Химия

Химия - наука, изучающая вещества и их превращения, одна из важнейших отраслей естествознания. Поскольку вещества - это самые разнообразные сочетания, атомов химических элементов, то именно элементы и их соединения являются объектами исследований в химии. Превращения веществ происходят в результате химических реакций.

В свою очередь протекание подавляющего большинства химических реакций связано с изменениями во внешних электронных оболочках атомов. Внутренние оболочки и атомное ядро изменений не претерпевают.

Ныне в сферу действия химической науки включают 107 химических элементов (существующие в природе или полученные путем ядерного синтеза) и несколько миллионов химических соединений. Поскольку ученые постоянно получают в лабораториях новые соединения, химия оказывается такой наукой, которая все время увеличивает число объектов своих исследований.

Первые сведения о химических превращениях относятся к очень древним временам, когда еще не было понятия химического элемента, а вместо него существовало учение о четырех "стихиях" - огне, воде, воздухе, земле, которые в различных сочетаниях придавали окружающим человека предметам различные качества. В то же время такие ремесла, как выплавка металлов, изготовление стекла, крашение тканей, постепенно позволяли людям накапливать факты и сведения, которые легли в основу первоначальной практической химии. Она еще ни в коей мере не была наукой, а лишь сводом определенных химических приемов и рецептов.

Само происхождение слова "химия" вызывает многочисленные толкования. Здесь нет единой точки зрения. Одни ученые связывают его с названием древнего Египта - "Хем". В переводе это слово означает "черный" (возможно, потому, что почвы долины Нила были черного цвета). Другие исследователи берут за основу греческие слова "хюма" ("литье", что наводит на мысль о процессе выплавки металла) или "химевис" ("смешивание"). Наконец, ищут даже связи слова "химия" с древнекитайским "ким" - "золото".

Много столетий подряд господствовала алхимия. Однако ее неправильно рассматривать как предшественницу химической науки. Алхимия - это своеобразный феномен средневековой культуры. Существо деятельности алхимиков составляли всевозможные химические манипуляции. Их цель заключалась в поисках так называемого философского камня, с помощью которого любой металл можно было бы превратить в золото. Разумеется, все усилия алхимиков остались бесплодными. Но поскольку в поисках философского камня они проводили различные химические реакции, то им принадлежат некоторые достижения, важные для практики. Они изобрели приборы, необходимые для химических исследований: печи, реторты, колбы, аппараты для перегонки жидкостей, приготовили некоторые важнейшие кислоты, соли и оксиды, описали некоторые способы разложения руд и минералов. Практические навыки алхимии впоследствии оказались весьма полезными. Бесплодность приготовления философского камня все более становилась очевидной, и алхимия постепенно утрачивала свое значение. В то же время возрастала роль химических ремесел, а человеческие познания об окружающем мире росли. Постепенно создавались понятия, которые легли в основу науки химии.

Возникновение научной химии обычно связывают с именем Р. Бойля. Он помог химии осознать суть ее центрального объекта исследования: впервые попытался дать определение химического элемента. Элементы, по Бойлю, составляли предел разложения вещества на составные части. Элементов в природе должно быть много, и они носят материальный характер. Бойль считал эксперимент основным способом постижения истины.

Таким образом, в значительной степени стал осмысленным анализ природных веществ. Разлагая их на составные части, исследователи сделали много важных наблюдений, открыли несколько новых элементов и химических соединений. Химия вступила в период появления химико-аналитических методов исследования. Она стала решать одну из первых своих важнейших задач - изучать, что из чего состоит. Так возникло учение о составе химических соединений. Позднее выдвинулись проблемы изучения их свойств и строения. По сути дела, "построение" этого классического "треугольника" познаний - состав - строение - свойства - определило основное содержание развития химии в XVIII-XIX вв.

Выдающимися достижениями русского ученого-энциклопедиста М. В. Ломоносова в области естествознания, и в том числе химии, являются материалистическое толкование химических явлений, использование физических методов и представлений, создание корпускулярной теории строения веществ, открытие закона сохранения материи и движения - основополагающего закона природы.

В конце XVIII в. в химии произошла подлинная революция. Она была связана с разработкой А. Лавуазье кислородной теории горения. В химии все больше стал утверждаться количественный подход к изучению химических процессов. Была разработана номенклатура химических соединений, ставшая для химиков интернациональным языком.

Слева (сверху вниз): Древнеегипетские стеклодувы. Диаграмма древнегреческого ученого IV в. до н.э. Аристотеля 'Четыре стихии и их взаимоотношения'. Алхимический знак железа и другие алхимические символы. Одна из стадий крашения тканей (по гравюре XVI в.). Печи и приборы пробирной лаборатории XVIII в. Справа (сверху вниз): Электронные оболочки атомов химических элементов I периода. В основе химических процессов лежат химические реакции (на рисунке показаны реакции образования молекул LiF и СН₄. Часть пространственной структурной формулы одного из полимеров - целлюлозы. На рисунке проиллюстрированы некоторые из многочисленных отраслей современной химии. Примеры практического применения ядерной химии - ядерный реактор; искусственное сердце, в котором в качестве источника энергии используется плутоний-238. Геохимические процессы лежат, в частности, в основе производства химических удобрений. Биохимия изучает широкий круг вопросов - от закономерностей биохимических процессов, протекающих в человеческом организме, до получения искусственных волокон и т.п

В начале XIX в. Дж. Дальтон ввел понятие атомного веса. Каждый химический элемент получил теперь важнейшую количественную характеристику. Возникло и стало стремительно развиваться атомно-молекулярное учение. Оно сделалось основой теоретической химии. Это учение способствовало таким выдающимся открытиям, как периодический закон химических элементов Д. И. Менделеева и теория химического строения А. М. Бутлерова. В рамках этого учения получили четкое определение важнейшие понятия химии: атом, молекула, элемент, простое вещество, химическое соединение, валентность.

В XIX в. четко сформировались два основных раздела химии - неорганическая и органическая, в конце столетия в самостоятельную область оформилась физическая химия. Результаты химических исследований все шире начали внедряться в практику, а это повлекло за собой развитие химической технологии. В разных странах были организованы новые химические лаборатории и институты, росло число специальных химических журналов, а вместе с тем существенно ускорялся обмен химической информацией. Химия стала все больше использовать достижения других наук, главным образом физики, а это в свою очередь способствовало ее превращению в точную научную дисциплину, где, наряду с уравнением химической реакции, подобающее место заняла математическая формула. Так постепенно закладывался фундамент здания современной химии. (Подробнее об истории развития химии см. статьи Неорганическая химия, Органическая химия, Физическая химия, Аналитическая химия, Атомно-молекулярное учение.)

Как же можно в общих чертах охарактеризовать химию нашего времени? Что представляет теперь эта область человеческого знания? Каковы ее основные особенности?

Все более размываются границы между двумя основными разделами химии - неорганической и органической. Конечно, и тот и другой раздел сохраняет свою специфику и никогда не потеряет до конца своей индивидуальности. Возьмите, к примеру, два обширных класса соединений - элементоорганические и координационные. Их число измеряется тысячами и растет с каждым годом. Но их нельзя однозначно отнести ни к органическим, ни к неорганическим. Органики включают в сферу своих интересов все больше химических элементов, тогда как неорганики синтезируют все большее число координационных соединений с органическими лигандами. Одни и те же физико-химические и аналитические методы с одинаковым успехом используют в своей практике и химики-неорганики и химики-органики.

Наблюдается дифференциация (дробление) химии на постоянно увеличивающееся число самостоятельных химических дисциплин. Так, современная неорганическая химия - конгломерат многих направлений исследования: и отдельных химических элементов, и их совокупностей. Скажем, есть химия редких элементов и химия редкоземельных элементов, химия радиоактивных элементов и химия платиновых элементов. Совсем недавно возникла химия инертных газов. Привычными стали и такие понятия, как химия азота, химия фосфора, химия фтора, химия урана, - словом, химические исследования некоторых наиболее важных элементов вылились в самостоятельные подразделы неорганической химии. Стали самостоятельными и направления, изучающие отдельные классы неорганических соединений, например химия гидридов, химия карбидов.

Аналогичную картину мы видим и в органической химии. Очень многие классы органических соединений: белки, жиры, углеводы, ароматические соединения, насыщенные и ненасыщенные углеводороды изучаются как самостоятельные разделы. Этот перечень можно продолжить.

Чем вызвана такая дифференциация? Тем, что накопленный объем информации очень велик, и даже самый одаренный химик ныне не может быть высококвалифицированным специалистом во всех разделах, например, неорганической химии.

Физическая химия также дала различные направления развития науки. Еще в прошлом веке сформировались термохимия и электрохимия, коллоидная химия и учение о растворах, кинетика химическая и учение о катализе. Потом добавилась радиохимия, химия поверхностных явлений, радиационная химия... И каждая из этих дисциплин, в свою очередь, дала самостоятельные "побеги".

Широкое проникновение физической химии в неорганическую и органическую привело к появлению различных методов исследования, которые также можно рассматривать как самостоятельные химические дисциплины (см. Методы исследования в химии).

Физическую химию справедливо считают плодом тесного взаимодействия химии и физики, и ее существование наиболее рельефно оттеняет важную особенность современной химии - постоянно возрастающий контакт с другими науками. Этот процесс взаимопроникновения наук весьма характерен для современного естествознания. Союз химии с биологией породил биохимию, роль которой в наши дни трудно переоценить. На "перекрестках" химии и геологии возникла геохимия - ХИМИЯ Земли. А в наши дни уже правомерно говорить о химии Луны, Марса, Венеры. Специальные методы анализа позво-ляют изучать вещество, рассеянное в космическом пространстве, поэтому возникла кос-мохимия. Вот еще примеры содружества различных наук: биоорганическая и бионеорганическая химия, биогеохимия. Эта особенность современной химии является наиболее важной. История показывает, что фундаментальные открытия часто рождаются именно на стыках различных наук.

Снова обращаясь к прошлому химии, вспомним, что ее становление как науки произошло главным образом благодаря двум обстоятельствам: во-первых, потому что был достаточно четко определен предмет ее исследования; во-вторых, потому что начали широко использоваться методы химического анализа. А ведь именно развитие методов анализа стало стимулом эволюции научной химии.

Огромное значение анализа сохранилось и в современной химии, постоянно совершенствуются старые и разрабатываются многие новые методы анализа: химические, физико-химические и чисто физические. Высокой чувствительности достиг спектральный анализ. Следы примесей в исследуемых материалах позволяет определять радиоактивационный анализ. В арсеналах современных химических лабораторий - методы ЭПР (электронного парамагнитного резонанса), ЯМР (ядерного магнитного резонанса), спектрофотометрии, молекулярной спектроскопии. Они позволяют изучать тончайшие особенности строения молекул и механизмов протекания химических реакций.

По мере того как в химии появлялись теоретические представления, она из эмпирической области знания постепенно превращалась в точную науку. Химия наших дней развивается на прочном теоретическом фундаменте.

В развитии теоретической химии своеобразной "волшебной палочкой" стал электрон. Электронные представления сразу же начали проникать в химию. Великие физические открытия конца XIX в. (рентгеновское излучение, явление радиоактивности, открытие электрона) способствовали разработке атомной модели и теории строения атома (см. Атом). На основе этой теории была объяснена физическая причина периодического изменения свойств элементов, созданы новые представления о химической связи. Атом превратился из отвлеченного понятия в конкретный объект исследования. Появление теории строения атома и приложение к ней представлений квантовой механики произвели революцию в теоретической химии. Возникла новая химическая дисциплина - квантовая химия, которая стала важнейшим "инструментом" для химиков-теоретиков. Существенно возросла роль теории во всех, без исключения, областях химии.

Мы живем в эпоху научно-технической революции, которая предъявляет очень высокие требования к различным веществам и мате-риалам. Необходимы вещества, стойкие в самых химически агрессивных средах, и вещества, плавящиеся при температурах, близких к температуре поверхности Солнца. Материалы прочнее стали и тверже алмаза и материалы, гораздо более эластичные, чем каучук. Нужны высококачественные полупроводники, специальные магнитные материалы, полимеры с необычными свойствами. Нужны сверхчистые вещества, практически не содержащие примесей.

Нелегкая задача - удовлетворить эти требования, и без химии здесь никак не обойтись. С помощью химии решается важнейшая проблема получения - различных веществ и материалов с заранее заданными свойствами, важными для того или иного практического использования. Раньше ученые, получив в лаборатории новое соединение, сначала изучали его свойства. И лишь затем делали вывод о том, могут ли какие-нибудь из обнаруженных свойств найти практическое применение. Теперь вопрос ставится иначе. Сначала формулируется задача: требуется получить новое вещество (соединение, сплав и т.п.) с определенным набором необходимых для практики свойств. А следующий шаг заключается в поисках и расчетах наиболее оптимальных путей получения требуемого вещества. Современная химия стала широко программировать свои цели и задачи.

Это, пожалуй, основные особенности химической науки наших дней. К ним можно было бы добавить еще одну: без химии немыслима вся современная цивилизация. Химия кормит, поит, одевает, обувает, строит, добывает полезные ископаемые, позволяет взлетать в космос и опускаться на дно океана, создавать вещества и материалы, которых не знала природа. В содружестве с другими естественными науками химия помогает все глубже познавать тайны мироздания.

"Душу" науки химии составляют химические реакции. Они могут протекать в самых разнообразных условиях. Одни - при комнатной температуре, другие - при слабом нагревании, третьи - требуют более высоких температур. Одни реакции происходят мгновенно, со взрывом, тогда как другие - в обычных условиях текут чрезвычайно медленно, но их можно ускорить с помощью катализаторов. В перечне современных химических дисциплин не могут быть не упомянуты такие, как химия высоких температур и химия низких температур. Они изучают протекание химических процессов в экстремальных условиях. С одной стороны, десятки тысяч градусов, а с другой, температуры жидкого воздуха и даже близкие к абсолютному нулю. В последние десятилетия возникла химия плазмы, где предметом химического исследования стало четвертое состояние вещества. Продолжая список современных химических дисциплин, мы встречаем химию высоких давлений. Действительно, десятки, сотни тысяч и миллионы атмосфер для химии сравнительно недавнего прошлого были отвлеченными понятиями. Теперь же такие давления стали привычными. Сверхвысокие давления позволили приготовить искусственные алмазы, получить такое удивительное вещество, как металлический водород.

Химия оперирует различными материальными структурами. На одном "полюсе" - огромные, состоящие из многих тысяч атомов молекулы, например молекулы белков. На другом - единичные атомы химических элементов, которые к тому же имеют очень малую продолжительность жизни. Это атомы тяжелых трансурановых элементов, синтезированных искусственно. На одном "полюсе" - простейшая молекула водорода Н₂, на другом - сложная закрученная двойная спираль дезоксирибонуклеиновой кислоты (см. Нуклеиновые кислоты). В этом смысле химия действительно выглядит наукой контрастов.

Стать такой наукой, которую представляет из себя химия сегодня, ей помогли другие науки. Прежде всего физика. Иногда встречаются утверждения, что химия якобы утратила свою самобытность. Что ныне она не более, чем раздел физики. Мотивируется это утверждение тем, что в основе современной химии лежит квантовомеханическая (физическая) модель атома. Химическую связь между атомами можно строго объяснить только в рамках квантовомеханических представлений. Все это так, но мир химических процессов и явлений настолько сложен и многообразен, что свести попытки его объяснения к математическим уравнениям было бы совершенно неоправданным упрощением. Физика и далее будет помогать химии все глубже познавать и объяснять предметы ее исследования, но никогда не сможет лишить ее самостоятельности. Ведь важнейшая цель химии - получение новых фактов и сведений о свойствах химических элементов и их соединений - может быть достигнута только ею самой.