Современные проблемы химии

Инициатором обсуждения и решения данной проблемы стал итальянский  химик С.Канниццаро, который предложил разграничить понятия «атомный вес», «молекулярный вес» и «эквивалентный вес». На конгрессе Канниццаро произнес яркую речь, и ему удалось убедить участников в правильности предлагаемых им идей. С этого момента в вопрос об атомных весах была внесена ясность, и было по достоинству оценено значение таблицы атомных весов, составленной Берцелиусом. Кроме того, решения конгресса, по сути дела, подготовили условия для создания периодической системы элементов.

Системный подход в  химии 

Основоположником  системного подхода в химии стал русский химик Д.И. Менделеев. После  посещения конгресса Менделеев  приступил к изучению элементов  и обратил особое внимание на периодичность  изменения валентности у элементов, расположенных в порядке возрастания  атомных весов.  

Менделеев считал, что  любое точное знание составляет систему, в основе которой должен быть единый систематизирующий фактор. В качестве такого фактора он выбрал атомный  вес, полагая, что последний является главной характеристикой всех химических элементов.  

Основываясь на увеличении и уменьшении валентности элементов  в соответствии с их атомным весом, Менделеев разделил элементы на периоды (отсюда название «периодическая система  элементов»). Первый период включает только один водород, затем следуют два  периода по семь элементов в каждом, а затем периоды, содержащие более  семи элементов. Такая периодическая  система элементов была яснее  и нагляднее, чем график. Благодаря  форме таблицы мировое сообщество ученых отдало приоритет открытия периодической  системы именно Менделееву, а не другим ученым, которые к тому времени  также систематизировали элементы, но в других формах.  

Во времена Менделеева было известно всего 62 химических элемента. Поэтому в таблице оказались пустые клетки (пробелы). Наличие этих пробелов он объяснил не несовершенством самой таблицы, а тем, что соответствующие элементы пока еще не открыты. Впоследствии эти элементы были открыты химиками и их свойства оказались именно такими, как предсказал Менделеев.  

Хотя классификация  Менделеева была выдающимся научным  достижением, получила широкое распространение  и стала подлинно научной системой химических знаний, она не была идеальной  и совершенной. Первый недостаток таблицы  заключался в том, что водород  как одновалентный элемент был  помещен в начале I группы. Однако химики тогда еще не пришли к единому  мнению относительно того, следует  ли помещать водород в эту группу, так как водород не похож в  химическом отношении на другие элементы этой группы. Этот и ряд других недостатков  таблицы позволил нескольким ученым внести в нее усовершенствования, последнее из которых было сделано  после открытия явления радиоактивности.  

По мере совершенствования  периодическая система элементов  завоевывала у химиков всеобщий авторитет, так как объясняла  многие факты, а самое главное, указывала  на существование глубокой зависимости  между различными элементами, выводила свойства химических элементов из их порядкового номера в таблице  Менделеева. 

Современный период развития химической науки 

Современный период развития химии длится с 60-х годов XIX века до наших дней. Это наиболее плодотворный период развития химии, так  как в течение немногим более 100 лет были разработаны периодическая  классификация элементов, теория валентности, теория ароматических соединений и  стереохимия, теория электролитической  диссоциации Аррениуса, электронная  теория материи и другие. Вместе с тем, значительно расширился диапазон химических исследований. Такие составные  части химии, как неорганическая химия, органическая химия, физическая химия, фармацевтическая химия, химия  пищевых продуктов, агрохимия, геохимия, биохимия приобрели статус самостоятельных  наук и собственную теоретическую  базу.  

Химия, в отличие  от многих других наук (например, биологии), сама создает свой предмет исследования. Как никакая другая наука, она  является одновременно и наукой, и  производством. Химия всегда была нужна  человечеству в основном для того, чтобы получать из веществ природы по возможности все необходимые металлы и керамику, известь и цемент, стекло и бетон, красители и фармацевтические препараты, взрывчатые вещества и горюче-смазочные материалы, каучук и пластмассы, химические волокна и материалы с заданными электрофизическими свойствами. Поэтому все химические знания», приобретенные за многие столетия и представленные в виде теорий, законов, методов, технологий, объединяет одна-единственная непреходящая, главная задача химии. Это задача получения веществ с необходимыми свойствами. Но это - производственная задача, и, чтобы ее реализовать, надо уметь из одних веществ производить другие, то есть осуществлять качественные превращения вещества. А поскольку качество - это совокупность свойств вещества, надо знать, от чего зависят свойства. Иначе говоря, чтобы решить названную производственную задачу, химия должна решить теоретическую задачу генезиса (происхождения) свойств вещества.  

Таким образом, основанием современной химии выступает  двуединая проблема - получение веществ  с заданными свойствами (на достижение чего направлена производственная деятельность человека) и выявление способов управления свойствами вещества (на реализацию чего направлена научно-исследовательская  деятельность).  

Это и есть основная проблема химии. Она же является системообразующим началом данной науки. Эта проблема возникла в древности и не теряет своего значения в наши дни. Естественно, что в разные исторические эпохи она решалась по-разному, так как способы ее решения зависят от уровня материальной и духовной культуры общества, а также от внутренних закономерностей, присущих ходу научного познания. Достаточно сказать, что изготовление таких материалов, как, например, стекло и керамика, краски и душистые вещества, в древности осуществлялось совершенно иначе, чем в XVIII веке и позже.  

Вся история химии, все ее развитие является закономерным процессом смены способов решения  ее основной проблемы.  

Важнейшей особенностью основной проблемы химии является то, что она имеет всего четыре способа решения. Речь идет при этом не о частных методах изучения и превращения вещества - их множество, а о самых общих способах решения  вопроса: от чего, от каких факторов зависят свойства вещества. А они  зависят от четырех факторов:  

от его элементного  и молекулярного состава;  

от структуры его  молекул;  

от термодинамических  и кинетических (наличие катализаторов, воздействие материала стенок сосудов  и т.д.) условий, в которых вещество находится в процессе химической реакции;  

от высоты химической организации вещества. 

Первый по-настоящему действенный способ решения проблемы происхождения свойств вещества появился во второй половине XVII века в работах английского ученого Роберта Бойля. Его исследования показали, что качества и свойства тела не имеют абсолютного характера и зависят от того, из каких химических элементов эти тела составлены. С этого момента стали считать, что наименьшей частицей простого тела является молекула. В период с середины XVII века до первой половины XIX века учение о составе вещества представляло собой всю тогдашнюю химию. Оно существует и сегодня, представляя собой часть химии.  

Монопольное положение  учения о составе вещества сохранялось  до 1830-х годов. К этому времени  мануфактурное производство сменилось  фабричным, опирающимся на машинную технику и широкую сырьевую базу. В химическом производстве стала преобладать переработка огромных масс вещества растительного и животного происхождения, их качественное разнообразие потрясающе велико - сотни тысяч химических соединений, а состав их крайне однообразен - лишь несколько элементов-органогенов (углерод, водород, кислород, сера, азот, фосфор), из которых эти соединения состоят. Объяснение необычайно широкому разнообразию органических соединений при столь бедном их элементном составе было найдено в явлениях, получивших названия «изомерия» и «полимерия». Стало совершенно ясно, что свойства веществ, а следовательно, и их качественное разнообразие обусловливаются не только составом, но еще и структурой молекул. Появилось новое решение проблемы генезиса свойств, а также отграничились сами понятия «свойство» и «функция» или реакционная способность. В понятие «реакционная способность» включались представления о химической активности отдельных фрагментов молекулы - атомов, атомных групп и даже отдельных химических связей.  

Так было положено начало второму уровню развития химических знаний, который получил название структурной химии. Она стала  более высоким уровнем по отношению  к учению о составе, включая его  в себя.  

На втором уровне своего развития химия превратилась из науки преимущественно аналитической  в науку главным образом синтетическую. Этот период связан с развитием химии  органического синтеза. В это  время появились всевозможные азокрасители для текстильной промышленности, различные препараты для фармации, искусственный шелк и т.д. Для этого все материалы добывались в ограниченных масштабах и с огромными затратами низкопроизводительного, преимущественно сельскохозяйственного труда.  

Интенсивное развитие автомобилестроения, авиации, энергетики, приборостроения в первой половине XX века выдвинуло новые требования к производству материалов. Необходимо было получать высокооктановое моторное топливо, специальные синтетические  каучуки, пластмассы, высокостойкие изоляторы, жаропрочные органические и неорганические полимеры, полупроводники. Для получения этих материалов способ решения основной проблемы химии, основанный на учении о составе и структурных теориях, был явно недостаточен. Он не учитывал резкие изменения свойств вещества в результате влияния температуры, давления, растворителей и многих других факторов, воздействующих на направление и скорость химических процессов.  

Под влиянием новых  требований производства возник третий способ решения проблемы генезиса свойств, учитывающий всю сложность организации  химических процессов в реакторах  и обеспечивающий их экономически приемлемую производительность. После этого химия становится наукой уже не только и не столько о веществах как законченных предметах, но наукой о процессах и механизмах изменения вещества. Благодаря этому она обеспечила многотоннажное производство синтетических материалов, заменяющих дерево и металл в строительных работах, пищевое сырье в производстве олифы, лаков, моющих средств и смазочных материалов. Производство искусственных волокон, каучуков, этилового спирта и многих растворителей стало базироваться на нефтяном сырье, а производство азотных удобрений - на основе азота воздуха. Появилась технология нефтехимических производств с ее поточными системами, обеспечивающими непрерывные высокопроизводительные процессы.  

Так, еще в 1935 году все 100 процентов таких материалов, как кожа, меха, резина, волокна, моющие средства, олифа, лаки, уксусная кислота, этиловый спирт, производились всецело  из животного и растительного  сырья, в том числе из пищевого. На это расходовались десятки миллионов тонн зерна, картофеля, жиров, сырой кожи и т.д. А уже в 1960-е годы 100% технического спирта, 80% моющих средств, 90% олифы и лаков, 40% волокон, 70% каучука и около 25% кожевенных материалов изготовлялись на основе газового и нефтяного сырья.  

Но и эти возможности  еще далеко не предел. В 60 - 70-е годы появился четвертый способ решения  основной проблемы химии, открывающий  пути использования в производстве материалов самые высокоорганизованные химические системы, какие только возможны в настоящее время. В основе этого  способа лежит принцип использования  в процессах получения целевых  продуктов таких условий, которые  приводят к самосовершенствованию  катализаторов химических реакций, то есть к самоорганизации химических систем. В сущности, речь идет об использовании  химического опыта живой природы. Это своеобразная биологизация химии.  

Заключение 
 

Роль развития химии  как науки, в развитии естественнонаучных знаний – одна из ключевых ролей. Будучи составной частью в истории формирования общей естественнонаучной картины  мира, история познания химических свойств вещества, история практического  овладения им, тесно переплеталась  с историей развития отношения человека с окружающим миром.  

Люди всегда проявляли  интерес к практической стороне  развития химии, затем, на более поздних  этапах становления химических знаний – к методологической стороне.  

Развитие химической науки, физики и биологии, оказывало  влияние на формирование общих мировоззренческих  и естественнонаучных знаний, на характер и вопросы законов познания.  

Химической науке  в ее современном развитии и связи  с современным естествознанием  предстоит выяснить процессы образования  минералов земной коры, химических соединений на других планетах и звездах, проникнуть в самые тайники биохимических  превращений, вооружить промышленность, сельское хозяйство, здравоохранение  новыми синтетическими препаратами, защитить окружающую среду. Те успехи, которые  одерживала химия в познании природы, явились результатом тесного  единства в развитии химической теории и практики, а также взаимодействия развития химических знаний со знаниями в областях других наук 

В заключение можно  сказать, что роль химической науки  в формировании, становлении естествознания, его научных основ, является одной  из основополагающих. Достижения химии, химические законы выступают как  одна из важнейших составных частей концепции современного естествознания.