Значение химии в повседневной жизни

Этот способ стимулировал возникновение целого ряда теорий в высокой степени общности и абстракции, необыкновенной эвристичности и практической ценности; эти теории положили начало второй концептуальной системе - структурной химии. Поднявшись на новый, более высокий (по отношению к науке о составе) уровень знаний, химия превратилась из науки преимущественно аналитической в науку главным образом синтетическую. Период становления структурной химии историки называют «триумфальным маршем органического синтеза». На те требования развития производства, которые вызвали этот способ, химия уже в 1870-1890-х годах ответила получением всевозможных азокрасителей для текстильной промышленности, самых различных препаратов для фармации, искусственного шелка для производственных и бытовых нужд. На этом уровне развития химии возникла технология органических веществ.

Химия изучает  окружающий нас мир объединяемым понятием материи (mater rerum - мать вещей), существующей в ней и независимо от сознания человека. «... материя есть то, что, действуя на наши органы чувств, производит ощущение; материя есть объективная реальность, данная нам в ощущении…» Материя существует в форме вещества и поля. Частицы обеих форм материи обладают массой, энергией и характеризуются диалектическим единством корпускулярных и волновых свойств. Понятием «поля» оперирует физика. Поскольку химическую науку мы определяем как науку о вещах и их превращениях, то понятие вещей является фундаментальным понятием этой науки. Употребление термина «вещество» в химии вполне правомерно, т. к. оно указывает на основную задачу, поставленную перед химией, производством и обществом, а именно на проблему получения веществ и материалов с требуемыми характеристиками. Эта проблема движет развитием, как химической промышленности, так и химической науки. Промышленность решает ее непосредственно, перерабатывая природные вещества в форму, доступную человеческому потреблению. Химическая наука относится к проблеме получения необходимых веществ с требуемыми характеристиками как к объекту исследования, и ее в конечном итоге интересуют законы природы, управляющие свойствами и превращениями вещества в его наиболее широком понимании.

Химия нужна человеку, прежде всего для получения из природных веществ по возможности всех необходимых материалов - металлов, керамики, стекла, топлива и т.д. Для этого химия должна разрешить свою основную проблему: из каких химических элементов состоят вещества и каким образом следует осуществлять взаимные превращения веществ для получения необходимых материалов. Отсюда вытекают задачи химии - получение веществ с заданными свойствами и выявление путей управления свойствами вещества. На достижение первой из них направлена производственная деятельность человека, а второй - его познавательная деятельность.

Учение о строении вещества

На протяжении многих веков в сознании человека господствовали представления об атомах, как мельчайших, неделимых, простейших по составу и неизменных «кирпичиках» вещества. Сначала химическая атомистика, как и атомное учение вообще, основывалась на представлениях о существовании лишь одного вида мельчайших частиц вещества - атомов, из которых образуются все тела окружающего мира. На протяжении всей истории развития естествознания, правда, не раз высказывались мысли о том, что, помимо атомов, существуют и другие, более сложные частицы. Такие идеи развивались в работах Гассенди (который ввел и сам термин «молекула»), Бернулли, Ньютона, Бойля, Ломоносова и других. Но достаточно убедительного естественнонаучного обоснования эти взгляды не имели. Дальтон, с именем которого связано утверждение атомного учения в химии, тоже говорил об атомах и молекулах, но не придавал значения их качественному различию, считая молекулы просто сложными атомами, а различия между ними лишь количественными. Развитие химии на базе идей атомизма доставляло между тем все больше и больше фактов, показывающих, что предположение о существовании только одного вида частиц вещества - атомов совершенно недостаточно для объяснения многих химических явлений.

Первоначально атомное учение предполагало существование только одного вида мельчайших частиц - атомов, из которых образуются все тела окружающего мира. Но уже в самом начале развития химии на основе атомного учения оказалось, что для строго количественного объяснения многих свойств представлений о «двухступенчатой» (атом - макротело) дискретной организации вещества явно недостаточно. Все более четким становилось предположение о существовании наряду с атомами еще одного вида частиц вещества - молекул - сложных микрочастиц, состоящих из двух или нескольких атомов.

Четкое разграничение  понятий атома и молекулы было закреплено в 1860 г. на Международном  съезде химиков в Карлсруэ. На основе достижений химии в учении о веществе утвердилось, таким образом, представление  о существовании двух видов микрочастиц - атомов и молекул. Соответственно сложилось и представление о «трехступенчатой» организации вещества: атом- молекула- макротело. Все вещества (жидкие, твердые, газообразные тела) стали представлять состоящими из молекул, которые, в свою очередь, образованы путем химического соединения из неделимых, неизменных атомов. Общие представления о веществе поднялись на качественно новую ступень. Учение о дискретном строении вещества стало благодаря успехам химии уже не атомным, а атомно-молекулярным. Это был большой шаг, скачок в развитии химического и вообще естественнонаучного мышления, в выработке и конкретизации научной картины мира. Химические превращения вещества стали трактоваться как процессы образования молекул из атомов, как процессы перестройки молекул.

Коренная ломка  сложившихся в XIX в. воззрений на вещество была вызвана открытием  электронов, открытием сложности  атомов, их делимости, их превращений (радиоактивность). Атом в XX в. предстал как сложная  целостная система из более мелких частиц. Было раскрыто и участие электронов в химических процессах, в образовании химических связей между атомами в молекулах.

Но открытием  более мелких, чем атомы, частиц вещества (атомных ядер, «элементарных частиц»), открытием сложности и делимости  атомов, их изменчивости не исчерпываются последние десятилетия изменения в химической атомистике и в общих представлениях о дискретном строении вещества. История химии за столетие со времени оформления атомно-молекулярной теории свидетельствует о том, что молекулы - это была лишь первая ступенька на пути выявления химией качественного многообразия дискретных форм вещества и раскрытия внутреннего механизма его превращений. В ходе развития химических исследований, вооруженных идеями атомно-молекулярного учения, еще в прошлом веке были открыты и другие виды химических частиц.

Уникальным  и принципиально новым явлением в развитии атомистических представлений  были труды М. В. Ломоносова, осуществившего дедуктивный или даже своеобразный гипотетико-дедуктивный синтез этих представлений с учением о химических элементах в рамках логистики.

Концептуальной  основой такого синтеза явились:

• корпускулярные представления о строении вещества;
• кинетическая теория теплоты;
• закон сохранения вещества и движения.

В суждениях  о химическом составе тел, их свойствах и превращениях Ломоносов использовал корпускулярную теорию для объяснения фазового перехода твердых тел в жидкость и обратно, взаимодействия разных жидкостей при разных температурах и, наконец, Воздействия теплоты на физические и химические явления.

Решение всех этих задач он осуществлял с единых позиций своей «корпускулярной  философии», сущность которой можно свести к следующим положениям:

• все тела вне зависимости от агрегатного состояния имеют дискретное строение, они состоят из «корпускул», т. е. молекул, которые в свою очередь, составлены из «элементов», или атомов;
• корпускулы могут быть однородными, или простыми, когда они состоят из одних тех же элементов, и разнородными, или сложными, когда они представляют собой соединение разных элементов;
• «теплота не зависит от сосредоточения постоянной материи, а есть некое состояние тела» и далее - теплота твердого тела «состоит во внутреннем вращательном движении (частиц) связанной материи», теплота жидкостей и газов обусловлена как вращательным, так и линейным движением их частиц; «корпускулы от большой степени теплоты отделяются друг от друга и даже рассеиваются».
• явление перехода из одного агрегатного состояния в другое, так же и растворение, сопровождаются поглощением или выделением теплоты и обусловлены перемещением корпускул;
• химические превращения тел обусловлены «изменениями, происходящими в смешанном теле», т. е. изменением элементарного состава.

Рассматривая  историю возникновения развития понятия молекулы, нельзя не обратить внимание на то обстоятельство, что по данному вопросу в химии переплетались и боролись две точки зрения. Первую можно назвать аналитической: она рассматривала молекулу как элементарную единицу состава тела. Вторая признавала за молекулой самостоятельное существование в качестве реальной структурно - кинетической единицы материи.

Периодическая система  и закон Д. И. Менделеева и его  значение

Имя и труды  Менделеева пользуются мировой славой. Периодический закон, открытый Менделеевым, сопутствует каждому химику любой страны на всем протяжении его деятельности. Этот закон является могучим обобщением и орудием анализа огромнейшего арсенала химических знаний, накопленного человечеством и сильно обогащающегося с каждым годом.

Периодический закон послужил и продолжает служить путеводной звездой для тысяч новых исследований и творческих исканий в области химических, физических, геологических, технических и других наук.

Периодический закон принадлежит к числу  тех законов природы, открытие которых  влечет за собой многочисленные и разнообразные следствия и приложения и творческое развитие их вширь и вглубь. Д. И. Менделеев обратил внимание на то, что у всех элементов, при всем их различии, есть нечто общее; это - их масса, выраженная в атомном весе. Каждый элемент обладает своим атомным весом; например, у хлора он равен 35, 5, у натрия - 23, 0 и т.д. Значит, заключил Менделеев, все элементы можно сравнивать между собой по их атомному весу. А так как все элементы обладали общим свойством - атомным весом, Менделеев расположил в один ряд в порядке возрастания атомного веса у элементов. Первое место занял самый легкий элемент - водород, за ним шел немного более тяжелый - литий, потом еще более тяжелые элементы и так до самых тяжелых, которыми заканчивался весь ряд. Когда после этого Менделеев посмотрел, как расположились отдельные элементы в общем ряду, то обнаружил замечательное явление. Оказалось, что элементы с одинаковыми химическими свойствами повторяются периодически, через 7 или 17 мест. Так, например, после щелочного металла лития через 7 элементов снова появляется щелочной металл натрий, а еще через 7 элементов - тоже щелочной металл калий; затем период становится длиннее: щелочной металл рубидий стоит на 18-м месте после калия, цезий - на 18-м месте после рубидия. Та же правильность обнаружилась и у других элементов, например, у галоидов: на 8-м месте после фтора стоит хлор, на 8-м после хлора - бром, на 18-м месте после брома - йод. Заметив это, Менделеев разделил весь ряд элементов на части (периоды) и поместил один период под другим - так, чтобы химически сходные элементы попали в один вертикальный столбец и стояли друг под другом; в результате получилась таблица, в которой элементы располагались в порядке возрастания их атомного веса, причем элементы с одинаковыми свойствами периодически повторялись на одном и том же месте от начала или от конца каждого периода.

Таким образом, в пределах каждого периода химический характер элементов из резко выраженного  металлического постепенно превращается в такой же резко выраженный неметаллический, а затем скачком, через недеятельный газ, снова возвращается к резко выраженному металлу, которым начинается новый период. Соответственно этому, по мере роста атомных весов, наивысшая валентность по кислороду последовательно увеличивается в пределах каждого периода: она равна 1 у щелочного металла, 2- у щелочноземельного металла и т.д. до галоида, у которого она равна 7. После этого она внезапно падает до нуля у недеятельного газа, который вообще неспособен к химическому соединению, а затем снова начинает расти от 1 до 2, до 3 и т.д. до 7, после чего снова падает до 0. Таким образом, в то время как атомные веса растут непрерывно, валентность сначала увеличивается от 0 до 7, а затем падает до своего исходного значения. Такое изменение совершается периодически, несколько раз на протяжении всей менделеевской системы; подобно этому и соответственно этому периодически несколько раз совершается переход от металлических свойств элементов к противоположным им неметаллическим свойствам. После недеятельного газа металлические свойства появляются снова, а затем вновь также постепенно происходит переход к неметаллическим свойствам.

Вот как определяет смысл периодического закона сам  Менделеев в своей замечательной  книге «Основы химии»: «... Если все  элементы расположить в порядке  по величине их атомного веса, то получится периодическое повторение свойств. Это выражается законом периодичности: свойства простых тел, также формы и свойства соединений элементов, находятся в периодической зависимости (или, выражаясь алгебраически, образуют периодическую функцию) от величины атомных весов элементов».

Исходя из того, что свойства элементов меняются так же закономерно, как и атомные  веса, Менделеев наперед вычислил предполагаемые свойства не открытых еще элементов; он предсказал, таким  образом, не только то, что должны быть открыты новые элементы, но и то, какими свойствами они будут обладать. Более того, он предсказал даже и то, каким способом, вероятнее всего, будут открыты эти никем еще доселе не виданные элементы. Эти предсказания были сделаны в 1871 г. В то время, пожалуй, никто из химиков не отнесся серьезно к открытию Менделеева. «Поживем, увидим»,- говорили скептики.

Вскоре последовали  новые замечательные подтверждения  предсказаний Менделеева. Были открыты  элементы скандий и германий, наперед описанные Менделеевым. Оправдывались все предложенные Менделеевым изменения атомных весов. Теперь периодический закон полностью был доказан; более того, он совершил триумфальное шествие в мировой науке. Имя великого ученого, открывшего этот закон, было заслуженно вписано в один ряд с именами величайших ученых мира всех веков.