Развитие химических знаний

История развития знаний о веществе. Естествознание как наука о явлениях и законах природы включает одну из важнейших отраслей — химию. В современном понимании химия — наука о превращениях веществ, сопровождающихся изменением их состава и (или) строения.

История развития химических знаний начинается с древних времен, когда в V в. до н.э. древнегреческий философ Левкипп впервые предложил гипотезу атомного строения материи. Гораздо позднее (примерно с III в. н.э.) античному натурфилософскому атомистическому учению о строении вещества противопоставлялась алхимия — донаучное направление, получившее развитие в Западной Европе в XI—XVI вв. Основные задачи алхимии заключались в поисках так называемого «философского камня» для превращения неблагородных металлов в золото и серебро, в

создании эликсира долголетия и др. В эпоху Возрождения результаты химических исследований все чаще находили применение в металлургии, стеклоделии, производстве керамики, красок и т.п.

Первое научное определение химического элемента предложил в 1661 г. английский химик и физик Р. Бойль (1627—1691), основоположник экспериментального химического анализа. В современном представлении химический элемент — совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Основываясь на результатах своих экспериментов, Р. Бойль сделал важный вывод: качества и свойства вещества зависят от того, из каких химических элементов оно состоит.

Принято считать, что химия стала подлинной наукой во второй половине XVIII в., когда первый российский ученый-естествоиспытатель М.В. Ломоносов (1711—1765) сформулировал закон сохранения материи и движения, исключив из числа химических агентов флогистон — невесомую материю. Первая химическая теория — теория флогистона, согласно которой металлы (железо, медь, свинец и др.) считались сложными веществами, т.е. состоящими из соответствующих элементов и универсального «невесомого тела» — флогистона, оказалась ошибочной. Выяснив роль кислорода в процессе горения, окисления и дыхания, французский химик А.Л. Лавуазье (1743—1794) полностью опроверг теорию флогистона.

В начале XIX в. английский химик и физик Дж. Дальтон (1766—1844) заложил основы химической атомистики. Он впервые ввел понятие «атомный вес», определил атомные массы (веса) ряда элементов и открыл в 1803 г. закон кратных отношений:

если два химических элемента образуют друг с другом более одного соединения, то массы одного элемента, приходящиеся на одну и ту же массу другого, относятся как целые числа, обычно небольшие.

В 1811 г. итальянский физик и химик А. Авогадро ввел термин «молекула» и выдвинул молекулярную гипотезу строения вещества. Молекула — микрочастица, образованная из атомов и способная к самостоятельному существованию. Атомно-молекулярные представления утвердились лишь в 60-х годах ХГХ в. В те годы, а именно в 1861 г., выдающийся русский химик А.М. Бутлеров (1828—1896) создал и обосновал теорию химического строения вещества, согласно которой

свойства веществ определяются порядком связей атомов в молекулах и их взаимным влиянием.

Немного позднее — в 1869 г. — другой выдающийся русский химик — Д.И. Менделеев (1834—1907) открыл периодический закон химических элементов — один из фундаментальных законов естествознания. Современная формулировка этого закона такова:

свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда их атомных ядер.

Заряд ядра равен атомному (порядковому) номеру элемента в Периодической системе Менделеева.

С конца XIX в. важнейшими задачами химии являются разработка способов управления химическими процессами и синтез химических соединений с новыми свойствами.

По мере развития химии формировались многие ее отрасли: органическая химия, физическая химии, аналитическая химия и др. На стыке химических и других отраслей естествознания появились биохимия, агрохимия, геохимия и т.д. Результаты химических исследований составляют основу многих современных технологий.

В последние десятилетия благодаря открытию новых явлений и эффектов, прежде всего физических, и созданию на их основе высокочувствительных приборов (электронных микроскопов, спектроскопов, масс-спектрометров и др.) появилась реальная возможность проводить экспериментальные химические исследования на современном молекулярном уровне. Такие исследования позволили раскрыть механизм многих процессов в живом организме, синтезировать не существующие в природе вещества с необычными свойствами, установить сложную структуру молекулы ДНК, расшифровать молекулярный генный механизм наследственности и многое другое.

Молекулярный уровень экспериментальных исследований позволяет создавать не только сверхпрочные, сверхпроводящие и другие материалы с новыми свойствами, но и производить операции с фрагментами ДНК, изменяя ее генетический код. Сегодня уже говорят о конструировании устройств из отдельных молекул и создании молекулярного компьютера, обладающего чрезвычайно большими возможностями.

Масштабы химической индустрии. Долгое время необходимые человеку товары повседневного спроса (продукты питания, одежда, краски и т.п.) производились путем переработки преимущественно природного сырья растительного происхождения. Современные химические технологии позволяют синтезировать из сырья не только естественного, но и искусственного происхождения многочисленную и многообразную по свойствам продукцию, не уступающую по качеству природным аналогам. Потенциальные возможности химических превращений природных веществ поистине безграничны. Все возрастающие потоки природного сырья: нефти, газа, угля, минеральных солей, силикатов, руды и т.д. — превращаются в краски, лаки, мыло, минеральные удобрения, моторное топливо, пластмассы, искусственные волокна, средства защиты растений, биологически активные вещества, лекарства и различное исходное сырье для производства других необходимых и ценных веществ.

Синтез новых химических продуктов — трудоемкий и дорогостоящий процесс. Так, для промышленного производства всего лишь нескольких лекарственных препаратов необходимо синтезировать не менее 4000 разновидностей веществ (для средств защиты растений эта цифра может составлять и 10 000). В недалеком прошлом, например, в США на каждый внедряемый в массовое производство химический продукт приходилось примерно 450 научно-исследовательских разработок, из которых отбиралось всего лишь 98 для опытного производства. После опытно-промышленных испытаний лишь не более 50 % отобранных продуктов находили широкое применение. Однако практическая значимость полученных таким сложным путем продуктов настолько велика, что затраты на исследования и разработку очень быстро окупаются.

Химические технологии и связанное с ними промышленное производство охватывают в основном все важнейшие сферы хозяйственной деятельности. Взаимодействие химических технологий и различных сфер деятель-

ности человека представлено на рис. 6.1, где введены следующие обозначения: А — химическая, текстильная, целлюлозно-бумажная и легкая промышленность, производство стекла и керамики, производство различных материалов, строительство, горное дело, металлургия; Б — ма-шино- и приборостроение, электроника и электротехника, средства связи, военное дело, сельское и лесное хозяйство, пищевая промышленность, охрана окружающей среды, здравоохранение, домашнее хозяйство, средства информации; В — повышение производительности труда, экономия материалов; Г — улучшение условий труда и быта, рационализация умственного труда; Д — здоровье, питание, одежда, отдых; Е — жилище, культура, воспитание, образование, охрана окружающей среды, оборона. 206

Приведем несколько примеров внедрения химических технологий. Один из них связан с изготовлением интегральных схем для микроэлектроники с применением химически чистого кремния, которого в природе нет. Однако такой кремний можно получить в результате химического превращения диоксида кремния в виде песка, а это означает, что химические технологии позволяют превратить обычный песок в элементный кремний. Другой характерный пример касается сжигания топлива. Автомобильный транспорт потребляет громадное количество топлива. Что нужно сделать, чтобы добиться минимального загрязнения атмосферы выхлопными газами? Частично проблема решается с помощью автомобильного каталитического конвертора выхлопных газов. Радикальное же ее решение заключается в химическом превращении исходного сырья — сырой нефти — в очищенные продукты. Химические технологии и связанная с ними индустрия вынуждены реагировать на осознанное (особенно в последние десятилетия) стремление общества сохранить окружающую среду.

Представляют интерес некоторые цифры, характеризующие выпускаемую и потребляемую химическую продукцию. Во второй половине XX в. средний горожанин использовал в повседневной жизни 300—500 разнообразных химических продуктов, из них около 60 — в виде текстильных изделий, примерно 200 — в быту, на рабочем месте и во время отдыха, примерно 50 медикаментов и столько же продуктов питания и средств приготовления пищи. Технология изготовления некоторых пищевых продуктов включает до 200 различных химических процессов.

Около десяти лет назад насчитывалось более 1 млн. разновидностей продукции, выпускаемой химической промышленностью. К тому времени общее число известных химических соединений составляло более 8 млн., в том числе примерно 60 тыс. неорганических соединений. Сегодня известно более 18 млн. химических соединений. В последнее время во всех лабораториях нашей планеты ежедневно синтезируется 200—250 новых химических соединений. Все это свидетельствует об огромных масштабах современной химической индустрии.