6.1. Развитие химических знаний

История развития знаний о веществе. Естествознание как наука о

явлениях и законах природы включает одну из важнейших отрас-

лей — химию. В современном понимании химия — наука о превращени-

ях веществ, сопровождающихся изменением их состава и (или) строения.

История развития химических знаний начинается с древних времен,

когда в V в. до н.э. древнегреческий философ Левкипп впервые предло-

жил гипотезу атомного строения материи. Гораздо позднее (примерно с

III в. н.э.) античному натурфилософскому атомистическому учению о

строении вещества противопоставлялась алхимия — донаучное направ-

ление, получившее развитие в Западной Европе в XI—XVI вв. Основные

задачи алхимии заключались в поисках так называемого «философского

камня» для превращения неблагородных металлов в золото и серебро, в

203

создании эликсира долголетия и др. В эпоху Возрождения результаты хи-

мических исследований все чаще находили применение в металлургии,

стеклоделии, производстве керамики, красок и т.п.

Первое научное определение химического элемента предложил в

1661 г. английский химик и физик Р. Бойль (1627—1691), основополож-

ник экспериментального химического анализа. В современном представ-

лении химический элемент — совокупность атомов с одинаковым заря-

дом ядра. Основываясь на результатах своих экспериментов, Р. Бойль

сделал важный вывод: качества и свойства вещества зависят от того,

из каких химических элементов оно состоит.

Принято считать, что химия стала подлинной наукой во второй поло-

вине XVIII в., когда первый российский ученый-естествоиспытатель

М.В. Ломоносов (1711—1765) сформулировал закон сохранения мате-

рии и движения, исключив из числа химических агентов флоги-

стон — невесомую материю. Первая химическая теория — теория фло-

гистона, согласно которой металлы (железо, медь, свинец и др.) счита-

лись сложными веществами, т.е. состоящими из соответствующих эле-

ментов и универсального «невесомого тела» — флогистона, оказалась

ошибочной. Выяснив роль кислорода в процессе горения, окисления и

дыхания, французский химик А.Л. Лавуазье (1743—1794) полностью оп-

роверг теорию флогистона.

В начале XIX в. английский химик и физик Дж. Дальтон (1766—1844)

заложил основы химической атомистики. Он впервые ввел понятие

«атомный вес», определил атомные массы (веса) ряда элементов и открыл

в 1803 г. закон кратных отношений:

если два химических элемента образуют друг с другом более одного со-

единения, то массы одного элемента, приходящиеся на одну и ту же массу

другого, относятся как целые числа, обычно небольшие.

В 1811 г. итальянский физик и химик А. Авогадро ввел термин «моле-

кула» и выдвинул молекулярную гипотезу строения вещества. Молеку-

ла — микрочастица, образованная из атомов и способная к самостоятель-

ному существованию. Атомно-молекулярные представления утверди-

лись лишь в 60-х годах ХГХ в. В те годы, а именно в 1861 г., выдающийся

русский химик А.М. Бутлеров (1828—1896) создал и обосновал теорию

химического строения вещества, согласно которой

свойства веществ определяются порядком связей атомов в молекулах и

их взаимным влиянием.

Немного позднее — в 1869 г. — другой выдающийся русский хи-

мик — Д.И. Менделеев (1834—1907) открыл периодический закон хи-

мических элементов — один из фундаментальных законов естествозна-

ния. Современная формулировка этого закона такова:

204

свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда

их атомных ядер.

Заряд ядра равен атомному (порядковому) номеру элемента в Перио-

дической системе Менделеева.

С конца XIX в. важнейшими задачами химии являются разработка

способов управления химическими процессами и синтез химических со-

единений с новыми свойствами.

По мере развития химии формировались многие ее отрасли: органи-

ческая химия, физическая химии, аналитическая химия и др. На стыке хи-

мических и других отраслей естествознания появились биохимия, агро-

химия, геохимия и т.д. Результаты химических исследований составляют

основу многих современных технологий.

В последние десятилетия благодаря открытию новых явлений и эф-

фектов, прежде всего физических, и созданию на их основе высокочувст-

вительных приборов (электронных микроскопов, спектроскопов, масс-

спектрометров и др.) появилась реальная возможность проводить экспе-

риментальные химические исследования на современном молекулярном

уровне. Такие исследования позволили раскрыть механизм многих про-

цессов в живом организме, синтезировать не существующие в природе

вещества с необычными свойствами, установить сложную структуру мо-

лекулы ДНК, расшифровать молекулярный генный механизм наследст-

венности и многое другое.

Молекулярный уровень экспериментальных исследований позволяет

создавать не только сверхпрочные, сверхпроводящие и другие материалы

с новыми свойствами, но и производить операции с фрагментами ДНК,

изменяя ее генетический код. Сегодня уже говорят о конструировании

устройств из отдельных молекул и создании молекулярного компьютера,

обладающего чрезвычайно большими возможностями.

Масштабы химической индустрии. Долгое время необходимые че-

ловеку товары повседневного спроса (продукты питания, одежда, краски

и т.п.) производились путем переработки преимущественно природного

сырья растительного происхождения. Современные химические техно-

логии позволяют синтезировать из сырья не только естественного, но и

искусственного происхождения многочисленную и многообразную по

свойствам продукцию, не уступающую по качеству природным анало-

гам. Потенциальные возможности химических превращений природных

веществ поистине безграничны. Все возрастающие потоки природного

сырья: нефти, газа, угля, минеральных солей, силикатов, руды и т.д. —

превращаются в краски, лаки, мыло, минеральные удобрения, моторное

топливо, пластмассы, искусственные волокна, средства защиты расте-

ний, биологически активные вещества, лекарства и различное исходное

сырье для производства других необходимых и ценных веществ.

205

Синтез новых химических продук-

тов — трудоемкий и дорогостоящий

процесс. Так, для промышленного про-

изводства всего лишь нескольких ле-

карственных препаратов необходимо

синтезировать не менее 4000 разновид-

ностей веществ (для средств защиты

растений эта цифра может составлять и

10 000). В недалеком прошлом, напри-

мер, в США на каждый внедряемый в

массовое производство химический

продукт приходилось примерно 450 на-

учно-исследовательских разработок, из

которых отбиралось всего лишь 98 для

опытного производства. После опыт-

но-промышленных испытаний лишь не

более 50 % отобранных продуктов на-

ходили широкое применение. Однако

практическая значимость полученных

таким сложным путем продуктов на-

столько велика, что затраты на исследо-

вания и разработку очень быстро оку-

паются.

Химические технологии и связан-

ное с ними промышленное производст-

во охватывают в основном все важней-

шие сферы хозяйственной деятельно-

сти. Взаимодействие химических тех-

нологий и различных сфер деятель-

ности человека представлено на рис. 6.1, где введены следующие обозна-

чения: А — химическая, текстильная, целлюлозно-бумажная и легкая

промышленность, производство стекла и керамики, производство раз-

личных материалов, строительство, горное дело, металлургия; Б — ма-

шино- и приборостроение, электроника и электротехника, средства свя-

зи, военное дело, сельское и лесное хозяйство, пищевая промышлен-

ность, охрана окружающей среды, здравоохранение, домашнее хозяйст-

во, средства информации; В — повышение производительности труда,

экономия материалов; Г — улучшение условий труда и быта, рациона-

лизация умственного труда; Д — здоровье, питание, одежда, отдых;

Е — жилище, культура, воспитание, образование, охрана окружающей

среды, оборона.

206

Приведем несколько примеров внедрения химических технологий.

Один из них связан с изготовлением интегральных схем для микроэлек-

троники с применением химически чистого кремния, которого в природе

нет. Однако такой кремний можно получить в результате химического

превращения диоксида кремния в виде песка, а это означает, что химиче-

ские технологии позволяют превратить обычный песок в элементный

кремний. Другой характерный пример касается сжигания топлива. Авто-

мобильный транспорт потребляет громадное количество топлива. Что

нужно сделать, чтобы добиться минимального загрязнения атмосферы

выхлопными газами? Частично проблема решается с помощью автомо-

бильного каталитического конвертора выхлопных газов. Радикальное же

ее решение заключается в химическом превращении исходного сы-

рья — сырой нефти — в очищенные продукты. Химические технологии

и связанная с ними индустрия вынуждены реагировать на осознанное

(особенно в последние десятилетия) стремление общества сохранить ок-

ружающую среду.

Представляют интерес некоторые цифры, характеризующие выпус-

каемую и потребляемую химическую продукцию. Во второй половине

XX в. средний горожанин использовал в повседневной жизни 300—500

разнообразных химических продуктов, из них около 60 — в виде тек-

стильных изделий, примерно 200 — в быту, на рабочем месте и во время

отдыха, примерно 50 медикаментов и столько же продуктов питания и

средств приготовления пищи. Технология изготовления некоторых пи-

щевых продуктов включает до 200 различных химических процессов.

Около десяти лет назад насчитывалось более 1 млн. разновидностей

продукции, выпускаемой химической промышленностью. К тому време-

ни общее число известных химических соединений составляло более

8 млн., в том числе примерно 60 тыс. неорганических соединений. Сего-

дня известно более 18 млн. химических соединений. В последнее время

во всех лабораториях нашей планеты ежедневно синтезируется 200—250

новых химических соединений. Все это свидетельствует об огромных

масштабах современной химической индустрии.