Естественнонаучные концепции развития химических знаний

3

РЕФЕРАТ

по дисциплине: Концепция современного естествознания

на тему: Естественнонаучные концепции развития химических знаний

Выполнил(а) студент(ка)

заочной формы обучения

специальности _Бухгалтерский учет и аудит

специализации ___________________

__I__ курса ___ ____________ группы

№ студенческого билета

(зачетной книжки)

Руководитель

Москва - 2006

Содержание

Введение

Химия древности

От алхимии к научной химии

Лавуазье: революция в химии

Победа атомно-молекулярного учения

Эволюционная концепция в химии

Современная картина химических знаний

Исследование элементарного и молекулярного составов веществ (учение о составе вещества)

Структурная химия

Учение о химических процессах

Эволюционная химия

Заключение

Список литературы

Введение

Химия - наука, изучающая вещества и их превращения. Превращения веществ, изменение их состава и (или) строения происходят в результате химических реакций.

С незапамятных времён человек, сталкиваясь с различными явлениями природы, накапливая сведения о них и об окружающих его предметах, всё чаще использовал их себе на благо. Человек заметил, что под действием огня одни вещества (и сам жизнь) исчезают, а другие изменяют свои свойства. Например, обожженная сырая глина приобретает прочность. Человек применил это в своей практике, и родилось гончарное дело. Из руд научились выплавлять металлы, а, сплавляя металлы - получать различные сплавы; так появилась металлургия.

Используя свои наблюдения и знания, человек научился создавать, и, создавая, познавал. Науки рождались и развивались параллельно с ремёслами и производствами.

Превращения веществ под действием огня были первыми химическими реакциями, осуществлёнными человеком. По образному выражению советского историка Н. А. Фигуровского, костёр был своеобразной химической лабораторией.

Химия древности

Первые сведения о химических превращениях люди получили, занимаясь различными ремеслами, когда красили ткани, выплавляли металл, изготавливали стекло.

Некоторые металлы - золото, свинец, медь, железо - были известны людям ещё при первобытно-общинном строе. Вначале эти металлы шли на изготовление украшений, и только позднее, примерно в конце каменного века (4-5 тыс. лет до н. э.), из металлов стали делать орудия труда и оружие. Постепенно из различных ремёсел стали возникать производства. Так, уже во времена рабовладельческого строя (4 тыс. лет до н. э.) существовали металлургия, крашение, изготовлялась керамика и т.д. С развитием этих производств значительно обогатились знания о веществах, их свойствах и превращениях.

Уже за несколько тысяч лет до нашей эры в Древнем Египте умели выплавлять и использовать золото, медь, серебро, олово, свинец и ртуть. В стране священного Нила развивалось производство керамики и глазурей, стекла и фаянса. Использовали древние египтяне и различные краски: минеральные (охра, сурик, белила) и органические (индиго, пурпур, ализарин). Недаром знаменитый французский химик Мю Бертло считал, что само название науки - «химия» - произошло от древнеегипетского слова «хемы»: так называли людей, населяющих “чёрные земли” (Египет), где были развиты ремёсла. Однако греческий алхимик Зосима (III-IV вв. н.э.) объяснил происхождение этого слова иначе: он считал химией искусство делать серебро и золото (химия - искусство плавки металлов). Известны и другие толкования. До сих пор у учёных нет единого мнения на этот счёт.

Химические ремёсла были развиты в 4-2 тысячелетии до н. э. И в странах Междуречья на Ближнем Востоке (долины рек Тигра и Евфрата). В те времена народы, населявшие Междуречье, знали металлы (из свинца, например, отливали статуэтки, культовые фигурки), широко использовали минеральные и органические красители, умели изготовлять глазури, фаянс и т.д.

Учёные-философы Древней Греции (VII-V вв. до н. э.) пытались объяснить, каким образом осуществляются различные превращения, из чего и как произошли все вещества. Так возникло учение о началах, стихиях (от стехейя - основа), или элементах (от латинского elementum - первооснова, первоначало), как их стали называть позже.

Здесь необходимо отметить, что тогда же, наряду с учением о “стихиях”, развивались и другие представления о строении материи - атомистические. Ярчайшей фигурой древней Греции и всего античного мира был Аристотель (384-322 гг. до н.э.). Он, как и Эпмпедокл, признавал, что в мире существуют четыре основных “начала” - “стихии” (они же “элементы”, иногда “принципы” или “первичная материя”). Под стихиями Аристотель понимал “предельные части”, на которые разлагаются все тела. Эти части не делятся дальше и отличаются друг от друга “по виду”. К стихиям он относил воду, землю, огонь и воздух; каждая из стихий бала носителем двух свойств из четырёх - влажности и сухости, тепла и холода: воздух тёплый и влажный, огонь сухой и тёплый, земля сухая и холодная, вода холодная и влажная.

Помимо этих четырёх элементов Аристотель ввёл пятый, который назвал “сущность”. В средние века алхимики стали именовать этот элемент “квинтэссенцией” (от латинского quinta essentia - пятая сущность), “философским камнем”, “эликсиром жизни”, “великим магистерием”, “красной тинктурой”, “универсалом”, “медикаментом”. Таинственному пятому элементу приписывали сверхъестественные свойства.

Учения Аристотеля о взаимном превращении элементов и о пятой сущности легло впоследствии в основу представлений о трансмутации, в том числе и о получении золота из неблагородных металлов. И первыми стали применять учение Аристотеля алхимики.

В 321 г. до н.э. в дельте Нила был заложен новый город - Александрия, названный так в честь завоевателя Александра Македонского. Имея выгодное географическое положение, город стал одним из крупнейших торговых и ремесленных центров. Там была основана первая в истории академия - специальное учреждение, где занимались различными исследованиями и обучали известным в то время наукам.

До завоевания Египта жрецы, знавшие химические операции (получение сплавов, амальгамирование, имитация драгоценных металлов, выделение красок и т.д.), держали их в глубочайшей тайне и передавали только избранным ученикам, а сами операции проводили в храмах, сопровождая их пышными мистическими церемониями. После покорения этой страны многие тайны жрецов стали известны древнегреческим учёным, которые считали, что имитация драгоценных металлов есть настоящее “превращение” одних веществ в другие, соответствующее законам природы. Словом, в эллинистическом Египте произошло соединение представлений античных философов и традиционной обрядности жрецов - то, что впоследствии было названо алхимией.

Около 640 г. н. э. Египет захватили арабы, а уже в начале VIII в. их власть установилась на огромной территории - от Гибралтара до Индии. Научно-практические знания и культура, усвоенные арабами в покорённых странах (и особенно в Египте), к XII в. достигли Европы. В этом большую роль сыграла торговля между государствами арабского Востока и европейскими странами. Химические знания, пришедшие в Европу от арабов, стали называть арабским словом “алхимия”.

Что же это были за знания? Зачатки алхимических взглядов встречались у многих народов. В I в. н. э. древнеримский врач и естествоиспытатель Диоскорид написал первую химическую энциклопедию, в которой были изложены способы приготовления известковой воды, медного купороса, белил и некоторых других веществ. В Китае алхимик Вей Поян (II в.) описывает рецепт получения “пилюль бессмертия”. Ко Хун (281- 361) также даёт рецепты изготовления “пилюль долголетия” и искусственного золота. Поиски таких рецептов были распространены в эллинистическом Египте. От тех времён сохранилось два папируса, относящихся к III веку, - “Лейденский папирус X” и “Стокгольмский папирус”. В первом содержится около ста рецептов имитации золота, а во втором, кроме того, описывается подделка жемчуга и крашение пурпуром.

Идея превращения неблагородных металлов в благородные нашла много приверженцев в Западной Европе. И вот за толстыми стенами, в сырых подвалах, в уединённых кельях пытаются ускорить процесс “совершенствования” металлов. Неблагородные металлы расплавляют, смешивают друг с другом, окрашивают, закапывают в землю, но тщетно! Почему же не получается золото?

Возможно, этот процесс сверхъестественный? Над металлами произносятся заклинания; на полу, на стенах изображаются магические формулы... и опять неудача.

А может быть, вся суть заключается в пятом элементе -“квинта эссенции”, получившем множество различных возвышенных и таинственных имён? Только он один мог превратить любой металл в золото, дать человеку вечную жизнь и молодость. Теперь усилия алхимиков сосредотачиваются на получении философского камня. Были созданы сотни зашифрованных рецептов, большинство из которых до сих пор не удалось разгадать, не говоря уже об экспериментальной проверке.

Шли годы... Алхимики продолжали свои поиски. Крупнейшим алхимиком средневековья можно назвать Альберта фон Больштедта (1193-1280). Обладая поразительной работоспособностью, жаждой знаний и будучи прекрасным оратором, он стал знаменитым среди своих современников, которые называли его “универсальным доктором”, Альбертом Великим. Отказавшись в 1265 г. от епископства, фон Больштедт удалился в монастырь и посвятил оставшиеся годы жизни науке. Им было написано огромное число трактатов по различным отраслям знаний, в том числе и по алхимии - “Пять книг о металлах и минералах”, “Книга об алхимии”.

Альберт Великий полагал, что трансмутация металлов заключается в изменении вида и плотности. Изменение же свойств металлов происходит под действием мышьяка (окрашивает металлы в жёлтый цвет) и воды (сжимаясь и уплотняясь, она увеличивает плотность металлов). Описывая проведение алхимических операций, он приводит ряд правил, которым надо следовать в работе: хранить молчание, скрываться от глаз людских, соблюдать время и т.д.

В XVI в. особой популярностью пользовались сочинения Василия Валентина (“могущественный царь”): “О тайной философии”, “О великом камне древних мудрецов”, “Триумфальная колесница антимония”. Правда, все попытки установить подлинное имя автора не удались; видимо, под этим псевдонимом писал неизвестный алхимик, возможно, не один.

Признавая трансмутацию металлов и начала алхимиков, Василий Валентин особо подчеркивал, что алхимические элементы металлов не имеют ничего общего с реальными элементами того же названия:

“Все, писавшие о семенах металлов, согласны в том, что сера представляет мужское семя металлов, а ртуть - женское семя; но это нужно понимать разумом и не принимать за семена металлов обыкновенную серу и обыкновенную ртуть, потому что обыкновенная ртуть, будучи сама металлом, не может быть семенем металлов”. Также не могут быть “семенем” металлов обыкновенная сера и соль. Последняя, по его мнению, характеризует способность металлов растворяться в кислотах.

В алхимических изысканиях Василия Валентина уже чувствует большая практическая направленность. Так, он первым упоминает о соляной кислоте (“соляном спирте”), предлагает способ получения её из поваренной соли и железного купороса, описывает её действие на металлы и некоторые оксиды. Сурьме и её соединениям посвящено сочинение “Триумфальная колесница антимония”.

Но не все средневековые учёные принимали основные теоретические положения алхимиков. И одним из таких учёных был Авиценна. Этим латинским именем называли знаменитого арабского философа и врача Абу Али аль Хусейна ибн Сину (980-1037), таджика по национальности, родившегося недалеко от Бухары. Он создал около 300 трудов и некоторые из них (“Медицинский канон”, “Книга исцеления”, “Книга знаний”) пользуются известностью и в настоящие время. Им описана почти тысяча различных веществ, среди которых были металлы, Авиценна считал серу и ртуть, но отрицал возможность превращения одного металла в другой, поскольку полагал, что для этого нет путей.

Не верил в трансмутацию и алхимические начала величайший итальянский учёный и художник Леонардо да Винчи (1452-1519), поставивший своей целью “постичь происхождение многочисленных созданий природы”. Он опирался на эксперимент, который он считал посредником “между искусной природой и родом человеческим” и который “должно производить многократно, чтобы какое-нибудь случайное обстоятельство не повлияло бы на его результаты”.

Леонардо да Винчи признавал практическую алхимию, которая могла приносить пользу, но резко выступал против тех алхимиков, которые ставили своей целью получение золота; он считал, что человек не может создавать простые вещества, а тем более превращать их одно в другое, да и ртуть не может быть общим “семенем” металлов, поскольку “природа разнообразит семена соответственно различию вещей”.

В поисках условий для осуществления таинственной трансмутации алхимики разработали такие важные методы очистки веществ, как фильтрация, возгонка, дистилляция, кристаллизация. Для проведения экспериментов они создали специальные аппараты - водяную баню, перегонный куб, реторты, печи для нагревания колб; ими были открыты серная, соляная и азотная кислоты, многие соли, этиловый спирт, изучены многие реакции (взаимодействие металлов с серой, обжиг, окисление и т.д.).

Но чтобы превратить алхимические учение в положения научной химии, необходимо было “очистить” его от мистических наслоений, поставить на подлинную экспериментальную основу, детально исследовать состав веществ. Начало этому сложному и длительному процессу положили иатрохимики (от иатрос - врач) и представители технической химии.

Развитие иатрохимии, металлургии, красильного дела, изготовление глазурей и т.д., усовершенствование химической аппаратуры - всё это способствовало тому, что эксперимент постепенно становится основным критерием истинности теоретических положений. Практика же, в свою очередь, не могла развиваться без теоретических представлений, которые должны были не только объяснить, но и предсказывать свойства веществ и условия проведения химических процессов. Учёные отказались от традиционных “начал” алхимиков и обратились к материалистическим представлениям древних о строении материи.

От алхимии к научной химии

Во второй половине ХVII в. алхимическая традиция постепенно исчерпывает себя. В течение более чем тысячи лет алхимики исходили из уверенности в неограниченных возможностях превращений веществ, в том, что любое вещество можно превратить в любое другое вещество. И хотя на полуторатысячелетнем пути развития алхимии были получены отдельные положительные результаты (описание многих химических превращений, открытие некоторых веществ, конструирование приборов, химической посуды, аппаратов и др.), тем не менее, главные цели, которые ставили перед собой алхимики (искусственное получение золота, серебра, «философского камня», гумункулуса и др.), оказались недостижимыми. Все более укреплялось представление о том, что существует некоторый предел, граница взаимопревращения веществ. Этот предел определяется составом химических веществ. В XVII-XVIII вв. химия постепенно становится наукой о качественных изменениях тел, происходящих в результате изменения их состава (состав > свойства > функции).

Все это происходит на фоне развития технической химии (металлургия, стеклоделие, производство керамики, бумаги, спиртных напитков) (в трудах Г. Агриколы, И. Глаубера, Б. Палисси и др.) и открытия новых химических веществ.

Начиная с ХV в. представление о мире химических веществ, соединений быстро расширяется. Были открыты новые металлы (висмут, платина и др.), вещества с замечательными свойствами (например, фосфор). Развитие ремесла и промышленности обусловливают постоянную потребность в определенных химикалиях - селитре, железном купоросе, серной кислоте, соде, что дает импульс к созданию химических производств, а это в свою очередь стимулирует развитие научной химии.

Новому пониманию предмета химического познания способствовало возрождение античного атомизма. Здесь важную роль сыграли труды французского мыслителя П. Гассенди. Он критически воспринимал картезианское понимание материи, теорию вихрей Декарта, считая, что будущее естествознания связано с программой атомизма. Гассенди возрождает представление о том, что вечная и бесконечная Вселенная состоит из постоянно движущихся атомов (различной формы, размеров, неизменных, неделимых и т.д.) и пустоты, которая является условием возможности движения атомов и тел. Причем, если Декарт считал, что материя сама по себе пассивна и движение вносится в нее извне, богом, то Гассенди считает материю активной. По его мнению, «атомы обладают и энергией, благодаря которой движутся или постоянно стремятся к движению». В этом Гассенди идет значительно дальше античных атомистов. Весьма важным в учении Гассенди было формулирование понятия молекулы, что имело конструктивное значение для становления научной химии.

Возникновение науки химии обычно связывают с именем английского физика и химика 17 в Роберта Бойля. Он впервые определил центральный объект исследования химии: попытался дать определение химического элемента. Бойль считал, что элемент - это предел разложения вещества на составные части. Разлагая природные вещества на их составные, исследователи сделали много важных наблюдений, открыли новые элементы и соеденения. Химики стали изучать что из чего состоит.

Р. Бойль осуществил развитие и конкретное приложение идей атомизма к химии, он считал, что химия должна быть не служанкой ремесла или медицины, а самостоятельной наукой. Бойль исходил из представления о том, что качественные характеристики и превращения химических веществ могут быть объяснены с помощью понятия о движении, размерах, форме и расположении атомов. Он был на пути к научно-обоснованному определению химического элемента как предела разложения вещества с данными свойствами.

Бойль разрабатывает не только теоретические, но и экспериментальные основы химии, обосновывает метод химического эксперимента. В химическом эксперименте, с точки зрения Бойля, главное то, что исследователь не может заранее предсказать, как поведут себя вещества в той или иной химической реакции. Химический эксперимент призван, прежде всего, заставить природу выдать ее тайны, а не подтверждать те или иные теоретические гипотезы. В трудах Бойля заложены основы аналитической химии (качественный анализ, применение различных индикаторов (например, лакмус) для распознавания веществ и др.).

Лавуазье: революция в химии

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 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 ХVIII в. она прочно удерживала свои позиции, пока Лавуазье в конце XVIII в. (опираясь на открытия К.В. Шееле - сложного состава воздуха и Дж. Пристли - кислорода, 1774) не разработал кислородную теорию горения.

Лавуазье показал, что все прежде считавшиеся хаотическими явления в химии могут быть систематизированы и сведены в закон сочетания элементов, старых и новых. К уже установленному до него списку элементов (металлы, углерод, сера и фосфор) он добавил новые - кислород, который вместе с водородом входит в состав воды, а также и другой компонент воздуха - не поддерживающий жизни 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 материальном различии химических элементов и их соединений.

Лавуазье раз и навсегда покончил со старой алхимической номенклатурой, основанной на случайных ассоциациях - «винное масло», «винный камень», «свинцовый сахар» и др. Он ввел (при активном участии К.Л. Бертолле) новую. Новая номенклатура исходила из того, что каждое химическое вещество должно иметь одно определенное название, характеризующее его функции и состав. Например, оксид калия состоит из калия и кислорода, хлорид натрия - из натрия и хлора, сульфид водорода - из водорода и серы, и т.д.

Кроме того, Лавуазье поставил вопрос и о количествах, в которых сочетаются различные элементы между собой, и с помощью закона сохранения материи привел химию к представлению о необходимости количественного выражения пропорций, в которых сочетались элементы.

С помощью ряда великолепно задуманных и проведенных экспериментов Лавуазье смог также показать, что живой организм действует точно таким же образом, как и огонь, сжигая содержащиеся в пище вещества и высвобождая энергию в виде теплоты. Таким образом, Лавуазье осуществил научную революцию в химии: он превратил химию из совокупности множества не связанных друг с другом рецептов, подлежавших изучению один за одним, в общую теорию, основываясь на которой можно было не только объяснять все известные явления, но и предсказывать новые.

Победа атомно-молекулярного учения

В XIX в. чётко определились два основных раздела химии: органическая и неорганическая. В конце столетия в самостоятельную отрасль оформилась физическая химия. Результаты химических исследований всё шире стали использоваться в практике, а это повлекло за собой развитие химической технологии.

Следующий важный шаг в развитии научной химии был сделан Дж. Дальтоном, ткачом и школьным учителем из Манчестера. В начале XIX в. Дж. Дальтон ввёл понятие атомного веса. Изучая химический состав газов, он исследовал весовые количества кислорода, приходящиеся на одно и то же весовое количество вещества (например, азота) в различных по количественному составу окислах, и установил кратность этих количеств, например, в пяти окислах азота (N₂O, NO, N₂Оз, NО₂ и N₂O₅) количество кислорода на одно и то же весовое количество азота относится как 1:2:3:4:5. Так был открыт закон кратных отношений.

Каждый химический элемент получил свою важнейшую характеристику. Атомно-молекулярное учение стало основой теоретической химии. Благодаря этому учению Д.И.Менделеев открыл периодический закон, названный его именем, и составил периодическую таблицу элементов.

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 (закон постоянных отношений Пруста, закон объемных отношений Гей-Люссака, закон Авогадро, согласно которому при одинаковых условиях одинаковые объемы всех газов содержат одно и то же число молекул), 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 (и опирающиеся на него способы определения атомных и молекулярных весов) одержало на 1-м Международном конгрессе химиков (1860).

В 50-70-е гг. XIX в. на основе учения о валентности и химической связи была разработана теория химического строения (А.М. Бутлеров, 1861), которая обусловила огромный успех органического синтеза и возникновение новых отраслей химической промышленности (производство красителей, медикаментов, нефтепереработка и др.), а в теоретическом плане открыла путь построению теории пространственного строения органических соединений - стереохимии (Дж.Г. Вант-Гофф, 1874). 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 XIX в. эту мысль высказал английский ученый У. Праут, исходя из результатов измерений, показывавших, что атомные веса элементов кратны атомному весу водорода. На основе этого 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 (1869) периодической системы элементов, которая наталкивала на мысль о том, что атомы не являются неделимыми, что они обладают структурой и их нельзя считать первичными материальными образованиями.

Менделеев написал блестящий учебник органической химии - первый в России, за который ему была присуждена Большая Демидовская премия Академии наук.

Прочитав в 1867-1868 гг. курс лекций по неорганической химии, Менделеев убедился в необходимости создания отечественного «руководства к химии». Он приступает к написанию учебника «Основы химии». Этот труд был призван «познакомить публику и учащихся» с достижениями химии, её применением в технике, сельском хозяйстве и т.д. Затруднения встретились при написании второй части учебника, где предполагалось поместить материал о химических элементах. В какой последовательности излагать его? А что, если сопоставить группы сходных элементов? Перепробовав несколько вариантов, Менделеев заметил, что элементы можно располагать в порядке возрастания атомных весов и тогда... Тогда оказывалось, что в каждой колонке свойства элементов постепенно менялись сверху вниз! Это была первая таблица, озаглавленная «Опыт систем элементов, основанный на их атомном весе и химическом сходстве». Дмитрий Иванович понимал, что таблица отражает принцип периодичности, определённый закон природы, который устанавливает тесную связь между химическими элементами.

В июне 1871 г. Менделеев закончил статью «Периодическая законность химических элементов», в которой дал формулировку периодического закона:

«Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел состоят в периодической зависимости от их атомного веса».

Эволюционная концепция в химии

Природа в процессе эволюции живых организмов создала своеобразные химические технологии необычайной эффективности. При изучении химизма живой природы биохимией и молекулярной биологией было установлено, что состав и структура биополимерных молекул представляют собой единый набор для всех живых существ, вполне доступный для исследования физическими и химическими методами. С другой стороны, было установлено, что в живых системах осуществляются такие типы химических превращений, какие никогда не обнаруживались в живом мире.

Важнейшее значение в современной химии придается проблеме поиска эффективных катализаторов для множества процессов химической технологии. Между тем, давно уже было установлено, что основой химии живого являются каталитические химические реакции, т.е. биокатализ. Химизм живой природы являлся идеалом для исследователей. «Подражание живой природе есть химизм будущего!» Этот девиз, который был высказан академиком А.Е.Арбузовым в 1930 г., является целеполагающей идеей развития эволюционной концепции в химии.

Интенсивные исследования последнего времени направлены на выяснение механизмов химических превращений, присущих живой материи. Химиков-органиков интересуют перспективы синтеза сложных веществ, аналогов органических соединений, образующихся в живых организмах; биологов -- вещественная и функциональная основы жизнедеятельности; исследователи-медики пытаются выяснить биохимические границы между нормой и патологией в организме. Объединяет все эти работы концептуальное представление о ведущей роли ферментов, биорегуляторов в процессе жизнедеятельности. Эта идея, предложенная великим французским естествоиспытателем Луи Пастером в XIX в., остается основополагающей и сегодня.

Изучив принципы, заложенные эволюцией в химизм живой природы, можно использовать их для развития химической науки и технологии. Чрезвычайно плодотворным с этой точки зрения является исследование ферментов и раскрытие тонких механизмов их действия. Ферменты -- это белковые молекулы, синтезируемые живыми клетками. В каждой клетке имеются сотни различных ферментов. С их помощью осуществляются многочисленные химические реакции, которые благодаря каталитическому действию ферментов могут идти с большой скоростью при температурах, подходящих для данного организма, то есть в пределах примерно от 5 до 40° С. (Чтобы эти реакции протекали вне организма, потребовалась бы их активация за счет высокой температуры или иных факторов активации. Для живой клетки такие условия означали бы гибель.) Следовательно, ферменты можно определить как биологические катализаторы. Биокатализаторы обладают высокой селективностью (избирательностью) -- один фермент катализирует обычно только одну реакцию. По принципу биокатализаторов будут созданы искусственные катализаторы.

Биокатализ нельзя отделить от проблемы биогенеза (происхождения жизни), какой бы трудной она ни являлась. Задача изучения и освоения всего многообразия каталитических процессов в живой природе -- это пролог эволюционной химии. Уже обозначены основные подходы к освоению каталитического опыта живой природы.

Проблемы моделирования биокатализаторов показали необходимость детального изучения химической эволюции, то есть установления закономерностей самопроизвольного (без участия человека) синтеза новых химических соединений, являющихся к тому же более высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами. В 1960-х гг. было обнаружено явление самосовершенствования катализаторов в ходе реакции (тогда как обычно катализаторы в процессе их работы дезактивировались, ухудшались и выбрасывались). Речь идет о проявлении самоорганизации в химическом процессе. Здесь понятие «самоорганизация» означает такое изменяющееся состояние химической системы, которому присущи все более высокие уровни сложности и упорядоченности. Проблема биологической самоорганизации (и биологической эволюции) оказывается самым непосредственным образом связана с проблемой химической самоорганизации (и химической эволюции). Одна из задач химии, а именно самого новейшего ее направления -- эволюционной химии, понять, как из неорганической материи возникает жизнь. Поэтому эволюционную химию можно назвать «предбиологией».

Современная картина химических знаний

Современную картину химических знаний объясняют с позиций четырех концептуальных систем, которые схематично представлены на рис.1.

Рис.1.

На рисунке показано последовательное появление новых, концепций в химической науке, которые опирались на предыдущие достижения, сохраняя в себе все необходимое для дальнейшего развития.

Даже невооруженным взглядом в этих этапах видна симметрия этапов.



В левой части тождества отношение отражает структурный аспект эволюции химии, правая часть тождества, напротив, отражает уже функциональный (процессы) аспект эволюции химии.

Исследование элементарного и молекулярного составов веществ (учение о составе вещества)

Учение о составе веществ является первым уровнем химических знаний. До 20-30-х гг. XIX в. вся химия не выходила за пределы этого подхода. Но постепенно рамки состава (свойств) - стали тесны химии, и во второй половине XIX в. главенствующую роль в химии постепенно приобрело понятие «структура», ориентированное, что и отражено непосредственно в самом понятии, на структуру молекулы реагента.

Химическим соединением называется атомно-молекулярная система, обладающая следующими признаками:

1) содержанием большего числа атомов ограниченного числа «сортов»;

2) каждому сорту атомов соответствует определенная координация постоянных, определяющих индивидуальность химического соединения, распределение атомов по сортам (состав);

3) способностью существовать в виде одного или нескольких химических веществ.

На этом уровне решались вопросы определения химического элемента, химического соединения и получения новых материалов на базе более широкого использования химических элементов.

Первое научное определение химического элемента, когда еще не было открыто ни одного из них, сформулировал английский химик и физик Р. Бойль. Первым был открыт химический элемент фосфор в 1669 г., потом кобальт, никель и другие.

Открытие французским химиком А. Л. Лавуазье кислорода и установление его роли в образовании различных химических соединений позволило отказаться от прежних представлений об «огненной материи» (флогистоне).

В Периодической системе Д.И. Менделеева насчитывалось 62 элемента, в 1930-е гг. она заканчивалась ураном. В 1999 г. было сообщено, что путем физического синтеза атомных ядер открыт 114-й элемент.

Вопросы, связанные с химическими соединениями, длительное время не вызывали споров в среде химиков. Казалось очевидным, что именно относится к химическим соединениям, а что - к простым телам или смесям.

В результате химических и физических открытий претерпело изменение классическое определение молекулы.

Молекула понимается как наименьшая частица вещества, которая в состоянии определять его свойства и в то же время может существовать самостоятельно. Представления о классе молекул расширились, в него включают ионные системы, атомные и металлические монокристаллы и полимеры, образующиеся на основе водородных связей и представляющие собой уже макромолекулы. Они обладают молекулярным строением, хотя и не находятся в строго постоянном составе.

С открытием физиками природы химизма как обменного взаимодействия электронов химики совершенно по-другому стали рассматривать химическое соединение.

«Это качественно определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет обменного взаимодействия (химической связи) объединены в частицы-молекулы, комплексы, монокристаллы или иные агрегаты.

Химическое соединение - понятие более широкое, чем «сложное вещество», которое должно состоять из двух и более разных химических элементов. Химическое соединение может состоять и из одного элемента. Это О₂, графит, алмаз и другие кристаллы без посторонних включений в их решетку в идеальном случае».

Структурная химия

Структура - это устойчивая упорядоченность качественно неизменной системы (молекулы). Под данное определение подпадают все структуры, которые исследуются в химии: квантово-механические, основанные на понятиях валентности и химического сродства, и др.

Вершиной структурной химии стал период после 1880 г., когда был открыт органический синтез и когда началось его бурное (можно сказать, триумфальное) развитие. Химики считали, что из нескольких простейших элементов они могут складывать все остальные.

С возникновением структурной химии у химической науки появились неизвестные ранее возможности целенаправленного качественного влияния на преобразование вещества. В настоящее время на уровне структуры молекулы понимается и пространственная, и энергетическая упорядоченность.

Однако дальнейшее развитие химической науки и основанного на ее достижениях производства показали более точно возможности и пределы структурной химии.

Например, многие реакции органического синтеза на основе структурной химии давали очень низкие выходы необходимого продукта и большие отходы в виде побочных продуктов. Вследствие этого их нельзя было использовать в промышленном масштабе.

В последнее время ученые открыли новую группу металло-органических соединений с двойной структурой, из-за чего они получили название «сэндвичевых соединений». Это не что иное как молекула, представляющая собой две пластины из соединений водорода и углерода, между которыми находится атом металла или атомы двух металлов. Пока они практического применения не нашли, но оказали влияние на пересмотр прежних взглядов на валентность и химические связи.

Структурная химия неорганических соединений ищет пути получения кристаллов для производства высокопрочных материалов с заданными свойствами, обладающих термостойкостью, сопротивлением агрессивной среде и другими качествами, предъявляемыми сегодняшним уровнем развития науки и техники. Решение этих вопросов наталкивается на различные препятствия. Выращивание, например, некоторых кристаллов требует исключения условий гравитации. Поэтому такие кристаллы выращивают в космосе, на орбитальных станциях.

Учение о химических процессах

Наиболее глубокое взаимопроникновение физики, химии и биологии имеет место в учении о химических процессах. Это учение основывается на термодинамике и кинетике (физической химии) и принадлежит как физике, так и химии. Химический процесс есть то основное явление, которое отличает химию от физики, делая первую более сложной наукой.

Химическая кинетика. Объясняет качественные и количественные изменения в химических процессах и выявляет механизм реакции. Реакции проходят, как правило, ряд последовательных стадий, которые составляют полную реакцию. Скорость реакции зависит от условий протекания и природы веществ, вступивших в нее. К ним относятся концентрация, температура и присутствие катализаторов. Описывая химическую реакцию, ученые скрупулезно отмечают все условия ее протекания, поскольку в других условиях и при иных физических состояниях веществ эффект будет разный.

Таким образом, химическая наука изучает химические элементы, процессы химического взаимодействия различных веществ, проблемы получения новых веществ с заданными свойствами и множество других проблем, возникающих в процессе развития химических знаний.

Протекание процессов определяется так называемыми структурно-кинетическими факторами: строением исходных реагентов, их концентрацией, наличием катализаторов и других добавок, способов смешения реагентов, материалами и конструкцией сосудов (реакторов), в которых протекает реакция, и т.д.

Понятие о катализе. Среди этих структурно-кинетических факторов наиболее важным является катализ. Последний представляет собой посредничество третьих тел в процессе реакции и был открыт К. Кирхгофом в 1812 г. Сущность катализа сводится к следующему:

1) активная молекула реагента достигается за счет их неполновалентного взаимодействия с веществом катализатора и состоит в расслаблении химических связей реагента;

2) в общем случае любую каталитическую реакцию можно представить проходящей через промежуточный комплекс, в котором происходит перераспределение расслабленных (неполновалентных) химических связей.

Химические процессы представляют собой сложнейшее явление как в неживой, так и в живой природе. Эти процессы изучают химия, физика и биология. Перед химической наукой стоит принципиальная задача - научиться управлять химическими процессами. Дело в том, что некоторые процессы не удается осуществить, хотя в принципе они осуществимы, другие трудно остановить - реакции горения, взрывы, а часть из них трудноуправляема, поскольку они самопроизвольно создают массу побочных продуктов.

Для управления химическими процессами разработаны термодинамический и кинетический методы.

Все химические реакции имеют свойство обратимости, происходит перераспределение химических связей. Обратимость удерживает равновесие между прямой и обратной реакциями. В действительности равновесие зависит от условий прохождения процесса и чистоты реагентов. Смещение равновесия в ту или другую стороны требует специальных способов управления реакциями.

Все проблемы, связанные с такими сложными процессами, решает химическая кинетика. Она устанавливает зависимость химических реакций от различных факторов - от строения и концентрации реагентов, наличия катализаторов, от материала и конструкции реакторов и т.д.

Эволюционная химия

Эволюционная химия зародилась в 1950 - 1960 гг. Под эволюционными проблемами следует понимать проблемы самопроизвольного синтеза новых химических соединений (без участия человека). Эти соединения являются более сложными и более высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами.

В основе эволюционной химии лежат процессы биокатализа, ферментологии; ориентирована она главным образом на исследование молекулярного уровня живого, что основой живого является биокатализ, т.е. присутствие различных природных веществ в химической реакции, способных управлять ею, замедляя или ускоряя ее протекание. Эти катализаторы в живых системах определены самой природой, что и служит идеалом для многих химиков.

Идея концептуального представления о ведущей роли ферментов, биорегуляторов в процессе жизнедеятельности, предложенная французским естествоиспытателем Луи Пастером в ХIX веке, остается основополагающей и сегодня.

Чрезвычайно плодотворным с этой точки зрения является исследование ферментов и раскрытие тонких механизмов их действия.

Ферменты - это белковые молекулы, синтезируемые живыми клетками. В каждой клетке имеются сотни различных ферментов. С их помощью осуществляются многочисленные химические реакции, котолрые благодаря каталитическому действию ферментов могут идти с большой скоростью при температурах, подходящих для данного организма, т.е. в пределах примерно от 5 до 40 градусов.

Можно сказать, что ферменты - это биологические катализаторы.

В эволюционной химии существенное место отводится проблеме «самоорганизации» систем. Теория самоорганизации «отражает законы такого существования динамических систем, которое сопровождается их восхождением на все более высокие уровни сложности в системной упорядоченности, или материальной организации».

Наука же считает, что только шесть элементов - углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера составляют основу живых систем, из-за чего они получили название органогенов.

Весовая доля этих элементов в живом организме составляет 97,4%. Кроме того, в состав биологически важных компонентов живых систем входят еще 12 элементов: натрий, калий, кальций, магний, железо, цинк, кремний, алюминий, хлор, медь, кобальт, бор.

Особая роль отведена природой углероду. Этот элемент способен организовать связи с элементами, противостоящими друг другу, и удерживать их внутри себя. Атомы углерода образуют почти все типы химических связей. На основе шести органогенов и еще около 20 других элементов природа создала около 8 млн. различных химических соединений, обнаруженных к настоящему времени. 96% из них приходится на органические соединения.

Химики стремятся открыть секреты природы. Поиски различного рода природных катализаторов позволяют химикам сделать ряд выводов (к этому различными путями пришли также геология, геохимия, космохимия, термодинамика, химическая кинетика):

Функциональный подход к объяснению предбиологической эволюции сосредоточен на исследовании процессов самоорганизации материальных систем, выявлении законов, которым подчиняются такие процессы. Это в основном позиции физиков и математиков. Крайняя точка зрения здесь склоняется к тому, что живые системы могут быть смоделированы даже из металлических.

В 1969 г. появилась общая теория химической эволюции и биогенеза, выдвинутая ранее в самых общих положениях профессором Московского университета А.П. Руденко.

В основе этой теории лежит утверждение о том, что процесс саморазвития химических катализаторов двигался в сторону их совершенствования, шел постоянный отбор все новых катализаторов с большей реактивной активностью.

Открытый А.П. Руденко основной закон химической эволюции гласит, что эволюционные изменения катализатора происходят в том направлении, где проявляется его максимальная активность.

Саморазвитие, самоорганизация и самоусложнение каталитических систем происходят за счет энергии базисной реакции. Поэтому эволюционируют каталитические системы с большей энергией. Такие системы разрушают химическое равновесие и в результате являются инструментом отбора наиболее устойчивых эволюционных изменений в катализаторе.

Теория саморазвития каталитических систем дает следующие возможности: выявлять этапы химической эволюции и на этой основе классифицировать катализаторы по уровню их организации; использовать принципиально новый метод изучения катализа; дать конкретную характеристику пределов в химической эволюции и перехода от химогенеза (химического становления) к биогенезу, связанного с преодолением второго кинетического предела саморазвития каталитических систем.

Набирает теоретический и практический потенциал новейшее направление, расширяющее представление об эволюции химических систем, - нестационарная кинетика.

Развитие химических знаний позволяет надеяться на разрешение многих проблем, которые встали перед человечеством в результате его наукоемкой и энергоемкой практической деятельности.

Химическая наука на ее высшем эволюционном уровне углубляет представления о мире. Концепции эволюционной химии, в том числе о химической эволюции на Земле, о самоорганизации и самосовершенствовании химических процессов, о переходе от химической эволюции к биогенезу, являются убедительным аргументом, подтверждающим научное понимание происхождения жизни во Вселенной.

Химическая эволюция на Земле создала все предпосылки для появления живого из неживой природы.

Жизнь во всем ее многообразии возникла на Земле самопроизвольно из неживой материи, она сохранилась и функционирует уже миллиарды лет.

Жизнь полностью зависит от сохранения соответствующих условий ее функционирования. А это во многом зависит от самого человека.

Заключение

В прошлом веке специально подчёркивалось, что «химия занимается не телами, а веществами» (Д.И.Менделеев), то теперь мы являемся свидетелями того, как объектом всё более пристального внимания учёных-химиков становятся именно реальные макротела- те самые смеси, растворы, сплавы, газы, с которыми они непосредственно имеют дело в лаборатории и на производстве. По словам К.Маркса, прогресс химии «не только умножает число полезных веществ, но и число полезных применений уже известных веществ».

Как и другие составляющие естествознания, химия имеет многочисленные практические приложения. Однако еще Д.И.Менделеевым было обращено внимание на существенную особенность этой науки: химия в значительной мере сама создает свой объект изучения. Самые разнообразные исследования в ней направлены на раскрытие закономерностей химических превращений, которые реализованы искусственно, на получение и изучение веществ, большинство из которых в природе не встречается. Химия как наука теснейшим образом связана с химией как производством. Д.И. Менделеев рассматривал химические заводы как лаборатории больших размеров. Основная цель современной химии, вокруг которой строится вся исследовательская работа, заключается в получении веществ с заданными свойствами. Это и определяет содержание двуединой центральной задачи химии: исследование генезиса (то есть происхождения) свойств веществ и разработка на этой основе методов получения веществ с заранее заданными свойствами.

Список литературы

1. Карпенко С.Х. «Концепции современного естествознания», М., 2004

2. Найдыш В.М. «Концепции современного естествознания», М., 1999г.

3. Беляев М.И., "МИЛОГИЯ", 1999-2006г