Документ 12. Основные этапы развития химии Алхимия как явление средневековой культуры
 Скачать 33.57 Kb.
|
|
Содержание: Введение Основные этапы развития химии Алхимия как явление средневековой культуры Возникновение и развитие научной химии Лавуазье: революция в химии Победа атомно-молекулярной доктрины Происхождение современной химии и ее проблемы в 21 веке Заключение Список литературы ВведениеСодержательный подход к истории химии основан на изучении того, как теоретические основы науки менялись с течением времени. Из-за изменений в теориях на протяжении всего существования химии ее определение постоянно менялось. Химия рождается как искусство превращения цветных металлов в драгоценные металлы; Менделеев в 1882 году определяет его как учение об элементах и их соединениях. Определение из современного школьного учебника, в свою очередь, существенно отличается от определения Менделеева: Химия - это наука о веществах, их составе, строении, свойствах, взаимных превращениях и законах этих превращений. Следует отметить, что изучение структуры науки мало способствует созданию представления о путях развития химии в целом: общепринятое деление химии на разделы основывается на целом ряде различных принципов. Разделение химии на органическую и неорганическую осуществляется в зависимости от разницы между их предметами. Разделение физической химии основано на ее близости к физике, аналитическая химия - на основе используемого метода исследования. В целом общепринятое разделение химии на разделы - во многом дань исторической традиции; каждый раздел в той или иной степени пересекается со всеми остальными. Основная задача содержательного подхода к истории химии - по словам Д. И. Менделеева, выделить неизменное и общее в изменчивом и частном. Таким неизменным и общим для химических знаний всех исторических периодов является цель химии. Именно цель науки не только теоретическая, но и ее историческое ядро. Цель химии на всех этапах ее развития - получить вещество с заданными свойствами. Эта цель, которую иногда называют главной проблемой химии, включает в себя две важнейшие проблемы - практическую и теоретическую, которые невозможно решить отдельно друг от друга. Получение вещества с заданными свойствами невозможно без определения способов управления свойствами вещества или, что то же самое, без понимания причин происхождения и обусловленности свойств вещества. Таким образом, химия - это и цель, и средство, и теория, и практика. Таким образом, в рамках содержательного подхода историю химии можно рассматривать как историю возникновения и развития концептуальных систем, каждая из которых представляет собой принципиально новый способ решения главной проблемы химии. Основные этапы развития химииПри изучении истории развития химии возможны два взаимодополняющих подхода: хронологический и содержательный. При хронологическом подходе история химии обычно делится на несколько периодов. Следует иметь в виду, что периодизация истории химии, будучи весьма условной и относительной, имеет скорее дидактическое значение. В то же время на более поздних этапах развития науки, в связи с ее дифференциацией, неизбежны отклонения от хронологического порядка изложения, так как необходимо отдельно рассматривать развитие каждого из основных разделов науки. Как правило, большинство историков химии выделяют следующие основные этапы ее развития. Доалхимический период до III века. В доалхимический период теоретические и практические аспекты знания о веществе развиваются относительно независимо друг от друга. Происхождение свойств вещества рассматривается в античной натурфилософии, практические действия с веществом - прерогатива ремесленной химии. Алхимический период: III - XVI вв. Алхимический период, в свою очередь, делится на три подпериода: Александрийский, Арабский, Европейская алхимия. Алхимический период - это время поиска философского камня, который считался необходимым для превращения металлов. В этот период происходит зарождение экспериментальной химии и накопление знаний о веществе; Алхимическая теория, основанная на древних философских представлениях об элементах, тесно связана с астрологией и мистицизмом. Алхимический период, помимо химико-технического золотодобывания, примечателен созданием уникальной системы мистической философии. Период образования (объединения): XVII - XVIII вв. В процессе становления химии как науки происходит ее полная рационализация. Химия освобождается от натурфилософских и алхимических взглядов на элементы как на носители определенных качеств. Наряду с расширением практических знаний о веществе начинает развиваться единый взгляд на химические процессы и в полной мере используется экспериментальный метод. Химическая революция, завершившая этот период, окончательно придала химии вид самостоятельной науки, занимающейся экспериментальным изучением состава тел. Период количественных законов (атомно-молекулярная теория): 1789 - 1860 гг. Период количественных законов, отмеченный открытием основных количественных законов химии - стехиометрических, и становлением атомно-молекулярной теории, окончательно завершает превращение химии в точную науку, основанную не только на наблюдениях, но и на измерениях.. Период классической химии: 1860 - конец XIX века. Период классической химии характеризуется бурным развитием науки: создаются периодическая таблица элементов, теория валентности и химического строения молекул, стереохимия, химическая термодинамика и химическая кинетика; блестящие успехи достигнуты в прикладной неорганической химии и органическом синтезе. В связи с ростом объема знаний о веществе и его свойствах начинается дифференциация химии - выделение отдельных ее отраслей, приобретающих черты самостоятельных наук. Алхимия как явление средневековой культурыАлхимия сложилась в эпоху эллинизма на основе слияния прикладной химии египтян с греческой натурфилософией, мистикой и астрологией (золото соотносилось с Солнцем, серебро - с Луной, медь - с Венерой и т. д.) (II-VI вв.) В александрийской культурной традиции, представляя собой форму ритуального и магического искусства. Алхимия - это самоотверженная попытка найти способ получить драгоценные металлы. Алхимики считали, что ртуть и сера разной чистоты, соединенные в разных пропорциях, дали начало металлам, в том числе благородным. В реализации алхимического рецепта предполагалось участие священных или мистических сил, а средством обращения к этим силам было слово - необходимая сторона ритуала. Следовательно, алхимический рецепт действовал одновременно как действие и как священный обряд. В средневековой алхимии выделялись две тенденции. Первый - мистифицированная алхимия, сфокусированная на химических превращениях (в частности, ртути в золото) и, в конечном счете, на доказательстве возможности человеческих усилий осуществить космические превращения. В соответствии с этой тенденцией арабские алхимики сформулировали идею философского камня - гипотетического вещества, ускоряющего созревание золота в недрах земли; В то же время это вещество трактовалось как эликсир жизни, исцеляющий болезни и дающий бессмертие. Второе направление было больше ориентировано на конкретную практическую технохимию. В этой области достижения алхимии неоспоримы. К ним относятся: открытие методов производства серной, соляной, азотной кислот, нитратов, сплавов ртути и металлов, многих лекарственных веществ, создание химической посуды и т. д. Возникновение и развитие научной химииИстоки химии Химия древности. Химия, наука о составе веществ и их превращениях, начинается с открытия человеком способности огня изменять природные материалы. Видимо, плавить медь и бронзу, обжигать глиняные изделия и получать стекло умели еще в 4000 г. до н.э. К 7 веку до н.э. Египет и Месопотамия стали центрами производства красителей; золото, серебро и другие металлы также добывались там в чистом виде. Примерно с 1500 по 350 год до нашей эры для производства красителей использовалась дистилляция, и металлы выплавлялись из руд, смешивая их с древесным углем и продувая воздух через горящую смесь. Самим процедурам преобразования природных материалов было придано мистическое значение. Греческая натурфилософия. Эти мифологические идеи проникли в Грецию через Фалеса Милетского, который возводил все многообразие явлений и вещей к единому первоэлементу - воде. Однако греческих философов интересовали не способы получения веществ и их практическое использование, а в основном суть процессов, происходящих в мире. Так, древнегреческий философ Анаксимен утверждал, что основополагающий принцип Вселенной - воздух: при разрежении воздух превращается в огонь, а по мере сгущения - в воду, затем в землю и, наконец, в камень. Гераклит Эфесский пытался объяснить явления природы, постулируя огонь как первичный элемент. Четыре основных элемента. Эти идеи были объединены в натурфилософии Эмпедокла из Агригента, создателя теории четырех принципов мироздания. В разных версиях его теория господствовала в умах людей более двух тысячелетий. Согласно Эмпедоклу, все материальные объекты образованы путем объединения вечных и неизменных элементов-элементов - воды, воздуха, земли и огня - под действием космических сил любви и ненависти. Теория элементов Эмпедокла была принята и развита сначала Платоном, который указывал, что нематериальные силы добра и зла могут преобразовывать эти элементы друг в друга, а затем Аристотелем. Согласно Аристотелю, элементы-элементы - это не материальные субстанции, а носители определенных качеств - тепла, холода, сухости и влажности. Эта точка зрения трансформировалась в идею четырех соков Галена и доминировала в науке до 17 века. Другим важным вопросом, который занимал греческих натурфилософов, был вопрос о делимости материи. Основоположниками концепции, получившей впоследствии название атомистической, были Левкипп, его ученик Демокрит и Эпикур. Согласно их учению, существуют только пустота и атомы - неделимые материальные элементы, вечные, неразрушимые, непроницаемые, разные по форме, положению в пустоте и размеру; все тела образованы из своего водоворота. Атомная теория оставалась непопулярной в течение двух тысячелетий после Демокрита, но не исчезла полностью. Одним из ее приверженцев был древнегреческий поэт Тит Лукреций Кар, изложивший взгляды Демокрита и Эпикура в поэме О природе вещей (De Rerum Natura). Лавуазье: революция в химииЦентральная проблема химии 18 века. - проблема сгорания. Возник вопрос: что происходит с горючими веществами, когда они сгорают на воздухе? Теория флогистона была предложена для объяснения процессов горения немецкими химиками И. Бехером и его учеником Г. Е. Шталем. Флогистон - это некое невесомое вещество, которое содержится во всех горючих телах и которое они теряют при горении. Органы, содержащие большое количество флогистона, хорошо горят; тела, которые не загорелись, являются дефлогистическими. Эта теория позволила объяснить многие химические процессы и предсказать новые химические явления. На протяжении почти всего 18 века. она прочно удерживала свои позиции до конца XVIII века французским химиком А.Л. Лавуазье. не разработал теорию горения кислорода. Лавуазье показал, что все явления в химии, которые раньше считались хаотическими, можно систематизировать и свести к закону соединения элементов, старых и новых. К уже установленному до него списку элементов он добавил новые - кислород, который вместе с водородом входит в состав воды, а также еще один компонент воздуха - азот. В соответствии с новой системой химические соединения были разделены в основном на три категории: кислоты, основания, соли. Лавуазье рационализировал химию и объяснил причину большого разнообразия химических явлений: она заключается в различии между химическими элементами и их соединениями. Победа атомно-молекулярной доктриныСледующий важный шаг в развитии научной химии сделал Дж. Далтон, ткач и школьный учитель из Манчестера. Изучая химический состав газов, он исследовал массовые количества кислорода на одно и то же массовое количество вещества в оксидах различного количественного состава и установил кратность этих количеств. Например, в пяти оксидах азота количество кислорода соотносится с таким же массовым количеством азота, как 1: 2: 3: 4: 5. Так был открыт закон множественных отношений. Дальтон правильно объяснил этот закон атомной структурой вещества и способностью атомов одного вещества объединяться с разным числом атомов другого вещества. В то же время он ввел понятие атомного веса в химию. И, тем не менее, в начале XIX века. атомно-молекулярная доктрина в химии пробивалась с трудом. Для его окончательной победы потребовалось еще полвека. На этом пути был сформулирован ряд количественных законов, которые получили объяснение с позиций атомно-молекулярных представлений. За экспериментальное обоснование атомизма и его введение в химию Ю.Я. Берцелиус. Атомно-молекулярное учение одержало окончательную победу на I Международном конгрессе химиков. В 1850-1870-е гг. На основе теории валентности химических связей была разработана теория химического строения, которая привела к огромным успехам органического синтеза и появлению новых отраслей химической промышленности, а в теоретическом плане открыла путь теории химического синтеза. пространственная структура органических соединений - стереохимия. Во второй половине XIX в. физическая химия, химическая кинетика - теория скоростей химических реакций, теория электролитической диссоциации, химическая термодинамика. Таким образом, в химии XIX в. разработан новый общетеоретический подход - определение свойств химических веществ в зависимости не только от состава, но и от структуры. Развитие атомно-молекулярного учения привело к идее сложной структуры не только молекулы, но и атома. В начале 19 века. эту идею высказал английский ученый В. Праут на основании результатов измерений, которые показали, что атомные веса элементов кратны атомному весу водорода. Праут выдвинул гипотезу о том, что атомы всех элементов состоят из атомов водорода. Новый импульс развитию идеи сложной структуры атома дало великое открытие Д.И. Менделеева периодической таблицы элементов, в котором говорилось, что атомы не неделимы, что они имеют структуру и не могут рассматриваться. первичные материальные образования. Происхождение современной химии и ее проблемы в 21 векеКонец средневековья был отмечен постепенным отходом от оккультизма, упадком интереса к алхимии и распространением механистического взгляда на структуру природы. Ятрохимия. Парацельс придерживался совершенно иных взглядов на цели алхимии. Швейцарский врач Филипп фон Гогенхайм вошел в историю под этим выбранным им именем. Парацельс, как и Авиценна, считал, что главной задачей алхимии является не поиск способов получения золота, а изготовление лекарств. Он заимствовал из алхимической традиции учение о том, что материя состоит из трех основных частей - ртути, серы и соли, которые соответствуют свойствам летучести, воспламеняемости и твердости. Эти три элемента составляют основу макрокосма и связаны с микрокосмом, образованным духом, душой и телом. Переходя к определению причин болезней, Парацельс утверждал, что лихорадка и чума возникают из-за избытка серы в организме, при избытке ртути возникает паралич и т. Д. Принцип, которого придерживались все ятрохимики, заключался в том, что медицина - это вопрос химия, и все зависит от способности врача отделить чистые принципы от нечистых веществ. В рамках этой схемы все функции организма были сведены к химическим процессам, а задачей алхимика было найти и приготовить химические вещества для медицинских нужд. Основными представителями ятрохимического направления были Ян Гельмонт, врач по профессии ; Франциск Сильвий, который пользовался большой известностью как врач и исключил духовные принципы из ятрохимической доктрины; Андреас Либавиус, врач из Ротенбурга. Их исследования внесли большой вклад в становление химии как самостоятельной науки. Механистическая философия. С уменьшением влияния ятрохимии натурфилософы снова обратились к учениям древних о природе. На первый план в 17 веке. вышли атомистические взгляды. Одним из самых выдающихся ученых - авторов корпускулярной теории - был философ и математик Рене Декарт. Он изложил свои взгляды в 1637 году в эссе Рассуждение о методе. Декарт считал, что все тела состоят из множества мелких частиц различных форм и размеров, которые не прилегают друг к другу так плотно, что вокруг них нет промежутков; эти промежутки не пустые, а заполненные... разреженной материей. Декарт не считал свои маленькие частицы атомами, неделимыми, он стоял на точке зрения бесконечной делимости материи и отрицал существование пустоты. Одним из самых ярких противников Декарта был французский физик и философ Пьер Гассенди. Атомизм Гассенди был по сути пересказом учения Эпикура, однако, в отличие от последнего, Гассенди признал создание атомов Богом; он считал, что Бог создал определенное количество неделимых и непроницаемых атомов, из которых состоят все тела; между атомами должна быть абсолютная пустота. В развитии химии в 17 в. особая роль принадлежит ирландскому ученому Роберту Бойлю. Бойль не принимал утверждения древних философов, которые считали, что элементы Вселенной можно установить умозрительно; это отражено в названии его книги Химик-скептик. Будучи сторонником экспериментального подхода к определению химических элементов, он не знал о существовании реальных элементов, хотя один из них - фосфор - почти открыл сам. Бойлю обычно приписывают введение термина анализ в химию. В своих экспериментах по качественному анализу он использовал различные индикаторы, ввел понятие химического сродства. Основываясь на трудах Галилео Галилея Евангелиста Торричелли, а также Отто Герике, продемонстрировавшего Магдебургские полушария в 1654 году, Бойль описал сконструированный им воздушный насос и эксперименты по определению упругости воздуха с помощью U-образной трубки. В результате этих экспериментов был сформулирован известный закон обратной пропорциональности объема воздуха и давления. В 1668 году Бойль стал активным членом недавно организованного Лондонского королевского общества, а в 1680 году был избран его президентом. Биохимия. Эта научная дисциплина, занимающаяся изучением химических свойств биологических веществ, сначала была одним из разделов органической химии. Он возник как самостоятельный район в последнее десятилетие 19 века. в результате исследований химических свойств веществ растительного и животного происхождения. Одним из первых биохимиков был немецкий ученый Эмиль Фишер. Он синтезировал такие вещества, как кофеин, фенобарбитал, глюкозу, многие углеводороды, внес большой вклад в науку о ферментах - белковых катализаторах, впервые выделенных в 1878 году. Развитию биохимии как науки способствовало создание новых аналитических методов. В 1923 году шведский химик Теодор Сведберг сконструировал ультрацентрифугу и разработал метод седиментации для определения молекулярной массы макромолекул, в основном белков. Ассистент Сведберга Арне Тизелиус в том же году создал метод электрофореза - более совершенный метод разделения гигантских молекул, основанный на разнице в скорости миграции заряженных молекул в электрическом поле. В начале 20 века. Русский химик Михаил Семенович Цвет описал метод разделения растительных пигментов путем пропускания их смеси через трубку, заполненную адсорбентом. Метод получил название хроматографии. В 1944 году английские химики Арчер Мартини Ричард Синг предложили новую версию метода: они заменили адсорбирующую трубку фильтровальной бумагой. Так появилась бумажная хроматография - один из самых распространенных аналитических методов в химии, биологии и медицине, с помощью которого в конце 1940-х - начале 1950-х годов можно было анализировать смеси аминокислот, образующиеся в результате расщепления различных белков. и определить состав белков. В результате кропотливых исследований был установлен порядок аминокислот в молекуле инсулина, и к 1964 году этот белок был синтезирован. Сейчас многие гормоны, лекарства, витамины получают методами биохимического синтеза. Квантовая химия. Чтобы объяснить стабильность атома, Нильс Бор объединил в своей модели классические и квантовые представления о движении электрона. Однако искусственность такого сочетания была очевидна с самого начала. Развитие квантовой теории привело к изменению классических представлений о строении материи, движения, причинности, пространства, времени и т. д., Что способствовало радикальной трансформации картины мира. В конце 20-х - начале 30-х годов ХХ века на основе квантовой теории сформировались принципиально новые представления о строении атома и природе химических связей. После того как Альберт Эйнштейн создал фотонную теорию света (1905 г.) и вывел статистические законы электронных переходов в атоме (1917 г.) в физике, проблема волна-частица стала более острой. Если в 18-19 веках между разными учеными, которые использовали волновую или корпускулярную теорию для объяснения одних и тех же явлений в оптике, были разногласия, то теперь противоречие приобрело принципиальный характер: одни явления интерпретировались с волновых позиций, другие - с корпускулярной. ед. Решение этого противоречия было предложено в 1924 году французским физиком Луи Виктором Пьером Раймоном де Бройлем, который приписал частице волновые свойства. Основываясь на идее де Бройля о волнах материи, немецкий физик Эрвин Шредингер в 1926 году вывел основное уравнение так называемого. волновая механика, которая содержит волновую функцию и позволяет определять возможные состояния квантовой системы и их изменение во времени. Шредингер дал общее правило преобразования классических уравнений в волновые. В рамках волновой механики атом можно представить как ядро, окруженное стационарной волной материи. Волновая функция определяет плотность вероятности нахождения электрона в данной точке. В том же 1926 году другой немецкий физик Вернер Гейзенберг развивает свою версию квантовой теории атома в форме матричной механики, исходя из принципа соответствия, сформулированного Бором. Согласно принципу соответствия, законы квантовой физики должны трансформироваться в классические законы, когда квантовая дискретность стремится к нулю при увеличении квантового числа. В более общем виде принцип соответствия может быть сформулирован следующим образом: новая теория, претендующая на более широкую область применимости по сравнению со старой, должна включать последнюю как частный случай. Квантовая механика Гейзенберга позволила объяснить существование стационарных квантованных состояний энергии и вычислить уровни энергии различных систем. Фридрих Хунд, Роберт Сандерсон Малликен и Джон Эдвард Леннард-Джонс в 1929 году создали основы метода молекулярных орбиталей. IMO основана на идее полной потери индивидуальности атомов, объединенных в молекулу. Таким образом, молекула не состоит из атомов, а представляет собой новую систему, образованную несколькими атомными ядрами и электронами, движущимися в их поле. Хунд также создал современную классификацию химических связей; в 1931 году он пришел к выводу о существовании двух основных типов химических связей - простой, или y-связи, и p-связи. Эрих Хюккель распространил метод МО на органические соединения, сформулировав в 1931 году правило ароматической стабильности (4n + 2), которое устанавливает принадлежность вещества к ароматическому ряду. Таким образом, в квантовой химии сразу различают два разных подхода к пониманию химической связи: метод молекулярных орбиталей и метод валентных связей. Благодаря квантовой механике к 30-м годам 20 века способ образования связей между атомами в основном прояснился. Кроме того, в рамках квантовомеханического подхода учение Менделеева о периодичности получило правильную физическую интерпретацию. Наверное, важнейшим этапом в развитии современной химии стало создание различных исследовательских центров, занимающихся, помимо фундаментальных, еще и прикладными исследованиями. В начале 20 века. ряд промышленных корпораций создали первые промышленные исследовательские лаборатории. В США была основана химическая лаборатория DuPont, лаборатория Bell. После открытия и синтеза в 1940-х годах пенициллина, а затем и других антибиотиков, появились крупные фармацевтические компании, в которых работали профессиональные химики. Большое прикладное значение имели работы в области химии высокомолекулярных соединений. Одним из ее основателей был немецкий химик Герман Штаудингер, разработавший теорию строения полимеров. Интенсивные поиски методов получения линейных полимеров привели в 1953 г. к синтезу полиэтилена, а затем и других полимеров с заданными свойствами. Сегодня производство полимеров - крупнейшая отрасль химической промышленности. Не все достижения в химии оказались полезными для человека. При производстве красок, мыла, тканей использовались соляная кислота и сера, представлявшие большую опасность для окружающей среды. В 21 веке. производство многих органических и неорганических материалов будет увеличиваться за счет переработки использованных веществ, а также за счет переработки химических отходов, которые представляют угрозу для здоровья человека и окружающей среды. ЗаключениеК середине 30-х годов ХХ века химическая теория принимает совершенно современный вид. Хотя основные концепции химии в будущем быстро развивались, в теории больше не было фундаментальных изменений. Установление делимости атома, квантовой природы излучения, создание теории относительности и квантовой механики явилось революционным переворотом в понимании физических явлений, окружающих человека. Эта революция коснулась в первую очередь микро- и мегамира, который, казалось бы, не имеет прямого отношения к химии в классическом понимании. Однако это одна из особенностей химии 20 века: чтобы понять причины, определяющие фундаментальные химические законы, требовалось выйти за рамки предмета химии. Сегодня теоретическая химия - это во многом физика, приспособленная для решения химических задач. В значительной степени именно успехи физики сделали возможными колоссальные успехи теоретической и прикладной химии в ХХ веке. Объем химических знаний стал настолько большим, что составление краткого, на несколько страниц, очерка новейшей истории химии - сложнейшая задача, которую автор данной работы не считает возможным для себя. Другой особенностью химии ХХ века стало появление большого количества новых аналитических методов, прежде всего физических и физико-химических. Рентгеновская, электронная и инфракрасная спектроскопия, магнитохимия и масс-спектрометрия, ЭПР и ЯМР спектроскопия, рентгеноструктурный анализ и др.; список используемых методов чрезвычайно обширен. Новые данные, полученные с помощью физико-химических методов, заставили пересмотреть ряд фундаментальных концепций и концепций химии. Сегодня ни одно химическое исследование не обходится без использования физических методов, позволяющих определять состав изучаемых объектов, устанавливать мельчайшие детали строения молекул, отслеживать протекание сложных химических процессов. Все более тесное взаимодействие с другими естественными науками также стало очень характерным для современной химии. Физическая и биологическая химия стали важнейшими разделами химии наряду с классическими - неорганической, органической и аналитической. Возможно, именно биохимия заняла лидирующие позиции в естествознании со второй половины ХХ века. Список литературыАзимов А. Краткая история химии. Развитие идей и концепций по химии. - М.: Мир, 1988. Джуа М. История химии. - М.: Мир, 1992. Рабинович В.Л. Алхимия как феномен средневековой культуры. М., 1976. Соловьев Ю.И. История химии. Развитие химии с древнейших времен до конца 19 века. - М.: Просвещение, 1988. Соловьев Ю.И., Трифонов Д.Н., Шамин А.Н. История химии. Развитие основных направлений современной химии. - М.: Просвещение, 1981. Фигуровский Н.А. История химии. - М.: Просвещение, 1972. |