Тема 13. Современные концепции химии

I. Специфика химии как науки

Химия – одна из важнейших областей естествознания, наука о веществах, их свойствах, строении и превращениях, происходящих в результате химических реакций.

Она занимается – изучением взаимодействий между атомами и молекулами.

Предмет химии – химические элементы и их соединения, а также закономерности,

которым подчиняются различные химические реакции.

Задачи химии:

1-я — получение веществ с заданными свойствами (на достижение ее направлена производственная деятельность человека)

2-я — выявление способов управления свойствами вещества (на реализацию этой задачи направлена научно-исследовательская работа ученых).

В настоящее время химию подразделяют на

Органическую Неорганическую Общую

(химия углеводородов (химия всех остальных (включает представления,.

и их производных) веществ) классификации и правила

важные для всей химии)

Выделяют следующие разделы химии:

аналитическая химия – занимается определением состава органических и неорганических веществ;

физическая химия – объясняет химические явления и устанавливает их закономерности на основе общих принципов физики;

биохимия – химия процессов и веществ в живых организмах;

химия высокомолекулярных веществ - полимеров;

кристаллохимия – изучает связь кристаллического строения вещества и его химического состава;

химия металлургических процессов;

радиохимия – химия радиоактивных веществ;

термохимия – анализ тепловых эффектов при протекании химических реакций;

электрохимия – протекание химических реакций под действием источников электрического тока и появление электрического тока в результате протекания химических превращений

Кроме перечисленных выше, известны и другие более частные разделы химии. С течением времени и накоплением новых знаний появляются новые разделы химии.

Современную картину химических знаний объясняют с позиций четырех концептуальных систем, которые схематично можно представить следующим образом:

1. Учение о составе вещества (конец XVII - первая половина XIX в.) – связано с исследованием различных свойств веществ в зависимости от их химического состава, определяемого их элементами.

2. Структурная химия (вторая половина XIX в.) – предполагает исследование структуры, то есть способа взаимодействия элементов вещества.

3. Учение о химических процессах (первая половина XX в.) – связано с исследованием внутренних механизмов и условий протекания химических процессов.

4. Эволюционная химия (70-е годы XX в) – представляет собой изучение природы и условий протекания химических процессов

II. История развития химии

Своим рождением химия обязана алхимии. Родиной алхимии был Египет (5 век до н.э.), где еще в древности были известны способы производства металлов, получения сплавов для монет и драгоценных изделий, которые держались в секрете и были достоянием очень ограниченного круга жрецов.

Но в связи с увеличивающимся спросом на драгоценный металл у представителей «практической металлургии» того времени возникла идея поиска способов превращения неблагородного металла в другие благородные металлы (свинец и железо – в золото). Особое развитие она получила в Западной Европе в период с 11 по 16 века нашей эры.

В 16 веке на смену алхимии пришло совершенно новое понимание задач химии. Ее назначение состояло не в получении золота, а в приготовлении лекарств. Это направление получило название ятрохимии.

1. Первый уровень химического знания - Учение о составе и свойствах вещества

В период с середины XVII века до первой половины XIX в. учение о составе и свойствах вещества представляло собой всю химию того времени. В этот период решались две важнейшие проблемы: химического элемента и химического соединения.

А) Концепция химического элемента появилась в результате стремления человека обнаружить первоэлемент природы в химии:

Роберт Бойль (1627-1691 г.г.) - английский ученый, основоположник экспериментального химического анализа, положил начало представлению о химическом элементе:

- химический элемент он представлял, как «простое тело» - это неосязаемые органами чувств мельчайшие частички (атомы), которые могли связываться друг с другом, образуя более крупные соединения — кластеры (по терминологии Бойля) или переходить без изменения из состава одного сложного тела в другое.

Он же предложил первый действенный способ решения проблемы происхождения свойств веществ: «Качество и свойство вещества зависят от того, из каких химических элементов оно состоит, а также от объема и формы кластеров (молекул), от того, находятся они в движении или покоятся».

Однако, ни Р. Бойль ни его последователи в 18 веке не имели ясного представления о «простом теле» и потому принимали за него, по сути дела, химическое соединение. Так, например, железо, медь, и другие известные в то время металлы ученые рассматривали как сложные тела, а окалину, получающуюся при их нагревании, - как простое тело. Теперь известно, что окалина – это оксид металла – сложное тело.

Ошибочное представление, существовавшее в 18 веке, было навязано ученым господствовавшей в то время ложной гипотезой о флогистоне (от греч. – зажигать, гореть), которую впервые выдвинул немецкий врач и химик Георг Эрнст Шталь (1659 – 1734 г.г.).

С ее помощью он пытался дать общее объяснение химическим реакциям. Он считал, что металл состоят из окалины и флогистона (невесомого вещества) , который при нагревании улетучивается, и остается чистый элемент.

Эта гипотеза была опровергнута только в конце XVIII века французским химиком Антуаном Лавуазье (1743  —1794  г.г.) после открытия кислорода и выявления его роли в процессах горения и окисления.

Он четко сформулировал представление о простых телах и предположил, что все вещества, которые еще не подверглись разложению, являются элементами.

Он же первый предпринял попытку систематизации открытых к тому времени 33 химических элементов, хотя при этом отнес к ним некоторые химические соединения (известь, магнезию и др.).

Б) Концепция химических соединений. Долгое время химики эмпирическим путем определяли, что относится к химическим соединениям, а что — к простым телам или смесям.

В конце XVIII века русский ученый-естествоиспытатель Михаил Ломоносов (1711– 1765 г.г.) и Антуан Лавуазье открыли Закона сохранения материи и движения, согласно которому: «Масса веществ, вступающих в реакцию равна сумме всех продуктов реакции».

В начале XIX века французский химик Жозев Пруст (1754 —1826 г.г.) сформулировал Закон постоянства состава, в соответствии с которым «Любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным, неизменным составом и тем самым отличается от смесей».

Теоретическое обоснование закона Пруста было дано английским физиком и химиком Джоном Дальтоном (1766–1844 г.г.) в Законе кратных отношений, согласно которому состав любого вещества можно было представить как простую формулу, а эквивалентные составные части молекулы — атомы, обозначавшиеся соответствующими символами, — могли замещаться на другие атомы. Также он предложил (1804 г.) систему химических знаков для "простых" и "сложных" атомов.

!!! Но дальнейшее развитие химии и изучение все большего числа соединений приводили химиков к мысли, что наряду с веществами, имеющими определенный состав, существуют еще и соединения переменного состава — бертоллиды.

В результате были переосмыслены представления о молекуле в целом. Молекулой, как и прежде, продолжали называть наименьшую частичку вещества, способную определять его свойства и существовать самостоятельно.

2. Второй уровень химического знания - Структурная химия.

Многочисленные эксперименты по изучению свойств химических элементов в первой половине XIX в. привели ученых к убеждению, что свойства веществ и их качественное разнообразие обусловлены не только составом элементов, но и структурой их молекул.

Основы структурной химии были заложены английским физиком и химиком Джоном Дальтоном, который в 1803-1804 г.г. сформулировал и обосновал Теория атомного строения, на основании которой показал, что любое химическое вещество представляет собой совокупность молекул, состоящих из определенного количества атомов одного, двух или трех химических элементов. (Впоследствии ее основные положения были утверждены на первом Международном съезде химиков в Карлсруэ в Германии -1860 г.).

Основные положения атомно-молекулярной теории:

- все вещества состоят из молекул;

- все молекулы состоят из атомов;

- атомы и молекулы находятся в непрерывном движении;

- атомы представляют собой мельчайшие, неделимые составные части молекул.

- разным элементам соответствуют разные атомы;

- при химических реакциях молекулы одних веществ превращаются в молекулы других веществ;

- атомы при химических реакциях не изменяются;

- молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, молекулы сложных веществ

– из разных атомов.

В 1818 году шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус (1779 - 1848 г.г.) сформулировал Электрохимическую теорию, согласно которой, молекула представляет собой не простое нагромождение атомов, а определенную упорядоченную структуру атомов, связанных между собой электростатическими силами.

Он также ввел простую и понятную систему химических символов: для обозначения элемента им была принята первая буква его латинского или греческого названия, иногда за ней следовала еще одна буква; для указания числа атомов использовались алгебраические индексы.

В 1857 г. немецкий химик Фридрих Август Кекуле (1829-1896 г.г.) опубликовал свои наблюдения о свойствах некоторых элементов, которые могут заменять атомы водорода в ряде соединений, и ввел новый термин — сродство (количество атомов водорода, которые может заместить данный химический элемент).

Число единиц сродства, присущее данному химическому элементу, он назвал валентностью. Все элементы, кроме углерода, он разделил на двух - и трехосновные (двухвалентные и трехвалентные); углерод отнес к четырехвалентным элементам.

В 1858 году - выдвинул положение о том, что строение соединения обусловлено валентностью элементов и сформулировал первоначальные положения теории валентности.

Важнейшим шагом в развитии структурной химии стали исследования русского химика Александра Михайловича Бутлерова (1828 – 1886 г.г.), сформулировавшего Теорию строения вещества: «Свойства молекулы определяются свойствами атомов, составляющих ее, их числом и расположением в молекуле».

Вслед за Кекуле Бутлеров признавал, что образование молекул из атомов происходит за счет замыкания свободных единиц сродства, но при этом он указывал на то, с какой энергией (большей или меньшей) это сродство связывает вещества между собой.

Иными словами, Бутлеров впервые в истории химии обратил внимание на энергетическую неравноценность разных химических связей.

Эта теория позволила определять строение молекул химических веществ, способствовала развитию органического синтеза и получению органических веществ с заданными свойствами (60 – 80 е годы).

Кроме того, все выше перечисленные открытия позволили систематизировать теоретические и практические знания.

Основоположником системного освоения химических знаний явился русский химик Дмитрий Иванович Менделеев (1834 – 1907 г.г.).

В 1869 г., он открыл Периодический закон и разработал Периодическую систему химических элементов.

“ Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов” (по Менделееву)

Дальнейшее развитие науки позволило уточнить, что свойства химических элементов зависят - от заряда ядра атомов (от порядкового номера).

В периодической системе Д.И. Менделеева насчитывалось 62 элемента, в 1930 - е гг. она заканчивалась ураном (Z = 92 ). В 1999 г. было сообщено, что путём физического синтеза атомных ядер открыт 114 - й элемент.

В XX веке структурная химия получила дальнейшее развитие. В частности:

- было уточнено понятие структуры, под которой стали понимать устойчивую упорядоченность качественно неизменной системы.

- было введено понятие атомной структуры — устойчивой совокупности ядра и окружающих его электронов, находящихся в электромагнитном взаимодействии друг с другом,

- было введено понятие молекулярной структуры — сочетания ограниченного числа атомов, имеющих закономерное расположение в пространстве и связанных друг с другом химической связью с помощью валентных электронов.

В настоящее время - идет поиск путей получения кристаллов для производства высокопрочных материалов с заданными свойствами, обладающих термостойкостью, сопротивлением агрессивной среде и другими качествами, предъявляемыми сегодняшним уровнем развития науки и техники.

3. Третий уровень химического знания - Учение о химических процессах.

Под влиянием новых требований производства происходит поиск методов управления химическими реакциями, в результате чего возникло Учение о химических процессах, в основе которого находятся химическая термодинамика и кинетика.

Учение о химических процессах базируется на идее, что способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется кроме всего прочего и условиями протекания химических реакций (температурой, давлением, растворителями и другими факторами), которые могут оказывать воздействие на характер и результаты этих реакций.

Одним из основоположников этого научного направления стал русский химик Николай Николаевич Семенов (1896— 1986 г.г.). Им и рядом других исследователей было доказано, что:

- все химические реакции имеют свойство обратимости, которое удерживает равновесие между прямой и обратной реакциями;

- на практике равновесие смещается в ту или иную сторону, в результате чего происходит перераспределение химических связей;

- смещение равновесия зависит как от природы реагентов, так и от условий процесса

Смещение равновесия в ту или другую стороны требует специальных способов управления реакциями. Поэтому, важнейшей задачей химиков становится поиск методов управления химическими процессами, добиваясь нужных результатов.

Дело в том, что некоторые процессы не удаётся осуществить, хотя в принципе они осуществимы; другие трудно остановить - реакция горения, взрывы, а часть из них трудно управляема, поскольку они самопроизвольно создают массу побочных продуктов.

Для управления химическими процессами были разработаны два вида методов:

- термодинамические методы (влияют на смещение химического равновесия реакции)

- кинетические (влияют на скорость протекания химической реакции).

4. Четвертый уровень химического знания - Эволюционная химия.

Химики давно пытались понять, каким образом из неорганической безжизненной материи возникает органическая основа жизни на Земле. Какая лаборатория этого процесса - лаборатория, в которой без участия человека получаются новые химические соединения, более сложные, чем исходные вещества?

Решением этих вопросов в ХХ веке занялась Эволюционная химия.

Под эволюционными процессами в химии понимают процессы самопроизвольного (без участия человека) синтеза новых химических соединений, являющихся более сложными и высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами.

Поэтому эволюционную химию заслуженно считают предбиологией, наукой о самоорганизации и саморазвитии химических систем.

До последней трети XX века об эволюционной химии ничего не было известно. В отличие от биологов, которые вынуждены были использовать эволюционную теорию Дарвина для объяснения происхождения многочисленных видов растений и животных, химики не интересовались вопросом происхождения вещества, потому что получение любого нового химического соединения всегда было делом рук и разума человека.

Первые шаги на пути изучения и освоения опыта живой природы были сделаны еще XIX веке шведским учёным Йёнсем Якобом Берцелиусом (1779—1848 г.г.).

Он установил, что в основе функционирования живого организма лежит биокатализ, т.е. присутствие различных природных веществ, способных управлять химическими реакциями, замедляя или ускоряя их протекание. Эти катализаторы в живых системах определены самой природой.

Затем исследования в этой направлении велись: немецким химиком. Юстусом Либихом (1803 - 1873 г.г.) - изучавшим процессы ферментативного брожения; французским химиком Пьером Бертло (1827—1907 г.г.) - синтезировавшим огромное число органических соединений, относящихся к различным классам; русским физиком и химиком Николаем Николаевичем Семеновым (1896—1986 г.г.) – создавшем теорию цепных реакций. Их работы способствовали укреплению связи химии с биологией.

В 1969 г. профессором Московского университета Александр Прокопьевич Руденко (1925 г. рождения) выдвинул теорию саморазвития открытых каталитических систем. Очень скоро она была преобразована в общую теорию химической эволюции и биогенеза. В ней решены вопросы о движущих силах и механизмах эволюционного процесса, т. е. о законах химической эволюции, об отборе элементов и структур их причинной обусловленности, о высоте химической организации и иерархии химических систем как следствии эволюции.

Также достижения химии позволили в 20-м веке:

- установить структуру ДНК;

- расшифровать молекулярный генный механизм наследственности;

- синтезировать несуществующие в природе вещества (пластмассы, синтетические ткани и т.д.);

- создавать сверхпрочные, сверхпроводящие и др. материалы с новыми свойствами;

- производить операции на фрагментах ДНК и т.д.