2. Методологические проблемы химии

Экспериментальные исследования в области химии развернулись в двух основных направлениях. Первое было связано с изучением молекулярных соединений. При обычных условиях некоторые из них являлись газообразными, другие легко переходили в пар, третьи, оставаясь твердыми, обладали молекулярным строением. На этом направлении бурно развивалась органическая химия (анализ, синтез, изучение свойств, применение, классификация соединений), что способствовало появлению стереохимии, физической органической химии, химии полимеров и т. д.

Второе направление было связано с изучением кристаллов, главным образом неорганических соединений: силикатов, солей, сплавов металлов. Успехи в этой области были неравноценны.

Таким образом, можно отметить, что первая методологическая проблема возникла в глубокой древности. Она была связана с необходимостью найти критерий сравнения окружающих человека веществ. Ученые пытались решить ее с позиций элементарности, т. е. дискретности (неразложимости вещества при дальнейшем дроблении) и непрерывности (в изменении свойств при разном сочетании элементов), чтобы объяснить многообразие свойств веществ.

Вторая методологическая проблема возникла позже, когда от наблюдения и описания химик перешел к попыткам объяснить различные факты на основе эксперимента, используя физические приборы, в том числе для измерения количества исследуемого вещества.

3.Важнейшие понятия и категории в химии

Важнейшей и интереснейшей частью современного естествознания является химия — наука о веществах, их свойствах и превращениях их друг в друга.

Наиболее характерными признаками химической реакции являются следующие изменения реакционной среды: 1) выделение газа; 2) образование осадка; 3) изменение окраски; 4) выделение или поглощение теплоты.

Предметом химии являются вещества, из которых состоит окружающий нас мир. Все вещества изучаются, классифицируются и получают свое название.

Превращения одних веществ в другие принято называть химическими реакциями.

Все химические вещества состоят из частиц, классификация которых в химии достаточно сложна; химические превращения связывают прежде всего с такими частицами, как атом, молекула, ядро, электрон, протон, нейтрон, атомные и молекулярные ионы, радикалы. Принято считать, что атом — это наименьшая химическая частица вещества, хотя, как мы знаем, каждый атом состоит из так называемых «элементарных частиц».

Атом — электронейтралъная система взаимодействующих элементарных частиц, состоящая из ядра (образованного протонами и нейтронами) и электронов.

Атомное ядро - центральная часть атома, состоящая из Z протонов и N нейтронов, в которой сосредоточена основная масса атомов.

 Изотопы - химические элементы с одинаковыми зарядами ядер, но различными массовыми числами за счет разного числа нейтронов в ядре.

Хотя атомы образуются при взаимодействии всего лишь трех типов элементарных частиц, при их сочетании возникает большой набор разнообразных устойчивых или неустойчивых систем. При этом выяснилось, что всю совокупность образовавшихся таким образом атомов легко классифицировать всего лишь по одному параметру — заряду ядра Z. Заряд ядра - положительный, по величине равен количеству протонов в ядре или электронов в нейтральном атоме и совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе. Сумма протонов и нейтронов атомного ядра называется массовым числом 

 Определенный вид атомов, характеризующийся одинаковым зарядом ядра, называется химическим элементом. Каждый элемент имеет свое название и свой символ.

Наименование и символы элементов — химическая азбука, позволяющая описать состав любого вещества химической формулой.

Следующей, более сложной после атома, частицей может рассматриваться молекула.

Молекула — это электронейтралъная наименьшая совокупность атомов, образующих определенную структуру посредством химических связей.

Молекулы могут содержать атомы только одного элемента, например молекула кислорода такие вещества называют простыми веществами.

В настоящее время известно 110 элементов, а число образуемых ими простых веществ около 400. Такое различие объясняется способностью того или иного элемента существовать в виде различных простых веществ, отличающихся по свойствам.Это явление получило название аллотропия. Аллотропия - явление образования химическим элементом нескольких простых веществ, различающихся по строению и свойствам. Простые вещества- молекулы, состоят из атомов одного и того же элемента. Аллотропные формы элемента углерода — алмаз, графит и карбин отличаются строением их кристаллических решеток.

Вещества, молекулы которых состоят из атомов разных элементов, называют сложными веществами, например оксид водорода (вода). Количество связей, которые может образовывать элемент в сложном веществе – валентность

Сложное вещество имеет свои свойства. Свойства — совокупность признаков по которым одни вещества отличаются от других, они бывают химическими и физическими. Физические свойства — признаки вещества, при характеристике которых вещество не изменяет свой химический состав (плотность, агрегатное состояние, температуры плавления и кипения и т. п.) Химические свойства — способность веществ взаимодействовать с другими веществами или изменяться под действием определённых условий. Результатом является превращение одного вещества или веществ в другие вещества.

Химическая формула - это условная запись состава вещества с помощью химических знаков (предложены в 1814 г. Й. Берцелиусом) и индексов (индекс - цифра, стоящая справа внизу от символа. Обозначает число атомов в молекуле). Химическая формула показывает,  атомы каких элементов и в каком отношении соединены между собой в молекуле.

4.Важнейшие проблемы в истории химии . Основу химии можно определить как проблему получения веществ с заданными свойствами (на достижение чего направлена производственная деятельность человека) и выявления способов управления свойствами вещества (на реализацию чего направлена научно-исследовательская деятельность). Она же является основной проблемой химии и системным началом данной науки. Эта проблема возникла еще в древности и не теряет своего значения в наши дни. Естественно, что в разные исторические эпохи она решалась по-разному, так как способы ее решения зависят от уровня материальной и духовной культуры общества, а также от внутренних закономерностей, присущих ходу научного познания. Известно, что изготовление таких материалов, как, например, стекло и керамика, краски и душистых веществ, в древности осуществлялось совершенно иначе, чем в XVIII веке и позже. Накопление запаса практических сведений и навыков, получение большого числа новых веществ с разнообразными свойствами уже в античные времена не только позволяло, но и требовало сделать некоторые обобщения, создать новые методы. Именно в античной философии впервые была поставлена проблема происхождения свойств вещества.

Попытки теоретического осмысления проблемы происхождения свойств вещества привели к формированию в античной греческой натурфилософии учения об элементах-стихиях. Наибольшее влияние на дальнейшее развитие науки оказали учения Эмпедокла, Платона и Аристотеля. Согласно этим концепциям все вещества образованы сочетанием четырёх первоначал: земли, воды, воздуха и огня. Сами элементы при этом способны к взаимопревращениям, поскольку каждый из них, согласно Аристотелю, представляет собой одно из состояний единой первоматерии — определённое сочетание качеств. Положение о возможности превращения одного элемента в другой стало позднее основой алхимической идеи о возможности взаимных превращений металлов, так называемая проблема трансмутации. Эту идею выдвинул представитель греко-египетской школы Болос Демокритоса. Джабир ибн Хайян  в конце VIII века разработал ртутно-серную теорию происхождения металлов, согласно которой металлы образованы двумя принципами: Ртутью (принцип металличности) и Серой (принцип горючести). Для образования золота — совершенного металла, помимо Ртути и Серы необходимо наличие некоторой субстанции, которую Джабир называл эликсиром. Проблема трансмутации, таким образом, в рамках ртутно-серной теории свелась к задаче выделения эликсира, иначе называемого философским камнем

При решении вопроса и составе вещества, перед химиками встают 3 основные проблемы:

1) Проблема химического элемента.

2) Проблема химического соединения.

3) Проблема создания новых материалов.

С точки зрения современной химии – химический элемент – это совокупность всех атомов с одинаковым зарядом ядра.

С точки зрения химии, заряд ядра обеспечивает индивидуальность химического элемента.

Роберт Бой – выдающийся английский химик и физик впервые рассказывал о строении вещества. Химический элемент представляет собой простое вещество, которое является пределом химического разложения.

Проблема химического соединения. Суть проблемы заключается в понимании разницы, что нужно относить к химическому соединению, а что нужно относиться к смесям. Ясность в этот вопрос была внесена, когда был открыт «закон постоянства состава». Открыт Джозефом Маусом. Индивидуальные свойства вещества, в отличии от смеси, зависят от однородности вещества. Индивидуальные вещества, в отличии от смеси, состоят из мельчайших частиц

Другое представление о составе вещества было у Джона Дальтон. Создает атомно-молекулярное учение, которое базируется на представление прусском эптале. Он считал, что химические соединения имеют не постоянный, а переменный состав.

Конец 19 столетия, русский ученый Коновалов показал, что соединение с переменным составом имеет право существовать. Более того, индивидуальные химические соединения, имеющие переменный состав, получили название – бертоллиды.

Основная проблема химии XIX века – определение атомных масс. Таблица Дальтона стала первым шагом на долгом пути, который предстояло пройти химии для того, чтобы величины атомных масс приняли привычные для нас значения. Разрешение проблемы определения атомных весов, потребовавшее усилий многих выдающихся учёных, заняло более пятидесяти лет. Главное затруднение при определении атомной массы состоит в том, что необходимо установить число атомов каждого элемента, входящее в состав соединения. И даже после того, как проблема была в основном решена, точное определение атомным масс оставалось настолько важной задачей, что в 1914 г. американский учёный Теодор Ричардс был удостоен Нобелевской премии за уточнение атомных масс некоторых элементов.

Одной из важнейших проблем теоретической химии XIX века после разрешения проблемы атомных весов оставалась систематизация химических элементов, число которых постоянно росло. Со времён античности и средних веков были известны 14 элементов (хотя собственно элементами их стали считать лишь в конце XVIII века). В XVIII веке к ним добавилось 20 новых элементов; к 1860 году число известных элементов возросло до шестидесяти. Проблема упорядочения элементов и отыскания закономерности в изменении их свойств становилась всё более актуальной. Создание периодической системы химических элементов стало результатом многолетней работы многих химиков.

5.Важнейшие этапы развития химии.

Как правило, большинство историков химии выделяют следующие основные этапы её развития:

1. Предалхимический период: до III в. н.э.

В предалхимическом периоде теоретический и практический аспекты знаний о веществе развиваются относительно независимо друг от друга. Происхождение свойств вещества рассматривает античная натурфилософия, практические операции с веществом являются прерогативой ремесленной химии. Натурфилосо́фия — исторический термин, обозначавший философию природы, понимаемую как целостную систему самых общих законов естествознания. Натурфилософия возникла в античную эпоху как попытка найти «конечные причины» и фундаментальные закономерности природных явлений. С появлением классической физики натурфилософия быстро вытесняется философией науки, отсекающей всякую гипотезу, которая не представляется необходимой для доказательства. Тем не менее, различные натурфилософские системы появлялись в XIX и XX веках. В круг интересов натурфилософов попадали вопросы космологии, космогонии, строения вещества, сущности движения. Различные натурфилософские системы включали такие важнейшие естественнонаучные понятия, как субстанция, материя, пространство, время, движение,мзакон природыи др.

2. Алхимический период: III – XVI вв.

Алхимический период – это время поисков философского камня, считавшегося необходимым для осуществления трансмутации металлов.

В этом периоде происходит зарождение экспериментальной химии и накопление запаса знаний о веществе; алхимическая теория, основанная на античных философских представлениях об элементах, тесно связана с астрологией и мистикой. Наряду с химико-техническим "златоделием" алхимический период примечателен также и созданием уникальной системы мистической философии.

Алхимический период, в свою очередь, разделяется на три подпериода:

Александрийскую

Алхимия складывается в эпоху поздней античности (II—VI века н. э.) в александрийской культурной традиции и представляет собой форму ритуального герметического искусства. В большой степени алхимия базируется на учении о 4 первоэлементах Аристотеля.

Основными объектами изучения александрийской химии (термин «алхимия» появится позже у арабов) являлись металлы. В александрийский период сформировалась традиционная металлопланетная символикаалхимии, в которой каждому из семи известных тогда металлов сопоставлялась соответствующее небесное светило.

Арабскую

После падения Римской империицентр алхимических исследований перемещается наАрабский Восток, и арабские учёные становятся главными исследователями и хранителями античных трудов.

В конце VIII векаперсидский алхимикДжабир ибн Хайянразвил теорию Аристотеля опервоначальных свойствахвеществ (тепле, холоде, сухости, влажности), добавив ещё два: свойство горючести и «металличности». Он предположил, что внутреннюю сущность каждого металла всегда раскрывают два из шести свойств.

Согласно учению Джабира, сухие испарения, конденсируясь в земле, дают серу, мокрые — ртуть. Сера и ртуть, соединясь затем в различных отношениях, и образуют семь металлов: железо, олово, свинец, медь, ртуть,серебро и золото. Золото как совершенный металл образуется, только если вполне чистые сера и ртуть взяты в наиболее благоприятных соотношениях. Таким образом, он заложил основы ртутно-серной теории

Другой арабский учёный Ар-Рази в конце IX века усовершенствовал теорию о первоначальных элементах, добавив ещё одно свойство металлов, «принцип твёрдости», которую он ассоциировал с солью.

Арабские алхимики внесли существенный вклад в развитие естественно-научных исследований, например, создав дистилляционный аппарат.

Центром арабской алхимии стал Багдад, а затем Академия в Кордове

европейскую алхимию

В XIV—XVI вв. алхимия все теснее связывала свои цели с задачами практической металлургии, горного дела, медицины.

Наиболее значительный вклад в этот период совершил Парацельс. Он отказался от некоторых оккультных черт алхимии и сосредоточился на проведении физических и химических экспериментов, а также изучении свойств человеческого тела. Парацельс впервые начал использовать химические вещества и минералы в медицине.

В то же время возможность получения золота способствовала росту числа шарлатанов и мошенников, стремившихся завладеть бесценными сокровищами. Кроме того многие алхимики (настоящие или мнимые) стали пользоваться поддержкой властей. Так, многие короли содержали придворных алхимиков, ожидая от них рецепта получения золота.

Упадок алхимии начинается с XVI в., несмотря на то, что и в XVII и в XVIII в. некоторые учёные оставались приверженцами алхимических идей.

3. Период становления (объединения): XVII – XVIII вв.

В период становления химии как науки происходит её полная рационализация. Химия освобождается от натурфилософских и алхимических взглядов на элементы как на носители определённых качеств. Наряду с расширением практических знаний о веществе начинает вырабатываться единый взгляд на химические процессы и в полной мере использоваться экспериментальный метод. Завершающая этот период химическая революция окончательно придаёт химии вид самостоятельной науки, занимающейся экспериментальным изучением состава тел.

4. Период количественных законов (атомно-молекулярной теории): 1789 – 1860 гг.

Период количественных законов, ознаменовавшийся открытием главных количественных закономерностей химии – стехиометрических законов, и формированием атомно-молекулярной теории, окончательно завершает превращение химии в точную науку, основанную не только на наблюдении, но и на измерении.

5. Период классической химии: 1860 г. – конец XIX в.

Период классической химии характеризуется стремительным развитием науки: создаётся периодическая система элементов, теория валентности и химического строения молекул, стереохимия, химическая термодинамика и химическая кинетика; блестящих успехов достигают прикладная неорганическая химия и органический синтез. В связи с ростом объёма знаний о веществе и его свойствах начинается дифференциация химии – выделение её отдельных ветвей, приобретающих черты самостоятельных наук.

6.Становление химии как самостоятельной науки . Каждая наука, как и каждая истина, есть продукт своего времени. Для того, чтобы они могли появиться, необходимы соответствующие условия и обстоятельства. Для становления химии как науки такими условиями стало обновление европейской культуры, потребность в новых видах промышленного производства, открытие Америки и расширение торговых отношений, а также многие другие факторы прогресса, которые сначала проявили себя в Италии, а затем во всей Западной Европе. Эти изменения повернули научные исследования на новые пути. Химия также испытала на себе влияние новых условий жизни и, отделившись от старой алхимии, приобрела довольно большую свободу исследования. В результате этой свободы химия сделала первые шаги как самостоятельная наука, сформировала современный взгляд на цели и задачи химических исследований, утвердилась как единая и независимая наука.

В XVI веке в европейских странах алхимия утратила то свое назначение, которое она имела в предшествующие века. На смену алхимии пришло совершенно новое понимание задач химии. Ее назначение состояло не в получении золота, а в приготовлении лекарств. Это направление в химической науке получило название ятрохимии.

Основателем ятрохимии стал швейцарец Парацельс. Ятрохимия выражала стремление соединить медицину с химией, переоценивая при этом роль химических превращений в организме и приписывая определенным химическим соединениям способность устранять в организме нарушения равновесия. Парацельс свято верил, что если человеческое тело состоит из особых веществ, то происходящие в них изменения должны вызывать болезни, которые могут быть излечены лишь путем применения лекарств, восстанавливающих нормальное химическое равновесие. 

С уменьшением влияния ятрохимии натурфилософы вновь обратились кучениям древних о природе. На первый план в 17 в. вышли атомистические (корпускулярные) воззрения.Одним из виднейших ученых - авторов корпускулярной теории - был философ и математик Рене Декарт(1596-1650). Свои взгляды он изложил в 1637 в сочинении Рассуждение о методе. Декарт полагал, что всетела "состоят из многочисленных мелких частиц различной формы и размеров,... которые не настолько точноприлегают друг к другу, чтобы вокруг них не оставалось промежутков; эти промежутки не пустые, анаполнены... разреженной материей". 

Техническая химия. Научные успехи и открытия не могли не повлиять на техническую химию, элементыкоторой можно найти в 15-17 вв. В середине 15 в. была разработана технология воздуходувных горнов.Нужды военной промышленности стимулировали работы по усовершенствованию технологии производствапороха. В течение 16 в. удвоилось производство золота и в девять раз возросло производство серебра.Выходят фундаментальные труды по производству металлов и различных материалов, используемых встроительстве, при изготовлении стекла, крашении тканей, для сохранения пищевых продуктов, выделки кож.С расширением потребления спиртных напитков совершенствуются методы перегонки, конструируютсяновые перегонные аппараты. Появляются многочисленные производственные лаборатории, прежде всегометаллургические.

. С 1670 по 1800 химия получила официальный статус в учебных планахведущих университетов наряду с натурфилософией и медициной. В 1675 появился учебник Николя Лемери(1645-1715) Курс химии, завоевавший огромную популярность, в свет вышло 13 его французских изданий, акроме того, он был переведен на латинский и многие другие европейские языки. В 18 в. в Европе создаютсянаучные химические общества и большое количество научных институтов; проводимые в них исследованиятесно связаны с социальными и экономическими потребностями общества. Появляются химики-практики,занимающиеся изготовлением приборов и получением веществ для промышленности.