Предмет и структура химии

 I. Предмет и структура химии        

 Химия — одна  из отраслей естествознания, предметом  изучения которой являются химические  элементы (Атомы), образуемые ими простые и сложные вещества (молекулы (См. Молекула)), их превращения и законы, которым подчиняются эти превращения. По определению Д. И. Менделеева (1871), «химию в современном ее состоянии можно... назвать учением об элементах». [Происхождение слова «химия» выяснено не окончательно. Многие исследователи полагают, что оно происходит от старинного наименования Египта — Хемия (греч. Chemía, встречается у Плутарха), которое производится от «хем» или «хаме» — чёрный и означает «наука чёрной земли» (Египта), «египетская наука».]         

 Современная Х.  тесно связана как с др. науками,  так и со всеми отраслями  народного хозяйства. Качественная  особенность химической формы  движения материи и её переходов в др. формы движения обусловливает разносторонность химической науки и её связей с областями знания, изучающими и более низшие, и более высшие формы движения. Познание химической формы движения материи обогащает общее учение о развитии природы, эволюции вещества во Вселенной, содействует становлению целостной материалистической картины мира. Соприкосновение Х. с др. науками порождает специфические области взаимного их проникновения. Так, области перехода между Х. и физикой (См. Физика) представлены физической химией (См. Физическая химия) и химической физикой (См. Химическая физика). Между Х. и биологией (См. Биология), Х. и геологией (См. Геология) возникли особые пограничные области — Геохимия, Биохимия, Биогеохимия, Молекулярная биология. Важнейшие законы Х. формулируются на математическом языке, и теоретическая Х. не может развиваться без математики. Х. оказывала и оказывает влияние на развитие философии и сама испытывала и испытывает её влияние.        

 Исторически сложились  два основных раздела Х.: Неорганическая химия, изучающая в первую очередь химические элементы и образуемые ими простые и сложные вещества (кроме соединений углерода), и Органическая химия, предметом изучения которой являются соединения углерода с др. элементами (органические вещества). До конца 18 в. термины «неорганическая Х.» и «органическая Х.» указывали лишь на то, из какого «царства» природы (минерального, растительного или животного) получались те или иные соединения. Начиная с 19 в. эти термины стали указывать на присутствие или отсутствие углерода в данном веществе. Затем они приобрели новое, более широкое значение. Неорганическая Х. соприкасается прежде всего с геохимией и далее с минералогией (См. Минералогия) и геологией, т. е. с науками о неорганической природе. Органическая Х. представляет отрасль Х., которая изучает разнообразные соединения углерода вплоть до сложнейших биополимерных веществ; через органическую и биоорганическую химию (См. Биоорганическая химия) Х. граничит с биохимией и далее с биологией, т. е. с совокупностью наук о живой природе. На стыке между неорганической и органической химией находится область элементоорганических соединений (См. Элементоорганические соединения).        

 В Х. постепенно  сформировались представления о  структурных уровнях организации  вещества. Усложнение вещества, начиная от низшего, атомарного, проходит ступени молекулярных, макромолекулярных, или высокомолекулярных, соединений (полимер), затем межмолекулярных (комплекс, клатрат, катенан), наконец, многообразных макроструктур (кристалл, мицелла) вплоть до неопределённых нестехиометрических образований. Постепенно сложились и обособились соответствующие дисциплины: Х. комплексных соединений (См. Комплексные соединения), полимеров (См. Полимеры), Кристаллохимия, учения о дисперсных системах (См. Дисперсные системы) и поверхностных явлениях (См. Поверхностные явления), сплавах и др.        

 Изучение химических  объектов и явлений физическими  методами, установление закономерностей химических превращений, исходя из общих принципов физики, лежит в основе физической химии. К этой области Х. относится ряд в значительной мере самостоятельных дисциплин: Термодинамика химическая, Кинетика химическая,Электрохимия, Коллоидная химия, Квантовая химия и учение о строении и свойствах молекул, ионов, радикалов, Радиационная химия, Фотохимия, учения о Катализе, химических равновесиях, растворах и др. Самостоятельный характер приобрела Аналитическая химия, методы которой широко применяются во всех областях Х. и химической промышленности. В областях практического приложения Х. возникли такие науки и научные дисциплины, как Химическая технология с множеством её отраслей, Металлургия,Агрохимия, медицинская Х., судебная Х. и др.         

II. Очерк исторического развития химии         

Как область практической деятельности Х. уходит корнями в глубокую древность (Египет, Индия, Китай и др. страны). Задолго до нашей эры человек познакомился с превращениями различных веществ и научился пользоваться ими для своих нужд. Одна из древнейших ветвей Х. — металлургия. За 4—3 тыс. лет до н. э. начали выплавлять медь из руд, а позже изготовлять сплав меди с оловом (бронзу (См. Бронза)). Во 2-м тысячелетии до н. э. научились получать из руд железо сыродутным процессом (См.Сыродутный процесс). За 1600 лет до н. э. начали применять для крашения тканей природную краску Индиго, а несколько позже — Пурпур и Ализарин, а также приготовлять уксус, лекарства из растительных материалов и др. продукты, выработка которых связана с химическими процессами. К истокам Х. относятся альтернативные в то время атомистическое учение и учение об элементах-стихиях древней натурфилософии.        

 В 3—4 вв. н.  э. в Александрии зародилась Алхимия, признававшая возможным превращение с помощью т. н. философского камня неблагородных металлов в благородные — в золото и серебро. Главным в Х. этого периода было наблюдение отдельных свойств веществ и объяснение их с помощью субстанций (начал), якобы входящих в состав этих веществ.         

 Начиная с эпохи  Возрождения в связи с развитием  производства всё большее значение  в алхимии стало приобретать  производственное и вообще практическое  направление: металлургия, стеклоделие,  изготовление керамики и красок (труды В. Бирингуччо, Г. Агриколы (См. Агрикола), Б. Палисси и др.). Возникло особое медицинское направление — Ятрохимия (Т. Парацельс, Я. Б. ван Гельмонт и др.). Эти два направления характерны для этапа практической Х. 16 — 1-й половины 17 вв., который непосредственно подвёл к созданию Х. как науки. В этот период были накоплены навыки экспериментальной работы и наблюдений в области Х., в частности разработаны и усовершенствованы конструкции печей и лабораторных приборов, методы очистки веществ (кристаллизация, перегонка и др.), получены новые химические препараты. В начале 2-й половины 17 в. Р. Бойль доказал несостоятельность алхимических представлений, дал первое научное определение понятия химического элемента и тем самым впервые поднял Х. на уровень науки. Процесс превращения Х. в науку занял более ста лет и завершился открытиями А. Л. Лавуазье. Первая теория в Х. — теория флогистона (в её основе лежало признание особого гипотетического начала горючести — Флогистона), хотя и была ошибочной, тем не менее обобщила широкий круг фактов, касавшихся горения и обжига металлов. Со 2-й половины 17 в. стал быстро развиваться химический анализ, сначала — качественный (начиная с Бойля), а с середины 18 в. — количественный (начиная с М. В. Ломоносова и Дж. Блэка).        

 В 1748 Ломоносов  и позднее Лавуазье открыли  закон сохранения веса (массы)  веществ при химических реакциях. Созданием кислородной теории Лавуазье, по словам Ф. Энгельса, «... впервые поставил на ноги всю химию, которая в своей флогистонной форме стояла на голове» (Маркс К. и Энгельс Ф., Соч., 2 изд., т. 24, с. 20). В конце 18 в. Х. окончательно приобрела черты подлинной науки.        

 Х. 19 в. характеризуется  развитием химической атомистики (см. Атомизм). Атомное учение в 17—18 вв. разрабатывалось преимущественно с сугубо абстрактной, механистической точки зрения. Но уже Ломоносов близко подошёл к приложению атомной гипотезы к задачам Х. Химическая атомистика родилась из слияния старой натурфилософской идеи об атомах с опытными аналитическими данными о химическом количественном составе веществ. В течение первых двух третей 19 в. в Х. сформировались два фундаментальных её понятия — атомного веса (см. Атомная масса) и валентности (См. Валентность), или «атомности»; позднее (1869) Менделеевым была раскрыта связь между ними. В 1803 Дж. Дальтон вывел из идей атомистики Кратных отношений закон, а затем (1804) подтвердил его экспериментально. На этой основе он разработал представление об атомных весах и составил их первые таблицы, приняв за единицу соединительный вес («пай») водорода. Однако значения атомных весов элементов были ещё весьма неточны, отчасти из-за несовершенства измерительных приборов, отчасти потому, что ещё не было установлено правильное соотношение между понятиями атома и молекулы. Представление о молекуле и её отличии от атома выдвинули А. Авогадро (1811) и А. Ампер (1814), но оно тогда не было принято химиками. И. Я.Берцелиус на большом экспериментальном материале подтвердил закон кратных отношений Дальтона, распространил его на органические соединения, опубликовал (1814) таблицу более точных, чем у Дальтона, атомных весов 46 элементов и ввёл новые Знаки химические. Опираясь на первые данные о существовании связи между электрическими и химическими процессами (см. Электрохимия), Берцелиус выдвинул «дуалистическую» теорию (1812—19), согласно которой химические взаимодействия обусловлены действием электрических сил, поскольку допускалось, что в каждом атоме, в любой атомной группировке имеются два электрических полюса. Были сделаны попытки приложить эту теорию к органической Х., а именно: к радикалов теории (См. Радикалов теория), согласно которой органические соединения также состоят из двух частей, причём одна часть является радикалом — группой атомов, которая ведёт себя подобно отдельному атому и может без изменения переходить из одного химического соединения в другое. На смену дуалистической теории пришла унитарная (молекулярная) теория Ш. Ф. Жерара и, соответственно, на смену теории радикалов — Типов теория. Теория типов отражала не строение вещества, а его химические превращения, впервые указывая на реакционную активность т. н. функциональных групп молекулы. Поэтому у одного вещества могло быть несколько различных «типических» формул. Сами же органические соединения рассматривались как продукты замещения атомов водорода др. атомами или группами атомов (остатками) в молекулах водорода, воды, хлористого водорода и аммиака. Теория типов, в особенности введённое Жераром представление о гомологических рядах (См. Гомологические ряды), сыграла положительную роль в классификации органических веществ и их превращений.        

 В 1852 Э. Франкленд, изучая металло-органические соединения, заложил основы учения о валентности. Он показал, что атомы элементов обладают определённой «соединительной силой, удовлетворяясь одним и тем же числом присоединяющихся атомов». За единицу валентности была принята валентность водорода. Позднее Ф. А.Кекуле ввёл понятие о соединениях типа метана; из этого следовало, что атом углерода четырёхвалентен; он же высказал предположение (1858), что атомы углерода могут соединяться в цепи. В том же году А. Купер впервые составил графические формулы органических соединений, исходя из того, что атом углерода четырёхвалентен. Однако Кекуле не сумел ещё полностью преодолеть ограниченность «типических» воззрений. Это сделал А. М. Бутлеров (1861), создав химического строения теорию (См.Химического строения теория), согласно которой химические свойства вещества определяются составом и строением молекул, а реакционная способность зависит от того, в какой последовательности атомы связаны в данной молекуле, а также от их взаимного влияния.        

 Первый международный  конгресс химиков в Карлсруэ (1860) четко разграничил понятия атома, молекулы, эквивалента; это способствовало дальнейшему развитию Х. В 1859—61 она обогатилась весьма совершенным методом спектрального анализа (См. Спектральный анализ), благодаря чему удалось обнаружить присутствие некоторых химических элементов в составе небесных тел; была установлена связь между физикой (оптикой), астрономией и Х.        

 По мере открытия новых химических элементов всё острее ощущалась необходимость их систематизации. В 1869 Д. И. Менделеев обнаружил их взаимную связь: он создал периодическую систему элементов (См. Периодическая система элементов) и открыл лежащий в её основе закон (Периодический закон Менделеева). Это открытие явилось теоретическим синтезом всего предшествующего развития Х.: Менделеев сопоставил физические и химические свойства всех известных тогда 63 химических элементов с их атомными весами и раскрыл зависимость между двумя важнейшими количественно измеримыми свойствами атомов, на которых строилась вся Х., — атомным весом и валентностью («формами соединений»).