в каком веке возникла химия как наука
История химии. Алхимия в древнем мире.
Химия в древнем мире
Наука о веществах и их превращениях зародилась в Египте – технически наиболее передовой стране древнего мира.
Египет
Египетские жрецы были первыми химиками. Они владели многими до сих пор неразгаданными химическими секретами. Например, приемами бальзамирования тел умерших фараонов и знати, а также получением некоторых красок. Такие отрасли производства, как гончарное производство, стеклоделие, крашение, парфюмерия, достигли в Египте значительного развития еще задолго до нашей эры. Химия считалась «божественной» наукой, находилась целиком в руках жрецов и тщательно скрывалась ими от всех непосвященных. Однако, некоторые сведения все же проникали за пределы Египта. Известно, что в библиотеке египетского города Александрии, одном из семи чудес света, хранились манускрипты с описанием процессов прокаливания, перегонки, фильтрования и т.п.
Греция
В истории химии древнее греческое государство также играет значительную роль. Греки многому научились у египтян, в тоже время, сами внесли значительный вклад в науку о веществах. Химические знания, непрерывно накапливаемые людьми, постепенно отделялись от религии и переходили в самостоятельную область человеческой деятельности. Одним из первых основоположников восприятия мира через познание был известный философ Аристотель, который предполагал, что все существующие предметы и вещества состоят только из четырёх фундаментальных элементов – воды, огня, земли и воздуха. Каждый из этих элементов характеризует собственное свойство: вода – влажность, земля – холод, огонь – тепло, воздух – сухость. Древнегреческий философ Демокрит предполагал, что вся существующая и окружающая нас материя состоит из мельчайших неделимых частиц Чрезвычайно продвинутыми в сфере науки и изобретательства были и древние китайцы, история Китая знает имена многих выдающихся учёных.
Китай
Химия в средние века
В течение тысячелетий происходило накопление химических знаний человека. Примерно в VII в. н.э. арабы переняли достояние и приемы работы египетских жрецов и обогатили человечество новыми знаниями. Арабы добавили к слову хеми приставку ал, и лидерство в изучении веществ, которое стало называться алхимией, перешло к арабам. Следует отметить, что на Руси алхимия распространения не имела, хотя труды алхимиков были известны, и даже переводились на церковнославянский язык. Алхимия – это средневековое искусство получения и переработки различных веществ для практических нужд В отличие от древнегреческих философов, которые лишь наблюдали мир, а объяснение строили на предположениях и размышлениях, алхимики действовали, экспериментировали, делая неожиданные открытия и совершенствуя методику эксперимента. Алхимики считали, что металлы – это вещества, состоящие из трех основных элементов:
В связи с этим предполагалось, что, например, золото, являвшееся драгоценным металлом, тоже обладает точно такими же элементами, а значит и получить его можно из любого металла! Считалось, что получение золота из любого другого металла связано с действием философского камня, которые безуспешно и пытались найти алхимики.
Кроме того, они верили, что если выпить эликсир, приготовленный из философского камня, то приобретешь вечную молодость! Но ни философского камня, ни золота из других металлов алхимикам найти и получить не удалось.
И, тем не менее, их деятельность дала положительные результаты: от них нам достался большой опыт работы со многими веществами, изобретенные приборы и оборудование, ими были открыты некоторые химические элементы и изучены их свойства. В истории алхимии стоит назвать некоторые выдающиеся имена. Так, немецкий алхимик Хенниг Бранд, впервые получил фосфор, предположительно в 1669 году. Одержимый поисками философского камня и золота, он считал, что все вещества, окрашенные в золотистый цвет, содержат частицы золота. Для экспериментов Бранд воспользовался мочой. При ее выпаривании алхимик и получил белое вещество, похожее на воск, которое самовоспламенялось на воздухе – это был фосфор.
Французский алхимик Николас Фламель – личность весьма загадочная. По некоторым данным считается, что именно этому алхимику все же удалось получить философский камень и эликсир жизни. Сведения об этом человеке обрывочны, считается, что после получения философского камня алхимик скрылся. Сегодня известно, что старейшее здание в Париже, построенное еще в 1407 году, являлось когда-то домом Николаса Фламеля.
XV век – период в истории химии, ознаменованный применением алхимии для изготовления различных медицинских препаратов. Благодаря развитию точных наук, развитие химии всё более приобретало научный характер. Алхимия постепенно превращалась в химию. Химия постепенно отделялась от философии и уже, как наука, строилась на обобщениях и анализе отдельных наблюдаемых явлений.
Параце́льс (лат. Paracelsus, настоящее имя Филипп Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм, 1493–1541) – знаменитый швейцарский алхимик, врач, философ, естествоиспытатель, натурфилософ эпохи Возрождения, один из основателей ятрохимии. Парацельс был великим реформатором медицинской науки и практики, он подверг критическому пересмотру идеи древней медицины, способствовал внедрению химических препаратов в медицину. Считается одним из основателей современной науки.
Можно полагать, что Парацельс погиб от систематического отравления ртутью. Он считал, что когда-то все металлы были ртутью, и провел сотни опытов, чтобы из ртути получить золото. В конце жизни он признал неудачу, сказав: «Из семени лука вырастет лук, а не роза, орех или салат». По одной из легенд, Парацельс открыл секрет вечной молодости и не умер, а живет среди нас. Могила Парацельса на кладбище святого Себастьяна в Зальцбурге стала местом паломничества. Существует предание, что здесь в 1831 г. остановилось продвижение эпидемии холеры. Считают, что рассказы о Парацельсе легли в основу легенды о докторе Фаусте. Постепенно уровень развития химии позволил создавать сообщества, которые имели научный подход к изучаемым явлениям, могли передавать и продолжать накапливать знания. Это были первые академии. Так, в 1560 году такая академия образовалась в Неаполе.
Через 100 лет подобная академия появилась в Лондоне Во второй половине XVII века ирландским учёным Робертом Бойлем предпринята попытка объяснения некоторых химических превращений на основании применения понятия «атом». Работы Бойля имели большое значение для становления химии как науки
В книге «Химик-скептик» он сформулировал основную задачу химии – исследование состава разных физических тел, поиск новых химических элементов. В книге содержалась обоснованная критика учения о трех началах (сере, ртути, соли) и четырех стихиях. Трактат был издан анонимно, но имя автора вскоре стало широко известно. Эта книга стала важным шагом на пути превращения алхимии в самостоятельную науку – химию.
Становление современной химии
Первым этапом существования химии как самостоятельной науки можно считать открытие закона сохранения массы (вторая половина XVIII века). Этот закон был впервые сформулирован французским химиком Антуаном Лораном Лавуазье (1743−1794), который в процессе свое научной деятельности положил основы исследования вещества уже с научной точки зрения. Автор кислородной теории горения, один из авторов новой химической номенклатуры, он предложил первый перечень химических элементов и написал первый учебник «Элементарный курс химии».
Первой (хотя и затем отвергнутой) теорией научной химии была предложенная Георгом Шталем теория флогистона (XVIII в.). Флогистонная теория была главным условием и движущей силой развития учения об элементах. Она способствовала полному освобождению химии от алхимии. Именно во время почти столетнего господства флогистонной теории завершилось начатое Бойлем превращение алхимии в химию. К концу XVIII в. в химии был накоплен большой объем экспериментальных данных, которые необходимо было систематизировать в рамках единой теории. Создателями такой теории стали французский химик Антуан Лоран Лавуазье и русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов. Они применяли точные измерения при изучении химических реакций. Это позволило опровергнуть теорию флогистона, выявить суть процессов горения и дыхания, сформулировать закон сохранения массы.
Блестящие успехи количественных методов исследования веществ привели к фундаментальным изменениям в химии. Английский химик Джон Дальтон (1766–1844) экспериментально подтвердил атомистическую теорию. Период количественных законов (атомно-молекулярной теории) продолжался с 1789 по 1860 г.
С первой половины XIX в. химия начала свое стремительное и триумфальное развитие. С увеличением объема знаний о веществах и их свойствах выделились ее отдельные области Несомненно, самым значительным открытием химии стало открытие важнейшего закона природы – Периодического Закона. Периодический Закон был открыт в феврале 1869 года русским химиком Дмитрием Ивановичем Менделеевым.
Сегодня Периодическая Система химических элементов Д.И. Менделеева висит на стене любого кабинета химии во всем мире! Именно Периодический Закон объединил химические знания в стройную и логическую систему. Д.И. Менделеев предсказал существование элементов, которые в то время были еще не открыты. Предсказанные Менделеевым элементы вскоре были открыты, что служило подтверждением великого открытия!
На современном этапе развития естественных наук (с XX в.) появились принципиально новые физические методы исследования. Это предоставило химикам невиданные прежде возможности для изучения веществ. В нынешнем, XXI веке, триумфальное шествие химии продолжается. Ее наивысшая цель – удовлетворять потребности каждого человека и всего общества.
Итог статьи:
В каком веке возникла химия как наука
Как возникла и развивалась наука химия
Материал параграфа поможет вам:
> выяснить, как интерес людей к веществам и их превращениям способствовал постепенному формированию одной из фундаментальных наук — химии;
> узнать о достижениях современной химии.
Химия — древняя и в то же время молодая наука. Правильные представления о веществах и их превращениях появились лишь в последние полтора-два столетия.
Зарождение науки химии.
Люди издавна осуществляли многочисленные превращения веществ. Научившись добывать огонь, они сжигали древесину, чтобы обогревать свое жилище, готовить пищу. Делая вино, человек использовал процесс брожения, благодаря которому виноградный сахар превращался в спирт.
Позже были изобретены способы получения металлов из руд. На превращениях веществ основывалось производство стекла и пороха.
Считают, что химия как ремесло возникла задолго до начала нашей эры в Древнем Египте (рис. 3). Слово «химия» связывают с первым названием этой страны — Кемет1. В Египте начали развиваться металлургия, керамическое производство, парфюмерия, крашение тканей, изготовление лекарств.
1 По другим гипотезам, слово «химия» происходит от древнегреческого «хюма» — литье металлов или древнекитайского «ким» — золото.
Рис. 3. Химия в Древнем Египте:
а — получение металлов;
б — бальзамирование
Много тайн, связанных с превращениями веществ, знали только жрецы.
Над природой веществ размышляли древнегреческие философы. Они утверждали, что все вещества состоят из мельчайших и неделимых частиц — атомов. Ho доказать это в то время было невозможно.
Дальнейшее развитие наук происходило в арабских странах. Там химию называли алхимией («ал» — часто употребляемая арабская приставка).
Стали развиваться смежные с химией минералогия (наука о минералах), аптечное дело, различные ремесла — ростки современной химической технологии.
В период средневековья алхимией заинтересовались в Европе. Многие произведения арабских и греческих ученых, философов были переведены на латынь. Пытаясь добыть «философский камень», который дал бы возможность превратить любой металл в золото, подарить человеку вечную молодость, вылечить его, ученые проводили множество опытов (рис. 4). Они получили много новых веществ, изучили их свойства. Алхимики изготовляли различные виды лабораторной посуды и оборудования, разработали такие операции в химическом эксперименте, как перегонка, фильтрование. Им принадлежат многочисленные, часто случайные, открытия.
Каждая наука становится настоящей тогда, когда открывают ее законы, а на основании полученных знаний создают теории. Первые теории о превращениях веществ появились в Европе во второй половине
XVII в., но были ошибочными. В XVI11 в. был открыт закон сохранения массы веществ при химической реакции1 (см. § 14). Он оказал положительное влияние на развитие науки химии.
Рис. 4. Алхимики за работой
В настоящее время химия имеет мощный теоретический фундамент. Опираясь на него, ученые прогнозируют существование новых веществ с необходимыми для практического применения свойствами, предлагают и реализуют способы их получения.
Благодаря новым веществам, которые выдерживают высокие температуры, глубокий вакуум, имеют уникальные свойства, человек научился использовать атомную энергию, создал компьютер, проложил дорогу в космос. Традиционные материалы — древесину, стекло, металлы — он успешно заменяет пластмассами. Новые лекарственные препараты помогают человеку восстановить здоровье.
Химики разрабатывают и совершенствуют методы переработки природного сырья — нефти, угля, природного газа, металлических руд, — чтобы получать как можно больше нужных веществ.
Ученые не только изучают вещества и их превращения, но и определяют причины и закономерности таких превращений, исследуют их зависимость от температуры, давления и т. п. Химики работают в хорошо оборудованных лабораториях (рис. 5). Возможности современной химии безграничны.
Первая Нобелевская премия в области химии была присуждена в 1901 г. голландскому химику Я. X. Вант-Гоффу за исследование растворов.
За значительные мировые достижения в области химии ежегодно одному или нескольким ученым присуждают престижную награду — Нобелевскую премию.
Весомый вклад в развитие химии сделали украинские ученые. Они обогатили теоретическую и экспериментальную химию, получили десятки тысяч новых веществ, разработали сотни методов химического анализа веществ, изобрели многие материалы с полезными свойствами.
1 Химическими реакциями называют превращения одних веществ в другие.
Рис. 5. Химическая лаборатория
Становление химии происходило на протяжении нескольких тысяч лет.
Химия как наука родилась с открытием закона сохранения массы веществ при их превращениях.
Сейчас ученые-химики получают и исследуют много веществ для их эффективного использования.
?
5. Почему алхимию нельзя считать настоящей наукой?
6. Подготовьте небольшой рассказ об интересном открытии алхимиков.
7. Какие задачи решают ученые-химики?
Попель П. П., Крикля Л. С., Хімія: Підруч. для 7 кл. загальноосвіт. навч. закл. — К.: ВЦ «Академія», 2008. — 136 с.: іл.
Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам.
Предмет и задачи химии, значение и история развития науки
В статье кратко представлен круг вопросов, изучаемых химией, дается представление о задачах, которые решает эта наука. Рассказывается об основных этапах предыстории, становления и развития химии, о ее состоянии в настоящее время. В заключение дается оценка значения химии в жизни современного человека.
Окружающий нас материальный мир — объект изучения системы естественных наук. Химия – одна из ее важнейших отраслей. Значение химии в жизни человечества непрерывно растет, и одновременно усложняется роль этой фундаментальной науки в современном мире. Она имеет множество практических приложений, которые оказывают влияние и на развитие человеческой цивилизации в целом, и на нашу повседневную жизнь.
Предмет и задачи химии
Химия как часть естествознания изучает материю, а предмет химии включает состав вещества, его строение и обусловленные ими свойства. Также химия исследует изменения этих характеристик в процессах превращения веществ – химических реакциях – и устанавливает закономерности таких изменений.
Уровень, на котором сохраняются химические свойства – это молекулы и атомы. Этими структурными единицами химия оперирует при описании процессов в веществе. Опираясь на законы движения материи на атомно-молекулярном уровне, химики решают множество задач. Можно сгруппировать эти задачи по нескольким направлениям:
Но прежде чем прийти к постановке столь высокотехнологичных задач, наука о веществах проделала большой исторический путь.
История развития химии
Накапливать сведения о различных веществах и их превращениях человек начал еще на заре своей истории. Он занимался обработкой шкур, использовал огонь и, наблюдая происходящие изменения, наивно систематизировал их.
Нахождение способов добычи огня, изобретение обжига глиняной посуды и другие достижения способствовали появлению первых химико-практических знаний. Но их рост, связанный с общими темпами развития общества, шел крайне медленно.
Древность: ремесленники и натурфилософы
Люди узнали о химических процессах гораздо больше с появлением и развитием металлургии. Человек открыл золото, медь, самородное метеоритное железо, а также свинец, олово, серебро и ртуть. Уже в древнейших государствах процветала не только обработка металлов, но и другие ремесла, связанные с преобразованием веществ.
Особенно славился производством стекла, красок, косметики, парфюмерии, лекарств Египет.
Само название «химия» восходит, к египетскому слову khemi, означавшему «чернозем» и служившему наименованием страны. Термин khemeia вошел в греческий язык при знакомстве греков с культурой Египта и стал обозначать знание руд и различных минералов.
В попытках обобщить разрозненные знания и включить их в представления об устройстве мироздания античные натурфилософы выработали две умозрительных концепции:
Атомизм не получил широкого признания, в отличие от учения о стихиях, надолго укоренившегося в умах благодаря авторитету Аристотеля в средние века.
Время алхимиков
«Египетское искусство» или «египетское знание» – khemeia, химия – считалось магическим, священным. Мыслители эллинистической эпохи подвели под него теоретическую основу – стихии Аристотеля и числовую мистику пифагорейцев. Так родилась дисциплина, которая после завоевания Египта арабами в VII веке стала известна как алхимия.
Как на арабском Востоке, так и в Европе XIII–XVII веков своей главной задачей алхимия ставила трансмутацию – превращение одного металла в другой, желательно в золото. Обеспечить ее должен был «эликсир» или «философский камень» – особая субстанция, способная также излечивать все недуги и дарить бессмертие.
В тщетных поисках эликсира алхимики создали и усовершенствовали лабораторное оборудование – весы, химическую посуду, – и совершили ряд открытий. Они получили фосфор, мышьяк и другие вещества, изучили многие соединения. Главным же достижением алхимии было внедрение эмпирического – экспериментального – метода исследования вещества.
От натурфилософии к науке
В XVI веке алхимия претерпела идейное разделение. Часть алхимиков продолжала поиски эликсира. Но это течение, пронизанное мистицизмом, становилось все более закрытым и привело в тупик. Другие исследователи ставили во главу угла решение практических задач. Самыми важными в рациональной алхимии стали два направления:
Деятельность этих алхимиков подвела черту под натурфилософским подходом к изучению химических явлений и стимулировала развитие химии как науки, базирующейся на осмыслении опытных данных.
Возникновение и прогресс научной химии
Вторая половина XVII века в Европе отмечена революцией в естествознании. Возрождается атомизм, появляются средства измерений, создаются объединяющие естествоиспытателей научные общества. В русле этого процесса развивается и история химии, которая четко разделяется на несколько этапов.
Современность: химия в содружестве наук
Эпоха современной химии началась вместе с XX веком. С помощью квантовой теории удалось объяснить химическую связь и понять причину периодической повторяемости свойств элементов.
Исследования по химии в современном мире нельзя представить без мощных аналитических методов, созданных развитием физики. На стыке химии с другими областями естествознания родились новые науки: геохимия, радиохимия, биохимия. С другой стороны, продолжается выделение самостоятельных дисциплин. Эти тенденции особенно заметны в XXI веке.
Значение химии в жизни человека
Наука о превращениях веществ занимается не только фундаментальными проблемами. Большинство лекарственных препаратов, средств гигиены и косметики, материалов, окружающих нас в быту, – творения прикладной химии.
Но, не забывая о пользе, нельзя не отметить и отрицательного значения химии. Оно проявляется в негативном воздействии токсичных химических продуктов и отходов на здоровье человека и в экологических проблемах.
Повинна в этих бедах не наука, а безответственность самого человека, причем не только производителя товаров и материалов, но и потребителя. Впрочем, устранить неблагоприятные явления, а тем более предупредить их без помощи той же науки не удастся.
Роль химии в современной жизни без преувеличения огромна, и она будет возрастать. И лишь от человека зависит, какой она станет по преимуществу – отрицательной или положительной.
ХИМИИ ИСТОРИЯ
ХИМИИ ИСТОРИЯ. В статье прослеживается развитие химии от самых ее истоков, с тех времен, когда человек учился добывать и поддерживать огонь и выплавлять с его помощью металлы из руд, далее через эпоху античности и средние века до нашего времени – периода торжества химической науки и технологии.
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.
Четыре первоэлемента.
Алхимия.
Алхимия – искусство совершенствования вещества через превращение металлов в золото и совершенствования человека путем создания эликсира жизни. Стремясь к достижению самой привлекательной для них цели – созданию неисчислимых богатств, – алхимики разрешили многие практические задачи, открыли множество новых процессов, наблюдали разнообразные реакции, способствуя становлению новой науки – химии.
Эллинистический период.
Колыбелью алхимии был Египет. Египтяне блестяще владели прикладной химией, которая, однако, не была выделена в самостоятельную область знания, а входила в «священное тайное искусство» жрецов. Как отдельная область знания алхимия появилась на рубеже 2 и 3 в. н.э. После смерти Александра Македонского его империя распалась, но влияние греков распространялось на обширные территории Ближнего и Среднего Востока. Особенно бурного расцвета алхимия достигла в 100–300 н.э. в Александрии.
Примерно в 300 н.э. египтянин Зосима написал энциклопедию – 28 книг, охватывавших все знания по алхимии за предыдущие 5–6 вв., в частности сведения о взаимопревращениях (трансмутациях) веществ.
Алхимия в арабском мире.
Завоевав Египет в 7 в., арабы усвоили греко-восточную культуру, сохранявшуюся в течение веков александрийской школой. Подражая древним властителям, халифы начали покровительствовать наукам, и в 7–9 вв. появились первые химики.
Самым талантливым и прославленным арабским алхимиком был Джабир ибн Хайян (конец 8 в.), позднее ставший известным в Европе под именем Гебер. Джабир полагал, что сера и ртуть являются двумя противоположными началами, из которых образуются семь других металлов; труднее всего образуется золото: для этого нужно особое вещество, которое греки называли xerion – «сухой», а арабы изменили на al-iksir (так появилось слово «эликсир»). Эликсир должен был обладать и другими чудесными свойствами: излечивать от всех болезней и давать бессмертие. Другой арабский алхимик, ар-Рази (ок. 865–925) (в Европе известен под именем Разес) занимался также медициной. Так, он описал методику приготовления гипса и способа наложения повязки на место перелома. Однако самым знаменитым врачом был бухарец Ибн Сина, известный также под именем Авиценна. Его сочинения служили руководством для врачей в течение многих веков.
Алхимия в Западной Европе.
Научные воззрения арабов проникли в средневековую Европу в 12 в. через Северную Африку, Сицилию и Испанию. Работы арабских алхимиков были переведены на латынь, а затем и на другие европейские языки. Вначале алхимия в Европе опиралась на работы таких корифеев, как Джабир, но спустя три столетия вновь проявился интерес к учению Аристотеля, особенно в трудах немецкого философа и теолога-доминиканца, ставшего впоследствии епископом и профессором Парижского университета, Альберта Великого и его ученика Фомы Аквинского. Убежденный в совместимости греческой и арабской науки с христианской доктриной, Альберт Великий способствовал введению их в схоластические курсы обучения. В 1250 философия Аристотеля была введена в курс преподавания в Парижском университете. Алхимическими проблемами интересовался и английский философ и естествоиспытатель, монах-францисканец Роджер Бэкон, предвосхитивший многие позднейшие открытия; он изучал свойства селитры и многих других веществ, нашел способ изготовления черного пороха. Среди других европейских алхимиков следует упомянуть Арнальдо да Вилланова (1235–1313), Раймонда Луллия (1235–1313), Василия Валентина (немецкого монаха 15–16 вв.).
Достижения алхимии.
Развитие ремесел и торговли, возвышение городов в Западной Европе 12–13 вв. сопровождались развитием науки и появлением промышленности. Рецепты алхимиков использовались в таких технологических процессах, как обработка металлов. В эти годы начинаются систематические поиски способов получения и идентификации новых веществ. Появляются рецепты производства спирта и усовершенствования процесса его перегонки. Важнейшим достижением было открытие сильных кислот – серной, азотной. Теперь европейские химики смогли осуществить многие новые реакции и получить такие вещества, как соли азотной кислоты, купорос, квасцы, соли серной и соляной кислот. Услугами алхимиков, которые нередко были искусными врачами, пользовалась высшая знать. Считалось также, что алхимики владеют тайной трансмутации обычных металлов в золото.
К концу 14 в. интерес алхимиков к превращению одних веществ в другие уступил место интересу к производству меди, латуни, уксуса, оливкового масла и различных лекарств. В 15–16 вв. опыт алхимиков все чаще использовался в горном деле и медицине.
ЗАРОЖДЕНИЕ СОВРЕМЕННОЙ ХИМИИ
Конец средних веков отмечен постепенным отходом от оккультизма, спадом интереса к алхимии и распространением механистического взгляда на устройство природы.
Ятрохимия.
Совершенно иных взглядов на цели алхимии придерживался Парацельс (1493–1541). Под таким выбранным им самим именем («превосходящий Цельса») вошел в историю швейцарский врач Филипп фон Гогенгейм. Парацельс, как и Авиценна, считал, что основная задача алхимии – не поиски способов получения золота, а изготовление лекарственных средств. Он заимствовал из алхимической традиции учение о том, что существуют три основные части материи – ртуть, сера, соль, которым соответствуют свойства летучести, горючести и твердости. Эти три элемента составляют основу макрокосма (Вселенной) и связаны с микрокосмом (человеком), образованным духом, душой и телом. Переходя к определению причин болезней, Парацельс утверждал, что лихорадка и чума происходят от избытка в организме серы, при избытке ртути наступает паралич и т.д. Принцип, которого придерживались все ятрохимики, состоял в том, что медицина есть дело химии, и все зависит от способности врача выделять чистые начала из нечистых субстанций. В рамках этой схемы все функции организма сводились к химическим процессам, и задача алхимика заключалась в нахождении и приготовлении химических веществ для медицинских нужд.
Основными представителями ятрохимического направления были Ян Гельмонт (1577–1644), по профессии врач; Франциск Сильвий (1614–1672), пользовавшийся как медик большой славой и устранивший из ятрохимического учения «духовные» начала; Андреас Либавий (ок. 1550–1616), врач из Ротенбурга. Их исследования во многом способствовали формированию химии как самостоятельной науки.
Механистическая философия.
Техническая химия.
Научные успехи и открытия не могли не повлиять на техническую химию, элементы которой можно найти в 15–17 вв. В середине 15 в. была разработана технология воздуходувных горнов. Нужды военной промышленности стимулировали работы по усовершенствованию технологии производства пороха. В течение 16 в. удвоилось производство золота и в девять раз возросло производство серебра. Выходят фундаментальные труды по производству металлов и различных материалов, используемых в строительстве, при изготовлении стекла, крашении тканей, для сохранения пищевых продуктов, выделки кож. С расширением потребления спиртных напитков совершенствуются методы перегонки, конструируются новые перегонные аппараты. Появляются многочисленные производственные лаборатории, прежде всего металлургические. Среди химиков-технологов того времени можно упомянуть Ванноччо Бирингуччо (1480–1539), чей классический труд О пиротехнике был напечатан в Венеции в 1540 и содержал 10 книг, в которых речь шла о рудниках, испытании минералов, приготовлении металлов, перегонке, военном искусстве и фейерверках. Другой известный трактат, О горном деле и металлургии, был написан Георгом Агриколой (1494–1555). Следует упомянуть также об Иоганне Глаубере (1604–1670), голландском химике, создателе глауберовой соли.
ВОСЕМНАДЦАТЫЙ ВЕК
Химия как научная дисциплина.
С 1670 по 1800 химия получила официальный статус в учебных планах ведущих университетов наряду с натурфилософией и медициной. В 1675 появился учебник Николя Лемери (1645–1715) Курс химии, завоевавший огромную популярность, в свет вышло 13 его французских изданий, а кроме того, он был переведен на латинский и многие другие европейские языки. В 18 в. в Европе создаются научные химические общества и большое количество научных институтов; проводимые в них исследования тесно связаны с социальными и экономическими потребностями общества. Появляются химики-практики, занимающиеся изготовлением приборов и получением веществ для промышленности.
Теория флогистона.
В сочинениях химиков второй половины 17 в. большое внимание уделялось толкованиям процесса горения. По представлениям древних греков, все, что способно гореть, содержит в себе элемент огня, который высвобождается при соответствующих условиях. В 1669 немецкий химик Иоганн Иоахим Бехер попытался дать рационалистическое объяснение горючести. Он предположил, что твердые вещества состоят из трех видов «земли», и один из видов, названный им «жирной землей», принял за «принцип горючести».
Последователь Бехера немецкий химик и врач Георг Эрнст Шталь трансформировал концепцию «жирной земли» в обобщенную доктрину флогистона – «начала горючести». Согласно Шталю, флогистон – это некая субстанция, содержащаяся во всех горючих веществах и высвобождающаяся при горении. Шталь утверждал, что ржавление металлов подобно горению дерева. Металлы содержат флогистон, а ржавчина (окалина) уже не содержит флогистона. Это давало приемлемое объяснение и процессу превращения руд в металлы: руда, содержание флогистона в которой незначительно, нагревается на древесном угле, богатом флогистоном, и последний переходит в руду. Уголь же превращается в золу, а руда – в металл, богатый флогистоном. К 1780 теория флогистона была принята химиками почти повсеместно, хотя и не отвечала на очень важный вопрос: почему железо при ржавлении становится тяжелее, хотя флогистон из него улетучивается? Химикам 18 в. это противоречие не казалось столь важным; главное, по их мнению, было объяснить причины изменения внешнего вида веществ.
В 18 в. работало много химиков, чья научная деятельность не укладывается в обычные схемы рассмотрения этапов и направлений развития науки, и среди них особое место принадлежит русскому ученому-энциклопедисту, поэту, поборнику просвещения Михаилу Васильевичу Ломоносову (1711–1765). Своими открытиями Ломоносов обогатил почти все области знания, и многие его идеи более чем на сто лет опередили науку того времени. В 1756 Ломоносов провел знаменитые опыты по обжиганию металлов в закрытом сосуде, которые дали неоспоримое доказательство сохранения вещества при химических реакциях и роли воздуха в процессах горения: наблюдаемое увеличение веса при обжигании металлов еще до Лавуазье он объяснял соединением их с воздухом. В противоположность господствовавшим представлениям о теплороде он утверждал, что тепловые явления обусловлены механическим движением материальных частиц. Упругость газов он объяснял движением частиц. Ломоносов разграничивал понятия «корпускула» (молекула) и «элемент» (атом), что получило всеобщее признание лишь в середине 19 в. Ломоносов сформулировал принцип сохранения материи и движения, исключил флогистон из числа химических агентов, заложил основы физической химии, создал при Петербургской АН в 1748 химическую лабораторию, в которой проводились не только научные работы, но и практические занятия студентов. Обширные исследования проводил он в смежных с химией областях знания – физике, геологии и др.
Пневматическая химия.
Химическая революция.
Переворот в теоретических взглядах химиков, который произошел в конце 18 в. в результате быстрого накопления экспериментального материала в условиях господства теории флогистона (хотя и независимо от нее), обычно называют «химической революцией».
ДЕВЯТНАДЦАТЫЙ ВЕК
Состав веществ и их классификация.
Успехи Лавуазье показали, что применение количественных методов может помочь в определении химического состава веществ и выяснении законов их объединения.
Атомная теория.
Химическое сродство.
В течение всего 17 в. химики, рассуждая о «сродстве» – тенденции атомов к образованию соединений, – следовали идеям Бехера и Шталя, которые классифицировали все вещества в соответствии с их способностью реагировать со специфическими кислотами.
Исследование сродства и состава различных типов веществ пошло по другому руслу в начале 19 в. с открытием нового аналитического метода. В 1807 английский химик Хамфри Дэви пропустил электрический ток, получаемый от батареи из 250 металлических пластин, через расплавленный поташ (карбонат калия) и получил маленькие шарики металла, впоследствии названного калием, а затем таким же способом выделил из соды натрий. Дэви предположил, что химическое сродство сводится к электризации атомов при контакте. Шведский химик Йенс Якоб Берцелиус уточнил и развил представление об атоме и электрическом сродстве, предложив первую концепцию химического взаимодействия – электрохимическую теорию. Берцелиус полагал, что, поскольку соли в растворе под действием электрического тока разлагаются на отрицательные и положительные компоненты, все соединения должны состоять из положительных и отрицательных частей – радикалов (дуалистическая теория Берцелиуса). Кислород – самый электроотрицательный элемент, и те элементы, которые образуют с ним соединения со свойствами оснований, электроположительны, а те, которые образуют вещества с кислотными свойствами, – электроотрицательны. В соответствии с этим Берцелиус получил шкалу элементов, первым членом которой был кислород, затем шли сера, азот, фосфор и т.д. с переходом через водород к натрию, калию и другим металлам. К 1840-м годам, однако, стало ясно, что электрохимическая теория не может объяснить существование простых двухатомных молекул (например, O2 и H2) или реакцию замещения водорода (положительное сродство) хлором (отрицательное сродство).
Классификация по атомному весу.
Со времен Дальтона до 1860 в химии не было точного определения понятия атомного веса. Система, основанная на «эквивалентных весах», предложенная английским химиком Уильямом Волластоном (1766–1828), опиралась на соотношения, в которых элементы могли объединяться, и каждый химик мог составить собственный список атомных весов. Не существовало никакой отправной точки для создания системы элементов и никакого соглашения о том, как выражать состав соединений. В 1860 на первом Международном химическом конгрессе в Карлсруэ (Германия) итальянский химик Станислао Канниццаро вновь вернул к жизни забытую гипотезу своего соотечественника Амедео Авогадро, который, основываясь на открытии Гей-Люссаком закона объемных отношений, предположил, что равные объемы газов содержат одинаковое число молекул. Канниццаро утверждал, что с помощью гипотезы Авогадро можно разграничить понятия «атомный вес» и «молекулярный вес» для газообразных элементов и внести ясность в вопрос об атомных весах вообще.
В 1869 великий русский химик Дмитрий Иванович Менделеев, присутствовавший на конгрессе в Карлсруэ и слышавший доклад Канниццаро, опубликовал свою периодическую таблицу. Все известные элементы он расположил в соответствии с увеличением их атомного веса и разбил на периоды и группы, отвечающие изменению валентности. В таблице были оставлены пустые места для еще неоткрытых элементов; некоторым из них Менделеев даже присвоил названия (экабор, экаалюминий и экакремний; приставка «эка» означает «одно и то же»). Замечательная точность периодического закона была продемонстрирована открытиями галлия в 1875, идентичного по своим свойствам экаалюминию, скандия (экабора) в 1879 и германия (экакремния) в 1886.
Органическая химия.
В течение всего 18 в. в вопросе о химических взаимоотношениях организмов и веществ ученые руководствовались доктриной витализма – учения, рассматривавшего жизнь как особое явление, подчиняющееся не законам мироздания, а влиянию особых жизненных сил. Этот взгляд был унаследован и многими учеными 19 в., хотя его основы были поколеблены еще в 1777, когда Лавуазье предположил, что дыхание – процесс, аналогичный горению. Первые экспериментальные свидетельства единства неорганического и органического мира были получены в начале 19 в.
Теория типов.
Открытие и выделение огромного числа сложных углеродсодержащих соединений остро поставили вопрос о составе их молекул и привели к необходимости ревизовать существующую систему классификации. К 1840-м годам ученые-химики осознали, что дуалистические идеи Берцелиуса применимы только к неорганическим солям. В 1853 была предпринята попытка классифицировать все органические соединения по типам. Обобщенная «теория типов» была предложена французским химиком Шарлем Фредериком Жераром, который полагал, что объединение различных групп атомов определяется не электрическим зарядом этих групп, а их специфическими химическими свойствами. Жерар выделил четыре основных типа атомных групп, из которых, по его мнению, и состоят все соединения – как органические, так и неорганические.
Структурная химия.
В 1857 Кекуле, исходя из теории валентности (под валентностью понималось число атомов водорода, вступающих в соединение с одним атомом данного элемента), предположил, что углерод четырехвалентен и потому может соединяться с четырьмя другими атомами, образуя длинные цепи – прямые или разветвленные. Поэтому органические молекулы стали изображать не в виде комбинаций радикалов, а в виде структурных формул – атомов и связей между ними. К 1860-м годам работами Кекуле и русского химика Александра Михайловича Бутлерова (1828–1886) был заложен фундамент структурной химии, позволяющей объяснять свойства веществ, основываясь на расположении атомов в их молекулах.
В 1874 датский химик Якоб Вант-Гофф и французский химик Жозеф Ашиль Ле Бель (1847–1930) распространили эту идею на расположение атомов в пространстве. Они считали, что молекулы не плоские, а трехмерные структуры. Эта концепция позволяла объяснить многие известные явления, например пространственную изомерию, существование молекул одинакового состава, но с разными свойствами. Очень хорошо вписывались в нее данные Луи Пастера об изомерах винной кислоты.
К концу 19 в. идеи структурной химии были подкреплены данными, полученными спектроскопическими методами. Эти методы позволяли получать информацию о строении молекул исходя из их спектров поглощения. К 1900 концепция трехмерной организации молекул – как сложных органических, так и неорганических – была принята практически всеми учеными.
Химическая технология.
Успехи органической химии стимулировали бурное развитие химической промышленности, прежде всего в Германии. Была разработана технология производства серной кислоты, на основе которой получали взрывчатые вещества, красители и соду, необходимую для производства отбеливателей и мыла. Очень большую роль в развитии химических технологий сыграли работы Либиха и целой плеяды его учеников. В результате их деятельности в сельском хозяйстве стали применять химические удобрения и были созданы предприятия по их производству. Быстрое развитие лакокрасочной промышленности Германии было связано с работами Адольфа фон Байера по индиго и другим красителям, а промышленный синтез аммиака под высоким давлением – с работами Фрица Габера.
Рождение физической химии.
К концу 19 в. появились первые работы, в которых систематически изучались физические свойства различных веществ (температуры кипения и плавления, растворимость, молекулярный вес). Начало таким исследованиям положили Гей-Люссак и Вант-Гофф, показавшие, что растворимость солей зависит от температуры и давления. В 1867 норвежские химики Петер Вааге (1833–1900) и Като Максимилиан Гульдберг (1836–1902) сформулировали закон действующих масс, согласно которому скорость реакций зависит от концентраций реагентов. Использованный ими математический аппарат позволил найти очень важную величину, характеризующую любую химическую реакцию, – константу скорости.
Химическая термодинамика.
Термодинамический подход к химическим реакциям применил в своих работах Август Фридрих Горстман (1842–1929), который на основе идей Клаузиуса попытался объяснить диссоциацию солей в растворе. В 1874–1878 американский химик Джозайя Уиллард Гиббс предпринял систематическое изучение термодинамики химических реакций. Он ввел понятие свободной энергии и химического потенциала, объяснив суть закона действующих масс, применил термодинамические принципы при изучении равновесия между различными фазами при разных температуре, давлении и концентрации (правило фаз). Работы Гиббса создали фундамент современной химической термодинамики. Шведский химик Сванте Август Аррениус создал теорию ионной диссоциации, объясняющую многие электрохимические явления, и ввел понятие энергии активации. Он также разработал электрохимический метод измерения молекулярной массы растворенных веществ.
ДВАДЦАТЫЙ ВЕК
Новая структурная теория.
С развитием физических теорий о строении атомов и молекул были переосмыслены такие старые понятия, как химическое сродство и трансмутация. Возникли новые представления о строении материи.
Модель атома.
В 1896 Антуан Анри Беккерель (1852–1908) открыл явление радиоактивности, обнаружив спонтанное испускание солями урана субатомных частиц, а спустя два года супруги Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри выделили два радиоактивных элемента: полоний и радий. В последующие годы было установлено, что радиоактивные вещества испускают три вида излучения: a-частицы, b-частицы и g-лучи. Вместе с открытием Фредерика Содди, показавшим, что при радиоактивном распаде происходит превращение одних веществ в другие, все это придало новый смысл тому, что древние называли трансмутацией.
Новые методы исследования.
Все новые представления о строении вещества могли формироваться только в результате развития в 20 в. экспериментальной техники и появления новых методов исследования. Открытие в 1895 Вильгельмом Конрадом Рентгеном Х-лучей послужило основой для создания впоследствии метода рентгеновской кристаллографии, позволяющей определять структуру молекул по картине дифракции рентгеновских лучей на кристаллах. С помощью этого метода была расшифрована структура сложных органических соединений – инсулина, дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), гемоглобина и др. С созданием атомной теории появились новые мощные спектроскопические методы, дающие информацию о строении атомов и молекул. Различные биологические процессы, а также механизм химических реакций исследуются с помощью радиоизотопных меток; широкое применение радиационные методы находят и в медицине.
Биохимия.
Эта научная дисциплина, занимающаяся изучением химических свойств биологических веществ, сначала была одним из разделов органической химии. В самостоятельную область она выделилась в последнее десятилетие 19 в. в результате исследований химических свойств веществ растительного и животного происхождения. Одним из первых биохимиков был немецкий ученый Эмиль Фишер. Он синтезировал такие вещества, как кофеин, фенобарбитал, глюкоза, многие углеводороды, внес большой вклад в науку о ферментах – белковых катализаторах, впервые выделенных в 1878. Формированию биохимии как науки способствовало создание новых аналитических методов. В 1923 шведский химик Теодор Сведберг сконструировал ультрацентрифугу и разработал седиментационный метод определения молекулярной массы макромолекул, главным образом белков. Ассистент Сведберга Арне Тизелиус (1902–1971) в том же году создал метод электрофореза – более совершенный метод разделения гигантских молекул, основанный на различии в скорости миграции заряженных молекул в электрическом поле. В начале 20 в. русский химик Михаил Семенович Цвет (1872–1919) описал метод разделения растительных пигментов при прохождении их смеси через трубку, заполненную адсорбентом. Метод был назван хроматографией. В 1944 английские химики Арчер Мартини Ричард Синг предложили новый вариант метода: они заменили трубку с адсорбентом на фильтровальную бумагу. Так появилась бумажная хроматография – один из самых распространенных в химии, биологии и медицине аналитических методов, с помощью которого в конце 1940-х – начале 1950-х годов удалось проанализировать смеси аминокислот, получающиеся при расщеплении разных белков, и определить состав белков. В результате кропотливых исследований был установлен порядок расположения аминокислот в молекуле инсулина (Фредерик Сенгер), а к 1964 этот белок удалось синтезировать. Сейчас методами биохимического синтеза получают многие гормоны, лекарственные средства, витамины.
Промышленная химия.
Вероятно, наиболее важным этапом в развитии современной химии было создание в 19 в. различных исследовательских центров, занимавшихся, помимо фундаментальных, также прикладными исследованиями. В начале 20 в. ряд промышленных корпораций создали первые промышленные исследовательские лаборатории. В США в 1903 была основана химическая лаборатория «Дюпон», а в 1925 – лаборатория фирмы «Белл». После открытия и синтеза в 1940-х годах пенициллина, а затем и других антибиотиков появились крупные фармацевтические фирмы, в которых работали профессиональные химики. Большое прикладное значение имели работы в области химии высокомолекулярных соединений. Одним из ее основоположников был немецкий химик Герман Штаудингер (1881–1965), разработавший теорию строения полимеров. Интенсивные поиски способов получения линейных полимеров привели в 1953 к синтезу полиэтилена (Карл Циглер,), а затем других полимеров с заданными свойствами. Сегодня производство полимеров – крупнейшая отрасль химической промышленности.
Не все достижения химии оказались благом для человека. В 19 в. при производстве красок, мыла, текстиля использовали соляную кислоту и серу, представлявшие большую опасность для окружающей среды. В 20 в. производство многих органических и неорганических материалов увеличилось за счет вторичной переработки использованных веществ, а также за счет переработки химических отходов, которые представляют опасность для здоровья человека и окружающей среды.