Химия как наука

Химическая  картина мира. 

Учебные вопросы:

1. Химия как наука. 

2. Алхимия как предыстория химии.

3. Эволюция химической науки.

4. Идеи Д. И. Менделеева и А.  М. Бутлерова.

5.  Антропогенный химизм и его  влияние на среду обитания. 

     Вопрос 1.

     Химия — раздел естествознания, исследующий свойства вещества и их превращения. Основной проблемой химии является получение веществ с заданными свойствами.

     Химию обычно подразделяют на два направления: неорганическую и органическую.

     Неорганическая  химия исследует свойства химических элементов и их простых соединений: щелочи, кислоты, соли.

     Органическая  химия изучает сложные соединения на основе углерода - полимеры, в том  числе, созданные человеком: газы, спирты, жиры, сахара.

     Начало  химии связывают с алхимическими  опытами древности, Средних Веков, Нового Времени.

   

  Вопрос 2.

       «Алхимия» — это арабизированное  греческое слово, которое в  буквальном смысле понимается  как «сок растений»

     Алхимия в Средние Века и Новое Время  – весьма популярное занятие многих серьезных и мужественных людей. Среди наиболее знаменитых алхимиков: известный британский философ ХII в. – Роджер Бэкон (около 1214 - после 1294) - который провел в одиночном заключении более 20 лет, в том числе, и за свои алхимические опыты .

     Теофраст  фон Гогенгейм (Парацельс) родился в конце 1493 г. в г. Эйнзидельн, кантон Швиц, умер 24 сентября 1541 г. в Зальцбурге ) – известный медик ХУI в., а не только алхимик. О нем сохранилось крайне мало достоверных данных. Даже 35 портретов, на которых он якобы изображен, абсолютно лишены сходства между собой. По свидетельствам современников, у Парацельса была яркая индивидуальность и бешеный темперамент, которые обеспечили ему влиятельных покровителей и обилие врагов. Он не получил должного образования, много путешествовал, был врачом многих сиятельных персон и королей Европы ХУI в.

      В историю  науки он вошел как основатель ятрохимии – медицинской химии. Парацельс был убежден, что телесный недуг, болезнь – результат нарушение  химического баланса в организме  человека, который можно восстановить, используя специальные химические препараты. Он достиг некоторого успеха в борьбе с сифилисом, который в Европу занесли крестоносцы и, как предполагают, одним из первых разрабатывал лекарственные средства для борьбы с умственными расстройствами. Ему приписывают открытие эфира – первого анестетика в истории медицины и фармакологии¹.

     Парацельс, как и его отец, был приверженцем алхимической традиции. Он считал, что  существуют три первоначала: ртуть, сера и соль, которые образуют все  вещества в природе.  Знаменит своими лекциями по ятрохимии, которые он читал в Базельском университете, разрывая в клочья канонические тексты Галена, Гиппократа, Ибн Сины, считая их лженаучными. Университетскую кафедру ему обеспечили дружба и протекция Эразма Роттердамского – знаменитого гуманиста и литератора, которого считают величайшим умом Северного Возрождения – эпохи Реформации.

     

       Ян Ван Гельмонт (12 января 1579 г.- 30 декабря 1644 г.) – швейцарский ятрохимик  и медик ХУII в. -  пребывал в некоторой оппозиции к алхимическим идеям Парацельса и его смелым практическим экспериментам по использованию лекарственных средств. Как медик, он был куда осторожнее Парацельса. Ван Гельмонт отрицал три первоначала Парацельса, полагая, что в основе всех веществ природы должны быть реальные, особые элементы, а вовсе не ртуть, сера и соль. Это убеждение швейцарского алхимика можно считать прологом к учению о химических элементах.

     Ван Гельмонт – первый в истории химик-экспериментатор. В своих опытах он активно использовал  весы для измерения массы реагирующих вещества и фактически пришел к выводу о сохранении вещества в природе. Он открыл углекислый газ, который назвал «лесным газом» (рис.1). Ввел само понятие «газы» - от греческого – «хаос», описав их свойства. Впрочем, подлинно научные прозрения Ван Гельмонта не мешали его вере во всемогущество «философского камня» и в трансмутации. Во всяком случае, превращение ртути в золото он считал вполне возможным.

     В отличие от Парацельса, был хорошо образован и менее радикален  в медицине и фармакологии.

     Исаак Ньютон (4 января 1643 г. – 31 марта 1727 г.) –  блестящий ум ХУII в., создавший классическую механику, был известен своими исследованиями ядовитых веществ. Говорят, он получил серьезное отравление, засыпая рядом с ретортой, из которой извергались пары кипящей ртути. При этом британский исследователь получил серьезное умственное расстройство.

     

       Во все времена алхимики страстно  пытались решить две задачи: трансмутации  и обнаружения эликсира бессмертия  и вечной жизни. При решении  первой задачи возникла химическая наука. При решении второй  возникли научная медицина и фармакология. 

     Трансмутация  — это процесс превращения  неблагородных металлов – ртути, цинка, свинца в благородные –  золото и серебро при помощи философского камня, который пытались безуспешно обнаружить алхимики. В основе идеи взаимного превращения металлов лежало убеждение в единой природе всех существующих веществ, что давало возможность при определенных условиях превращать их по желанию человека в любые другие.

      В ходе манипуляций с различными веществами, алхимики сделали ряд важных наблюдений и открытий:

      - были подробно изучены и описаны  цинк, свинец, ртуть, сурьма, железо  и медь – наиболее известные  химические элементы того времени;

     - произведено разделение всех  веществ на металлы и неметаллы по  принципу ковкости;

     - введено понятие «газы» и изучены  их свойства, в частности, свойства  углекислоты;

      -было  высказано предположение, что  все химические реакции завершаются  образованием свинца. Эта гипотеза  алхимиков получила некоторое подтверждение в ХХ в., когда были созданы ядерные реакторы и можно было наблюдать процесс последовательного преобразования радиоактивного урана вначале в радий, затем в полоний, а в конце возникал свинец.

      Алхимикам удавались опыты, которые явно опережали свое время. Так, сравнительно недавно был обнаружен алхимический тигль ХУI в., предназначенный для расплава химических веществ. Как выяснилось, он был создан из тугоплавких соединений муллита, который был вторично открыт и описан только в ХХ в.

      Мы  все еще не способны выплавлять абсолютно чистый металл, состоящий на 99,9% из нужного нам химического элемента. В сплаве всегда оказываются примеси других элементов. Однако в Индии, которая также славилась  алхимическими изысканиями, уже 1,5 тыс. лет в центре одного из городов находится 8-метровая башня из чистого железа, которая не подвержена коррозии и окислению. Технология ее изготовления все еще загадочна.

      Сама  идея трансмутаций на фоне открытий в  области ядерной физики не кажется  уже такой абсурдной. В современных атомных реакторах происходит процесс преобразования химических элементов. Это «трансмутации» на уровне атомного ядра. Уже Эрнест Резерфорд подтвердил возможность превращения неблагородных металлов в благородные с небольшой оговоркой: «Я знаю способ превратить ртуть в золото, но он будет настолько дорогим, что в нем просто не будет смысла».

     Неустанный  поиск эликсира жизни и бессмертия привели к созданию медицины и  фармакологии,  которые в свое время алхимики назвали ятрохимией.

     Алхимики  ХУI-ХУII вв. – Парацельс и Ван Гельмонт предположили, что все биологические и физиологические процессы в человеческом теле протекают в соответствии с химическими законами. На основе этой гипотезы возникла идея лекарства.

     Лекарство – это химическое вещество, которое  способно воздействовать на процессы, происходящие в организме человека. Так произошло открытие эфира – летучего вещества, способного вызывать сон и даже аспирина – все еще лучшего средства при простудах и гриппе.

     Сокрушительный  удар алхимии нанесла структурная химия ХУIII столетия. Стало известно, что у всех веществ и химических элементов своя уникальная атомная структура. Поскольку их природа различна, алхимические трансмутации невозможны.

     Несмотря  на свою наивность и явную ненаучность, алхимия была «занятием людей благородных», поскольку эта была сакральная процедура, которая требовала определенного психологического и нравственного состояния и даже предварительного очищения. Как заметил французский историк науки Луи Повель: «Алхимики при проведении своих манипуляций всегда учитывали моральный и религиозный аспекты, в то время как современная наука – наука без совести»

     Достижения  современной косметологии, геронтологии, терапии можно считать неожиданным  итогом ятрохимии. Сегодня создаются  препараты для борьбы со старением – антиоксиданты, которые извлекают из почек, семян, зародышей растений. Некоторые из них синтезируют искусственно. Появляются действенные препараты для снижения зависимости от никотина, алкоголя, наркотических веществ. Важное завоевание медицины и фармакологии – синтетические медикаменты, направленные на ослабление и замедление процессов развития диабета, рака, спида. Не столь однозначны, но не менее впечатляющи опыты по созданию фармацевтических средств – антидепрессантов, снотворных и седативных препаратов.

     3 вопрос.

     Химическая  наука прошла длительную эволюцию. Современное состояние химии  – это синтез нескольких направлений, возникших в определенное время.

     

       В ХУII в. возникает учение о химическом составе и зависимости от него физических и химических свойств вещества. Во многом это заслуга шотландского химика ХУII в. Роберта Бойля (25 января 1627 г. – 30 декабря 1692 г.). Он первым дал определение химическому элементу.

     Химический  элемент Бойль понимал как  наиболее простое состояние вещества, предел химического разложения, переходящий из одного сложного состояния вещества в другое. Бойль пришел к выводу о том, что свойства веществ зависят от состава химических элементов.

          В своей известной книге “Химик-скептик”  Бойль высказал гипотезу о том, что атомы различных химических веществ различаются как минимум по весу. Известен как один из авторов знаменитого закона, описывающего зависимость объема газов от температуры.

     Поскольку большая часть химических элементов  была открыта в ХУIII -ХIХ в., это время стало наиболее продуктивным с точки зрения развития химической науки. Возникает несколько направлений. Например, структурная химия, т.е. исследование химической структуры как способа взаимодействия составных элементов вещества.

     

       Англичанин Джон Дальтон (6 сентября 1766 г. – 27 июля 1844 г.) пришел к выводу, что любое вещество – это различные комбинации определенных атомов, поэтому химический состав может быть один и тот же, а вещества разные, так как атомы по-разному располагаются. Различал химические соединения и смеси. В смесях отсутствуют тесные взаимодействия между атомами. Составил первую таблицу атомных весов химических элементов, предложил удобную систему записи химических элементов, стал автором закона кратных отношений – принципа соединения двух или нескольких атомов в составе вещества.

     

     Французский химик Антуан Лавуазье (26 августа 1743 г. – 8 мая 1794 г.) попытался классифицировать химические элементы. Убедился в ходе многочисленных экспериментов, что горение – это соединение кислорода с веществом. Полностью разрушил теорию флогистона, которая царила в химии ХУIII в.