Химия сегодня и завтра

Введение

 

На рубеже тысячелетий в каждой из главных областей естествознания – физике, биологии, химии – произошли и происходят одинаково важные, капитальные, но притом весьма различные метаморфозы. Физика достигла колоссальных успехов в технологическом обеспечении электроники, поражает воображение расширение диапазона исследуемых частот и энергий (благодаря синхротрону и лазерной технике). Это пока не привело к пересмотру физических основ и общей картины мироздания, но можно ожидать, что радикальные сдвиги в теоретической физике произойдут в ближайшие годы. Облик биологии преобразили молекулярная генетика, исследования биологических процессов на молекулярном уровне.

Существенно иной представляется ситуация, сложившаяся в химии. Здесь также  несомненно бурно развиваются новые  представления (например, их несут в себе супрамолекулярная химия, нанотехнологии, фемтохимия). Фантастическими следует назвать достижения биохимии. Все шире внедряются представления о химическом веществе как о микрогетерогенной среде, и это играет огромную роль в химии материалов. Несомненно, огромное значение имеют успехи квантовой химии, однако и классическая механика широко используется при описании и интерпретации химических процессов. И по-прежнему незыблемой основой очень многих разделов химии остаются структурные формулы и стереохимические представления, сложившиеся в конце девятнадцатого века.

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Что же такое химия?

Химия – это наука о  веществах и законах, которым  подчиняются их превращения; одна из отраслей естествознания.

Происхождение слова «химия»  спорно. Чаще всего его связывают  с наименованием Древнего Египта – «Хем», что означает «темный», «черный» (очевидно, по цвету почвы в долине реки Нил); смысл же названия – «египетская наука». Некоторые историки химии считают, что это слово произошло от древнегреческого, что означает искусство выплавки металлов. Современное название химии производится от позднелатинского chimia и является интернациональным.

Химия очень обширная наука. Поэтому, принято выделять отдельные  разделы химии:  

Аналитическая химия. Делает количественный анализ (сколько вещества содержится) и качественный анализ (какие вещества содержатся) смесей.

Биохимия. Изучает химические реакции в живых организмах: пищеварение, размножение, дыхание, обмен веществ. Как правило, изучение ведется на молекулярном уровне.

Неорганическая химия. Изучает  все элементы (структуру и свойства соединений) периодической таблицы Менделеева за исключением углерода.

Органическая химия. Это  химия соединений углерода. Известны миллионы органических соединений, которые используются в нефтехимии, фармацевтике, производстве полимеров.

Физическая химия. Изучает  физические явления и закономерности химических реакций.

Зачатки химии возникли ещё  со времён появления человека разумного. Поскольку человек всегда так или иначе имел дело с химическими веществами, то его первые эксперименты с огнём, дублением шкур, приготовлением пищи можно назвать зачатками практической химии. Постепенно практические знания накапливались, и в самом начале развития цивилизации люди умели готовить некоторые краски, эмали, яды и лекарства. Вначале человек использовал биологические процессы, такие как брожение, гниение, но с освоением огня начал использовать процессы горения, спекания, сплавления. Использовались окислительно-восстановительные реакции, не протекающие в живой природе — например, восстановление металлов из их соединений.

 

2 Основные этапы  развития химии

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

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: 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.

 

3 Химия сегодня

3.1 Основные особенности  современной химии

Начиная разговор об особенностях современной химии, прежде всего, следует  отметить, что некоторые важные ее характеристики по существу представляют собой характеристики современных естественных наук в целом.

Первая из таких особенностей – это уровень развития. Химия  сегодня обладает огромными возможностями получать новые продукты, новые материалы, целенаправленно осуществлять многие химические превращения.

Вторая особенность современной  химии – огромный объем информации, содержащейся в справочниках, монографиях, журнальных статьях, отчетах, описаниях  изобретений, которым она располагает.

Третью особенность химии  составляет ее дифференциация на большое  количество разделов, которые могут  рассматриваться как отдельные  науки: неорганическая химия, органическая химия, химия полимеров, аналитическая химия и другие. Такая дифференциация обусловлена, с одной стороны, достаточно высоким общим уровнем развития химии, с другой – накоплением большого массива разнообразной информации.

Четвертая особенность химии  – ее математизация. Современная  химия очень широко пользуется математическим аппаратом, электронными вычислительными машинами.

Пятая особенность химии  заключатся в тесном объединении  ее интересов с интересами других естественных наук, прежде всего физики и биологии. Эта интеграция носит двоякий характер: идеи и методы химии распространяются на решение задач, входящих в компетенцию других наук, в то же время химия пользуется теоретическим аппаратом и экспериментальными методами нехимических наук в своих целях. Наконец, нередко встают проблемы, которые разрешаются лишь совместными усилиями химиков и представителей других наук.

Шестая особенность химии  как науки – ее тесная связь  с химической технологией и технологиями производств, основанными на целенаправленном проведении химических реакций (металлургические процессы и т. д.). Эта связь выражается в том, что химия служит теоретической основой технологических процессов, в которых в настоящее время эмпирического осталось гораздо меньше, чем в прошлом, когда технология, по существу, развивалась самостоятельно и больше базировалась на опыте, приобретенном в процессе развития ремесел, чем на использовании при решении практических задач установленных закономерностей.

Наконец, седьмая особенность  современной химии – ее все  возрастающая роль в решении различных  технических и других задач в  областях, не являющихся химическими по своим главным целям (медицина, сельское хозяйство).

Говоря о перечисленных  особенностях химии, обратим внимание на то, что все они – особенности  именно современной химии.

Если бы мы попытались охарактеризовать особенности химии девятнадцатого века, то их пришлось бы сформулировать существенно иначе. Химия того времени имела очень незначительные объяснительные возможности и малые предсказательные; она располагала сравнительно небольшим объемом информации, вследствие чего отдельные разделы химии обычно не рассматривались как самостоятельные науки; ее связь с другими науками и различными разделами техники была довольно ограниченной или вообще отсутствовала. Незначительно использовалась в химии и математика.

Таким образом, облик химии  за прошедшее время коренным образом  изменился.

 

3.2 Основные проблемы, решаемые современной химией

Совершенствование теоретического аппарата химии, что позволило бы предсказывать состав и строение любых соединений, их реакционную  способность, состав и свойства продуктов различных химических реакций, скорость и особенности протекания реакций в разных условиях.

Синтез новых химических соединений и разработка новых методов  синтеза известных соединений.

Разработка новых экспериментальных  методов изучения строения и свойств  веществ, а также новых методов  химического анализа.

Изучение химических элементов  и их изотопов.

Решение новых задач, связанных  с поисками новых способов получения  энергии и созданием новых  видов топлива.

Создание новых лекарственных  и других биологически активных препаратов, синтетической пищи и ее отдельных компонентов.

Разработка принципов  и технологии более рационального  использования природных ресурсов, комплексной переработки природных  соединений и извлечения веществ, находящихся в малых концентрациях.

Выявление путей замены дефицитных материалов и сырья на боле доступные.

Решение химическими методами экологических задач

 

3.3 Связь химии с другими науками

Химия практически не может  развиваться, не опираясь на физику. Нельзя назвать такой раздел химии, который  не был бы насыщен идеями и методами физики. Значение химии для ряда разделов физики сводится в основном к тому, что некоторые задачи, относящиеся к компетенции этих разделов, решаются с использованием экспериментальных методов химии  и чаще всего химиками.

Каково же значение физики для химии? Идеи и методы физики используются в химии двояким образом. Во-первых, химия непрерывно опирается на теоретический аппарат физики при изучении строения химических соединений в процессе поисков связи между строением молекул и кристаллов и свойствами конкретных веществ, при решении многих задач по проблеме химической реакционной способности. Во-вторых, в химии применятся множество разнообразных экспериментальных методов физики.

Примером чисто физического  экспериментального метода, имеющего значение для химии, может служить  гамма-резонансная спектроскопия (часто  ее называют мессбауэровской спектроскопией по имени создателя этого метода физики Мессбауэра). Метод основан на возможности экспериментального наблюдения в твердых телах влияния состояния электронов, участвующих в образовании химической связи, на энергию перехода атомного ядра в возбужденное состояние при поглощении квантов y-излучения.

Примерами экспериментальных  физических методов, взятых на вооружение самими химиками, могут служить методы электрохимии, рентгенографии.

Значение физических методов  и теоретического аппарата физики для  химии возрастает с каждым годом, и можно с уверенностью утверждать, что эта связь будет усиливаться и в дальнейшем.

Характер взаимоотношений  между химией и биологией сходен с рассмотренным, однако, обсуждая его, на место физики следует поставить химию, а на место химии – биологию. Отсутствие фундаментальных знаний из области биологии практически не сказывается на эффективности работы большинства химиков. В то же время основные разделы биологических наук в настоящее время не могли бы развиваться без широкого использования химических знаний.

Из сказанного нельзя делать вывод, что связь между химией и биологией односторонняя, что  только биология нуждается в химии, а развитие химии идет независимо от биологии. Идеи и теоретические  концепции, практические задачи, интересующие биологов, не могут не оказывать воздействие на существо исследований химического содержания. Многие химики полностью заняты решением тех задач, которые возникли в химии под влиянием биологии и решаются в интересах биологии. Так появились целые разделы науки – биохимия, а в последнее время – биоорганическая и бионеорганическая химия.