1.2. Краткий очерк развития химии
Химия прошла сложный путь развития. Это древняя наука, возникшая из запросов практики.
Естественно, не известны ни время, ни место, когда человек впервые зажег огонь, стал использовать его для приготовления пищи, в гончарном производстве, для обработки металлов. Во всяком случае, к началу исторической эпохи химические знания в этих направлениях находились на высоком уровне. В древнем Египте, например, умели выплавлять из руд металлы (железо, свинец, медь, олово), получать их сплавы (например, бронзу), применяли золото, серебро, производили стекло и фарфор, гончарные изделия, краски и пигменты, парфюмерию. Химические производства существовали в древних Месопотамии, Индии и Китае.
Корни химии как науки следует искать, прежде всего, в эпоху античности. Древние Греция и Рим оказали огромное влияние на искусство, литературу, на политические, философские и религиозные взгляды всех народов Европы.
Вершина развития древнегреческой философии была достигнута в учении Аристотеля. Развивая идеи своих предшественников – Эмпедокла, Платона, он создал стройную философскую систему, в которой поднял естественнонаучное знание на качественно новую ступень. Особое внимание он уделял превращениям веществ. Каждое вещество он считал определенной комбинацией первоэлементов (атомов), определяемых на основе их чувственного восприятия. Движения, соединения и разъединения элементов (атомов) порождают все видимое многообразие во Вселенной.
Этот период развития науки о природе характеризуется полным отрывом теории от практики. Древние философы лишь наблюдали природу и ставили своей задачей ее объяснение.
Приблизительно в 300-е гг. н. э. грек Панополитанский Зосима написал энциклопедию из 28 книг, охватывающую все знания по химии. Этим моментом датируется начало следующего этапа развития химии – алхимии, который продлился вплоть до XVI в.
Наблюдая превращения одних веществ в другие и осуществляя их путем различных воздействий на вещества и их смеси, алхимики не видели препятствий для реализации любых превращений, в том числе одних металлов в другие и, в частности, в золото, получения универсального медицинского препарата – эликсира молодости и, в конечном счете, изготовления «философского камня», с помощью которого можно осуществить эти превращения.
От алхимиков современная наука унаследовала исключительно ценный метод работы – эксперимент, проверяющий гипотезу. В поисках «философского камня», обеспечивающего трансмутацию, алхимики открыли целый ряд веществ (этиловый спирт, многие соли, уксусную кислоту, серную и азотную кислоты и др.) и химических элементов (фосфор, сурьма, мышьяк, хлор и др.).
Третий период – период становления химии – охватывает XVI–XVIII вв. Изменилась цель исследования – вместо экспериментирования начинается изучение законов превращения веществ в целях использования их в практической деятельности.
В этот период развивается техническая химия, появляются научные труды, посвященные описанию на общедоступном языке химических процессов; начинается развитие химии газов – пневматической химии, связанной в первую очередь с именем Р. Бойля. Он ввел первое научное определение химического элемента как составной части вещества, которую нельзя разложить на более простые части; создал по-настоящему экспериментальный метод исследования; положил начало химическому анализу; написал первый научный трактат «Химик-скептик» (1661 г.), ставший широко известным, способствовал становлению химии как самостоятельной науки.
На рубеже XVII–XVIII вв. появилась первая общая химическая теория – теория флогистона (1697–1703 гг.1, Г. Э. Шталь), основанная на том положении, что чем больше тело содержит флогистона, тем более оно способно к горению.
Временем зарождения химии как точной науки условно можно считать середину XVIII в., когда М. В. Ломоносов сформулировал закон сохранения массы веществ в химических процессах и доказал его экспериментально. Он же первым высказал мысль, что при нагревании металл соединяется с «частичками воздуха». Заслуга окончательного ниспровержения теории флогистона принадлежит А. Л. Лавуазье, который выяснил и сделал очевидной для всех роль кислорода в процессах горения, внес ясность в понятия химического элемента, простого и сложного вещества и независимо от Ломоносова экспериментально установил закон сохранения массы. Лавуазье поставил химические исследования на количественную основу. Начиная с Лавуазье, химия «заговорила» на современном языке.
Четвертый этап развития химии – период атомно-молекулярного учения – охватывает конец XVIII – 60–70-е годы XIX в. и характеризуется открытием стехиометрических (количественных) законов химии: закон эквивалентов (1792–1802 гг., И. В. Рихтер); закон постоянства состава (1799–1806 гг., Ж. Л. Пруст); закон кратных отношений (1802–1808 гг., Дж. Дальтон); закон объемных отношений (1805–1808 гг., Ж. Л. Гей-Люссак); закон пропорциональности между плотностями газов или паров и молекулярными массами (1811 г., А. Авогадро); закон изоморфизма (1818–1819 гг., Э. Митчерлих); закон удельных теплоемкостей (1819 г., П. Л. Дюлонг, А. Т. Пти); законы электролиза (1834 г., М. Фарадей); закон постоянства количеств теплоты (1840 г., Г. И. Гесс); определения понятий «атом», «молекула» и создание шкалы атомных масс (1858 г., С. Канниццаро).
Следующий этап развития химии – период классической химии – начинается открытием в 1869 г. периодического закона Д. И. Менделеевым и завершается разработкой в 1913–1921 гг. теории строения атома Н. Бора – А. Зоммерфельда.
В это время также развивается понятие о валентности (1852 г., Э. Франкланд), появляются теории строения органических соединений (1861–1864 гг., А. М. Бутлеров), ароматических соединений (1865 г., Ф. А. Кекуле), комплексных соединений (1893 г., А. Вернер); закон действующих масс (1864–1867 гг., К. М. Гульдберг, П. Вааге); термохимия; теория электролитической диссоциации (1884 г., С. А. Аррениус); принцип смещения химического равновесия (1884 г., А. Л. Ле Шателье); правило фаз (1876 г., Дж. У. Гиббс) и др.
Шестой период развития химии – современный.
Успехи химии XX в. связаны с прогрессом аналитической химии и физических методов изучения веществ и воздействия на них, проникновением в механизмы реакций, с синтезом новых классов веществ и новых материалов, дифференциацией химических дисциплин и интеграцией химии с другими науками, с удовлетворением потребностей современной промышленности, техники и технологии, медицины, строительства, сельского хозяйства и других сфер человеческой деятельности в новых химических знаниях, процессах и продуктах. Успешное применение новых физических методов воздействия привело к формированию новых важных направлений химии, например, радиационной химии, плазмохимии. Вместе с химией низких температур (криохимией) и химией высоких давлений, сонохимией (наукой, изучающей химические и физико-химические эффекты, возникающие в звуковых полях), лазерной химией и др. они стали формировать новую область – химию экстремальных воздействий, играющую большую роль в получении новых материалов (например, для электроники) или старых ценных материалов сравнительно дешевым синтетическим путем (например, алмазов или нитридов металлов).
На одно из первых мест в химии выдвигаются проблемы предсказания функциональных свойств вещества на основе знания его структуры и определения структуры вещества (и его синтез), исходя из его функционального назначения. Решение этих проблем связано с развитием расчетных квантово-химических методов и новых теоретических подходов, с успехами в неорганическом и органическом синтезе. Развиваются работы по генной инженерии и по синтезу соединений с необычными строением и свойствами (например, высокотемпературные сверхпроводники, фуллерены). Все шире применяются методы, основанные на матричном синтезе, а также использующие идеи планарной технологии. Получают дальнейшее развитие методы, моделирующие биохимические реакции. Успехи спектроскопии (в том числе сканирующей туннельной) открыли перспективы «конструирования» веществ на молекулярном уровне, привели к созданию нового направления в химии – нанотехнологии. Для управления химическими процессами как в лаборатории, так и в промышленном масштабе, начинают использоваться принципы молекулярной и надмолекулярной организации ансамблей реагирующих молекул (в том числе подходы, основанные на термодинамике иерархических систем).
Развитие химической науки можно обобщить в виде схемы (рис. 1.1), на которой показано появление на определенных этапах новых концептуальных систем (относительно замкнутых систем теорий, объединенных некоей общей концепцией), определяющих дальнейший прогресс.
Рис. 1.1. Модель процесса развития химии
Таким образом, можно считать, что современная химия складывается из четырех концептуальных систем:
Учение о химических элементах и их соединениях, которое непрерывно развивается, обогащаясь, видоизменяясь, начиная с работ Р. Бойля до наших дней. Даже в наше время в некоторых областях химии категории «состав» и «свойства» остаются фундаментальными. Это учение выводит свойства вещества исходя из его состава (рис. 1.2).
Система структурных теорий, структурная химия возникла с появлением атомно-молекулярной концепции. Теперь свойства веществ (их реакционная способность) описываются не только на основе состава, но и на основе структуры вещества. Таким образом, подобно тому, как «структура» углубляет понятие «состав», так понятие «функция» (реакционная способность) углубляет понятие «свойство» (рис. 1.2).
Теории химической кинетики и химической термодинамики, учение о химических процессах. Возникновение этой концептуальной системы связано с установлением роли условий проведения химических процессов в их протекании. Эти условия – не только внешние факторы (температура, давление и др.), но и концентрации реагентов, присутствие посторонних веществ (катализаторов, ингибиторов и др.) и т. д. Другими словами, данные теории описывают поведение системы веществ исходя из организации химического процесса (рис. 1.2).
Биологическая химия и учение об эволюционном катализе – теория саморазвития (самоорганизации) химических систем (А. П. Руденко). В основе этой теории лежит представление об изменяющемся в ходе химической реакции катализаторе.
Рис. 1.2. Этапы эволюции химических знаний