Химическая картина мира

Хи́мия (от араб. کيمياء‎‎, произошедшего, предположительно, от египетского слова km.t (чёрный), откуда возникло также название Египта, чернозёма и свинца — «черная земля»; другие возможные варианты: др.-греч. χυμος — «сок», «эссенция», «влага», «вкус», др.-греч. χυμα — «сплав (металлов)», «литье», «поток», др.-греч. χυμευσις — «смешивание») — одна из важнейших и обширных областей естествознания, наука о веществах, их составе и строении, их свойствах, зависящих от состава и строения, их превращениях, ведущих к изменению состава — химических реакциях, а также о законах и закономерностях, которым эти превращения подчиняются. Поскольку все вещества состоят из атомов, которые благодаря химическим связям способны формировать молекулы, то химия занимается прежде всего рассмотрением перечисленных выше задач на атомно-молекулярном уровне, т. е. на уровне химических элементов и их соединений. Химия имеет немало связей с физикой и биологией, по сути граница между ними условна, а пограничные области изучаются квантовой химией, химической физикой, физической химией, геохимией, биохимией и другими науками.

Зачатки химии возникли ещё со времён появления человека разумного. Поскольку человек всегда так или иначе имел дело с химическими веществами, его первые эксперименты с огнём, дублением шкур, приготовлением пищи можно назвать зачатками практической химии. Постепенно практические знания накапливались, и в самом начале развития цивилизации люди умели готовить некоторые краски, эмали, яды и лекарства. Вначале человек использовал биологические процессы, такие, как брожение, гниение; позже, с освоением огня, начал использовать процессы горения, спекания, сплавления. Использовались окислительно-восстановительные реакции, не протекающие в живой природе — например, восстановление металлов из их соединений.

Такие ремёсла, как металлургия, гончарство, стеклоделие, крашение, парфюмерия, косметика, достигли значительного развития ещё до начала нашей эры. Например, состав современного бутылочного стекла практически не отличается от состава стекла, применявшегося в 4000 году до н. э. в Египте. Хотя химические знания тщательно скрывались жрецами от непосвящённых, они всё равно медленно проникали в другие страны. К европейцам химическая наука попала главным образом от арабов после завоевания ими Испании в 711 году. Они называли эту науку «алхимией», от них это название распространилось и в Европе.

Известно, что в Египте уже в 3000 году до н. э. умели получать медь из её соединений, используя древесный уголь в качестве восстановителя, а также получали серебро и свинец. Постепенно в Египте и Месопотамии было развито производство бронзы, а в северных странах — железа. Делались также теоретические находки. Например, в Китае с XXII века до н. э. существовала теория об основных элементах (Вода, Огонь, Дерево, Золото, Земля). В Месопотамии возникла идея о противоположностях, из которых построен мир: огонь—вода, тепло—холод, сухость—влажность и т. д.

В V веке до н. э. в Греции Левкипп и Демокрит развили теорию о строении вещества из атомов. По аналогии со строением письма они заключили, что как речь делится на слова, а слова состоят из букв, так и все вещества состоят из определённых соединений (молекул), которые в свою очередь состоят из неделимых элементов (атомов).

В V веке до н. э. Эмпедокл предложил считать основными элементами (стихиями) Воду, Огонь, Воздух и Землю. В IV веке до н. э. Платон развил учение Эмпедокла: каждому из этих элементов соответствовал свой цвет и своя правильная пространственная фигура атома, определяющая его свойства: огню — красный цвет и тетраэдр, воде — синий и икосаэдр, земле — зелёный и гексаэдр, воздуху — жёлтый и октаэдр. По мнению Платона, именно из комбинаций этих «кирпичиков» и построен весь материальный мир. Учение о четырёх превращающихся друг в друга было унаследовано Аристотелем.

Процесс зарождения химической науки был длительным, сложным и противоречивым. Истоки химических знаний лежат в глубокой древности и связаны с потребностью людей получать различные вещества. Происхождение термина «химия» не совсем ясно, но по одной из версий это означает «египетское искусство», по другой - «искусство получения соков растений».

Историю химической науки можно разделить на несколько этапов:

1. 1. Период алхимии - с древности до XVI в.

2. 2. Период зарождения научной химии - XVI-XVII вв.

3. 3. Период открытия основных законов химии - первые 60 лет XIX в.

4. 4. Современный период - с 60-х годов XIX в. до настоящего времени.

Исторически алхимия сложилась как тайное, мистическое знание, направленное на поиски философского камня, превращающего металлы в золото и серебро, и эликсира долголетия. В течение своей многовековой истории алхимия решала многие практические задачи, связанные с получением веществ и заложила фундамент для создания научной химии.

Наивысшего развития алхимия достигла в трех основных типах:

· · греко-египетском;

· · арабском;

· · западно-европейском.

Родиной алхимии был Египет. Еще в древности там были известны способы получения металлов, сплавов, применявшихся для производства монет, оружия, украшений. Эти знания держались в секрете и были достоянием ограниченного круга жрецов. Увеличивающийся спрос на золото подтолкнул металлургов к поиску способов превращения (трансмутации) неблагородных металлов (железа, свинца, меди и др.) в золото. Алхимический характер древней металлургии связал ее с астрологией и магией. Каждый металл имел астрологическую связь с соответствующей планетой. Погоня за философским камнем позволила углубить и расширить знания о химических процессах. Получила развитие металлургия, были усовершенствованы процессы очистки золота и серебра.

Культура Египта обладала хорошо развитыми технологиями, что демонстрируют объекты и сооружения, создание которых возможно только при наличии теоретической и практической базы. Подтверждение развития первичных теоретических знаний в Египте наука получает в последнее время. Тем не менее, на такое происхождение указывает, в большей степени эзотерическую, концептуальную принадлежность имеющие подобия теоретических — традиционные источники алхимии — этого причудливого и цветистого «симбиоза» искусства и, в определённой степени — примата одного из основных разделов естествознания — химии, только формально берущей начало в этом комплексе знаний и опыта. Среди таких источников в первую очередь следует назвать — «Изумрудную скрижаль» (лат. «Tabula smaragdina») Гермеса Трисмегиста, как и ряд других трактатов «Большого алхимического свода».

Имел место ещё в IV—III веках до н. э. на Востоке (в Индии, Китае, в арабском мире) ранний «прототип» алхимии. В этот и последующие периоды были найдены новые способы получения таких элементов как ртуть, сера, фосфор, охарактеризованы многие соли, уже были известны и использовались кислота HNO3 и щёлочь NaOH. С раннего Средневековья получает развитие то, что сейчас принято понимать под алхимией, в которой традиционно соединились, наряду с вышеназванными наукообразными компонентами (в смысле современного понимания методологии науки), философские представления эпохи и новые для того времени ремесленные навыки, а также магические и мистические представления; последними, впрочем, и была наделена в отдельных своих проявлениях и особенностях философская мысль той поры. Известными алхимиками того времени были Джабир ибн Хайян (Гебер), Ибн Сина (Авиценна) и Абу Бакр ар-Рази. Ещё в античности, благодаря интенсивному развитию торговли, золото и серебро становятся всеобщим эквивалентом производимых товаров. Трудности, с которыми связано получение этих сравнительно редких металлов, побудили к попыткам практического использования натурфилософских воззрений Аристотеля о преобразовании одних веществ в другие; возникновение учения о «трансмутации», вместе с уже названным Гермесом Трисмегистом, традиция алхимической школы связывала и с его именем. Представления эти претерпели мало изменений вплоть до XIV века

В VII веке н. э. алхимия проникла в Европу. В то время, как и на протяжении всей истории, у представителей господствовавших слоёв общества особой «популярностью» пользовались предметы роскоши, в особенности — золото, поскольку именно оно являлось, как уже отмечено, эквивалентом торговой оценки. Алхимиков, в числе прочих вопросов, продолжали интересовать способы получения золота из других металлов, а также проблемы их обработки. Вместе с тем, к тому времени арабская алхимия стала отдаляться от практики и утратила влияние. Из-за особенностей технологий, обусловленных, в числе прочего — системой герметических взглядов, различием знаковых систем, терминологии и сугубо корпоративного распространения знаний «алхимическое действо» развивалось очень медленно. Наиболее известными европейскими алхимиками считаются Никола Фламель, Альберт Великий, Джон Ди, Роджер Бэкон и Раймонд Луллий. Эпоха алхимиков ознаменовала получение многих первичных веществ, разработку способов их получения, выделения и очистки. Только в XVI веке, с развитием различных производств, в том числе металлургии, а также фармацевтики, обусловленным возрастанием её роли в медицине, начали появляться исследователи, чья деятельность выразилась существенными преобразованиями в этой науке, которые приблизили становление хорошо осмысленных и актуальных практических методов этой дисциплины. Среди них, прежде всего, следует назвать Георгия Агриколу и Теофраста Бомбаста Парацельса

Тем не менее, в период правления императора Диоклетиана в Древнем Риме алхимия стала преследоваться. Возможность получения дешевого золота напугала императора и по его приказу были уничтожены все труды по алхимии. Значительную роль в запрете алхимии сыграло христианство, которое рассматривало ее как дьявольское ремесло.

После завоевания арабами Египта в VII в. н. э. алхимия стала развиваться в арабских странах. Самым выдающимся арабским алхимиком был Джабир ибн Хайям, известный в Европе как Гебер. Он описал нашатырный спирт, технологию приготовления свинцовых белил, способ перегонки уксуса для получения уксусной кислоты. Основополагающей идеей Джабира являлась теория образования всех, известных тогда семи металлов из смеси ртути и серы как двух основных составляющих. Эта идея предвосхитила деление простых веществ на металлы и неметаллы.

Развитие арабской алхимии шло двумя параллельными путями. Одни алхимики занимались трансмутацией металлов в золото, другие искали эликсир жизни, дававший бессмертие.

Появление алхимии в странах Западной Европы стало возможным благодаря крестовым походам. Тогда европейцы позаимствовали у арабов научно-практические знания, среди которых была алхимия. Европейская алхимия попала под покровительство астрологии и поэтому приобрела характер тайной науки. Имя самого выдающегося средневекового западноевропейского алхимика осталось неизвестным, известно лишь, что он был испанцем и жил в XIV веке. Он первым описал серную кислоту, процесс образования азотной кислоты, царской водки. Несомненной заслугой европейской алхимии было изучение и получение минеральных кислот, солей, спирта, фосфора и т. д. Алхимиками была создана химическая аппаратура, разработаны различные химические операции: нагревание на прямом огне, водяной бане, прокаливание, перегонка, возгонка, выпаривание, фильтрование, кристаллизация и др. Таким образом, были подготовлены соответствующие условия для развития химической науки.

Период зарождения химической науки охватывает три столетия - с XVI по XIX вв. Условиями становления химии как науки были:

· · обновление европейской культуры;

· · потребность в новых видах промышленного производства;

· · открытие Нового света;

· · расширение торговых отношений.

Отделившись от старой алхимии, химия приобрела большую свободу исследования и утвердилась как единая независимая наука.

В XVI в. на смену алхимии пришло новое направление, которое занималось приготовлением лекарств. Это направление получило название ятрохимии. Основателем ятрохимии был швейцарский ученый Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм, известный в науке под именем Парацельс. Ятрохимия стремилась соединить медицину с химией, используя препараты нового типа, приготовленные из минералов. Ятрохимия принесла значительную пользу химии, т. к. способствовала освобождению ее от влияния алхимии и заложила научно-практические основы фармакологии.

В XVII столетии, в век бурного развития механики, в связи с изобретением паровой машины, возник интерес химии к процессу горения. Итогом этих исследований стала теория флогистона, основоположником которой был немецкий химик и врач Георг Шталь. Теория флогистона основана на утверждении, что все горючие вещества богаты особым горючим веществом - флогистоном. Чем больше флогистона содержит вещество, тем более оно способно к горению. Металлы тоже содержат флогистон, но теряя его, превращаются в окалину. При нагревании окалины с углем, металл забирает от него флогистон и возрождается. Теория флогистона, несмотря свою на ошибочность, давала приемлемое объяснение процессу выплавки металлов из руд. Необъяснимым оставался вопрос, почему зола и сажа, оставшиеся от сгорания таких веществ, как дерево, бумага, жир, намного легче, чем исходное вещество.

В XVIII в. французский физик Антуан Лоран Лавуазье, нагревая различные вещества в закрытых сосудах, установил, что общая масса всех веществ, участвующих в реакции, остается без изменений. Лавуазье пришел к выводу, что масса веществ никогда не создается и не уничтожается, а лишь переходит от одного вещества к другому. Этот вывод, известный сегодня как закон сохранения массы, стал основой для всего процесса развития химии XIX в.

Продолжая исследования, Лавуазье установил, что воздух является не простым веществом, а смесью газов, пятую часть которого составляет кислород, а остальные 4/5 азот. В это же время английский физик Генри Кэвендиш выделил водород и, сжигая его, получил воду, доказав, что вода - это соединение водорода и кислорода.

Проблема изучения химического состава веществ была главной в развитии химии вплоть до 30-40-х годов XIX в. Английский химик Джон Дальтон открыл закон кратных отношений и создал основы атомной теории. Он установил, что два элемента могут соединяться между собой в разных соотношениях, при этом каждая комбинация представляет собой новое соединение. Дальтон исходил из положения древних атомистов о корпускулярном строении материи, но, основываясь на понятии химического элемента, сформулированном Лавуазье, полагал, что все атомы отдельного элемента одинаковы и характеризуются своим атомным весом. Этот вес относителен, т. к. абсолютный атомный вес атомов определить невозможно. Дальтон составил первую таблицу атомных весов на основе водородной единицы.

Поворотный этап в развитии химической атомистики был связан с именем шведского химика Иенса Якоба Берцелиуса, который изучая состав химических соединений, открыл и доказал закон постоянства состава. Это позволило объединить атомистику Дальтона с молекулярной теорией, которая предполагала существование частиц (молекул), образованных из двух или более атомов и способных перестраиваться при химических реакциях. Заслугой Берцелиуса является введение химической символики, позволяющей обозначать не только элементы, но и химические реакции. Символ элемента обозначался первой буквой его латинского или греческого названия. В случаях, когда названия двух или более элементов начинаются с одной буквы, к ним добавляется вторая буква названия. Эта химическая символика была признана международной и используется в науке до настоящего времени. Берцелиусу также принадлежит идея разделения всех веществ на неорганические и органические.

До середины XIX в. развитие химии происходило беспорядочно и хаотически: открывались и описывались новые химические элементы, химические реакции, благодаря чему накопился огромный эмпирический материал, который требовал систематизации. Логическим завершением всего многовекового процесса развития химии стал первый международный химический конгресс, состоявшийся в сентябре 1860 г. в немецком городе Карлсруэ. На нем были сформулированы и приняты основополагающие принципы, теории и законы химии, которые заявили о химии как о самостоятельной развитой науке. Этот форум, внеся ясность в понятия атомных и молекулярных весов, подготовил условия для открытия периодической системы элементов.

Изучая химические элементы, расположенные в порядке увеличения их атомных весов, Менделеев обратил внимание на периодичность изменения их валентностей. Основываясь на увеличении и уменьшении валентности элементов в соответствии с их атомным весом, Менделеев разделил элементы на периоды. Первый период включает только водород, а затем следуют два периода по семь элементов, а затем периоды, где более семи элементов. Такая форма таблицы была удобной и наглядной, что сделало ее признанной мировым сообществом ученых.

Настоящим триумфом периодической системы стало предсказание свойств еще не открытых химических элементов, под которые в таблице были оставлены пустые клетки. Открытие периодического закона Д. И. Менделевым стало выдающимся событием в химии, приведя ее в состояние стройной систематизированной науки.

Следующим важным этапом в развитие химии явилось создание теории химического строения органических соединений А. М. Бутлеровым, которая утверждала, что свойства веществ зависят от порядка расположения атомов в молекулах и от их взаимного влияния.

На основе системы химических наук складывается химическая картина мира, т. е. взгляд на природу с точки зрения химии. Ее содержанием являются:

1. 1. Учение о химической организации объектов живой и неживой природы.

2. 2. Представление о происхождении всех основных типов природных объектов, их естественной эволюции.

3. 3. Зависимость химических свойств природных объектов от их структуры.

4. 4. Закономерности природных процессов как процессов химического движения.

5. 5. Знание о специфических свойствах искусственно синтезируемых объектов.