Актуальные проблемы современной химии

Первым ученым, который добился значительных успехов в новом направлении развития химии, стал английский химик Джон Дальтон, который вошел в историю химии как первооткрыватель закона кратных отношений и создатель основ атомной теории. Все свои теоретические выводы он получил на основе сделанного им самим открытия, что два элемента могут соединяться друг с другом в разных соотношениях, но при этом каждая новая комбинация элементов представляет собой новое соединение.

Подобно древним атомистам, Дальтон исходил из положения о корпускулярном строении материи, но, основываясь на сформулированном Лавуазье понятии химического элемента, полагал, что все атомы каждого отдельного элемента одинаковы и характеризуются тем, что обладают определенным весом, который он назвал атомным весом. Таким образом, каждый элемент обладает своим атомным весом, но этот вес относителен, так как абсолютный вес атомов определить невозможно. В качестве условной единицы атомного веса элементов Дальтон принимает атомный вес самого легкого из всех элементов - водорода, и сопоставляет с ним вес других элементов. Для экспериментального подтверждения этой идеи необходимо, чтобы элемент соединился с водородом, образуя определенное соединение. Если этого не происходит, то необходимо, чтобы данный элемент соединялся с другим элементом, о котором известно, что он способен соединяться с водородом. Зная вес этого другого элемента относительно водорода, можно всегда найти отношение веса данного элемента к принятому за единицу веса водорода.

Рассуждая таким образом, Дальтон составил первую таблицу атомных весов. Эта таблица и была самой важной работой Дальтона, но в ряде аспектов она оказалась ошибочной. Основное заблуждение Дальтона состояло в убеждении, что при образовании молекулы атомы одного элемента соединяются с атомами другого элемента попарно. Хотя уже в то время было накоплено достаточно данных, свидетельствующих о том, что подобное сочетание атомов «один к одному» не является общим правилом.

Для того чтобы атомная теория Дальтона могла получить свой научный статус в химии, надо было объединить ее с молекулярной теорией, которая предполагала существование частиц (молекул), образованных из двух или более атомов и способных в химических реакциях расщепляться на составные атомы.

Поворотный этап в развитии химической атомистики связан с именем шведского химика Иенса Якоба Берцелиуса, который вслед за Дальтоном внес особенно большой вклад в создание атомной теории.

Когда Дальтон предложил свою атомную теорию и установил закон кратных отношений, молодой шведский химик Берцелиус, руководимый стремлением найти закон образования химических соединений, тщательно изучил вопрос об их составе. Проведя не одну сотню анализов, он представил столько доказательств, подтверждающих закон постоянства состава, что химики были вынуждены признать справедливость этого закона, а следовательно, принять и атомистическую теорию, которая непосредственно вытекала из закона постоянства состава.

После этого Берцелиус обратился к проблеме определения атомных весов элементов, разрабатывая более сложные и точные методы экспериментов чем те, которые были доступны Дальтону. В результате длительной и тщательной аналитической работы Берцелиус пришел к выводу, что в солях существуют простые и постоянные отношения между атомами кислорода основания и атомами кислорода кислоты. Этого правила он постоянно придерживался при изучении атомной проблемы.

На основании своих исследований и расчетов в 1826 г. Берцелиус опубликовал первую таблицу атомных весов, отличающихся высокой точностью, причем атомные веса были соотнесены им с кислородом, атомный вес которого был принят за сто. Приведенные в этой таблице величины в основном совпадают (за исключением атомных весов двух-трех элементов) с принятыми в настоящее время. Существенное различие между таблицами Берцелиуса и Дальтона состоит в том, что величины, полученные Берцелиусом, в своем большинстве не были целыми числами. Эти расчеты потом были подтверждены и уточнены другими учеными.

С работами Берцелиуса по атомистике тесно связано введение в употребление символов, предложенных им в 1814 г. для обозначения не только элементов, но и химических реакций. Все символы, формулы соединений и химические уравнения следует вести от Берцелиуса. Его система химической символики весьма содействовала развитию химии. В качестве символа элемента принимается первая буква его латинского или греческого названия. В тех случаях, когда названия двух или более элементов начинаются с одних и тех же букв, к ним добавляется вторая буква названия. Так появились химические символы элементов, которые используются во всем мире и поныне. Еще в начале своей научной деятельности он предложил все вещества разделить на органические и неорганические.

Издавна со времени открытия огня человек стал делить все вещества на две группы: горючие и негорючие. К горючим относились, в частности, дерево и жир, которые в основном служили топливом. Дерево - продукт растительного происхождения, а жир или масло - продукты как животного, так и растительного происхождения. В отличие от них вода, песок, горные породы и большинство других веществ минерального происхождения не горят и даже гасят огонь. Таким образом, между способностью вещества к горению и его принадлежностью к живому или неживому миру просматривалась определенная связь.

Накопленные в течение восемнадцатого столетия знания позволили химикам сделать вывод, что судить о природе веществ, исходя только из их горючести или негорючести, ошибочно. Вещества неживой природы могли выдерживать жесткую обработку, и именно их Берцелиус назвал неорганическими. А вещества живой или некогда живой материи такой обработки не выдерживали, и их он назвал органическими.

Во многих своих проявлениях эти две группы веществ вели себя принципиально различным образом. Так, химиков не переставало удивлять, что органические вещества при нагревании или каком-либо другом воздействии легко превращаются в неорганические (возможность обратного перехода была установлена гораздо позже).

Определенное влияние на развитие химии данного периода оказал «витализм» - учение, рассматривающее жизнь как особое явление, подчиняющееся не законам мироздания, а влиянию особых жизненных сил. Сторонники витализма утверждали, что для превращения неорганических веществ в органические требуется особое воздействие («жизненная сила»), которое проявляется только внутри живой ткани. По этой причине неорганические соединения, например, воду, можно было найти повсюду, тогда как органические соединения, образующиеся под воздействием жизненной силы, можно найти только в живых тканях.

История химии свидетельствует, что до середины XIX в. ее развитие происходило беспорядочно и хаотически. Химики открывали все новые и новые химические элементы, описывали их свойства, способность вступать в различные реакции и благодаря этому постепенно накопили огромный эмпирический материал, который необходимо было привести в определенную систему.

Логическим завершением всего многовекового процесса возникновения и развития химии стал первый международный химический конгресс, который состоялся в сентябре 1860 г. в немецком городе Карлсруэ. На конгрессе присутствовали самые знаменитые химики того времени. Проведение конгресса в Карлсруэ имело большое значение для развития химии. На нем были сформулированы и приняты основополагающие принципы, теории и законы химии, которые не вызывали никаких сомнений у участников. Тем самым химия заявила о себе де-факто как о самостоятельной науке.

Однако гораздо большее значение имели научные результаты и последствия конгресса. К 60-м годам прошлого столетия в химии еще сохранилась путаница с атомными и молекулярными весами, что не позволяло точно решить вопрос о системе элементов и отрицательно сказывалось на развитии самой химии. Разногласия по поводу относительных атомных весов, приписываемых атомам различных элементов привели к разногласиям в отношении числа атомов отдельных элементов, входящих в данную молекулу. Ученые неоднократно предпринимали попытки придать этим проблемам системный вид, но их предложения были весьма несовершенными, потому что в качестве системообразующих факторов брались чаще всего несущественные, второстепенные и даже чисто внешние признаки элементов.

Инициатором обсуждения и решения данной проблемы стал итальянский химик С.Канниццаро, который предложил разграничить понятия «атомный вес», «молекулярный вес» и «эквивалентный вес». На конгрессе Канниццаро произнес яркую речь, и ему удалось убедить участников в правильности предлагаемых им идей. С этого момента в вопрос об атомных весах была внесена ясность, и было по достоинству оценено значение таблицы атомных весов, составленной Берцелиусом. Кроме того, решения конгресса, по сути дела, подготовили условия для создания периодической системы элементов.

4. Проблемы в 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 вещества.

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.