Химия и медицина

Коренная ломка  сложившихся в XIX в. воззрений на вещество была вызвана открытием электронов, открытием сложности атомов, их делимости, их превращений (радиоактивность). Атом в XX в. предстал как сложная целостная система из более мелких частиц. Было раскрыто и участие электронов в химических процессах, в образовании химических связей между атомами в молекулах.

Но открытием более  мелких, чем атомы, частиц вещества (атомных ядер, «элементарных частиц»), открытием сложности и делимости  атомов, их изменчивости не исчерпываются  последние десятилетия изменения  в химической атомистике и в общих  представлениях о дискретном строении вещества. История химии за столетие со времени оформления атомно-молекулярной теории свидетельствует о том, что  молекулы - это была лишь первая ступенька  на пути выявления химией качественного  многообразия дискретных форм вещества и раскрытия внутреннего механизма  его превращений. В ходе развития химических исследований, вооруженных  идеями атомно-молекулярного учения, еще в прошлом веке были открыты  и другие виды химических частиц.

Уникальным и принципиально  новым явлением в развитии атомистических представлений были труды М. В. Ломоносова, осуществившего дедуктивный или  даже своеобразный гипотетико-дедуктивный  синтез этих представлений с учением  о химических элементах в рамках логистики.

Концептуальной основой  такого синтеза явились:

§ корпускулярные представления  о строении вещества;

§ кинетическая теория теплоты;

§ закон сохранения вещества и движения.

В суждениях о  химическом составе тел, их свойствах  и превращениях Ломоносов использовал  корпускулярную теорию для объяснения фазового перехода твердых тел в  жидкость и обратно, взаимодействия разных жидкостей при разных температурах и, наконец, Воздействия теплоты  на физические и химические явления.

Решение всех этих задач  он осуществлял с единых позиций  своей «корпускулярной философии», сущность которой можно свести к  следующим положениям:

§ все тела вне  зависимости от агрегатного состояния  имеют дискретное строение, они состоят  из «корпускул», т. е. молекул, которые  в свою очередь, составлены из «элементов», или атомов;

§ корпускулы могут  быть однородными, или простыми, когда  они состоят из одних тех же элементов, и разнородными, или сложными, когда они представляют собой  соединение разных элементов;

§ «теплота не зависит  от сосредоточения постоянной материи, а есть некое состояние тела»  и далее - теплота твердого тела «состоит во внутреннем вращательном движении (частиц) связанной материи», теплота  жидкостей и газов обусловлена  как вращательным, так и линейным движением их частиц; «корпускулы от большой степени теплоты отделяются друг от друга и даже рассеиваются».

§ явление перехода из одного агрегатного состояния  в другое, так же и растворение, сопровождаются поглощением или  выделением теплоты и обусловлены  перемещением корпускул;

§ химические превращения  тел обусловлены «изменениями, происходящими  в смешанном теле», т. е. изменением элементарного состава.

Рассматривая историю  возникновения развития понятия  молекулы, нельзя не обратить внимание на то обстоятельство, что по данному вопросу в химии переплетались и боролись две точки зрения. Первую можно назвать аналитической: она рассматривала молекулу как элементарную единицу состава тела. Вторая признавала за молекулой самостоятельное существование в качестве реальной структурно - кинетической единицы материи. 

Периодическая система  и закон Д. И. Менделеева и его  значение 

Имя и труды Менделеева пользуются мировой славой. Периодический  закон, открытый Менделеевым, сопутствует  каждому химику любой страны на всем протяжении его деятельности. Этот закон является могучим обобщением и орудием анализа огромнейшего арсенала химических знаний, накопленного человечеством и сильно обогащающегося с каждым годом.

Периодический закон  послужил и продолжает служить путеводной звездой для тысяч новых исследований и творческих исканий в области  химических, физических, геологических, технических и других наук.

Периодический закон  принадлежит к числу тех законов  природы, открытие которых влечет за собой многочисленные и разнообразные  следствия и приложения и творческое развитие их вширь и вглубь. Д. И. Менделеев обратил внимание на то, что у всех элементов, при всем их различии, есть нечто общее; это - их масса, выраженная в атомном весе. Каждый элемент обладает своим атомным  весом; например, у хлора он равен 35, 5, у натрия - 23, 0 и т.д. Значит, заключил Менделеев, все элементы можно сравнивать между собой по их атомному весу. А так как все элементы обладали общим свойством - атомным весом, Менделеев расположил в один ряд  в порядке возрастания атомного веса у элементов. Первое место занял  самый легкий элемент - водород, за ним  шел немного более тяжелый - литий, потом еще более тяжелые элементы и так до самых тяжелых, которыми заканчивался весь ряд. Когда после этого Менделеев посмотрел, как расположились отдельные элементы в общем ряду, то обнаружил замечательное явление. Оказалось, что элементы с одинаковыми химическими свойствами повторяются периодически, через 7 или 17 мест. Так, например, после щелочного металла лития через 7 элементов снова появляется щелочной металл натрий, а еще через 7 элементов - тоже щелочной металл калий; затем период становится длиннее: щелочной металл рубидий стоит на 18-м месте после калия, цезий - на 18-м месте после рубидия. Та же правильность обнаружилась и у других элементов, например, у галоидов: на 8-м месте после фтора стоит хлор, на 8-м после хлора - бром, на 18-м месте после брома - йод. Заметив это, Менделеев разделил весь ряд элементов на части (периоды) и поместил один период под другим - так, чтобы химически сходные элементы попали в один вертикальный столбец и стояли друг под другом; в результате получилась таблица, в которой элементы располагались в порядке возрастания их атомного веса, причем элементы с одинаковыми свойствами периодически повторялись на одном и том же месте от начала или от конца каждого периода.

Таким образом, в  пределах каждого периода химический характер элементов из резко выраженного металлического постепенно превращается в такой же резко выраженный неметаллический, а затем скачком, через недеятельный газ, снова возвращается к резко выраженному металлу, которым начинается новый период. Соответственно этому, по мере роста атомных весов, наивысшая валентность по кислороду последовательно увеличивается в пределах каждого периода: она равна 1 у щелочного металла, 2- у щелочноземельного металла и т.д. до галоида, у которого она равна 7. После этого она внезапно падает до нуля у недеятельного газа, который вообще неспособен к химическому соединению, а затем снова начинает расти от 1 до 2, до 3 и т.д. до 7, после чего снова падает до 0. Таким образом, в то время как атомные веса растут непрерывно, валентность сначала увеличивается от 0 до 7, а затем падает до своего исходного значения. Такое изменение совершается периодически, несколько раз на протяжении всей менделеевской системы; подобно этому и соответственно этому периодически несколько раз совершается переход от металлических свойств элементов к противоположным им неметаллическим свойствам. После недеятельного газа металлические свойства появляются снова, а затем вновь также постепенно происходит переход к неметаллическим свойствам.

Вот как определяет смысл периодического закона сам  Менделеев в своей замечательной  книге «Основы химии»: «... Если все  элементы расположить в порядке  по величине их атомного веса, то получится  периодическое повторение свойств. Это выражается законом периодичности: свойства простых тел, также формы  и свойства соединений элементов, находятся  в периодической зависимости (или, выражаясь алгебраически, образуют периодическую функцию) от величины атомных весов элементов».

Исходя из того, что  свойства элементов меняются так  же закономерно, как и атомные  веса, Менделеев наперед вычислил предполагаемые свойства не открытых еще элементов; он предсказал, таким  образом, не только то, что должны быть открыты новые элементы, но и то, какими свойствами они будут обладать. Более того, он предсказал даже и  то, каким способом, вероятнее всего, будут открыты эти никем еще  доселе не виданные элементы. Эти предсказания были сделаны в 1871 г. В то время, пожалуй, никто из химиков не отнесся серьезно к открытию Менделеева. «Поживем, увидим»,- говорили скептики.

Вскоре последовали  новые замечательные подтверждения  предсказаний Менделеева. Были открыты  элементы скандий и германий, наперед  описанные Менделеевым. Оправдывались  все предложенные Менделеевым изменения  атомных весов. Теперь периодический  закон полностью был доказан; более того, он совершил триумфальное шествие в мировой науке. Имя  великого ученого, открывшего этот закон, было заслуженно вписано в один ряд  с именами величайших ученых мира всех веков.

Далее, Менделеев  показал, что качественная химическая характеристика каждого элемента зависит  от количественной характеристики его  важнейшего свойства - атомного веса. Постепенное  нарастание атомного веса в ряду элементов  каждый раз приводит к качественному  изменению, обусловливая переход от одного элемента к другому, причем этот переход происходит не плавно, не постепенно, а резким скачком, путем перерыва постепенности. На этот по существу диалектический характер изменений свойств элементов, расположенных согласно периодическому закону, много раз обращал внимание сам Менделеев.

Все богатство диалектических связей и переходов, скачков и  противоречий, заключенных в периодической  системе, было открыто Менделеевым, хотя сам Менделеев не был сознательным диалектиком-материалистом, а применял диалектику бессознательно, стихийно. Тем не менее, именно фактическое  применение диалектического метода позволило Менделееву открыть периодический  закон, построить систему элементов  и сделать свои замечательные  предсказания, обессмертившие его имя. Менделеев исходил из убеждения, что количественные изменения свойств  растут строго закономерно, каждый раз  обусловливая собой качественные изменения  элементов (т. е. «переходя» в качество).

Периодический закон  вместе с построенной на его базе системой Менделеева является фундаментальным  законом природы, которому подчиняются  строение, свойства и поведение атомов и элементов, их рождение, их жизнь, их гибель. Поэтому-то смысл отдельных  физических открытий, касающихся атомов, становится понятным только после того, как эти открытия приводятся в  связь с законом Менделеева, освещаются им, как прожектором. 

Химическая связь  и строение молекул вещества. 

Атомистические воззрения  возникли первоначально на Древнем  Востоке, в античных Греции и Риме. Первоначально атомное учение предполагало существование только одного вида частиц - атомов, из которых образуются все тела окружающего мира. Учение об атомах является учением, о прерывистом дискретном строении материи. Это учение выступало как материалистическое учение. Поэтому борьба вокруг него отражала, прежде всего, борьбу между материализмом и идеализмом в науке. При этом материалистическое течение здесь исходит из тезиса, согласно которому атомы материальны, существуют объективно и познаваемы. Идеалистическая позиция выражается в отрицании реальности атомов, в объявлении их средством систематизации опытных данных, отрицании их познаваемости.

Английский ученый Дальтон, введя в химию в начале ХIХ века понятие об атомах, в сущности, применил к учению о веществе старые атомистические воззрения, возникшие еще в древней - индийской и греческой - философии за много лет до нашей эры. Согласно атомному учению, вещество дискретно, т. е. состоит из мельчайших невидимых и неделимых частиц- атомов. Все свойства вещества зависят от расположения, взаимодействия, перемещения атомов.

Атомистика Дальтона основывалась на обширном эмпирическом и теоретическом материале, накопленном  в науке к началу XIX века. Назначение ее состояло в том, что при помощи представлений об атомах разных элементов  и о простейших способах их объединения  в молекулы объяснить дискретность химических отношений, скачкообразность перехода от одного соединения с неизменным составом к другому соединению с  иным также постоянным составом.

Сущность атомистики Дальтона можно выразить в следующих  положениях:

§ все вещества состоят  из громадного числа чрезвычайно  малых частиц или атомов;

§ одним из свойств  атомов является их полное тождество  в одном и том же простом  веществе, т. е. все атомы одного и  того же химического элемента тождественны друг другу;

§ важнейшим свойством  атомов, наличие которого объясняет  все стехиометрические отношения, является атомная масса;

§ атомы разных элементов  способны соединяться друг с другом по закону наибольшей простоты (один атом А с одним, двумя, тремя или четырьмя атомами В) и образовывать «сложные атомы» (так Дальтон называл молекулы);

§ атомная прерывность  строения вещества служит основой дискретности всех химических отношений.

Центральным узловым  пунктом в системе атомно-молекулярной химической теории стало также понятие  о молекуле. Более чем двухвековой период формирования представлений о молекулах как индивидуальных формах дискретности вещества, их составе и строении, сопровождался непрерывной борьбой между метафизическим и диалектическими методами мышления. На основе его или в тесной связи с ним сформировались и другие важнейшие химические принципы и понятия (например, химическое соединение, химическое строение, валентность, химическая связь и т.д.). Наименьшая частица вещества (химического соединения), сохраняющая его основные свойства,- вот чем считалась молекула. Такое определение основывается на представлении о том, что молекула - универсальная микроформа существования химического соединения атома и что все сложные вещества (химические соединения) как макротела состоят из молекул. Этот принцип универсальности молекулярной формы вещества- один из важнейших в атомной молекулярной химической теории, где исследование химических превращений вещества выступало как исследование изменений молекул. Вместе с понятием о молекуле как сложном, целостном образовании, качественно отличным от атомов, в химию и в теоретическое мышление химиков вошел и новый принцип подхода к изучению вещества. Это структурный принцип- положение о том, что свойства вещества зависят не только от элементарного состава, но и от строения, т. е. от того, какова организация, упорядоченность взаимодействия элементарных частей в системе целого. В старой атомистике свойства вещества ставились в зависимость лишь от его состава- природы и количественного соотношения, образующих его элементов (атомов). Чем отчетливее осознавалась в химии необходимость качественного различения атомов и молекул, тем яснее становилось и значение существования устойчивой упорядоченности отношений атомов в системе молекулы как единого целого, упорядоченности, особой для каждого вида молекул.