Становление химии как науки

       Эти мифологические идеи проникли в Грецию через Фалеса Милетского, который возводил все многообразие явлений и вещей к единой первостихии – воде. Однако греческих философов интересовали не способы получения веществ и их практическое использование, а главным образом суть происходящих в мире процессов. Так, древнегреческий философ Анаксимен утверждал, что первооснова Вселенной – воздух: при разрежении воздух превращается в огонь, а по мере сгущения становится водой, затем землей и, наконец, камнем. Гераклит Эфесский пытался объяснить явления природы, постулируя в качестве первоэлемента огонь.

       Эти представления были объединены в  натурфилософии Эмпедокла из Агригента  – создателя теории четырех начал мироздания. В различных вариантах его теория властвовала над умами людей более двух тысячелетий. Согласно Эмпедоклу, все материальные объекты образуются при соединении вечных и неизменных элементов-стихий – воды, воздуха, земли и огня – под действием космических сил любви и ненависти. Теорию элементов Эмпедокла приняли и развили сначала Платон, уточнивший, что нематериальные силы добра и зла могут превращать эти элементы один в другой, а затем Аристотель.

       Согласно  Аристотелю, элементы-стихии – это  не материальные субстанции, а носители определенных качеств – тепла, холода, сухости и влажности. Этот взгляд трансформировался в идею четырех «соков» Галена и господствовал в науке вплоть до XVII в.

       Другим  важным вопросом, занимавшим греческих натурфилософов, был вопрос о делимости материи. Родоначальниками концепции, получившей впоследствии название «атомистической», были Левкипп, его ученик Демокрит и Эпикур.

       Согласно  их учению, существуют только пустота  и атомы – неделимые материальные элементы, вечные, неразрушимые, непроницаемые, различающиеся формой, положением в пустоте и величиной; из их «вихря» образуются все тела.

       Атомистическая  теория оставалась непопулярной в течение  двух тысячелетий после Демокрита, но не исчезла полностью. Одним из ее приверженцев стал древнегреческий поэт Тит Лукреций Кар , изложивший взгляды Демокрита и Эпикура в поэме «О природе вещей» (De Rerum Natura).

       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. она прочно удерживала свои позиции, пока французский химик А. Л. Лавуазье в конце XVIII в. не разработал кислородную теорию горения.

       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. Лавуазье рационализировал химию и объяснил причину большого разнообразия химических явлений: она заключается в различии химических элементов и их соединений.

       Следующий важный шаг в развитии научной  химии был сделан Дж. Дальтоном, ткачом и школьным учителем из Манчестера. Изучая химический состав газов, он 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. 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 пробивало 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 возникновение 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. Наиболее обстоятельное решение проблема взаимосвязи атомного веса и свойств элемента нашла в периодическом законе, сформулированном русским химиком Д.И. Менделеевым. Менделеев предположил, что атомный вес как базовая характеристика элемента должен определять его химическое родство и, соответственно, все его свойства и свойства образуемых им простых и сложных веществ. В конце 1860-х гг. он задался целью создать универсальную классификационную систему элементов. В качестве основного принципа такой классификации Менделеев выбрал сходство элементов в качественном смысле, т.е. по характеру реакций. Еще одним базовым принципом системы Менделеева стал учет сходства и различия количественных параметров сопоставляемых элементов, прежде всего атомных составов их соединений.

       В итоге Менделеев создал таблицу  из чередующихся групп и рядов  элементов и показал, что свойства каждого элемента зависят от его положения в таблице. Такая систематизация вносила определенный порядок в хаотическое множество фактов о химических элементах и их соединениях. Однако сам Менделеев увидел в этой системе не просто удобную классификацию, но новую всеобъемлющую закономерность – периодический закон, констатирующий периодичность физических и химических свойств элементов как функцию атомного веса. Этот закон не только обобщал уже известные факты, но должен был служить стимулом для будущих исследований, необходимость которых диктовалась тем, что в XIX в. многое в найденных закономерностях оставалось непонятным.

       Экспериментальной проверке требовали и факты, предсказанные  самим Менделеевым на основании  периодического закона. Эти предсказания касались ряда еще неизвестных элементов, для которых в таблице были оставлены свободные клетки. Наличие свободных мест придавало периодической системе в большей степени теоретический, чем классификационный характер.

       Важность  открытия периодического закона проявилась и в том, что он внес новый аспект в физические исследования, способствуя сближению физики с химией. Установление подтверждаемой экспериментом функциональной зависимости между физической величиной (атомным весом) и вещественной природой элемента поставило вопрос о причинах этой зависимости. Повторение свойств внутри групп элементов наводило на мысль, что существует нечто, повторяющееся в самих атомах. Менделеев считал, что причина закона лежит «во внутренней механике атомов и молекул».  

       В начале XX столетия мышление физиков и химиков смогло углубиться в познание этой «внутренней механики», что привело к утверждению новых взглядов на строение вещества и на периодичность в связи в важнейшими открытиями, сделанными в физике (установлением массы и заряда электрона, открытием радиоактивности и т.д.). Новые открытия способствовали появлению в физике первых моделей атома как сложной структурированной системы и первых попыток выявления на основе этих моделей физического содержания понятий «валентность», «структура», «химическая связь».

       Попытки объяснить химические явления с  позиций электронной теории были сделаны в трудах многих ученых. В 1913-14 гг. Дж. Томсон, Р. Абег, А. Ван ден  Брук, Э. Резерфорд и Н. Бор пришли к идее о равенстве ядерного заряда атома и порядкового номера в  периодической системе Менделеева.

       Английский  физик Г. Мозли подтвердил эту  идею экспериментально. Исследования Мозли привели к новому пониманию  периодичности химических свойств  элементов. Он показал, что атому  присуща характерная величина, регулярно  увеличивающаяся при переходе от одного элемента к соседнему и доказал, что эта величина может быть только зарядом внутреннего ядра атома. Мозли разработал экспериментальный метод определения величин зарядов ядер и ввел термин «атомный номер». Знание атомных номеров рационализировало размещение в периодической системе радиоактивных элементов, многие из которых, как показали шведские химики Д. Стремгольм и Т. Сведберг, были химически неразличимы, несмотря на различие атомных весов. В 1913 г Ф. Содди назвал такие элементы изотопами и поместил в одну клетку периодической системы.

       Рассмотрение  изотопов как одинаковых элементов  внесло определенные коррективы в само понятие «элемент», поскольку в  атомистической (дальтоновской) трактовке  важнейшим признаком элемента служил атомный вес. Фактически химики начала ХХ в. стали оперировать представлением об элементе в рамках классической (восходящей к Лавуазье) концепции, согласно которой определяющей характеристикой каждого элемента являются его химические свойства, прибавив к этому идею о наличии специфического для каждого элемента спектра излучения при заданных условиях. Изотопы стали рассматриваться как элементы, химически эквивалентные, но физически отличные.

       Параллельно с развитием представлений о  строении атома происходило развитие электронной теории валентности и химической связи в трудах В. Косселя, Дж. Льюиса, И. Ленгмюра. Решение многих проблем стало возможным после создания квантовой механики в середине 20-х гг. Квантовая механика позволила проникнуть в сущность явлений, протекающих в атомах и молекулах, и на новом уровне подойти к раскрытию смысла понятия «химическая связь» и сущности периодического закона. 
 

       III.  Заключение

       К середине 30-х годов XX века химическая теория приобретает вполне современный  вид. Хотя основные концепции химии в дальнейшем стремительно развивались, принципиальных изменений в теории больше не происходило.

       Установление  делимости атома, квантовой природы  излучения, создание теории относительности  и квантовой механики представляли собой революционный переворот в понимании окружающих человека физических явлений. Этот переворот коснулся прежде всего микро- и мегамира, что к химии в классическом смысле, казалось бы, не имеет прямого отношения. Однако в этом и заключается одна из особенностей химии XX века: для понимания причин, которыми обусловлены фундаментальные химические законы, потребовалось выйти за пределы предмета химии. Ныне теоретическая химия в значительной степени представляет собой физику, "адаптированную" для решения химических задач. В значительной степени именно достижения физики сделали возможными огромные успехи теоретической и прикладной химии в XX столетии.

       Объём химических знаний стал настолько велик, что составление краткого, в несколько  страниц, очерка новейшей истории химии  представляет собой сложнейшую задачу, взяться за которую автор настоящей работы не считает для себя возможным.

       Еще одной особенностью химии в ХХ веке стало появление большого числа  новых аналитических методов, прежде всего физических и физико-химических. Широкое распространение получили рентгеновская, электронная и инфракрасная спектроскопия, магнетохимия и масс-спектрометрия, спектроскопия ЭПР и ЯМР, рентгеноструктурный анализ и т.п.; список используемых методов чрезвычайно обширен. Новые данные, полученные с помощью физико-химических методов, заставили пересмотреть целый ряд фундаментальных понятий и представлений химии. Сегодня ни одно химическое исследование не обходится без привлечения физических методов, которые позволяют определять состав исследуемых объектов, устанавливать мельчайшие детали строения молекул, отслеживать протекание сложнейших химических процессов.

       Для современной химии также стало  очень характерным всё более  тесное взаимодействие с другими  естественными науками. Физическая и биологическая химия стали важнейшими разделами химии наряду с классическими – неорганической, органической и аналитической. Пожалуй, именно биохимия со второй половины ХХ столетия занимает лидирующее положение в естествознании.