sketch
.pdfС. И. ЛЕВЧЕНКОВ
КРАТКИЙ ОЧЕРК ИСТОРИИ ХИМИИ
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ |
3 |
I. ПРЕДАЛХИМИЧЕСКИЙ ПЕРИОД |
9 |
Ремесленная химия |
9 |
Античная натурфилософия |
11 |
Милетская школа натурфилософии (континуализм) |
11 |
Античный атомизм |
16 |
II. АЛХИМИЧЕСКИЙ ПЕРИОД |
18 |
Александрийская алхимия |
18 |
Арабская алхимия |
21 |
Европейская алхимия |
25 |
Иатрохимия и техническая химия |
28 |
III. ПЕРИОД СТАНОВЛЕНИЯ |
31 |
Экспериментальное естествознание XVII века |
31 |
Роберт Бойль и возникновение научной химии |
33 |
Теория флогистона |
35 |
Кислородная теория горения |
38 |
Химическая революция |
40 |
IV. ПЕРИОД КОЛИЧЕСТВЕННЫХ ЗАКОНОВ |
43 |
Стехиометрия |
43 |
Атомистическая теория Дальтона |
44 |
Проблема определения атомных масс |
45 |
Электрохимические теории Дэви и Берцелиуса |
50 |
V. ПЕРИОД КЛАССИЧЕСКОЙ ХИМИИ |
53 |
V.1. ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ |
53 |
Систематизация элементов. Периодический закон |
53 |
Развитие периодического закона |
59 |
V.2. СТРУКТУРНАЯ ХИМИЯ |
61 |
Возникновение структурной химии |
61 |
Создание теорий структурной химии |
62 |
Стереохимия |
70 |
Координационная химия |
72 |
V.3. УЧЕНИЕ О ХИМИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ – ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ |
73 |
Термохимия |
74 |
Термодинамика |
76 |
Химическое равновесие |
79 |
Химическая кинетика |
81 |
Катализ |
83 |
Учение о растворах |
85 |
Итоги развития химии в XIX веке |
87 |
VI. ХИМИЯ XX ВЕКА |
88 |
Делимость "неделимого" |
88 |
Модели строения атома |
92 |
Представления о природе химической связи |
97 |
Квантовая химия |
100 |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ |
104 |
Copyright © С. И. Левченков, 2006 г.
2
ВВЕДЕНИЕ
Предлагаемый "Краткий очерк истории химии" представляет собой
изложение лекций, читаемых автором студентам химического факультета Ростовского госуниверситета. Целью курса истории химии является, прежде всего, создание представления о науке как о логически единой, непрерывно и
закономерно развивающейся системе знаний о материальном мире. "Знание
готовых выводов, без сведений о способах их достижения, может легко привести к заблуждению…, потому что тогда неизбежно надо придавать абсолютное значение тому, что относительно и временно" – эти слова Д. И.
Менделеева как нельзя лучше раскрывают смысл изучения истории химии.
При чтении курса основное внимание уделяется изложению развития
теоретических воззрений химии. История накопления опытных данных – открытия химических элементов и основных законов природы, развития органического синтеза, создания и совершенствования химических технологий и т.п. – в значительной степени входят в состав основных курсов химии. В то же время эти исторические сведения сами по себе, вне современных им теоретических концепций, не способны дать истинное представление об их ценности и значимости
для развития науки. Более того, такие сведения в отрыве от исторического контекста зачастую производят совершенно ложное впечатление на учащихся,
оценивающих их с высоты современного уровня знаний. Поскольку в кратком очерке невозможно рассмотреть развитие каждой из теорий, зачастую представлявших собой целую эпоху в истории науки, автору представлялось разумным излагать рассматриваемые воззрения, как правило, не в
первоначальном, а в окончательно сформировавшемся виде.
Химия как развивающаяся наука.
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 случае химии – уже с начала XIX века) в связи с её дифференциацией неизбежны отступления от хронологического порядка
3
изложения, поскольку приходится отдельно рассматривать развитие каждого из основных разделов науки.
Как правило, большинство историков химии выделяют следующие основные этапы её развития:
1.Предалхимический период: до III в. н.э.
Впредалхимическом периоде теоретический и практический аспекты знаний
овеществе развиваются относительно независимо друг от друга. Происхождение
свойств вещества рассматривает античная натурфилософия, практические
операции с веществом являются прерогативой ремесленной химии.
2.Алхимический период: III – XVI вв.
Алхимический период, в свою очередь, разделяется на три подпериода –
александрийскую (греко-египетскую), арабскую и 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.
3.Период становления (объединения): XVII – XVIII вв.
Впериод 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 (хотя и тесно связанной с другими отраслями естествознания) науки, занимающейся экспериментальным
изучением состава тел.
4.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
4
превращение химии в точную науку, основанную не только на наблюдении, но и на измерении.
5. 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 результатов достигают прикладная
неорганическая химия и органический синтез, добивается первых успехов
биологическая химия. В связи с быстрым ростом объёма знаний о веществе и его
свойствах начинается дифференциация химии – обособление её отдельных
направлений, приобретающих черты самостоятельных наук.
6.Современный период: с начала XX века по настоящее время.
Вначале ХХ века происходит революция в физике: на смену системе знаний
оматерии, основанной на механике Ньютона, приходят квантовая теория и теория
относительности. Установление делимости атома и создание квантовой механики вкладывают новое содержание в основные понятия химии. Успехи физики в начале XX века позволили понять причины периодичности свойств элементов и их
соединений, объяснить природу валентных сил и создать теории химической связи
между атомами. Появление принципиально новых физических методов исследования предоставило химикам невиданные ранее возможности для изучения состава, структуры и реакционной способности вещества. Всё это в совокупности обусловило в числе прочих достижений и блестящие успехи
биологической химии второй половины XX века – установление строения белков и ДНК, познание механизмов функционирования клеток живого организма.
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".
5
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
(каковое различие, кстати, может быть правильно понято только при историческом рассмотрении). 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.
Теоретическая задача химии имеет ограниченное и строго определённое число способов решения, которые задаются структурной иерархией самого вещества, для которого можно выделить следующие уровни организации:
1.Субатомные (элементарные) частицы.
2.Атомы химических элементов.
3.Молекулы химических веществ как унитарные (единые) системы.
4.Микро- и макроскопические системы реагирующих молекул.
5.Мегасистемы (Солнечная система, Галактика и т.п.)
Объектами изучения химии является вещество на 2 – 4 уровнях организации.
Исходя из этого, для разрешения проблемы происхождения свойств необходимо рассмотреть зависимость свойств вещества от трёх факторов:
6
1.От элементарного состава;
2.От структуры молекулы вещества;
3.От организации системы.
Таким образом, иерархия изучаемых материальных объектов
предопределяет иерархию т.н. концептуальных систем химии – относительно самостоятельных систем теорий, описывающих вещество на каком-либо уровне организации. Обычно выделяют три концептуальных системы, а именно:
1.Учение о составе;
2.Структурная химия;
3.Учение о химическом процессе.
Следует отметить, что указанные концептуальные системы не противоречат
друг другу и не сменяют одна другую, но являются взаимно дополняющими.
Учение о составе возникло значительно раньше двух других концептуальных систем – уже в античной натурфилософии появляется понятие об
элементах как о составных частях тел. Научная химия воспринимает это учение, но уже основанное на принципиально новых представлениях об элементах, как о неразложимых далее телах (частицах), из которых состоят все "смешанные тела"
(соединения). Основной тезис учения о составе состоит в следующем: свойства
вещества определяются его составом, т.е. тем, из каких элементов и в каком их соотношении образовано данное вещество. Объектом учения о составе
является вещество как совокупность атомов.
Структурная химия появляется в первой половине XIX-го века и исходит из
следующего тезиса: свойства вещества определяются структурой молекулы вещества, т.е. её элементным составом, порядком соединения атомов между собой и их расположением в пространстве. Причиной появления структурной химии стало открытие явлений изомерии и металепсии (см. гл. V.2.), которые не
могли быть объяснены в рамках существующих понятий. Для объяснения этих
экспериментальных фактов предлагаются новые теории; объектом структурной химии становится молекула химического вещества как единое целое. Применительно к химической практике появление новой концептуальной системы
означало в данном случае ещё и превращение химии из науки преимущественно
аналитической в науку синтетическую.
Учение о химическом процессе, сформировавшееся во второй половине XIX
столетия, исходит из посылки, что свойства вещества определяются его
7
составом, структурой и организацией системы, в которой это вещество находится. Учение о процессе выделяется в самостоятельную концепцию химии,
когда накапливаются экспериментальные факты, указывающие на то, что законы,
управляющие химическими реакциями, не могут быть сведены к составу вещества
и структуре его молекулы. Знания состава вещества и структуры молекул часто
оказывается недостаточно для предсказания свойств вещества, которые в общем
случае обусловлены ещё и природой сореагентов, относительными количествами
реагентов, внешними условиями, в которых находится система, наличием в
системе веществ, стехиометрически не участвующих в реакции (примесей,
катализаторов, растворителя и т.п.). Предметом изучения химии на этом уровне
становится вся кинетическая система, в которой состав вещества и структура его молекул представлены лишь как частности. Эмпирические понятия химического
сродства и реакционной способности получают теоретическое обоснование в
химической термодинамике, химической кинетике и учении о катализе. Создание учения о химическом процессе дало возможность решить важнейшие практические
вопросы управления химическими превращениями, внедрить в химическую
технологию принципиально новые процессы.
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.
8
I. ПРЕДАЛХИМИЧЕСКИЙ ПЕРИОД.
Ремесленная химия в доантичный и античный периоды.
Проблема получения материалов (веществ) с заданными свойствами в
практическом плане возникает, видимо, одновременно с человеком, который на
протяжении достаточно длительного с точки зрения эволюции времени не столько приспосабливается к окружающей среде, сколько приспосабливает окружающую
среду к себе. Важнейшую роль в преобразовании человеком природы играют
разного рода химические операции с веществом. Однако начало зарождения
ремесленной химии следует в первую очередь связывать, видимо, с появлением и
развитием металлургии. В истории Древнего мира традиционно выделяются
Медный, Бронзовый и Железный века, в которых основным материалом для
изготовления орудий труда и оружия являлись соответственно медь, бронза и
железо. Соответственно и в развитии древней металлургии можно выделить следующие основные этапы:
1.Медь впервые получена выплавкой из руд, видимо, примерно за 9000 лет до н.э. Достоверно известно, что в конце VII тысячелетия до н.э. существовала металлургия меди и свинца. В IV тысячелетии до н.э. уже имеет место широкое распространение изделий из меди.
2.Приблизительно 3000 годом до н.э. датируются первые изделия из оловянной бронзы, сплава меди и олова, значительно более твёрдого, чем
медь. Несколько раньше (примерно с V тысячелетия до н.э.) широко распространяются изделия из мышьяковистой бронзы – сплава меди с мышьяком. Бронзовый век в истории длится около двух тысяч лет; именно в бронзовом веке зарождаются крупнейшие цивилизации древности.
3.Первые изделия из железа неметеоритного происхождения изготовлены примерно за 2000 лет до н.э. Начиная с середины II тысячелетия до н.э., изделия из железа получают широкое распространение в Малой Азии, несколько позднее – в Греции и Египте. Появление металлургии железа представляло собой существенный шаг вперёд, поскольку технологически получение железа значительно сложнее выплавки меди или бронзы. Для получения железа необходимо применение дутья – продувания воздуха
через горящий древесный уголь, а также использование добавок – флюсов, облегчающих отделение примесей в виде шлаков. Переход к металлургии
9
железа предполагает также существенное усложнение технологии обработки металла после плавки – ковка, науглероживание поверхностного слоя,
закалка и т.п. Примерно в IV в. до н.э. в Персии открывается способ изготовления булатной стали – высокоуглеродистого железа, которому
посредством длительной обработки придавались совершенно уникальные пластичность и твердость.
В III тысячелетии до н.э. были известны также и способы получения из руд
золота и серебра. В середине II тысячелетия до н.э. впервые получена ртуть. Таким
образом, в Древнем мире были известны в чистом виде семь металлов: медь,
свинец, олово, железо, золото, серебро и ртуть, а в виде сплавов – ещё и мышьяк,
цинк и висмут. Достижения металлургов древности стали основой
металлургической техники всего средневековья. Сколько-нибудь существенные
усовершенствования в старинные методы выплавки металлов, особенно в технику получения железа, были внесены лишь в Новое время.
Помимо металлургии, накопление практических знаний происходило и в других областях химической технологии. Уже в III-м тысячелетии до н.э. помимо известной с древнейших времён терракоты (обожжённой глины) широко
распространяются изделия из майолики, покрытой слоем обливной глазури,
окрашенной оксидами свинца, железа, меди, кобальта. Примерно к тому же времени относятся и первые изделия из стекла, обнаруженные в Месопотамии, Египте и Палестине. Настоящее производство стекла, которое окрашивалось в разные цвета, появляется в Древнем Египте в середине II тысячелетия до н.э.
Египетские рецепты, датируемые II-м тысячелетием до н.э., свидетельствуют также и о весьма высоком уровне развития парфюмерного искусства, косметики,
технологий крашения тканей и дубления кож, фармации и т.п.
Следует отметить, что в доантичные и ранние античные времена именно
Египет являлся общепризнанным лидером в области химической технологии (исключая, пожалуй, металлургию). Весьма важной особенностью ремесленной
химии в Древнем Египте являлось то, что все ремёсла находились под эгидой храмов, в которых жрецы тщательно записывали и сохраняли используемые
технологии и рецептуры. Наивысшего расцвета химические (как, впрочем, и все прочие) технологии Древнего мира достигают в эллинистическом Египте и императорском Риме.
10