Специфика химии, ее место в естествознании

Введение

Тема данной работы «Специфика химии, ее место в естествознании».

Актуальность данной темы заключается в том, что формирование современного естествознания - это процесс очень сложный и многоплановый, включающий рассмотрение систем наук о природе, или естественных наук, взятых в их взаимной связи, в развитии этих наук в различные исторические эпохи. Одной из важнейших таких систем естествознания, на мой взгляд, является химическая наука. Современная химия развивается стремительными темпами, плодотворно сотрудничая с физикой, математикой, биологией и другими науками.

Истоки химических знаний лежат в глубокой древности. В  их основе - потребность человека получить необходимые вещества, объяснить  взаимодействие веществ для своей  жизнедеятельности.

Химия очень тесно связана  с производством материальных ценностей  и является больше практической наукой. Современные достижения химии в  ее практической деятельности вносят большой вклад в общее миропонимание, в развитие естественнонаучных знаний, существенно отражаются на состоянии  взаимодействия общества с природой. Добавляемые химией и химической производственной практикой знания о природе, о вещах и превращениях веществ, являются основой для формирования мировоззрения человека, развития общих  представлений о мире, о природе  человека, его деятельности.

Еще с древних времен и  вплоть до наших дней в развитии научной, в том числе и химической мысли, почти по всем направлениям можно  констатировать позитивный и безостановочный  прогресс. Научные знания продолжают постоянно углубляться и совершенствоваться.

Для формирования у современного человека естественнонаучного способа  мышления, целостного мировоззрения  необходимы и знания основных положений  химии, как одной из важнейших  наук, ее исторического развития и  современного понимания роли химии  для жизни и деятельности человека.

Роль вещества и знаний о веществе, природа химических знаний, пути и средства их формирования в  историческом развитии - вот то, с  чего в можно начать изучение влияния  химии на формирование и развитие современного естествознания.

Цель написания данной работы – определить специфику химии и ее место в естествознании. Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

- охарактеризовать специфику химии,

- определить понятие и  признаки химии как науки,

- определить место химии в естествознании.

При написании данной работы были использованы труды следующих  авторов: Бабаназарова О.В.; Горохов В.Г.; Рузавин, Г.И.; Хорошавина С.Г..

Использованы следующие методы: изучение, анализ, обобщение.

Данная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка.

1. Химия как наука. Краткая историческая справка. Проблемы и перспективы современной химии

Согласно общепринятому  определению, химия – это наука о веществах и их превращениях, или, как вариант, наука о химических элементах и их соединениях¹.

В этих определениях подразумевается  структурный уровень изучения вещества и, так сказать, «разделение полномочий»  между физикой и химией. Физика изучает строение атома и мир  элементарных частиц (атомный и нуклонный  уровень микромира), с одной стороны, и проявление физических свойств  веществ, пребывающих в разных агрегатных состояниях, – с другой (классические механика и электродинамика, теплофизика как изучение явлений макромира). Химия же рассматривает процессы «сборки» молекул из атомов, традиционно называемые «химическими реакциями», а также проявление химических свойств веществ, то есть способность веществ вступать в химические реакции определенного вида. Таким образом, структурный уровень вещества, изучаемый в химии, оказывается помещенным между двумя «физическими» уровнями структуры вещества, а «химические» явления происходят на границе микромира и макромира.

Химия – полноправный представитель  семейства точных естественных наук, то есть химическое научное знание сформировано из теорий, законов и  закономерностей, формулировки которых  исключают множественное толкование и которые многократно подтверждены и проверены на практике. И, как  для любой естественной науки, для  химии имеют большое значение проверяемость, достоверность и  воспроизводимость результатов, доказательность  знания, соответствие научных теорий и наблюдаемых фактов.

Химия – рациональная наука, даже гипотезы в химии имеют чисто  рациональный характер. Современная  химия счастливо избежала того «налета» иррациональности, который присутствует в физике, биологии, астрономии, особенно когда обсуждаются вопросы происхождения Вселенной, вещества и жизни. Традиционно также слаба связь химии и философии (в течение последних 250–300 лет после исключения алхимических представлений из химии). И в дискуссиях между ортодоксальными «материалистами» и «идеалистами» химики всегда остаются в стороне, а оппоненты прибегают к разным аспектам химического знания для доказательства своих, порой противоположных по сущности, доводов.

И хотя современная химия  имеет очень мало общего с алхимией средних веков, забавно, что свое название «химия» получила именно от алхимии. Название же «алхимия» исходит, предположительно, от слова «Кеми»; страна Кеми (или Кемь) – одно из старинных названий современного Египта, откуда, согласно средневековым легендам, были родом первые алхимики.

Химия развивалась и развивается  традиционно в двух направлениях – как фундаментальная наука (создание и изучение теоретических  основ химического знания) и как  наука прикладная (решение практических задач применения различных химических соединений). И если в XVIII–XIX вв. второе направление развивалось более интенсивно, обслуживая промышленную революцию, а теоретическое направление вынуждено было «догонять» в попытке объяснить и систематизировать быстро растущий объем химических знаний, то все изменилось на рубеже XIX–XX вв. и особенно в начале XX в. Великие открытия в физике микромира, приведшие к смене парадигмы естествознания, предопределили развитие теоретической неорганической и органической химии в свете квантовых представлений. Таким образом был усовершенствован механизм объяснения химического строения и структуры вещества, и в дальнейшем оба направления химической науки развивались уже в тесном взаимодействии, решая основную проблему современной химии – получение (синтез) вещества с заданными свойствами. Важным этапом решения этой задачи является решение проблемы управления свойствами вещества. Химия как наука не только о химическом составе и структуре вещества, но и о химических процессах, развивается в рамках парадигмы современного естествознания – квантово-релятивистской механики. В частности, существует фундаментальная химическая наука – квантово-органическая химия, которая изучает механизмы органических реакций с позиции квантовых представлений.

Однако наряду с квантовой  химией сосуществует и классическая химия, например химия анализа состава  вещества и химия промышленного  синтеза известных продуктов, где  для выполнения рутинных процедур не обязательно прибегать к квантовым  представлениям.

Происхождение термина «химия»  не выяснено до сих пор, хотя по этому  вопросу существует несколько версий. Согласно одной из них, это название произошло от египетского слова  «хеми», что означало Египет, а также  «черный». Жрецы Древнего Египта были выдающимися мастерами химических ремесел, а химию постепенно стали  называть «египетской наукой».

Историки науки переводят  этот термин также как «египетское  искусство». Таким образом, в этой версии слово химия означает искусство  производить необходимые вещества, в том числе и искусство, превращать с помощью философского камня обыкновенные металлы в золото и серебро или их сплавы.

За двести лет до нашей  эры в городе Александрии Египетской уже существовала Академия наук, где «священному искусству химии» было отведено особое здание, храм Сераписа - храм жизни, смерти и исцеления.

Однако в настоящее  время более популярно другое объяснение. Слово «химия» произошло  от греческого термина «химос», который  можно перевести как «сок растений». Поэтому «химия» означает «искусство получения соков», но сок, о котором  идет речь, может быть и расплавленным  металлом. Поэтому химия может  означать и «искусство металлургии».

Много позднее, в начале I века нашей эры арабы-химики ввели вместо названия «химия» другое – «алхимия». Полагают, что это слово ближе к понятию «благородная химия».

Рассмотрим основные периоды  развития химической науки.

2. Период зарождения научной химии

          Этот период продолжался в течение XVI-XVIII веков.

Возникновение и развитие периода связано с учениями Парацельса (1493-1541 гг.) и Агриколы (1494-1555 гг.). Парацельс  утверждал, что основной задачей  химии является изготовление лекарств, а не золота и серебра. Парацельс  имел большой успех, предложив лечить некоторые болезни, используя простые  неорганические соединения вместо органических экстрактов. Агрикола же изучал горное дело и металлургию. Его труд "О  металлах" более 200 лет являлся  учебником по горному делу.

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

          - обновление европейской культуры;

- потребность в новых  видах промышленного производства;

- открытие Нового света; 

- расширение торговых  отношений. 

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

В XVI в. на смену алхимии  пришло новое направление, которое  занималось приготовлением лекарств. Это направление получило название ятрохимии. Основателем ятрохимии  был швейцарский ученый Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм, известный  в науке под именем Парацельс.

Ятрохимия выражала стремление соединить медицину с химией, переоценивая при этом роль химических превращений  в организме и приписывая определенным химическим соединениям способность  устранять в организме нарушения  равновесия. Парацельс свято верил, что если человеческое тело состоит  из особых веществ, то происходящие в  них изменения должны вызывать болезни, которые могут быть излечены лишь путем применения лекарств, восстанавливающих  нормальное химическое равновесие. До Парацельса в качестве лекарств использовались преимущественно растительные препараты, но он полагался только на эффективность лекарственных средств, изготовленных из минералов, и поэтому стремился создавать лекарства такого типа.

В сохранении здоровья человека Парацельс придавал большое значение химии, так как исходил из наблюдения, что медицина покоится на четырех  опорах, а именно на философии, астрологии, химии и добродетели. Химия должна развиваться в согласии с медициной, потому что этот союз приведет к  прогрессу обеих наук.

Ятрохимия принесла значительную пользу химии, так как способствовала освобождению ее от влияния алхимии  и существенно расширила знания о жизненно важных соединениях, оказав тем самым благотворное влияние  и на фармацию. Но одновременно ятрохимия  была и помехой для развития химии, потому что сужала поле ее исследований. По этой причине в XVII и XVIII вв. целый  ряд исследователей отказались от принципов  ятрохимии и избрали иной путь своих исследований, внедряя химию  в жизнь и ставя ее на службу человеку.

Именно эти исследователи  своими открытиями способствовали созданию первых научных химических теорий.

В XVII веке теория алхимии  уже не отвечала требованиям практики. В 1661 г. Бойль выступил против господствующих в химии представлений и подверг  жесточайшей критике теорию алхимиков. Он впервые определил центральный  объект исследования химии - химический элемент. Бойль считал, что элемент - это предел разложения вещества на составные части. Разлагая природные  вещества на их составные, исследователи  сделали много важных наблюдений, открыли новые элементы и соединения. Химик стали изучать, что из чего состоит².

В XVII столетии, в век бурного  развития механики, в связи с изобретением паровой машины, возник интерес химии  к процессу горения. Итогом этих исследований стала теория флогистона, основоположником которой был немецкий химик и  врач Георг Шталь.

      Теория Флогистона Шталь ввел понятие «флогистона» (от греч. «флогистос» - горючий, воспламеняющийся). Термин «флогистон» получил большое распространение благодаря работам самого Шталя и потому, что его теория объединила многочисленные сведения о горении и обжигании.

Теория флогистона основана на убеждении, что все горючие  вещества богаты особым горючим веществом - флогистоном и чем больше флогистона содержит данное тело, тем более  оно способно к горению. То, что  остается после завершения процесса горения, флогистона не содержит и потому гореть не может. Шталь утверждает, что расплавление металлов подобно  горению дерева. Металлы, по его мнению, тоже содержат флогистон, но, теряя  его, превращаются в известь, ржавчину или окалину. Однако если к этим остаткам опять добавить флогистон, то вновь  можно получить металлы. При нагревании этих веществ с углем металл «возрождается».

Такое понимание процесса плавления позволило дать приемлемое объяснение и процессу превращение  руд в металлы - первому теоретическому открытию в области химии.

Теория флогистона Шталя  на первых порах встретила резкую критику, но при этом быстро начала завоевывать популярность и во второй половине XVII в. была принята химиками повсеместно, так как позволила  дать четкие ответы на многие вопросы. Однако один вопрос ни Шталь, ни его  последователи разрешить не смогли. Дело в том, что большинство горючих  веществ (дерево, бумага, жир) при горении  в значительной степени исчезали. Оставшиеся зола и сажа были намного  легче, чем исходное вещество. Но химикам XVIII в. эта проблема не казалась важной, они еще не сознавали важность точных измерений, и изменением в  весе они пренебрегали. Теория флогистона объясняла причины изменения  внешнего вида и свойств веществ, а изменения веса были неважны.

За время почти столетнего господства теории флогистона были открыты  многие газы, изучены различные металлы, оксиды, соли. Но противоречивость этой теории тормозила дальнейшее развитие химии.

Влияние идей А.Л. Лавуазье на развитие химического знания.

К концу XVIII века в химии  был накоплен большой объем экспериментальных  данных, которые необходимо было систематизировать  в рамках единой теории. Создателем такой теории стал французский химик  Антуан-Лоран Лавуазье.

С самого начала своей деятельности на поприще химии Лавуазье понял  важность точного измерения веществ, участвующих в химических процессах. Применение точных измерений при  изучении химических реакций позволило  ему доказать несостоятельность  старых теорий, мешавших развитию химии.

Вопрос о природе процесса горения интересовал всех химиков XVIII в. и Лавуазье также не мог не заинтересоваться им. Его многочисленные опыты по нагреванию различных веществ в закрытых сосудах позволили установить, что независимо от характера химических процессов и их продуктов, общий вес всех участвующих в реакции веществ остается без изменений.

Это позволило ему выдвинуть  новую теорию образования металлов и руд. Согласно этой теории, в руде металл соединен с газом. Когда руду нагревают на древесном угле, уголь  абсорбирует газ из руды и при  этом образуется углекислый газ и  металл.

Таким образом, в отличие  от Шталя, который считал, что плавка металла включает переход флогистона из древесного угля в руду, Лавуазье представляет себе этот процесс как  переход газа из руды в уголь. Идея Лавуазье позволяла объяснить причины  изменения веса веществ в результате горения.

Обдумывая результаты проведенных  им опытов, Лавуазье пришел к мысли, что если учитывать все вещества, участвующие в химической реакции  и все образующиеся продукты, то изменений в весе никогда не будет. Другими словами, Лавуазье пришел к  выводу, что масса никогда не создается  и не уничтожается, а лишь переходит  от одного вещества к другому. Этот вывод, известный сегодня как закон сохранения массы, стал основой для всего процесса развития химии XIX века.

Однако сам Лавуазье был  неудовлетворен полученными результатами, так как не понимал, почему при  соединении воздуха с металлом образовывалась окалина, а при соединении с деревом - газы, и почему при этих взаимодействиях  участвовал не весь воздух, а только примерно пятая часть его?

Вновь в результате многочисленных опытов и экспериментов Лавуазье пришел к выводу, что воздух является не простым веществом, а смесью двух газов. Одну пятую часть воздуха, по мнению Лавуазье, составляет «дефлогистированный  воздух», который соединяется с  горящими и ржавеющими предметами, переходит из руд в древесный  уголь и необходим для жизни. Лавуазье назвал этот газ кислородом, то есть порождающим кислоты, так  как ошибочно полагал, что кислород - компонент всех кислот.

Второй газ, составляющий четыре пятых воздуха («флогистированный  воздух») был признан совершенно самостоятельным веществом. Этот газ  не поддерживал горения, и его  Лавуазье назвал азотом - безжизненным.

Важную роль в исследованиях  Лавуазье сыграли результаты опытов английского физика Кавендиша, который  доказал, что образующиеся при горении  газы конденсируются в жидкость, которая, как показали анализы, является всего-навсего  водой.

Важность этого открытия была огромной, так как выяснилось, что вода - не простое вещество, а  продукт соединения двух газов.

Лавуазье назвал выделяющийся при горении газ водородом («образующим  воду») и отметил, что водород  горит, соединяясь с кислородом, и, следовательно, вода является соединением водорода и кислорода.

Новые теории Лавуазье повлекли за собой полную рационализацию химии. Было окончательно покончено со всеми  таинственными элементами. С того времени химики стали интересоваться только теми веществами, которые можно было взвесить или измерить каким-либо другим способом.

3. Системный подход в химии

Основоположником системного подхода в химии стал русский  химик Д.И. Менделеев. После посещения  конгресса Менделеев приступил  к изучению элементов и обратил  особое внимание на периодичность изменения  валентности у элементов, расположенных  в порядке возрастания атомных  весов.

Менделеев считал, что любое  точное знание составляет систему, в  основе которой должен быть единый систематизирующий фактор. В качестве такого фактора он выбрал атомный  вес, полагая, что последний является главной характеристикой всех химических элементов.

Основываясь на увеличении и уменьшении валентности элементов  в соответствии с их атомным весом, Менделеев разделил элементы на периоды (отсюда название «периодическая система  элементов»). Первый период включает только один водород, затем следуют два  периода по семь элементов в каждом, а затем периоды, содержащие более  семи элементов. Такая периодическая  система элементов была яснее  и нагляднее, чем график. Благодаря  форме таблицы мировое сообщество ученых отдало приоритет открытия периодической  системы именно Менделееву, а не другим ученым, которые к тому времени  также систематизировали элементы, но в других формах.

Во времена Менделеева было известно всего 62 химических элемента. Поэтому в таблице оказались  пустые клетки (пробелы). Наличие этих пробелов он объяснил не несовершенством  самой таблицы, а тем, что соответствующие  элементы пока еще не открыты. Впоследствии эти элементы были открыты химиками и их свойства оказались именно такими, как предсказал Менделеев.

Хотя классификация Менделеева была выдающимся научным достижением, получила широкое распространение  и стала подлинно научной системой химических знаний, она не была идеальной  и совершенной. Первый недостаток таблицы  заключался в том, что водород  как одновалентный элемент был помещен в начале I группы. Однако химики тогда еще не пришли к единому мнению относительно того, следует ли помещать водород в эту группу, так как водород не похож в химическом отношении на другие элементы этой группы. Этот и ряд других недостатков таблицы позволил нескольким ученым внести в нее усовершенствования, последнее из которых было сделано после открытия явления радиоактивности.

По мере совершенствования  периодическая система элементов  завоевывала у химиков всеобщий авторитет, так как объясняла  многие факты, а самое главное, указывала  на существование глубокой зависимости  между различными элементами, выводила свойства химических элементов из их порядкового номера в таблице  Менделеева.

4. Современный период развития химической науки

Современный период развития химии длится с 60-х годов XIX века до наших дней. Это наиболее плодотворный период развития химии, так как в  течение немногим более 100 лет были разработаны периодическая классификация  элементов, теория валентности, теория ароматических соединений и стереохимия, теория электролитической диссоциации  Аррениуса, электронная теория материи  и другие. Вместе с тем, значительно  расширился диапазон химических исследований. Такие составные части химии, как неорганическая химия, органическая химия, физическая химия, фармацевтическая химия, химия пищевых продуктов, агрохимия, геохимия, биохимия приобрели  статус самостоятельных наук и собственную  теоретическую базу.

Химия, в отличие от многих других наук (например, биологии), сама создает свой предмет исследования. Как никакая другая наука, она  является одновременно и наукой, и  производством. Химия всегда была нужна  человечеству в основном для того, чтобы получать из веществ природы  по возможности все необходимые  металлы и керамику, известь и  цемент, стекло и бетон, красители  и фармацевтические препараты, взрывчатые вещества и горюче-смазочные материалы, каучук и пластмассы, химические волокна  и материалы с заданными электрофизическими свойствами. Поэтому все химические знания», приобретенные за многие столетия и представленные в виде теорий, законов, методов, технологий, объединяет одна-единственная непреходящая, главная  задача химии. Это задача получения  веществ с необходимыми свойствами. Но это - производственная задача, и, чтобы  ее реализовать, надо уметь из одних  веществ производить другие, то есть осуществлять качественные превращения  вещества. А поскольку качество - это совокупность свойств вещества, надо знать, от чего зависят свойства. Иначе говоря, чтобы решить названную  производственную задачу, химия должна решить теоретическую задачу генезиса (происхождения) свойств вещества.

Таким образом, основанием современной  химии выступает двуединая проблема - получение веществ с заданными  свойствами (на достижение чего направлена производственная деятельность человека) и выявление способов управления свойствами вещества (на реализацию чего направлена научно-исследовательская  деятельность).

Это и есть основная проблема химии. Она же является системообразующим  началом данной науки. Эта проблема возникла в древности и не теряет своего значения в наши дни. Естественно, что в разные исторические эпохи  она решалась по-разному, так как  способы ее решения зависят от уровня материальной и духовной культуры общества, а также от внутренних закономерностей, присущих ходу научного познания. Достаточно сказать, что изготовление таких материалов, как, например, стекло и керамика, краски и душистые вещества, в древности осуществлялось совершенно иначе, чем в XVIII веке и позже.

Вся история химии, все  ее развитие является закономерным процессом  смены способов решения ее основной проблемы.

Важнейшей особенностью основной проблемы химии является то, что  она имеет всего четыре способа  решения. Речь идет при этом не о  частных методах изучения и превращения  вещества - их множество, а о самых  общих способах решения вопроса: от чего, от каких факторов зависят  свойства вещества. А они зависят  от четырех факторов:

1) от его элементного  и молекулярного состава; 

2) от структуры его  молекул; 

3) от термодинамических  и кинетических (наличие катализаторов,  воздействие материала стенок  сосудов и т.д.) условий, в которых  вещество находится в процессе  химической реакции; 

4) от высоты химической  организации вещества³.

Первый по-настоящему действенный  способ решения проблемы происхождения  свойств вещества появился во второй половине XVII века в работах английского ученого Роберта Бойля. Его исследования показали, что качества и свойства тела не имеют абсолютного характера и зависят от того, из каких химических элементов эти тела составлены. С этого момента стали считать, что наименьшей частицей простого тела является молекула. В период с середины XVII века до первой половины XIX века учение о составе вещества представляло собой всю тогдашнюю химию. Оно существует и сегодня, представляя собой часть химии.

Монопольное положение учения о составе вещества сохранялось  до 1830-х годов. К этому времени  мануфактурное производство сменилось  фабричным, опирающимся на машинную технику и широкую сырьевую базу. В химическом производстве стала  преобладать переработка огромных масс вещества растительного и животного  происхождения, их качественное разнообразие потрясающе велико - сотни тысяч  химических соединений, а состав их крайне однообразен - лишь несколько  элементов-органогенов (углерод, водород, кислород, сера, азот, фосфор), из которых  эти соединения состоят. Объяснение необычайно широкому разнообразию органических соединений при столь бедном их элементном составе было найдено в явлениях, получивших названия «изомерия» и «полимерия». Стало совершенно ясно, что свойства веществ, а, следовательно, и их качественное разнообразие обусловливаются не только составом, но еще и структурой молекул. Появилось новое решение проблемы генезиса свойств, а также отграничились сами понятия «свойство» и «функция» или реакционная способность. В понятие «реакционная способность» включались представления о химической активности отдельных фрагментов молекулы - атомов, атомных групп и даже отдельных химических связей.

Так было положено начало второму  уровню развития химических знаний, который  получил название структурной химии. Она стала более высоким уровнем  по отношению к учению о составе, включая его в себя.

На втором уровне своего развития химия превратилась из науки  преимущественно аналитической  в науку главным образом синтетическую. Этот период связан с развитием химии органического синтеза. В это время появились всевозможные азокрасители для текстильной промышленности, различные препараты для фармации, искусственный шелк и т.д. Для этого все материалы добывались в ограниченных масштабах и с огромными затратами низкопроизводительного, преимущественно сельскохозяйственного труда.