Наука химия и ее предмет

В процессе своей деятельности человек использует различные материалы. Все они являются химическими веществами или их смесями. Среди химических материалов есть природные, существовавшие на Земле задолго до появления человека, и искусственные, созданные в результате развития химической науки и техники.

Две эпохи в истории человечества прямо связаны с металлами. "Бронзовый век" и "железный век" длились не одно тысячелетие. Несмотря на появление новых материалов, сплавы на основе железа продолжают оставаться основой современной техники. Так что, без преувеличений можно сказать, что мы продолжаем жить в веке металлов.

Получение металлов из их руд основано на различных химических и электрохимических процессах. При использовании металлов в качестве конструкционных материалов или в других целях необходимо знать их химические свойства.

Одним из важнейших свойств металлов является их разрушение в результате воздействия окружающей среды – коррозия. Особенно подвержены коррозии сравнительно активные металлы, в том числе железо. В результате коррозии железо ржавеет. Ежегодно коррозия приводит к потере до 10 процентов выплавляемого железа. Для борьбы с коррозией используют различные методы защиты, как химические, так и электрохимические.

Большинство чистых металлов мало пригодно в качестве конструкционных материалов. Можно существенно улучшить свойства металлов, сплавляя их с другими элементами. Сплавы на основе железа относят к черным, сплавы на основе других металлов – к цветным.

Запасы металлов и их руд не восполняются. Месторождения металлов постепенно истощаются, приходится использовать все более бедные руды и искать новые источники сырья. В некоторой степени проблему решает вторичная переработка металлов. Однако полного возвращения металлов в производство не удается добиться. Поэтому они постепенно дорожают.

Во всем мире идет поиск материалов, способных заменить наиболее дорогостоящие и вредные для здоровья металлы. Некоторые успехи в этом направлении достигнуты: иногда удается заменить металлы полимерами или керамикой.

Керамика – это самый первый искусственный материал, полученный человеком. "Керамика" по-гречески означает "гончарное искусство", а произошло оно от слова "керамос" – глина. Именно глина – природный алюмосиликат – и служит основным материалов для производства керамики.

В наши дни керамика очень широко используется в строительстве: из кирпича возводят здания, покрывают их черепицей, облицовывают стены и полы керамической плиткой, устанавливают сантехнику, прокладывают керамические трубы. В каждом доме можно найти фарфоровую и фаянсовую посуду и другие керамические изделия.

Из керамики изготавливают изоляторы, детали приборов и механизмов, оборудование для химической промышленности. Керамика считается одним из наиболее перспективных материалом для замены металлов. Получены некоторые специальные виды керамики, проявляющие сверхпроводящие и другие уникальные свойства.

Из природных силикатов получают и другие важнейшие материалы, такие как стекло и цемент. Широко используются в строительстве и других областях деятельности человека разнообразные соединения кальция, например, известь и гипс. Карбонат кальция является основой известняка, мрамора, мела.

Среди современных материалов все большую роль играют полимеры. Полимеры есть в природе – это белки, крахмал, целлюлоза и другие вещества. Из целлюлозы почти наполовину состоит древесина, по-прежнему используемая в качестве топлива и строительного материала. Немалая часть древесной массы идет на производство различных химических веществ и материалов, в том числе бумаги.

Первые синтетические полимеры были получены в тридцатых годах 19 века. Их уникальные свойства были оценены лишь через сто лет.  Сейчас производство пластмасс, основой которых являются разнообразные полимеры, растет огромными темпами. К середине восьмидесятых годов 20 века мировое производство пластмасс превысило объем производства металлов. Эти вещества применяются во всех областях деятельности человека.

Сырьем для резиновой промышленности служит каучук. До начала 20 века был доступен лишь природный каучук, который выделяли из млечного сока некоторых растений. В начале тридцатых годов 20 века в нашей стране был впервые синтезирован искусственный каучук. Эта задача была решена нашим соотечественником Сергеем Васильевичем Лебедевым (1874–1934) и его коллегами.

Полимеры являются основой химических волокон, как природных, так и химических. Хлопок и лен состоят из целлюлозы, шерсть и шелк – из белков. Наряду с искусственными волокнами, которые получают переработкой и модификацией природной целлюлозы, все шире используют синтетические волокна, аналогов которых не существует в природе.

Причиной постоянного роста производства синтетических волокон является, в первую очередь, общедоступность сырья, независимость производства от климатических условий, высокая прибыльность.

4. Процессы химической эволюции

Трудно сказать, где и когда наши далекие предки впервые стали заниматься химией. Вначале человек использовал естественные химические изменения биологических объектов, например брожение и гниение. Позднее он подчинил себе огонь и процесс горения и стал применять химические процессы спекания и сплавления в гончарном и стекольном производстве, при выплавке металлов.

Археологические находки в Южной Турции, где было обнаружено много изделий из меди и свинца, остатки плавильных печей, многоцветные настенные росписи, позволяют считать, что люди обладали определенными химическими знаниями уже около 10 тысяч лет назад. Полагают, что примерно 5–6 тысяч лет назад в древнейших очагах цивилизации – Китае, Египте, Индии и Месопотамии – уже получали из руд металлы, готовили краски, обжигали глиняные сосуды, использовали травы для лечения ран и болезней.

Состав древнеегипетского стекла, имеющего возраст около 6 тыс. лет, существенно не отличается от современного бутылочного стекла. Уже за 3 тысячи лет до н. э. в Египте выплавляли в больших количествах медь, используя уголь в качестве восстановителя. В эти же времена в Месопотамии существовало развитое производство железа, меди, серебра и свинца. Освоение химических процессов производства меди и бронзы, а затем и железа являлось ступенями эволюции не только химии и металлургии, но и цивилизации в целом, изменяло условия жизни людей, влияло на их поведение.

Возникновению химии, как и других естественных наук, способствовали, прежде всего, потребности практики. Люди постоянно накапливали сведения о различных химических процессах и широко их применяли. Разработку и использование различных методов, приемов и рецептов в практических целях можно назвать "практической химией".

Одновременно возникали и теоретические обобщения. В 12 веке до н. э. в древнем Китае была сформулирована система "основных элементов": вода, огонь, дерево, золото и земля. В Месопотамии родилась идея рядов пар противоположностей: мужское и женское, тепло и холод, влага и сухость. Было осознано единство явлений макрокосмоса и микрокосмоса.

Атомистическое учение древнегреческих философов Левкиппа (5 в. до н. э.) и Демокрита (ок. 470 или 460 до н. э.–ум. в глубокой старости) является, по существу, аналоговой семантической моделью строения вещества, имеющей глубокий комбинаторный смысл: комбинации по определенным правилам небольшого числа неделимых элементов – атомов и букв – в соединения – "молекулы" и слова – создают информационное богатство и разнообразие – вещества и языки.

В 4 веке до н. э. древнегреческий философ и естествоиспытатель Аристотель (383–322 до н. э.) создал химическую систему, основанную на принципах: сухость – влажность и холод – тепло. С помощью их попарных комбинаций в "первичной материи" он выводил 4 основных элемента: земля, воздух, вода и огонь. Огонь сухой и горячий, воздух теплый и влажный, вода влажная и холодная, земля холодная и сухая.

После Аристотеля лидерство в химическом знании постепенно перешло из Афин в Александрию – международный торговый и культурный центр Востока, который был основан в 331–332 годах до н. э. Александром Македонским (365–323 до н. э.). Здесь существовала Академия наук, Александрийский мусейон, где искусству химии было отведено особое здание, храм Сераписа – храм жизни, смерти и исцеления.

В 4–5 веках н. э. химическое знание проникает в Малую Азию. В Сирии возникают философские школы, проповедовавшие греческую натурфилософию и передававшие химические знания арабам. Арабские исследователи химических веществ начали использовать вместо названия "химия" иное – "алхимия".

Идея "златоделия" возникла в 3–4 веках в Египте, а затем перекочевала на Аравийский полуостров. Здесь она оформилась как алхимия – философское и культурное течение, соединяющее мистику и магию с ремеслом и искусством. Алхимики несколько веков упорно искали способ превращения неблагородных металлов – железа, свинца, меди – в благородные – золото и серебро – с помощью особого вещества – "философского камня".

В то же время алхимия внесла значительный вклад в лабораторное мастерство и технику получения многих чистых веществ. Алхимики ввели в обиход разнообразную лабораторную посуду: колбы, реторты, воронки. Они использовали для своих опытов водяную и песчаную бани, жаровни и печи, фильтры и многое другое. Алхимики подробно описали свойства известных к тому времени веществ и открыли много новых: серную, азотную и соляную кислоты, едкие щелочи, различные соли.

С 12 века арабская алхимия начала терять практическую направленность, а с этим и лидерство. К этому времени алхимия проникла через Испанию и Сицилию в Европу. Она оказала заметное влияние не только на естествознание, но и на формирование западноевропейской культуры. Соединение реализма с мистикой, познания с созиданием, культ золота берут свои истоки в алхимии.

Потребности металлургии и медицины привели к развитию практической европейской алхимии. Основываясь на алхимических традициях, немецкий врач, металлург и минералог Георгиус Агрикола (1494–1555) – автор "12 книг о металлах" – сумел создать пробирное искусство – методы количественного определения содержания металлов в рудах и материалах. В то же время он одним из первых подверг критике как цели алхимиков, так и способы ведения ими химических операций.

Еще одним реформатором алхимии выступил немецкий врач и естествоиспытатель Теофраст Парацельс (1493–1541). Он фактически основал фармакологическую отрасль химии – ятрохимию, которая рассматривала процессы, происходящие в организме, как химические явления, а болезни – как результат нарушения химического равновесия. Исходя из этого, велся поиск химических средств, необходимых для лечения больных. Парацельс видел основную цель в приготовлении лекарств, а не в поиске "философского камня".

По мере накопления сведений о реальных химических превращениях веществ возрастало и негативное отношение к алхимическим "ухищрениям". Однако алхимия не спешила сдавать свои позиции. Даже такие знаменитые естествоиспытатели как Исаак Ньютон (1643–1727) и Роберт Бойль не избежали алхимических увлечений, немало времени посвятив поискам "философского камня".

К началу 19 века в химии, наконец, стали использоваться количественные характеристики. Появилось понимание того, что химические элементы соединяются в определенных отношениях. Были сформулированы законы постоянства состава веществ и объемных отношений в химических реакциях.

В первые годы 19 столетия английский химик и физик Джон Дальтон (1766–1844) сформулировал основные принципы химической атомистики. Он убедил современников в существовании атомов и ввел понятие атомного веса. Дальтон возвратил к жизни понятие элемента, но уже в совсем новом смысле – как совокупности атомов одного вида.

Дальнейшее развитие атомно-молекулярного учения теперь базировалось на понятии атомного веса. Эта теория постепенно овладела умами всех химиков. Первый в истории Международный химический конгресс, проходивший в Германии в 1860 году, был посвящен именно проблемам атомно-молекулярной теории.

В 19 века произошло разделение химии на неорганическую, органическую, аналитическую и физическую.

Главным достижением неорганической химии стало открытие большого числа химических элементов и их соединений. За эти сто лет было выделено 50 элементов – более половины существующих на Земле. К концу 60-х годов было известно 63 элемента, причем свойства многих из них были изучены достаточно полно. Это обстоятельство стало одной из предпосылок открытия Дмитрием Ивановичем Менделеевым периодического закона и разработки им периодической системы химических элементов. Он впервые связал количественную меру – атомную массу – с качеством – химическими свойствами, вскрыл понятие "химический элемент", дал химикам теорию большой предсказательной силы. Периодический закон определил место химии в системе наук, разрешив конфликт между химической реальностью и принципами механицизма.

В аналитической химии качественные и количественные методы стали приводиться в определенную систему. Появилась схема анализа катионов металлов. Были созданы новые методы количественного анализа растворов, газов, различных органических соединений. В конце 19 века сложилась теория аналитической химии, в основу которой было положено учение о химическом равновесии в растворах с участием ионов.

Изучение многочисленных веществ животного и растительного происхождения показало, что они состоят из ограниченного числа одних и тех же элементов: углерода, водорода, кислорода, азота и некоторых других. Развитие органической химии тормозили представления о том, что искусственно могут быть получены только неорганические соединения, тогда как органические создаются в животных и растительных организмах под действием "жизненной силы". Искусственное получение органического вещества мочевины из неорганической соли опровергло это утверждение и положило начало синтезу различных органических соединений. Огромное количество синтезированных и обнаруженных в природных объектах органических веществ потребовало теоретических обобщений. Была разработана классификация органических соединений и теория их химического строения, одним из основоположников которой стал русский химик Александр Михайлович Бутлеров.