7. Этапы развития химических знаний. Учение о составе вещества, структурная химия, учение о закономерностях химических процессов, эволюционная химия.

Этапы развития химических знаний.

• Возникновение химии. Период алхимии (до XVI в). Период зарождения

научной химии (XVI - XVIII в.). Период открытия основных законов химии

(первая половина XIX в.). Современный период (вторая половина XIX в. до

наших дней). Структура химии. До конца XIX в. химия - единая целостная

наука. К началу XX в четко различаются общая, неорганическая и

органическая химии. Система химии. Химия как наука и производство. Химия

решает 2 основные задачи – получение вещества с заданными свойствами

(производственная задача) и выявление способов управления свойствами

вещества (научная задача).

Уровни развития химического знания. Первый уровень научных

химических знаний начался с работ Р. Бойля (1660-е годы): свойства вещества

определяются его составом. Химический элемент как предел разложения

вещества. Законы стехиометрии: сохранения массы вещества, постоянства

состава, простых кратных отношений. Атомно - молекулярное учение.

Простые и сложные вещества. Вещество – однородный вид материи, каждая

частица которой имеет одинаковые физические свойства. Молекула –

наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства.

Мономеры и полимеры. Атом – химически неделимая частица. При

физических процессах молекулы вещества сохраняются, при химических –

разрушаются. Химический элемент как совокупность атомов с одинаковым

зарядом ядра. Изотопы – это разновидности химического элемента,

имеющие одинаковый заряд ядра, но различные массовые числа. Закон и

периодическая система Д.И. Менделеева. Физический смысл номеров

периода и группы.

• Второй уровень развития химических знаний (середина XIX века):

свойства вещества и их качественное разнообразие обуславливаются составом иструктурой молекул. Возникновение структурной химии: работы Д.Дальтона,

И.Я.Берцелиуса, А. Кекуле, A.M.Бутлерова. Развитие органического синтеза в

1960–80-Е гг. Из каменноугольной смолы и аммиака были получены новые

красители – фуксин, анилиновая соль, а позднее – взрывчатые вещества и

лекарственные препараты (аспирин и др.). Структурная химия неорганических

соединений ищет пути получения кристаллов для производства

высокопрочных материалов с заданными свойствами, обладающими

качествами, предъявляемыми современным уровнем развития науки и техники.

• Третий уровень химических знаний (середина XX века): учение о

химических процессах и механизмах изменения вещества. Свойства вещества

зависят от термодинамических и кинетических условий, в которых вещество

находится в процессе химической реакции. Экзотермические и

эндотермические реакции. Обратимые и необратимые химические реакции.

Большинство химических реакций – сложные цепи последовательных

стадий. Закон Я.Вант-Гоффа и принцип А.Ле-Шателье. Зависимость хода

химических процессов от структурно-кинетических факторов: от строения

исходных реагентов, концентрации, температуры, наличия катализаторов и др.

• Четвертый уровень химических знаний (с 1970-х годов): свойства

вещества зависят от высоты химической организации вещества. Основа

лаборатории живого организма – биокатализ. Подражание живой природе –

химия будущего. Создание катализаторов по принципу ферментов. Изучение

брожения – один из первых опытов изучения химии живой природы. Пути

освоения каталитического опыта живой природы: исследование в области

металлокомплексного катализа, моделирование биокатализаторов,

исследования в области иммобилизованных систем, применение принципов

биокатализа в химической технологии. Отбор химических элементов в ходе

эволюции. Теории химической эволюции (эволюционная химия - четвертая концептуальная система химии, связанная с включением в химическую науку принципа историзма и понятия времени, с построением теории химической эволюции материи. Эволюционная химия изучает процессы самоорганизации вещества: от атомов и простейших молекул до живых организмов). и биогенеза.

Использование новейших разработок в области химии является залогом

успешного претворения в жизнь задач по созданию малоотходных,

безотходных и энергосберегающих технологий.

8. Достижения химии последних десятилетий.

2001год. Иисследования, используемые в фармацевтической промышленности — создание хиральных катализаторов окислительно-восстановительных реакций. (Уильям Ноулз, Рёдзи Ноёри, Барри Шарплесс)

2002 Разработка методов идентификации и структурного анализа биологических макромолекул, и, в частности, за разработка методов масс-спектрометрического анализа биологических макромолекул. (Джон Фенн, Коити Танака)

Разработка применения ЯМР-спектроскопии для определения трехмерной структуры биологических макромолекул в растворе (Курт Вютрих)

2003 Открытие водного канала (Питер Эгр) Водный канал - Аквапорины — интегральные мембранные белки, формирующие поры в мембранах клеток.

Изучение структуры и механизма ионных каналов(Родерик Маккинон)

2004 Открытие убиквитин-опосредованной деградации белка.

2005 Развитие метода метатезиса в органическом синтезе.

2006 Исследование механизма копирования клетками генетической информации.

2007 Иизучение химических процессов на поверхностях твёрдых тел.

2008 Открытие и развитие зелёного флуоресцентного белка.

2009 Исследования структуры и функций рибосомы.

2010 Разработку новых, более эффективных путей соединения атомов углерода друг с другом с целью построения сложных молекул, которые улучшают нашу повседневную жизнь

2011 Открытие квазикристаллов.

9. Развитие представлений о строении вещества. Концепция атомизма.

Атомизм - натурфилософская и физическая теория, согласно которой чувственно воспринимаемые (материальные) вещи состоят из химически неделимых частиц — атомов. Возникла в древнегреческой философии. Дальнейшее развитие получила в философии и науке Средних веков и Нового времени. Термин атомизм употребляется в двух смыслах. В широком смысле атомизмом называется любое учение об атомах, в узком — древнегреческая философская школа V-IV веков до н. э., учение которой является самой ранней исторической формой атомизма. В обоих случаях употребляется также термин атоми́стика. Термин атомисти́ческий материали́зм является более узким, так как некоторые сторонники учения об атомах считали атомы идеальными. Школа Атомизм был создан представителями досократического периода развития древнегреческой философии Левкиппом и его учеником Демокритом Абдерским. Согласно их учению, существуют только атомы и пустота. Атомы — мельчайшие неделимые, невозникающие и неисчезающие, качественно однородные, непроницаемые (не содержащие в себе пустоты) сущности (частицы), обладающие определённой формой. Атомы бесчисленны, так как пустота бесконечна. Форма атомов бесконечно разнообразна. Атомы являются первоначалом всего сущего, всех чувственных вещей, свойства которых определяются формой составляющих их атомов. Демокрит предложил продуманный вариант механистического объяснения мира: целое у него представляет собой сумму частей, а беспорядочное движение атомов, их случайные столкновения оказываются причиной всего сущего. В атомизме отвергается положение элеатов о неподвижности бытия, поскольку это положение не дает возможности объяснить движение и изменение, происходящее в чувственном мире. Стремясь найти причину движения, Демокрит «раздробляет» единое бытие Парменида на множество отдельных «бытий»-атомов, мысля их как материальные, телесные частицы. Сторонником атомизма был Платон, который считал, что атомы имеют форму идеальных Платоновских тел (правильных многогранников). Эпикур, основатель эпикурейства, воспринял от атомистов учение об атомах. Противники атомизма Демокрита утверждали, что материя делится до бесконечности.

В поэме древнеримского эпикурейца Лукреция «О природе вещей» атомы характеризуются как телесные («тельца» — корпускулы) и состоящие из материи. Сторонниками атомизма были европейские схоласты Николай из Отрекура, Гильом из Конша, арабский философ Абу Бакр ар-Рази. Сторонники атомизма: Галилей, Гассенди и др.В 1808 г. Дальтон, Джон возродил атомизм и писал:

"Атомы - химические элементы, которые нельзя создать заново, разделить на более мелкие частицы, уничтожить путем каких-либо химических превращений. Любая химическая реакция просто изменяет порядок группировки атомов".Под неделимыми атомами Дальтон понимал химические элементы. В XIX веке стало известно, что химические атомы разлагаются на более мелкие элементарные частицы и таким образом «атомами» в Демокритовском смысле не являются. Тем не менее, термин используется и теперь в современной химии и физике, несмотря на несоответствие его этимологии современным представлениям о строении атома.

В современной физике вопрос об атомизме является открытым. Некоторые теоретики придерживаются атомизма, но под атомами подразумевают фундаментальные частицы, которые далее неделимы.

10. Теория химического строения вещества и ее применение.

Основные идеи теории химического строения Бутлеров впервые высказал в 1861. Главные положения своей теории он изложил в докладе «О химическом строении вещества», прочитанном в химической секции Съезда немецких естествоиспытателей и врачей в Шпейере (сентябрь 1861). Основы этой теории сформулированы таким образом:

1. «Полагая, что каждому химическому атому свойственно лишь определённое и ограниченное количество химической силы (сродства), с которой он принимает участие в образовании тела, я назвал бы химическим строением эту химическую связь, или способ взаимного соединения атомов в сложном теле»[2]

2. «… химическая натура сложной частицы определяется натурой элементарных составных частей, количеством их и химическим строением»

С этим постулатом прямо или косвенно связаны и все остальные положения классической теории химического строения. Бутлеров намечает путь для определения химического строения и формулирует правила, которыми можно при этом руководствоваться. Предпочтение он отдаёт синтетическим реакциям, проводимым в условиях, когда радикалы, в них участвующие, сохраняют своё химическое строение. Однако Бутлеров предвидит и возможность перегруппировок, полагая, что впоследствии «общие законы» будут выведены и для этих случаев. Оставляя открытым вопрос о предпочтительном виде формул химического строения, Бутлеров высказывался об их смысле: «… когда сделаются известными общие законы зависимости химических свойств тел от их химического строения, то подобная формула будет выражением всех этих свойств».

Бутлеров впервые объяснил явление изомерии тем, что изомеры — это соединения, обладающие одинаковым элементарным составом, но различным химическим строением. В свою очередь, зависимость свойств изомеров и вообще органических соединений от их химического строения объясняется существованием в них передающегося вдоль связей «взаимного влияния атомов», в результате которого атомы в зависимости от их структурного окружения приобретают различное «химическое значение». Самим Бутлеровым и особенно его учениками В. В. Марковниковым и А. Н. Поповым это общее положение было конкретизировано в виде многочисленных «правил». Уже в XX веке эти правила, как и вся концепция взаимного влияния атомов, получили электронную интерпретацию.

Большое значение для становления теории химического строения имело её экспериментальное подтверждение в работах как самого Бутлерова, так и его школы. Он предвидел, а затем и доказал существование позиционной и скелетной изомерии. Получив третичныйбутиловый спирт, он сумел расшифровать его строение и доказал (совместно с учениками) наличие у него изомеров. В 1864Бутлеров предсказал существование двух бутанов и трёх пентанов, а позднее и изобутилена. Чтобы провести идеи теории химического строения через всю органическую химию, Бутлеров издал в 1864—1866 в Казани 3 выпусками «Введение к полному изучению органической химии», 2-е изд. которого вышло в 1867—1868 на немецком языке.

Бутлеров впервые начал на основе теории химического строения систематическое исследование полимеризации, продолженное в России его последователями и увенчавшееся открытием С. В. Лебедевым промышленного способа получения синтетического каучука.