Становление химии как науки

 
2.1.3. Алхимия как феномен средневековья.

Алхимия складывалась в  эпоху эллинизма на основе слияния прикладной химии египтян с греческой натурфилософией, мистикой и астрологией (золото соотносили с Солнцем, серебро - с Луной, медь - с Венерой, и т.д.) (II-VI вв.) в александрийской культурной традиции, представляя собой форму ритуально-магического искусства.⁵

Алхимия - это самозабвенная попытка  найти способ получения благородных  металлов. Алхимики считали, что ртуть  и сера разной чистоты, соединяясь в  различных пропорциях, дают начало металлам, в том числе и благородным. В реализации алхимического рецепта предполагалось участие священных или мистических сил, а средством обращения к этим силам было слово - необходимая сторона ритуала. Поэтому алхимический рецепт выступал одновременно и как действие, и как священнодействие.⁶

Первым видным европейским алхимиком был Альберт Больштедский (около 1193-1280), более известный как Альбертус Магнус (Альберт Великий). Он тщательно изучил работы Аристотеля, и именно благодаря ему философия Аристотеля приобрела особое значение для ученых позднего Средневековья и начала Нового времени. Альберт Великий в описаниях своих алхимических опытов дает настолько точную характеристику мышьяку, что ему иногда приписывают открытие этого вещества, хотя, по крайней мере в примесях, мышьяк был известен алхимикам и до него.

Современником Альберта Великого был  английский ученый монах Роджер Бэкон (1214-1292), который известен сегодня  прежде всего благодаря своему четко  выраженному убеждению, что залогом  прогресса науки являются экспериментальная  работа и приложение к ней математических методов. Он был прав, но мир еще не был готов к этому. Бэкон попытался написать всеобщую энциклопедию знаний и в своих работах дал первое описание пороха. Иногда его называют изобретателем пороха, но это не соответствует действительности: настоящий изобретатель остался неизвестным. С изобретением пороха средневековые замки перестали быть неприступными твердынями, а пеший воин стал более опасен, чем закованный в латы всадник.

Парацельс, как и Авиценна, считал, что основная задача алхимии  – не поиски способов получения золота, а изготовление лекарственных средств. Он заимствовал из алхимической традиции учение о том, что существуют три основные части материи – ртуть, сера, соль, которым соответствуют свойства летучести, горючести и твердости. Эти три элемента составляют основу макрокосма и связаны с микрокосмом, образованным духом, душой и телом. Переходя к определению причин болезней, Парацельс утверждал, что лихорадка и чума происходят от избытка в организме серы, при избытке ртути наступает паралич и т.д. Принцип, которого придерживались все ятрохимики, состоял в том, что медицина есть дело химии, и все зависит от способности врача выделять чистые начала из нечистых субстанций. В рамках этой схемы все функции организма сводились к химическим процессам, и задача алхимика заключалась в нахождении и приготовлении химических веществ для медицинских нужд. 

Основными представителями  ятрохимического направления были Ян Гельмонт, по профессии врач; Франциск Сильвий, пользовавшийся как медик большой славой и устранивший из ятрохимического учения «духовные» начала; Андреас Либавий, врач из Ротенбурга.⁷

Их исследования во многом способствовали формированию химии  как самостоятельной науки. 

Имя самого видного из средневековых алхимиков осталось неизвестным; он подписывал свои труды  именем Джа6ира, арабского алхимика, жившего за шесть веков до него. Этот "Псевдо-Джабир" был, вероятно, испанцем и жил в XIV в. Псевдо-Джабир первым описал серную кислоту - одно из самых важных соединений сегодняшней химии (после воды, воздуха, угля и нефти). Он также описал, как образуется сильная азотная кислота. Серную и сильную азотную кислоты получали из минералов, в то время как все ранее известные кислоты, например уксусную кислоту, получали из веществ растительного или животного происхождения.

Открытие сильных минеральных  кислот было самым важным достижением  химии после успешного получения  железа из руды примерно за 3000 лет до того. Используя сильные минеральные кислоты, европейские химики смогли осуществить многие новые реакции и смогли растворить такие вещества, которые древние греки и арабы считали нерастворимыми (у греков и арабов самой сильной кислотой была уксусная).

Минеральные кислоты  дали человечеству гораздо больше, чем могло бы дать золото, если бы его научились получать трансмутацией. Если бы золото перестало быть редким металлом, оно мгновенно бы обесценилось. Ценность же минеральных кислот тем выше, чем они дешевле и доступнее.

Таким образом даже те, кто был глух к научным доводам, не могли не поддаться влиянию реальной жизни. Со временем развивающиеся наука о минералах и медицина оказались настолько заманчивыми и доходными, что не было никакого смысла терять время на нескончаемые безуспешные попытки получить золото.

И действительно, в XVII в. значение алхимии неуклонно уменьшалось, а в XVIII в. она постепенно стала  тем, что мы сегодня называем химией.

2.1.4. Учение Роберта Бойля.

В развитии химии 17 в. особая роль принадлежит ирландскому ученому Роберту Бойлю. Бойль не принимал утверждения древних философов, считавших, что элементы мироздания можно установить умозрительно; это и нашло отражение в названии его книги «Химик-скептик». Будучи сторонником экспериментального подхода к определению химических элементов и их свойств, он не знал о существовании реальных элементов. Хотя один из них (фосфор) Роберт Бойль едва не открыл сам. Обычно Бойлю приписывают заслугу введения в химию термина «анализ». В своих опытах по качественному анализу он применял различные индикаторы, ввел понятие химического сродства. Основываясь на трудах Галилео Галилея, Эванджелиста Торричелли, а также Отто Герике , демонстрировавшего в 1654 году «магдебургские полушария», Бойль описал сконструированный им воздушный насос и опыты по определению упругости воздуха при помощи U-образной трубки. В результате этих опытов был сформулирован известный закон об обратной пропорциональности объема и давления воздуха. В 1668 году Бойль стал деятельным членом только что организованного Лондонского королевского общества, а в 1680 году был избран его президентом. 

2.1.5. Период становления.

Теория флогистона.

Центральная проблема химии XVIII в. - проблема горения. Вопрос состоял  в следующем: что случается с  горючими веществами, когда они сгорают в воздухе? Для объяснения процессов горения немецкими химиками И. Бехером и его учеником Г. Э. Шталем была предложена теория флогистона. Флогистон - это некоторая невесомая субстанция, которую содержат все горючие тела и которую они утрачивают при горении. Тела, содержащие большое количество флогистона, горят хорошо; тела, которые не загораются, являются дефлогистированными. Эта теория позволяла объяснять многие химические процессы и предсказывать новые химические явления. В течение почти всего XVIII в. данная теория прочно удерживала свои позиции, пока французский химик А. Л. Лавуазье в конце XVIII в. не разработал кислородную теорию горения.

Химическая  революция.

Лавуазье показал, что  все явления в химии, прежде считавшиеся  хаотическими, могут быть систематизированы и сведены в закон сочетания элементов, старых и новых. К уже установленному до него списку элементов он добавил новые - кислород, который вместе с водородом входит в состав воды, а также и другой компонент воздуха - азот. В соответствии с новой системой химические соединения делились в основном на три категории: кислоты, основания, соли. Таким образом, Лавуазье рационализировал химию и объяснил причину большого разнообразия химических явлений: она заключается в различии химических элементов и их соединений.

2.1.6. Период количественных законов.

Следующий важный шаг  в развитии научной химии был  сделан Дж. Дальтоном, который был ткачом и школьным учителем из Манчестера. Изучая химический состав газов, Дальтон исследовал весовые количества кислорода, приходящиеся на одно и то же весовое количество вещества в различных по количественному составу окислах, и установил кратность этих количеств. Например, в пяти окислах азота количество кислорода относится на одно и то же весовое количество азота как 1 : 2 : 3 : 4 : 5.⁸ Так был открыт закон кратных отношений.

Дальтон правильно объяснил этот закон атомным строением  вещества и способностью атомов одного вещества соединяться с различным  количеством атомов другого вещества. При этом он ввел в химию понятие  атомного веса.

И, тем не менее, в начале XIX в. атомно-молекулярное учение в химии  с трудом прокладывало себе дорогу. Понадобилось еще полстолетия для его окончательной победы. На этом пути был сформулирован ряд количественных законов, которые получали объяснение с позиций атомно-молекулярных представлений. Для экспериментального обоснования атомистики и ее внедрения в химию много усилий приложил Й.Я. Берцелиус. Окончательную победу атомно-молекулярное учение одержало на 1-м Международном конгрессе химиков.

В 1850-1870-е гг. на основе учения о валентности химической связи была разработана теория химического строения, которая обусловила огромный успех органического синтеза и появление новых отраслей химической промышленности, а в теоретическом плане открыла путь теории пространственного строения органических соединений - стереохимии. 

Во второй половине XIX в. складываются физическая химия, химическая кинетика - учение о скоростях химических реакций, теория электролитической  диссоциации, химическая термодинамика. Таким образом, в химии XIX в. сложился новый общий теоретический подход - определение свойств химических веществ в зависимости не только от состава, но и от структуры.

Развитие атомно-молекулярного  учения привело к идее о сложном  строении не только молекулы, но и атома. В начале ХIХ в. эту мысль высказал английский ученый У. Праут на основе результатов измерений, показывавших, что атомные веса элементов кратны атомному весу водорода. Праут предложил гипотезу, согласно которой атомы всех элементов состоят из атомов водорода. Новый толчок для развития идеи о сложном строении атома дало великое открытие Д. И. Менделеевым периодической системы химических элементов, которая наталкивала на мысль о том, что атомы не являются неделимыми, что они обладают структурой и их нельзя считать первичными материальными образованиями.

 
2.1.7. Химия в XX веке.

XX век ознаменован открытием электрона Э.Вихертом и Дж.ДЖ.Томсоном (1897г.) и радиоактивности А.Беккерелем (1896г.), которые стали доказательством делимости атома, возможность которой стала обсуждаться после выдвижения У.Праутом гипотезы о протиле (1815г.).

После открытия делимости  атома и установления природы  электрона как его составной  части возникли реальные предпосылки  для разработки теории химической связи. Первой стала концепция электровалентности Р.Абегга, основанная на идее о сродстве атомов к электрону. Модель Бора-Зоммерфельда, представления о валентных электронах И.Штарка и идея об особой стабильности двух- и восьмиэлектронных оболочек атомов инертных газов легли в основу классической теории химических связей. В.Коссель разработал теорию гетерополярной (ионной) связи, а Дж.Н.Льюис и И.Ленгмюр – теорию гомеополярной (ковалентной) связи.

В моделе Нильса Бора были объединены классические и квантовые представления о движении электрона. Однако искусственность такого соединения была очевидна с самого начала. Развитие квантовой теории привело к изменению классических представлений о структуре материи, движении, причинности, пространстве, времени и т.д., что способствовало коренному преобразованию картины мира. 

В конце 20-х – начале 30-х годов XX века на основе квантовой  теории формируются принципиально  новые представления о строении атома и природе химической связи.⁹

Фридрих Хунд, Роберт Сандерсон  Малликен и Джон Эдвард Леннард-Джонс в 1929 г. создают основы метода молекулярных орбиталей. В основу ММО заложено представление о полной потере индивидуальности атомов, соединившихся в молекулу. Молекула, таким образом, состоит не из атомов, а представляет собой новую систему, образованную несколькими атомными ядрами и движущимися в их поле электронами. Хундом создаётся также современная классификация химических связей; в 1931 г. он приходит к выводу о существовании двух основных типов химических связей – простой, или σ-связи, и π-связи. Эрих Хюккель распространяет метод МО на органические соединения, сформулировав в 1931 г. правило ароматической стабильности (4n+2), устанавливающее принадлежность вещества к ароматическому ряду.

Таким образом, в квантовой  химии сразу выделяются два различных подхода к пониманию химической связи: метод молекулярных орбиталей и метод валентных связей. 

Благодаря квантовой  механике к 30-м годам XX века в основном был выяснен способ образования  связи между атомами. Кроме того, в рамках квантово-механического подхода получило корректную физическую интерпретацию учение о периодичности Д.И.Менделеева. 

Подлинным переворотом в химии стало появление в XX веке большого числа новых аналитических методов, прежде всего физических и физико-химических (рентгеноструктурный анализ, электронная и колебательная спектроскопия, магнетохимия, масс-спектрометрия, спектрометрия ЭПР и ЯМР, хроматография). Эти методы предоставили новые возможности для изучения состава, структуры и реакционной способности вещества.

2.2. Химия на современном этапе развития.

В современной химии  накапливаются данные о химической эволюции вещества во Вселенной, что  позволяет составить общую картину  эволюции природы. Современная ядерная  физика и аcтрофизика сформировали представление о возникновении химических элементов. На основе изучения химии метеоритов, вулканических земных пород, лунного грунта постепенно вырисовывается картина химической дифференциации вещества на планетной cтадии развития, в частности геохимической эволюции.

Обнаружение сложных органических молекул в межзвёздном пространстве, в метеоритах и древнейших горных породах Земли, а также модельные опыты по синтезу сложных органических веществ из простейших соединений (CH4, CO2, NH3, H2O) в условиях искрового разряда, радиоактивного и ультрафиолетового облучения позволили представить этапы химической эволюции материи, предшествовавшие возникновению жизни.