Основные задачи и возможности современной химии

                                                                         План.

Введение

1.Зарождение и развитие  химического искусства с древнейших  времен.

2.Химия как наука

3. Основные этапы развития  химии

4. Алхимия как феномен  средневековой культуры..

5. Возникновение и развитие  научной химии. Истоки химии 

6. Лавуазье: революция в  химии

7. Зарождение современной  химии и ее проблемы в 21 веке

8.Роль химии в современном  мире

Заключение

Список литературы

Зарождение и развитие химического искусства с древнейших времен

Химия относится к естественным наукам, которые изучают окружающий нас материальный мир. Материальные объекты, составляющие предмет изучения химии – это химические элементы и их разнообразные соединения. Изначально основными проблемами химии были получение веществ с полезными  свойствами, позднее – объяснение причин происхождения и обусловленности  различных свойств веществ.

Слово «химия» (chemeia), вероятно, связано с очень древними понятиями, обозначающими наливание, настаивание. Слово «химеия» греки производили от «хюмос» - сок, «хюма» - литье, поток, а «химевсис» - смешивание. Древнекитайское «ким» означало золото. Химия в вольном переводе с китайского означает «наука об изменениях». Древнеегипетское chemi – «чернозем», название Египта. Название «химия», обозначающее искусство превращать неблагородные металлы в золото и серебро, встречается в указе римского императора Диоклетиана (296 г.н.э.). Термин «химия» в более современном произношении – «химейа» - впервые употребил греческий философ и естествоиспытатель Зосима Панополитанский во второй половине IV в. Этим термином он обозначил процессы настаивания.

Во все исторические эпохи  человек стремился осуществить  превращение веществ. Химия как  наука о веществах и их превращениях сформировалось приблизительно к концу XVIII века. Но истоки химического искусства  находятся в глубокой древности, когда люди в ходе повседневной практической деятельности имели возможность  наблюдать и использовать для  своих целей различные химические процессы. Древняя «химия» представляла собой некоторую совокупность сведений практического характера. Первоначальное накопление химических знаний осуществлялось в области ремесленной прикладной химии. В первую очередь эти сведения касались процессов выплавки и обработки  металлов. Еще в древности возникли ремесла, в основе которых лежали химические процессы: выплавка металлов, получение стекла, керамики, красителей, лекарств, ядов, освоение бальзамирования  и т.д.

Первыми металлами, которые  использовались человечеством, были медь, свинец, золото и серебро. В древности  широко использовался также сплав  золота с серебром (егип. – азем, греч. – электрон).

Начиная с III тыс. до н.э. человечество стало использовать олово. Одновременно широкое распространение получил  сплав меди с оловом – бронза, что явилось началом новой  эпохи развития человечества, получившее название «бронзовый век».

Высокий уровень развития техники обжига, усовершенствование высокотемпературных технологий привели  к изготовлению изделий из железа приблизительно в середине II тыс. до н.э. В древности железо обычно изготавливали  в горнах так называемым сыродутным способом с применением древесного угля. Постепенно техника выплавки и обработки железа достигла очень  высокого уровня. Наступил «железный  век». Возникновение металлургии  позволило человечеству практически  овладеть двумя важнейшими химическими  процессами: обжигом – окислением металла и обратным превращением – восстановлением оксида в металл. Металлы стали основным естественным объектом, при изучении которого возникло понятие о веществе и его превращениях.

Ртуть стала использоваться позже – в III-II вв. до н.э., хотя есть данные о находках ртути, относящихся  к XVI-XV вв. до н.э. Ртуть получали нагреванием  киновари (HgS). На рубеже новой эры был разработан способ извлечения золота из руды ртутным методом (из амальгамы путем выпаривания ртути).

По свидетельству дошедших до нас письменных источников, в  начале I тысячелетия н.э. широкое  распространение получило искусство  подделки металлов – изготовление сплавов, похожих на золото, серебро  или электрон. Подобные подделки делали обычно на основе меди с самыми разнообразными добавками, в числе которых были олово, ртуть, свинец, окись цинка, мышьяк и др. Тогда же получило распространение  изготовление изделий из латуни (сплава меди с цинком).

Другим важным ремеслом, требовавшим  «химических» навыков, было производства красителей. И в Месопотамии, и  в Египте уже в глубокой древности  было развито получение как минеральных  красок (сурик, белила, сажа и др.), так  и красителей, выделенных из растительных и животных организмов. Например, для  окраски в желтый цвет использовали корень куркумы, а известный по меньшей мере со II тыс. до н.э. красно-малиновый краситель, пурпур, получали из моллюсков.

Помимо прямого, в древности  существовали и протравные способы  крашения. Последний предполагал использование специальных закрепляющих краситель веществ – протрав, в качестве которых употребляли алюминиевые квасцы, сульфат и ацетат железа, танниды из плодов и древесины различных растений и проч. Мыловарение, получение клея, скипидара, выделение смол и масел и множество других ремесел стали первым опытом химического производства.

К числу наиболее древних  ремесленных производств относится  изготовление стекла и керамики, в  том числе и глазурованной. В  состав глазури входила глина, растертая  с поваренной солью, а позднее  и сода, и окрашивающие добавки  окислов металлов. Вероятно, именно смеси для глазуровки керамических изделий послужили исходным материалом для приготовления стекла. Самые  древние стеклянные бусины были сделаны  в Древнем Египте около 2500 г. до н.э., хотя широкое распространение стекло (в основном окрашенное соединениями металлов) получило примерно к XV в. до н.э.

К древним ремеслам, которые, наряду с перечисленными выше, сыграли впоследствии важную роль в развитии экспериментальной химии, следует отнести фармацию. Издавна в качестве лекарственных средств использовались, экстракты различных растительных и животных организмов, а также сера, некоторые минералы и металлы. Уже одна из древнейших сохранившихся рукописей Древнего Египта «Папирус Эберса» (XVI в. до н.э.) содержит рецепты изготовления фармацевтических средств.

К достижениям древних  химиков-практиков следует отнести  изобретенные в Китае способы  изготовления бумаги и фарфора, а  также пороха. Составные части  пороха – селитра, сера и уголь  – были известны, по-видимому, задолго  до нашей эры, однако первые описания его образцов относятся лишь к  середине I тысячелетия н.э.

Итак, в древности были развиты многие ремесленно-химические производства, а круг используемых человечеством веществ был довольно широк. Однако, несмотря на весьма обширные навыки оперирования с веществами, практики, занимавшиеся ремесленными производствами, по-видимому, не задумывались над сущностью производимых ими  операций и часто не замечали ни какой связи между отдельными процессами.

В древности не существовало понятия об определенных, обладающих неизменными свойствами веществах, а химики-ремесленники обычно отличали одно вещество от другого (и соответственно давали ему обозначение) на основании  наблюдаемых различий или сходства внешнего вида (цвета, блеска) и устойчивости веществ. По эти признакам, например, многие сплавы золота принимались за разновидности самого золота, а некоторые  минералы, блестящие или окрашенные, принимались за металлы. Одно и тоже вещество, полученное разными способами, могло восприниматься как разные вещества. Например, самородную ртуть (живое серебро) отличали от искусственной, получаемой из киновари (гидраргирум). Эти примеры показывают, что восприятие эмпирических фактов химиками-практиками в древности происходило лишь на уровне обыденного сознания без попытки осмысления и обобщения приобретенных практических навыков. Однако накопленный в течение многих веков богатейший практический опыт послужил основой для знакомства наших предков с разнообразными веществами и их свойствами, что явилось важной в историческом отношении ступенью в возникновении и развитии химических знаний.

2.Химия как наука

Химия - наука о веществах, их строении, свойствах и превращениях. В широком понимании, вещество - это  любой вид материи, обладающий собственной  массой, например элементарные частицы. В химии понятие вещества более  узкое, а именно: вещество - это любая  совокупность атомов и молекул.

Превращения веществ, сопровождающиеся изменением состава молекул, называются химическими реакциями. Традиционная химия изучает реакции, которые  происходят на макроскопическом уровне (в лаборатории или в окружающем мире), и интерпретирует их на атомно-молекулярном уровне. Известно, например, что сера горит на воздухе голубым пламенем, давая резкий запах. Это - макроскопическое явление.

Современная химия способна изучать химические реакции с  участием отдельных молекул, обладающих строго определенной энергией. Пользуясь  этим, можно управлять течением химических реакций, подавая энергию в определенные участки молекулы. Управление химическими процессами на молекулярном уровне - одна из основных особенностей современной химии.

Химия как метод изучения химических свойств и строения веществ  является чрезвычайно многогранной и плодотворной наукой. На сегодняшний  день известно около 15 млн. органических и около полумиллиона неорганических веществ, причем каждое из этих веществ  может вступать в десятки реакций, и каждое из них имеет внутреннее строение. Внутреннее строение определяет химические свойства; в свою очередь, по химическим свойствам мы часто  можем судить о строении вещества.

Современная химия настолько  разнообразна как по объектам, так  и по методам их исследования, что  многие ее разделы представляют собой  самостоятельные науки. Взаимодействие химии и физики дало сразу две  науки: физическую химию и химическую физику, причем эти науки, несмотря на сходство названий, изучают совершенно разные объекты. Физическая химия исследует  вещества, состоящие из большого числа  атомов и молекул, с помощью физических методов и на основе законов физики. Химическая физика основной упор делает на физическом исследовании элементарных химических процессов и строения молекул, ее предметом являются отдельные  частицы вещества.

Одним из передовых направлений  химии является биохимия - наука, изучающая  химические основы жизни.

Чрезвычайно интересные результаты получены в области космической  химии, которая занимается химическими  процессами, протекающими на планетах и звездах, а также в межзвездном  пространстве.

Самой молодой областью химии  является возникшая буквально в  последнее десятилетие математическая химия. Ее задача - применение математических методов для обработки химических закономерностей, поиска связей между  строением и свойствами веществ, кодирования веществ по их молекулярной структуре, подсчета числа изомеров органических веществ. Современная  химия самым тесным образом взаимодействует  со всеми другими областями естествознания. Ни одно серьезное химическое исследование не обходится без использования  физических методов для установления структуры веществ и математических методов для анализа результатов.

Основу химии составляют атомно-молекулярная теория, теория строения атомов и молекул, закон сохранения массы и энергии и периодический  закон.

Химия как наука

Химия как самостоятельная  дисциплина определилась в XVI—XVII веках, после ряда научных открытий, обосновавших механистическую картину мира, развития промышленности, создания фабрик, появления  буржуазного общества. Однако из-за того, что химия, в отличие от физики, не могла быть выражена количественно, существовали споры, является ли химия  количественной воспроизводимой наукой или это некий иной вид познания. В 1661 году Роберт Бойль создал труд «Химик-скептик», в котором объяснил разность свойств различных веществ  тем, что они построены из разных частиц (корпускул), которые и отвечают за свойства вещества. Ван Гельмонт, изучая горение, ввёл понятие газ для вещества, которое образуется при нём, открыл углекислый газ. В 1672 году Бойль открыл, что при обжиге металлов их масса увеличивается, и объяснил это захватом «весомых частиц пламени».

М. В. Ломоносов уже в  первой известной своей работе, именно к данной области естествознания отношение имеющей — «Элементы  математической химии» (1741), в отличие  от большинства химиков своего времени, считавших эту сферу деятельности искусством, классифицирует её как  науку, начиная труд свой словами [4]:          

Химия — наука об изменениях, происходящих в смешанном теле, поскольку  оно смешанное. ...Не сомневаюсь, что найдутся многие, которым это определение покажется неполным, будут сетовать на отсутствие начал разделения, соединения, очищения и других выражений, которыми наполнены почти все химические книги; но те, кто проницательнее, легко усмотрят, что упомянутые выражения, которыми весьма многие писатели по химии имеют обыкновение обременять без надобности свои исследования, могут быть охвачены одним словом: смешанное тело. В самом деле, обладающий знанием смешанного тела может объяснить все возможные изменения его, и в том числе разделение, соединение и т. д.

3. Основные этапы развития  химии.

При изучении истории развития химии возможны два взаимно дополняющих  подхода: хронологический и содержательный.

При хронологическом подходе  историю химии принято подразделять на несколько периодов. Следует учитывать, что периодизация истории химии, будучи достаточно условной и относительной, имеет скорее дидактический смысл.

При этом на поздних этапах развития науки в связи с её дифференциацией неизбежны отступления  от хронологического порядка изложения, поскольку приходится отдельно рассматривать развитие каждого из основных разделов науки.

Как правило, большинство  историков химии выделяют следующие  основные этапы её развития:[3]

1. Предалхимический период: до III в. н.э.

В предалхимическом периоде теоретический и практический аспекты знаний о веществе развиваются относительно независимо друг от друга. Происхождение свойств вещества рассматривает античная натурфилософия, практические операции с веществом являются прерогативой ремесленной химии.

2. Алхимический период: III – XVI вв.

Алхимический период, в  свою очередь, разделяется на три  подпериода:[4]

·        александрийскую,

·        арабскую

·        европейскую  алхимию.

Алхимический период –  это время поисков философского камня, считавшегося необходимым для  осуществления трансмутации металлов.

В этом периоде происходит зарождение экспериментальной химии  и накопление запаса знаний о веществе; алхимическая теория, основанная на античных философских представлениях об элементах, тесно связана с астрологией  и мистикой. Наряду с химико-техническим "златоделием" алхимический период примечателен также и созданием уникальной системы мистической философии.

3. Период становления (объединения): XVII – XVIII вв.

В период становления химии  как науки происходит её полная рационализация. Химия освобождается от натурфилософских и алхимических взглядов на элементы как на носители определённых качеств. Наряду с расширением практических знаний о веществе начинает вырабатываться единый взгляд на химические процессы и в полной мере использоваться экспериментальный  метод. Завершающая этот период химическая революция окончательно придаёт  химии вид самостоятельной науки, занимающейся экспериментальным изучением  состава тел.

4. Период количественных  законов (атомно-молекулярной теории): 1789 – 1860 гг.

Период количественных законов, ознаменовавшийся открытием главных  количественных закономерностей химии  – стехиометрических законов, и  формированием атомно-молекулярной теории, окончательно завершает превращение  химии в точную науку, основанную не только на наблюдении, но и на измерении.

5. Период классической  химии: 1860 г. – конец XIX в.

Период классической химии  характеризуется стремительным  развитием науки: создаётся периодическая  система элементов, теория валентности  и химического строения молекул, стереохимия, химическая термодинамика  и химическая кинетика; блестящих  успехов достигают прикладная неорганическая химия и органический синтез.  В связи с ростом объёма знаний о веществе и его свойствах  начинается дифференциация химии –  выделение её отдельных ветвей, приобретающих  черты самостоятельных наук

4.Алхимия как феномен  средневековой культуры

 Алхимия складывалась  в эпоху эллинизма на основе  слияния прикладной химии египтян  с греческой натурфилософией,  мистикой и астрологией (золото  соотносили с Солнцем, серебро  - с Луной, медь - с Венерой, и  т.д.) (II-VI вв.) в александрийской культурной  традиции, представляя собой форму  ритуально-магического искусства. [5]

Алхимия - это самозабвенная  попытка найти способ получения  благородных металлов. Алхимики считали, что ртуть и сера разной чистоты, соединяясь в различных пропорциях, дают начало металлам, в том числе  и благородным. В реализации алхимического  рецепта предполагалось участие  священных или мистических сил, а средством обращения к этим силам было слово - необходимая сторона  ритуала. Поэтому алхимический рецепт выступал одновременно и как действие, и как священнодействие.[6]

В средневековой алхимии  выделялись две тенденции.

Первая - это мистифицированная  алхимия, ориентированная на химические превращения (в частности, ртути  в золото) и, в конечном счете, на доказательство возможности человеческими  усилиями осуществлять космические  превращения. В русле этой тенденции  арабские алхимики сформулировали идею «философского камня» - гипотетического  вещества, ускорявшего «созревание» золота в недрах земли; это вещество заодно трактовалось и как эликсир  жизни, исцеляющий болезни и дающий бессмертие.

Вторая тенденция была больше ориентирована на конкретную практическую технохимию. В этой области достижения алхимии несомненны. К ним следует отнести: открытие способов получения серной, соляной, азотной кислот, селитры, сплавов ртути с металлами, многих лекарственных веществ, создание химической посуды и др.

5. Возникновение и развитие  научной химии

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. Эти  мифологические идеи проникли в Грецию через Фалеса Милетского, который  возводил все многообразие явлений  и вещей к единой первостихии – воде. Однако греческих философов интересовали не способы получения веществ и их практическое использование, а главным образом суть происходящих в мире процессов. Так, древнегреческий философ Анаксимен утверждал, что первооснова Вселенной – воздух: при разрежении воздух превращается в огонь, а по мере сгущения становится водой, затем землей и, наконец, камнем. Гераклит Эфесский пытался объяснить явления природы, постулируя в качестве первоэлемента огонь.

Четыре первоэлемента. Эти  представления были объединены в  натурфилософии Эмпедокла из Агригента – создателя теории четырех начал мироздания.[8] В различных вариантах его теория властвовала над умами людей более двух тысячелетий. Согласно Эмпедоклу, все материальные объекты образуются при соединении вечных и неизменных элементов-стихий – воды, воздуха, земли и огня – под действием космических сил любви и ненависти. Теорию элементов Эмпедокла приняли и развили сначала Платон, уточнивший, что нематериальные силы добра и зла могут превращать эти элементы один в другой, а затем Аристотель.

Согласно Аристотелю, элементы-стихии – это не материальные субстанции, а носители определенных качеств  – тепла, холода, сухости и влажности. Этот взгляд трансформировался в  идею четырех «соков» Галена и  господствовал в науке вплоть до 17 в.

Другим важным вопросом, занимавшим греческих натурфилософов, был вопрос о делимости материи. Родоначальниками концепции, получившей впоследствии название «атомистической», были Левкипп, его ученик Демокрит и Эпикур.

Согласно их учению, существуют только пустота и атомы – неделимые  материальные элементы, вечные, неразрушимые, непроницаемые, различающиеся формой, положением в пустоте и величиной; из их «вихря» образуются все тела.

Атомистическая теория оставалась непопулярной в течение двух тысячелетий  после Демокрита, но не исчезла полностью. Одним из ее приверженцев стал древнегреческий поэт Тит Лукреций Кар , изложивший взгляды Демокрита и Эпикура в поэме «О природе вещей»

6.Лавуазье: революция в  химии

Центральная проблема химии XVIII в. - проблема горения. Вопрос состоял  в следующем: что случается с  горючими веществами, когда они сгорают  в воздухе? Для объяснения процессов  горения немецкими химиками И. Бехером  и его учеником Г. Э. Шталем была предложена теория флогистона. Флогистон - это некоторая невесомая субстанция, которую содержат все горючие тела и которую они утрачивают при горении. Тела, содержащие большое количество флогистона, горят хорошо; тела, которые не загораются, являются дефлогистированными. Эта теория позволяла объяснять многие химические процессы и предсказывать новые химические явления. В течение почти всего XVIII в. она прочно удерживала свои позиции, пока французский химик А. Л. Лавуазье в конце XVIII в. не разработал кислородную теорию горения.

Лавуазье показал, что  все явления в химии, прежде считавшиеся  хаотическими, могут быть систематизированы  и сведены в закон сочетания  элементов, старых и новых. К уже  установленному до него списку элементов  он добавил новые - кислород, который  вместе с водородом входит в состав воды, а также и другой компонент  воздуха - азот. В соответствии с  новой системой химические соединения делились в основном на три категории: кислоты, основания, соли. Лавуазье рационализировал химию и объяснил причину большого разнообразия химических явлений: она  заключается в различии химических элементов и их соединений.

7.Зарождение современной  химии и ее проблемы в 21 веке.

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. Под таким выбранным им самим именем 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 и связаны с микрокосмом, 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, по профессии врач; Франциск Сильвий, пользовавшийся как медик большой славой и устранивший из ятрохимического учения «духовные» начала; Андреас Либавий, врач из Ротенбурга.

Их исследования во многом способствовали формированию химии  как самостоятельной науки.

Механистическая философия. С уменьшением влияния ятрохимии натурфилософы вновь обратились к учениям древних о природе. На первый план в 17 в. вышли атомистические воззрения. Одним из виднейших ученых – авторов корпускулярной теории – был философ и математик Рене Декарт. Свои взгляды он изложил в 1637 в сочинении Рассуждение о методе. Декарт полагал, что все тела «состоят из многочисленных мелких частиц различной формы и размеров, которые не настолько точно прилегают друг к другу, чтобы вокруг них не оставалось промежутков; эти промежутки не пустые, а наполнены... разреженной материей». Свои «маленькие частички» Декарт не считал атомами, т.е. неделимыми; он стоял на точке зрения бесконечной делимости материи и отрицал существование пустоты.

Одним из виднейших противников  Декарта был французский физик  и философ Пьер Гассенди.

Атомистика Гассенди была по существу пересказом учения Эпикура, однако, в отличие от последнего, Гассенди признавал сотворение атомов Богом; он считал, что Бог создал определенное число неделимых и  непроницаемых атомов, из которых  и состоят все тела; между атомами  должна быть абсолютная пустота.

В развитии химии 17 в. особая роль принадлежит ирландскому ученому  Роберту Бойлю. Бойль не принимал утверждения древних философов, считавших, что элементы мироздания можно установить умозрительно; это  и нашло отражение в названии его книги Химик-скептик. Будучи сторонником экспериментального подхода  к определению химических элементов, он не знал о существовании реальных элементов, хотя один из них – фосфор – едва не открыл сам. Обычно Бойлю  приписывают заслугу введения в  химию термина «анализ». В своих  опытах по качественному анализу  он применял различные индикаторы, ввел понятие химического сродства. Основываясь на трудах Галилео Галилея  Эванджелиста Торричелли, а также Отто Герике , демонстрировавшего в 1654 «магдебургские полушария», Бойль описал сконструированный им воздушный насос и опыты по определению упругости воздуха при помощи U-образной трубки. В результате этих опытов был сформулирован известный закон об обратной пропорциональности объема и давления воздуха. В 1668 Бойль стал деятельным членом только что организованного Лондонского королевского общества, а в 1680 был избран его президентом.