Історичний огляд основних етапів розвитку хімії

2006

Введення

Змістовий підхід до історії хімії грунтується на вивченні того, як змінювалися в часом теоретичні основи науки. Внаслідок змін у теоріях на всьому Протягом існування хімії постійно змінювалося її визначення. Хімія зароджується як "мистецтво перетворення неблагородних металів у благородні "; Менделєєв у 1882 р. визначає її як" вчення про елементах і їх з'єднаннях ". Визначення з сучасного шкільного підручника у свою чергу значно відрізняється від менделєєвськая: "Хімія -- наука про речовини, їх склад, будову, властивості, взаємних перетвореннях і законах цих перетворень ". [1]

Слід відзначити, що вивчення структури науки мало сприяє створенню уявлення про шляхи розвитку хімії в цілому: загальноприйняте поділ хімії на розділи засноване на багатьох різних принципів. Розподіл хімії на органічну і неорганічну вироблено по відмінності їх предметів.

Виділення фізичної хімії засновано на її близькості до фізики, аналітична хімія виділена за ознакою методу дослідження. У цілому загальноприйняте поділ хімії на розділи є значною мірою даниною історичній традиції; кожен розділ в тій чи іншій мірі перетинається з усіма іншими.

Основний завданням змістовного підходу до історії хімії є, говорячи словами Д. І. Менделєєва, виділення "незмінного і спільного в змінюємо і приватному". Таким незмінним і загальним для хімічних знань всіх історичних періодів є мета хімії. Саме мета науки - не тільки теоретичний, а й історичний її стрижень.

Метою хімії на всіх етапах її розвитку є отримання речовини з заданими властивостями. Ця мета, іноді іменована основною проблемою хімії, містить у себе два найважливіших завдання - практичну і теоретичну, які не можуть бути вирішені окремо один від одного. Отримання речовини з заданими властивостями не може бути здійснене без виявлення способів керування властивостями речовини, або, що те ж саме, без розуміння причин походження і обумовленості властивостей речовини. Таким чином, хімія є одночасно і мета і засіб, і теорія і практика

Таким чином, в рамках змістовного підходу історія хімії може бути розглянута як історія виникнення та розвитку концептуальних систем, кожна з яких являє собою принципово новий спосіб вирішення основного завдання хімії. [2]

1. Основні етапи розвитку хімії

При вивченні історії розвитку хімії можливі два взаємно доповнюють підходи: хронологічний та змістовний.

При хронологічному підході історію хімії прийнято поділяти на кілька періодів. Слід враховувати, що періодизацію історії хімії, будучи досить умовною і відносною, має радше дидактичний сенс.

При це на пізніх етапах розвитку науки у зв'язку з її диференціацією неминучі відступу від хронологічного порядку викладу, оскільки доводиться окремо розглядати розвиток кожного з основних розділів науки.

Як правило, більшість істориків хімії виділяють наступні основні етапи її розвитку: [3]

1. Предалхіміческій період: до III ст. н.е.

В предалхіміческом періоді теоретичний і практичний аспекти знань про речовину розвиваються відносно незалежно один від одного. Походження властивостей речовини розглядає антична натурфілософія, практичні операції з речовиною є прерогативою ремісничої хімії.

2. Алхімічний період: III - XVI ст.

Алхімічний період, у свою чергу, поділяється на три підперіоди: [4]

олександрійську,

арабську

європейську алхімію.

Алхімічний період - це час пошуків філософського каменю, якого вважали за необхідне для здійснення трансмутації металів.

В цей період відбувається зародження експериментальної хімії і накопичення запасу знань про речовину; алхімічна теорія, заснована на античних філософських уявленнях про елементи, тісно пов'язана з астрологією і містикою. Поряд з хіміко-технічним "златоделіем" Алхімічний період примітний також і створенням унікальної системи містичної філософії.

3. Період становлення (об'єднання): XVII - XVIII ст.

В період становлення хімії як науки відбувається її повна раціоналізація. Хімія звільняється від натурфілософські і алхімічних поглядів на елементи як на носії певних якостей. Поряд з розширенням практичних знань про речовині починає вироблятися єдиний погляд на хімічні процеси і в повною мірою використовуватися експериментальний метод. Завершальна цей період хімічна революція остаточно надає хімії вид самостійної науки, займається експериментальним вивченням складу тел.

4. Період кількісних законів (атомно-молекулярної теорії): 1789 - 1860 рр..

Період кількісних законів, що ознаменувався відкриттям головних кількісних закономірностей хімії - стехіометричних законів, і формуванням атомно-молекулярної теорії, остаточно завершує перетворення хімії в точну науку, засновану не лише на спостереженні, а й на вимірюванні.

5. Період класичної хімії: 1860 р. - кінець XIX ст.

Період класичної хімії характеризується стрімким розвитком науки: створюється періодична система елементів, теорія валентності і хімічної будови молекул, Стереохімія, хімічна термодинаміка та хімічна кінетика; блискучих успіхів досягають прикладна неорганічна хімія та органічний синтез. У зв'язку із зростанням обсягу знань про речовину і його властивості починається диференціація хімії - виділення її окремих гілок, що набувають риси самостійних наук.

2. Алхімія як феномен середньовічної культури

Алхімія складалася в епоху еллінізму на основі злиття прикладної хімії єгиптян з грецької натурфілософією, містикою та астрологією (золото співвідносили з Сонцем, срібло - з Місяцем, мідь - з Венерою, і т.д.) (II-VI ст.) в олександрійської культурної традиції, являючи собою форму ритуально-магічного мистецтва. [5]

Алхімія - Це самозабутньо спроба знайти спосіб одержання благородних металів. Алхіміки вважали, що ртуть і сірка різної чистоти, поєднуючись у різних пропорціях, дають початок металів, у тому числі і благородним. У реалізації алхімічного рецепта передбачалося участь священних або містичних сил, а засобом звернення до цих сил було слово - необхідна сторона ритуалу. Тому Алхімічний рецепт виступав одночасно і як дія, і як священнодійство. [6]

В середньовічної алхімії виділялися дві тенденції.

Перша - Це містифікованим алхімія, орієнтована на хімічні перетворення (в Зокрема, ртуті в золото) і, в кінцевому рахунку, на доказ можливості людськими зусиллями здійснювати космічні перетворення. У руслі цієї тенденції арабські алхіміки сформулювали ідею «філософського каменя» -- гіпотетичного речовини, прискорює «дозрівання» золота в надрах землі; це речовина заодно трактувалося і як еліксир життя, зцілює хвороби і дає безсмертя.

Друга тенденція була більше орієнтована на конкретну практичну технохімію. У цій галузі досягнення алхімії безперечні. До них слід віднести: відкриття способів отримання сірчаної, соляної, азотної кислот, селітри, сплавів ртуті з металами, багатьох лікарських речовин, створення хімічного посуду та ін

3. Виникнення і розвиток наукової хімії

§ 3.1. Витоки хімії  

Хімія старовини. Хімія, наука про склад речовин і їх перетворення, починається з відкриття людиною здатності вогню змінювати природні матеріали. Мабуть, люди вміли виплавляти мідь і бронзу, обпалювати глиняні вироби, отримувати скло ще за 4000 років до н.е. [7] З 7 в. до н.е. Єгипет і Месопотамія стали центрами виробництва барвників; там же отримували в чистому вигляді золото, срібло і інші метали. Приблизно з 1500 до 350 до н.е. для виробництва барвників використали перегонку, а метали виплавляли з руд, змішуючи їх з деревним вугіллям і продуваючи через палаючу суміш повітря. Самим процедурам перетворення природних матеріалів давали містичне сенс.

Грецька натурфілософія. Ці міфологічні ідеї проникли в Грецію через Фалеса Мілетського, який зводив все різноманіття явищ і речей до єдиної первшостихії - воді. Однак грецьких філософів цікавили не способи отримання речовин і їх практичне використання, а головним чином суть виникаючих в світі процесів. Так, давньогрецький філософ Анаксимен стверджував, що першооснова Всесвіту - повітря: при розрідженні повітря перетворюється у вогонь, а по мірі згущення стає водою, потім землею і, нарешті, каменем. Геракліт намагався пояснити явища природи, постулюючи як першоелемента вогонь.

Чотири першоелемента. Ці уявлення були об'єднані в натурфілософії Емпедокла з Агрігента - творця теорії чотирьох початків світобудови. [8]  У різних варіантах його теорія володарювала більше двох тисячоліть. Згідно Емпедоклу, все матеріальні об'єкти утворяться при з'єднанні вічних і незмінних елементів-стихій - води, повітря, землі і вогню - під дією космічних сил любов і ненависть. Теорію елементів Емпедокла прийняли і розвинули спочатку Платон, що уточнив, що нематеріальні сили добра і зла можуть перетворювати ці елементи один в інший, а потім Аристотель.

Згідно Арістотелем, елементи-стихії - це не матеріальні субстанції, а носії певних якостей - тепла, холоду, сухості та вологості. Цей погляд трансформувався в ідею чотирьох «соків» Галена і панував в науці аж до 17 ст.

Іншим важливим питанням, що займало грецькихнатурфілософів, було питання про подільності матерії. Родоначальниками концепції, що отримала згодом назву «Атомістичної», були Левкіпп, його учень Демокріт і Епікур.

Згідно їх вченням, існують тільки порожнеча і атоми - неподільні матеріальні елементи, вічні, незруйновані, непроникні, що розрізняються формою, положенням в просторі і величиною; з їх «вихору» утворяться всі тіла.

Атомістична теорія залишалася непопулярною протягом двох тисячоліть після Демокріта, але не зникла повністю. Одним з її прихильників став давньогрецький поет Тіт Лукрецій Кар, що виклав погляди Демокріта і Епікура в поемі «Про природу речей» (De Rerum Natura). [9]  

§ 3.2. Лавуазьє: революція в хімії

Центральна проблема хімії XVIII ст. - Проблема горіння. Питання було таке: чи що трапляється з горючими речовинами, коли вони згоряють у повітрі? Для пояснення процесів горіння німецькими хіміками І. і Бекер, і його учнем Г. Е. Шталь була запропонована теорія флогістону. Флогістон - це деяка невагома субстанція, яку містять всі горючі тіла і яку вони втрачають при горінні. Тіла, що містять велику кількість флогістону, горять добре; тіла, які не займаються, є дефлогістованим. Ця теорія дозволяла пояснювати багато хімічні процеси і передбачати нові хімічні явища. Протягом майже всього XVIII ст. вона міцно утримувала свої позиції, поки французький хімік А. Л. Лавуазьє в кінці XVIII ст. не розробив кисневу теорію горіння.

Лавуазьє показав, що всі явища в хімії, перш вважалися хаотичними, можуть бути систематизовані і зведені в закон поєднання елементів, старих і нових. До вже встановленим до нього списку елементів він додав нові - кисень, що разом з воднем входить до складу води, а також і інший компонент повітря -- азот. Згідно з новою системою хімічні сполуки ділилися в основному на три категорії: кислоти, основи, солі. Лавуазьє раціоналізував хімію і пояснив причину великої різноманітності хімічних явищ: вона полягає в відмінності хімічних елементів та їхніх сполук.

§ 3.3. Перемога атомно-молекулярного вчення

Наступний важливий крок у розвитку наукової хімії був зроблений Дж. Дальтон, ткачем і шкільним вчителем з Манчестера. Вивчаючи хімічний склад газів, він досліджував вагові кількості кисню, що припадають на одну й ту ж вагова кількість речовини в різних за кількісним складом оксиди, і встановив кратність цих кількостей. Наприклад, у п'ятьох окислів азоту кількість кисню відноситься на одне і те ж вагова кількість азоту як 1: 2: 3: 4: 5. [10] Так був відкритий закон кратних відносин.

Дальтон правильно пояснив цей закон атомним будовою речовини і здатністю атомів однієї речовини з'єднуватися з різною кількістю атомів іншої речовини. При цьому він увів у хімію поняття атомної ваги.

І, тим не менше, на початку XIX ст. атомно-молекулярного вчення в хімії з працею пробивав собі дорогу. Знадобилося ще півстоліття для його остаточної перемоги. На цьому шляху було сформульовано ряд кількісних законів, які отримували пояснення з позицій атомно-молекулярних уявлень. Для експериментального обгрунтування атомістики і її впровадження в хімію багато зусиль доклав Й.Я. Берцеліус. Остаточну перемогу атомно-молекулярного вчення одержало на 1-му Міжнародному конгресі хіміків.

В 1850-1870-і рр.. на основі вчення про валентності хімічного зв'язку була розроблено теорію хімічної будови, яка зумовила величезний успіх органічного синтезу і виникнення нових галузей хімічної промисловості, а в теоретичному плані відкрила шлях теорії просторової будови органічних сполук - стереохімії.

Під другій половині XIX ст. складаються фізична хімія, хімічна кінетика -- вчення про швидкості хімічних реакцій, теорія електролітичної дисоціації, хімічна термодинаміка. Таким чином, в хімії XIX ст. склався новий загальний теоретичний підхід - визначення властивостей хімічних речовин в залежності не тільки від складу, але й від структури. [11]

Розвиток атомно-молекулярного вчення призвело до ідеї про складне будову не тільки молекули, але й атома. На початку ХГХ ст. цю думку висловив англійський учений У. Праут на основі результатів вимірювань, показували, що атомні ваги елементів кратні атомній вазі водню. Праут запропонував гіпотезу, відповідно до якої атоми всіх елементів складаються з атомів водню. Новий поштовх для розвитку ідеї про складному будову атома дало велике відкриття Д. І. Менделєєвим періодичної системи елементів, які наштовхують на думку про те, що атоми не є неподільними, що вони володіють структурою і їх не можна вважати первинними матеріальними утвореннями.

4. Зародження сучасної хімії і її проблеми в 21 столітті

Кінець середніх віків відмічений поступовим відходом від окультизму, спадом інтересу до алхімії і поширенням механістичного погляду на устрій природи.

Ятрохімія. Абсолютно інших поглядів на цілі алхімії дотримувався Парацельс. Під таким обраним ним самим ім'ям увійшов в історію швейцарський лікар Пилип фон Гогенгейм. Парацельс, як і Авіценна, вважав, що основне завдання алхімії - не пошуки способів отримання золота, а виготовлення лікарських засобів. Він запозичив із алхімічної традиції вчення про те, що існують три основні частини матерії - ртуть, сірка, сіль, яким відповідають властивості летючості, горючості і твердості. Ці три елементи складають основу макрокосму і пов'язані з мікрокосмом, утвореним духом, душею і тілом. Переходячи до визначення причин хвороб, Парацельс стверджував, що лихоманка і чума відбуваються від надлишку в організмі сірки, при надлишку ртуті настає параліч і т.д. Принцип, якого дотримувалися всі ятрохіміки, полягав у тому, що медицина це справа хімії, і все залежить від здатності лікаря виділяти чисті речовини з нечистих субстанцій. У рамках цієї схеми всі функції організму зводилися до хімічних процесів, і завдання алхіміка полягало в знаходженні і приготуванні хімічних речовин для медичних потреб.

Основними представниками ятрохімічного напряму були Ян Гельмонт, за професією лікар; Франциск Сільвій, користувався, як медик, великою славою і усунув з ятрохімічного вчення «духовні» розпочала; Андреас Лібава, лікар з Ротенбурга. [12]  

Їх дослідження багато в чому сприяли формуванню хімії як самостійної науки.

Механістична філософія. Зі зменшенням впливу ятрохімії натурфілософи знову звернулися до вчень древніх про природу. На першій план в 17 ст. ВишгородаЧи атомістичні погляди. Одним з найвидатніших учених -- авторів нової теорії - був філософ і математик Рене Декарт. Свої погляди він виклав в 1637 у творі "Міркування про метод. Декарт вважав, що всі тіла «складаються з численних дрібних часток різної форми і розмірів, які не настільки точно прилягають один до одного, щоб навколо них не залишалося проміжків; ці проміжки не пусті, а наповнені ... розрідженої матерією ». Свої «маленькі частинки» Декарт не вважав атомами, тобто неподільними; він стояв на точці зору нескінченної подільності матерії і заперечував існування порожнечі.

Одним з найвизначніших противників Декарта був французький фізик і філософ П'єр Гассенді.

Атомістика Гассенді була по суті переказом вчення Епікура, однак, на відміну від останнього, Гассенді визнавав створення атомів Богом; він вважав, що Бог створив певне число неподільних і непроникних атомів, з яких і складаються всі тіла; між атомами повинна бути абсолютна пустота.

В розвитку хімії 17 в. особлива роль належить ірландському вченому Роберту Бойлю. [13]  Бойль не брав затвердження стародавніх філософів, які вважали, що елементи світобудови можна встановити умоглядно; це й знайшло відображення у назві його книги Хімік-скептик. Будучи прихильником експериментального підходу до визначення хімічних елементів, він не знав про існування реальних елементів, хоч один з них - фосфор - ледве не відкрив сам. Звичайно Бойлю приписують заслугу введення в хімію терміну «аналіз». У своїх дослідах по якісному аналізу він застосовував різні індикатори, ввів поняття хімічної спорідненості. Грунтуючись на працях Галілео Галілея Еванджеліста Торрічеллі, а також Отто Геріке, що демонстрував в 1654 «Магдебурзькі півкулі», Бойль описав сконструйований ним повітряний насос і досліди по визначенню пружності повітря за допомогою U-образної трубки. У Внаслідок цих дослідів був сформульований відомий закон про зворотну пропорційності об'єму і тиску повітря. У 1668 Бойль став дійсним членом щойно організованого Лондонського королівського товариства, а в 1680 був обраний її президентом.

Біохімія. Ця наукова дисципліна, що займається вивченням хімічних властивостей біологічних речовин, спочатку була одним з розділів органічної хімії. У самостійну область вона виділилася в останнє десятиліття 19 ст. внаслідок досліджень хімічних властивостей речовин рослинного і тваринного походження. Одним з перших біохіміків був німецький вчений Еміль Фішер. Він синтезував такі речовини, як кофеїн, фенобарбітал, глюкоза, багато вуглеводні, вніс великий внесок в науку про ферменти - білкових каталізаторів, уперше виділених в 1878. Формуванню біохімії як науки сприяло створення нових аналітичних методів.

В 1923 шведський хімік Теодор Сведберг сконструював ультрацентрифугу і розробив новий метод визначення молекулярної маси макромолекул, головним чином білків. Асистент Сведберга Арне Тізеліус в тому ж році створив метод електрофорезу - більш довершений метод розділення гігантських молекул, заснований на відмінності в швидкості міграції заряджених молекул в електричному поле. На початку 20 ст. російський хімік Михайло Семенович Колір описав метод поділу рослинних пігментів при проходженні їх суміші через трубку, заповнену адсорбентом. Метод був названий хроматографією. [14]

В 1944 англійські хіміки Арчер Мартіні Річард Сінг запропонували новий варіант методу: вони замінили трубку з адсорбентом на фільтрувальний папір. Так з'явилася паперова хроматографія - один з найбільш поширених в хімії, біології і медицині аналітичних методів, за допомогою якого в кінці 1940-х -- початку 1950-х років вдалося проаналізувати суміші амінокислот, що виходять при розщепленні різних білків, і визначити склад білків. У результаті копітких досліджень був встановлений порядок розташування амінокислот в молекулі інсуліну, а до 1964 цей білок вдалося синтезувати. Зараз методами біохімічного синтезу отримують багато гормонів лікарських засобів, вітаміни.

Квантова хімія. Для того, щоб пояснити стійкість атома, Нільс Бор поєднав у своїй моделі класичні і квантові представлення про рух електрона. Однак штучність такого з'єднання була очевидна з самого початку. Розвиток квантової теорії призвело до зміни класичних уявлень про структуру матерії, руху, причинності, простір, час і т.д., що сприяло корінного перетворення картини світу.

В Наприкінці 20-х - початку 30-х років XX століття на основі квантової теорії формуються принципово нові уявлення про будову атома і природу хімічного зв'язку. [15]

Після створення Альбертом Ейнштейном фотонній теорії світла (1905) і виведення їм статистичних законів електронних переходів в атомі (1917) у фізиці загострюється проблема хвиля-частинка.

Якщо у XVIII-XIX століттях були розбіжності між різними вченими, які для пояснення одних і тих самих явищ в оптиці залучали або хвильову, або корпускулярну теорію, то тепер протиріччя придбало принциповий характер: одні явища інтерпретувалися з хвильових позицій, а інші - з корпускулярних. Вирішення цього протиріччя запропонував у 1924 р. французький фізик Луї Віктор П'єр Раймон де Бройль, приписавши хвильові властивості частці.

Виходячи з ідеї де Бройля про хвилі матерії, німецький фізик Ервін Шредінгер в 1926 р. вивів основне рівняння т.зв. хвильової механіки, що містить хвильову функцію і що дозволяє визначити можливі стану квантової системи та їх зміну під часу. Шредінгер дав загальне правило перетворення класичних рівнянь у хвильові. У рамках хвильової механіки атом можна було представити у вигляді ядра, оточеного стаціонарної хвилею матерії. Хвильова функція визначала щільність ймовірності знаходження електрона в даній точці.

В тому ж 1926 р. інший німецький фізик Вернер Гейзенберг розробляє свій варіант квантової теорії атома у вигляді матричної механіки, відштовхуючись при цьому від сформульованого Бором принципу відповідності.

Згідно принципом відповідності, закони квантової фізики повинні переходити у класичні закони, коли квантова дискретність прагне до нуля при збільшенні квантового числа. У більш загальному вигляді принцип відповідності можна сформулювати наступним чином: нова теорія, яка претендує на більш широку область застосування в порівнянні зі старою, повинна включати в себе останню як окремий випадок. Квантова механіка Гейзенберга дозволяла пояснити існування стаціонарних квантованими енергетичних станів і розрахувати енергетичні рівні різних систем.

Фрідріх Хунди, Роберт Сандерсон Маллікен і Джон Едвард Леннард-Джонс у 1929 р. створюють основи методу молекулярних орбіталей. В основу ММО закладено уявлення про повної втрати індивідуальності атомів, які об'єдналися в молекулу. Молекула, таким чином, складається не з атомів, а представляє собою нову систему, утворену кількома атомними ядрами і рухомими в їхньому полі електронами. Хунди створюється також сучасна класифікація хімічних зв'язків; в 1931 р. він приходить до висновку про існування двох основних типів хімічних зв'язків -- простий, або