Химия как наука

       Существование  флогистона –  известная гипотеза  немецкого химика ХУIII в.  Георга Шталя (22 октября 1659 г. – 14 мая 1734 г.). Он полагал, что во всех, способных гореть, веществах содержится этот загадочный элемент. При нагревании флогистон выделяется, и тело меняет свои свойства. Шталь был убежден, что дерево – это флогистон плюс зола, металлы – флогистон плюс окислы. Теория Шталя активно поддерживалась известными естествоиспытателями ХУIII в.: Бертолле, Лапласом, Кулоном.

     В 1772 г. Лавуазье выясняет, что при  горении тела вовсе не теряют, как  полагал Шталь, а прибавляют в  весе. Через 10 лет он пишет свою работу «Размышления о флогистоне». После  ее опубликования идея флогистона утратила всякий смысл.

     Заслугой  Лавуазье является и то, что он исследовал химический состав воздуха и пришел к выводу, что это смесь различных  газов. Он определил, что это за газы: кислород, водород, азот. Эти химические элементы были открыты ранее: в 1766 г. - водород и в 1772 г. - кислород и азот.

     24 июня 1783 г. Лавуазье синтезировал  воду, доказав, что в ее состав  входят кислород и водород.  Он измерил количество газа  перед реакцией и объем полученной  в ходе химической реакции  воды, что позволило высказать гипотезу об атомарном составе воды. Среди его поразительных прозрений: убеждение в том, что алмаз обладает сходством с углем.

     Французский химик изменил технологию получения  пороха, заимствованную у китайцев, которая не менялась в Европе с  ХII в. В последние годы жизни Лавуазье изучал проблемы биохимии: химию дыхания и синтеза крови.

     Необыкновенно талантливый, Лавуазье известен как  жертва якобинского террора: он погиб  на плахе, несмотря на обращение ученых других о его помиловании, или  хотя бы об отсрочке казни. Однако высокомерный ответ был таков: «Республика не нуждается в химиках!». Математик Пьер Лагранж горестно воскликнул, узнав о его смерти: «Всего мгновение потребовалось им, чтобы срубить эту голову, а и во сто лет не будет такой другой» (1, С.153).

       В ХIХ в. структурная химия развивалась, во многом, благодаря работам француза Шарля Жерара и шведа Йенса Берцелиуса. Они высказали гипотезу о том, что элементарной структурной единицей химического вещества является молекула, которая состоит из атомов. Атомы влияют на химические свойства вещества.

     Берцелиус утверждал, что молекула – результат  взаимодействия разноименно заряженных атомов.

       Жерар полагал, что при образовании  молекул атомы не просто взаимодействуют,  но взаимно преобразуют друг  друга. В результате возникает определенная химическая система.

     Вторая  половина ХIХ в. – время рождения органического синтеза и органической химии.

     

     Немецкий  химик Фридрих Кекуле (7 сентября 1829 г. - 13 июля 1896 г.) синтезировал несколько органических кислот, красители, исследовал свойства бензола, открыл его структуру. Он предположил, что бензол (рис.2) похож на правильный шестиугольник, образованный атомарными связями углерода и водорода. Эта идея была взята на вооружение при анализе структуры всех циклических, или ароматических соединений.

          Заслуга Кекуле для развития структурной химии – в создании теории валентности. За несколько лет до этого английский химик Эдуард Франкланд ввел понятие «насыщения» – способности одних атомов удерживать атомы других химических веществ. Кекуле продолжил развивать идеи Франкланда и  разделил все элементы на одноосновные (одноатомные), двухосновные (двухатомные), трехосновные (трехатомные). К двухосновным химическим элементам Кекуле отнес серу и кислород. В 1857 году он вводит термин «валентность», заменяя термины насыщения и основности. Одновременно со своими коллегами он приходит к выводу о четырех валентностях углерода и в 1858 г. выявляет способность углерода соединяться в цепи. Во многом благодаря работам Кекуле в 60-е гг. ХХ в. появляется термин «органический синтез»: синтезированы анилиновые красители, лекарственные препараты, взрывчатые вещества.

     В 1858 г. Дмитрий Иванович Менделеев  предложил периодическую систему  химических элементов (приложение 1).

     

     Почти в то же время Александр Михайлович Бутлеров (3 сентября 1828 г. - 5 августа 1886 г.)  упорядочил органические вещества. Им же была разработана теория строения органических веществ.

     Вторая  половина ХIХ в. – начало ХХ в. – время, когда в химии набирает силу учение о химических процессах. Этот раздел химической науки исследует условия и механизм протекания химических реакций: химия преобразуется в науку об изменении и создании заданного вещества.

     В этот период были открыты самые простые  зависимости хода химических реакций от различных условий:

     - от строения исходных веществ;

     - от их концентрации;

     - от наличия катализаторов –  веществ, ускоряющих химические  реакции и ингибиторов – веществ,  замедляющих их;

     - от температуры и давления.

     Самая молодая и перспективная часть химии - эволюционная химия, возникшая в конце ХХ – начале ХХI в. Она изучает процессы самоорганизации химических систем.

     Самоорганизация – самопроизвольный синтез новых  химических соединений, которые являются более сложными, высокоорганизованными по сравнению с исходными веществами: белки, аминокислоты, ДНК, ферменты – пробионты - все то, что можно назвать химической основой живого. Эволюционная химия развивается на стыке химии и биологии, преобразуясь в биохимию.

     Если  попытаться сконструировать химический базис жизни, то все мы знаем, что углерод – основа жизни на нашей планете. 97% живого организма образованы из углерода, водорода, кислорода, азота.

     Жизнедеятельность обеспечивают другие химические элементы: натрий и калий ускоряют процессы обмена веществ в организме; железо участвует в образовании гемоглобина крови, кальций - в формировании костных тканей и зубов; нормальная работа щитовидной железы немыслима без йода; фосфор отвечает за целостность тканей и интеллектуальные процессы; магний участвует в работе пищеварительной системы и предохраняет от судорожных сокращений мышечной ткани. Недостаток тех или иных химических элементов приводит к нарушению нормальной работы

     Французский химик Габриэль Бертран посчитал массу химических элементов в теле человека. На 100 кг веса в нашем теле присутствуют:

     - 63 кг – кислорода;

     - 19 кг – углерода;

     - 9 кг – водорода;

     - 5 кг – азота;

     - 1 кг – кальция;

     - 0,5 кг – фосфора;

     - 640 г – серы;

     - 260 г – натрия;

     - 240 г – калия;

     - 180 г – хлора;

     - 40 г – магния;

     - 3 г – железа;

     - 0,03 г – йода.

     Есть  еще небольшое количество фтора, брома, марганца, меди и даже золота.

     Вещество, из которого состоят ткани нашего организма, не могут быть синтезированы  непосредственно из химических элементов. Белки, как известно, образуются из комбинации 22 аминокислот и только 10 из них способно синтезировать наше тело: 12 должны поступать в готовом виде. Даже когда мы синтезируем аминокислоты сами, азот должен поступать в виде органических соединений, как и глюкоза – важнейший энергетический ресурс нашего организма. Для синтеза глюкозы нужны готовые углеводороды. Мы их получаем с пищей – животной и растительной (С.7, С.33-34).

     В искусственных условиях человек  научился синтезировать пробионты, но тайна жизни все еще остается скрытой. Практический скачок от органической химии к неорганической мы уже совершили, но создать живое из неживого нам не под силу.

      

     4 вопрос.

     К середине ХIХ века были известны уже 60 типов атомов химических элементов. Возникла необходимость их упорядочить. Многие химики пытались это сделать, начиная с Иенса Берцелиуса в ХУIII столетии.

     

      Гениальность Дмитрия Ивановича Менделеева (27 января 1824 г. - 20 января 1907 г.) заключается в том, что он предложил в качестве основы для классификации возрастание атомного веса химических элементов.

     Расположение  химических элементов в порядке  возрастания атомного веса привело  к выявлению периодической зависимости: стало ясно, что химические свойства повторяются через каждые семь элементов  на восьмой.

     По  своим химическим свойствам выделились 4 группы:

     - металлы: К, Мg, Na, Fe – очень активны,  легко соединяются с другими  веществами, образуя соли, щелочи;

     - неметаллы: S, Se, Si, Cl – значительно менее активны; в соединениях образуют кислоты;

     - газы: C, O, H, N – в молекулярном состоянии неактивны, в атомарном – высоко активны;

     - инертные газы: Ne, Ar, Cr – не вступают в химические соединения с другими веществами.

     Значительно позже, в связи с открытиями в  ядерной физике, стало известно, что валентность отражает количество электронов на последней орбитали. Их количество и ответственно за химическую активность элементов:

чем меньше электронов на последней орбитали, - тем более они активны: щелочные и щелочно-земельные металлы –  это 1-2 электрона, которые слабо удерживаются ядром и легко теряются атомом.

     Чем больше электронов на последней орбите, тем пассивнее химический элемент: например, медь, серебро, золото - среди  металлов. Химическую активность утрачивают все неметаллы с нарастающей  валентностью, поэтому этим элементам  свойственно захватывать электроны других элементов. У инертных газов валентность равна 7, и они не вступают в химические реакции. Поэтому их еще называют «благородными».

     Открытая  периодическая зависимость означала возможность пустых клеток в системе  элементов, которые еще не были открыты, но их свойства можно было описать.

     

      Менделеев предсказал таким образом открытие  скандия   (рис. 3)  (он был открыт в 1875 г.), галлия (рис. 4) - открыт в 1879 г., германия (рис. 5), - открыт в 1886 г. Это стало практическим подтверждением верности исходной гипотезы, лежащей в основе классификации.

     Нам точно известен день открытия периодической  системы химических элементов –  это 17 февраля 1869 г. Это событие зафиксировал сам Менделеев в своем дневнике. Идея периодической системы была достойна Нобелевской премии, но русское химическое общество не подало соответствующую заявку в Нобелевский комитет. Время было упущено, и Менделеев остался без заслуженной награды.

     Открытия  в ядерной физики конца ХIХ в. позволили использовать другой критерий – заряд атомного ядра, хотя таблица осталась без изменений, поскольку блестящая интуиция Менделеева подсказала почти верный критерий систематизации. Когда Менделеев умер, впереди траурной процессии несли его таблицу, обессмертившую своего творца.

     Начиная с ХIХ столетия, можно говорить о возникновении органической химии, которая изучает сложные соединения, содержащие углерод. Неорганическая химия исследует свойства химических элементов и их соединений. Органическая химия изучает только соединения, и эти соединения могут быть созданы искусственно.

     Началом органической химии можно считать  счастливую случайность: в 1824 г. немецкий химик Фридрих Велер совершенно случайно синтезировал мочевину – природное органическое соединение.