Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое 1. Место химии в системе естественных наук. Возникновение и развитие химии, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое 1. Место химии в системе естественных наук. Возникновение и развитие химии , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Общая химия.
Возникновение и развитие химии.
Химия – наука о превращениях веществ, связанных с изменением электронного
окружения атомных ядер.
Химическое видение мира
Давно уже замечено – химики-профессионалы отличаются широтой своих взглядов
и открытым отношением ко всему происходящему вокруг. Это легко объяснить тем, что
все наше современное материальное окружение – продукция промышленного
химического синтеза. Но главная причина, по-моему, не только в "химии вокруг нас".
Химию можно "ненаучно" определить как то, чем занимаются люди, называющие
себя химиками. Мне очень понравилась характеристика химиков, данная лауреатом
Нобелевской премии 1996 г. американцем Гарольдом Крото (Университет Сассекса).
Свою премию он получил совместно с Ричардом Смолли и Робертом Керлом за открытие
фуллеренов в 1985 г. Фуллерены – это новая форма элементарного углерода; среди них
есть, например, футболен С60 с шарообразными молекулами, "сшитыми" из пяти- и
шестиугольников, как футбольный мяч.
Г.Крото писал :
"Химики, по-моему, страдают особой формой "шизофрении". В самом деле, их
мышление – это причудливая смесь самых абстрактных и совсем наглядных
представлений. Они знают о тонких квантово-механических закономерностях,
определяющих свойства молекул, которые, в свою очередь, ответственны за все
многообразие окружающего нас мира. Эта взаимосвязь микро- и макромира остается
скрытой от ученых других специальностей. Кроме того, никто не сделал так много для
улучшения условий жизни людей, как химики, но их заслуги в должной мере не оценены".
Настоящий химик, даже если он не занимается непосредственно синтезом, всегда
"чувствует вещество". Это чувство вещества проявляется и в умении отмыть "насмерть"
пригоревшую кастрюлю, и в способности найти на свалке всевозможные редкие металлы
в невзрачных предметах, и в точном определении способа ремонта пластмассового
изделия (сварить или склеить, а если склеить, то чем и как).
До сих пор среди профессионалов-химиков наиболее ценятся не те коллеги,
которые умеют вычислить "с определенным приближением" свойства новой молекулы, а
синтетики, способные "чувствовать вещество" и эту самую молекулу "сварить" изящным
путем из неожиданных на первый взгляд веществ-предшественников.
Выдающийся духовный писатель и священник XIX века святитель Игнатий
Кавказский (Дмитрий Александрович Брянчанинов; 1807-1867) подчеркивал важность
изучения самой материальной из наук – химии :
“Кажется, говорил нам красноречивый и умный профессор Соловьев (проф. СПб
ун-та Михаил Феодорович Соловьев читал физику и химию в офицерских классах
главного Инженерного училища), произнося введение в химию, мы для того и изучаем эту
науку, чтоб узнать, что мы ничего не знаем и не можем ничего знать; такое необъятное
поприще познаний открывает она пред взорами ума! Так приобретенные нами познания
на этом поприще ничтожны! Она с осязательною ясностью доказывает и убеждает, что
вещество, хотя оно, как вещество, должно иметь свои границы, не может быть постигнуто
и определено человеком и по обширности своей, и по многим другим причинам. Химия
следит за постепенным утончением вещества, доводит его до тонкости, едва доступной
для чувств человеческих, в этом тонком состоянии вещества еще усматривает сложность и
способность к разложению на составные части, более тонкие, хотя самое разложение уже
невозможно. Человек не видит конца утончению вещества, так же как и увеличению чисел
и меры. Он постигает, что бесконечное должно быть и невещественным; напротив того,
все конечное должно по необходимости быть и вещественным. Но это – идея
неопределенная; определено ее существование. Затем физика и химия вращаются в одном
веществе, расширяют познания об употреблении его для временных, земных нужд
человека и человеческого общества.”
Вернемся к определению:
Химия – наука о превращениях веществ, связанных с изменением электронного
окружения атомных ядер.
В данном определении необходимо дополнительно уточнить термины “вещество”
и “наука”.
Согласно Химической энциклопедии :
Вещество – вид материи, которая обладает массой покоя. Состоит из
элементарных частиц: электронов, протонов, нейтронов, мезонов и др. Химия изучает
главным образом вещество, организованное в атомы, молекулы, ионы и радикалы. Такие
вещества принято подразделять на простые и сложные (хим. соединения).
Простые вещества образованы атомами одного хим. элемента и потому являются
формой его существования в свободном состоянии, напр. Сера, железо, озон, алмаз.
Сложные вещества образованы разными элементами и могут иметь состав постоянный
(стехиометрические соединения или дальтониды) или меняющийся в некоторых пределах
(нестехиометрические соединения или бертоллиды).
Химический синтез все-таки ближе к искусству, чем к науке. Ведь это управление
поведением атомов и молекул, которые человек без приборов не может видеть в
принципе.
Демонстрация: “синтез”на детском конструкторе
В рамках курса общей химии мы познакомимся с наиболее общими принципами
управления поведением вещества - химическими термодинамикой и кинетикой.
Согласно положениям термодинамики (учение о том, возможно ли
самопроизвольное протекание данной реакции), чугунная гантеля не может существовать
в земной атмосфере (ΔG образования Fe3O4 равна –1014,2 кДж/моль).
Демонстрация: чугунные опилки в газовом пламени и искристый фонтан
Учение, описывающее скорость химических процессов, называется химической
кинетикой. Знание кинетики позволяет задавать скорость реакций, иногда весьма
неожиданным образом.
Демонстрация: колебательное горение смеси на основе бора
Гораздо больше разногласий по сравнению с “веществом” существует в трактовке
термина “наука”. Здесь вполне приложимо высказывание Рене Декарта (лат. Renatus
Cartesius, 1596-1650): “Определите значение слов и вы избавите человечество от
половины его заблуждений”.
Наукой принято называть сферу человеческой деятельности, функцией которой
является выработка и теоретическая схематизация объективных знаний о
действительности; отрасль культуры, которая существовала не во все времена и не у всех
народов .
Канадский философ Уильям Хетчер определяет современную науку, как "способ
познания реального мира, включающего в себя как ощущаемую органами чувств человека
реальность, так и реальность невидимую, способ познания, основанный на построении
проверяемых моделей этой реальности". Такое определение близко к пониманию науки
академиком В.И.Вернадским, английским математиком А.Уайтхедом, другими
известными учеными.
В научных моделях мира обычно выделяются три уровня, которые в конкретной
дисциплине могут быть представлены в различном соотношении :
Эмпирический материал (экспериментальные данные)
Идеализированные образы (физические модели)
Математическое описание (формулы и уравнения)
Наглядно-модельное рассмотрение мира неизбежно ведет к приблизительности
любой модели. А.Эйнштейн (1879-1955) говорил "Пока математические законы
описывают действительность, они неопределенны, а когда они перестают быть
неопределенными, они теряют связь с действительностью".
Многие проблемы в преподавании и понимании основ естественных наук связаны
со смешением реальности, ее физических моделей и их математического описания.
Доктор философских наук Э.В.Соколов пишет :
“Невозможно в физике изучить то, чего нет или что представляется самим методом
изучения. Уравнения в физике правомерны и нужны лишь до тех пор, пока они
упорядочивают, объясняют исследуемую объективную реальность. Оперировать в физике
"чистыми" математическими функциями – значит выйти из физики в математику, то есть,
интеллектуалистику. А такой выход сопряжен с тем, что меняется наше мировидение,
меняются цели науки. Выход в "микромир", изучение бесконечно малых и бесконечно
больших величин, несопоставимых с возможностями человеческих чувств – означает
выход из естествознания в метафизику. Метафизикой заниматься можно и нужно, но
следует помнить, что ценность теорий в физике, да и в любой области естествознания,
определяется их описательной, объяснительной, предсказательной и манипулятивной
силой, а не строгостью и изяществом. Эта сила обычно тем больше, чем уже границы
объясняемой и описываемой области. Чем проще теория, тем легче ее применять, тем
больше людей могут ей воспользоваться.”
К чему может привести неоправданный приоритет математического описания (и
физической модели) над экспериментом? В современной экспериментальной науке
большое внимание уделяется правильной обработке *результатов, причем большую часть
результатов исследователь получает после предварительной обработки компьютером
(фурье-спектроскопия, туннельная микроскопия, ЯМР-томография и др.). Предположим,
что в начале XX века Э.Резерфорд (1871-1937) и его молодые сотрудники Г.В.Гейгер
(1882-1945) и Э.Марсден (1889-1970) получили для своих экспериментов с рассеянием α-
частиц компьтеризированную установку. Она легко воспроизвела бы основной результат,
что наиболее вероятный угол рассеяния α- частиц на золотой фольге толщиной 4*10–5 см
составляет 0,870. Для тех же чрезвычайно редких (1 из 20000 измерений) случаев
рассеяния на угол более 900 согласно центральной предельной теореме теории
вероятностей достоверность эксперимента составляет 3*10–2174 (это не опечатка!); поэтому
компьютер со стандартной программой без малейшего сомнения отбросил бы такие
“случайные ошибки”. И осталась бы наука без планетарной модели атома, по крайней
мере на несколько десятков лет. Только великолепная интуиция Резерфорда позволила
ему сделать вывод, что чрезвычайно редкие “случайные” результаты истинны, и на их
основе изменить физическую модель атома (вместо “пудинга с изюмом” Дж.Томсона
(1856-1940) подобие солнечной системы) .
Специфику естественнонаучного знания можно определить тремя признаками:
истинность, интерсубъективность и системность . Истинность научных истин
определяется принципом достаточного основания: всякая истинная мысль должна быть
обоснована другими мыслями, истинность которых доказана. Интерсубъективность
означает, что каждый исследователь должен получать одинаковые результаты при
изучении одного и того же объекта в одних и тех же условиях. Системность научного
знания подразумевает его строгую индуктивно-дедуктивную структуру.
Совершенствование методов исследования, прежде всего экспериментальной
техники, привело к разделению науки на все более узкие направления. В результате
количество и "качество", т.е. надежность информации возросли. Однако невозможность
для одного человека обладать полными знаниями даже для смежных научных областей
породила новые проблемы. Как в военной стратегии самые слабые места обороны и
наступления оказываются на стыках фронтов, в науке наименее разработанными остаются
области, не поддающиеся однозначной классификации. Среди прочих причин можно
отметить и сложность с получением соответствующей квалификационной ступени
(ученой степени) для ученых, работающих в областях "стыка наук". Но там же делаются и
основные открытия современности.
Биофизика и биоинженерия – типичные примеры “стыковой” науки.
Химическая эволюция материи
Происхождение химических элементов и планеты Земля.
Химия в том виде, как она изучается в школе и в общеобразовательных вузовских
курсах – наука исключительно земная. На поверхности Солнца нет смысла говорить о
химии – из-за отсутствия молекул. В условиях космического вакуума и низких
температур, в глубине Земли многие реакции тоже сильно отличаются от тех, что идут в
лабораториях при "стандартных условиях".
В современной науке происхождение вещества принято объяснять в рамках
теории “Большого Взрыва”.
До середины XX века ученые рассматривали вечное вещество в вечной в целом
Вселенной. Сейчас предполагается не только в Библии, что Вселенная имела начало.
Современная картина Вселенной начала возникать только в 1924 г. Американский
астроном Эдвин Хаббл (1889-1953) рассчитал расстояния до 9-ти разных галактик,
экстраполируя светимость известных близких звезд на гораздо более дальние (точнее
говоря, он обнаружил в дальних галактиках переменные звезды – цефеиды, для которых
известна зависимость светимости от периода пульсаций) . Сначала он определил
размеры туманности Андромеды и расстояние до нее (около 2 млн. световых лет). В
результате спектральных исследований света звезд в 1929 г. Хаббл обнаружил, что
величина красного смещения спектров (к более длинным волнам) увеличивается с ростом
расстояния от нас до звезд и галактик. Т.е. чем дальше галактика, тем быстрее она
удаляется от нас! Подобное явление моделируется поведением точек на поверхности
надуваемого шарика. Таким образом было открыто расширение Вселенной.
Сам Хаббл не смог сразу осознать, что он "сокрушил" неизменную Вселенную.
Еще в 1934 г. он пытался постулировать неизвестный пока физический процесс,
объясняющий кажущееся разбегание галактик. Первым осознал результаты Хаббла как
доказательство существования начала аббат Жорж Леметр (1894-1966) в 1927 г.,
получивший из космологических уравнений Эйнштейна формулу для скорости
расширения Вселенной. [10]
Однако теоретически расширение Вселенной предсказал в 1922 г Ал-др Ал-дрович
Фридман (1888-1925) на основании общей теории относительности. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Сам Эйнштейн
вначале опровергал результаты Фридмана как "чисто спекулятивные" и признал их лишь в
30-е годы. Открытие Хаббла подтвердило модель Фридмана. Теория Фридмана позволила
построить три модели:
1) Большой взрыв ⇒ Большой хлопок (расширение – сжатие);
2) Большой взрыв ⇒ расширение с убывающей до постоянной скоростью;
3) Большой взрыв ⇒ расширение с постоянно уменьшающейся скоростью.
Для точного выбора модели надо очень точно знать нынешнюю скорость расширения и
среднюю плотность Вселенной. Неопределенность в измерении расстояний и
соответственно, скорости расширения – около 5%; средняя плотность определена гораздо
менее точно (нет гарантии, что известны все формы материи, которым можно приписать
массу). Определенная на сегодняшний день средняя плотность наблюдаемой Вселенной
примерно в 100 раз меньше, чем требуется для пульсирующей модели (1). Альтернатива
отсутствию массы для возможного последующего сжатия Вселенной – нарушение закона
всемирного тяготения на больших расстояниях. Но гораздо легче психологически
допускать не найденную пока массу, чем нарушение столь очевидного в солнечной
системе закона. Вполне возможно допустить существование промежуточной между (1) и
(2,3)-моделями Фридмана – постепенно затухающие пульсации. Однако даже в случае
единичного расширения следует ожидать затухания малых звезд (типа Солнца) лишь
через 1014 лет, что в 1000 раз больше возраста Вселенной. Диапазоны времен для других
моделей еще больше.
Следовательно, наш мир имеет начало – 15-20 млрд. лет назад произошел Большой
взрыв (измерения 1995 г. – 10-12 млрд. лет [11]. Теория взрыва была почти отвергнута в
1947 г, когда был достаточно надежно оценен возраст Земли (данные по распаду урана) –
Земля оказалась почти вдвое "старше" вычисленного Хабблом времени начала разбегания
галактик. Но к 1952 г были сделаны перекалибровки кривых цвет-светимость и
несоответствие устраненно.
В 1951 г. католическая церковь официально признала, что модель Большого взрыва
согласуется с Библией. В 1981 г в Ватикане была организована очередная конференция по
космологии, и глава католической церкви папа сказал, что область науки – все, что было
после Большого взрыва, но ученым не следует вторгаться в сам Божественный акт
Сотворения.
Первое независимое доказательство теории Большого взрыва было получено в 1965
г.
Возможны разные механизмы самого взрыва. Модель "горячей Вселенной"
предложил амер. Георгий (Джордж) Антонович Гамов (1904-1968) – ученик
А.А.Фридмана в 1940 г [12]. Свечение раскаленной ранней Вселенной может дойти до нас
сейчас с сильным красным смещением – до сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона.
Предсказанное Гамовым реликтовое радиоизлучение (фотоны чуть теплее 0 К) открыто
в 1965 г. Американцы Арно Пензиас и Роберт Вильсон испытывали новый очень
чувствительный СВЧ-детектор для связи с искусственными спутниками Земли и
обнаружили уровень шума выше расчетного. После тщательных измерений стало ясно,
что источник этого шума одинаков во всех направлениях и находится за пределами нашей
Галактики. Это было доказательством гипотез Фридмана и Гамова о равномерном
расширении Вселенной в результате горячего взрыва. В 1978 г. А.Пензиас и Р.Вильсон
получили Нобелевскую премию.
Именно 1965 г следует считать началом крушения теории устойчивой Вселенной в
умах большинства ученых.
Таким образом, модель вечной Вселенной пришлось заменить давно известной
моделью (Бытие 1, 1-5):
В начале сотворил Бог небо и землю.
Земля же была безвидна и пуста, и тьма над бездною; и Дух Божий носился над
водою.
И сказал Бог: да будет свет. И стал свет.
И увидел Бог свет, что он хорош; и отделил Бог свет от тьмы.
И назвал Бог свет днем, а тьму ночью. И был вечер, и было утро: день один.
Модели Фридмана предполагают сингулярность (что такое – неизвестно в
принципе). Это точка, где плотность и кривизна пространства-времени бесконечны, т.е.
нулевого размера. Теории Большого взрыва без сингулярности гораздо менее вероятны
(Е.М.Лифшиц и И.М.Халатников, 1963-1970 гг).
Следует подчеркнуть, что теория Большого взрыва (сингулярность и начало
времени) вытекает из общей теории относительности (теорема Роджера Пенроуза о
сжатии звезды до черной дыры – 1965 г.; совместная теорема Стивена Хокинга и
Пенроуза – 1970 г.). Но в сингулярности ОТО вступает в противоречие с требованиями
квантовой механики (размеры бесконечно малы). Космология потребовала совместного
учета этих несовместимых теорий.
Развитие Вселенной (по Дж.Гамову, 1948).
В момент Большого взрыва размеры Вселенной были нулевыми, а температура –
бесконечно велика (1026 градусов – уровень "обратного счета", доступного теориям,
соответствующий времени 10-43 секунды). Через секунду температура упала до десяти
миллиардов градусов (такая t0 возможна при взрыве водородной бомбы). Вселенная
состояла тогда из фотонов, электронов и нейтрино, небольшого количества протонов и
нейтронов и их античастиц.
Сначала был только “свет”. Для того, чтобы излучение превратилось в вещество
(процесс, обратный аннигиляции), энергия фотона, рождающего пару частица-
античастица, должна быть больше E = 2 mc2 (где m – масса покоя чатицы). Температура,
соответствующая такой энергии: T = 2 mc2/k, где k – постоянная Больцмана = 0,00008617
эВ/К. Пороговая температура для рождения пар электрон-позитрон (масса е-
соответствует энергии 0,511 МэВ) – 6.109 К.
Процесс появления вещества из первичного излучения давно описан (Бытие 1, 6-
10):
И сказал Бог: да будет твердь посреди воды, и да отделяет она воду от воды.
И создал Бог твердь; и отделил воду, которая под твердью, от воды, которая над
твердью. И стало так.
И назвал Бог твердь небом. И был вечер, и было утро: день вторый.
И сказал Бог: да соберется вода, которая под небом, в одно место, и да явится
суша. И стало так.
И назвал Бог сушу землею, а собрание вод назвал морями. И увидел Бог, что это
хорошо.
Тот же фрагмент в Торе (Брейшит 1, 6-8):
И сказал Всесильный: “Да будет пространство посреди воды и отделяет оно воду
от воды”.
И создал Всесильный пространство, и разделил между водою, которая под
пространством, и между водою, которая над пространством; и стало так.
И назвал Всесильный пространство небом. И был вечер, и было утро: день второй.
Согласно расчетам Гамова, в первоначальной смеси частиц на каждый протон,
нейтрон и электрон должно было присутствовать около 40 млн. фотонов. Начальный
баланс частиц и античастиц отличался примерно на одну миллиардную
(десятимиллиардную) в пользу частиц, что и привело к нашей Вселенной. Через сто
секунд температура упала уже до миллиарда градусов, стали появляться первые атомные
ядра – дейтерий, гелий, затем литий и бериллий). Через несколько часов после Большого
взрыва новые элементы перестали образовываться.
Стандартная модель (станд. сценарий) – это подробно разработанная теория,
начиная с 0,01 сек – времени возникновения равновесного "газа", в котором не видны
более ранние стадии. Температура 1011 К, доля нейтронов ок. 46% от суммы протонов и
нейтронов. В предположении, что размер Вселенной обратно пропорционален
температуре (современная реликтовая темп. 3 К, а "длина окружности" около 125 млрд.
свет. лет), получаем, что при 1011 К длина окружности – 4 световых года [13]. Т.е. скорость
"расширения" – 0,65 световых года (радиус) за 0,01 секунду. Такое значительное
превышение скорости света связано с тем, что происходит рождение самого пространства
[14].
Примерно через 3 мин. 2 сек. температура понизилась до 1 млрд (109) градусов,
начинают получаться ядра. Соотношение протоны/нейтроны = 8:1 и оно сохранилось.
Следующие 500 тыс. лет – без изменений.
Вселенная представляет собой смесь лептонов (нейтрино и антинейтрино),
реликтовое излучение (фотоны) и барионы (водород, гелий, очень мало их изотопов) [15].
Четыре фундаментальных взаимодействия не дают предпосылок для дальнейшего
развития [16]. Структурирование Вселенной до образования звезд заняло до 3 млрд. лет
[17].
Отдельные области начали через миллион лет снова сжиматься, образуя газовые
скопления, затем внутри этих скоплений (будущих галактик) начали появляться звезды.
Более тяжелые звезды иногда взрывались (сверхновые), снабжая галактики тяжелыми
элементами. Затем снова начинался процесс сжатия облаков космического газа. Наше
Солнце – звезда второго или третьего поколения, образовавшаяся около пяти миллиардов
лет назад. Температурные диапазоны синтеза элементов (ядер) [18] следующие: при
температуре центра Солнца около 15 млн Cо идет только синтез гелия из водорода; при
100 млн Cо ядра гелия сливаются в углерод; при дальнейшем росте температуры в центре
звезды до 600 млн Cо из углерода начинает синтезироваться магний; при 200 млн Cо из
магния образуется сера, а при 4000 млн Cо из атомов серы синтезируется железо
(процессы сложны и многоступенчаты). Однако уже к окончанию синтеза водорода из
гелия звезда тратит около 2/3 своей ядерной энергии. Синтез более тяжелых элементов
требует уже притока энергии, который возникает при быстром коллапсе до белого
карлика, особенно на стадии его взрыва (сверхновая) [19] .
Возникновение химических элементов по стандартной модели
Таблица 1*. Первичный нуклеосинтез
Обозначения: n - нейтрон, p - протон, е- - электрон, е+ - позитрон, ν - нейтрино, ν– - антинейтрино,
D - дейтерий, Н - водород, Не - гелий.
* Ю.Э.ПЕНИОНЖКЕВИЧ, Ядерная астрофизика, СОЖ, 1998, No 10, с. 68–76.
Биологический факультет (Специальность биофизика)
Факультет биоинженерии и биоинформатики 2007/2008
Общая и неорганическая химия ЛЕКЦИИ
лектор – ст.н. сотр. Химического ф-та, к.х.н., д.п.н.
Загорский Вячеслав Викторович
Дополнение 1 к лекции 1.
Возникновение и развитие химии
Начало химии [1,2]
В 60-е годы XX века поразительные археологические находки были сделаны в
Анатолии (Турция) – в поселении Чатал-Хююк (VII-VI тыс. до.н.э.). Там обнаружено
много металлических изделий из меди и свинца, а также остатки плавильных печей. Само
поселение состояло из хорошо спланированных жилых домов и грандиозных культовых
сооружений. Сохранились сложные многоцветные настенные рисунки, выполненные
минеральными красками. Обнаружение столь древнего поселения с развитой культурой, в
котором обитали более 7 тыс. жителей, позволяет считать, что люди обладали
определенными химическими знаниями не менее 10 тыс. лет назад.
Самый древний металлический предмет, найденный в Южном Междуречье (Ур),
относится к IV тысячелетию до н.э. – времени, когда в низовьях реки Ефрат появились
шумеры. Это наконечник копья, сделанный из меди с примесью мышьяка и цинка. Там же
найдены датированные IV тысячелетием до н.э. стеклянные бусы. Самые древние
египетские стеклянные бусы относятся к 2500 г. до.н.э.
Одна из древнейших сохранившихся рукописей Древнего Египта – найденный в
Фивах в 1872 г. “Папирус Эберса” (XVI в. до н.э.) – содержит рецепты изготовления
лекарственных средств. В папирусе описаны операции вываривания, настаивания,
выжимания, сбраживания, процеживания растительного сырья. В столице Древнего
Египта Мемфисе был найден “Папирус Бругша” (XIV в. до н.э.), который также содержит
фармацевтические рецепты. Эти два папируса можно считать наиболее древними
химическими текстами.
Для того, чтобы объединить тайную магию жрецов и секреты ремесленников в
цельное учение о единстве и взаимосвязи природных явлений, необходимо было создание
универсальной теории, связывающей и объясняющей известные факты. Такой теорией
стала возникшая в VI-III вв. до н.э. греческая философия – учение о первоосновах,
"началах" природы. Философ Анаксимандр из Милета (ок. 611-545 до н.э.) ввел понятие
апейрон ("неопределенное") – беспредельное, бесформенное, бескачественное
первовещество, безграничное в пространстве и времени. Важно понять, что апейрон не
материален – его нельзя сопоставлять ни с “мировым эфиром” физиков конца XIX века,
ни с “элементарными” частицами современной физики; однако легко можно найти
сходство апейрона и Дао китайских философов. По-видимому, Анаксимандр впервые
использовал понятия “движение” и “противоположность” (побуждающая сила развития)
как философские принципы, позволяющие построить весь мир из единой первоосновы .
Ученик Анаксимандра Анаксимен (585-525 до н.э.) считал первоначалом воздух, при
сгущении которого получались материальные объекты, а при разрежении – душа и огонь.
Гераклит (ок. 544-483 до н.э.) предположил, что источником гармонии и противоречий в
мире может быть единство и борьба противоположностей. Он же определил движущую
силу химических превращений: “Вещи соединяюются за счет существующих между ними
отношений противоположностей”.
Идеи милетской школы развил Эмпедокл (487/82-424/23 до н.э.), предложивший
движущие силы мирового развития из первоначального состояния абсолютного смешения
– силы Любви и Вражды. Именно Эмпедокл, знаток ремесел и врач-практик, создал
первую известную классификацию материального мира. Он предложил не одну, а четыре
первичных субстанции (первостихии, первоэлементы) – огонь, воздух, вода, земля.
Каждый из первоэлементов он описывал сочетанием четырех неизменных качеств –
сухости, влажности, тепла и холода. Эмпедокл считал, что многообразные вещества
образуются в результате сочетания мельчайших осколков первоэлементов. Он впервые
использовал применительно к веществу понятия “объединение” и “разъединение”.
Движущими силами осколков первоэлементов, приводящих к их новым сочетаниям,
были, по Эмпедоклу, “любовь” и “ненависть”. Особенно важным первоэлементом
философ считал огонь – как принцип, как “растворенное” в физическом воздухе
“огненное вещество”. Это “огненное вещество” в более поздних трудах арабских
алхимиков превратилось в “серу” (как философский принцип, а не вещество), затем оно
стало “флогистоном” и до начала XIX века использовалось как “вещество тепла” –
“теплород” .
Одно из наиболее полных обобщений трудов греческих философов V-IV вв. до н.э.
дошло до нас в виде “Диалогов” Платона (ок. 428/427-348/347 до н.э.). В диалоге “Тимей”
четыре первоэлемента представлены как сочетания треугольников, т.е. они имеют в
принципе общую основу. Свойства “первотреугольников” таковы, что огонь, воздух и
вода могут превращаться друг в друга, и только земля – по-настоящему неизменный
первоэлемент. Платон разделил понятия “элемент” (идея) и “форма элемента” (вещество)
.
Ученик Платона Аристотель (384-322 гг. до н.э.) обобщил и развил идеи своих
предшественников. Например, он ввел “пятый элемент” – эфир, заполняющий все
небесные сферы вокруг Земли, следующие за ближайшей к Земле лунной сферой. В
средние века “пятый элемент” стали называть “квинтэссенцией” – “пятой сущностью”
(лат.). Для дальнейшего развития науки о веществе особенно важно учение Аристотеля об
изменении качеств. Он объяснил, что возникновение новых веществ – не просто
перемешивание первоэлементов: “Когда что-нибудь соединяется друг с другом, все
содержимое смешанного становится единым. Но это происходит не так, как будто вещи
собирают в кучу, а так, как образуются слоги. Слог представляет собой иное качество, чем
его элементы – буквы...” .
В отличие от Эмпедокла, Платон и Аристотель были “теоретиками” и оперировали
не с веществами, а только с философскими понятиями.
Алхимия.
В подавляющем большинстве исторических введений в курс химии об алхимии
написано как о некой "недохимии", затуманенной мистическим сознанием людей
"темного" Средневековья. Это традиционное заблуждение основано на использовании при
рассмотрении алхимии парадигм современной химии (см. выше). Впрочем, недоверие к
алхимикам в значительной степени объяснимо огромным количеством подражаталей –
шарлатанов-златоделателей, которые появились в поздний период ее развития.
На самом же деле, алхимия существовала как в европейской научной традиции, так
и в китайской. Европейские алхимики, чье мировоззрение определялось тремя
авраамическими религиями (иудаизм, христианство, ислам) развивали лишь "внешнюю"
алхимию, как набор магических приемов приготовления философского камня (эликсира
бессмертия). В Китае, где мирно сосуществовали три религиозных учения – даосизм,
конфуцианство и буддизм, – внешняя вещественная алхимия была отвергнута как ложная,
и развилась "алхимия дао" – целостное учение о достижении долголетия и бессмертия.
Китайские алхимические практики в настоящее время известны и в России –
оздоровительная система "ци гун", гимнастика "тай цзи-цюань", боевые искусства.
Глубинная философия алхимиков заключается в том, что, прежде чем на основании
ограниченных знаний преобразовывать мир, нужно очистить и преобразовать себя, как
часть Природы. Одна из важнейших предпосылок "Великого делания" алхимиков
(получения "философского камня") – воспитание в себе "чувства вещества", того
резонанса исследователя и предмета исследования, при котором человек ощущает
вещество "изнутри". Неотделимость исследователя от объекта исследования, очевидная
для алхимиков, была переоткрыта в XX веке при разработке квантовой механики.
Ученый начала XXI века обязан осознать, что нельзя изменять и "улучшать"
Природу, не поняв ее до конца, не ощутив себя ее частью. Для современных химиков
алхимический подход должен стать не "темным прошлым", а наиболее перспективным
будущим – иначе химия так и останется для человечества ядовитым пугалом [7,8,9].
Важно помнить, что рассмотрение современной химии и алхимии с позиций одной
и той же научной парадигмы глубоко ошибочно. Современная химия – наука о
материальном мире, конкретнее – о веществах и их превращениях. Алхимия – это наука
о взаимодействии человеческих души и духа с материальным миром.
Более подробно алхимия рассмотрена в дополнении 2. В решении современных
научных проблем и преподавании химии “алхимический” подход очень эффективен.
Например, философ А.К.Сухотин в своей книге “Парадоксы науки” пишет [10]:
“Иногда увлеченность (объектом исследования) достигает формы эпатии. Этим
специальным термином названо явление персональной аналогии. Смысл ее состоит в том,
что исследователь уподобляет самого себя той вещи, которую он изучает. Скажем, химик
воображает себя движущейся молекулой, "испытывая" толчки, притяжения – все, что с
ней происходит. Для достижения полноты картины он должен "позволить" себя толкать,
тянуть молекулярным силам, вступать во взаимодействия и т.п.”
Возникновение современной европейской науки
Поворот от алхимии к “настоящей” химии начался в XVI веке, с возникновением
капитализма. В 20-е годы XX века немецкий социолог Макс Вебер (1864-1920) в книге
“Протестантская этика и дух капитализма” убедительно доказал, что возникновение
капитализма связано напрямую с религиозной революцией, осуществленной Мартином
Лютером (1483-1546).
В XVI в. в результате религиозной Реформации начала формироваться
“протестантская этика” (термин ввел в XX в. М.Вебер) и его эквиваленты
(“кальвинистская мораль”, “пуританская трудовая этика”) [11]. Согласно нормам такой
этики, основными признаками избранности к спасению являются сила веры,
продуктивность труда и деловой успех. Деловая сметка и богатство стали богоугодны.
Согласно Лютеру, получить меньшую прибыль при возможности большей – значит
согрешить перед Богом. Протестантская этика освятила труд и осудила праздность,
практическим следствием чего в ряде стран стало суровое законодательство против
бродяг, оказавшееся эффективным средством создания рынка дешевой рабочей силы.
Призрение нищих, рассматривавшееся в католицизме как одно из добрых дел,
протестантизмом осуждалось – милосердие понималось прежде всего как предоставление
возможности обучиться ремеслу и работать. Протестантская этика осуждала пьянство и
разврат, требовала крепить семью, приобщать детей к труду, обучать их читать и
понимать Библию. Основными общественными ценностями становились уважение к
любому виду полезной людям деятельности, необходимость профессионального
совершенствования, честность и обязательность в человеческих отношениях.
Протестантская идеология подарила науке свободу исследований, окончательно
разделив Творца и творение. И наука быстро стала самым лучшим обоснованием этой
идеологии, потеснив религию в сфере ее общественного приложения.
В 1802 г. великий английский химик и физик Хэмфpи Дэви (1778-1829) оправдал
эксплуатацию в теpминах физических понятий: “неpавное pаспpеделение собственности и
тpуда, pазличия в pанге и положении внутpи человечества пpедставляют собой источник
энеpгии в цивилизованной жизни, ее движущую силу и даже ее истинную душу” [12].
Возникновение науки химии
Наука химия родилась одновременно с первой научной химической теорией – в
1697 году немецкий химик Георг Эрнст Шталь (1659-1734) опубликовал работу
“Основания зимотехники или общая теория брожения”, где впервые было изложено
учение о флогистоне. Флогистон (ϕλογιστον – от греческого “флогистос” –
воспламеняющийся) по мнению Шталя – составная часть всех горючих тел,
выделяющаяся при горении или обжиге. Роль воздуха заключалась во “вбирании”
флогистона; листья растений “всасывали” флогистон из воздуха, а при горении древесины
он снова выделялся. Разумеется, химики давно объясняют причины горения на основании
более научной “кислородной” теории, но именно благодаря теории флогистона химия
начала бурно развиваться в XVIII веке.
Развитие товарно-денежных отношений в Европе привело к тому, что к XVIII веку
алхимия истинных адептов (посвященных) выродилась в погоню за трансмутационным
золотом. Появились тысячи “тайных” книг с фантастическими рецептами и десятки тысяч
шарлатанов, выдающих известные к тому времени немногим химические реакции
(например, вытеснение серебра и меди из растворов их солей железом) за начало
Великого Делания. Основным источником доходов таких псевдоалхимиков были деньги,
выданные богатыми и жадными покровителями для производства “философского камня”.
Содержавший в Берлине алхимическую лабораторию монарх Фридрих II Прусский писал
в 1751 году: “Алхимия – это разновидность болезни, которая надолго вызывает
помутнение разума, она приходит неожиданно и распространяется как эпидемия.” [13]
Создатель флогистонной теории Г.Э.Шталь не отрицал принципиальную возможность
трансмутации, но отделил алхимию как “златоделие” шарлатанов от серьезных
химических исследований, приносящих реальную практическую пользу для медицины и
ремесел. Быстрый прогресс реальной “технологической” химии в сочетании с
бесчисленными разоблачениями шарлатанов-златоделателей привел к тому, что к
середине XIX века алхимия перестала быть массовой “эпидемией”. Наступила эпоха
химии-науки.
И наука химия делала такие успехи, что в 1887 г. Бертло написал: “Во Вселенной
больше не осталось тайн”. Оставалось всего несколько лет до открытия радиоактивности,
элементарных частиц и... трансмутации химических элементов в ходе радиоактивных
превращений.
Период развития научной химии хорошо описан во многих учебниках. Рекомендую
краткое пособие: Азимов А. Краткая история химии. Развитие идей и представлений в
химии. Пер. с англ. – М.: Мир, 1983. – 187 с.
Химия и война [14,15]
Прошедший XX век вполне заслуживает названия “века химии” – за сто лет была
создана химическая промышленность, изменившая мир и сделавшая нашу жизнь гораздо
более комфортной. Однако следует помнить, что “всемирная химизация” произошла
отнюдь не из благородных побуждений. Химия начала бурно развиваться как наука еще в
XIX веке в связи с потребностями производства, но прежде всего производства военного.
Именно перспектива военного применения научных достижений обеспечивала ученым
устойчивое государственное (“казенное”) финансирование и саму возможность
заниматься любимым делом.
В начале XX века правительства развитых государств (в первую очередь Германии)
предоставили ученым-химикам все необходимое для создания нового страшного оружия
[16].
В результате авторами химического оружия массового уничтожения оказались, как
это ни печально признать, не генералы, а выдающиеся ученые-химики. Первым
предложил использовать хлор в широких масштабах как боевое отравляющее вещество
профессор Берлинского университета Вальтер Фридрих Герман Нернст (1864-1941,
Нобелевская премия по химии 1920 года). Полевые опыты проводил профессор Фриц
Габер (1868-1934, Нобелевская премия по химии 1918 года) [17;18,19].
22 апреля 1915 года при благоприятном направлении ветра немецкие войска
выпустили из баллонов за 5 минут около 180 т хлора. На участке фронта шириной 6 км в
долине реки Ипр было поражено около 15 тысяч человек, из них сразу погибли 5 тысяч.
Англо-французский фронт был на этом участке уничтожен. Немецкое командование, не
верившее расчетам Габера, не ожидало такого страшного эффекта и не использовало
реальный шанс победы в сражении.
С этого дня – "черного дня химии" – началось бурное развитие химии
отравляющих веществ. Всего за первую мировую войну произведено 180 тысяч тонн
разнообразных ОВ, из которых применено около 125 тысяч тонн. На фронтах испытаны
не менее 40 различных веществ. Русская армия первой применила сульфурилхлорид
(июль 1916 г.) и хлорпикрин (сентябрь 1916 г.) [20]. По официальным данным, за годы
первой мировой войны химические поражения получили 1,3 млн человек, из которых
сразу умерли 100 тыс. человек [21].
Тем не менее именно из-за возможности новой химической войны химическая
наука и образование получили небывалый импульс развития. В 30-е годы в СССР создан
ряд химических вузов и НИИ, а в школе впервые появился систематический курс химии
[22].
Сама по себе химия, как естественная наука, мировоззренчески и идеологически
нейтральна. Это подтверждается совместным использованием достижений химии в
манипулятивных интересах правительствами государств с различной идеологией.
Советское правительство активно выступало против распространения химического
оружия и выдвинуло идею о его запрещении еще на Генуэзской конференции 15 апреля
1922 года. Однако во время той же конференции Россия и Германия подписали договор о
военном сотрудничестве; в рамках этого договора были созданы советско-немецкие
авиационная школа в Липецке, танковая школа в Казани и военно-химический полигон в
Шиханах Саратовской области (проект “Томка”). На шиханском полигоне в 1928-1933 гг.
военные химики Красной Армии и рейхсвера испытывали различные боеприпасы с
ипритом и средства защиты [23].
Смертельный “прогресс” химии продолжался до конца XX века. Запрещенное
международными соглашениями химическое оружие разрабатывали выдающиеся ученые
западных стран и СССР. Как и положено, “висящее на стене ружье” выстрелило –
научные достижения использовали террористы из секты “Аум Синрике”. В результате
применения ими боевого отравляющего вещества зарина в Японии в 1994 и 1995 гг.
погибли 18 человек, отравления получили 5500 человек [24].
Когда гениальность служит технократическому злу, "в интересах общества" это
служение всячески маскируется под благородную работу. Один из ярких последних
примеров – описание в "Галерее русских химиков", создаваемой приложением "Химия" к
газете "Первое сентября", биографии выдающегося химика Мартина Израилевича
Кабачника (1908-1997) [25]. Из "галерейной" биографии следует, что академик создал
сотни новых ингибиторов холинэстераз и изучал тонкие биохимические реакции. Не
сказана буквально мелочь – что эти ингибиторы, промышленное получение которых в
СССР было организовано М.И.Кабачником, называются VX-газами (самые токсичные из
синтетических ОВ, смертельная доза при попадании на кожу – 4-5 мг). Именно за
разработку промышленного синтеза боевых ОВ он получил в 1974 г. Ленинскую премию,
а позже стал Героем Социалистического Труда. Подобный пример далеко не единичен.
Возникновение химических элементов. Ядерные реакции
Температура 3*109 ÷ 3*108 К , время - до 35 минут с момента Большого Взрыва,
первичный синтез гелия:
n + p → D + γ
D + n → 3H + γ
D + p → 3Hе + γ
D + D → 3H + p,
D + D → 3Hе + n
3H + p → 4Не + γ
3Hе + n → 4Hе + γ
В итоге получается 4Не / (Н + 4Не) ~ 22-28% (по массе)
В звездах при температуре ниже 2*107 К, протон-протонный цикл синтеза гелия:
p + p → D + e+ + ν
D + p → 3He + γ
3He + 3He → 4He + 2 p
3He + 4He → 7Be + γ
7Be + e– → 7Li + ν
7Li + p → 2 4He
суммарный процесс 4 1H → 4He + 26,7 МэВ
(1 эВ = 96,48 кДж/моль; 1 МэВ = 96480000 кДж/моль)
Каталитический CNO-цикл синтеза гелия:
12C + p → 13N + γ
13N → 13C + e+ + ν
13C + p → 14N + γ
14N + p → 15O + γ
15O → 15N + e+ + ν
15N + p → 12C + 4He
При температуре выше 108 К «горение» гелия (12C* - возбужденное ядро углерода):
3 4He → 12C* + 7,274 МэВ
энергия 12C* : 7,654 МэВ
4He + 4He → 8Be*
8Be* + 4He → 12C*
12C + 4He → 16O + γ
При температуре выше 5*108 К «горение» углерода, кислорода, неона и кремния:
12C + 12C → 20Ne + 4He + 4,62 МэВ
12C + 12C → 23Na + p + 2,24 МэВ
12C + 12C → 24Mg + γ - 2,60 МэВ
16O + 16O → 28Si + 4He + 9,59 МэВ
16O + 16O → 31P + p + 7,68 МэВ
16O + 16O → 31Si + n + 1,45 МэВ
16O + 16O → 30Si + 2 p + 0,39 МэВ
16O + 16O → 24Mg + 2 4He - 0,39 МэВ
16O + 16O → 27Al + 4He + p – 1,99 МэВ
Горение неона характеризуется короткой стадией и заключается в
фотодиссоциации 20Ne под действием высокоэнергетических γ-квантов с отрывом α-
частицы. Освободившиеся α-частицы взаимодействуют с неоном и другими ядрами до тех
пор, пока не исчерпается запас неона.
28Si + 4He → 32S + γ
32S + 4He → 36Ar + γ
Нерешенные проблемы современной космологии:
1) Каково массовое отношение углерода к кислороду после гелиевой вспышки (это
отношение чрезвычайно важно для дальнейшей эволюции массивных звезд)?
2) Где именно протекает r-процесс (от англ. rapid – быстро) быстрого захвата нейтронов?
3) Какие нуклиды, обязанные протонным процессам, рождаются в различных эпизодах
нуклеосинтеза?
4) Каков относительный вклад сверхновых с коллапсирующим ядром, с одной стороны, и
порожденных CO-взрывом, с другой, в образование железа и прочих тяжелых элементов?
(энциклопедия Кругосвет http://www.krugosvet.ru/articles/20/1002099/1002099a1.htm)
Исследование, описанное в статье про 1. Место химии в системе естественных наук. Возникновение и развитие химии, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое 1. Место химии в системе естественных наук. Возникновение и развитие химии и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Общая химия
Комментарии
Оставить комментарий
Общая химия
Термины: Общая химия