Энциклопедия Кольера - химии история
Химии история
ИСТОКИ ХИМИИ
Химия древности. Химия, наука о составе веществ и их превращениях, начинается с открытия человеком способности огня изменять природные материалы. По-видимому, люди умели выплавлять медь и бронзу, обжигать глиняные изделия, получать стекло еще за 4000 лет до н.э. К 7 в. до н.э. Египет и Месопотамия стали центрами производства красителей; там же получали в чистом виде золото, серебро и другие металлы. Примерно с 1500 до 350 до н.э. для производства красителей использовали перегонку, а металлы выплавляли из руд, смешивая их с древесным углем и продувая через горящую смесь воздух. Самим процедурам превращения природных материалов придавали мистический смысл.
Греческая натурфилософия. Эти мифологические идеи проникли в Грецию через Фалеса Милетского (ок. 625 ок. 547 до н.э.), который возводил все многообразие явлений и вещей к единой первостихии воде. Однако греческих философов интересовали не способы получения веществ и их практическое использование, а главным образом суть происходящих в мире процессов. Так, древнегреческий философ Анаксимен (585-525 до н.э.) утверждал, что первооснова Вселенной воздух: при разрежении воздух превращается в огонь, а по мере сгущения становится водой, затем землей и, наконец, камнем. Гераклит Эфесский (конец 6 начало 5 вв. до н.э.) пытался объяснить явления природы, постулируя в качестве первого элемента огонь.
Четыре первоэлемента. Эти представления были объединены в натурфилософии Эмпедокла из Агригента (490-430 до н.э.) создателя теории четырех начал мироздания. В различных вариантах его теория властвовала над умами людей более двух тысячелетий. Согласно Эмпедоклу, все материальные объекты образуются при соединении вечных и неизменных элементов-стихий воды, воздуха, земли и огня под действием космических сил любви (притяжения) и ненависти (отталкивания). Теорию элементов Эмпедокла приняли и развили сначала Платон (427-347 до н.э.), уточнивший, что нематериальные силы добра и зла могут превращать эти элементы один в другой, а затем Аристотель (384-322 до н.э.). Согласно Аристотелю, элементы-стихии это не материальные субстанции, а носители определенных качеств тепла, холода, сухости и влажности. Этот взгляд трансформировался в идею четырех "соков" Галена (129-200 н.э.) и господствовал в науке вплоть до 17 в. Другим важным вопросом, занимавшим греческих натурфилософов, был вопрос о делимости материи. Родоначальниками концепции, получившей впоследствии название "атомистической", были Левкипп (ок. 500-440 до н.э.), его ученик Демокрит (ок. 470-360 до н.э.) и Эпикур (ок. 342-270 до н.э.). Согласно их учению, существуют только пустота и атомы неделимые материальные элементы, вечные, неразрушимые, непроницаемые, различающиеся формой, положением в пустоте и величиной; из их "вихря" образуются все тела. Атомистическая теория оставалась непопулярной в течение двух тысячелетий после Демокрита, но не исчезла полностью. Одним из ее приверженцев стал древнегреческий поэт Тит Лукреций Кар (95-55 до н.э.), изложивший взгляды Демокрита и Эпикура в поэме О природе вещей (De Rerum Natura).
Алхимия. Алхимия искусство совершенствования вещества через превращение металлов в золото и совершенствования человека путем создания эликсира жизни. Стремясь к достижению самой привлекательной для них цели созданию неисчислимых богатств, алхимики разрешили многие практические задачи, открыли множество новых процессов, наблюдали разнообразные реакции, способствуя становлению новой науки химии.
АЛХИМИЧЕСКИЙ СИМВОЛ МЫШЬЯКАЭллинистический период. Колыбелью алхимии был Египет. Египтяне блестяще владели прикладной химией, которая, однако, не была выделена в самостоятельную область знания, а входила в "священное тайное искусство" жрецов. Как отдельная область знания алхимия появилась на рубеже 2 и 3 в. н.э. После смерти Александра Македонского (323 до н.э.) его империя распалась, но влияние греков распространялось на обширные территории Ближнего и Среднего Востока. Особенно бурного расцвета алхимия достигла в 100-300 н.э. в Александрии. Примерно в 300 н.э. египтянин Зосима написал энциклопедию 28 книг, охватывавших все знания по алхимии за предыдущие 5-6 вв., в частности сведения о взаимопревращениях (трансмутациях) веществ.
Алхимия в арабском мире. Завоевав Египет в 7 в., арабы усвоили греко-восточную культуру, сохранявшуюся в течение веков александрийской школой. Подражая древним властителям, халифы начали покровительствовать наукам, и в 7-9 вв. появились первые химики. Самым талантливым и прославленным арабским алхимиком был Джабир ибн Хайян (конец 8 в.), позднее ставший известным в Европе под именем Гебер. Джабир полагал, что сера и ртуть являются двумя противоположными началами, из которых образуются семь других металлов; труднее всего образуется золото: для этого нужно особое вещество, которое греки называли xerion "сухой", а арабы изменили на al-iksir (так появилось слово "эликсир"). Эликсир должен был обладать и другими чудесными свойствами: излечивать от всех болезней и давать бессмертие. Другой арабский алхимик, ар-Рази (ок. 865-925) (в Европе известен под именем Разес) занимался также медициной. Так, он описал методику приготовления гипса и способа наложения повязки на место перелома. Однако самым знаменитым врачом был бухарец Ибн Сина (ок. 980-1037), известный также под именем Авиценна. Его сочинения служили руководством для врачей в течение многих веков.
Алхимия в Западной Европе. Научные воззрения арабов проникли в средневековую Европу в 12 в. через Северную Африку, Сицилию и Испанию. Работы арабских алхимиков были переведены на латынь, а затем и на другие европейские языки. Вначале алхимия в Европе опиралась на работы таких корифеев, как Джабир, но спустя три столетия вновь проявился интерес к учению Аристотеля, особенно в трудах немецкого философа и теолога-доминиканца, ставшего впоследствии епископом и профессором Парижского университета, Альберта Великого (ок. 1200-1280) и его ученика Фомы Аквинского. Убежденный в совместимости греческой и арабской науки с христианской доктриной, Альберт Великий способствовал введению их в схоластические курсы обучения. В 1250 философия Аристотеля была введена в курс преподавания в Парижском университете. Алхимическими проблемами интересовался и английский философ и естествоиспытатель, монах-францисканец Роджер Бэкон (1214-1294), предвосхитивший многие позднейшие открытия; он изучал свойства селитры и многих других веществ, нашел способ изготовления черного пороха. Среди других европейских алхимиков следует упомянуть Арнальдо да Вилланова (1235-1313), Раймонда Луллия (1235-1313), Василия Валентина (немецкого монаха 15-16 вв.).
Достижения алхимии. Развитие ремесел и торговли, возвышение городов в Западной Европе 12-13 вв. сопровождались развитием науки и появлением промышленности. Рецепты алхимиков использовались в таких технологических процессах, как обработка металлов. В эти годы начинаются систематические поиски способов получения и идентификации новых веществ. Появляются рецепты производства спирта и усовершенствования процесса его перегонки. Важнейшим достижением было открытие сильных кислот серной, азотной. Теперь европейские химики смогли осуществить многие новые реакции и получить такие вещества, как соли азотной кислоты, купорос, квасцы, соли серной и соляной кислот. Услугами алхимиков, которые нередко были искусными врачами, пользовалась высшая знать. Считалось также, что алхимики владеют тайной трансмутации обычных металлов в золото.
В "ЛАБОРАТОРИИ" АЛХИМИКАК концу 14 в. интерес алхимиков к превращению одних веществ в другие уступил место интересу к производству меди, латуни, уксуса, оливкового масла и различных лекарств. В 15-16 вв. опыт алхимиков все чаще использовался в горном деле и медицине.
ЗАРОЖДЕНИЕ СОВРЕМЕННОЙ ХИМИИ
Конец Средних веков отмечен постепенным отходом от оккультизма, спадом интереса к алхимии и распространением механистического взгляда на устройство природы.
Ятрохимия. Совершенно иных взглядов на цели алхимии придерживался Парацельс (1493-1541). Под таким выбранным им самим именем ("превосходящий Цельса") вошел в историю швейцарский врач Филипп фон Гогенгейм. Парацельс, как и Авиценна, считал, что основная задача алхимии не поиски способов получения золота, а изготовление лекарственных средств. Он заимствовал из алхимической традиции учение о том, что существуют три основные части материи ртуть, сера, соль, которым соответствуют свойства летучести, горючести и твердости. Эти три элемента составляют основу макрокосма (Вселенной) и связаны с микрокосмом (человеком), образованным духом, душой и телом. Переходя к определению причин болезней, Парацельс утверждал, что лихорадка и чума происходят от избытка в организме серы, при избытке ртути наступает паралич и т.д. Принцип, которого придерживались все ятрохимики, состоял в том, что медицина есть дело химии, и все зависит от способности врача выделять чистые начала из нечистых субстанций. В рамках этой схемы все функции организма сводились к химическим процессам, и задача алхимика заключалась в нахождении и приготовлении химических веществ для медицинских нужд. Основными представителями ятрохимического направления были Ян Гельмонт (1577-1644), по профессии врач; Франциск Сильвий (1614-1672), пользовавшийся как медик большой славой и устранивший из ятрохимического учения "духовные" начала; Андреас Либавий (ок. 1550-1616), врач из Ротенбурга. Их исследования во многом способствовали формированию химии как самостоятельной науки.
Механистическая философия. С уменьшением влияния ятрохимии натурфилософы вновь обратились к учениям древних о природе. На первый план в 17 в. вышли атомистические (корпускулярные) воззрения. Одним из виднейших ученых авторов корпускулярной теории был философ и математик Рене Декарт (1596-1650). Свои взгляды он изложил в 1637 в сочинении Рассуждение о методе. Декарт полагал, что все тела "состоят из многочисленных мелких частиц различной формы и размеров,... которые не настолько точно прилегают друг к другу, чтобы вокруг них не оставалось промежутков; эти промежутки не пустые, а наполнены... разреженной материей". Свои "маленькие частички" Декарт не считал атомами, т.е. неделимыми; он стоял на точке зрения бесконечной делимости материи и отрицал существование пустоты. Одним из виднейших противников Декарта был французский физик и философ Пьер Гассенди (1592-1655). Атомистика Гассенди была по существу пересказом учения Эпикура, однако, в отличие от последнего, Гассенди признавал сотворение атомов Богом; он считал, что Бог создал определенное число неделимых и непроницаемых атомов, из которых и состоят все тела; между атомами должна быть абсолютная пустота. В развитии химии 17 в. особая роль принадлежит ирландскому ученому Роберту Бойлю (1627-1691). Бойль не принимал утверждения древних философов, считавших, что элементы мироздания можно установить умозрительно; это и нашло отражение в названии его книги Химик-скептик. Будучи сторонником экспериментального подхода к определению химических элементов (который в конечном счете и был принят), он не знал о существовании реальных элементов, хотя один из них фосфор едва не открыл сам. Обычно Бойлю приписывают заслугу введения в химию термина "анализ". В своих опытах по качественному анализу он применял различные индикаторы, ввел понятие химического сродства. Основываясь на трудах Галилео Галилея (1564-1642) и Эванджелиста Торричелли (1608-1647), а также Отто Герике (1602-1686), демонстрировавшего в 1654 "магдебургские полушария", Бойль описал сконструированный им воздушный насос и опыты по определению упругости воздуха при помощи U-образной трубки. В результате этих опытов был сформулирован известный закон об обратной пропорциональности объема и давления воздуха. В 1668 Бойль стал деятельным членом только что организованного Лондонского королевского общества, а в 1680 был избран его президентом.
Техническая химия. Научные успехи и открытия не могли не повлиять на техническую химию, элементы которой можно найти в 15-17 вв. В середине 15 в. была разработана технология воздуходувных горнов. Нужды военной промышленности стимулировали работы по усовершенствованию технологии производства пороха. В течение 16 в. удвоилось производство золота и в девять раз возросло производство серебра. Выходят фундаментальные труды по производству металлов и различных материалов, используемых в строительстве, при изготовлении стекла, крашении тканей, для сохранения пищевых продуктов, выделки кож. С расширением потребления спиртных напитков совершенствуются методы перегонки, конструируются новые перегонные аппараты. Появляются многочисленные производственные лаборатории, прежде всего металлургические. Среди химиков-технологов того времени можно упомянуть Ванноччо Бирингуччо (1480-1539), чей классический труд О пиротехнике был напечатан в Венеции в 1540 и содержал 10 книг, в которых речь шла о рудниках, испытании минералов, приготовлении металлов, перегонке, военном искусстве и фейерверках. Другой известный трактат, О горном деле и металлургии, был написан Георгом Агриколой (1494-1555). Следует упомянуть также об Иоганне Глаубере (1604-1670), голландском химике, создателе глауберовой соли.
ВОСЕМНАДЦАТЫЙ ВЕК
Химия как научная дисциплина. С 1670 по 1800 химия получила официальный статус в учебных планах ведущих университетов наряду с натурфилософией и медициной. В 1675 появился учебник Николя Лемери (1645-1715) Курс химии, завоевавший огромную популярность, в свет вышло 13 его французских изданий, а кроме того, он был переведен на латинский и многие другие европейские языки. В 18 в. в Европе создаются научные химические общества и большое количество научных институтов; проводимые в них исследования тесно связаны с социальными и экономическими потребностями общества. Появляются химики-практики, занимающиеся изготовлением приборов и получением веществ для промышленности.
Теория флогистона. В сочинениях химиков второй половины 17 в. большое внимание уделялось толкованиям процесса горения. По представлениям древних греков, все, что способно гореть, содержит в себе элемент огня, который высвобождается при соответствующих условиях. В 1669 немецкий химик Иоганн Иоахим Бехер (1635-1682) попытался дать рационалистическое объяснение горючести. Он предположил, что твердые вещества состоят из трех видов "земли", и один из видов, названный им "жирной землей", принял за "принцип горючести". Последователь Бехера немецкий химик и врач Георг Эрнст Шталь (1659-1734) трансформировал концепцию "жирной земли" в обобщенную доктрину флогистона "начала горючести". Согласно Шталю, флогистон это некая субстанция, содержащаяся во всех горючих веществах и высвобождающаяся при горении. Шталь утверждал, что ржавление металлов подобно горению дерева. Металлы содержат флогистон, а ржавчина (окалина) уже не содержит флогистона. Это давало приемлемое объяснение и процессу превращения руд в металлы: руда, содержание флогистона в которой незначительно, нагревается на древесном угле, богатом флогистоном, и последний переходит в руду. Уголь же превращается в золу, а руда в металл, богатый флогистоном. К 1780 теория флогистона была принята химиками почти повсеместно, хотя и не отвечала на очень важный вопрос: почему железо при ржавлении становится тяжелее, хотя флогистон из него улетучивается? Химикам 18 в. это противоречие не казалось столь важным; главное, по их мнению, было объяснить причины изменения внешнего вида веществ. В 18 в. работало много химиков, чья научная деятельность не укладывается в обычные схемы рассмотрения этапов и направлений развития науки, и среди них особое место принадлежит русскому ученому-энциклопедисту, поэту, поборнику просвещения Михаилу Васильевичу Ломоносову (1711-1765). Своими открытиями Ломоносов обогатил почти все области знания, и многие его идеи более чем на сто лет опередили науку того времени. В 1756 Ломоносов провел знаменитые опыты по обжиганию металлов в закрытом сосуде, которые дали неоспоримое доказательство сохранения вещества при химических реакциях и роли воздуха в процессах горения: наблюдаемое увеличение веса при обжигании металлов еще до Лавуазье он объяснял соединением их с воздухом. В противоположность господствовавшим представлениям о теплороде он утверждал, что тепловые явления обусловлены механическим движением материальных частиц. Упругость газов он объяснял движением частиц. Ломоносов разграничивал понятия "корпускула" (молекула) и "элемент" (атом), что получило всеобщее признание лишь в середине 19 в. Ломоносов сформулировал принцип сохранения материи и движения, исключил флогистон из числа химических агентов, заложил основы физической химии, создал при Петербургской АН в 1748 химическую лабораторию, в которой проводились не только научные работы, но и практические занятия студентов. Обширные исследования проводил он в смежных с химией областях знания физике, геологии и др.
Пневматическая химия. Недостатки теории флогистона наиболее ясно выявились в период развития т.н. пневматической химии. Крупнейшим представителем этого направления был Р.Бойль: он не только открыл газовый закон, носящий теперь его имя, но и сконструировал аппараты для собирания воздуха. Химики получили важнейшее средство для выделения, идентификации и изучения различных "воздухов". Важным шагом было изобретение английским химиком Стивеном Хейлзом (1677-1761) "пневматической ванны" в начале 18 в. прибора для улавливания газов, выделяющихся при нагревании вещества, в сосуд с водой, опущенный вверх дном в ванну с водой. Позже Хейлз и Генри Кавендиш (1731-1810) установили существование неких газов ("воздухов"), отличающихся по своим свойствам от обычного воздуха. В 1766 Кавендиш систематически исследовал газ, образующийся при взаимодействии кислот с некоторыми металлами, позже названный водородом. Большой вклад в изучение газов внес шотландский химик Джозеф Блэк (1728-1799). Он занялся исследованием газов, выделяющихся при действии кислот на щелочи. Блэк установил, что минерал карбонат кальция при нагревании разлагается с выделением газа и образует известь (оксид кальция). Выделившийся газ (углекислый газ Блэк назвал его "связанным воздухом") можно было вновь соединить с известью и получить карбонат кальция. Среди прочего, это открытие устанавливало неразрывность связей между твердыми и газообразными веществами.
Химическая революция. Больших успехов в выделении газов и изучении их свойств достиг Джозеф Пристли (1733-1804) протестантский священник, увлеченно занимавшийся химией. Близ Лидса (Англия), где он служил, находился пивоваренный завод, откуда можно было получать в больших количествах "связанный воздух" (теперь мы знаем, что это был диоксид углерода) для проведения опытов. Пристли обнаружил, что газы могут растворяться в воде, и попытался собирать их не над водой, а над ртутью. Так он сумел собрать и изучить оксид азота, аммиак, хлороводород, диоксид серы (конечно, это их современные названия). В 1774 Пристли сделал самое важное свое открытие: он выделил газ, в котором вещества горели особенно ярко. Будучи сторонником теории флогистона, он назвал этот газ "дефлогистированным воздухом". Газ, открытый Пристли, казался антиподом "флогистированного воздуха" (азота), выделенного в 1772 английским химиком Даниэлом Резерфордом (1749-1819). В "флогистированном воздухе" мыши умирали, а в "дефлогистированном" были весьма активным. (Следует отметить, что свойства газа, выделенного Пристли, еще в 1771 описал шведский химик Карл Вильгельм Шееле (1742-1786), но его сообщение по небрежности издателя появилось в печати лишь в 1777.) Великий французский химик Антуан Лоран Лавуазье (1743-1794) сразу же оценил значение открытия Пристли. В 1775 он подготовил статью, где утверждал, что воздух не простое вещество, а смесь двух газов, один из них "дефлогистированный воздух" Пристли, который соединяется с горящими или ржавеющими предметами, переходит из руд в древесный уголь и является необходимым для жизни. Лавуазье назвал его oxygen, кислород, т.е. "порождающий кислоты". Второй удар по теории элементов-стихий был нанесен после того, как выяснилось, что вода это тоже не простое вещество, а продукт соединения двух газов: кислорода и водорода. Все эти открытия и теории, покончив с таинственными "стихиями", повлекли за собой рационализацию химии. На первый план вышли только те вещества, которые можно взвесить или количество которых можно измерить каким-то иным способом. В течение 80-х годов 18 в. Лавуазье в сотрудничестве с другими французскими химиками Антуаном Франсуа де Фуркруа (1755-1809), Гитоном де Морво (1737-1816) и Клодом Луи Бертолле (1748-1822) разработал логическую систему химической номенклатуры; в ней было описано более 30 простых веществ с указанием их свойств. Этот труд, Метод химической номенклатуры, был опубликован в 1787. Переворот в теоретических взглядах химиков, который произошел в конце 18 в. в результате быстрого накопления экспериментального материала в условиях господства теории флогистона (хотя и независимо от нее), обычно называют "химической революцией".
ДЕВЯТНАДЦАТЫЙ ВЕК
Состав веществ и их классификация. Успехи Лавуазье показали, что применение количественных методов может помочь в определении химического состава веществ и выяснении законов их объединения.
Атомная теория. Английский химик Джон Дальтон (1766-1844), подобно древним атомистам, исходил из представления о корпускулярном строении материи, но, основываясь на понятии химических элементов Лавуазье, принял, что "атомы" (этот термин Дальтон сохранил как дань уважения к Демокриту) данного элемента одинаковы и характеризуются кроме других свойств тем, что обладают определенным весом, который он назвал атомным. Дальтон обнаружил, что два элемента могут соединяться друг с другом в различных соотношениях и каждая новая комбинация элементов дает новое соединение. В 1803 эти результаты были обобщены в виде закона кратных отношений. В 1808 вышел труд Дальтона Новая система химической философии, где он подробно изложил свою атомную теорию. В том же году французский химик Жозеф Луи Гей-Люссак (1778-1850) опубликовал предположение о том, что объемы газов, вступающих в реакцию друг с другом, относятся между собой как простые кратные числа (закон объемных отношений). К сожалению, Дальтон не сумел увидеть в выводах Гей-Люссака ничего, кроме помехи для разработки своей теории, хотя эти выводы могли бы стать очень плодотворными в определении относительных атомных весов.
Химическое сродство. В течение всего 17 в. химики, рассуждая о "сродстве" тенденции атомов к образованию соединений, следовали идеям Бехера и Шталя, которые классифицировали все вещества в соответствии с их способностью реагировать со специфическими кислотами. Исследование сродства и состава различных типов веществ пошло по другому руслу в начале 19 в. с открытием нового аналитического метода. В 1807 английский химик Хамфри Дэви (1778-1829) пропустил электрический ток, получаемый от батареи из 250 металлических пластин, через расплавленный поташ (карбонат калия) и получил маленькие шарики металла, впоследствии названного калием, а затем таким же способом выделил из соды натрий. Дэви предположил, что химическое сродство сводится к электризации атомов при контакте. Шведский химик Йенс Якоб Берцелиус (1779-1848) уточнил и развил представление об атоме и электрическом сродстве, предложив первую концепцию химического взаимодействия электрохимическую теорию. Берцелиус полагал, что, поскольку соли в растворе под действием электрического тока разлагаются на отрицательные и положительные компоненты, все соединения должны состоять из положительных и отрицательных частей радикалов (дуалистическая теория Берцелиуса). Кислород самый электроотрицательный элемент, и те элементы, которые образуют с ним соединения со свойствами оснований, электроположительны, а те, которые образуют вещества с кислотными свойствами, электроотрицательны. В соответствии с этим Берцелиус получил шкалу элементов, первым членом которой был кислород, затем шли сера, азот, фосфор и т.д. с переходом через водород к натрию, калию и другим металлам. К 1840-м годам, однако, стало ясно, что электрохимическая теория не может объяснить существование простых двухатомных молекул (например, O2 и H2) или реакцию замещения водорода (положительное сродство) хлором (отрицательное сродство).
Классификация по атомному весу. Со времен Дальтона до 1860 в химии не было точного определения понятия атомного веса. Система, основанная на "эквивалентных весах", предложенная английским химиком Уильямом Волластоном (1766-1828), опиралась на соотношения, в которых элементы могли объединяться, и каждый химик мог составить собственный список атомных весов. Не существовало никакой отправной точки для создания системы элементов и никакого соглашения о том, как выражать состав соединений. В 1860 на первом Международном химическом конгрессе в Карлсруэ (Германия) итальянский химик Станислао Канниццаро (1826-1910) вновь вернул к жизни забытую гипотезу своего соотечественника Амедео Авогадро (1776-1856), который, основываясь на открытии Гей-Люссаком закона объемных отношений, предположил, что равные объемы газов содержат одинаковое число молекул. Канниццаро утверждал, что с помощью гипотезы Авогадро можно разграничить понятия "атомный вес" и "молекулярный вес" для газообразных элементов и внести ясность в вопрос об атомных весах вообще. В 1869 великий русский химик Дмитрий Иванович Менделеев, присутствовавший на конгрессе в Карлсруэ и слышавший доклад Канниццаро, опубликовал свою периодическую таблицу. Все известные элементы он расположил в соответствии с увеличением их атомного веса и разбил на периоды и группы, отвечающие изменению валентности. В таблице были оставлены пустые места для еще неоткрытых элементов; некоторым из них Менделеев даже присвоил названия (экабор, экаалюминий и экакремний; приставка "эка" означает "одно и то же"). Замечательная точность периодического закона была продемонстрирована открытиями галлия в 1875, идентичного по своим свойствам экаалюминию, скандия (экабора) в 1879 и германия (экакремния) в 1886.
Органическая химия. В течение всего 18 в. в вопросе о химических взаимоотношениях организмов и веществ ученые руководствовались доктриной витализма учения, рассматривавшего жизнь как особое явление, подчиняющееся не законам мироздания, а влиянию особых жизненных сил. Этот взгляд был унаследован и многими учеными 19 в., хотя его основы были поколеблены еще в 1777, когда Лавуазье предположил, что дыхание процесс, аналогичный горению. Первые экспериментальные свидетельства единства неорганического и органического мира были получены в начале 19 в. В 1828 немецкий химик Фридрих Велер (1800-1882), нагревая цианат аммония (это соединение безоговорочно причислялось к неорганическим веществам), получил мочевину продукт жизнедеятельности человека и животных. В 1845 Адольф Кольбе (1818-1884), ученик Велера, синтезировал уксусную кислоту из исходных элементов углерода, водорода и кислорода. В 1850-е годы французский химик Пьер Бертло (1827-1907) начал систематическую работу по синтезу органических соединений и получил метиловый и этиловый спирты, метан, бензол, ацетилен. Систематическое исследование природных органических соединений показало, что все они содержат один или несколько атомов углерода и очень многие атомы водорода. В результате всех этих исследований немецкий химик Фридрих Август Кекуле (1829-1896) в 1867 определил органическую химию как химию соединений углерода. Новый подход к органическому анализу был обобщен немецким химиком Юстусом Либихом (1803-1873) создателем знаменитой исследовательской и учебной лаборатории в Гисенском университете. В 1837 Либих вместе с французским химиком Жаном Батистом Дюма (1800-1884) уточнил представление о радикале как о специфической неизменной группе атомов, входящей в состав многих органических соединений (пример метильный радикал CH3). Становилось ясно, что определить строение больших молекул можно, лишь установив строение определенного числа радикалов.
Теория типов. Открытие и выделение огромного числа сложных углеродсодержащих соединений остро поставили вопрос о составе их молекул и привели к необходимости ревизовать существующую систему классификации. К 1840-м годам ученые-химики осознали, что дуалистические идеи Берцелиуса применимы только к неорганическим солям. В 1853 была предпринята попытка классифицировать все органические соединения по типам. Обобщенная "теория типов" была предложена французским химиком Шарлем Фредериком Жераром (1816-1856), который полагал, что объединение различных групп атомов определяется не электрическим зарядом этих групп, а их специфическими химическими свойствами. Жерар выделил четыре основных типа атомных групп, из которых, по его мнению, и состоят все соединения как органические, так и неорганические.
Структурная химия. В 1857 Кекуле, исходя из теории валентности (под валентностью понималось число атомов водорода, вступающих в соединение с одним атомом данного элемента), предположил, что углерод четырехвалентен и потому может соединяться с четырьмя другими атомами, образуя длинные цепи прямые или разветвленные. Поэтому органические молекулы стали изображать не в виде комбинаций радикалов, а в виде структурных формул атомов и связей между ними. К 1860-м годам работами Кекуле и русского химика Александра Михайловича Бутлерова (1828-1886) был заложен фундамент структурной химии, позволяющей объяснять свойства веществ, основываясь на расположении атомов в их молекулах. В 1874 датский химик Якоб Вант-Гофф (1852-1911) и французский химик Жозеф Ашиль Ле Бель (1847-1930) распространили эту идею на расположение атомов в пространстве. Они считали, что молекулы не плоские, а трехмерные структуры. Эта концепция позволяла объяснить многие известные явления, например пространственную изомерию, существование молекул одинакового состава, но с разными свойствами. Очень хорошо вписывались в нее данные Луи Пастера (1822-1895) об изомерах винной кислоты. К концу 19 в. идеи структурной химии были подкреплены данными, полученными спектроскопическими методами. Эти методы позволяли получать информацию о строении молекул исходя из их спектров поглощения. К 1900 концепция трехмерной организации молекул как сложных органических, так и неорганических была принята практически всеми учеными.
Химическая технология. Успехи органической химии стимулировали бурное развитие химической промышленности, прежде всего в Германии. Была разработана технология производства серной кислоты, на основе которой получали взрывчатые вещества, красители и соду, необходимую для производства отбеливателей и мыла. Очень большую роль в развитии химических технологий сыграли работы Либиха и целой плеяды его учеников. В результате их деятельности в сельском хозяйстве стали применять химические удобрения и были созданы предприятия по их производству. Быстрое развитие лакокрасочной промышленности Германии было связано с работами Адольфа фон Байера (1835-1917) по индиго и другим красителям, а промышленный синтез аммиака под высоким давлением с работами Фрица Габера (1868-1934).
Рождение физической химии. К концу 19 в. появились первые работы, в которых систематически изучались физические свойства различных веществ (температуры кипения и плавления, растворимость, молекулярный вес). Начало таким исследованиям положили Гей-Люссак и Вант-Гофф, показавшие, что растворимость солей зависит от температуры и давления. В 1867 норвежские химики Петер Вааге (1833-1900) и Като Максимилиан Гульдберг (1836-1902) сформулировали закон действующих масс, согласно которому скорость реакций зависит от концентраций реагентов. Использованный ими математический аппарат позволил найти очень важную величину, характеризующую любую химическую реакцию, константу скорости.
Химическая термодинамика. Тем временем химики обратились к центральному вопросу физической химии о влиянии теплоты на химические реакции. К середине 19 в. физики Уильям Томсон (лорд Кельвин) (1824-1907), Людвиг Больцман (1844-1906) и Джеймс Максвелл (1831-1879) выработали новые взгляды на природу теплоты. Отвергая калористическую теорию Лавуазье, они представляли теплоту как результат движения. Их идеи развил Рудольф Клаузиус (1822-1888). Он разработал кинетическую теорию, согласно которой такие величины, как объем, давление, температура, вязкость и скорость реакций, можно рассматривать исходя из представления о непрерывном движении молекул и их столкновениях. Одновременно с Томсоном (1850) Клазиус дал первую формулировку второго начала термодинамики, ввел понятия энтропии (1865), идеального газа, длины свободного пробега молекул. Термодинамический подход к химическим реакциям применил в своих работах Август Фридрих Горстман (1842-1929), который на основе идей Клаузиуса попытался объяснить диссоциацию солей в растворе. В 1874-1878 американский химик Джозайя Уиллард Гиббс (1839-1903) предпринял систематическое изучение термодинамики химических реакций. Он ввел понятие свободной энергии и химического потенциала, объяснив суть закона действующих масс, применил термодинамические принципы при изучении равновесия между различными фазами при разных температуре, давлении и концентрации (правило фаз). Работы Гиббса создали фундамент современной химической термодинамики. Шведский химик Сванте Август Аррениус (1859-1927) создал теорию ионной диссоциации, объясняющую многие электрохимические явления, и ввел понятие энергии активации. Он также разработал электрохимический метод измерения молекулярной массы растворенных веществ. Крупным ученым, благодаря которому физическая химия была признана самостоятельной областью знаний, был немецкий химик Вильгельм Оствальд (1853-1932), применивший концепции Гиббса при изучении катализа. В 1886 он написал первый учебник по физической химии, а в 1887 основал (вместе с Вант-Гоффом) журнал "Физическая химия" (Zeitschrift fr physikalische Chemie).
ДВАДЦАТЫЙ ВЕК
Новая структурная теория. С развитием физических теорий о строении атомов и молекул были переосмыслены такие старые понятия, как химическое сродство и трансмутация. Возникли новые представления о строении материи.
Модель атома. В 1896 Антуан Анри Беккерель (1852-1908) открыл явление радиоактивности, обнаружив спонтанное испускание солями урана субатомных частиц, а спустя два года супруги Пьер Кюри (1859-1906) и Мария Склодовская-Кюри (1867-1934) выделили два радиоактивных элемента: полоний и радий. В последующие годы было установлено, что радиоактивные вещества испускают три вида излучения: a-частицы, b-частицы и g-лучи. Вместе с открытием Фредерика Содди (1877-1956), показавшим, что при радиоактивном распаде происходит превращение одних веществ в другие, все это придало новый смысл тому, что древние называли трансмутацией. В 1897 Джозеф Джон Томсон (1856-1940) открыл электрон, заряд которого с высокой точностью измерил в 1909 Роберт Милликен (1868-1953). В 1911 Эрнст Резерфорд (1871-1937), исходя из электронной концепции Томсона, предложил модель атома: в центре атома находится положительно заряженное ядро, а вокруг него вращаются отрицательно заряженные электроны. В 1913 Нильс Бор (1885-1962), используя принципы квантовой механики, показал, что электроны могут находиться не на любых, а на строго определенных орбитах. Планетарная квантовая модель атома Резерфорда Бора заставила ученых по-новому подойти к объяснению строения и свойств химических соединений. Немецкий физик Вальтер Коссель (1888-1956) предположил, что химические свойства атома определяются числом электронов на его внешней оболочке, а образование химических связей обусловливается в основном силами электростатического взаимодействия. Американские ученые Гилберт Ньютон Льюис (1875-1946) и Ирвинг Ленгмюр (1881-1957) сформулировали электронную теорию химической связи. В соответствии с этими представлениями молекулы неорганических солей стабилизируются электростатическими взаимодействиями между составляющими их ионами, которые образуются при переходе электронов от одного элемента к другому (ионная связь), а молекулы органических соединений за счет обобществления электронов (ковалентная связь). Эти идеи лежат в основе современных представлений о химической связи.
Новые методы исследования. Все новые представления о строении вещества могли формироваться только в результате развития в 20 в. экспериментальной техники и появления новых методов исследования. Открытие в 1895 Вильгельмом Конрадом Рентгеном (1845-1923) Х-лучей послужило основой для создания впоследствии метода рентгеновской кристаллографии, позволяющей определять структуру молекул по картине дифракции рентгеновских лучей на кристаллах. С помощью этого метода была расшифрована структура сложных органических соединений инсулина, дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), гемоглобина и др. С созданием атомной теории появились новые мощные спектроскопические методы, дающие информацию о строении атомов и молекул. Различные биологические процессы, а также механизм химических реакций исследуются с помощью радиоизотопных меток; широкое применение радиационные методы находят и в медицине.
Биохимия. Эта научная дисциплина, занимающаяся изучением химических свойств биологических веществ, сначала была одним из разделов органической химии. В самостоятельную область она выделилась в последнее десятилетие 19 в. в результате исследований химических свойств веществ растительного и животного происхождения. Одним из первых биохимиков был немецкий ученый Эмиль Фишер (1852-1919). Он синтезировал такие вещества, как кофеин, фенобарбитал, глюкоза, многие углеводороды, внес большой вклад в науку о ферментах белковых катализаторах, впервые выделенных в 1878. Формированию биохимии как науки способствовало создание новых аналитических методов. В 1923 шведский химик Теодор Сведберг (1884-1971) сконструировал ультрацентрифугу и разработал седиментационный метод определения молекулярной массы макромолекул, главным образом белков. Ассистент Сведберга Арне Тизелиус (1902-1971) в том же году создал метод электрофореза более совершенный метод разделения гигантских молекул, основанный на различии в скорости миграции заряженных молекул в электрическом поле. В начале 20 в. русский химик Михаил Семенович Цвет (1872-1919) описал метод разделения растительных пигментов при прохождении их смеси через трубку, заполненную адсорбентом. Метод был назван хроматографией. В 1944 английские химики Арчер Мартин (р. 1910) и Ричард Синг (р. 1914) предложили новый вариант метода: они заменили трубку с адсорбентом на фильтровальную бумагу. Так появилась бумажная хроматография один из самых распространенных в химии, биологии и медицине аналитических методов, с помощью которого в конце 1940-х начале 1950-х годов удалось проанализировать смеси аминокислот, получающиеся при расщеплении разных белков, и определить состав белков. В результате кропотливых исследований был установлен порядок расположения аминокислот в молекуле инсулина (Фредерик Сенгер, 1953), а к 1964 этот белок удалось синтезировать. Сейчас методами биохимического синтеза получают многие гормоны, лекарственные средства, витамины.
ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗПромышленная химия. Вероятно, наиболее важным этапом в развитии современной химии было создание в 19 в. различных исследовательских центров, занимавшихся, помимо фундаментальных, также прикладными исследованиями. В начале 20 в. ряд промышленных корпораций создали первые промышленные исследовательские лаборатории. В США в 1903 была основана химическая лаборатория "Дюпон", а в 1925 лаборатория фирмы "Белл". После открытия и синтеза в 1940-х годах пенициллина, а затем и других антибиотиков появились крупные фармацевтические фирмы, в которых работали профессиональные химики. Большое прикладное значение имели работы в области химии высокомолекулярных соединений. Одним из ее основоположников был немецкий химик Герман Штаудингер (1881-1965), разработавший теорию строения полимеров. Интенсивные поиски способов получения линейных полимеров привели в 1953 к синтезу полиэтилена (Карл Циглер, 1898-1973), а затем других полимеров с заданными свойствами. Сегодня производство полимеров крупнейшая отрасль химической промышленности. Не все достижения химии оказались благом для человека. В 19 в. при производстве красок, мыла, текстиля использовали соляную кислоту и серу, представлявшие большую опасность для окружающей среды. В 20 в. производство многих органических и неорганических материалов увеличилось за счет вторичной переработки использованных веществ, а также за счет переработки химических отходов, которые представляют опасность для здоровья человека и окружающей среды.
ЛИТЕРАТУРА
Фигуровский Н.А. Очерк общей истории химии. М., 1969 Джуа М. История химии. М., 1975 Азимов А. Краткая история химии. М., 1983
Вопрос-ответ:
