Размещено на http://www.allbest.ru/

• Реферат
• Естественнонаучная картина мира
• 
• Содержание
• Мир химии
• Научно-техническая революция - причины, возможные последствия и шансы отечественной науки
• Естествознание и религия
• Литература


Мир химии

Если физика своим рождением во многом обязана стремлению человека к удовлетворению своих потребностей в создании новых механизмов и устройств (т.е. макросистем), то возникновение химии отражало растущие человеческие потребности в получении практически необходимых ему веществ.

В отличие от механизмов вещество - это однородный объект. Его качественные свойства мало зависят от того, какое количество взято. Средневековые исследователи верили, что химические свойства, качества вещества отражаются в неких, свойственным им символам. В этом состоит суть алхимии - прародительницы химии.

Алхимия (позднелатинское alchemia, alchimia, alchymia) представляла собой не только зачаток химии, но и своеобразное явление культуры, особенно широко распространённое в Западной Европе в эпоху позднего средневековья. Термин "алхимия" производят от арабского аль-кимия, которое восходит к греческому chзmйia, от chйф - лью, отливаю, что указывает на родство алхимии с искусством плавки и литья металлов, либо от слова Chemia - Египет, связывающего алхимию с местом возникновения этого искусства. В другой интерпретации алхимия происходит от египетского слова хеми, к которому в последствии была прибавлена приставка ал. - в результате в буквальном смысле получается "наука черной земли" или наука о первовеществе.

С точки зрения алхимиков, даже нарисованный символ имел связь со своим качеством-первообразом, заключенном в веществе. Такое символическое мировидение имело мистические корни и придавало алхимии магическую окраску. Например, обратимая реакция обозначалась иногда в виде дракона, проглатывающего свой собственный хвост, семь металлов соотносились с семью планетами, ртуть и сера - с материнским и отцовским началами и т. п.

Алхимики верили, что металлы являются не простейшими элементами, а составными субстанциями и построены из трех элементов, входящих в них в различных пропорциях. Это философская ртуть, философская сера и соль, или мышьяк. По видимому, имея условно-аллегорические названия, описывающие скорее свойства, перечисленные элементы не имели реального отношения к настоящим ртути, сере и мышьяку. Если все металлы состоят из одних и тех же элементов, то напрашивался вполне логичный вывод: эти пропорции можно изменить с помощью катализатора - философского камня. Исходя из подобных рассуждений, алхимики пришли также к выводу, что в Природе существует единое первовещество.

Применение философского камня алхимики видели в осуществлении трансмутации, т.е. превращения неблагородных металлов в благородные. Однако это была не главная задача. По-видимому, основной целью применения философского камня являлось получение т.н. эликсира жизни, а трансмутация была необходима для проведения эксперимента, позволяющего получить подтверждение, получен ли настоящий эликсир, или нет. Согласно легенде, приняв эликсир, алхимик не только преображал себя физически, достигая бессмертия, но и духовно. На первом этапе физического преобразования выпадали волосы, ногти и зубы, которые затем вырастали здоровыми и крепкими. Вскоре ненужной становилась пища. Влияние философского камня в десятки раз усиливало интеллектуальные способности человека.

Алхимики и их труды оставили заметный след в средневековой философии и культиуре. Среди них такие выдающиеся (считавшиеся "посвященными" личности, как Раймунд Луллий (1235-1315) - "Завещание, излагающее в двух книгах всеобщее химическое искусство", Арнальдо де Виланова (1250-1313?) - "О ядах", Альберт Великий (около 1193-1280) - "О металлах и минералах", Фра Бонавентура (1214-1274), установивший факт растворения серебра в азотной кислоте и золота в царской водке, Роджер Бэкон (около 1214 - 1292) - "Могущество алхимии", "Зеркало алхимии"

Кроме "Посвященных" алхимиков, считавшихся обладателями глубоких, "истинных" алхимических знаний, существовали еще т.н. пафферы, одержимые исключительно идеей получения золота. В основном это были люди второго сорта - шарлатаны, мошенники, пустые мечтатели, колдуны, гадатели и т.п. Если "посвященная" алхимическая элита работала по готовым рецептам, не экспериментируя и не сомневаясь в их действенности, то пафферы экспериментировали с совершенно невообразимыми смесями веществ, нередко заканчивая свою жизнь взрывами и отравлениями.

Тем не менее, именно благодаря пафферам мистическая алхимия постепенно стала постепенно преобразовываться в "экспериментальную". Сохранившиеся до настоящего времени алхимические трактаты свидетельствуют, что алхимикам-пафферам удавалось создавать различные способы получения практически ценных соединений и всевозможных смесей (минеральных и растительных красок, стекол, эмалей, металлических сплавов, кислот, щелочей, солей, лекарственных препаратов). Благодаря им были созданы также приёмы лабораторной работы (перегонка, возгонка, фильтрование), изобретены новые лабораторные приборы (например, печи для длительного нагревания, перегонные аппараты).

Иногда алхимикам можно удавалось предвосхитить некоторые, открытые позднее законы химии. Например, в труде Р. Бэкона "Зеркало алхимии" обнаруживаются описательные элементы, вполне соответствующие современному закону постоянства состава. Говоря о приготовлении "красного эликсира" из ртути и серы, Бэкон пишет: "...выбери вещество, содержащее чистую... ртуть, смешанную по определённому правилу равномерно и в должных пропорциях с серой..." Алхимикам можно приписать и натурфилософские обобщения. Такова вышеупомянутая идея генезиса металлов из трех элементов, основанная на материальном единстве мира и принципиальной возможности взаимных превращений веществ.

Интересно, что алхимические труды иногда служили источником вдохновения для ученых - создателей современных естественнонаучных концепций.

В частности, своими достижениями в области алхимии всегда гордился основоположник современной физики Исаак Ньютон, в личной библиотеке которого имелось около сотни алхимических трудов. Именно алхимическим исследованиям, а также толкованию Библии и эзотерике Ньютон посвятил большую часть своей жизни.

Один из крупнейших физиков-ядерщиков XX века, лауреат Нобелевской премии, полученной за открытие изотопов, Фредерик Содди (1877-1956) в своей книге "Радий - интерпретация радиоактивности" писал:

"Любопытно размышлять, например, о происхождении замечательной легенды о Философском Камне - старейшей и знаменитейшей из всех легенд, которые мы знаем. Исторические сведения о прошлом человечества не дают нам возможности выяснить ее источник. Философскому Камню приписывается не только способность превращать металлы, но и качества эликсира жизни. Каким бы ни было происхождение этой идеи, кажущейся на первый взгляд абсурдной, само представление о Философском Камне может служить хорошей аллегорией нашего способа мышления. Не требуется больших усилий воображения, чтобы увидеть в Энергии настоящую жизнь Вселенной. Сейчас известно, что жизнь во Вселенной возникла в результате превращений Энергии. Неужели древние случайно сблизили представления о силе превращений и о эликсире жизни? Я верю, что это, может быть прошедшее через многие века эхо давно минувших событий, когда в доисторические времена люди вступили на тот путь, по которому мы идем сейчас. Но с тех времен прошло столько времени, что атомы тех времен уже, должно быть, полностью распались..."

Поворотный этап науки о веществе, ознаменовавший смену алхимических идей и переход к современной химии, связан с именем французского химика Антуана Лавуазье (1743-1794) Биография дана по И. Леенсону (Энциклопедия "Кругосвет", 2005). Именно по его инициативе алхимия оказалась окончательно отвергнута наукой.

Лавуазье стал известен среди химиков благодаря работам по химическому анализу минералов, привезенных им из различных экспедиций (статью "Анализ гипса" он представил во Французскую Академию наук еще в 1765). В 1768 г. ученый избран сверхштатным адъюнктом Французской Академии наук по химии, в 1774 - экстраординарным, а в 1778 - ординарным (т.е. действительным) академиком. Во время Великой Французской Революции Лавуазье прилагал все силы, чтобы спасти Академию, но это ему не удалось: в 1793 г. академия была упразднена, а в следующем году жертвой революции стал и он сам.

Огромный вклад Лавуазье в науку заключался не только в получении новых фактов - этим занимались многие. Лавуазье фактически создал новую философию химии, новую систему ее понятий. В лаборатории, оборудованной по последнему слову науки и техники конца XVIII в., Лавуазье провел эксперименты, выводы из которых оказали огромное влияние на химию и другие науки. Например, он показал, как с помощью точного взвешивания можно не только получить новые научные данные, но и подтвердить научную теорию.

В качестве примера можно привести опровержение одного заблуждения (свойственного и алхимикам). В то время полагали, что вода при нагревании может самопроизвольно превращаться в твердое вещество. Действительно, когда "чистую" воду упаривали досуха, всегда обнаруживали некоторое количество сухого остатка, который называли "землей", поэтому и считали возможным превращение воды в твердое вещество - "землю". Это положение Лавуазье и решил проверить экспериментально в 1770 г. Прежде всего он постарался получить как можно более чистую воду. В те времена это можно было сделать единственным способом - перегонкой. Лавуазье взял наиболее чистую природную воду - дождевую, перегнал ее последовательно восемь раз, налил в предварительно точно взвешенный стеклянный сосуд, который затем герметично закупорил, и снова взвесил. После этого Лавуазье нагревал сосуд с водой почти до кипения в течение 100 дней. После прекращения опыта оказалось, что в воде действительно появилась «земля»! Однако повторное точное взвешивание сухого сосуда показало, что его масса уменьшилась, причем ровно настолько, сколько в нем образовалось твердого вещества. Таким образом, Лавуазье убедительно показал, откуда в воде появляется "земля" - она выщелачивается горячей водой из стекла; понятно, что при повышении температуры этот процесс идет значительно быстрее. В сильно упрощенном виде этот опыт и сейчас показывают на уроках естествознания в младших классах, выпаривая каплю водопроводной воды на стеклянной пластинке: сухой остаток показывает, что даже очень чистая с виду вода содержит небольшое количество солей. А термин "земля", как его понимали химики XVIII в., до сих пор сохранился в названии щелочноземельных и редкоземельных элементов.

Самый важный вклад Лавуазье в науку - опровержение господствовавшей многие десятилетия теории флогистона и создание теории горения, основанной на опытных данных. Еще со времен Бойля большинство ученых полагало, что превращение многих металлов (железа, ртути, цинка, меди, свинца и др.) в оксиды при их прокаливании совершается за счет «присоединения огня». Опровержение этого постулата имело огромное значение для развития химии. В одном из опытов Лавуазье поместил в герметически закрытый стеклянный сосуд олово и нагрел его с помощью большой линзы. Олово превратилось в порошок оксида, что сопровождалось увеличением массы, однако общий вес сосуда остался неизменным, и это означало, что никакой огонь извне внутрь не проникал, а к металлу присоединилась какая-то часть воздуха.

Более известен знаменитый «двенадцатидневный опыт», который провел Лавуазье. Он нагревал ртуть в запаянной реторте, где она превращалась в оксид HgO, соединяясь с кислородом. Опыт продолжался так долго, потому что ртуть - малоактивный металл и при обычной температуре на воздухе не окисляется. Для проведения реакции Hg + 1/2O2 = HgO требовалось длительное нагревание при температуре, близкой к температуре кипения ртути 357° C. Нагревать же реторту еще сильнее, чтобы ускорить реакцию кислорода с парами ртути, было нельзя, поскольку при температурах выше 400° C оксид ртути снова разлагается на металлическую ртуть и кислород. Поэтому и пришлось непрерывно прокаливать реторту в течение многих суток, пока содержащаяся в ней ртуть не превратилась полностью в оксид.

С помощью точного взвешивания Лавуазье показал, что масса оксида ртути равна массе металла и соединившегося с ним кислорода, и наоборот - образовавшийся оксид ртути разлагается с выделением тех же самых количеств ртути и кислорода. Увеличение массы металлов при прокаливании, за несколько десятилетий до Лавуазье, установил еще М.В.Ломоносов, однако его труды в то время оставались неизвестными в европейских странах. Таким образом, Лавуазье фактически заново открыл закон сохранения материи, который иногда называют законом Лавуазье - Ломоносова. Но Лавуазье не ограничился взвешиванием сосудов, а проанализировал изменения происходящие с воздухом, находящимся в контакте с металлом. Было известно, что при этом из воздуха исчезает 1/5 часть, но никто не знал, что собой представляет эта израсходованная часть воздуха и чем она отличается от оставшейся. Как показали эксперименты, остаток воздуха не поддерживает горения и дыхания лабораторных животных. Аналогичные результаты были получены при сжигании серы и фосфора.

Открытый в 1774 г. шведским химиком К.В.Шееле и английским химиком Дж.Пристли кислород помог Лавуазье понять, что именно кислород - это та пятая часть воздуха, которая присоединяется к металлу при прокаливании. (О своем открытии Пристли лично сообщил Лавуазье во время своего посещения Парижа в 1774 г.). Развитая Лавуазье теория горения и окисления окончательно покончила с флогистоном - мифической горючей субстанцией, которая в процессе горения якобы выделяется из тел. Одновременно Лавуазье первым показал, что воздух - это не простое вещество, как считали до этого, а смесь "жизненного воздуха", или кислорода, и "нездорового воздуха", или азота, причем их объемы относятся примерно как 1:4. Лавуазье не только провел анализ воздуха, но осуществил его синтез, смешивая азот с искусственно полученным из оксида ртути кислородом.

Он объяснил также, какие изменения происходят с воздухом и при горении в нем свечи, и при дыхании мыши в замкнутом пространстве. Лавуазье показал, что дыхание - это по сути медленное горение, дающее животному энергию. При этом поглощается кислород и выделяется углекислый газ. Он также установил состав углекислого газа. Для этого в одном из опытов он сжег алмаз, повторив эксперимент флорентийских академиков, которые еще в 1649 "испаряли" алмазы с помощью большого зажигательного зеркала. Доклад Опыты над дыханием животных и об изменениях, которые совершаются в воздухе, проходящем через их легкие, Лавуазье зачитал на заседании Академии 3 мая 1777 г. Эти опыты были исключительно важны для развития не только химии, но и физиологии.

Лавуазье подробно исследовал роль кислорода в образовании кислот. Известные тогда кислоты содержали этот элемент, поэтому он и получил латинское название oxygenium, то есть "рождающий кислоты". Особенно важную роль сыграли тщательные эксперименты по соединению с кислородом "горючего воздуха", то есть водорода, открытого Генри Кавендишем в 1767. Лавуазье, в соответствии со своей теорией, надеялся при сгорании водорода в кислороде получить какую-либо кислоту. Оказалось, однако, что при горении водорода образуется чистая вода. Горение водорода в кислороде и образование воды Лавуазье продемонстрировал, в сотрудничестве с физиком и математиком Пьером Симоном Лапласом, на заседании Академии наук 2-4 июня 1783 г. Собрав немного продукта реакции горения, Лавуазье и Лаплас обнаружили, что это совершенно чистая вода.

Спустя два года Лавуазье, работая совместно с инженером Жаном Батистом Мёнье, получил уже 45 г "искусственной воды". Для этого им пришлось сжечь в кислороде 60 л водорода. Количественные измерения показали, что 12 объемов водорода соединяются с 22,92 объемами кислорода. Отклонение этих результатов от истинного соотношение объемов (1:2) объясняется, очевидно, примесями в изучаемых газах. Одновременно было установлено соотношение масс этих газов, которое показало, что 1 часть водорода требует для сгорания примерно 8 частей воздуха. Таким образом, Лавуазье и воду «перевел» из разряда простых тел в сложные.

После синтеза воды Лавуазье провел ее анализ, как он привык поступать при работе с другими веществами. Вместе с Мёнье он разложил пары воды, пропуская их через раскаленный ружейный ствол и собирая выделяющийся газ. Одновременно железный ствол покрылся изнутри окалиной, то есть соединением металла с кислородом: 3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2, а газ оказался водородом. Это подтвердило качественный состав воды. А взвешивание продуктов реакции позволило рассчитать и ее количественный состав: 85% кислорода и 15% водорода (современные значения - 88,81 и 11,19%). Более того, Лавуазье теперь мог правильно истолковать такие реакции, как восстановление металлов из их оксидов водородом (например, CuO + H2 = Cu + H2O) и выделение водорода при действии кислот на металлы (например, Fe + Н2SO4 = FeSO4 + H2).

Лавуазье сделал также много других научных открытий. Найдя, что при сжигании органических соединений образуется вода и углекислый газ, он установил, что в состав этих соединений входят углерод, кислород и водород. Одновременно Лавуазье выполнил первые анализы органических соединений, сжигая навески спирта, масла, воска и т.п. в определенном объеме кислорода и определяя объем выделившегося углекислого газа. Для сжигания он использовал также вещества, легко отдающие кислород: HgO, MnO2, KClO3. Исследуя процессы брожения сахаристых веществ, Лавуазье установил, что виноградный сахар при этом расщепляется с образованием спирта и углекислого газа. Вместе с Лапласом Лавуазье сконструировал ледяной калориметр, провел измерения тепловых эффектов химических реакций и этим заложил основы новой науки - термохимии.

В своем "Курсе химии" Лавуазье дал классификацию тел, деля их на простые и сложные, отнеся к последним оксиды, кислоты и соли. Всего он классифицировал в качестве элементов более 30 веществ, среди которых, помимо кислорода, азота, водорода, серы, фосфора, углерода и металлов, были также «теплород», «известь», «кремнезем» и т.п. Правда, он не утверждал, что все тела в его таблице действительно простые. "Элементами будут считаться все соединения, - писал он, - которые нельзя разложить никаким образом на более мелкие части; иными словами, если у нас нет способов разделить какое-либо вещество, то мы должны рассматривать его как элемент, как простое тело и не должны пытаться рассматривать его как сложное тело до той поры, пока эксперименты и наблюдения не приведут нас к противоположному выводу". Это определение сыграло важную роль на начальном этапе развития химии. Лавуазье предугадал сложный состав некоторых щелочей и кислот, ряда минералов, которые ранее считались элементарными, то есть неразложимыми на более простые. Очень важно, что Лавуазье, как истинный ученый, четко разделял опытные факты и гипотезы. Так, по поводу возможности в будущем разложить некоторые "земли" на металл и кислород (что было сделано Г.Дэви в начале XIX в.) Лавуазье пишет: "Я высказываю здесь простое предположение и надеюсь, что читатель не смешает то, что я даю как фактическую и опытную истину, с тем, что еще только гипотетично." Большое значение для науки имела работа Лавуазье в составе комиссии по химической номенклатуре. В 1787 Лавуазье, совместно с рядом известных французских химиков, предложил новую рациональную химическую номенклатуру. В соответствие с ней, получили современные названия многие простые и сложные неорганические соединения. Названия элементов подбирались так, чтобы по возможности отразить их свойства: кислород, водород, углерод, азот (в переводе с греческого - «нежизненный»). Кислоты получили название от элементов или веществ, из которых они получались: серная кислота, соляная, азотная, угольная, фосфорная и т.д. Это значительно облегчило систематизацию веществ.

Современные историки науки единодушны в мнении о том, что "...работы Лавуазье произвели в химии, пожалуй, такую же революцию, как два с половиной века до того открытия Коперника в астрономии." (Вильгельм Штрубе).

Со времен Лавуазье, к концу XIX века учеными было открыто уже несколько десятков химических элементов. Остро стоял вопрос о причинах различий между ними и о законах, по которым изменяются их характеристики. Первые попытки систематизации химических элементов связаны с именами нескольких известных химиков. Еще в 1817 г. И.В. Дёберейнер обратил внимание на то, что атомный вес стронция приблизительно совпадает со средним значением атомных весов кальция и бария, причем свойства элементов, составляющих триаду Ca-Sr-Ba, сходны. В 1829 г. он указал и на другие триады.

Спустя 14 лет Л. Гмелин создает таблицу близких по своим свойствам химических элементов, сгруппированных в вертикальные столбцы. Вверху столбцов расположились "базисные" элементы - кислород, азот и водород. Под ними Гмелин расставил триады, тетрады и пентады (группы из трех, четырех и пяти элементов), причем под кислородом находились группы т.н. металлоидов, т.е. электроотрицательных элементов, а электроположительные и электроотрицательные свойства групп элементов убывали сверху вниз.

Закономерное изменение свойств элементов с возрастанием атомного веса использовали в своих таблицах А. де Шанкуртуа (1863), Д. Ньюлендс (1864), У. Одлинг (1868), Л. Мейер (1864).

Но только Дмитрий Иванович Менделеев (1834 - 1907) догадался включить в свою периодическую таблицу еще не открытые элементы! Так было предсказано существование и свойства эка-алюминия (галлия).

После работ Лавуазье и создания периодической таблицы, следующим революционным шагом, предопределившим лицо современной химии, стала теория строения органических веществ Александра Михайловича Бутлерова (1828-1886). Ее основные положения заключаются в следующем:

1. Атомы расположены в молекулах не хаотично, а соединены друг с другом в определенную структуру, в соответствии с их валентностью.

2. Химические свойства веществ зависят не только от количественного соотношения отдельных элементов в молекулах, но и от химического строения молекул.

3. Атомы или группы атомов в молекулах взаимно влияют друг на друга, непосредственно или посредством других атомов.

4. Соединения, у которых один и тот же элементный состав, но различный порядок связи атомов в молекуле (т.е. различная молекулярная структура), называются изомерами. Явление изомерии - также одна из причин многообразия органических соединений.

По-прежнему незыблемой основой очень многих разделов современной химии остаются структурные формулы и стереохимические (т.е. пространственные) представления, сложившиеся в конце XIX-го века. Однако сегодняшние данные о строении молекулы далеко не исчерпываются привычными валентными штрихами (черточками) в структурных формулах.

Основная метаморфоза, которую претерпела химия в 20-м столетии, по словам проф. МГУ П.М. Зорького 1.Зоркий П.М. Критический взгляд на основные понятия химии. Росс.хим.журнал, 1996, т.XL, №3, с.5. заключается в том, что из "экспериментальной науки о веществах и их превращениях" она превратилась в систему представлений, методов, знаний и теоретических концепций, направленных на изучение атомно-молекулярных систем (АМС).

Что из себя представляет АМС? Нельзя рассматривать молекулу, как несколько атомов, соединенных отдельно взятыми связями, в образовании которых участвуют отдельно взятые электронные пары. В реальности необходимо рассматривать молекулярную структуру как сложнейшее пространственное распределение электронной плотности, где характеристики каждой его точки зависят не только от конкретной связи, но и от организации молекулы в целом. Структура стала основным средством описания, интерпретации, прогноза и использования АМС. Не будет преувеличением назвать всю современную химию структурной.

Сегодня химия оказалась перед лицом серьезной проблемы: возникла необходимость на новом уровне согласовать данные классической химии и традиционной физической химии с быстро развивающимися структурными представлениями, со стремительно увеличивающейся в объеме структурной информацией.

К новым структурным представлениям в химии можно отнести понятие микрогетерогенности. Многие химические вещества, которые ранее считались гомогенными (однородными), в действительности представляют собой микрогетерогенные фазы. Это проявляется, например, в том, что в жидкостях молекулы часто объединены в агломераты - небольшие группы, в пределах которых молекулы взаимодействуют сильнее, чем молекулы, относящиеся к разным агломератам.

В воде, например, агломераты существуют благодаря водородным связям между молекулами. В расплаве или растворе многих органических веществ микрогетерогенность обусловлена существованием более или менее стабильных, хаотически перемещающихся относительно друг друга агломератов. Они представляют собой фрагменты молекулярных цепей, лент, стержней, слоев, имеющих вполне определенное строение. Такая структура жидкого вещества, несомненно, влияет на его свойства, например, на параметры, предопределяющие лечебное действие лекарств, растворенных в физиологических жидкостях.

Структурная химическая информация, как раньше, так и сейчас всегда основывалась на экспериментальных фактах и получаемых из них выводах, опирающихся на модельные представления. Специфика современной химии, однако, заключается в том, что моделирование экспериментальных результатов производится компьютерными методами, тогда как раньше оно было чисто умозрительным. Это и не удивительно, поскольку стремительное увеличение объема химической информации, т.е. рост ее количества, должно приводить и к качественным изменениям.

В середине 20-го века структурная информация заключалась в основном в учебниках химии (неорганической, органической, аналитической) чаще всего представших собой увесистые тома или даже многотомные издания, содержащие огромное множество экспериментальных данных. Все эти сведения химику следовало запомнить или хотя бы иметь в виду. Стремительный рост числа научных работников сделал возможным накопление огромных массивов однообразной информации для широкого круга химических соединений (инфракрасные спектры, масс-спектры, диэлектрические постоянные, магнитная восприимчивость, дипольные моменты, термохимические данные и многое другое). Наряду с толстыми учебниками появились очень толстые справочники.

Подобная информация разрослась настолько, что перестала умещаться уже и в справочники; к тому же пользоваться такими изданиями стало дорого и неудобно. В последнюю четверть XX-го века однообразную информация стали сводить в централизованные компьютерные базы (банки) данных. Одна из самых крупных баз данных такого рода - Кембриджская база структурных данных (Cambridge Structural Database, CSD), содержащая сведения о результатах приблизительно 230 тыс. специализированных физико-химических исследований (в основном это т.н. рентгеноструктурные и нейтронографические данные). Быстро увеличивается в объеме и приобретает все большее значение Брукхейвенский банк, накапливающий результаты кристаллографического изучения белков и других биополимеров. Кроме централизованных, получают распространение локальные базы данных. Так, например, к хроматографам, оснащенным т.н. масс-спектроскопическими детекторами, обычно прилагаются базы данных, охватывающие более 100 тыс. масс-спектров органических веществ, что необходимо для идентификации исследуемых компонентов путем сравнения их спектров с известными спектрами.

Научная информация, используемая для наполнения компьютерных банков, поступают в основном от исследователей, имеющих доступ к дорогостоящему и весьма сложному специализированному ("фирменному") оборудованию, предназначенному преимущественно для "физических" методов исследования. Что касается структурных данных, то здесь основными источниками информации служат т.н. инфракрасные спектры и спектры комбинационного рассеяния, ядерного магнитного резонанса и электронного парамагнитного резонанса, дифракционные методы (рентгеноструктурный анализ и нейтронография). Объем сведений, полученных с помощью названных методов в последние три-четыре десятилетия 20-го века, в тысячи раз превысил объем опытных данных, накопленных за предыдущие три века существования научной химии. При этом разрабатываемые в настоящее время новые экспериментальные методики (например, использование т.н. синхротронного излучения в рентгеноструктурном анализе) открывают фантастические возможности не только ускоренного накопления информации, но и ее полной перепроверки и уточнения, осуществляемого за очень короткие сроки.

Применение мощных физических методов с использованием "фирменной" аппаратуры, стандартизированной обработки и существование компьютерных банков данных не только открывает химикам новые возможности, но и имеет отрицательные последствия. К таким последствиям можно отнести снижение творческой инициативы исследователя, направленной на нешаблонный анализ, осмысление результатов, выходящих за пределы существующей научной доктрины. Высокая стоимость научного оборудования зачастую приводит к тому, что экспериментальная научная задача ставится в ущерб научной целесообразности, исходя в основном из имеющихся в данной лаборатории технического оснащения.

Унификация способов обработки и представления данных, принятая в компьютерных банках, поддерживаемая научными журналами и устанавливаемая научными сообществами как общепринятая норма, нередко заставляет исследователя осуществляют не тот эксперимент, который задуман исходя из поставленной научной задачи. Вместо него выполняется тот, который позволит хорошо смотреться на конференции, без проблем опубликовать результаты и заложить их в банк.

Еще одной важной стороной химических исследований является задача разделения сложной смеси веществ, относящаяся к аналитической химии.

В один ряд с Лавуазье, Менделеевым и Бутлеровым можно поставить российского исследователя, профессора Михаила Семеновича Цвета (1872-1919). Его заслугой является открытие хроматографического процесса. Перед ученым стояла задача разделение смеси желтых и зеленых пигментов листьев растений. Для ее решения он использовал стеклянную трубку (колонку), заполненную сорбентом (порошком мела) и закрытую в нижней части пористой пластинкой таким образом, чтобы мел из трубки не высыпался. Разделяемую пробу - смесь пигментов в растворителе - Цвет помещал в верхнюю часть трубки, пропитывая этой пробой верхний слой сорбента. Ученый обнаружил, что если после нанесения пробы начать промывать колонку растворителем, то окрашенная зона, содержащая пигменты, постепенно начнет двигаться вниз по колонке и со временем разделится на две зоны, окрашенные в желтый и зеленый цвета. Это происходит за счет того, что разные компоненты пробы с разной силой адсорбируются на поверхности сорбента и поэтому двигаются вдоль него с разной скоростью. Разбив колонку и выделив окрашенные области сорбента можно извлечь соответственно желтые (ксантофиллы) и зеленые (хлорофиллы) пигменты листа. Согласно современной терминологии Цвет открыл проявительный вариант хроматографии (проявительную жидкостно-адсорбционную хроматографию). Основные итоги исследований по развитию созданного им варианта хроматографии Цвет изложил в книге “Хромофиллы в растительном и животном мире” (1910), которая является его докторской диссертацией.

Если разделение пробы на колонке Цвет мог наблюдать только постольку, поскольку ее компоненты были окрашены, то позднее были изобретены устройства (детекторы), позволяющие обнаруживать их при выходе из колонки. Теперь оказалось возможным разделять даже бесцветные компоненты, масса которых не превышала долей микрограмма.

В середине XX века были изобретены еще несколько разновидностей хроматографических методов - это газовая, высокоэффективная жидкостная, тонкослойная, ионообменная, аффинная хроматография и некоторые другие методы. Исследователи получили в свое распоряжение невероятные возможности химического анализа.

Так, например, пользуясь капиллярной газовой хроматографией в сочетании с т.н. масс-спектроскопией за 30-40 мин можно разделить смесь из 100 - 150 веществ, установив при этом название и точное количество каждого из них. Масса анализируемой пробы может составить менее одного нанограмма (10-9 г.). Интересно, что в капиллярной газовой хроматографии форма колонки уже совсем другая: она представляет собой кварцевый капилляр длиной до 100 м, свернутый в бухту.

В отличие от первых опытов Цвета современные хроматографические методы требуют применения сложнейшей аппаратуры. Серийно выпускаемый газовый или жидкостный хроматограф стоит обычно порядка 20-30 тыс. долларов и требует подключения к компьютеру со специальным программным обеспечением. Существуют хроматографы, стоимость которых превышает миллион долларов.

В настоящее время около 1/3 всех работ в области химии и биологии так или иначе связаны с использованием хроматографии.

Не будет преувеличением сказать, что открытие М.С. Цвета - не просто новая научная информация, а это информация о том, как можно получать новую информацию.



Научно-техническая революция - причины, возможные последствия и шансы отечественной науки

Среди наших современников еще есть люди, родившиеся на рубеже XIX и XX веков, для которых, вероятно, смысл словосочетания "концепции современного естествознания" имеет особое значение. Совершив 100-летнее путешествие в будущее, они попали совершенно в другую цивилизацию, аналога которой не было ни 500, ни 1000 и ни 5000 лет тому назад. На протяжении их жизни возникло много удивительных вещей: началось широкое применение электричества; сначала это были приборы постоянного тока, чуть позже изобретены двигатели, генераторы и трансформаторы переменного тока, без которых сейчас немыслимы элементарные удобства, массовое распространение получил автотранспорт, появилась авиация, изобретено радио, телевидение, человек стал регулярно летать в космос, космические аппараты достигли Марса, и некоторые из них покинули пределы Солнечной системы, появились компьютеры, способные совершать триллионы операций в секунду, Интернет, синтезированы сотни тысяч разнообразных химических веществ, расшифрован механизм наследственности, изучена структура белка, ДНК, вирусы, о которых в 1905 г. еще и не подозревали, синтезированы химическим путем....

Авторам этого учебника, занимавшимися научными исследованиями в недалеком, казалось бы, 1980 году, приходилось выполнять сложные расчеты, пользуясь логарифмической линейкой. Только начавшие появляться простейшие калькуляторы казались чудом техники и стоили немалые деньги. Посещая читальный зал библиотеки, нередко приходилось переписывать большие научные статьи и главы книг от руки - копировальные аппараты отсутствовали. Невозможно было себе представить, что уже через 15-20 лет появится персональный компьютер, который станет такой же привычной вещью, как холодильник или телевизор.

Удивительный факт: современное научно-техническое состояние нашей цивилизации основано на открытиях и изобретениях, совершенных в последние 100-150 лет, тогда как исторический период т.е период, для которого установлена относительная и непрерывная хронология мировых исторических событий, или период связной истории принято считать равным около 5-6 тыс. лет.

Стремительное ускорение научно-технического прогресса, начавшееся в конце XIX века, имело несколько причин. Самой важной среди них, возможно, являлась информационная революция в естествознании. В свою очередь, в ее основе лежало появление периодической научной прессы.

Не будет преувеличением сказать, что вплоть до середины XVII века обмен научной информацией даже среди европейских ученых отсутствовал. Немногочисленные непериодические научные издания печатались ничтожным тиражом и стоили очень дорого. Многие открытия и изобретения оказались невостребованными обществом только потому, что их авторам не удалось найти средства на издание соответствующих книг. Не подозревая об исследованиях своих коллег, ученые нередко тратили всю жизнь на получение результатов, достигнутых ранее. Совершенно необходимая в современной науке вещь - личные контакты между исследователями - иногда требовали поездки в конных экипажах на расстояния в тысячи километров. Наука, поддерживаемая только разрозненными усилиями одиночек, как коллективное явление не существовала, а об эффективности исследований говорить не приходилось.

Ситуация принципиально изменилась с появлением первых научных журналов. Теперь, получив научный результат, ученый мог написать небольшую статью и отнести ее в редакцию, не утруждая себя дальнейшими заботами и находясь в полной уверенности, что выпуск журнала с этой его статьей окажется в скором времени в крупнейших европейских научных библиотеках, где ее смогут прочитать все, кто работает в этой же области знаний.

Первые научные журналы стали издаваться с 1665 в Великобритании и Франции: "Philosophical Transactions of the Royal Society of London" (с 1665 г.) и "Journal des savants" (1665-1792 и с 1816 г.). Вскоре аналогичные издания стали появляться и в России. Самым первым из них оказался "Комментарии Санкт-Петербургской Академии". Блестящий состав российских (как собственно русских, так и приглашенных из-за рубежа) академиков обеспечил успех новому журналу. В первом томе был напечатан ряд статей, посвященных интегрированию дифференциальных уравнений, впервые в истории математики рассматривавшихся независимо от геометрических или механических задач. В третьем томе появились знаменитые мемуары Иоганна Бернулли о колебании струны, в котором впервые решение давалось тригонометрическим рядом. Со второго тома "Комментариев..." в этом издании начал регулярно печататься Эйлер.

В VII - VIII веках количество издаваемых естественнонаучных журналов еще не создавало серьезных проблем для их читателей. Чтобы получить исчерпывающую информацию о текущих исследованиях, например, в самых различных областях физических наук, было достаточно зайти в библиотеку и перелистать последние 1-2 выпуска научных журналов по физике - число таких журналов во всем мире составляло всего несколько наименований.

Однако в конце VIII века научная пресса вступила в фазу стремительного роста.

Приведем, например, численность реферируемых Т.е. журналов, краткое содержание статей которых помещалось в т.н. реферативные журналы физических журналов ведущих промышленно развитых стран в 1971 г:

	США	СССР	Англия	Япония	Франция	ГДР и ФРГ	Голландия
Число журналов	71	24	62	37	14	47	14

Общее количество естественнонаучных журналов удваивается через каждые 10-15 лет, и сейчас эта цифра близка к 100000.

Совершенно очевидно, что нет никакой возможности выписывать и читать все научные журналы, даже в какой-то относительно узко специализированной отрасли, например по физике полупроводников или по физике элементарных частиц - их может насчитываться десятки. В связи с этим в середине ХХ века широкое распространение стали получать реферативные журналы. В тематический реферативный журнал помещают имена авторов, название и краткое содержание специализированных научных статей, опубликованных по данной теме во всем мире. Кроме того, каждый реферат имеет свой идентификационный номер (индекс) и адрес, по которому можно связаться с авторами.

Создание реферативных журналов было важнейшим этапом становления научной прессы. Благодаря им стало возможным относительно быстро получить доступ к любой интересующей исследователя научной статье, независимо от того, в какой стране мира она опубликована, имеется ли исходный журнал в библиотеке по месту проживания исследователя, или нет. Для этого достаточно отправить автору соответствующую просьбу по почте или же обратиться к издателю реферативного журнала, сославшись на индекс реферата. В нашей стране продолжает действовать система межбиблиотечного абонемента - используя данные о авторах, названии статьи, журнала и его выходных данных, при отсутствии этого журнала в местной библиотеке, его можно заказать в одной из московских библиотек.

Тем не менее, несмотря на существование реферативных журналов, традиционная система поиска научной информации испытывала и продолжает испытывать серьезные трудности. По-прежнему доля времени, затрачиваемая учеными на поиски информации, неоправданно велика.

Почтовые отправления информации (копий статей) обычно затягиваются на многие недели и месяцы. Подобная ситуация в особенности неприемлема с учетом того, что, работая с научными библиографическими источниками, исследователь обычно прибегает к поиску по последовательной ссылке: т.е. первая статья ссылается на вторую, вторая на третью и т.д. Для российских исследователей представляет собой проблему и стоимость копирования; средняя кандидатская диссертация может насчитывать несколько сотен библиографических ссылок на статьи и книги, содержащие десятки и сотни страниц каждая.

Вне всякого сомнения, в настоящее время мы переживаем новую революцию в системе поиска научной информации, которую можно сравнить разве что с появлением первых журналов - это компьютеризация и использование сети Интернет. Уже одно только издание интернет-журналов дает их авторам и читателям огромные преимущества: сроки публикации сокращаются с обычных 6 -12 месяцев до 2-4 недель, предельно упрощается доступ к статьям - достаточно подключенного к сети персонального компьютера. Так, например, к одному из первых российских естественнонаучных изданий относится журнал "Исследовано в России" Он реферируется - рефераты помещенных в нем статей печатаются в "бумажных" реферативных журналах. Ряд научных журналов начинает дублировать обычные "бумажные" выпуски интернет-копиями.

Еще большие преимущества несут в себе специализированные т.н. телеконференции (интернет-форумы). Обычно требования к оформлению и содержанию отправляемых в них статей или коротких комментариев ниже, чем в традиционных "бумажных" или интернет-журналах, однако телеконференции дают ученым качественно новые, беспрецедентные возможности. Сегодня Вы можете опубликовать результаты, которые получили только вчера и даже публиковать результаты, получаемые по ходу эксперимента. Обнаружив на телеконференции чужие научные данные, Вы можете немедленно на них отреагировать - отправить в соответствующий адрес свои комментарии и предложения. Это существенно улучшает скорость и качество научной работы, поскольку экспресс-публикация позволяет, пользуясь консультационной помощью удаленных пользователей сети Интернет, быстро исправить сделанные ошибки или воспользоваться подсказанной кем-то из специалистов идеей, полезной в Вашей научной работе. Очень часто, благодаря консультациям в сети Интернет, можно получить библиографическую помощь от тех или иных авторов.

В результате компьютеризации появляются принципиально новые методы поиска научной информации: достаточно ввести интересующие Вас ключевые слова в поисковую систему Интернета, и через несколько секунд Вы увидите на экране Вашего персонального компьютера заголовки всех публикаций, содержащие эти слова.

Развитие виртуальной (т.е. базирующейся на системе Интернет) системы поиска информации сильно сдерживается бюрократическими механизмами. Так, не представляет собой сложную техническую проблему перевод всех "бумажных" книг, хранящихся, например, в фондах московской Центральной начно-технической библиотеки в "электронную" форму с возможностью свободного доступа к ним в любое время. Тем не менее, в ближайшем будущем это вряд ли произойдет: большинство книг защищено законами об авторских правах, а это значит, что в каждом случае потребовалось бы разрешение авторов (или их наследников) на копирование.

И все же, кое-где здравый смысл берет вверх над бюрократическими препятствиями. Например, любой пользователь (в т.ч. и российский) персонального компьютера сети Интернет, вне зависимости от страны проживания, может в любой время, бесплатно, и без всяких ограничений получить доступ к материалам патентной службы США (USPTO - United States Patent Technical Office) - это все патенты США с 1747 г. Объем информации, хранящейся в USPTO, составляет около 15 терабайт и требует использования всего лишь нескольких десятков жестких дисков (винчестеров), установленных на десятке персональных компьютеров. В USPTO существует удобная система поиска по ключевым словам, фамилиям авторов и дате изобретения, доступная с компьютера удаленного пользователя. То же самое можно сказать и о Европейской патентной службе.

Отечественная патентная служба тоже смогла создать технически аналогичную интернет-систему поиска материалов российских патентов и изобретений. Но, даже для российских ученых она платная. Более того, доступ к ней разрешен только... через патентные отделы библиотек.

Рассматривая происходящую сегодня компьютеризацию научных информационных систем, необходимо принимать во внимание что это только начальная стадия гораздо более масштабного процесса, последствия которого нам неизвестны.

По-видимому, в будущем весьма существенное значение будет играть растущая емкость информационных носителей. Уже сейчас обычным является DVD-диск объемом 8,5 гигабайт, позволяющий записать все 33 тома Большой Советской энциклопедии, вместе с текстом и рисунками. В недалеком будущем предполагается выпуск компакт-дисков емкостью в десятки гигабайт, а через 20-30 лет, по прогнозам специалистов, доступными будут носители, имеющие размеры кредитной карточки и объемом, исчисляемым уже терабайтами. В этой связи нельзя считать невозможной ситуацию, если Вы отправитесь в магазин и попросите, например, диск под названием "Все отечественные биологические журналы с 1947 по 2025 г." Вероятно, роль библиотек измениться - они скорее станут выполнять функции культурных центров, чем хранилищ информации.

Коренным образом изменятся не только характер поиска естественнонаучной информации, но методы ее получения. Возрастающими темпами ускоряется прогресс в автоматизации исследований. Если раньше образ ученого-химика ассоциировался с человеком, манипулирующим различными колбами, пробирками, переливающим какие-то жидкости и т. д., то современная химия - это сложная и дорогая, управляемая компьютерами аппаратура. Виртуализируется сам процесс выполнения химического эксперимента. Так, например, для того, чтобы изучить свойства каких либо новых химических веществ, ранее необходимо было синтезировать их и провести необходимые реакции с другими веществами. Современные методы квантовой химии позволяют рассчитать многие свойства и реакционную способность еще не синтезированных веществ. Для этого нужна предполагаемая структурная формула вещества, обычный персональный компьютер и соответствующая программа. Результатом расчета будут точные данные о размерах молекулы, величине ее дипольного момента, величинах углов между отдельными связями, скорости реакций с другими веществами и разных физико-химических свойствах моделируемого вещества.

Становиться совершенно обычным явление, когда результат научных исследований, представленный большим количеством отдельных измерений тех или иных параметров виден не сразу, напрямую, а только после сложной статистической обработки данных или сложного компьютерного моделирования.

Виртуализация научных исследований в современном обществе сопровождается виртуализацией быта, где дело иногда доходит до курьезов. Авторам этой книги несколько лет тому назад пришлось увидеть интервью, взятое корреспондентом одного из центральных каналов российского телевидения у некой американской гражданки - большой поклонницы компьютерной техники. Работая со своего домашнего компьютера менеджером, интернет-провайдером американской компании по производству бытовой техники, она получает зарплату на свой счет в банке, большая часть которой расходуется по безналичному расчету. При необходимости приобрести какие-либо продукты питания, вещи или если нужно оплатить счет за квартиру, управление платежами производится через Интернет. Заказанные через Интернет покупки доставляются домой. Основное развлечение - компьютерные игры. Если же хозяйке нужно приготовить пищу на своей кухне, то рецепты она тоже ищет в Интернете.

Приблизительно такая же ситуация нас ожидает в естественных науках. Немного пофантазировав, можно в вышеприведенном примере заменить должность интернет-провайдера на должность физика-теоретика или даже физика экспериментатора, управляющего работой своей лабораторной установки с терминала домашнего компьютера. Необходимые для работы библиографические данные он будет брать в Интернете и там же публиковать полученные результаты.

Увеличение мощности компьютеров приводит к тому, что приоритеты исследователей постепенно смещаются от физических моделей к виртуальным. Кроме вышеприведенного примера с моделированием свойств веществ отметим, что компьютеры все чаще применяется для моделирования экосистем, функционирования физиологических и биохимических систем, глобальных климатических процессов, ядерных взрывов, процессов экономического развития. В настоящее время перечисленные задачи требуют использования весьма дорогостоящих суперкомпьютеров, однако, вне всякого сомнения, в ближайшем будущем для этого будет достаточно применения персональных компьютеров.

Именно это обстоятельство, а также тот факт, что компьютер способен многократно увеличивать эффективность сбора и обработки данных, дает возможность небольшим лабораториям выполнять ту работу, которую раньше могли сделать только крупные исследовательские центры.

Например, в 80-х годах в исследовательскую практику стал входить метод компьютерной электроэнцефалографии. Если ранее, электрический сигнал, снимаемый с электродов на голове пациента, регистрировался многоканальным самописцем, то теперь его стало возможным вводить непосредственно в компьютер для последующей обработки. Метод позволяет получать научные и диагностические данные, которые ранее нельзя было получить в принципе. Первые компьютерные энцефалографические установки конца 70-х - начала 80-х годов базировались на старых громоздких и очень дорогих компьютерах типа БЭСМ-6, занимая целую комнату. В настоящее время компьютерный энцефалограф - это небольшая плата, устанавливаемая в обычный персональный компьютер и сопоставимая с ним по стоимости.

По-видимому, благодаря компьютеризации, уменьшению размеров и стоимости исследовательской техники одной из основных тенденций развития науки будет ее децентрализация.

С другой стороны, в отдельных отраслях науки затраты ее дальнейшее развитие потребуют огромных финансовых средств. Сюда можно отнести, например, проекты в области ядерной физики, космических и астрофизических исследований, создания суперкомпьютеров.