Наука химия, ее предмет и роль в обществе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский институт права

Специальность: Психология

Учебная дисциплина: Концепции современного естествознания

Курсовая работа

на тему: Наука химия, ее предмет и роль в обществе

Студентка Бабкина Елена Николаевна

Город Москва, 2007 г.

Содержание

Введение

Глава 1. Зарождение химии

Глава 2. От алхимии к научной химии

Глава 3. Создание химической номенклатуры

Глава 4. Открытие периодического закона

Глава 5. Открытие радиоактивности

Глава 6. Новые химические структуры и материалы

Глава 7. Химия в биологии, медицине и производстве лекарственных препаратов

Заключение

Список литературы

Введение

Химия - это наука о веществах и законах, которым подчиняются их превращения. Что влечёт человека заниматься химией? Наверное, таинственная сила, заключённая в веществе. Она может быть и целебной, и страшной по своему разрушающему действию. Может подарить тепло и свет, но может погрузить во мрак и холод. А разве не интересны попытки соединить вместе несколько веществ? Что родится из смеси - новый материал, устойчивый к огню, кислотам и щелочам, не пробиваемый снарядом сплав, невиданная пищевая приправа?..

В наши дни химия стала мощным орудием цивилизации, она снабжает сырьем все отрасли промышленности и сельского хозяйства. С её помощью создаются лекарства и витамины, удобрения и средства защиты растений.

Уголь, нефть, газ и руды химия превращает в металлы, бетон и стекло, керамику и многочисленные органические соединения, в том числе и такие, каких в природе не было.

Люди, вооруженные знанием химии, ведут синтез красителей, искусственных волокон, взрывчатых веществ, получают полупроводники и сверхпроводники, топливо для ракетных двигателей, новые строительные материалы. Ядерная энергетика немыслима без глубокого проникновения в тайны этой науки.

Глава 1. Зарождение химии

Трудно сказать, когда и где наши далёкие предки стали впервые заниматься химией. Примерно пять - шесть тысяч лет назад в древнейших очагах цивилизации - Китае, Египте, Индии, Месопотамии (междуречье Тигра и Евфрата) - уже получали из руд металлы, готовили краски, обжигали глиняные сосуды, использовали настои из трав для лечения ран и болезней.

Термин «химия» появился в IV веке до н.в. в греческом языке. Возможно, это слово происходит от слова «Кеми» - «Черная страна»; так в глубокой древности называли Египет. В IV веке до н.э. в Египте Александр Македонский основал город Александрию. Здесь существовала Академия наук, Александрийский Мусейон, где «священному искусству химии» было отведено особое здание, храм Сераписа - храм жизни, смерти и исцеления. Этот храм был разрушен фанатиками-христианами в 391 г. н.э., а кочевники арабы, завоевав Александрию в 610 г., завершили его уничтожение.

Арабы химики ввели вместо названия «химия» иное - «алхимия». Алхимию считали искусством превращения неблагородных металлов (железо, медь, свинец) в благородные (золото, серебро) с помощью особого вещества - «философского камня». 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.

Греческий алхимик Зосима - автор многих научных сочинений, в том числе и алхимических («Имут», где говорится о происхождении алхимии; «О хорошем качестве и составе вод», где описывается получение живительной воды) считается одним из основателей алхимии.

Среди арабских алхимиков одним из виднейших был принц Калида ибн Казид (ок. 660-704), проведший большую часть жизни в Египте. Он приказал перевести на арабский язык все известные алхимические сочинения.

Но истинным «царём науки» арабы называли великого учёного Джабира ибн Гайяна (ок. 721-815), известного в Европе под именем Гебер. Знакомый с учениями древних, он стал последователем Аристотеля, взгляды которого на элементы-качества были переосмыслены арабами.

Гайян считал, что металлы состоят из двух основных частей (элементов): серы, являющейся носителем горючести и изменчивости, и ртути - «души» металлов, носителя металличности (блеска, твёрдости, плавкости), а основными химическими процессами являются горение и плавление. Самыми благородными металлами являются золото и серебро, в состав которых входят сера и ртуть в наичистейшим виде и в самой оптимальной пропорции. Разнообразие последних зависит от количесвенного соотношения серы и ртути и от примесей. Но в природе этот процесс соединения идёт очень медленно, и, чтобы ускорить его, надо добавить «медикамент» (особый препарат), тогда превращение займёт около 40 дней; если же использовать «эликсир», то весь процесс получения золота займёт всего 1 час!

Труды Гайяна изучались много веков.

Учеником прославленного Гебера считал себя крупнейший арабский алхимик Абу Бакр Мухаммед ибн Закарийа ар-Рази (865-925), автор «Книги тайн» и «Книги тайны тайн». Он первый провёл классификацию известных в то время веществ, разделив их на три класса: землистые (минеральные), растительные и животные. Ар-Рази признавал превращение неблагородных металлов в благородные, признавал элементы металлов - серу и ртуть, но, не ограничиваясь этим, ввёл дополнительный третий элемент «соляной природы», являющийся носителем твёрдости и растворимости. Это учение о трёх элементах (сера, ртуть, соль) широко распространилось среди европейских алхимиков.

Восприняв представление античных атомистов ар-Рази применил их к учению Аристотеля, считая, что вещества состоят из неделимых элементов-частиц (атомов, по-современному) и пустоту; сами элементы вечны, неделимы и имеют определённые размер. Свойства же веществ зависят от размеров атомов и расстояний между ними (пустот). Так, земля и вода состоят из атомов больших размеров, а пустоты в них меньше, и поэтому они движутся вниз; огонь и воздух, наоборот, движутся вверх, так как их атомы меньше, а пустоты в них больше.

Как и Гайян, ар-Рази считал, что целью алхимии должно быть познание свойств веществ, освоение всевозможных операций над ними, изготовление различных аппаратов для осуществления этих операций. В этой практической, а не отвлеченно-мистической направленности как раз и выразилась специфика учения арабских алхимиков.

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.

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 ал-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 настоящее время. Им описана почти тысяча различных веществ, среди которых были металлы, Авиценна 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».

Глава 2. От алхимии к научной химии

Алхимики несколько веков упорно искали способ получения этого чудодейственного вещества. Даже знаменитый английский физик, математик и астроном Исаак Ньютон (1643-1727 гг.) значительную часть жизни посвятил попыткам получить «Философский камень». Алхимиком был и выдающийся английский философ XIII века монах францисканского ордена Роджер Бэкон. Он проделал немало опытов по поиску средств превращения одних веществ в другие. За отказ открыть секрет получения золота (которого он не знал) Бэкон был осужден собратьями по вере и провел в церковной темнице 15 лет. По велению генерала Ордена сочинения монаха-естествоиспытателя в наказание были прикованы цепями к столу в монастырской библиотеке в Оксфорде.

Человечество тысячелетиями накапливало по крупицам химические знания. Первый удар по бесплодным поискам алхимиков был нанесен в XVI веке. Немецкий врач и естествоиспытатель Теофраст Парацельс (1493-1541гг.) призвал всех алхимиков заниматься поиском и синтезом лекарственных средств, а не искать то, что в природе существовать не может. Парацельс одним из первых начал применять в медицине препараты ртути, свинца, сурьмы, меди и мышьяка. К этому времени считалось, что в природе существует только десять элементов-металлов (золото, серебро, железо, медь, ртуть, свинец, олово, цинк, висмут и сурьма) и три элемента-неметалла (углерод, мышьяк и сера), из которых состоят все остальные вещества.

Алхимические представления пошатнулись, когда бывший немецкий солдат, а затем неудачливый купец Хённи Брандт решил разбогатеть. В 1669 году был случайно получен белый фосфор - первый неметалл, открытие которого было задокументировано и имеет определенную дату. После открытия Брандта начались усиленные поиски новых химических элементов. Только между 1748 и 1798 гг. было обнаружено 14 новых металлов и 6 неметаллов. Открытию новых химических элементов способствовала модернизация лабораторного оборудования: в это время появилась стеклянная мерная посуда, точные весы, платиновые чашки и тигли, резиновые шланги и пробки.

В тот же период была разработана первая химическая теория, объяснявшая процессы горения и разложения веществ - теория флогистона (от греческого «флогистос» - «воспламеняемый», «горючий»). Её сформулировал немецкий врач Георг Шталь (1659-1734 гг.).

Теория флогистона получила широкое распространение и благодаря ей химия окончательно освободилась от алхимических представлений. По мнению Шталя, флогистон - материальная субстанция, составная часть любого горючего тела. Она выделяется при горении или прокаливании любого вещества и, соединяясь с воздухом образует пламя. Знаменитые химики тех времен - М.В.Ломоносов, К Шееле, Д.Пристли, Г. Кавендиш - искали способы выделения флогистона, но так и не смогли его обнаружить.

Теория флогистона была опровергнута работами французского химика Антуана Лавуазье, который в 1775 году открыл кислород. Уголь, сгорая, соединяется с кислородом и переходит в диоксид углерода СО2. Этот же газ, а вовсе не флогистон, выделяется при прокаливании карбонатов магния и кальция.

В XVIII и в начале XIX века происходит формирование теоретических основ химии, её главных законов. В 1748 году М.В.Ломоносов, а в 1781 году Лавуазье доказали, что общая масса веществ, вступивших в реакцию, равна общей массе полученных продуктов реакции. В 1803 году английский физик и химик Джон Дальтон ввел в употребление фундаментальное понятие атомного веса (массы) и установил закон кратных отношений. Сейчас этот закон читается так: если два химических элемента образуют несколько соединение, то количества атомов одного элемента, приходящиеся на одно и то же количество атомов другого элемента, относятся как целые числа.

В 1808 г. Жозеф Пруст доказал, что каждое определенное химическое соединение, независимо от способа его получения, состоит из одних и тех же химических элементов, причем соотношение их масс постоянно. После 1808 года большинство химиков признали закон постоянства состава всеобщим законом природы.

Глава 3. Создание химической номенклатуры

В 1786 г. родился «химический язык», появились первые научные названия химических веществ. Четыре французских ученых -Л.Гитон де Морво, Антуан Лавуазье, Клод Бертолле и Антуан Фуркруа - разделили все известные им химические элементы на металлы и неметаллы, отнесли соединения металлов с кислородом к оксидам, а кислородные соединения неметаллов - к кислотам. Вещества, получающиеся при взаимодействии кислот и оснований, назвали солями. В 1816 г. шведский химик И. Берцелиус ввел в употребление латинские символы для обозначения химических элементов и первые химические формулы соединений. В 1834 году впервые было составлено первое уравнение реакции с использованием символов химических элементов. Это сделал немецкий химик Иоганн Деберейнер.

Глава 4. Открытие периодического закона

Рассматривая историю химии нельзя не сказать об открытии периодического закона. Уже на ранних этапах развития химии было обнаружено, что различным элементам присущи особые свойства. Вначале элементы разделяли всего на два типа - металлы и неметаллы. В 1829 г. упомянутый выше Иоганн Деберейнер обнаружил существование нескольких групп из трех элементов (триад) со сходными химическими свойствами. Деберейнер обнаружил всего пять триад, это:

1. Cl, Br, I

2. S, Se, Te

3. Ca, Cr, Ba

4. Li, Na, K

5. Fe, Co, Ni

Это обнаружение свойств элементов побудило к дальнейшим исследованиям химиков, которые пытались найти рациональные способы классификации элементов. В 1865 г. английский химик Джон Ньюлендс (1839-1898) заинтересовался проблемой периодической повторяемости свойств элементов. Он расположил известные элементы в порядке возрастания их атомных масс следующим образом:

H Li Be B C N O F Na Mg Al Si P S Cl K Ca Cr Ti Mn Fe.

Ньюлендс заметил, что в этой последовательности восьмой элемент (фтор) напоминает первый (водород), девятый элемент напоминает второй и т.д. Тем самым через каждые восемь элементов свойства повторялись. Однако в этой системе элементов было много неверного:

1) В таблице не нашлось места новым элементам.

2) Таблица не открывала возможности научного подхода к определению атомных масс и не позволяла сделать выбор между их вероятными наилучшими значениями.

3) Некоторые элементы представлялись неудачно размещенными в таблице. Например, железо сопоставлялось с серой (!) и т.д.

Несмотря на большое количество недостатков, попытка Ньюлендса явилась шагом в правильном направлении.

Открытие периодического закона принадлежит Дмитрию Ивановичу Менделееву. В 1869 году членам Русского химического общества была представлена небольшая работа Д.И.Менделеева “Соотношение свойств с атомным весом элементов”. (Сам Д.И.Менделеев на заседании не присутствовал.) На этом заседании работа Д.И.Менделеева не была воспринята всерьез. Пауль Вальден писал впоследствии: “Большие события слишком часто встречают незначительный отклик, и тот день, который должен был стать знаменательным днем для молодого Русского химического общества, в действительности оказался будничным днем”. Д.И.Менделеев любил дерзкие идеи. Обнаруженная им закономерность гласила: химические и физические свойства элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от атомных весов элементов. Подобно своим предшественникам, Д.И.Менделеев выделил наиболее типичные элементы. Однако он предположил наличие пустот в таблице и осмелился утверждать, что они должны быть заполнены не открытыми еще элементами. В одно и тоже время с Менделеевым над этой же проблемой работал Лотарь Мейер, который опубликовал свою работу в 1870 году. Однако приоритет в открытии периодического закона заслуженно остается за Дмитрием Ивановичем Менделеевым. В своих воспоминаниях Л.Мейер указывал, что пользовался при написании своей работы рефератом статьи Д.И.Менделеева. В 1870 году Менделеев внес в таблицу некоторые изменения: как любая закономерность, в основе которой лежит идея, новая система оказалась жизнеспособной, поскольку в ней предусматривалась возможность уточнений. Гениальность теории Менделеева состояла в том, что он оставил пустоты в своей таблице. Тем самым он предположил (а точнее был уверен), что еще не все элементы открыты. Однако Дмитрий Иванович не остановился на достигнутом. С помощью периодического закона он описал химические и физические свойства еще не открытых химических элементов, например: галлия, германия, скандия, которые полностью подтвердились. После этого большинство ученых убедилось в правильности теории Д.И.Менделеева. В наше время периодический закон имеет огромное значение. С помощью его предсказывают свойства химических соединений, продукты реакций. С помощью периодического закона и в наше время предсказывают свойства элементов - это элементы, которые нельзя получить в весомых количествах.

Открытия Лавуазье и Д.И.Менделеева и в наше время остаются фундаментом химических знаний.

В XIX веке появляются и первые полимеры - соединения с высокой молекулярной массой, состоящие из большого числа повторяющихся групп (или звеньев) атомов, образующих либо открытую цепь, либо трехмерную сетку.

В 1867 г. российский химик Александр Бутлеров получил первый полимер - неизвестный ранее полиизобутилен, а в 1910 г. Сергей Лебедев, тоже российский химик, синтезировал первый образец искусственного каучука.

Глава 5. Открытие радиоактивности

На рубеже XIX и XX веков произошло событие, изменившее судьбу человечества. Французский физик Антуан-Анри Беккерель, проводя один из опытов, завернул кристаллы сульфата уранила калия в черную светонепроницаемую бумагу и положил сверток на фотопластинку. После проявления он обнаружил на ней очертания кристаллов. Так была открыта естественная радиоактивность соединений урана. Наблюдения Беккереля заинтересовали французских ученых супругов Марию и Пьера Кюри. Они занялись поисками новых радиоактивных химических элементов в минералах урана. Найденные ими В 1898 г. Полоний Ро и Радий Ra оказались продуктами распада урана. Это была настоящая революция в химии, так как до этого атомы считались неделимыми, а химические элементы - вечными и неразрушимыми.

Исследования радиоактивности в корне изменили классическое понятие атома; стало очевидным, что атом надлежит понимать как сложную систему, в образовании которой участвуют некие более простые частицы. Хотя для химии установление делимости атома не привело к каким-либо принципиальным изменениям в теории, серьёзную проблему составляла необходимость размещения в периодической таблице элементов многочисленных продуктов радиоактивного распада, имеющих близкие атомные массы, но значительно отличающиеся периоды полураспада. С одной стороны, Теодор Сведберг (1884-1971) в 1909 г. показал, что химически многие продукты радиоактивного распада тождественны. С другой стороны, было установлено, что атомные массы свинца и неона, полученных в результате радиоактивного распада, достоверно отличаются от атомных масс "обычных" элементов. Проблема была решена в 1913-1914 гг. Фредериком Содди Химически неразличимые элементы, хотя бы и имеющие различные атомные массы - изотопы - Содди предложил размещать в одной ячейке периодической таблицы.

К началу 20-х годов XX века изменилось само понятие химического элемента, берущее начало от Роберта Бойля. Вместо элемента как химически неразложимого вещества, состоящего из тождественных неделимых атомов, сформировалось представление об элементе как о совокупности атомов с одинаковым зарядом ядра. В 1919 г. Резерфорд осуществил первую искусственную ядерную реакцию, превратив азот в кислород бомбардировкой б-частицами, и экспериментально доказал существование протона; в 1920 г. он же высказал гипотезу о существовании нейтрона (который был экспериментально обнаружен Чедвиком в 1931 г.). Открытие основных составных частей атома и возможности превращений элементов (оказалось, алхимики были не столь уж и не правы, говоря о том, что трансмутация - лишь вопрос искусства!) привело к коренному пересмотру представлений о строении вещества. Алхимический термин трансмутация возвратился в науку; теперь он стал означать превращение атомов одних химических элементов в другие в результате радиоактивного распада их ядер либо ядерных реакций.

В XX веке в химии было сделано немало открытий. Вот только небольшая часть из них. С 1940 по 1998 было синтезировано 23 новых химических элемента, не найденных в природе, в том числе технеций и астат. Удалось получить элементы, находящиеся в Периодической системе после урана: от нептуния с порядковым номером 93 до элемента, не имеющего до сего дня общепринятого названия, с порядковым номером 114.

Происходит постепенное слияние неорганической и органической химии: на их основе возникает химия металлоорганических соединений, бионеорганическая химия, химия кремния и бора, химия комплексных соединений.

Во второй половине XX века искусственным путем были получены такие сложные природные соединения, как хлорофилл и инсулин. Были также синтезированы соединения благородных газов, таких как аргон и радон, считавшихся ранее инертными, не способными к химическому взаимодействию. Положено начало получению топлива из воды и света.

Возможности химии оказались беспредельными, а самые необузданные фантазии человека в области синтеза веществ с необычными свойствами - осуществимыми. Их реализацией займется молодое поколение химиков первой половины XXI века.

Глава 6. Новые химические структуры и материалы

На каждой из химических "магистралей" происходят свои события и открытия - как закономерные, так и неожиданные. Но главные события происходят все же на первой, ключевой магистрали. Разработка методов синтеза и создание новых веществ, препаратов и материалов - главная задача химии. Следует отметить, что число химически (искусственно и искусно) созданных соединений неуклонно растет. Молекулярная архитектура вновь синтезированных соединений бесконечно разнообразна и фантастически богата. Так, получены молекулы-ромбоиды - структурные элементы одномерных металлов; протонные "губки" и "трубки" - молекулярно-организованные протононесущие резервуары и каналы; молекулы-тороиды и полиметаллоро-таксаны; катенаны; крауны и антикрауны, способные разделять катионы и анионы; гипервалентные радикалы типа NH4, СН5, Н3О, среди которых встречаются и долгоживущие, такие как (СН2)2NН2 (живет ~3 мкс)2; высокоспиновые молекулы, имеющие десятки неспаренных электронов в одной структуре (так, комплекс Mn62+(R2NO.)6 содержит 36 неспаренных электронов); многопалубные полиароматические молекулы; молекулы с огромным числом хиральных центров и т.д. Некоторые из искусственно полученных соединений могут навсегда остаться экзотикой, но многие из них дадут начало новым научным направлениям.

Крупным событием в химии стало освоение принципов звездообразного синтеза, при котором реагенты соединяются по фрактальному типу в гигантскую молекулу - дендример. Природа использовала этот принцип при формировании гликогена, амилопектина и некоторых других полисахаридов и протеинов. В химии дендримеров сделано много замечательных открытий, особенно в полимерной химии. Архитектурное богатство дендримерных структур практически безгранично, как, впрочем, и их функции и области использования. В частности, прогнозируется, что полимерные дендримеры на базе полисопряженных молекул могут служить молекулярно-энергетическими антеннами, собирающими энергию оптического (в том числе солнечного) возбуждения и преобразующими ее в фототек.

Впечатляющие успехи достигнуты в синтезе металло-органических полимеров. Синтез лестничных, ленточных и стержневых металлоорганических полимеров можно формально отнести к "одномерному" или "двумерному" звездообразному синтезу.

Открытие сверхпроводящих керамик всколыхнуло не только физико-технический, но и химический мир. Синтез этих соединений был осуществлен задолго до обнаружения у них сверхпроводящих свойств, но именно это интригующее и неожиданное свойство керамик стало источником восторга и огромных надежд. Свершения оказались скромнее ожиданий; и хотя прогресс в этой области сильно замедлился, приятные неожиданности еще могут быть. Это именно тот случай, когда, как говорил Нильс Бор, проблемы важнее решений: решения могут устареть, а проблемы остаются и стимулируют поиск новых решений.

После того как было синтезировано огромное количество органических парамагнетиков - стабильных радикалов и высокоспиновых молекул - были предприняты попытки получить молекулярные ферромагнетики. Принцип конструирования органических ферромагнетиков был сформулирован задолго до их обнаружения в 1989 г. Известно, что в органических парамагнетиках обменное взаимодействие неспаренных электронов отрицательно; оно выстраивает магнитные моменты электронов антипараллельно. Было высказано предположение, что в ферромагнетиках макроскопический ферромагнетизм достигается через парные антиферромагнитные взаимодействия. Этот принцип сразу нашел экспериментальное подтверждение.

химия номенклатура периодический радиоактивность лекарственный

Глава 7. Химия в биологии, медицине и производстве лекарственных препаратов

Современное человеческое общество живет и продолжает развиваться, активно используя достижения науки и техники, и практически немыслимо остановиться на этом пути или вернуться назад, отказавшись от использования знаний об окружающем мире, которыми человечество уже обладает. Накоплением этих знаний, поиском закономерностей в них и их применением на практике занимается наука. Человеку как объекту познания свойственно разделять и классифицировать предмет своего познания (вероятно, для простоты исследования) на множество категорий и групп; так и наука в свое время была поделена на несколько больших классов: естественные науки, точные науки, общественные науки, науки о человеке и пр. Каждый из этих классов делится, в свою очередь, на подклассы и т.д.и т.п. Но среди этого многообразия наук есть науки "лидеры" и науки "отстающие". Одними из современных наук "лидеров" и являются химия, биология и медицина. "Вторая половина нашего столетия отмечена стремительным прогрессом химических и биологических знаний и их приложений в разнообразных сферах жизни современного общества. В сущности, интерес человека к живой природе никогда не угасал, но лишь последние десятилетия позволили приблизиться к пониманию удивительных тайн жизнедеятельности и на этой основе сделать решительный шаг в использовании новейших биохимических открытий" (вице-президент АН СССР Ю.А.Овчинников,1987). Пятидесятые годы стали временем начала ренессанса биохимии, которая "сумела заглянуть внутрь клетки и разобраться в молекулярных механизмах рождения и развития организмов". Сбылось предсказание великого физика современности Н.Бора, который в 50 - х годах неоднократно заявлял, что в ближайшем будущем наиболее интенсивное проникновение в тайны природы станет прерогативой не физики, а именно биологии и химии. Большая часть современной естественнонаучной литературы в той или иной мере посвящена исследованию именно живой природы. Биологическими проблемами занимаются сейчас десятки наук. Очень продуктивными оказываются и науки, связанные с претворением новейших биологических открытий в жизнь.

Можно без преувеличения сказать, что одной из таких отраслей приложения биохимии многие из нас обязаны здоровьем и даже жизнью. Речь идет о медицине, которая в настоящие годы переходит не только к использованию лекарств нового поколения и применению в практике новых материалов, но к таким методам лечения, которые позволяют воздействовать на болезнь в самом ее начале, а то и до начала. Это стало возможным в связи с исследованием молекулярных механизмов развития множества заболеваний и коррекцией нарушений не привычным методом введения в организм недостающих веществ, а путем воздействия на естественные процессы биорегуляции (с помощью специальных биорегуляторов или на генетическом уровне). Решение множества ключевых проблем современности, таких как производство продуктов питания, многих лекарств и других веществ связано с активным внедрением в жизнь биотехнологий.

Столь ощутимый прогресс биологии был бы невозможен без ее активного взаимодействия с другими науками. Но парадокс современного состояния науки состоит в том, что множество исследований оказывается "на стыке наук". Для продуктивного решения проблемы приходится привлекать ученых различных специальностей; более того, многие ученые в настоящее время, в век узкой специализации, вынуждены овладевать смежными специальностями. Множество современных исследований с трудом можно отнести к какой-нибудь одной отрасли науки. При решении биологических проблем тесно переплетаются идеи и методы биологии, химии, физики, математики и других областей знания. Именно проблема взаимодействия химии с биологическими дисциплинами и их приложениями в медицине представляется наиболее интересной.

Химики второй половины XX века очень активно занимались исследованиями живой природы. В пользу этого тезиса может свидетельствовать хотя бы тот факт, что из 39 Нобелевских премий по химии, врученных за последние 20лет (1977-1996), 21 премия (больше половины! а ведь отраслей химии очень много) была получена за решение химико-биологических проблем. Это и неудивительно, ведь живая клетка это настоящее царство больших и малых молекул, которые непрерывно взаимодействуют, образуются и распадаются... В организме человека реализуется около 100 000 процессов, причем каждый из них представляет собой совокупность различных химических превращений. В одной клетке организма может происходить примерно 2000 реакций. Все эти процессы осуществляются при помощи сравнительно небольшого числа органических и неорганических соединений.

Современная химия характеризуется переходом к изучению сложных элементорганических соединений, состоящих из неорганических и органических остатков. Неорганические части представлены водой и ионами различных металлов, галогенов и фосфора (в основном); органические части представлены белками, нуклеиновыми кислотами, углеводами, липидами и достаточно обширной группой низкомолекулярных биорегуляторов, таких как гормоны, витамины, антибиотики, простагландины, алкалоиды, регуляторы роста и т.д.

Известно, что из множества химических элементов в состав живых организмов входят только некоторые элементы. Наиболее важными ионами металлов оказываются ионы натрия, калия, магния, кальция, цинка, меди, кобальта, марганца, железа и молибдена. Из неметаллов в живых системах практически всегда можно встретить атомы водорода, кислорода, азота, углерода, фосфора и серы в составе органических соединений и атомы галогенов и бора как в виде ионов, так и в составе органических частиц. Отклонение в содержании большинства из этих элементов в живых организмах часто приводит к достаточно тяжелым нарушениям метаболизма. Большая часть болезней обусловлена отклонением концентраций какого-либо вещества от нормы. Это связано с тем, что огромное число химических превращений внутри живой клетки происходит в несколько этапов, и многие вещества важны клетке не сами по себе. Oни являются лишь посредниками в цепи сложных реакций; но, если нарушается какое-то звено, то вся цепь в результате часто перестает выполнять свою передаточную функцию; останавливается нормальная работа клетки по синтезу необходимых веществ.

В поддержании нормальной жизнедеятельности организма очень велика роль органических молекул. Их можно разделить по принципам, заложенным в их конструкцию, на три группы: биологические макромолекулы (белки, нуклеиновые кислоты и их комплексы), олигомеры (нуклеотиды, липиды, пептиды и др.) и мономеры (гормоны, антибиотики, витамины и многие другие в-ва).

Для химии особенно важно установление связи между строением вещества и его свойствами, в частности, биологическим действием. Для этого используется множество современных методов, входящих в арсенал физики, органической химии, математики и биологии.

В современной науке на границе химии и биологии возникло множество новых наук, которые отличаются используемыми методами, целями и объектами изучения. Все эти науки принято объединять под термином "физико-химическая биология". К этому направлению относят:

а) химию природных соединений (биоорганическая и бионеорганическая химия bioorganic chemistry and inorganic biochemistry соответственно);

б) биохимию;

в) биофизику;

г) молекулярную биологию;

д) молекулярную генетику;

е) фармакологию и молекулярную фармакологию

и множество смежных дисциплин. В большей части современных биологических исследований активно используются химические и физико-химические методы. Прогресс в таких разделах биологии, как цитология, иммунология и гистология, был напрямую связан с развитием химических методов выделения и анализа веществ. Даже такая классическая "чисто биологическая" наука, как физиология, все более активно использует достижения химии и биохимии. В США Национальные Институты Здоровья (National Instituts of Health USA) в настоящее время финансируют направления медицинской науки, связанные с чисто физиологическими исследованиями, гораздо меньше, чем биохимические, считая физиологию "неперспективной и отжившей свое" наукой. Возникают такие, кажущиеся на первый взгляд экзотическими науки, как молекулярная физиология, молекулярная эпидемиология и др. Появились новые виды медико-биологических анализов, в частности, иммуноферментный анализ, с помощью которого удается определять наличие таких болезней, как СПИД и гепатит; применение новых методов химии и повышение чувствительности старых методов позволяет теперь определять множество важных веществ не нарушая целостности кожного покрова пациента, по капле слюны, пота или другой биологической жидкости.

Основой химии природных соединений явилась традиционная органическая химия, которая первоначально рассматривалась как химия веществ, встречающихся в живой природе. Современная же органическая химия занимается всеми соединениями, имеющими углеродные (или замещенные гетероаналогами углерода) цепочки, а биоорганическая химия, исследующая природные соединения, выделилась в отдельную отрасль науки. Химия природных соединений возникла в середине XIX века, когда были синтезированы некоторые жиры, сахара и аминокислоты (это связано с работами М.Бертло, Ф.Велера, А.Бутлерова, Ф.Кекуле и др.). Первые подобные белкам полипептиды были созданы в начале нашего века, тогда же Э.Фишер вместе с другими исследователями внес свой вклад в исследование сахаров. Развитие исследований по химии природных веществ продолжалось нарастающими темпами вплоть до середины XX века. Вслед за алкалоидами, терпенами и витаминами эта наука стала изучать стероиды, ростовые вещества, антибиотики, простагландины, флавоноиды и другие низкомолекулярные биорегуляторы. Наряду с ними химия природных соединений изучает биополимеры и биоолигомеры (нуклеиновые кислоты, белки, нуклеопротеиды, гликопротеины, липопротеины, гликолипиды и др.). Основной арсенал методов исследования составляют методы органической химии, однако для решения структурно-функциональных задач активно привлекаются и разнообразные физические, физико-химические, математические и биологические методы. Основными задачами, решаемыми химией природных соединений, являются:

а) выделение в индивидуальном состоянии изучаемых соединений с помощью экстракции, кристаллизации, перегонки, различных видов хроматографии, электрофореза, ультрафильтрации, ультрацентрифугирования, противоточного распределения и т.п.;

б) установление структуры, включая пространственное строение, на основе подходов органической и физической органической химии с применением хромато-масс-спектрометрии, масс-спектроскопии, различных видов оптической спектроскопии (ИК, УФ, лазерной и др.), газовой и жидкостной хроматографии, рентгеноструктурного анализа, ядерного магнитного резонанса, электронного парамагнитного резонанса, дисперсии оптического вращения и кругового дихроизма, методов быстрой кинетики и др.;

в) химический синтез и химическая модификация изучаемых соединений, включая полный синтез, синтез аналогов и производных, с целью подтверждения структуры, выяснения связи строения и биологической активности, получения препаратов, ценных для практического использования;

г) биологическое тестирование полученных соединений in vitro и in vivo.

Крупнейшими достижениями химии природных соединений явились расшифровка строения и синтез биологически важных алкалоидов, флавоноидов, стероидов и витаминов, полный химический синтез некоторых пептидов, простагландинов, пенициллинов, витаминов, хлорофилла и др. соединений; установлены структуры множества белков, нуклеотидные последовательности множества генов и т.д. и т.п.

Появление науки биохимии обычно связывают с открытием явления ферментативного катализа и самих биологических катализаторов - ферментов, первые из которых были идентифицированы и выделены в кристаллическом состоянии в 20х годах прошлого столетия.

Биохимия изучает химические процессы, происходящие непосредственно в живых организмах и использует химические методы в исследовании биологических процессов. Крупнейшими событиями в биохимии явились установление центральной роли АТФ в энергетическом обмене, выяснение химических механизмов фотосинтеза, дыхания и мышечного сокращения, открытие трансаминирования, установление механизма транспорта веществ через биологические мембраны и т.п.

Фармакология - это наука о лекарственных средствах, действии различных химических соединений на живые организмы, о способах введения лекарств в организмы и о взаимодействии лекарств между собой. Молекулярная фармакология изучает поведение молекул лекарственных веществ внутри клетки, транспорт этих молекул через мембраны и т.д. Человек начал применять лекарственные вещества очень давно, несколько тысяч лет назад. Древняя медицина практически полностью основывалась на лекарственных растениях, и этот подход сохранил свою привлекательность до наших дней. Множество современных лекарственных препаратов содержат вещества растительного происхождения или химически синтезированные соединения, идентичные тем, которые можно обнаружить в лекарственных растениях. В настоящее время синтезированы десятки и сотни тысяч лекарственных веществ, и их поиск продолжается. Но число активно применяемых лекарств, конечно, значительно меньше. Не все вещества, синтезированные в качестве потенциального нового лекарственного вещества, находят свое применение на практике. Многие широко использовавшиеся ранее лекарства вытесняются из сферы применения из-за того, что появляются более эффективные аналоги, которые воздействуют на причину болезни гораздо селективнее, имеют меньше противопоказаний и побочных эффектов. Одним из крупных успехов фармакологии второй половины нашего века явилось создание и внедрение в практику антибиотиков широкого спектра действия: сульфамидных препаратов, витаминов, средств, влияющих на деятельность центральной нервной системы транквилизаторов, нейролептиков, психотомиметиков и др. Многие из этих лекарств были открыты и впервые применены в нашей стране (фторофур, феназепам, циклодол, витаминные препараты и мн.др.)

Основными проблемами, решаемыми в последние годы физико-химической биологией, являются синтез белков и нуклеиновых кислот, установление нуклеотидной последовательности генома многих организмов (в том числе определение полной нуклеотидной последовательности генома человека), направленный транспорт веществ через биологические мембраны; разработка новых лекарств, новых материалов для медицинского использования, например, для биопротезирования.

Особое внимание уделяется разработке биотехнологий, которые часто бывают более экономически выгодны, эффективны, чем традиционные "технические", не говоря уже об их экологической чистоте. Ведутся активные работы по клонированию растений и животных, а также по получению отдельных органов вне организма. Кроме того, постоянно исследуются механизмы превращений химических веществ в организмах, и на основе полученных знаний ведется непрекращающийся поиск лекарственных веществ. Большое количество разнообразных лекарственных веществ в настоящее время получают либо биотехнологически (интерферон, инсулин, интерлейкин, рефнолин, соматоген, антибиотики, лекарственные вакцины и пр.), используя микроорганизмы (многие из которых являются продуктом генной инженерии), либо путем ставшего почти традиционным химического синтеза, либо с помощью физико-химических методов выделения из природного сырья (частей растений и животных). Последнее направление в настоящее время приобретает особое значение.

Активная коррекция питания человека с использованием биологически активных веществ, данных нам природой, позволяет решить стоящую перед человечеством глобальную проблему оздоровления общества. С этой точки зрения биологически активные вещества, выделяемые из природных источников, и разрабатываемые на их основе биологически активные добавки к пище несут весомый вклад в решение проблемы рационального питания

Другой биологической задачей химии является поиск новых материалов, способных заменить живую ткань, необходимых при протезировании. Химия подарила врачам сотни разнообразных вариантов новых материалов. Кроме множества лекарств, в повседневной жизни люди сталкиваются с достижениями физико-химической биологии в различных сферах своей профессиональной деятельности и в быту. Появляются новые продукты питания или совершенствуются технологии сохранения уже известных продуктов. Производятся новые косметические препараты, позволяющие человеку быть здоровым и красивым, защищающие его от неблагоприятного воздействия окружающей среды. В технике находят применение различные биодобавки ко многим продуктам оргсинтеза. В сельском хозяйстве применяются вещества, способные повысить урожаи (стимуляторы роста, гербициды и др.) или отпугнуть вредителей (феромоны, гормоны насекомых), излечить от болезней растения и животных и многие другие...

Все эти вышеперечисленные успехи были достигнуты с применением знаний и методов современной химии. В современной биологи и медицине химии принадлежит одна из ведущих ролей, и значение химической науки будет только возрастать. "Стык наук" химии и биологии оказался на редкость плодотворным.

Заключение

Химия - наука социальная. Её высшая цель - удовлетворять нужды каждого человека и всего общества. Многие надежды человечества обращены к химии. Молекулярная биология, генная инженерия и биотехнология, наука о материалах являются фундаментально химическими науками. Прогресс медицины и охраны здоровья - это проблемы химии болезней, лекарств, пищи; нейрофизиология и работа мозга - это прежде всего нейрохимия, химия нейромедиаторов, химия памяти. Живой организм - это гигантский химический макрореактор, и освоение его химической галактики ещё предстоит.

Человечество ждёт от химии новых материалов с магическими свойствами, новых источников и аккумуляторов энергии, новых чистых и безопасных технологий, и т.д.

Всё это - внешняя, наружная сторона химии, доступная и ясная всем. Но в химии есть свой внутренний мир, своя внутренняя логика.

В XX веке химия превратилась в разветвленную науку. Сегодня многие ее области существуют как самостоятельные: неорганическая, органическая, физическая химия, радиохимия, биохимия, аналитическая химия, геохимия и т. д. Каждая из них имеет собственный предмет и собственную область исследования, свои проблемы и свои экспериментальные методы. Но к восьмидесятым годам на смену профессиональному "дроблению" химии пришло осознание необходимости совместного решения общих фундаментальных проблем химической науки.

Первая попытка определить эти главные, "интеграционные" направления в химии была предпринята в статье B.A. Легасова и А.Л. Бучаченко.1 В этой статье дана классификация химии на новом уровне. Это структурирование химии не по названиям разных "химий", число которых уже далеко превзошло четыре десятка; это структурирование химии по задачам и целям, по ее внутренней логике, которая не разделяет химию на "химические губернии", а организует как единую науку и объединяет химиков в единое сообщество.

Современная химия - гигантская разветвлённая наука, огромная мозаика из множества разных химий, химических "губерний", число которых приближается к числу субъектов Российской Федерации. И всё-таки химия фундаментально едина, в ней есть общие заботы, общие стратегические направления, единая логика.

Логика химии открывается наукой и искусством химического синтеза. Это ключ всей химии, источник всех её достоинств и сокровищ; это то, что делает химию самой созидательной наукой, крупной частью мировой культуры, мощным фактором устойчивого развития цивилизации. В этом смысле химия больше чем наука.

Следующий логический элемент - связь химической структуры с её функцией; смысл его - увидеть или предвидеть, на что способны молекулы и вещества, что они умеют делать и где их можно использовать (от электроники до медицины).

Третье направление - как управлять химическими процессами, как дирижировать химией, чтобы получать нужные молекулы и вещества с нужными функциями.

Вещество - это ещё не материал, его надо научить работать как товар, и это забота химического материаловедения.

Задача пятого направления - дать веществу путёвку в жизнь через химическую технологию - умную, чистую, экономичную, безопасную.

Шестое направление включает химическую энергетику - от молекулярного уровня запасания и преобразования энергии до химических источников тока и энергоёмких веществ.

Химическая аналитика и диагностика (в том числе химические сенсоры, химия вкуса и запаха) - важнейший элемент безопасности окружающего мира.

И, наконец, химия живого - гигантская химическая галактика, цель которой - познать тот деликатный и тонкий химический макрореактор, который каждый из нас носит в себе (включая химию мозга, памяти, мышления, сознания, чувств, страстей, химические механизмы генерации идей).

Представленная в таком виде структура превращает химию в стройное, логически единое здание; это структурирование химии по её задачам, целям и объединяющей логике. Это логика единства химии и химиков как профессионального сообщества.

Список литературы

1. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. -М.: Высшая школа, 1988.

2. Дикерсон Р., Грей Г., Грей Дж. Основные законы хи-мии: В 2-х т. - Перевод с английского Е.Л.Розенберга. - М.: Мир, 1982.

3. Штрубе В. Пути развития химии: В 2-х т. Перевод с немецкого А.Ш.Гладкой, под редакцией В.А.Крицмана. - М.: Мир, 1984.

4. К. Хайтинг “Биографии великих химиков” - М. Мир, 1981г.

5. Я. Голованов “Этюды об ученых” - М. Мир, 1970 г.

6. М. Джуа “ История химии” - М. Мир,1975г.

7. К. Манолов “Великие химики” ” - М. Мир, 1976г.

8. В. Рич “ Охота за элементами” - Химия, 1982г.

9. В. Криуман “Создатели атомно-молекулярного учения” - Просвещение, 1976

10. А. Азимов “ Краткая история химии” ” - М. Мир, 1983

11. Ю.А. Овчинников. Биоорганическая химия. - М.:Просвещение,1987.

12. А.М. Радецкий. Органическая химия и медицина. - Химия в школе-1995, N3: c. 40-43.

13. Ю.А. Овчинников. Химия жизни: Избранные труды - М.:Наука,1990.

14. К.А. Макаров. Химия и медицина. М.:Просвещение,1981.

15. А.Е. Браунштейн. На стыке химии и биологии. М.:Наука,1987.

16. Л.Ю. Федорова. Рассказы о ядах, противоядиях, лекарствах и ученых. М.:Знание,1983.

17. Биология и медицина: философские и социальные проблемы взаимодействия. - Сб. трудов. - М.:Наука,1985

18. А.Л. Бучаченко Химия на рубеже веков: свершения и прогнозы. Успехи химии, 1999, т. 68, 85-102.

Размещено на Allbest.ru