Главная > Энциклопедии > Энциклопедический словарь юного химика
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

ХИМИЯ

Химия — одна из важнейших областей естествознания, сыгравшая огромную роль в создании современной научной картины мира. Обычно ее определяют как науку, которая изучает вещества и их превращения. Этому определению нельзя отказать в справедливости, хотя оно не совсем точно. Ведь физика тоже изучает вещества и их превращения, разумеется, своими специфическими методами и в своих собственных целях. В химии же свойства простых и сложных веществ выявляются и проявляются в ходе тех химических взаимодействий, в которых эти вещества участвуют.

Поэтому химическими превращениями являются такие, в результате которых образуются новые химические индивидуумы со своими характерными свойствами. Все химические превращения обязательно связаны с перестройкой внешних электронных оболочек атомов элементов, участвующих в реакциях, тогда как внутренние оболочки и атомное ядро остаются незатронутыми.

Ныне в сферу действия химической науки вовлечены примерно 100 доступных для химических исследований элементов (существующих в природе и полученных посредством ядерного синтеза) и их самых разнообразных соединений.

Хотя с различными химическими превращениями человек имел дело еще в древние времена, становление химии как самостоятельной науки — со своими целями и задачами, с собственным арсеналом понятий и терминов — фактически начало происходить во второй половине XVIII в. Это становление подготавливалось исподволь, на протяжении многих столетий. Первоначальные сведения о химических явлениях и процессах накапливались в результате практической деятельности людей — в ходе выплавки металлов, изготовления стекла и керамики, изготовления и крашения тканей, получения различных продуктов питания и т. д. В этом плане историки науки часто используют термин «ремесленная химия». Конечно, она еще не была наукой, а лишь своеобразным сводом определенных химических приемов и рецептов. Некоторые задатки будущей химии сформировались и в период господства алхимии. Хотя алхимики преследовали мистические цели, им принадлежали и многие важные практические достижения: они предложили способы разложения различных руд и минералов, получили некоторые необходимые реактивы (например, азотную, серную и соляную кислоты, царскую водку, ряд солей и щелочей), изобрели приборы, необходимые для химических исследований (колбы, реторты, нагревательные печи), описали такие процессы, как прокаливание, перегонка, дистилляция, растворение и осаждение. Далее внесла свой вклад в фундамент будущей химической науки и ятрохимия — область знаний, которая, в частности, ставила целью изготовление различных лекарств для лечения людей.

XIV—XVI века вошли в историю человечества как эпоха Возрождения. Для нее характерен расцвет многих наук — механики, математики, физики. Что касается химии, то она лишь начала осознавать свое истинное место в системе человеческих знаний.

В XVII столетии засверкали имена многих ученых, которые своими идеями и трудами подготавливали приобретение химией статуса определенной области познания.

Французский физик П. Гассенди ввел понятие «молекула», которое обозначало соединение «атомов». Его соотечественник Ж. Рей установил: при прокаливании металлов их вес увеличивается. Англичане Р. Гук и Дж. Майов значительно обогнали время, сформулировав правильные представления о процессах горения и дыхания. Голландский естествоиспытатель Я. ван Гельмонт ввел термин «газ» (от греческого слова «хаос») и фактически впервые наблюдал выделение углекислого газа. Французский ученый Н. Лемерй написал первый фундаментальный учебник «Курс химии», в котором четко определил химию как искусство разделять различные вещества, содержащиеся в смешанных телах, существующих в природе, - минералах, растительных и животных телах.

Выдающегося английского естествоиспытателя Р. Бойля Фридрих Энгельс назвал создателем научной химии: «Бойль делает из химии науку». Книга Бойля, называвшаяся «Химик-спектик» (увидела свет в 1661 г.), критически пересматривала многие прежние химические воззрения. Главная заслуга ученого состояла в том, что он стал рассматривать химические элементы не как некие отвлеченные понятия, а как реально существующие минеральные вещества. Он считал: в действительности химических элементов может быть много — и тем самым нацеливал на их поиск в природе. Бойль дал и определение элементов как простых тел, не составленных друг из друга, а являющихся составными частями всех смешанных (сложных) тел. И наконец, Бойль широко ввел в практику химический анализ как главный метод изучения состава веществ. Бойля даже считают основоположником аналитической химии. Столетие спустя именно химико-аналитический метод стал приносить обильные плоды в виде большого числа открываемых химических элементов.

Анализ позволил химии решать одну из ее важнейших задач: изучать, что из чего состоит. Так возникло учение о составе химических соединений. Позднее возникли проблемы познания их свойств и строения. Этот классический «треугольник познания»: состав — строение — свойства определил основное содержание химии фактически вплоть до нашего времени.

На рубеже XVII и XVIII вв. немецкий химик Г. Шталь предложил так называемую теорию флогистона, - по существу, первую химическую теорию. Хотя она и оказалась ошибочной, но позволила систематизировать процессы горения и обжига (кальцинации) металлов, объяснив эти процессы с единой точки зрения. Шталь считал, что различные вещества и металлы содержат в своем составе особое «начало горючести» — флогистон. При прокаливании металлы теряли флогистон, превращаясь в оксиды, т. е. процессы окисления заключались в потере окислявшимися веществами флогистона. Напротив, в ходе процессов восстановления оксиды приобретали флогистон, вновь становясь металлами. Критика учения о флогистоне во многом способствовала развитию химического мышления.

Выдающимися достижениями русского ученого-энциклопедиста М. В. Ломоносова в области естествознания, и в частности химии, являются материалистическое толкование химических явлений, создание корпускулярной теории веществ, формулировка основополагающего закона природы — закона сохранения массы веществ и движения.

В середине XVIII в. на авансцену вышла так называемая пневматическая химия, изучавшая газы с химической точки зрения. Одним из выдающихся ее достижений стало открытие кислорода. Понимание его природы как самостоятельного газообразного химического элемента позволило А. Лавуазье развенчать концепцию флогистона и сформулировать кислородную теорию горения и дыхания. Вместе с крупными достижениями химического анализа это событие положило начало первой химической революции. Эту революцию трудно ограничить четкими временными рамками. В последние десятилетия XVIII в. начал развиваться количественный подход к изучению химических процессов, была разработана первая номенклатура химических названий; А. Лавуазье предложил «Таблицу простых тел», которая, по существу, стала первой систематикой известных к тому времени (1789) химических элементов.

Важнейшей составляющей первой химической революции стала атомистика Дж. Дальтона. В самом начале XIX в. он четко сформулировал основы атомистического учения: тождественность атомов одного и того же вещества; способность различных атомов соединяться в различных соотношениях; абсолютную неделимость атомов.

Наконец, Дальтон ввел фундаментально важное понятие атомного веса, т. е. практически первый измеримый количественный параметр, характеризующий атом. Ф. Энгельс вполне справедливо полагал, что "новая эпоха начинается в химии с атомистики (следовательно, не Лавуазье, а Дальтон — отец современной химии)" (см. Атомно-молекулярное учение).

Первая химическая революция имела основным своим результатом создание атомно-молекулярного учения. Под его прямым и непосредственным влиянием проходило развитие химии на протяжении всего XIX столетия. Химия полностью обрела статус самостоятельной науки в ряду других естественных наук. Она создала свои специфические понятия и термины; ее практическое значение с каждым годом все отчетливее осознавалось; она становилась предметом преподавания во многих учебных заведениях. Во многих странах возникали химические общества, появлялись новые химические журналы.

К началу 1890-х гг. сформировалась та совокупность химических знаний, которая составила так называемую классическую химию. Она достаточно четко подразделялась на четыре фундаментальных раздела: неорганическую, органическую, физическую и аналитическую химии. К краеугольным камням классической химии относились, в частности, учение о периодичности; учение о строении органических соединений; учение о координационных соединениях; учение о валентности; учение о химическом процессе (включающее проблемы кинетики и катализа); учение о растворах (вместе с теорией электролитической диссоциации). Достаточное развитие получили аналитические методы. Таким «богатством» располагала химия на исходе XIX в. Но на пути ее дальнейшего развития вставали вполне определенные трудности и преграды.

Дело в том, что первая химическая революция уже в значительной степени исчерпала себя. Атомно-молекулярное учение достигло больших высот развития, но ведь никто не знал, как устроен атом. Никакой заслуживающей внимания модели его строения наука прошлого столетия предложить не могла. А без этого знания многие фундаментальные теории и идеи химии не могли получить необходимого объяснения и обоснования. В том числе учение Д. И. Менделеева о периодичности свойств элементов (см. Периодический закон химических элементов), химического строения теория А. М. Бутлерова. Поэтому становилась неизбежной новая, вторая революция в химии. Ее основное содержание составила разработка учения об атоме (см. Атом). Оно стало своеобразным «знаменем» новейшей химии, химической науки XX в., подобно тому как компасом химии прошлого века было атомно-молекулярное учение.

Попробуем теперь вкратце охарактеризовать основные особенности новейшей химии. Что же представляет ныне эта область человеческого знания?

Первая отличительная черта новейшей химии — химия оказывается мощной «производительной силой». И не в том очевидном смысле, что она производит обширный ассортимент самых разнообразных практически важных продуктов. Она синтезирует, извлекает из природного сырья, растительных и животных организмов огромное количество новых химических соединений. Тем самым химия порождает непрерывно и в массовом масштабе объекты своего исследования, и, видимо, о каких-либо пределах получения новых соединений нет смысла ставить вопрос. Каждую неделю становятся известными более десятка не известных ранее химических индивидуумов. Правда, лишь очень немногие «новорожденные» соединения получают путевку в практику: в основном они имеют теоретический интерес. Но вот что особенно важно: получение новых соединений проводится, как правило, по заранее разработанному плану. Исследователь уже заранее, хотя бы в общих чертах, видит цель эксперимента.

С этой чертой связана весьма тесно вторая черта новейшей химии — решение задачи получения веществ с заранее заданными свойствами. Такими, которые характеризуются необходимыми параметрами, удовлетворяющими определенным потребностям практики. Конечно, даже на заре своего существования химия преследовала цели извлечения и получения веществ, практически ценных. Но все это делалось, разумеется, ощупью: достаточная осмысленность начала приобретаться в XIX в. Ныне поставленная задача решается с начала до конца осмысленно: выбираются наиболее рациональные методы синтеза и способы проведения эксперимента; при предварительных расчетах нередко прибегают к помощи ЭВМ. Между прочим, без широкого получения веществ с заданными свойствами современная научно-техническая революция не могла бы развиваться столь стремительно...

Однако, очевидно, - говорим мы о синтезе «просто» веществ или веществ с необходимыми свойствами — сама постановка задачи должна широко опираться на теорию. На самую современную строгую научную теорию, притом такую, которая дает реальные возможности прогнозировать. А отсюда — третья характерная черта новейшей химии — наличие у нее фундаментальных теоретических основ. Одна из основ — учение о строении атома и химической связи с многочисленными следствиями. Теоретический аппарат химии включает также многоплановое учение о химическом процессе, объединившее в себе современные представления о химической кинетике, катализе и реакционной способности. Без широчайшего использования физических и математических знаний современному химику делать нечего. Ныне сплошь да рядом говорят о «физикализации» и «математизации» химии. А это означает, что новейшая химия, безусловно, может быть отнесена к разряду точных наук. Кстати, само возникновение новейшей химии нередко связывают с появлением и стремительным развитием квантовомеханических методов исследования (см. Квантовая химия).

Химия начала процесс своего осознания с анализа минералов. Фактически вся история классической и новейшей химии — это история становления и развития самых разнообразных аналитических методов: химических, физико-химических и физических. Высокой чувствительности достиг спектральный анализ в самых разных своих направлениях и приложениях. Следы примесей в исследуемых материалах позволяет определять радиоактивационный анализ. В арсеналах лабораторий — методы ЭПР (электронного парамагнитного резонанса), ЯМР (ядерного магнитного резонанса), радиоспектроскопия, масс-спектроскопия, спектрофотометрия. Этот перечень не составляет труда продолжить. Названные методы позволяют изучать тончайшие особенности строения молекул и механизмов протекания химических реакций. С каждым годом химия становится все более и более «зрячей». И отсюда следует четвертая черта новейшей химии — широкое использование аналитических методов. Ученые затрудняются дать вполне однозначное определение аналитической химии, настолько всеобъемлющей и всепроникающей научной дисциплиной стала она в наше время.

В новом свете ныне предстают и три других фундаментальных раздела химической науки: неорганическая, органическая и физическая химия. Все более и более размываются границы между неорганикой и органикой. Вот два обширных класса химических соединений: элементоорганические и координационные. Их количество стремительно возрастает. Между тем многие из них не так-то просто отнести к неорганическим или органическим. Химики-органики включают в сферу своих интересов все большее число элементов. В то же время неорганики синтезируют постоянно новые координационные соединения с органическими лигандами. Многие аналитические методы с одинаковым успехом используются в обоих фундаментальных разделах химии.

Наблюдается дифференциация (дробление) химии на отдельные самостоятельные химические дисциплины — и в этом состоит пятая характерная черта новейшей химической науки. Современная неорганическая химия включает в себя «химии» как отдельных элементов, так и их совокупностей. Привычными стали, например, понятия: химия азота, химия фосфора, химия фтора, химия урана; исследования некоторых наиболее важных элементов достигли такого размаха, что оформились в самостоятельные подразделы неорганической химии. А ведь есть еще химия редких элементов и химия редкоземельных элементов, химия трансурановых элементов и химия инертных газов. Наконец, обрели самостоятельность и направления, изучающие отдельные классы неорганических соединений, - химия гидридов, химия карбидов и т. д.

Еще более «пестрая» картина в органической химии. Назовем белки, жиры, углеводы, ароматические и алифатические соединения, насыщенные и ненасыщенные соединения, ферменты и гормоны, терпены и полимеры. У каждого класса из этих соединений — своя, самостоятельная химия.

Дифференциация химии — веяние времени. Объем накапливаемой химической информации поражал воображение еще в середине прошлого века. Ныне он поистине безбрежен. Поэтому даже самый высокоодаренный химик не может быть специалистом-химиком «широкого профиля», как это было присуще некоторым величайшим ученым в первой половине XIX в. Он даже не может «охватить» всю органику или неорганику. Даже в отдельной химической дисциплине он не всегда одинаково уверенно ориентируется от А до Я. А потому узкая специализация в новейшей химии, как и вообще в науке, неизбежна.

Мы не сказали еще о физической химии. Как фундаментальная химическая наука, она оформилась в 1880-х гг., объединив в себе такие направления исследований, как электрохимия, термохимия, учение о кинетике, учение о катализе, учение о растворах наряду с развившимся теоретическим аппаратом химической термодинамики. В XX в. она также испытала процесс дифференциации, когда от классических дисциплин физической химии отпочковывались новые. Но в то же время возникли и совершенно новые: радиохимия, радиационная химия, плазмохимия и ряд других. Физическую химию иногда считают плодом тесного взаимодействия, интеграции химии и физики. С этим представлением нельзя целиком согласиться. Однако процесс взаимопроникновения естественных наук в нашем столетии развивался интенсивно. Примером такого рода «интегрированных» наук могут служить биохимия, геохимия, биогеохимия, космохимия. Поэтому тенденцию химии вкладывать накопленные ею знания в развитие других наук можно рассматривать как еще одну, шестую ее характерную черту.

Как и другие области знаний, химия переживает информационный взрыв. Объем новой химической информации возрастает прямо-таки в геометрической прогрессии. В настоящее время в мире выходит более 250 химических журналов, которые публикуют результаты, достигнутые химиками разных стран. Сведения о достижениях химии публикуются и в журналах более общего профиля. Издаются многие сотни монографий по химии. Чуть ли не каждую неделю происходят съезды и конференции по различным химическим проблемам. Чтобы как-то облегчить исследователям ознакомление с информацией по химии, во многих странах мира выходят специальные реферативные журналы. Все большую роль играет компьютерная обработка информации.

Вот, пожалуй, основные особенности химической науки нашего времени. Науки, без которой немыслима современная цивилизация. Науки, которая кормит, поит, одевает, обувает, строит, добывает полезные ископаемые, позволяет покорять космос и опускаться на дно океана, создавать материалы, которые не знает природа.

В содружестве с другими науками она помогает все глубже постигать тайны мироздания.

Душу химии составляют химические реакции. Они протекают в различных условиях. Одни — на холоде, другие — при комнатной температуре, третьи — при небольшом нагревании, четвертые — при высоких температурах. Одни реакции происходят мгновенно, иногда со взрывом. Другие в обычных условиях или вообще не идут, или протекают чрезвычайно медленно, но их можно ускорить с помощью катализаторов. В перечне современных химических дисциплин не могут быть не упомянуты такие, как химия высоких температур и химия низких температур. Они изучают химические процессы, происходящие в экстремальных условиях: с одной стороны — десятки тысяч градусов, с другой — температуры, близкие к абсолютному нулю. Частью новейшей химии является химия плазмы: здесь предмет химического исследования — четвертое состояние вещества. Мы можем назвать, далее, химию высоких давлений. Именно на этом направлении исследований были приготовлены искусственные алмазы, получено такое удивительное вещество, как водород в металлическом состоянии.

Химия оперирует различными материальными структурами. На одном «полюсе» — огромные, состоящие из многих тысяч атомов молекулы, например молекулы белков; на другом — единичные атомы химических элементов, которые к тому же имеют чрезвычайно малую продолжительность жизни, - атомы синтезированных тяжелых трансурановых элементов. На одном «полюсе» — простейшая молекула водорода, на другом — сложнейшая по структуре молекула инсулина... Поистине химия выглядит наукой контрастов.

Классической химия становилась во многом благодаря самой себе, своим собственным теоретическим представлениям, идеям и понятиям. Новейшая химия своим возникновением и развитием существенно обязана физике. Прежде всего физическому учению о строении атома. Нередко утверждают, что химия ныне вообще не должна рассматриваться как самостоятельная наука. Что она не более, чем раздел физики. На чем основано это утверждение? На том, что в основе механизмов любых химических процессов лежат физические закономерности. Ведь даже самая простая реакция — это в конечном счете перераспределение электронов между участвующими в ней атомами. А описывается это перераспределение языком физики, понятиями квантовой механики (см. Квантовая химия). Все это трудно оспаривать. Но мир химических превращений и явлений настолько сложен, ярок, многообразен и беспределен, что свести его к попыткам объяснения через физические реалии и математические уравнения было бы совершенно неоправданным упрощением, «выхолащиванием» вечно юной души науки химии. Ведь это то же самое, что свести очарование какого-нибудь музыкального произведения к совокупности математических уравнений, описывающих колебания воздуха, вызываемые звуками музыкального инструмента.

Конечно, физика и впредь будет помогать химии глубже познавать природу вещей и процессов, на своем языке объяснять открываемые ею законы и закономерности. Но она не отнимет у химии ее важнейшей цели — получения новых фактов и сведений о свойствах химических элементов и их соединений и разработки методов получения бесконечного множества новых веществ и материалов.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление