ХИМИЯ, наука, изучающая строение
в-в и их превращения, сопровождающиеся изменением состава и(или) строения.
Хим. св-ва в-в (их превращения; см. Реакции химические)определяются
гл. обр. состоянием внеш. электронных оболочек атомов и молекул, образующих
в-ва; состояния ядер и внутр. электронов в хим. процессах почти не изменяются.
Объектом хим. исследований являются элементы химические и их комбинации,
т. е. атомы, простые (одноэлементные) и сложные (молекулы, ионы, ион-радикалы,
карбены, свободные радикалы) хим. соед., их объединения (ассоциаты, кластеры,
сольваты, клатраты и т. п.), материалы и др. Число хим. соед. огромно и
все время увеличивается; поскольку химия сама создает свой объект; к кон.
20 в. известно ок. 10 млн. хим. соединений.
Химия как наука и отрасль пром-сти существует
недолго (ок. 400 лет). Однако хим. знание и хим. практика (как ремесло)
прослеживаются в глубинах тысячелетий, а в примитивной форме они появились
вместе с человеком разумным в процессе его взаимод. с окружающей средой.
Поэтому строгая дефиниция химии может основываться на широком, вневременном
универсальном смысле - как области естествознания и человеческой практики,
связанной с хим. элементами и их комбинациями.
Слово "химия" происходит либо от наименования
Древнего Египта "Хем" ("темный", "черный" - очевидно, по цвету почвы в
долине реки Нил; смысл же назв.- "египетская наука"), либо от древнегреч.
chemeia - искусство выплавки металлов. Совр. назв. химии производится от позднелат.
chimia и является интернациональным, напр. нем. Chemie, франц. chimie,
англ. chemistry. Термин "химия" впервые употребил в 5 в. греч. алхимик Зосима.
История химии. Как основанная на
опыте практика, химия возникла вместе с зачатками человеческого общества (использование
огня, приготовление пищи, дубление шкур) и в форме ремесел рано достигла
изощренности (получение красок и эмалей, ядов и лекарств). Вначале человек
использовал хим. изменения биол. объектов (брожение, гниение), а с полным
освоением огня и горения - хим. процессы спекания и сплавления (гончарное
и стекольное произ-ва), выплавку металлов. Состав древнеегипетского стекла
(4 тыс. лет до н. э.) существенно не отличается от состава совр. бутылочного
стекла. В Египте уже за 3 тыс. лет до н. э. выплавляли в больших кол-вах
медь, используя уголь в качестве восстановителя (самородная медь применялась
с незапамятных времен). Согласно клинописным источникам, развитое произ-во
железа, меди, серебра и свинца существовало в Месопотамии также за 3 тыс.
лет до н. э. Освоение хим. процессов произ-ва меди и бронзы, а затем и
железа являлось ступенями эволюции не только металлургии, но цивилизации
в целом, изменяло условия жизни людей, влияло на их устремления.
Одновременно возникали и теоретич. обобщения.
Напр., китайские рукописи 12 в. до н. э. сообщают о "теоретич." построениях
систем "основных элементов" (вода, огонь, дерево, золото и земля); в Месопотамии
родилась идея рядов пар противоположностей, взаимод. к-рых "составляют
мир": мужское и женское, тепло и холод, влага и сухость и т. д. Очень важной
была идея (астрологич. происхождения) единства явлений макрокосма и микрокосма.
К концептуальным ценностям относится и
атомистич. учение, к-рое было развито в 5 в. до н. э. древнегреч. философами
Левкиппом и Демокритом. Они предложили аналоговую семантич. модель строения
в-ва, имеющую глубокий комбинаторный смысл: комбинации по определенным
правилам небольшого числа неделимых элементов (атомов и букв) в соединения
(молекулы и слова) создают информационное богатство и разнообразие (в-ва
и языки).
В 4 в. до н. э. Аристотель создал хим.
систему, основанную на "принципах": сухость - влажность и холод - тепло,
с помощью попарных комбинаций к-рых в "первичной материи" он выводил 4
основных элемента (земля, воздух, вода и огонь). Эта система почти без
изменений просуществовала 2 тыс. лет.
После Аристотеля лидерство в хим. знании
постепенно перешло из Афин в Александрию. С этого времени создаются рецептуры
получения хим. в-в, возникают "учреждения" (как храм Сераписа в Александрии,
Египет), занимающиеся деятельностью, к-рую позже арабы назовут "аль-химия".
В 4-5 вв. хим. знание проникает в Малую
Азию (вместе с несторианством), в Сирии возникают философские школы, транслировавшие
греч. натурфилософию и передавшие хим. знание арабам.
В 3-4 вв. возникла алхимия - философское
и культурное течение, соединяющее мистику и магию с ремеслом и искусством.
Алхимия внесла значит. вклад в лаб. мастерство и технику, получение многих
чистых хим. в-в. Алхимики дополнили элементы Аристотеля 4 началами (масло,
влажность, ртуть и сера); комбинации этих мистич. элементов и начал определяли
индивидуальность каждого в-ва. Алхимия оказала заметное влияние на формирование
западноевропейской культуры (соединение рационализма с мистикой, познания
с созиданием, специфич. культ золота), но не получила распространения в
др. культурных регионах.
Джабир ибн Хайян, или по-европейски Гебер,
Ибн Сина (Авиценна), Абу-ар-Рази и др. алхимики ввели в хим. обиход фосфор
(из мочи), порох, мн. соли, NaOH, HNO3. Книги Гебера, переведенные
на латынь, пользовались огромной популярностью. С 12 в. арабская алхимия
начинает терять практич. направленность, а с этим и лидерство. Проникая
через Испанию и Сицилию в Европу, она стимулирует работу европейских алхимиков,
самыми известными из к-рых были Р. Бэкон и Р. Луллий. С 16 в. развивается
практич. европейская алхимия, стимулированная потребностями металлургии
(Г. Агрикола) и медицины (Т. Парацельс). Последний основал фармакологич.
отрасль химии - ятрохимиюи вместе с Агриколой выступал фактически как первый
реформатор алхимии.
Химия как наука возникла в ходе научной революции
16-17 вв., когда в Западной Европе возникла новая цивилизация в результате
череды тесно связанных революций: религиозной (Реформация), давшей новое
толкование богоугодности земных дел; научной, давшей новую, механистич.
картину мира (гелиоцентризм, бесконечность, подчиненность естественным
законам, описание на языке математики); промышленной (возникновение фабрики
как системы машин с использованием энергии ископаемого топлива); социальной
(разрушение феодального и становление буржуазного общества).
Химия, вслед за физикой Г. Галилея и И. Ньютона,
могла стать наукой лишь на пути механицизма, к-рый задал основные нормы
и идеалы науки. В химии это было гораздо сложнее, чем в физике. Механика легко
абстрагируется от особенностей индивидуального объекта. В химии каждый частный
объект (в-во) - индивидуальность, качественно отличная от других. Химия не
могла выразить свой предмет чисто количественно и на всем протяжении своей
истории оставалась мостом между миром количества и миром качества. Однако
надежды антимеханицистов (от Д. Дидро до В. Оствальда) на то, что химия заложит
основы иной, немеханистич. науки, не оправдались, и химия развивалась в рамках,
определенных ньютоновской картиной мира.
Более двух веков химия вырабатывала представление
о материальной природе своего объекта. Р. Бойль, заложивший основы рационализма
и эксперим. метода в химии, в своем труде "Химик-скептик" (1661) развил представления
о хим. атомах (корпускулах), различия в форме и массе к-рых объясняют качества
индивидуальных в-в. Атомистич. представления в химии подкреплялись идеологич.
ролью атомизма в европейской культуре: человек-атом - модель человека,
положенная в основу новой социальной философии.
Металлургич. химия, имевшая дело с р-циями
горения, окисления и восстановления, кальцинации - прокаливания металлов
(химию называли пиротехнией, т. е. огненным искусством) -привлекла внимание
к образующимся при этом газам. Я. ван Гельмонт, введший понятие "газ" и
открывший углекислый газ (1620), положил начало пневматич. химии. Бойль
в работе "Огонь и пламя, взвешенные на весах" (1672), повторяя опыты Ж.
Рея (1630) по увеличению массы металла при обжиге, пришел к выводу, что
это происходит за счет "захвата металлом весомых частиц пламени". На границе
16-17 вв. Г. Шталь формулирует общую теорию химии - теорию флогистона (теплорода,
т. е. "в-ва горючести", удаляющегося с помощью воздуха из в-в при их горении),
к-рая освободила химию от продержавшейся 2 тыс. лет системы Аристотеля. Хотя
М. В. Ломоносов, повторив опыты по обжигу, открыл закон сохранения массы
в хим. р-циях (1748) и смог дать правильное объяснение процессам горения
и окисления как взаимод. в-ва с частицами воздуха (1756), познание горения
и окисления было невозможно без развития пневматич. химии. В 1754 Дж. Блэк
открыл (повторно) углекислый газ ("фиксированный воздух"); Дж. Пристли
(1774) - кислород, Г. Кавендиш (1766) - водород ("горючий воздух"). Эти
открытия дали всю информацию, необходимую для объяснения процессов горения,
окисления и дыхания, что и сделал А. Лавуазье в 1770-90-х гг., фактически
похоронив этим теорию флогистона и стяжав себе славу "отца современной
химии".
К нач. 19 в. пневматохимия и исследования
состава в-в приблизили химиков к пониманию того, что хим. элементы соединяются
в определенных, эквивалентных соотношениях; были сформулированы законы
постоянства состава (Ж. Пруст, 1799-1806) и объемных отношений (Ж. Гей-Люс-сак,
1808). Наконец, Дж. Дальтон, наиб. полно изложивший свою концепцию в сочинении
"Новая система химической философии" (1808-27), убедил современников в
существовании атомов, ввел понятие атомного веса (массы) и возвратил к
жизни понятие элемента, но уже в совсем ином смысле -как совокупности атомов
одного вида.
Гипотеза А. Авогадро (1811, принята научным
сообществом под влиянием С. Канниццаро в 1860) о том, что частицы простых
газов представляют собой молекулы из двух одинаковых атомов, разрешила
целый ряд противоречий. Картина материальной природы хим. объекта была
завершена с открытием периодич. закона хим. элементов (Д. И. Менделеев,
1869). Он связал количеств. меру (атомная масса) с качеством (хим. св-ва),
вскрыл смысл понятия хим. элемент, дал химику теорию большой предсказательной
силы. Химия стала совр. наукой. Периодич. закон узаконил собственное место
химии в системе наук, разрешив подспудный конфликт хим. реальности с нормами
механицизма.
Одновременно шел поиск причин и сил хим.
взаимодействия. Возникла дуалистич. (электрохим.) теория (И. Берцелиус,
1812-19); введены понятия "валентность" и "хим. связь", к-рые наполнились
физ. смыслом с развитием теории строения атома и квантовой химии. Им предшествовали
интенсивные исследования орг. в-в в 1-й пол. 19 в., приведшие к разделению
химии на 3 части: неорганическая химия, органическая химия и аналитическая
химия (до 1-й пол. 19 в. последняя была основным разделом химии). Новый
эмпирич. материал (р-ции замещения) не укладывался в теорию Берцелиуса,
поэтому были введены представления о группах атомов, действующих в р-циях
как целое - радикалах (Ф. Вёлер, Ю. Либих, 1832). Эти представления были
развиты Ш. Жераром (1853) в теорию типов (4 типа), ценность к-рой состояла
в том, что она легко связывалась с концепцией валентности (Э. Франкленд,
1852).
В 1-й пол. 19 в. было открыто одно из
важнейших явлений химии - катализ (сам термин предложен Берцелиусом
в 1835), очень скоро нашедшее широкое практич. применение. В сер. 19 в.
наряду с важными открытиями таких новых в-в (и классов), как анилин и красители
(В. Перкин, 1856), были выдвинуты важные для дальнейшего развития химии концепции.
В 1857-58 Ф. Кекуле развил теорию валентности применительно к орг. в-вам,
установил четырехвалентность углерода и способность его атомов связываться
друг с другом. Этим был проложен путь теории хим. строения орг. соед. (структурной
теории), построенной А. М. Бутлеровым (1861). В 1865 Кекуле объяснил природу
ароматич. соед. Я. Вант-Гофф и Ж. Ле Бель, постулировав тетраэдрич. структуры
(1874), проложили путь трехмерному взгляду на структуру в-ва, заложив основы
стереохимии как важного раздела химии.
В сер. 19 в. одновременно было положено
начало исследованиям в области кинетики химической и термохимии.
Л. Вильгельми изучил кинетику гидролизауглеводов (впервые дав ур-ние
скорости гидролиза; 1850), а К. Гульдберг и П. Вааге в 1864-67 сформулировали
закон действующих масс. Г. И. Гесс в 1840 открыл основной закон термохимии,
М. Бертло и В. Ф. Лугинин исследовали теплоты мн. р-ций. В это же время
развиваются работы по коллоидной химии, фотохимии и электрохимии,
начало к-рым было положено еще в 18 в.
Работами Дж. Гиббса, Вант-Гоффа, В. Нернста
и др. создается химическая термодинамика. Исследования электропроводности
р-ров и электролиза привели к открытию электролитич. диссоциации (С. Аррениус,
1887). В этом же году Оствальд и Вант-Гофф основали первый журнал, посвященный
физической химии, и она оформилась как самостоятельная дисциплина.
К сер. 19 в. принято относить зарождение агрохимии и биохимии,
особенно в связи с пионерскими работами Либиха (1840-е гг.) по изучению
ферментов, белков и углеводов.
19 в. по праву м. б. назван веком открытий
хим. элементов. За эти 100 лет было открыто более половины (50) существующих
на Земле элементов. Для сравнения: в 20 в. открыто 6 элементов, в 18 в.-
18, ранее 18 в.- 14.
Выдающиеся открытия в физике в кон. 19
в. (рентгеновские лучи, радиоактивность, электрон) и развитие теоретич.
представлений (квантовая теория) привели к открытию новых (радиоактивных)
элементов и явления изотопии, возникновению радиохимии и квантовой
химии, новым представлениям о строении атома и о природе хим. связи,
дав начало развитию совр. химии (химии 20 в.).
Успехи химии 20 в. связаны с прогрессом аналит.
химии и физ. методов изучения в-в и воздействия на них, проникновением в механизмы
р-ций, с синтезом новых классов в-в и новых материалов, дифференциацией
хим. дисциплин и интеграцией химии с другими науками, с удовлетворением потребностей
совр. пром-сти, техники и технологии, медицины, строительства, сельского
хозяйства и др. сфер человеческой деятельности в новых хим. знаниях, процессах
и продуктах. Успешное применение новых физ. методов воздействия привело
к формированию новых важных направлений химии, напр. радиационной химии,
плазмохимии. Вместе с химией низких температур (криохимией) и химией
высоких давлений (см. Давление), сонохимией (см. Ультразвук),
лазерной химией и др. они стали формировать новую область - химию экстремальных
воздействий, играющую большую роль в получении новых материалов (напр.,
для электроники) или старых ценных материалов сравнительно дешевым синтетич.
путем (напр., алмазов или нитридовметаллов).
На одно из первых мест в химии выдвигаются
проблемы предсказания функциональных св-в в-ва на основе знания его структуры
и определения структуры в-ва (и его синтез), исходя из его функционального
назначения. Решение этих проблем связано с развитием расчетных квантово-хим.
методов и новых теоретич. подходов, с успехами в неорг. и орг. синтезе.
Развиваются работы по генной инженерии и по синтезу соед. с необычными
строением и св-вами (напр., высокотемпературные сверхпроводники, фуллерены).
Все шире применяются методы, основанные на матричном синтезе, а
также использующие идеи планарной технологии. Получают дальнейшее
развитие методы, моделирующие биохим. р-ции. Успехи спектроскопии (в т.
ч. сканирующей туннельной) открыли перспективы "конструирования" в-в на
мол. уровне, привели к созданию нового направления в химии - т. наз. нанотехнологии.
Для управления хим. процессами как в лаб., так и в пром. масштабе, начинают
использоваться принципы мол. и надмол. организации ансамблей реагирующих
молекул (в т. ч. подходы, основанные на термодинамике иерархических
систем).
Химия как система знания о в-вах
и их превращениях. Это знание содержится в запасе фактов - надежно установленных
и проверенных сведений о хим. элементах и соед., их р-циях и поведении
в природных и искусств. средах. Критерии надежности фактов и способы их
систематизации постоянно развиваются. Крупные обобщения, надежно связывающие
большие совокупности фактов, становятся научными законами, формулировка
к-рых открывает новые этапы химии (напр., законы сохранения массы и энергии,
законы Дальтона, периодич. закон Менделеева). Теории, используя специфич.
понятия, объясняют и прогнозируют факты более частной предметной области.
По сути, опытное знание становится фактом только тогда, когда получает
теоретич. толкование. Так, первая хим. теория - теория флогистона, будучи
неверной, способствовала становлению химии, т. к. соединяла факты в систему
и позволяла формулировать новые вопросы. Структурная теория (Бутлеров,
Кекуле) упорядочила и объяснила огромный материал орг. химии и обусловила
быстрое развитие хим. синтеза и исследования структуры орг. соединений.
Химия как знание - система очень динамичная.
Эволюционное накопление знаний прерывается революциями - глубокой перестройкой
системы фактов, теорий и методов, с возникновением нового набора понятий
или даже нового стиля мышления. Так, революцию вызвали труды Лавуазье (матери-алистич.
теория окисления, внедрение количеств. методов эксперимента, разработка
хим. номенклатуры), открытие периодич. закона Менделеева, создание в нач.
20 в. новых аналит. методов (микроанализ, хроматография). Революцией можно
считать и появление новых областей, вырабатывающих новое видение предмета
химии и влияющих на все ее области (напр., возникновение физ. химии на базе хим.
термодинамики и хим. кинетики).
Хим. знание обладает развитой структурой.
Каркас химии составляют основные хим. дисциплины, сложившиеся в 19 в.: аналит.,
неорг., орг. и физ. химия. В дальнейшем в ходе эволюции структуры химии образовалось
большое число новых дисциплин (напр., биохимия, кристаллохимия), а также
новая инженерная отрасль - химическая технология.
На каркасе дисциплин вырастает большая
совокупность исследовательских областей, часть из к-рых входит в ту или
иную дисциплину (напр., химия элементоорг. соед.- часть орг. химии), другие носят
многодисциплинарный характер, т. е. требуют объединения в одном исследовании
ученых из разных дисциплин (напр., исследование структуры биополимеров
с использованием комплекса сложных методов). Третьи являются междисциплинарными,
т. е. требуют подготовки специалиста нового профиля (напр., химия нервного
импульса).
Поскольку почти вся практич. деятельность
людей связана с применением материи как в-ва, хим. знание необходимо во
всех областях науки и технологии, осваивающих материальный мир. Поэтому
сегодня химия стала, наравне с математикой,