Химия как наука. 2

Химическая  картина мира. 

Учебные вопросы:

1. Химия как наука. 

2. Алхимия как предыстория химии.

3. Эволюция химической науки.

4. Идеи Д. И. Менделеева и А.  М. Бутлерова.

5.  Антропогенный химизм и его  влияние на среду обитания. 

     Вопрос 1.

     Химия — раздел естествознания, исследующий свойства вещества и их превращения. Основной проблемой химии является получение веществ с заданными свойствами.

     Химию обычно подразделяют на два направления: неорганическую и органическую.

     Неорганическая  химия исследует свойства химических элементов и их простых соединений: щелочи, кислоты, соли.

     Органическая  химия изучает сложные соединения на основе углерода - полимеры, в том  числе, созданные человеком: газы, спирты, жиры, сахара.

     Начало  химии связывают с алхимическими  опытами древности, Средних Веков, Нового Времени.

  Вопрос 2.

       «Алхимия» — это арабизированное  греческое слово, которое в  буквальном смысле понимается  как «сок растений»

     Алхимия в Средние Века и Новое Время  – весьма популярное занятие многих серьезных и мужественных людей. Среди наиболее знаменитых алхимиков: известный британский философ ХII в. – Роджер Бэкон (около 1214 - после 1294) - который провел в одиночном заключении более 20 лет, в том числе, и за свои алхимические опыты .

     Теофраст  фон Гогенгейм (Парацельс) родился в конце 1493 г. в г. Эйнзидельн, кантон Швиц, умер 24 сентября 1541 г. в Зальцбурге ) – известный медик ХУI в., а не только алхимик. О нем сохранилось крайне мало достоверных данных. Даже 35 портретов, на которых он якобы изображен, абсолютно лишены сходства между собой. По свидетельствам современников, у Парацельса была яркая индивидуальность и бешеный темперамент, которые обеспечили ему влиятельных покровителей и обилие врагов. Он не получил должного образования, много путешествовал, был врачом многих сиятельных персон и королей Европы ХУI в.

      В историю  науки он вошел как основатель ятрохимии – медицинской химии. Парацельс был убежден, что телесный недуг, болезнь – результат нарушение  химического баланса в организме  человека, который можно восстановить, используя специальные химические препараты. Он достиг некоторого успеха в борьбе с сифилисом, который в Европу занесли крестоносцы и, как предполагают, одним из первых разрабатывал лекарственные средства для борьбы с умственными расстройствами. Ему приписывают открытие эфира – первого анестетика в истории медицины и фармакологии¹.

     Парацельс, как и его отец, был приверженцем алхимической традиции. Он считал, что  существуют три первоначала: ртуть, сера и соль, которые образуют все  вещества в природе.  Знаменит своими лекциями по ятрохимии, которые он читал в Базельском университете, разрывая в клочья канонические тексты Галена, Гиппократа, Ибн Сины, считая их лженаучными. Университетскую кафедру ему обеспечили дружба и протекция Эразма Роттердамского – знаменитого гуманиста и литератора, которого считают величайшим умом Северного Возрождения – эпохи Реформации.

       Ян Ван Гельмонт (12 января 1579 г.- 30 декабря 1644 г.) – швейцарский ятрохимик  и медик ХУII в. -  пребывал в некоторой оппозиции к алхимическим идеям Парацельса и его смелым практическим экспериментам по использованию лекарственных средств. Как медик, он был куда осторожнее Парацельса. Ван Гельмонт отрицал три первоначала Парацельса, полагая, что в основе всех веществ природы должны быть реальные, особые элементы, а вовсе не ртуть, сера и соль. Это убеждение швейцарского алхимика можно считать прологом к учению о химических элементах.

     Ван Гельмонт – первый в истории химик-экспериментатор. В своих опытах он активно использовал  весы для измерения массы реагирующих вещества и фактически пришел к выводу о сохранении вещества в природе. Он открыл углекислый газ, который назвал «лесным газом» (рис.1). Ввел само понятие «газы» - от греческого – «хаос», описав их свойства. Впрочем, подлинно научные прозрения Ван Гельмонта не мешали его вере во всемогущество «философского камня» и в трансмутации. Во всяком случае, превращение ртути в золото он считал вполне возможным.

     В отличие от Парацельса, был хорошо образован и менее радикален  в медицине и фармакологии.

     Исаак Ньютон (4 января 1643 г. – 31 марта 1727 г.) –  блестящий ум ХУII в., создавший классическую механику, был известен своими исследованиями ядовитых веществ. Говорят, он получил серьезное отравление, засыпая рядом с ретортой, из которой извергались пары кипящей ртути. При этом британский исследователь получил серьезное умственное расстройство.

       Во все времена алхимики страстно  пытались решить две задачи: трансмутации  и обнаружения эликсира бессмертия  и вечной жизни. При решении  первой задачи возникла химическая наука. При решении второй  возникли научная медицина и фармакология. 

     Трансмутация  — это процесс превращения  неблагородных металлов – ртути, цинка, свинца в благородные –  золото и серебро при помощи философского камня, который пытались безуспешно обнаружить алхимики. В основе идеи взаимного превращения металлов лежало убеждение в единой природе всех существующих веществ, что давало возможность при определенных условиях превращать их по желанию человека в любые другие.

      В ходе манипуляций с различными веществами, алхимики сделали ряд важных наблюдений и открытий:

      - были подробно изучены и описаны  цинк, свинец, ртуть, сурьма, железо  и медь – наиболее известные  химические элементы того времени;

     - произведено разделение всех  веществ на металлы и неметаллы по  принципу ковкости;

     - введено понятие «газы» и изучены  их свойства, в частности, свойства  углекислоты;

      -было  высказано предположение, что  все химические реакции завершаются  образованием свинца. Эта гипотеза  алхимиков получила некоторое подтверждение в ХХ в., когда были созданы ядерные реакторы и можно было наблюдать процесс последовательного преобразования радиоактивного урана вначале в радий, затем в полоний, а в конце возникал свинец.

      Алхимикам удавались опыты, которые явно опережали свое время. Так, сравнительно недавно был обнаружен алхимический тигль ХУI в., предназначенный для расплава химических веществ. Как выяснилось, он был создан из тугоплавких соединений муллита, который был вторично открыт и описан только в ХХ в.

      Мы  все еще не способны выплавлять абсолютно чистый металл, состоящий на 99,9% из нужного нам химического элемента. В сплаве всегда оказываются примеси других элементов. Однако в Индии, которая также славилась  алхимическими изысканиями, уже 1,5 тыс. лет в центре одного из городов находится 8-метровая башня из чистого железа, которая не подвержена коррозии и окислению. Технология ее изготовления все еще загадочна.

      Сама  идея трансмутаций на фоне открытий в  области ядерной физики не кажется  уже такой абсурдной. В современных атомных реакторах происходит процесс преобразования химических элементов. Это «трансмутации» на уровне атомного ядра. Уже Эрнест Резерфорд подтвердил возможность превращения неблагородных металлов в благородные с небольшой оговоркой: «Я знаю способ превратить ртуть в золото, но он будет настолько дорогим, что в нем просто не будет смысла».

     Неустанный  поиск эликсира жизни и бессмертия привели к созданию медицины и  фармакологии,  которые в свое время алхимики назвали ятрохимией.

     Алхимики  ХУI-ХУII вв. – Парацельс и Ван Гельмонт предположили, что все биологические и физиологические процессы в человеческом теле протекают в соответствии с химическими законами. На основе этой гипотезы возникла идея лекарства.

     Лекарство – это химическое вещество, которое  способно воздействовать на процессы, происходящие в организме человека. Так произошло открытие эфира – летучего вещества, способного вызывать сон и даже аспирина – все еще лучшего средства при простудах и гриппе.

     Сокрушительный  удар алхимии нанесла структурная химия ХУIII столетия. Стало известно, что у всех веществ и химических элементов своя уникальная атомная структура. Поскольку их природа различна, алхимические трансмутации невозможны.

     Несмотря  на свою наивность и явную ненаучность, алхимия была «занятием людей благородных», поскольку эта была сакральная процедура, которая требовала определенного психологического и нравственного состояния и даже предварительного очищения. Как заметил французский историк науки Луи Повель: «Алхимики при проведении своих манипуляций всегда учитывали моральный и религиозный аспекты, в то время как современная наука – наука без совести»

     Достижения  современной косметологии, геронтологии, терапии можно считать неожиданным  итогом ятрохимии. Сегодня создаются  препараты для борьбы со старением – антиоксиданты, которые извлекают из почек, семян, зародышей растений. Некоторые из них синтезируют искусственно. Появляются действенные препараты для снижения зависимости от никотина, алкоголя, наркотических веществ. Важное завоевание медицины и фармакологии – синтетические медикаменты, направленные на ослабление и замедление процессов развития диабета, рака, спида. Не столь однозначны, но не менее впечатляющи опыты по созданию фармацевтических средств – антидепрессантов, снотворных и седативных препаратов.

     3 вопрос.

     Химическая  наука прошла длительную эволюцию. Современное состояние химии  – это синтез нескольких направлений, возникших в определенное время.

       В ХУII в. возникает учение о химическом составе и зависимости от него физических и химических свойств вещества. Во многом это заслуга шотландского химика ХУII в. Роберта Бойля (25 января 1627 г. – 30 декабря 1692 г.). Он первым дал определение химическому элементу.

     Химический  элемент Бойль понимал как  наиболее простое состояние вещества, предел химического разложения, переходящий из одного сложного состояния вещества в другое. Бойль пришел к выводу о том, что свойства веществ зависят от состава химических элементов.

          В своей известной книге “Химик-скептик”  Бойль высказал гипотезу о том, что атомы различных химических веществ различаются как минимум по весу. Известен как один из авторов знаменитого закона, описывающего зависимость объема газов от температуры.

     Поскольку большая часть химических элементов  была открыта в ХУIII -ХIХ в., это время стало наиболее продуктивным с точки зрения развития химической науки. Возникает несколько направлений. Например, структурная химия, т.е. исследование химической структуры как способа взаимодействия составных элементов вещества.

       Англичанин Джон Дальтон (6 сентября 1766 г. – 27 июля 1844 г.) пришел к выводу, что любое вещество – это различные комбинации определенных атомов, поэтому химический состав может быть один и тот же, а вещества разные, так как атомы по-разному располагаются. Различал химические соединения и смеси. В смесях отсутствуют тесные взаимодействия между атомами. Составил первую таблицу атомных весов химических элементов, предложил удобную систему записи химических элементов, стал автором закона кратных отношений – принципа соединения двух или нескольких атомов в составе вещества.

     Французский химик Антуан Лавуазье (26 августа 1743 г. – 8 мая 1794 г.) попытался классифицировать химические элементы. Убедился в ходе многочисленных экспериментов, что горение – это соединение кислорода с веществом. Полностью разрушил теорию флогистона, которая царила в химии ХУIII в.

       Существование  флогистона –  известная гипотеза  немецкого химика ХУIII в.  Георга Шталя (22 октября 1659 г. – 14 мая 1734 г.). Он полагал, что во всех, способных гореть, веществах содержится этот загадочный элемент. При нагревании флогистон выделяется, и тело меняет свои свойства. Шталь был убежден, что дерево – это флогистон плюс зола, металлы – флогистон плюс окислы. Теория Шталя активно поддерживалась известными естествоиспытателями ХУIII в.: Бертолле, Лапласом, Кулоном.

     В 1772 г. Лавуазье выясняет, что при  горении тела вовсе не теряют, как  полагал Шталь, а прибавляют в  весе. Через 10 лет он пишет свою работу «Размышления о флогистоне». После  ее опубликования идея флогистона утратила всякий смысл.

     Заслугой  Лавуазье является и то, что он исследовал химический состав воздуха и пришел к выводу, что это смесь различных  газов. Он определил, что это за газы: кислород, водород, азот. Эти химические элементы были открыты ранее: в 1766 г. - водород и в 1772 г. - кислород и азот.

     24 июня 1783 г. Лавуазье синтезировал  воду, доказав, что в ее состав  входят кислород и водород.  Он измерил количество газа  перед реакцией и объем полученной  в ходе химической реакции  воды, что позволило высказать гипотезу об атомарном составе воды. Среди его поразительных прозрений: убеждение в том, что алмаз обладает сходством с углем.

     Французский химик изменил технологию получения  пороха, заимствованную у китайцев, которая не менялась в Европе с  ХII в. В последние годы жизни Лавуазье изучал проблемы биохимии: химию дыхания и синтеза крови.

     Необыкновенно талантливый, Лавуазье известен как  жертва якобинского террора: он погиб  на плахе, несмотря на обращение ученых других о его помиловании, или  хотя бы об отсрочке казни. Однако высокомерный ответ был таков: «Республика не нуждается в химиках!». Математик Пьер Лагранж горестно воскликнул, узнав о его смерти: «Всего мгновение потребовалось им, чтобы срубить эту голову, а и во сто лет не будет такой другой» (1, С.153).

       В ХIХ в. структурная химия развивалась, во многом, благодаря работам француза Шарля Жерара и шведа Йенса Берцелиуса. Они высказали гипотезу о том, что элементарной структурной единицей химического вещества является молекула, которая состоит из атомов. Атомы влияют на химические свойства вещества.

     Берцелиус утверждал, что молекула – результат  взаимодействия разноименно заряженных атомов.

       Жерар полагал, что при образовании  молекул атомы не просто взаимодействуют,  но взаимно преобразуют друг  друга. В результате возникает определенная химическая система.

     Вторая  половина ХIХ в. – время рождения органического синтеза и органической химии.

     Немецкий  химик Фридрих Кекуле (7 сентября 1829 г. - 13 июля 1896 г.) синтезировал несколько органических кислот, красители, исследовал свойства бензола, открыл его структуру. Он предположил, что бензол (рис.2) похож на правильный шестиугольник, образованный атомарными связями углерода и водорода. Эта идея была взята на вооружение при анализе структуры всех циклических, или ароматических соединений.

          Заслуга Кекуле для развития структурной химии – в создании теории валентности. За несколько лет до этого английский химик Эдуард Франкланд ввел понятие «насыщения» – способности одних атомов удерживать атомы других химических веществ. Кекуле продолжил развивать идеи Франкланда и  разделил все элементы на одноосновные (одноатомные), двухосновные (двухатомные), трехосновные (трехатомные). К двухосновным химическим элементам Кекуле отнес серу и кислород. В 1857 году он вводит термин «валентность», заменяя термины насыщения и основности. Одновременно со своими коллегами он приходит к выводу о четырех валентностях углерода и в 1858 г. выявляет способность углерода соединяться в цепи. Во многом благодаря работам Кекуле в 60-е гг. ХХ в. появляется термин «органический синтез»: синтезированы анилиновые красители, лекарственные препараты, взрывчатые вещества.

     В 1858 г. Дмитрий Иванович Менделеев  предложил периодическую систему  химических элементов (приложение 1).

     Почти в то же время Александр Михайлович Бутлеров (3 сентября 1828 г. - 5 августа 1886 г.)  упорядочил органические вещества. Им же была разработана теория строения органических веществ.

     Вторая  половина ХIХ в. – начало ХХ в. – время, когда в химии набирает силу учение о химических процессах. Этот раздел химической науки исследует условия и механизм протекания химических реакций: химия преобразуется в науку об изменении и создании заданного вещества.

     В этот период были открыты самые простые  зависимости хода химических реакций от различных условий:

     - от строения исходных веществ;

     - от их концентрации;

     - от наличия катализаторов –  веществ, ускоряющих химические  реакции и ингибиторов – веществ,  замедляющих их;

     - от температуры и давления.

     Самая молодая и перспективная часть химии - эволюционная химия, возникшая в конце ХХ – начале ХХI в. Она изучает процессы самоорганизации химических систем.

     Самоорганизация – самопроизвольный синтез новых  химических соединений, которые являются более сложными, высокоорганизованными по сравнению с исходными веществами: белки, аминокислоты, ДНК, ферменты – пробионты - все то, что можно назвать химической основой живого. Эволюционная химия развивается на стыке химии и биологии, преобразуясь в биохимию.

     Если  попытаться сконструировать химический базис жизни, то все мы знаем, что углерод – основа жизни на нашей планете. 97% живого организма образованы из углерода, водорода, кислорода, азота.

     Жизнедеятельность обеспечивают другие химические элементы: натрий и калий ускоряют процессы обмена веществ в организме; железо участвует в образовании гемоглобина крови, кальций - в формировании костных тканей и зубов; нормальная работа щитовидной железы немыслима без йода; фосфор отвечает за целостность тканей и интеллектуальные процессы; магний участвует в работе пищеварительной системы и предохраняет от судорожных сокращений мышечной ткани. Недостаток тех или иных химических элементов приводит к нарушению нормальной работы

     Французский химик Габриэль Бертран посчитал массу химических элементов в теле человека. На 100 кг веса в нашем теле присутствуют:

     - 63 кг – кислорода;

     - 19 кг – углерода;

     - 9 кг – водорода;

     - 5 кг – азота;

     - 1 кг – кальция;

     - 0,5 кг – фосфора;

     - 640 г – серы;

     - 260 г – натрия;

     - 240 г – калия;

     - 180 г – хлора;

     - 40 г – магния;

     - 3 г – железа;

     - 0,03 г – йода.

     Есть  еще небольшое количество фтора, брома, марганца, меди и даже золота.

     Вещество, из которого состоят ткани нашего организма, не могут быть синтезированы  непосредственно из химических элементов. Белки, как известно, образуются из комбинации 22 аминокислот и только 10 из них способно синтезировать наше тело: 12 должны поступать в готовом виде. Даже когда мы синтезируем аминокислоты сами, азот должен поступать в виде органических соединений, как и глюкоза – важнейший энергетический ресурс нашего организма. Для синтеза глюкозы нужны готовые углеводороды. Мы их получаем с пищей – животной и растительной (С.7, С.33-34).

     В искусственных условиях человек  научился синтезировать пробионты, но тайна жизни все еще остается скрытой. Практический скачок от органической химии к неорганической мы уже совершили, но создать живое из неживого нам не под силу.

     4 вопрос.

     К середине ХIХ века были известны уже 60 типов атомов химических элементов. Возникла необходимость их упорядочить. Многие химики пытались это сделать, начиная с Иенса Берцелиуса в ХУIII столетии.

      Гениальность Дмитрия Ивановича Менделеева (27 января 1824 г. - 20 января 1907 г.) заключается в том, что он предложил в качестве основы для классификации возрастание атомного веса химических элементов.

     Расположение  химических элементов в порядке  возрастания атомного веса привело  к выявлению периодической зависимости: стало ясно, что химические свойства повторяются через каждые семь элементов  на восьмой.

     По  своим химическим свойствам выделились 4 группы:

     - металлы: К, Мg, Na, Fe – очень активны,  легко соединяются с другими  веществами, образуя соли, щелочи;

     - неметаллы: S, Se, Si, Cl – значительно менее активны; в соединениях образуют кислоты;

     - газы: C, O, H, N – в молекулярном состоянии неактивны, в атомарном – высоко активны;

     - инертные газы: Ne, Ar, Cr – не вступают в химические соединения с другими веществами.

     Значительно позже, в связи с открытиями в  ядерной физике, стало известно, что валентность отражает количество электронов на последней орбитали. Их количество и ответственно за химическую активность элементов:

чем меньше электронов на последней орбитали, - тем более они активны: щелочные и щелочно-земельные металлы –  это 1-2 электрона, которые слабо удерживаются ядром и легко теряются атомом.

     Чем больше электронов на последней орбите, тем пассивнее химический элемент: например, медь, серебро, золото - среди  металлов. Химическую активность утрачивают все неметаллы с нарастающей  валентностью, поэтому этим элементам  свойственно захватывать электроны других элементов. У инертных газов валентность равна 7, и они не вступают в химические реакции. Поэтому их еще называют «благородными».

     Открытая  периодическая зависимость означала возможность пустых клеток в системе  элементов, которые еще не были открыты, но их свойства можно было описать.

      Менделеев предсказал таким образом открытие  скандия   (рис. 3)  (он был открыт в 1875 г.), галлия (рис. 4) - открыт в 1879 г., германия (рис. 5), - открыт в 1886 г. Это стало практическим подтверждением верности исходной гипотезы, лежащей в основе классификации.

     Нам точно известен день открытия периодической  системы химических элементов –  это 17 февраля 1869 г. Это событие зафиксировал сам Менделеев в своем дневнике. Идея периодической системы была достойна Нобелевской премии, но русское химическое общество не подало соответствующую заявку в Нобелевский комитет. Время было упущено, и Менделеев остался без заслуженной награды.

     Открытия  в ядерной физики конца ХIХ в. позволили использовать другой критерий – заряд атомного ядра, хотя таблица осталась без изменений, поскольку блестящая интуиция Менделеева подсказала почти верный критерий систематизации. Когда Менделеев умер, впереди траурной процессии несли его таблицу, обессмертившую своего творца.

     Начиная с ХIХ столетия, можно говорить о возникновении органической химии, которая изучает сложные соединения, содержащие углерод. Неорганическая химия исследует свойства химических элементов и их соединений. Органическая химия изучает только соединения, и эти соединения могут быть созданы искусственно.

     Началом органической химии можно считать  счастливую случайность: в 1824 г. немецкий химик Фридрих Велер совершенно случайно синтезировал мочевину – природное органическое соединение.