Введение
Предмет химии
Родоначальники Российской химии
Математическая химия
Атомная теория – основа химической науки
Основные этапы развития химии
Заключение
Список литературы
Содержательный подход к истории химии основывается на изучении того, как изменялись со временем теоретические основы науки. Вследствие изменений в теориях на всём протяжении существования химии постоянно менялось её определение. Химия зарождается как «искусство превращения неблагородных металлов в благородные»; Менделеев в 1882 г. определяет её как «учение об элементах и их соединениях». Определение из современного школьного учебника в свою очередь значительно отличается от менделеевского: «Химия – наука о веществах, их составе, строении, свойствах, взаимных превращениях и законах этих превращений».Следует отметить, что изучение структуры науки мало способствует созданию представления о путях развития химии в целом: общепринятое деление химии на разделы основано на целом ряде различных принципов. Деление химии на органическую и неорганическую произведено по различию их предметов. Выделение физической химии основано на её близости к физике, аналитическая химия выделена по признаку используемого метода исследования. В целом общепринятое деление химии на разделы является в значительной степени данью исторической традиции; каждый раздел в той или иной степени пересекается со всеми остальными.Основной задачей содержательного подхода к истории химии является, говоря словами Д. И. Менделеева, выделение «неизменного и общего в изменяемом и частном». Таким неизменным и общим для химических знаний всех исторических периодов является цель химии. Именно цель науки – не только теоретический, но и исторический её стержень.Целью химии на всех этапах её развития является получение вещества с заданными свойствами. Эта цель, иногда именуемая основной проблемой химии, включает в себя две важнейших задачи – практическую и теоретическую, которые не могут быть решены отдельно друг от друга. Получение вещества с заданными свойствами не может быть осуществлено без выявления способов управления свойствами вещества, или, что то же самое, без понимания причин происхождения и обусловленности свойств вещества. Таким образом, химия есть одновременно и цель и средство, и теория и практика.Таким образом, в рамках содержательного подхода история химии может быть рассмотрена как история возникновения и развития концептуальных систем, каждая из которых представляет собой принципиально новый способ решения основной задачи химии.
Предмет химии
Химия – наука, изучающая вещества и их превращения, одна из важнейших отраслей естествознания. Поскольку вещества – это самые разнообразные сочетания атомов химических элементов, то именно элементы являются объектами исследований в химии. Превращение веществ происходит в результате химических реакций. Первые сведения о химических превращениях относятся к очень древним временам, когда еще не было понятия химического элемента. Но люди плавили металл, изготовляли стекла, красили ткани. Так постепенно накапливались факты и сведения, которые легли в основу первоначальной практической химии. Много столетий подряд господствовала алхимия. Алхимики в поисках философского камня занимались различными химическими манипуляциями, проводили различные химические реакции, они изобрели приборы, необходимые для химических исследований: печи, реторты, колбы, приготовили некоторые кислоты, соли, описали некоторые способы разложения руд и минералов. Практические навыки алхимии оказались очень полезными. Но постепенно алхимия утрачивала свое значение. И в то же время росли человеческие познания об окружающем мире, постепенно создавались понятия, которые легли в основу химии. Возникновение научной химии связано с именем Р.Бойля. Он впервые попытался дать определение химического элемента. Новое учение об элементах – тот вклад в химическую науку, который навсегда обессмертил имя Роберта Бойля в ее истории. Представление об элементах-веществах было крупнейшим теоретическим достижением химии за двадцать веков со времени Аристотеля. Бойль считал эксперимент основным способом постижения истины. Выдающимися достижениями русского ученого-энциклопедиста М.В.Ломоносова в области химии являются создание корпускулярной теории строения веществ, открытие закона сохранения материи и движения – основополагающего закона природы. В конце XVIII века А. Лавуазье разработал кислородную теорию горения, в начале XIX века Дж. Дальтон ввел понятие атомного веса, возникло и стало стремительно развиваться атомно-молекулярное учение. Оно сделалось основой теоретической химии. Это учение способствовало открытиям периодического закона химических элементов Д.И.Менделеева, теории химического строения А.М.Бутлерова. Получили четкое определение важнейшие понятия химии: атом, молекула, элемент, простое вещество, химическое соединение. В XIX веке сформировались два основных раздела химии – неорганическая и органическая. Результаты химических исследований стали шире внедряться в практику, стала развиваться химическая технология. Химия стала использовать достижения других наук. В результате взаимодействия наук возникли биохимия, геохимия, космохимия. Долгое время усилия химиков были направлены только на то, чтобы научиться искусственным путем получать те вещества, которые встречаются в природе, но которых мало. И химики преуспели в этом! В наши дни почти уже не осталось таких природных веществ, которые химики не могли бы получать в лаборатории и на химических заводах. Получают и такие вещества, как мел, и такие, как белок инсулин. Однако, основные материалы например, стекло, железо, сталь, медь, цемент, керамика, натуральные волокна, были известны еще древним людям. Казалось, что химии суждено извечно двигаться в границах, очерченных природой. И только с появлением в первой половине XX века синтетических веществ химикам удалось преодолеть этот «природный барьер». Сейчас в лаборатории ученые создают такие вещества, для которых в природе нет никакого образца и подобия: вещества с пока еще непредсказуемыми, необычными свойствами или комбинацией таких свойств. Возможности химии безграничны. Химики берут у природы нефть, газ, уголь, минеральные соли, силикаты и руды. И превращают их в миллионы разнообразных веществ: краски, лаки, мыло, удобрения, моторное топливо, пластмассы, искусственные волокна, средства защиты растений, биологически активные вещества, косметику.
Родоначальники Российской химии
Основы отечественной химии заложил в XVIII веке выдающийся русский ученый М.В.Ломоносов (1711-1765). Сын крестьянина-помора, выходец из глухой деревушки Архангельской губернии, Ломоносов с огромным трудом пробивал себе путь к знаниям, к науке. С юных лет его неодолимо влекло к книгам, но только достигнув двадцатилетнего возраста, смог Ломоносов впервые попасть в школу – в духовную академию при одном из московских монастырей, где великовозрастного ученика встретили насмешками. Жизнь в академии была далеко не легкой. Но труднее всех приходилось Михайле Ломоносову: своевольному сыну отец отказался присылать деньги на содержание в академии. Порой ломоть хлеба да чашка кваса составляли весь его скудный рацион за день, однако пищи для разума пытливого юноши было предостаточно. С 1735 года Ломоносов учился в Петербурге, затем был командирован петербургским Академическим университетом в Германию для усовершенствования в науках. Лекции опытных профессоров, чтение научных трудов, а главное – посещение рудников, шахт, металлургических и химических заводов в соединении с неутомимой любознательностью и гигантской работоспособностью сделали из него всесторонне образованного человека. Ломоносов возвращался на родину обогащенный глубоким знанием новейших достижений, полный сил и желания работать «для пользы Отечества, для приращения науки и для славы Академии». По возвращении М.В.Ломоносов основал в Петербурге Академию наук, затем первую в России химическую лабораторию, где проводились и опыты, и обучение студентов. Ученый изучал минералы и руды, которые к нему присылались из разных мест России, вместе со своими учениками получал окрашенные стекла. Впоследствии из этих стекол Ломоносов составлял мозаичные картины. В своих трудах М.В.Ломоносов писал о том, что вещества состоят из атомов и молекул, что пламя – это не особое вещество «теплород», как думали тогда многие ученые, и веса не имеет. М.В.Ломоносова многое интересовало: кроме научных исследований, он увлекался историей, рисовал, сочинял стихи. В 1755 году по его инициативе в Москве открылся первый университет, который теперь носит имя своего основателя.
Математическая химия
Действительным членом Петербургской Академии Наук М.В.Ломоносов был избран по кафедре химии. И не случайно. Химия была настоящей научной страстью Ломоносова, которая овладела им в ранней молодости и не утратила своей силы до конца его жизни. Химия привлекала его не совершенством внешних форм, не строгой законченностью содержания – ничего этого не было в то время у химии. Наоборот, все здесь было еще неясно, все находилось в движении и становлении. Но это-то и составляло для Ломоносова главную прелесть химии. Он смело пускался в неизведанные области науки, пролагая в них свои собственные пути, приводя их к тому совершенству, которым восхищался в математике и механике. В 1741 году Ломоносов написал сочинение, изумившее всех своим названием: «Элементы математической химии». Химия и математика! Современникам Ломоносова одно сопоставление этих слов казалось нелепым. Для большинства ученых XVIII века химия все еще оставалась ремеслом, «искусством». Ломоносов решительно покончил с подобными взглядами. Для Ломоносова химия – настоящая наука. Химия – наука об изменениях, происходящих в телах. «Все изменения происходят посредством движения». Наука о движении – механика, а «потому изменения эти могут быть объяснены законами механики». Механику же нельзя постичь без знания математики, поэтому «стремящийся к ближайшему изучению химии должен быть сведущ и в математике». Во всех научных трудах он применял строго логический метод, принятый в математике и других точных науках. Он начинал с описания наблюдений над фактами и, обобщая эти наблюдения, приходил к аксиомам – положениям, не требующим доказательств. Основываясь на аксиомах, он формулировал и доказывал теоремы и разбирал все вытекающие из них следствия. Тем самым Ломоносов не давал фантазии увлечь себя в область беспочвенных измышлений: факты, с которых он начинал опыты и которыми заканчивал рассуждения, прочно привязывали его к реальной действительности. Именно так выводил Ломоносов свою теорию строения тел. Что делается с металлами, когда они растворяются в кислотах? Куда деваются летучие тела при испарении? Что происходит с горючими телами в жарком пламени? Исчезают ли они бесследно? Нет, — отвечал Ломоносов, — они только разделяются на такие ничтожно мелкие частички, которые в отдельности невозможно разглядеть.
Атомная теория – основа химической науки
Атомная теория сразу разъяснила все загадки, к которым привели химиков новые факты. Если каждая молекула воды построена из двух атомов водорода и одного атома кислорода, то где бы мы ни брали эту воду: в море, горной речки или роднике, какими бы способами ее ни получали, она всегда будет иметь один и тот же состав, ибо соединение из иного числа водородных и кислородных атомов никак не может быть водой. Если каждая молекула углекислого газа состоит из одного атома углерода и двух атомов кислорода, то как бы ни получался углекислый газ- сжигание дерева, графита, каменного угля или алмаза, при брожении кваса или дыхании животных- он всегда будет иметь один и тот же состав, ибо соединение иного числа углеродных и кислородных атомов будет уже не углекислым газом, а каким –то другим веществом. Если каждая молекула хлористого серебра и одного атома хлора , то независимо где оно будет получено, оно все равно будет иметь неизменный химический состав. Причина постоянства состава вещества в том и заключается, что в соответствии с атомной теорией каждая молекула определенного вещества всегда построена из одного и того же числа атомов одних и тех же элементов независимо от времени, места и способа приготовления этого вещества. Атомная теория просто и естественно, без помощи таинственных «невесомых материй», объясняла любое ХИМИЧЕСКОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ веществ изменением числа и вида атомов, входящих в состав их молекул. Впервые в истории химии она позволила рассчитывать химические процессы математически.
Основные этапы развития химии
При изучении истории развития химии возможны два взаимно дополняющих подхода: хронологический и содержательный.При хронологическом подходе историю химии принято подразделять на несколько периодов. Следует учитывать, что периодизация истории химии, будучи достаточно условной и относительной, имеет скорее дидактический смысл. При этом на поздних этапах развития науки в связи с её дифференциацией неизбежны отступления от хронологического порядка изложения, поскольку приходится отдельно рассматривать развитие каждого из основных разделов науки.Как правило, большинство историков химии выделяют следующие основные этапы её развития:
Предалхимический период: до III в. н.э.
В предалхимическом периоде теоретический и практический аспекты знаний о веществе развиваются относительно независимо друг от друга. Происхождение свойств вещества рассматривает античная натурфилософия, практические операции с веществом являются прерогативой ремесленной химии.
Алхимический период: III – XVI вв.
Алхимический период, в свою очередь, разделяется на три подпериода:
александрийскую
арабскую
европейскую алхимию.
Алхимический период – это время поисков философского камня, считавшегося необходимым для осуществления трансмутации металлов. В этом периоде происходит зарождение экспериментальной химии и накопление запаса знаний о веществе; алхимическая теория, основанная на античных философских представлениях об элементах, тесно связана с астрологией и мистикой. Наряду с химико-техническим «златоделием» алхимический период примечателен также и созданием уникальной системы мистической философии.
Период становления (объединения): XVII – XVIII вв.
В период становления химии как науки происходит её полная рационализация. Химия освобождается от натурфилософских и алхимических взглядов на элементы как на носители определённых качеств. Наряду с расширением практических знаний о веществе начинает вырабатываться единый взгляд на химические процессы и в полной мере использоваться экспериментальный метод. Завершающая этот период химическая революция окончательно придаёт химии вид самостоятельной науки, занимающейся экспериментальным изучением состава тел.
Период количественных законов (атомно-молекулярной теории): 1789 – 1860 гг.
Период количественных законов, ознаменовавшийся открытием главных количественных закономерностей химии – стехиометрических законов, и формированием атомно-молекулярной теории, окончательно завершает превращение химии в точную науку, основанную не только на наблюдении, но и на измерении.
Период классической химии: 1860 г. – конец XIX в.
Период классической химии характеризуется стремительным развитием науки: создаётся периодическая система элементов, теория валентности и химического строения молекул, стереохимия, химическая термодинамика и химическая кинетика; блестящих успехов достигают прикладная неорганическая химия и органический синтез. В связи с ростом объёма знаний о веществе и его свойствах начинается дифференциация химии – выделение её отдельных ветвей, приобретающих черты самостоятельных наук.
Заключение
К середине 30-х годов XX века химическая теория приобретает вполне современный вид. Хотя основные концепции химии в дальнейшем стремительно развивались, принципиальных изменений в теории больше не происходило.Установление делимости атома, квантовой природы излучения, создание теории относительности и квантовой механики представляли собой революционный переворот в понимании окружающих человека физических явлений. Этот переворот коснулся прежде всего микро- и мегамира, что к химии в классическом смысле, казалось бы, не имеет прямого отношения. Однако в этом и заключается одна из особенностей химии XX века: для понимания причин, которыми обусловлены фундаментальные химические законы, потребовалось выйти за пределы предмета химии. Ныне теоретическая химия в значительной степени представляет собой физику, «адаптированную» для решения химических задач. В значительной степени именно достижения физики сделали возможными огромные успехи теоретической и прикладной химии в XX столетии.Объём химических знаний стал настолько велик, что составление краткого, в несколько страниц, очерка новейшей истории химии представляет собой сложнейшую задачу, взяться за которую автор настоящей работы не считает для себя возможным.Еще одной особенностью химии в ХХ веке стало появление большого числа новых аналитических методов, прежде всего физических и физико-химических. Широкое распространение получили рентгеновская, электронная и инфракрасная спектроскопия, магнетохимия и масс-спектрометрия, спектроскопия ЭПР и ЯМР, рентгеноструктурный анализ и т.п.; список используемых методов чрезвычайно обширен. Новые данные, полученные с помощью физико-химических методов, заставили пересмотреть целый ряд фундаментальных понятий и представлений химии. Сегодня ни одно химическое исследование не обходится без привлечения физических методов, которые позволяют определять состав исследуемых объектов, устанавливать мельчайшие детали строения молекул, отслеживать протекание сложнейших химических процессов.Для современной химии также стало очень характерным всё более тесное взаимодействие с другими естественными науками. Физическая и биологическая химия стали важнейшими разделами химии наряду с классическими – неорганической, органической и аналитической. Пожалуй, именно биохимия со второй половины ХХ столетия занимает лидирующее положение в естествознании.
Возникновение и развитие научной химии.
Истоки химии
Химия древности. Химия, наука о составе веществ и их превращениях, начинается с открытия человеком способности огня изменять природные материалы. По-видимому, люди умели выплавлять медь и бронзу, обжигать глиняные изделия, получать стекло еще за 4000 лет до н.э. К 7 в. до н.э. Египет и Месопотамия стали центрами производства красителей; там же получали в чистом виде золото, серебро и другие металлы. Примерно с 1500 до 350 до н.э. для производства красителей использовали перегонку, а металлы выплавляли из руд, смешивая их с древесным углем и продувая через горящую смесь воздух. Самим процедурам превращения природных материалов придавали мистический смысл. Греческая натурфилософия. Эти мифологические идеи проникли в Грецию через Фалеса Милетского, который возводил все многообразие явлений и вещей к единой первостихии – воде. Однако греческих философов интересовали не способы получения веществ и их практическое использование, а главным образом суть происходящих в мире процессов. Так, древнегреческий философ Анаксимен утверждал, что первооснова Вселенной – воздух: при разрежении воздух превращается в огонь, а по мере сгущения становится водой, затем землей и, наконец, камнем. Гераклит Эфесский пытался объяснить явления природы, постулируя в качестве первоэлемента огонь. Четыре первоэлемента. Эти представления были объединены в натурфилософии Эмпедокла из Агригента – создателя теории четырех начал мироздания. В различных вариантах его теория властвовала над умами людей более двух тысячелетий. Согласно Эмпедоклу, все материальные объекты образуются при соединении вечных и неизменных элементов-стихий – воды, воздуха, земли и огня – под действием космических сил любви и ненависти. Теорию элементов Эмпедокла приняли и развили сначала Платон, уточнивший, что нематериальные силы добра и зла могут превращать эти элементы один в другой, а затем Аристотель. Согласно Аристотелю, элементы-стихии – это не материальные субстанции, а носители определенных качеств – тепла, холода, сухости и влажности. Этот взгляд трансформировался в идею четырех «соков» Галена и господствовал в науке вплоть до 17 в. Другим важным вопросом, занимавшим греческих натурфилософов, был вопрос о делимости материи. Родоначальниками концепции, получившей впоследствии название «атомистической», были Левкипп, его ученик Демокрит и Эпикур. Согласно их учению, существуют только пустота и атомы – неделимые материальные элементы, вечные, неразрушимые, непроницаемые, различающиеся формой, положением в пустоте и величиной; из их «вихря» образуются все тела. Атомистическая теория оставалась непопулярной в течение двух тысячелетий после Демокрита, но не исчезла полностью. Одним из ее приверженцев стал древнегреческий поэт Тит Лукреций Кар , изложивший взгляды Демокрита и Эпикура в поэме «О природе вещей» (De Rerum Natura).
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 немецкими химиками 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 XVIII в. она прочно удерживала свои позиции, пока французский химик А. Л. Лавуазье в конце XVIII в. не разработал кислородную теорию горения.Лавуазье показал, что все явления в химии, прежде считавшиеся хаотическими, могут быть систематизированы и сведены в закон сочетания элементов, старых и новых. К уже установленному до него списку элементов он добавил новые — кислород, который вместе с водородом входит в состав воды, а также и другой компонент воздуха — азот. В соответствии с новой системой химические соединения делились в основном на три категории: кислоты, основания, соли. Лавуазье рационализировал химию и объяснил причину большого разнообразия химических явлений: она заключается в различии химических элементов и их соединений.
Победа атомно-молекулярного учения
Следующий важный шаг в развитии научной химии был сделан Дж. Дальтоном, ткачом и школьным учителем из Манчестера. Изучая химический состав газов, он исследовал весовые количества кислорода, приходящиеся на одно и то же весовое количество вещества в различных по количественному составу окислах, и установил кратность этих количеств. Например, в пяти окислах азота количество кислорода относится на одно и то же весовое количество азота как 1 : 2 : 3 : 4 : 5. Так был открыт закон кратных отношений.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, 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 одержало на 1-м Международном конгрессе химиков.В 1850-1870-е гг. на основе учения о валентности химической связи была разработана теория химического строения, которая обусловила огромный успех органического синтеза и возникновение новых отраслей химической промышленности, а в теоретическом плане открыла путь теории пространственного строения органических соединений — стереохимии. 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 ХГХ в. эту мысль высказал английский ученый У. Праут на основе результатов измерений, показывавших, что атомные веса элементов кратны атомному весу водорода. 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 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.
Список использованной литературы
Горелов А.А. Концепции современного естествознания. – М.: Центр, 2003.
Князева Е.Н., Курдюмов С.П. Законы эволюции и само¬организации сложных систем. — М.: Наука, 1994.
В.Н.Лавриненко, В.П.Ратникова Концепции современного естествознания. М.: ЮНИТА-ДАНА, 1999.
Кузнецов В.И., Идлис Г.М., Гутина В.Н. Естествознание. — М.: Агар, 1996.
Азимов А. Краткая история химии. Развитие идей и представлений в химии. – М.: Мир, 1983.
Джуа М. История химии. – М.: Мир, 1996.
Рабинович В.Л. Алхимия как феномен средневековой культуры. М., 1979. Ч. 1. Гл. 1.
Соловьев Ю.И. История химии. Развитие химии с древнейших времён до конца XIX века. – М.: Просвещение, 1983.