Возникновение химии как науки

Учебный год

Лекция 10

Химические концепции в естественнонаучной картине мира

Возникновение химии как науки

Химия, как известно, изучает превращения веществ. В древности химией называли искус­ство получать золото, серебро или их сплавы. В те времена науки химии в современном по­нимании еще не было, а весь громадный прак­тический опыт в области получения веществ и материалов накапливался человечеством методом проб и ошибок. И дело, конечно, не ограничивалось добычей драгоценных метал­лов и их сплавов. Люди уже тогда широко ис­пользовали железо, свинец, олово, медь. Це­лые исторические эпохи, например бронзовый век, теперь связывают с металлургическими технологиями. Значительное развитие полу­чили гончарное ремесло, изготовление изде­лий из стекла, методы окраски, приготовле­ние лекарственных снадобий и многое другое, что сейчас тесно связано с практической хи­мией. Знания эти передавались по традиции из поколения в поколение кастами жрецов.

Уже в Древней Греции люди пытались отвечать не толь­ко на вопрос, как получить то или иное вещество или мате­риал, но и почему происходит превращение веществ и из­менение их свойств. Однако вплоть до XVII в. на эти вопро­сы давались столь абстрактные, умозрительные ответы, что ни о каких действительно научных представлениях, кото­рые могли стать надежной путеводной звездой в практиче­ской деятельности, не могло быть и речи. Достаточно вспом­нить в связи с этим о первичных элементах и свойствах материи (земля, вода, воздух, огонь, сухость, влажность, тепло, холод и т. п.), лежащих в основе древнегреческой философии. Даже атомистика греков на самом деле не име­ла ничего общего с атомно-молекулярной теорией, которая только к началу XIX в. завоевала признание и стала фунда­ментом классической естественнонаучной картины мира.

Особого внимания заслуживает алхимический период в истории становления химии как естественной науки, продолжавшийся свыше тысячи лет. Начиная с IV в. н. э. алхимики безуспешно пытались решить три главные за­дачи: найти философский камень, отыскать эликсир дол­голетия и создать универсальный растворитель. Среди алхимических методов было много мистицизма и схоластики. Вот как сами алхимики в XIII в. опре­деляли свое занятие: «Алхимия — весьма необходимая, божественная часть тайной небесной натуральной фило­софии, составляющая и образующая единую, не всем из­вестную науку и искусство, которые учат чистить и очи­щать потерявшие ценность драгоценные камни и прида­вать присущие им свойства, восстанавливать немощные и больные человеческие тела и приводить их в должное со­стояние и в наилучшее здоровье и даже превращать все металлы в настоящее серебро, а затем и в настоящее золо­то посредством единого всеобщего медикамента, к кото­рому сводятся или были сведены все частные лекарства». В то же время именно алхимики, открывшие невероятное количество процессов, наблюдавшие огромное число ре­акций между самыми различными веществами, заложи­ли экспериментальную базу будущей науки химии.К XVI в. алхимия утрачивает то значение, которое она имела в предшествующие века. Почувствовав тщетность своих усилий, алхимики постепенно переключились на более прагматическую деятельность. Знаменитый врач, алхимик и оккультист Т. Парацельс утверждал, что «на­стоящая цель химии заключается не в изготовлении золо­та, а в приготовлении лекарств» (это направление алхи­мии получило название ятрохимия). Его идея о том, что жизненные явления обладают химической природой и что здоровье зависит от нормального состава органов и «со­ков», является и сейчас вполне современной.

Первые по-настоящему научные труды в области хи­мии появились в середине XVII в., а первые химики были «по совместительству» физиками. Например, один из ос­новоположников химии Р. Бойль являлся соавтором зна­менитого закона о зависимости давления от объема газа при постоянной температуре (закон Бойля-Мариотта). Именно Бойль дал первое научно обоснованное определе­ние химического элемента как предела разложения веще­ства на составные части.

Типичным для того времени было представление о фло­гистоне как об особой субстанции, присутствующей в ве­ществах и обусловливающей их горение. Борьба с концеп­цией флогистона длилась почти сто лет, пока М. В. Ломо­носов, а затем А. Лавуазье не доказали, что горение — это взаимодействие вещества с кислородом. Примерно в то же время, в конце XVIII в., А. Лавуазье публикует «Началь­ный учебник химии», который фактически завершил ста­новление химии как науки о составе веществ, об их ана­лизе. В список простых веществ Лавуазье включил все известные неметаллы, металлы, а также «невесомые на­чала» — «свет» и «теплород».

К началу XIX в. понятие химического элемента (по Р. Бойлю) уже прочно вошло в химию. Однако что стоит за этим понятием — оставалось загадкой. Отгадать ее «помог­ло» атомистическое учение Дж. Дальтона о природе хими­ческих элементов. Правда, Дальтон игнорировал структу­ру и форму атомов, считая их маленькими «шариками».

Из всех свойств этих «шариков» он рассматривал только массу. Изучая закономерности соединений различных эле­ментов друг с другом, он пришел к закону кратных отно­шений: при образовании химических соединений (газов) массы химических элементов относятся как небольшие целые числа. Именно на основании этого закона удалось не только определить химические формулы различных соединений, но и установить относительные массы атомов химических элементов.

Важной вехой на пути «наведения порядка» в химии стал первый Международный химический конгресс, орга­низованный в 1860 г. выдающимся немецким химиком Ф. Кекуле. В следующее десятилетие такой порядок дейст­вительно был наведен, и химики начали активный поиск закономерностей в свойствах примерно шестидесяти хи­мических элементов, которые тогда были известны. Этот поиск завершился сенсацией: в 1869 г. Д. И. Менделеев впервые представил научной общественности свою Перио­дическую таблицу химических элементов. Триумфом Пе­риодической таблицы стало открытие предсказанных Мен­делеевым новых элементов, о которых в 1869 г. никто не знал.

К началу XX в. таблица Д.И.Менделеева стала «Библией» химии. И в это время пути химиков и физиков пересек­лись. Связано это было с тем, что новые физические мето­ды исследования вещества (прежде всего, метод масс-спектроскопии) показали, что существуют химические элемен­ты с одинаковыми свойствами, но с разными массами — так называемые изотопы. Стало ясно, что свойства хими­ческих элементов определяются не столько атомным ве­сом, сколько каким-то другим параметром атома. Решаю­щий вклад в ответ на этот вопрос был сделан физикой. Сна­чала возникла планетарная модель атома Резерфорда-Бора (1913), а затем и более строгая квантово-механическая мо­дель (1926).

Сейчас установлено, что химические свойства элемен­тов определяются не массой, а зарядом ядра атома, кото­рое определяет число электронов в атоме, расположенных на разных расстояниях от ядра и, следовательно, обладаю­щих разной энергией связи. Заполнение электронных «оболочек» в ядре осуществляется в соответствии с прин­ципом Паули. Сильнее связан­ными с ядром оказываются, очевидно, наиболее близкие к ядру электроны, которые не участвуют в химических превращениях. Самые удаленные от ядра электроны, ва­лентные, могут создавать различные типы связей.