Античная натурфилософия

В середине XIX века начала стремительно развиваться пограничная область науки — физическая химия. В отечественной историографии науки считается, что начало ей положил ещё М. В. Ломоносов, дав определение и введя само наименование этой дисциплины в научный тезаурус.^[40] Предметом изучения физической химии стали химические процессы — скорость, направление, сопровождающие их тепловые явления и зависимость этих характеристик от внешних условий.

Изучение тепловых эффектов реакций начал А. Л. Лавуазье, сформулировавший совместно с П. С. Лапласом первый закон термохимии. В 1840 Г. И. Гесс открыл основной закон термохимии («закон Гесса»). М. Бертло и Ю. Томсен в 1860-е годы сформулировали «принцип максимальной работы» (принцип Бертло — Томсена), позволивший предвидеть принципиальную осуществимость химического взаимодействия.

Важнейшую роль в  создании представлений о химическом сродстве и химическом процессе сыграли термодинамические исследования середины XIX века. Объектом изучения химической термодинамики стало, прежде всего, состояние химического равновесия, впервые описанное А. У. Уильямсоном в 1850 и изученное Г. Розе, Р. В. Бунзеном, А. Э. Сент-Клер Девилем, М. Бертло и другими исследователями.

В 1867 К. М. Гульдберг и П. Вааге открыли закон действующих масс.^[41] Представляя равновесие обратимой реакции как равенство двух сил сродства, действующих в противоположных направлениях, они показали, что направление реакции определяется не массами веществ (как предполагал в начале века К. Л. Бертолле), а произведением действующих масс (концентраций) реагирующих веществ. Теоретическое рассмотрение химического равновесия выполнили Дж. У. Гиббс (1874—1878), Д. П. Коновалов (1881—1884)^[42] и Я. Г. Вант-Гофф (1884). Вант-Гофф сформулировал также принцип подвижного равновесия, который обобщили позже А. Л. Ле Шателье и К. Ф. Браун. Создание учения о химическом равновесии стало одним из главных достижений физической химии XIX века, имевшим значение не только для химии, но и для всего естествознания.^[43]

В 1850-е годы с  работ Л. Ф. Вильгельми^[44] начались систематические исследования скорости химических реакций, которые привели к созданию в 1880-е годы основ формальной кинетики (Я. Г. Вант-Гофф, В. Оствальд, С. А. Аррениус). В 1890-х годах Оствальд опубликовал также серию ставших классическими работ по исследованию каталитических процессов.

Важным достижением  физической химии в XIX веке стало создание учения о растворах. Альтернативные физическая и химическая теории растворов развились из представлений Берцелиуса, считавшего растворы механическими смесями, при образовании которых не действуют силы химического сродства, и Бертолле, рассматривавшего растворы как нестехиометрические соединения. Физическая теория достигла существенных успехов в количественном описании некоторых свойств растворов (1-й и 2-й законы Ф. М. Рауля, осмотический закон Я. Г. Вант-Гоффа, теория электролитической диссоциации С. А. Аррениуса).^[45][46]

[править] Современный период: с начала XX в

Открытие электрона Дж. Дж. Томсоном (1897) и радиоактивности А. Беккерелем (1896) стали доказательством делимости атома, возможность которой стала обсуждаться после выдвижения У. Праутом гипотезы о протиле (1815). Уже в начале XX века появились первые модели строения атома: «кексовая» (У. Томсон, 1902 и Дж. Дж. Томсон, 1904), планетарная (Ж. Б. Перрен, 1901 и Х. Нагаока, 1903), «динамидическая» (Ф. Ленард, 1904). В 1911 Э. Резерфорд, основываясь на опытах по рассеиванию α-частиц, предложил ядерную модель, ставшую основой для создания классической модели строения атома (Н. Бор, 1913 и А. Зоммерфельд, 1916). Основываясь на ней, Н. Бор в 1921 заложил основы формальной теории периодической системы, объяснившей периодичность свойств элементов периодическим повторением строения внешнего электронного уровня атома.^[47][48]

После открытия делимости  атома и установления природы  электрона как его составной  части возникли реальные предпосылки  для разработки теорий химической связи. Первой стала концепция электровалентности Р. Абегга (1904), основанная на идее о сродстве атомов к электрону. Модель Бора — Зоммерфельда, представления о валентных электронах (И. Штарк, 1915) и идея об особой стабильности двух- и восьмиэлектронных оболочек атомов инертных газов легли в основу классических теорий химической связи. В. Коссель (1916) разработал теорию гетерополярной (ионной) связи, а Дж. Н. Льюис (1916) и И. Ленгмюр (1919) — теорию гомеополярной (ковалентной) связи.^[49][50]

В конце 20-х — начале 30-х годов XX века сформировались принципиально новые — квантово-механические — представления о строении атома и природе химической связи.

Исходя из идеи французского физика Л. де Бройля о наличии у материальных частиц волновых свойств, австрийский физик Э. Шрёдингер в 1926 вывел основное уравнение т. н. волновой механики, содержащее волновую функцию и позволяющее определить возможные состояния квантовой системы и их изменение во времени. В том же году другой немецкий физик В. Гейзенберг разработал свой вариант квантовой теории атома в виде матричной механики.

Квантово-механический подход к строению атома привёл к  созданию принципиально новых представлений  о природе химической связи. Уже  в 1927 В. Г. Гейтлер и Ф. Лондон начали разрабатывать квантовомеханическую теорию химической связи и выполнили приближённый расчет молекулы водорода. Распространение метода Гейтлера-Лондона на многоатомные молекулы привело к созданию метода валентных связей, который создают в 1928—1931 гг. Л. Полинг и Дж. К. Слэтер. Основная идея этого метода заключается в предположении, что атомные орбитали сохраняют при образовании молекулы известную индивидуальность. В 1928 Полинг предложил теорию резонанса и идею гибридизации атомных орбиталей, в 1932 — новое количественное понятие электроотрицательности.^[51][52]

В 1929 Ф. Хунд, Р. С. Малликен и Дж. Э. Леннард-Джонс заложили фундамент метода молекулярных орбиталей, основанного на представлении о полной потере индивидуальности атомов, соединившихся в молекулу. Хунд создал также современную классификацию химических связей; в 1931 он пришёл к выводу о существовании двух основных типов химических связей — простой, или σ-связи, и π-связи. Э. Хюккель распространил метод МО на органические соединения, сформулировав в 1931 правило ароматической стабильности, устанавливающее принадлежность вещества к ароматическому ряду.^[53]

Благодаря квантовой  механике к 30-м годам XX века в основном был выяснен способ образования связи между атомами; кроме того, в рамках квантово-механического подхода получило корректную физическую интерпретацию менделеевское учение о периодичности. Создание надёжного теоретического фундамента привело к значительному росту возможностей прогнозирования свойств вещества. Особенностью химии в XX веке стало широкое использования физико-математического аппарата и разнообразных расчётных методов.^[54]

Подлинным переворотом  в химии стало появление в XX веке большого числа новых аналитических методов, прежде всего физических и физико-химических (рентгеноструктурный анализ, электронная и колебательная спектроскопия, магнетохимия и масс-спектрометрия, спектроскопия ЭПР и ЯМР, хроматография и т. п.). Эти методы предоставили новые возможности для изучения состава, структуры и реакционной способности вещества.

Отличительной чертой современной химии стало её тесное взаимодействие с другими естественными  науками, в результате которого на стыке  наук появились биохимия, геохимия и др. разделы. Одновременно с этим процессом интеграции интенсивно протекал и процесс дифференциации самой химии. Хотя границы между разделами химии достаточно условны, коллоидная и координационная химия, кристаллохимия и электрохимия, химия высокомолекулярных соединений и некоторые другие разделы приобрели черты самостоятельных наук.

Неизбежным следствием совершенствования химической теории в XX веке стали новые успехи практической химии — каталитический синтез аммиака, получение синтетических антибиотиков, полимерных материалов и т. п. Успехи химиков в деле получения вещества с желаемыми свойствами в числе прочих достижений прикладной науки к концу XX столетия привели к коренным преобразованиям в жизни человечества.

введение

При изучении истории науки  следует отдавать себе отчёт в  том, что всякий исторический очерк  имеет своей целью представить  события в виде некоей неразрывной  цепи, ведущей от одного открытия к  другому, от одной теории к другой. На самом деле, однако, открытие далеко не всегда является непосредственным следствием событий, которые мы склонны  рассматривать как шаги по направлению  к нему.

Смысл изучения истории химии  как нельзя лучше раскрывают слова Д. И. Менделеева: "Знание готовых выводов, без сведений о способах их достижения, может легко привести к заблуждению…, потому что тогда неизбежно надо придавать абсолютное значение тому, что относительно и временно".

История накопления опытных  данных – открытия химических элементов и основных законов природы, развития органического синтеза, создания и совершенствования химических технологий и т. п. – в значительной степени входит в состав основных курсов химии. В то же время эти исторические сведения сами по себе, вне современных им теоретических концепций, не способны дать истинное представление об их ценности и значимости для развития науки. Более того, такие сведения в отрыве от исторического контекста зачастую производят совершенно ложное впечатление на учащихся, оценивающих их с высоты современного уровня знаний.

Поскольку в кратком очерке невозможно рассмотреть развитие каждой из теорий, зачастую представлявших собой  целую эпоху в истории науки, автору представлялось разумным излагать рассматриваемые воззрения, как  правило, не в первоначальном, а в  окончательно сформировавшемся виде.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

К середине 30-х годов XX века химическая теория приобретает вполне современный вид. Хотя основные концепции  химии в дальнейшем стремительно развивались, принципиальных изменений  в теории больше не происходило.

Изложение содержательной части  современной химии в кратком  историческом очерке вряд ли возможно вследствие колоссального объёма информации. Быть может, имело бы смысл привести обзор основных этапов, однако этот обзор ни в коей мере не мог бы претендовать на полноту. Химия в XX веке чрезвычайно усложнилась и  расширилась по сравнению с классическим периодом. Объём химических знаний стал настолько велик, что составление  краткого, в несколько страницреферата  представляет собой сложнейшую задачу.

Тем не менее, необходим выделить основные черты современной химии, отличающие её от классической химии  второй половины XIX века.

Прежде всего, создание надёжного  теоретического фундамента привело  к значительному росту возможностей прогнозирования свойств вещества. Современная химия немыслима  без широкого использования физико-математического  аппарата и разнообразных расчётных  методов. Прогностические возможности  химии распространяются не только на свойства вещества, основные количественные характеристики которых зачастую могут  быть рассчитаны до опыта, но и на условия  синтеза этого вещества.

Еще одной особенностью химии  в ХХ веке стало появление большого числа новых аналитических методов, прежде всего физических и физико-химических. Широкое распространение получили рентгеновская, электронная и инфракрасная спектроскопия, магнетохимия и масс-спектрометрия, спектроскопия ЭПР (электронного парамагнитного резонанса) и ЯМР (ядерного магнитного резонанса), рентгеноструктурный анализ и т.п.; список используемых методов  чрезвычайно обширен. Новые данные, полученные с помощью физико-химических методов, заставили пересмотреть целый  ряд фундаментальных понятий  и представлений химии. Сегодня  ни одно химическое исследование не обходится  без привлечения физических методов, которые позволяют определять состав исследуемых объектов, устанавливать  мельчайшие детали строения молекул, отслеживать  протекание сложнейших химических процессов.

Для современной химии  также стало очень характерным  всё более тесное взаимодействие с другими естественными науками. Физическая и биологическая химия  стали важнейшими разделами химии  наряду с классическими – неорганической, органической и аналитической. Пожалуй, именно биохимия со второй половины ХХ столетия занимает лидирующее положение  в естествознании. Характер взаимодействия естественных наук в XX веке В. И. Вернадский определил следующим образом: «…Рост научного знания быстро стирает грани между отдельными науками. Мы всё больше специализируемся не по наукам, а по проблемам. Это позволяет, с одной стороны, чрезвычайно углубляться в изучаемое явление, а с другой – расширить охват его со всех точек зрения».

Одновременно с процессом  интеграции естественных наук в ХХ столетии интенсивно протекал и процесс  дифференциации самой химии. Хотя границы  между вновь выделяющимися разделами  химии достаточно условны, коллоидная и координационная химия, кристаллохимия и электрохимия, химия высокомолекулярных соединений и некоторые другие разделы  приобретают черты самостоятельных  наук.

Все перечисленные особенности  современной химии в совокупности способствовали значительному увеличению скорости накопления химических знаний. Объём знаний настолько вырос, что  изобилие информации стало одной  из серьёзных проблем сегодняшней  науки.

Неизбежным следствием совершенствования  химической теории явились новые  успехи практической химии. Из выдающихся достижений химии XX века достаточно упомянуть  хотя бы такие, как каталитический синтез аммиака, получение синтетических  антибиотиков и полимерных материалов. Успехи химиков в деле получения  вещества с желаемыми свойствами в числе прочих достижений прикладной науки к концу XX столетия привели  к коренным преобразованиям в  жизни человечества. Химики нашли  лекарства от неизлечимых ранее  болезней, получили вещества и материалы, использование которых существенно  улучшило условия жизни людей. В  значительной степени благодаря  развитию прикладной химии средняя  продолжительность жизни человека за двадцатое столетие выросла практически  вдвое.

Впрочем, современная химия  дала в руки людей также и эффективные  средства сокращения продолжительности  человеческой жизни. Достижения науки  далеко не всегда используются людьми в благих целях, не всегда результаты практического использования научных  открытий оказываются в точности такими, как ожидалось. Всякий успех  в деле покорения природы неизбежно  влечёт за собой, наряду с выгодами, ещё и появление новых проблем  – экологических, этических и  т.п., решение которых опять-таки является не в последнюю очередь  задачей науки.