции 1965 г. - химический процесс - это то основное явление, которое отличает химию от физики, делает ее более сложной наукой. Химический процесс становится первой ступенью при восхождении от таких относительно простых физических объектов, как электрон, протон, атом, молекула, к сложным, многоуровневым живым системам. Ведь любая клетка живого организма, по существу, представляет собой своеобразный сложный реактор. Химия становится мостом от объектов физики к объектам биологии.

Основные законы химии 1. Сохранения массы: масса веществ, вступающих в реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции. 2. Сохранения энергии: при любых взаимодействиях, имеющих место в изолированной системе, энергия этой системы остается постоянной, возможны лишь переходы из одного вида энергии в другой. 3. Постоянства состава: любое химически индивидуальное соединение имеет один и тот же количественный состав независимо от способа его получения. 4. Кратных отношений: если два элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то масса одного из элементов, приходящегося в этих соединениях на одну и ту же массу другого, относятся между собой как целые числа. 5. Авогадро: в равных объемах любых газов, взятых при одной и той же температуре и при одинаковом давлении, содержится одно и то же число молекул.

Закон сохранения массы Лавуазье К концу XVIII в. в химии был накоплен большой объем экспериментальных данных, которые необходимо было систематизировать в рамках единой теории. Создателем такой теории стал французский химик Антуан-Лоран Лавуазье. С самого начала своей деятельности как химика Лавуазье понял важность точного измерения веществ, участвующих в химических процессах. Применение точных измерений при изучении химических реакций позволило ему доказать несостоятельность старых теорий, мешавших развитию химии. Вопрос о природе процесса горения интересовал всех химиков XVIII в. , и Лавуазье также не мог не заинтересоваться им. Его многочисленные опыты по нагреванию различных веществ в закрытых сосудах позволили установить, что независимо от характера химических процессов и их продуктов, общий вес всех участвующих в реакции веществ остается без изменений. Это позволило ему выдвинуть новую теорию образования металлов и руд. Согласно этой теории, в руде металл соединен с газом. Когда руду нагревают на древесном угле, уголь абсорбирует газ из руды и при этом образуется углекислый газ и металл. Шталь, считал, что плавка металла включает переход флогистона из древесного угля в руду. А Лавуазье представляет себе этот процесс как переход газа из руды в уголь. Идея Лавуазье позволяла объяснить причины изменения веса веществ в результате горения. Обдумывая результаты проведенных им опытов, Лавуазье пришел к мысли, что если учитывать все вещества, участвующие в химической реакции и все образующиеся продукты, то изменений в весе никогда не будет. Лавуазье пришел к выводу, что масса никогда не создается и не уничтожается, а лишь переходит от одного вещества к другому. Сегодня - это закон сохранения массы, лежит в основе развития химии XIX века.

Лавуазье был неудовлетворен полученными результатами, так как не понимал, почему при соединении воздуха с металлом образовывалась окалина, а при соединении с деревом - газы, и почему при этих взаимодействиях участвовал не весь воздух, а только примерно его пятая часть? В результате многочисленных опытов и экспериментов Лавуазье пришел к выводу, что воздух является не простым веществом, а смесью двух газов. Одну пятую часть воздуха, по мнению Лавуазье, составляет «дефлогистированный воздух» , который соединяется с горящими и ржавеющими предметами, переходит из руд в древесный уголь и необходим для жизни. Лавуазье назвал этот газ кислородом, то есть порождающим кислоты, так как ошибочно полагал, что кислород - компонент всех кислот. Второй газ, составляющий четыре пятых воздуха ( «флогистированный воздух» ) был признан совершенно самостоятельным веществом. Этот газ не поддерживал горения, и его Лавуазье назвал азотом - безжизненным. Важную роль в исследованиях Лавуазье сыграли результаты опытов английского физика Кавендиша, который доказал, что образующиеся при горении газы конденсируются в жидкость, которая, как показали анализы, является всего-навсего водой. Важность этого открытия была огромной, выяснилось, что вода не простое вещество, а продукт соединения двух газов. Лавуазье назвал выделяющийся при горении газ водородом ( «образующим воду» ) и отметил, что водород горит, соединяясь с кислородом, и, следовательно, вода является соединением водорода и кислорода. Новые теории Лавуазье повлекли за собой полную рационализацию химии. Было окончательно покончено со всеми таинственными элементами. С того времени химики стали интересоваться только теми веществами, которые можно было взвесить или измерить какимлибо другим способом.

Правило А. Ле Шателье 1884 г. (французский химик) - принцип подвижного равновесия: если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-нибудь из условий, определяющих равновесие, то равновесие смещается в том направлении, в каком эффект воздействия уменьшается. Каждая химическая реакция в принципе обратима, но на практике равновесие смещается в ту или иную сторону. Это зависит как от природы реагентов, так и от условий протекания процесса. Существует много реакций, равновесие в которых смещено в сторону образования конечных продуктов: к ним относятся реакция нейтрализации, реакции с удалением готовых продуктов в виде газов или осадков. Однако существует немало химических реакций, равновесие в которых смещено влево, в сторону образования исходных веществ. Чтобы их осуществить, требуются особые термодинамические рычаги увеличение температуры и давления. Принцип Ле Шателье: 1. Позволил качественно предсказать влияние изменений внешних условий. 2. Вооружил химиков методами смещения равновесия в сторону образования целевых продуктов. Эти методы управления химическими реакциями получили название термодинамических методов.

М. В. Ломоносов Осознал роль и значение химии, её место среди наук, изучающих природу. Развитие химии должно помочь решению практических задач. ”Широко распростирает химия руки свои в дела человеческие. Куда ни посмотрим, куда ни оглянемся, везде обращаются перед очами нашими успехи ее прилежания”. Проект первой химической лаборатории Российской Академии наук (XVIII в). В 1748 г. по плану Ломоносова в Петербурге открывается первая, в стране химическая лаборатория, по оборудованию не уступающая европейским. ”Истинный химик должен быть теоретиком и практиком” «… Один опыт я ставлю выше, чем тысячу мнений, рожденным только воображением» Испытать все, что только можно измерять, взвешивать и определять вычислением, - девиз Ломоносова. Закон сохранения массы веществ: «Масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе веществ, образовавшихся в результате реакций» . Разработал корпускулярную теорию строения материи, прообраз атомно – молекулярного учения. Способствовал созданию многих химических производств в России. Разработал рецепты и технологию приготовления неорганических пигментов, глазурей, фарфора, цветных стекол, которые использовал для своих мозаичных картин. Доказал органическое происхождение почвы, торфа, каменного угля, нефти, янтаря. Изучал химический состав некоторых красильных и лекарственных растений. Член Российской Академии художеств.

Термодинамические и кинетические методы Важнейшей задачей для химиков становится умение управлять химическими процессами, добиваясь нужных результатов. В самом общем виде методы управления химическими процессами можно подразделить на термодинамические и кинетические. Термодинамические методы влияют на смещение химического равновесия реакции. Кинетические методы влияют на скорость протекания химической реакции. Энергетика химических процессов тесно связана с законами термодинамики. Выделение химической термодинамики в самостоятельное направление связывают с появлением в 1884 г. книги голландского химика Я. Вант-Гоффа «Очерки по химической динамике» . В ней обоснованы законы, устанавливающие зависимость направления химической реакции от изменения температуры и теплового эффекта реакции. Химические реакции, протекающие с выделением энергии, называются экзотермическими реакциями. В них энергия высвобождается одновременно с уменьшением внутренней энергии системы. Существуют также эндотермические реакции, протекающие с поглощением энергии. реакции В этих реакциях идет повышение внутренней энергии системы за счет притока тепла. Измеряя количество энергии, выделяющейся при реакции (тепловой эффект химической реакции), можно судить об изменении внутренней энергии системы.

Четвертый уровень химического знания. Эволюционная химия В 60 -70 -е гг. XX в. появился четвертый способ решения основной проблемы химии, открывающий пути для использования в производстве материалов самых высокоорганизованных химических систем, какие только возможны в настоящее время. В основе этого способа лежит принцип использования в процессах получения целевых продуктов таких условий, которые приводят к самосовершенствованию катализаторов химических реакций, т. е. к самоорганизации химических систем. Под эволюционными процессами в химии понимают процессы самопроизвольного (без участия человека) синтеза новых химических соединений, являющихся более сложными и высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами. Поэтому эволюционную химию считают пред биологией - наукой о самоорганизации и саморазвитии химических систем. До последней трети XX в. об эволюционной химии ничего не было известно. Биологи использовали эволюционную теорию Дарвина для объяснения происхождения многочисленных видов растений и животных. Вопрос о происхождении вещества для химиков не представлял интереса, поскольку получение любого нового химического индивида всегда было делом рук и разума человека. Молекулы новых химических соединний конструировались по законам структурной химии из атомов и атомных групп, как здание из кирпичей. Живые же организмы из блоков собрать было нельзя. Но изучение и освоение опыта живой природы было давней мечтой ученых. Первые шаги на этом пути были сделаны еще И. Берцелиусом, который установил, что в основе функционирования живого организма лежит биокатализ. Затем исследования в этом направлении велись Ю. Либихом, П. Бертло и Н. Н. Семеновым. Работы этих ученых способствовали укреплению связи химии с биологией.

Современные направления химической науки Плазменная химия в последнее время все больше внедряется в промышленное производство: -технологии производства сырья для порошковой металлургии; методы синтеза химических соединений; плазменные сталеплавильные печи (1970 -е гг. ); -методы: ионно-плазменной обработки поверхности инструментов (износостойкость увеличивается в несколько раз); синтез материалов методами плазмохимии (металлобетон образуется при сплавлении частиц горной породы и прочном сжатии их с металлом). Радиационная химия (вторая половина XX в. ) - превращение веществ под воздействием ионизирующих излучений (источники ионизирующего излучения - рентгеновские установки, ускорители заряженных частиц, ядерные реакторы, радиоактивные изотопы). В результате радиационно-химических реакций: -вещества получают повышенную термостойкость и твердость. -полимеризация, вулканизация (методы) - производство композиционных материалов (полимербетоны - путем пропитки обычного бетона каким-либо полимером с его последующим облучением). Такие бетоны имеют в четыре раза более высокую прочность, обладают водонепроницаемостью и высокой коррозионной стойкостью.

Катализ -ускорение химической реакции в присутствии особых веществ катализаторов, которые взаимодействуют с реагентами, но в реакции не расходуются и не входят в состав конечных продуктов. Катализ открыт в 1812 г. русским химиком К. С. Кирхгофом. Типы каталитических процессов: -гетерогенный катализ - химическая реакция взаимодействия жидких или газообразных реагентов идет на поверхности твердого катализатора; -гомогенный катализ - химическая реакция идет либо в газовой смеси, либо в жидкости, где растворены как катализатор, так и реагенты; -электрокатализ - реакция идет на поверхности электрода в контакте с раствором и под действием электрического тока; -фотокатализ - реакция идет на поверхности твердого тела или в жидком растворе и стимулируется энергией поглощенного излучения. Гетерогенный катализ - наибольшее распространение, 80% всех каталитических реакций в современной химии. Благодаря применению катализаторов стало возможным использовать в качестве сырья для органического синтеза парафины и циклопарафины, до сих пор считавшиеся «химическими мертвецами» развитие направлений химичской промышленности. Катализ как метод используют при производстве маргарина, многих пищевых

Дополнительная литература 1. Васильева Т. С. , Орлов В. В. Химическая форма материи. М. , 1983. 2. Данцев А. А. Философия и химия. Ростов-на-Дону, 1991. 3. Кузьменко Н. Е. , Еремин В. В. , Попков В. А Начала химии М. , 1997. 4. Пиментпел Дж. , Кунрод Дж. Возможности химии сегодня и завтра. М. , 1992. 5. Поллер 3. Химия на пути в третье тысячелетие. М. , 1982. 6. Соловьев Ю. И. , Курашов В. И. Химия на перекрестке наук. М, 1989. 7. Фигуровский Н. А. История химии. М. , 1979. 8. Химия и мировоззрение. М. , 1986. 9. Хомченко Т. П. Химия для поступающих в вузы. М. , 1996. 10. Эмсли Дж. Элементы. М. , 1993.

Тесты • 1. Понятия «органическая химия» и «органические вещества» ввёл: • а) Бутлеров; б) Шорлеммер; в) Велер; г) Берцелиус. • 2. Углерод переходит из атмосферы в растения благодаря процессу: • а) окисления; б) горения; в) фотосинтеза; г) дыхания. • 3. Ковалентная связь осуществляется при образовании: • а) свободных электронов; б) неподеленных пар электронов; • в) общих пар электронов; г) свободных орбиталей. • 4. Основная функция глюкозы в клетках животных и человека: • а) запас питательных веществ; б) строительный материал; • в) передача наследственной информации ; г) источник энергии. • 5. Отцом медицины называют: • а) Галена; б) Авиценну; в) Гиппократа; г) Парацельса.

Проблема алхимии -поиск философского камня В погоне за ним алхимики углубили и расширили знания о химических процессах. Греко-египетские алхимики улучшили процесс очистки золота путем купеляции (нагревая богатую золотом руду со свинцом и селитрой). Было широко распространено выделение серебра путем сплавления руды со свинцом. Получила развитие металлургия обыкновенных металлов. Ртуть широко применялась для извлечения золота и серебра. Стал известным метод получения ртути. Итоги начального периода алхимии были зафиксированы в «Изумрудной скрижали» , приписываемой Гермесу Трисмегисту, составленной примерно в III в. и ставшей классическим алхимическим сочинением.

Арабская алхимия В VII веке на мировой арене появились арабы. В 641 г. н. э. они вторглись в Египет и вскоре заняли всю страну. Подражая древним египетским фараонам, арабские халифы стали покровительствовать наукам. К концу VIII века в арабском мире появились химики. Арабы преобразовали египетское слово хеми в аль-химия. Европейцы позднее заимствовали это слово у арабов и в результате в европейских языках появились термины «алхимия» и «алхимик» . Самым талантливым и прославленным арабским алхимиком был Джабир ибн Хайям, ставший известным в Европе позднее под именем Гебер. После себя он оставил многочисленные труды, в которых описал нашатырный спирт, технологию приготовления свинцовых белил, способ перегонки уксуса для получения уксусной кислоты. Однако основным предметом его исследований стало изучение возможности трансмутации металлов и эти его исследования оказали сильнейшее влияние на последующие поколения арабских алхимиков. Джабир полагал, что ртуть является наиболее чистым из всех металлов, так как благодаря своей жидкой форме, она содержит очень мало примесей. Столь же необычными свойствами обладает и сера: она способна самостоятельно воспламеняться. При этом он считал, что более чистым металлом является тот, который содержит больше ртути, а менее чистым тот, который содержит больше серы. Среди арабских алхимиков вообще существовало глубокое убеждение, что более прочные, блестящие и ковкие металлы содержат больше ртути, а металлы, легче подвергающиеся изменению, содержат больше серы. Основополагающая идея теории Джабира заключалась в том, что все семь основных металлов образуются из смеси ртути и серы. Труднее всего образуется золото - наиболее совершенный металл. Чтобы осуществить превращение одного металла в другой, необходимо было согласно этой теории, иметь некое «лекарство» , которое вызывает превращение неблагородных металлов в благородные, ускоряет «созревание» золота. В старинных рукописях говорилось, что это вещество представляет собой сухой порошок, камень, великий эликсир, «магистерий» . Греки называли его ксерион, а арабы изменили это название на аль-иксир, и в конце концов в европейских языках появилось слово эликсир. В Европе это удивительное вещество получило название философского камня. Эликсир должен был обладать многими чудесными свойствами: излечивать от всех болезней, давать бессмертие, а самое главное -превращать неблагородные металлы в серебро и золото. Все последующее развитие арабской алхимии шло двумя параллельными путями: одни занимались трансмутацией золота, другие искали эликсир жизни, дававший бессмертие.

Судьба алхимии В период правления императора Диоклетиана в Древнем Риме алхимия стала преследоваться, так как Диоклетиан боялся, что получение дешевого золота окончательно подорвет шаткую экономику империи. Он приказал уничтожить все труды по алхимии. Свою роль в запрете алхимии сыграло и христианство. В первые века нашего летоисчисления оно выступило против алхимической практики, рассматривая ее тогда как дело дьявола. «Языческие» знания были не популярны, а искусство алхимии, тесно связанное с древней египетской религией, казалось особенно подозрительным, и вскоре стало фактически нелегальным.

Алхимия в Европе Появление алхимии на Западе - благодаря крестовым походам. Европейцы позаимствовали у арабов многие научно-практические знания и среди них алхимию, которая получила быстрое распространение и способствовала расширению знаний о препаратах, необходимых в медицине. Европейская алхимия находилась в этот период покровительством астрологии и поэтому приобрела характер тайной науки. Политические условия, сложившиеся в средневековой Европе, и острое соперничество многочисленных королевских дворов благоприятствовали развитию алхимии. В период с XI до XVI века, то есть в течение пяти веков, западная алхимия дала много крупных мыслителей, оставивших глубокий след в развитии химии. Начиная с 1200 года европейские ученые могли близко познакомиться с наследием алхимиков прошлого и дальше развивать их исследования. Имя самого видного из средневековых алхимиков осталось неизвестным, но, вероятно, он был испанцем и жил в XIV веке. Его заслуга перед химией: -первый описал серную кислоту - одно из самых важных соединений современной химии (после воды, воздуха, угля и нефти); -описал, как образуется азотная кислота; -открытие связано с попытками получить золото. Было замечено важное свойство царской водки (получаемой при взаимодействии азотной

Достижения европейских важным достижением химии алхимиков Открытие сильных минеральных кислот было самым после успешного получения железа из ртути примерно за 3000 лет до того. Используя сильные минеральные кислоты, европейские химики смогли осуществить многие новые реакции и, в частности, сумели растворить такие вещества, которые древние греки и арабы считали нерастворимыми. Минеральные кислоты дали человечеству гораздо больше, чем могло бы дать золото, если бы его научились получать с помощью трансмутации. Если бы золото перестало быть редким металлом, оно мгновенно бы обесценилось. Ценность же минеральных кислот тем выше, чем они дешевле и доступнее. В XIV веке западные алхимики, разочаровавшись в попытках получить философский камень, вернулись к теории, которая рассматривала ртуть и серу как основные составные части металлов, но при этом они ввели третью составную часть - «соль» . Под солью здесь подразумевалось соляное основание металлов, которое должно было дополнить две другие составные части и придать ртути свойство затвердевать и противостоять огню. Были изучены соли, число которых значительно возросло. Их различали по происхождению: хлористый натрий называли морской солью, селитру - каменной солью и т. д. Западные алхимики не внесли значительного усовершенствования в металлургию, они лишь применили то, что было известно арабским алхимикам, к условиям европейских стран и, главным образом, к переработке руд металлов.

Достижения европейских алхимиков: 1. Изучение продуктов брожения (вино, уксус), поскольку именно в западной алхимии берет начало изготовление чистого спирта путем перегонки крепких вин и водки. Перегонные аппараты применялись в Италии с XI века и быстро нашли распространение в других европейских странах. 2. Расширение знаний в области практической и прикладной химии созданы аппараты, применяемые при различных операциях, связанных с нагреванием на прямом огне, на песчаной бане, на водяной бане, применяемые при перегонке, выпаривании, фильтровании, кристаллизации, настаивании и возгонке. 3. Подготовили условия для исследований химических соединений, их применения в медицине и практической науке. 4. Поиск золота стал делом многих мошенников, хотя некоторые великие ученые даже в просвещенном XVII веке (Бойль, Ньютон) не смогли устоять от соблазна попытаться получить золото посредством трансмутации. И вновь изучение алхимии было запрещено. Запрещение преследовало две цели: нельзя было допустить обесценивания золота и необходимо было