С. І. Левченко КОРОТКИЙ НАРИС ІСТОРІЇ ХІМІЇ
Навчальний посібник для студентів хімфаку РГУ
ВСТУП
Основні етапи розвитку хімії - Концептуальні системи хімії
"Короткий нарис історії хімії" являє собою навчальний посібник, засноване на лекціях, які автор читає студентам і аспірантам хімічного факультету Ростовського університету. Друкована версія даного посібника вийшла у видавництві РГУ в 2006 р
Метою курсу є, перш за все, створення уявлення про науку як про логічно єдиної, безперервно і закономірно розвивається системі знань про матеріальний світ. Сенс вивчення історії хімії як не можна краще розкривають слова Д. І. Менделєєва : "Знання готових висновків, без відомостей про способи їх досягнення, може легко призвести до омани ..., тому що тоді неминуче треба надавати абсолютне значення того, що відносно і тимчасово".
При вивченні історії науки слід віддавати собі звіт в тому, що всякий історичний нарис має на меті представити події у вигляді якоїсь нерозривного ланцюга, що веде від одного відкриття до іншого, від однієї теорії до іншої. Насправді, однак, відкриття далеко не завжди є безпосереднім наслідком подій, які ми схильні розглядати як кроки у напрямку до нього.
Історії хімії присвячена величезна кількість підручників і навчальних посібників, і "Короткий нарис історії хімії" жодним чином не покликаний замінити їх. Автор спробував дати тут максимально стислий виклад курсу, навмисно уникаючи біографічних даних і детального опису експериментів (втім, в пропонованому електронному варіанті нарис доповнений біографіями більшості згадуються в ньому вчених, деякими цитатами і низкою інших матеріалів - С.Л. ).
Основна увага як при читанні курсу, так і в цьому нарисі автор приділяє розгляду розвитку теоретичних поглядів хімії. Історія накопичення дослідних даних - відкриття хімічних елементів і основних законів природи, розвитку органічного синтезу, створення і вдосконалення хімічних технологій і т. п. - в значній мірі входить до складу основних курсів хімії. У той же час ці історичні відомості самі по собі, поза сучасних їм теоретичних концепцій, не здатні дати точне уявлення про їх цінності та значущості для розвитку науки. Більш того, такі відомості у відриві від історичного контексту часто виробляють абсолютно помилкове враження на учнів, які оцінюють їх з висоти сучасного рівня знань. Коректне виклад історії хімії неминуче передбачає аналіз формування і розвитку основних понять, характеристику найважливіших методів і підходів, що використовуються в хімії.
Оскільки в короткому нарисі неможливо розглянути розвиток кожної з теорій, часто представляли собою цілу епоху в історії науки, автору уявлялося розумним викладати розглядаються погляди, як правило, не в первісному, а в остаточно сформованому вигляді.
Автор з вдячністю прийме будь-які відгуки про пропонований нарисі, зауваження та пропозиції щодо його вдосконалення.
Основні етапи розвитку хімії
Історія хімії вивчає і описує складний процес накопичення специфічних знань, що відносяться до вивчення властивостей і перетворень речовин; її можна розглядати як прикордонну область знання, яка пов'язує явища і процеси, що стосуються розвитку хімії, з історією людського суспільства. При вивченні історії розвитку хімії можливі два взаємно доповнюють підходи: хронологічний та змістовний.
При хронологічному підході історію хімії прийнято поділяти на кілька періодів. Слід враховувати, що періодизація історії хімії, будучи досить умовною і відносною, має радше дидактичний сенс. При цьому на пізніх етапах розвитку науки (в разі хімії - вже з початку XIX століття) у зв'язку з її диференціацією неминучі відступу від хронологічного порядку викладу, оскільки доводиться окремо розглядати розвиток кожного з основних розділів науки.
Як правило, більшість істориків хімії виділяють наступні основні етапи її розвитку:
1. Предалхіміческій період: до III ст. н.е.
У предалхіміческом періоді теоретичний і практичний аспекти знань про речовину розвивалися відносно незалежно один від одного. Походження властивостей речовини розглядала антична натурфілософія, практичні операції з речовиною були прерогативою ремісничої хімії.
2. Алхимический період: III - XVII ст.
Алхимический період, в свою чергу, поділяється на три підперіоди - александрійську (греко-єгипетський), арабську і європейську алхімію. Алхимический період - це час пошуків філософського каменю, якого вважали за необхідне для здійснення трансмутації металів. В цьому періоді відбувалося зародження експериментальної хімії і накопичення запасу знань про речовину; алхімічна теорія, заснована на античних філософських уявленнях про елементи, була тісно пов'язана з астрологією і містикою. Поряд з хіміко-технічним "златоделіем" алхимический період примітний також і створенням унікальної системи містичної філософії.
3. Період становлення (об'єднання): XVII - XVIII ст.
У період становлення хімії як науки відбулася її повна раціоналізація. Хімія звільнилася від натурфілософських і алхімічних поглядів на елементи як на носії певних якостей. Поряд з розширенням практичних знань про речовину почав вироблятися єдиний погляд на хімічні процеси і в повній мірі використовуватися експериментальний метод. Завершила цей період хімічна революція остаточно надала хімії вид самостійної (хоча і тісно пов'язаної з іншими галузями природознавства) науки, що займається експериментальним вивченням складу тел.
4. Період кількісних законів (атомно-молекулярної теорії): 1789 - 1860 рр.
Період кількісних законів, що ознаменувався відкриттям головних кількісних закономірностей хімії - стехіометричних законів, і формуванням атомно-молекулярної теорії, остаточно завершив перетворення хімії в точну науку, засновану не тільки на спостереженні, а й на вимірі.
5. Період класичної хімії: 1860 г. - кінець XIX ст. *
Період класичної хімії характеризується стрімким розвитком науки: було створено періодична система елементів, теорія валентності і хімічної будови молекул, стереохімія, хімічна термодинаміка і хімічна кінетика; блискучих успіхів досягли прикладна неорганічна хімія і органічний синтез. У зв'язку із зростанням обсягу знань про речовину і його властивості почалася диференціація хімії - виділення її окремих гілок, які купують риси самостійних наук.
* У більшості підручників і навчальних посібників при розгляді періодизації історії хімії за періодом кількісних законів слід сучасний період. Однак, на думку автора, це не зовсім коректно, т. К. На початку XX ст. теоретичні основи хімії зазнали найістотніші зміни. Друга половина XIX ст. є надзвичайно важливим особливим етапом розвитку хімічних знань. У цей період остаточно формується атомно-молекулярна теорія і вчення про хімічні елементи, класичні розділи хімії, створюється періодичний закон, виникають дві нові концептуальних системи хімії - структурна хімія і вчення про хімічний процесі.
6. Сучасний період: з початку XX століття по теперішній час
На початку ХХ століття відбулася революція у фізиці: на зміну системі знань про матерію, заснованої на механіці Ньютона, прийшли квантова теорія і теорія відносності. Встановлення подільності атома і створення квантової механіки вклали новий зміст в основні поняття хімії. Успіхи фізики на початку XX століття дозволили зрозуміти причини періодичності властивостей елементів і їх сполук, пояснити природу валентних сил і створити теорії хімічного зв'язку між атомами. Поява принципово нових фізичних методів дослідження надало хімікам небачені раніше можливості для вивчення складу, структури і реакційної здатності речовини. Все це в сукупності зумовило в числі інших досягнень і блискучі успіхи біологічної хімії другої половини XX століття - встановлення будови білків і ДНК, пізнання механізмів функціонування клітин живого організму.
Концептуальні системи хімії
Змістовний підхід до історії хімії грунтується на вивченні того, як змінювалися з часом теоретичні основи науки. Внаслідок змін у теоріях на всьому протязі існування хімії постійно змінювалося її визначення . Хімія зароджується як "мистецтво перетворення неблагородних металів у благородні"; Менделєєв в 1882 р визначає її як "вчення про елементи та їх з'єднаннях". Визначення з сучасного шкільного підручника в свою чергу значно відрізняється від менделеевского: "Хімія - наука про речовини, їх склад, будову, властивості, взаємних перетвореннях і законах цих перетворень".
Слід зазначити, що вивчення структури науки мало сприяє створенню уявлення про шляхи розвитку хімії в цілому: загальноприйняте розподіл хімії на розділи засноване на багатьох різних принципів. Розподіл хімії на органічну і неорганічну вироблено по відмінності їх предметів (якесь відмінність, до речі, може бути правильно зрозуміти лише при історичному розгляді). Виділення фізичної хімії засновано на її близькості до фізики, аналітична хімія виділена за ознакою використовуваного методу дослідження. В цілому загальноприйняте розподіл хімії на розділи є в значній мірі даниною історичної традиції; кожен розділ в тій чи іншій мірі перетинається з усіма іншими.
Основним завданням змістовного підходу до історії хімії є, кажучи словами Д. І. Менделєєва , Виділення "незмінного і загального в змінюваному і приватному". Таким незмінним і загальним для хімічних знань всіх історичних періодів є мета хімії. Саме мета науки - не тільки теоретичний, а й історичний її стрижень.
Метою хімії на всіх етапах її розвитку є отримання речовини з заданими властивостями. Ця мета, іноді іменована основною проблемою хімії, містить у собі два найважливіших завдання - практичну і теоретичну, які не можуть бути вирішені окремо один від одного. Отримання речовини з заданими властивостями не може бути здійснено без виявлення способів управління властивостями речовини, або, що те ж саме, без розуміння причин походження і обумовленості властивостей речовини. Таким чином, хімія є одночасно і мета і засіб, і теорія і практика.
Теоретична завдання хімії має обмежене і строго певне число способів вирішення, які задаються структурної ієрархією самого речовини, для якого можна виділити такі рівні організації:
1. Субатомні частки.
2. Атоми хімічних елементів.
3. Молекули хімічних речовин як унітарні (єдині) системи.
4. Мікро- та макроскопічні системи реагують молекул.
5. мегасистема (Сонячна система, Галактика і т.п.)
Об'єктами вивчення хімії є речовина на 2 - 4 рівнях організації. Виходячи з цього, для вирішення проблеми походження властивостей необхідно розглянути залежність властивостей речовини від трьох чинників:
1. Від елементарного складу;
2. Від структури молекули речовини;
3. Від організації системи.
Таким чином, ієрархія досліджуваних матеріальних об'єктів зумовлює ієрархію т.зв. концептуальних систем хімії - відносно самостійних систем теорій і методологічних принципів, які використовуються для опису і вивчення властивостей речовини на будь-якому рівні організації. Зазвичай виділяють три концептуальних системи, а саме:
1. Вчення про склад;
2. Структурна хімія;
3. Вчення про хімічному процесі.
Вчення про склад виникло значно раніше двох інших концептуальних систем - вже в античній натурфілософії з'являється поняття про елементи як про складові частини тіл. Наукова хімія сприймає це вчення, але вже засноване на принципово нових уявленнях про елементи, як про нерозкладних далі тілах (частинках), з яких складаються всі "змішані тіла" (з'єднання). Основна теза вчення про склад складається в наступному: властивості речовини визначаються його складом, тобто тим, з яких елементів і в якому їх співвідношенні утворено дана речовина. Об'єктом вчення про склад є речовина як сукупність атомів.
Структурна хімія, що з'явилася в першій половині XIX-го століття, виходить з такого тези: властивості речовини визначаються структурою молекули речовини, тобто її елементним складом, порядком з'єднання атомів між собою і їх розташуванням в просторі. Причиною появи структурної хімії стало відкриття явищ ізомерії і металепсії (див. гл. 5.2. ), Які не могли бути пояснені в рамках існуючих понять. Для пояснення цих експериментальних фактів пропонуються нові теорії; об'єктом структурної хімії стає молекула хімічної речовини як єдине ціле. Стосовно до хімічної практиці поява нової концептуальної системи означало в даному випадку ще й перетворення хімії з науки переважно аналітичної в науку синтетичну.
Вчення про хімічному процесі, який сформувався в другій половині XIX століття, виходить з посилки, що властивості речовини визначаються його складом, структурою і організацією системи, в якій ця речовина знаходиться. Вчення про процес виділяється в самостійну концепцію хімії, коли накопичуються експериментальні факти, що вказують на те, що закони, що керують хімічними реакціями, не можуть бути зведені до складу речовини і структурі його молекули. Знання складу речовини і структури молекул часто виявляється недостатньо для передбачення властивостей речовини, які в загальному випадку обумовлені ще і природою сореагентов, відносними кількостями реагентів, зовнішніми умовами, в яких перебуває система, наявністю в системі речовин, стехіометрично які беруть участі в реакції (домішок, каталізаторів , розчинника і т.п.). Предметом вивчення хімії на цьому рівні стає вся кінетична система, в якій склад речовини і структура його молекул представлені лише як зокрема. Емпіричні поняття хімічної спорідненості і реакційної здатності отримують теоретичне обгрунтування в хімічній термодинаміці, хімічній кінетиці і вченні про каталізі. Створення вчення про хімічний процесі дало можливість вирішити найважливіші практичні питання управління хімічними перетвореннями, впровадити в хімічну технологію принципово нові процеси.
Іноді виділяється ще одна концептуальна система - еволюційна хімія, що представляє собою, на думку прихильників такого підходу, вчення про вищі формах хімізму і про хімічну еволюцію матерії. Еволюційна хімія вивчає процеси самоорганізації речовини: від атомів і найпростіших молекул до живих організмів.
Таким чином, в рамках змістовного підходу історія хімії може бути розглянута як історія виникнення та розвитку концептуальних систем, кожна з яких представляє собою принципово новий спосіб вирішення основного завдання хімії. Слід зазначити, що зазначені концептуальні системи не суперечать один одному і не змінюють одна одну, але є взаємно доповнюють.
Copyright © С. І. Левченко, 1996. - 2013.
програма курсу На початок сторінки Наступна глава
