 |
Развитие химических знаний
|
|
|
|
Эволюция естественнонаучных знаний о веществе
История развития знаний о веществе
Естествознание как наука о явлениях и законах природы включает одну из важнейших отраслей – химию. В современном понимании химия – наука о превращениях веществ, сопровождающихся изменением их состава и (или) строения. Химические процессы, лежащие в основе получения металлов, крашения тканей, выделки кожи и др., использовались человечеством уже на заре его культурной жизни.
История развития химических знаний начинается с древних времен. Древнегреческие философы Демокрит (ок. 470 или 460 г. до н. э. – умер в глубокой старости) и его последователь Эпикур (341–270 до н. э.) – основоположники античной атомистики – высказали идею: все тела состоят из неделимых материальных частиц – атомов, различающихся формой и величиной. Натурфилософскому атомистическому учению о строении вещества противопоставлялась алхимия – донаучное направление в развитии химии, возникшее в III–IV вв. н. э. и получившее развитие в Западной Европе в XI–XVI вв. Основная цель алхимии – нахождение так называемого «философского камня» для превращения неблагородных металлов в золото и серебро, получения эликсира долголетия и т. д. В эпоху Возрождения результаты химических исследований все в большей степени стали использоваться в металлургии, стеклоделии, производстве керамики, красок.
Первое научное определение химического элемента в 1661 г. сформулировал английский химик и физик Р. Бойль (1627–1691 гг.), положивший начало экспериментальному химическому анализу. В современном представлении химический элемент – совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Основываясь на результатах своих экспериментов, Р. Бойль сделал важный вывод: качества и свойства вещества зависят от того, из каких химических элементов оно состоит. Возникшее таким образом учение о составе вещества развивается и сегодня на качественно новом уровне.
|
|
|
Принято считать, что химия стала подлинной наукой во второй половине XVIII в., когда первый российский ученый-естествоиспытатель, гениальный ученый М.В. Ломоносов (1711–1765) сформулировал принцип сохранения материи и движения и исключил из числа химических агентов флогистон – невесомую материю. Первая химическая теория – теория флогистона, согласно которой металлы железо, медь, свинец и др. считались сложными телами, состоящими из соответствующих элементов и универсального «невесомого тела» – флогистона, оказалась ошибочной. Выяснив роль кислорода в процессе горения, окисления и дыхания, французский химик А.Л. Лавуазье (1743– 1794) окончательно опроверг теорию флогистона.
В начале XIX в. английский химик и физик Дж. Дальтон (1766–1844) заложил основы химической атомистики. Он впервые ввел понятие «атомный вес» и определил атомные массы (веса) ряда элементов. Он установил в 1803 г. важный закон – закон кратных отношений: если два химических элемента образуют друг с другом более одного соединения, 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 (1776–1856) ввел понятие «молекула» и выдвинул молекулярную гипотезу строения вещества. Молекула – микрочастица, образованная из атомов и способная к самостоятельному существованию. Атомно-молекулярные представления утвердились лишь в 60-х годах XIX в. В те годы, а именно в 1861 г., выдающийся русский химик A.M. Бутлеров (1828–1886) 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 химик – Д.И. Менделеев (1834– 1907) открыл периодический закон химических элементов – один из фундаментальных законов естествознания. Современная формулировка данного закона такова: свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда их атомных ядер. Заряд ядра равен атомному (порядковому) номеру элементов в периодической системе Менделеева. С конца XIX в. важнейшим направлением химии стало изучение закономерностей химических процессов. Управление химическими процессами – одна из главных проблем современной химии.
|
|
|
По мере развития химических знаний отдельные области химии – неорганическая химия, органическая химия, физическая химия, аналитическая химия – стали вполне самостоятельными отраслями естествознания. На стыке химии и других отраслей естествознания возникли, например, биохимия, агрохимия, геохимия. На законах химии базируются химические технологии, металлургия и т. п.
В последние десятилетия благодаря открытию новых явлений и эффектов, прежде всего физических, и созданию на их основе высокочувствительных приборов, электронных микроскопов, спектроскопов, масс-спектрометров и др. появилась реальная возможность проводить экспериментальные химические исследования на более высоком уровне – молекулярном. Такие исследования позволили раскрыть механизм многих процессов в живом организме, синтезировать не существующие в природе вещества с необычными свойствами, установить сложную структуру молекулы ДНК, расшифровать молекулярный генный механизм наследственности и благодаря применению современной лазерной техники и высокочувствительных приборов удалось зарегистрировать быстропротекающие химические процессы, возможность протекания которых раньше даже не предполагалась.
Молекулярный уровень современного естествознания позволяет создавать не только сверхпрочные, сверхпроводящие и другие материалы с необычными свойствами, но и производить операции с фрагментами молекулы ДНК, изменяя ее генетический код. Сегодня уже говорят о конструировании устройств из отдельных молекул, о создании молекулярного компьютера, обладающего чрезвычайно большими возможностями.
|
|
|
Масштабы химической индустрии
Долгое время необходимые человеку товары повседневного спроса (продукты питания, одежда, краски) производились путем переработки преимущественно природного сырья растительного происхождения. Современные химические технологии позволяют синтезировать из сырья не только естественного, но и искусственного происхождения многочисленную и многообразную по своим свойствам продукцию, не уступающую природным аналогам. Потенциальные возможности химических превращений природных веществ поистине безграничны. Все возрастающие потоки природного сырья: нефти, газа, угля, минеральных солей, силикатов, руды и т.п. – превращаются в краски, лаки, мыло, минеральные удобрения, моторное топливо, пластмассы, искусственные волокна, средства защиты растений, биологически активные вещества, лекарства и различное исходное сырье для производства других необходимых и ценных веществ.
Темпы научно-технических разработок химических технологий быстро растут. Если в середине XIX в. на промышленное освоение электрохимического процесса получения алюминия потребовалось 35 лет, то в 50-е годы XX в. крупномасштабное производство полиэтилена при низком давлении было налажено менее чем за 4 года. На крупных предприятиях развитых стран примерно 25% оборотных средств расходуется на научно-исследовательские работы, разработку новых технологий и материалов, что позволяет примерно через 10 лет существенно обновлять ассортимент выпускаемой продукции. Во многих странах промышленные предприятия выпускают около 50% продукции, которая 20 лет назад вообще не производилась. На некоторых передовых предприятиях ее доля достигает 75–80%.
Разработка новых химических веществ – трудоемкий и дорогостоящий процесс. Например, для нахождения и синтеза всего лишь нескольких лекарственных препаратов, пригодных для промышленного производства, необходимо изготовить не менее 4000 разновидностей веществ. Для средств защиты растений данная цифра может достигать и 10000. В недалеком прошлом в США на каждый внедряемый в массовое производство химический продукт приходилось примерно 450 научно-исследовательских разработок, из которых отбиралось всего лишь 98 для опытного производства. После опытно-промышленных испытаний лишь не более 50% отобранных продуктов находили широкое практическое применение. Однако практическая значимость полученных таким сложным путем продуктов настолько велика, что затраты на исследования и разработку очень быстро окупаются.
|
|
|
Благодаря успешному взаимодействию химиков, физиков, математиков, биологов, инженеров и других специалистов появляются новые разработки, обеспечивающие в последнее десятилетие внушительный рост производства химической продукции, о чем свидетельствуют следующие цифры. Если общий выпуск продукции в мире за 10 лет (1950–1960) увеличился примерно в 3 раза, то объем химической продукции за этот же период возрос в 20 раз. За десятилетний период (1961– 1970гг.) средний годовой прирост промышленной продукции в мире составлял 6,7%, а химической – 9,7%. В 70-е годы прирост химической продукции, составляющий около 7%, обеспечил ее увеличение примерно вдвое. Предполагается, что при таких темпах роста к концу нынешнего столетия химическая промышленность займет первое место по выпуску продукции.
Рис. 6.1. Внедрение химических технологий
Химические технологии и связанное с ними промышленное производство охватывают все важнейшие сферы народного хозяйства, включающего различные отрасли экономики. Взаимодействие химических технологий и различных сфер деятельности людей условно представлено на рис. 6.1.
Приведем несколько примеров применения химических технологий. Для производства современных компьютеров нужны интегральные схемы, технология изготовления которых основана на использовании кремния. Однако в природе нет кремния в химически чистом виде. Зато в больших количествах есть диоксид кремния в виде песка. Химические технологии позволяют обычный песок превратить в элементный кремний. Еще один характерный пример. Автомобильный транспорт сжигает громадное количество топлива. Что нужно сделать, чтобы добиться минимального загрязнения атмосферы выхлопными газами? Частично такая проблема решается с помощью автомобильного каталитического конвертора выхлопных газов. Радикальное же ее решение обеспечивается применением химических технологий, а именно химическими манипуляциями над исходным сырьем – сырой нефтью, перерабатываемой в очищенные продукты, эффективно сгораемые в двигателях автомобилей.
|
|
|
Значительная часть населения земного шара прямо или косвенно связана с химическими технологиями. Так, к концу 80-х годов XX в. только в одной стране – США – в химической индустрии и родственных отраслях было занято более 1 млн. человек, в том числе свыше 150000 ученых и инженеров-технологов. В те годы в США продавали химической продукции примерно на 175–180 млрд. долл. в год.
Химические технологии и связанная с ними индустрия вынуждены реагировать на стремление общества сохранить окружающую среду. В зависимости от политической атмосферы такое стремление может колебаться от разумной осторожности до паники. В любом случае экономическое следствие – рост цен на продукцию, обусловленный затратами на достижение желаемой цели сохранения окружающей среды, на обеспечение безопасности рабочего персонала, на доказательства безвредности и эффективности новых продуктов и т. п. Разумеется, все эти затраты оплачивает потребитель и они существенно отражаются на конкурентоспособности выпускаемой продукции.
Представляют интерес некоторые цифры, касающиеся выпускаемой и потребляемой продукции. В начале 70-х годов XX в. средний горожанин использовал в повседневной жизни 300–500 разнообразных химических продуктов, из них около 60 – в виде текстильных 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 пищевых продуктов включает до 200 различных химических процессов.
Около десяти лет назад насчитывалось более 1 млн. разновидностей продукции, выпускаемой химической промышленностью. К тому времени общее число известных химических соединений составляло более 8 млн., в том числе примерно 60 тыс. неорганических соединений. Сегодня известно более 18 млн. химических соединений. Во всех лабораториях нашей планеты ежедневно синтезируется 200–250 новых химических соединений. Синтез новых веществ зависит от совершенства химических технологий и в значительной степени от эффективности управления химическими превращениями.
|
|
|
