Концепция единства структурных превращений вещества и химическая картина мира

МИНИСТЕРСТВО ВНУТРЕННИХ ДЕЛ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

БЕЛГОРОДСКИЙ ЮРИДИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Кафедра гуманитарных и социально-экономических дисциплин

Дисциплина: " Концепции современного естествознания "

химическая картина мира "

Введение

1. Химическая "технология" и химическое миропонимание (алхимия) цивилизации в ее первоначалах

Известно, что уже за несколько тысяч лет до нашей эры в Древнем Египте люди научились выплавлять и использовать для практических целей золото, медь, серебро, олово, свинец и ртуть. В стране священного Нила развивалось производство керамики и глазурей, стекла и фаянса. Использовали древние египтяне и различные краски: минеральные (охра, сурик, белила) и органические (индиго, пурпур, ализарин). Отсюда, можно полагать вслед за знаменитым французским химиком Мю Бертло, что и само название "химия" произошло от древнеегипетского слова "хемы": так называли людей, населяющих так называемые в Египте "чёрные земли", где были именно развиты указанные выше ремёсла.

Однако греческий алхимик Зосима (III-IV вв. н.э.) объяснял происхождения слова "химия" иначе: он понимал под химией искусство делать серебро и золото (в этом смысле химия есть искусство плавки металлов). Известны на этот счет и другие толкования данного понятия. Поэтому необходимо отметить в указанной связи, что до сих пор у учёных нет единого мнения на этот счёт.

Химические ремёсла были развиты в 4-2 тысячелетии до н. э. не только у египтян, но и в странах Междуречья на Ближнем Востоке (долины рек Тигра и Евфрата). В те времена народы, населявшие Междуречье, знали металлы (из свинца, например, отливали статуэтки, культовые фигурки), широко использовали минеральные и органические красители, умели изготовлять глазури, фаянс и т.д.

Учёные-философы Древней Греции (VII-V вв. до н. э.) пытались объяснить, каким образом осуществляются различные превращения, из чего и как произошли все вещества. Так возникло учение о началах, стихиях (от steheia - основа), или элементах (от латинского elementum - первооснова, первоначало), как их стали называть позже.

Фалес Милетский считал, что мир - это единое целое, а все, что происходит в природе, есть результат уплотнения или разряжения единой первоматерии, единого первоначала - воды. Анаксимен Милетский признавал первичной материей воздух, при охлаждении и сгущении которого образуется вода, а из неё затем при последующем уплотнении и охлаждении возникает земля. Философ Ксенофан учил, что первичными началами являются вода и земля: материя не уничтожается и не возникает, мир существует вечно.

В 544-483 гг. до н. э. в городе Эфесе жил знаменитый философ Гераклит, который считал, что все "телам" природы присуще вечное движение. Естественно, что первоматерией при этом он признавал самое подвижное и изменчивое начало - огонь. Мир, по мнению Гераклита, не создан ни богами, ни людьми, "был, есть и будет вечно живым огнём", который закономерно воспламеняется и так же закономерно угасает.

Другой древнегреческий философ, Эмпедокл, наблюдая горение дерева, отмечал, что сначала образуется дым, воздух, затем пламя (огонь) и, в конце концов, остаётся зола (земля). Если около пламени будет находится холодная поверхность, то на ней осаждаются пары воды. Таким образом, горение есть разложение горящего вещества на четыре элемента: воздух, огонь, воду и землю. На основании такого вывода Эмпедокл первый создал учение о четырёх началах ("корнях") природы: "Сначала выслушай, что четыре корня всего существующего - Огонь, и Вода, и Земля, и безграничная высь Эфира... Из них всё, что было, и всё то, что будет". Эти "начала" вечны и неизменны.

Анаксагор из города Клазомена в Малой Азии первым высказал предположение, что все вещества состоят из бесчисленного количества первичных начал материи - "семян вещей". Материи свойственны противоположные качества: свет и тьма, теплота и холод, сухость и влажность. Только совокупность этих качеств, взятая в различных соотношениях, обуславливает образования таких начал, как земля и эфир.

Здесь необходимо отметить, что тогда же, наряду с учением о "стихиях", развивались и другие представления о строении материи - атомистические.

Ярчайшей фигурой древней Греции и всего античного мира был Аристотель (384-322 гг. до н.э.). Он как и Эпмпедокл, признавал, что в мире существуют четыре основных "начала" - "стихии" (они же "элементы", иногда "принципы" или "первичная материя"). Под стихиями Аристотель понимал "предельные части", на которые разлагаются все тела. Эти части не делятся дальше и отличаются друг от друга "по виду". К стихиям он относил воду, землю, огонь и воздух; каждая из стихий бала носителем двух свойств из четырёх - влажности и сухости, тепла и холода: воздух теплый и влажный, огонь сухой и тёплый, земля сухая и холодная, вода холодная и влажная.

Помимо этих четырёх элементов Аристотель ввёл и пятый, который назвал "сущность". В средние века алхимики стали именовать этот элемент "квинтэссенцией" (от латинского quinta essentia - пятая сущность), "философским камнем", "эликсиром жизни", "великим магистерием", "красной тинктурой", "универсалом", "медикаментом". Таинственному пятому элементу приписывали сверхъестественные свойства.

Учения Аристотеля о взаимном превращении элементов и о пятой сущности легло впоследствии в основу представлений о так называемой "трансмутации", в том числе и о получении золота из неблагородных металлов. И первыми стали вводить учение Аристотеля о пятой сущности так называемые "алхимики".

Однако идеи трансмутации вовсе не связаны с Аристотелем, как "первоисточником" этой идеологии, а уходят в более давние времена.

До завоевания Египта иноземцами египетские жрецы, знавшие многие химические операции (получение сплавов, амальгамирование, имитация драгоценных металлов, выделение красок и т.д.), держали их в глубочайшей тайне и передавали только избранным ученикам, а сами операции проводили в храмах, сопровождая их пышными мистическими церемониями. После падения этой страны многие тайны жрецов стали известны древнегреческим учёным, которые считали, что получаемые жрецами имитации драгоценных металлов и есть настоящие "превращения" одних веществ в другие, полностью соответствующие законам природы. Словом, в эллинистическом Египте произошло соединение натурфилософских представлений античных философов и традиционной обрядности жрецов - то, что впоследствии и было названо арабами "алхимией".

Это название вышеуказанных "превращений" возникло в силу определенных политических обстоятельств. Около 640 г. н. э. Египет захватили арабы, а уже в начале VIII в. их власть установилась на огромной территории - от Гибралтара до Индии. Научно-практические знания и культура, усвоенные арабами в покорённых странах (и особенно в Египте), к XII в. достигли Европы. В этом большую роль сыграла торговля между государствами арабского Востока и европейскими странами. Химические знания, пришедшие в Европу от арабов, и стали называть арабским словом «алхимия». Что же это были за знания?

Следует отметить, что зачатки именно алхимических взглядов встречались, вообще говоря, у многих народов. В I в.н. э. древнеримский врач и естествоиспытатель Диоскорид написал первую химическую энциклопедию, в которой были изложены способы приготовления известковой воды, медного купороса, белил и некоторых других веществ. В Китае алхимик Вей Паян (II в.) описывает рецепт получения "пилюль бессмертия". Ко Хун (281- 361) также даёт рецепты изготовления "пилюль долголетия'' и искусственного золота. Поиски таких рецептов были распространены и в эллинистическом Египте. От тех времён сохранилось два папируса, относящихся к III веку, - "Лейденский папирус X" и "Стокгольмский папирус". В первом содержится около ста рецептов имитации золота, а во втором, кроме того, описывается подделка жемчуга и крашение пурпуром.

Однако основателем собственно алхимии считают греческого алхимика Зосиму - автора многих научных сочинений, в том числе и алхимических ("Имут", где говорится о происхождении алхимии; "О хорошем качестве и составе вод", где описывается получение живительной воды).

Среди арабских алхимиков одним из виднейших был принц Калида ибн Казид (ок. 660-704), проведший большую часть жизни в Египте. Он приказал перевести на арабский язык все известные алхимические сочинения.

Но истинным «царём науки» арабы называли великого учёного Джабира ибн Гайяна (ок. 721-815), известного в Европе под именем Гебер. Знакомый с учениями древних, он стал последователем Аристотеля, взгляды которого на элементы-качества были переосмыслены арабами.

Гайян считал, что металлы состоят из двух основных частей (элементов): серы, являющейся носителем горючести и изменчивости, и ртути - "души" металлов, носителя металличности (блеска, твёрдости, плавкости), а основными химическими процессами являются горение и плавление. Самыми благородными металлами являются золото и серебро, в состав которых входят сера и ртуть в наичистейшим виде и в самой оптимальной пропорции. Разнообразие последних зависит от количественного соотношения серы и ртути и от примесей. Но в природе этот процесс соединения идёт очень медленно, и, чтобы ускорить его, надо добавить "медикамент" (особый препарат), тогда превращение займёт около 40 дней; если же использовать "эликсир", то весь процесс получения золота займёт всего 1 час!

Изучал Гайян и свойства, а также способы приготовления многих солей: купоросов, квасцов, селитры и др.; знал получение кислот: азотной, серной, уксусной; при проведении опытов прибегал к перегонке, обжигу, возгонке, кристаллизации. Он считал, что практика и опыты для алхимиков имеют первостепенную важность, без них успех невозможен. Труды Гайяна ("Книга семидесяти", "Книга ядов", "Сумма совершенств", "Книга о печах") изучались в течение многих веков.

Учеником прославленного Гебера считал себя крупнейший арабский алхимик Абу Бакр Мухаммед ибн Закарийа ар-Рази (865-925), автор "Книги тайн" и "Книги тайны тайн". Он первый провёл классификацию известных в то время веществ, разделив их на три класса: землистые (минеральные), растительные и животные.

Ар-Рази признавал трансмутацию неблагородных металлов в благородные, признавал элементы металлов - серу и ртуть, но, не ограничиваясь этим, ввёл дополнительный третий - элемент "соляной природы", являющийся носителем твёрдости и растворимости. Это учение о трёх элементах (сера, ртуть, соль) широко распространилось среди европейских алхимиков.

Восприняв представление античных атомистов, ар-Рази применил их к учению Аристотеля, считая, что вещества состоят из неделимых элементов-частиц (атомов, по-современному) и пустоту; сами элементы вечны, неделимы и имеют определённые размер. Свойства же веществ зависят от размеров атомов и расстояний между ними (пустот). Так, земля и вода состоят из атомов больших размеров, а пустоты в них меньше, и поэтому они движутся вниз; огонь и воздух, наоборот, движутся вверх, так как их атомы меньше, а пустоты в них больше.

Как и Гайян, ар-Рази считал, что целью алхимии должно быть познание свойств веществ, освоение всевозможных операций над ними, изготовление различных аппаратов для осуществления этих операций. В этой практической, а не отвлечённо-мистической направленности структурных преобразований вещества, как раз и выразилась специфика учения арабских алхимиков.

Идея превращения неблагородных металлов в благородные нашла много приверженцев и в Западной Европе. За толстыми стенами, в сырых подвалах, в уединённых кельях европейские алхимики пытаются "ускорить" процесс "совершенствования" металлов. Неблагородные металлы расплавляют, смешивают друг с другом, окрашивают, закапывают в землю, но… золото так и не получается!

Все больше и больше формируется мнение, что процесс получения золота "лабораторным" путем есть скорее всего процесс сверхъестественный? Над металлами начинают произносить заклинания, а на полу на полу и на стенах "лабораторий" изображают магические формулы Но и эти манипуляции не привели к положительному результату!

Но может быть, вся суть заключается именно в пятом элементе - "квинт- эссенции", получившем множество различных возвышенных и таинственных имён? Только он один мог бы превратить любой металл в золото, дать человеку вечную жизнь и молодость. И теперь усилия алхимиков сосредотачиваются на получении философского камня. Были созданы сотни зашифрованных рецептов, большинство из которых до сих пор не удалось разгадать, не говоря уже об их экспериментальной проверке.

Шли годы... Алхимики продолжали свои поиски. И одним из крупнейших алхимиков Средневековья был Альберт фон Больштедт (1193-1280). Обладая поразительной работоспособностью, жаждой знаний и будучи прекрасным оратором, он стал знаменитым среди своих современников, которые называли его "универсальным доктором", Альбертом Великим. Отказавшись в 1265г. от епископства, фон Больштедт удалился в монастырь и посвятил оставшиеся годы жизни науке. Им было написано огромное число трактатов по различным отраслям знаний, в том числе и по алхимии - "Пять книг о металлах и минералах", "Книга об алхимии".

Альберт Великий полагал, что трансмутация металлов зависит от их вида и плотности. Изменение же свойств металлов происходит под действием мышьяка (окрашивает металлы в жёлтый цвет) и воды (сжимаясь и уплотняясь, она увеличивает плотность металлов). Описывая проведение алхимических операций, он приводит ряд правил, которым надо следовать в работе: хранить молчание, скрываться от глаз людских, соблюдать время и т.д.

В XVI в. особой популярностью пользовались сочинения Василия Валентина ("могущественный царь") - "О тайной философии", "О великом камне древних мудрецов", "Триумфальная колесница антимония". Правда, все попытки установить подлинное имя этого автора так и не удались: видимо, под этим псевдонимом писал неизвестный алхимик и, возможно, не один.

Признавая трансмутацию металлов и начала алхимиков, Василий Валентин особо подчеркивал, что алхимические элементы металлов не имеют ничего общего с реальными элементами того же названия: "Все, писавшие о семенах металлов, согласны в том, что сера представляет мужское семя металлов, а ртуть - женское семя, но это нужно понимать разумом и не принимать за семена металлов обыкновенную серу и обыкновенную ртуть, потому что обыкновенная ртуть, будучи сама металлом, не может быть семенем металлов". Также не могут быть "семенем" металлов обыкновенная сера и соль. Последняя, по его мнению, характеризует способность металлов растворяться в кислотах.

Здесь надо подчеркнуть, что в алхимических изысканиях Василия Валентина впервые в истории развития алхимических представлений проявляется необходимость значительной практической направленности этих знаний помимо "стратегических" целей алхимии. Так, он первым упоминает о соляной кислоте ("соляном спирте"), предлагает способ получения её из поваренной соли и железного купороса, описывает её действие на металлы и некоторые оксиды. Сурьме и её соединениям посвящено сочинение "Триумфальная колесница антимония".

Вместе с тем следует отметить, что далеко не все средневековые учёные принимали основные теоретические рассуждения и положения алхимиков. И одним из таких учёных был Авиценна. Этим латинским именем называли знаменитого арабского философа и врача абу Али ал-Хусейна ибн Сину (980-1037), таджика по национальности, родившегося недалеко от Бухары. Он создал около 300 трудов, и некоторые из них ("Медицинский канон", "Книга исцеления", "Книга знаний") пользуются заслуженной известностью и в настоящие время. Им описана почти тысяча различных веществ, среди которых были и металлы. Авиценна вовсе не отрицал важностьсеры и ртути для химических превращений, но отрицал возможность взаимного превращения металлов одного в другой, поскольку полагал, что для этого нет реальных путей.

Не верил в трансмутацию и величайший итальянский учёный и художник Леонардо да Винчи (1452-1519), поставивший своей целью "постичь происхождение многочисленных созданий природы". Он опирался на эксперимент, который он считал посредником "между искусной природой и родом человеческим" и который "должно производить многократно, чтобы какое-нибудь случайное обстоятельство не повлияло бы на его результаты".

Леонардо да Винчи, конечно, признавал практическую алхимию, которая могла приносить пользу, но резко выступал против тех алхимиков, которые ставили своей целью получение золота. Леонардо считал, что человек не может создавать простые вещества, а тем более превращать их одно в другое, да и ртуть не может быть общим "семенем" металлов, поскольку "природа разнообразит семена соответственно различию вещей".

Но эпоха алхимии не прошла даром. В поисках условий для осуществления таинственной трансмутации алхимики разработали такие важные методы очистки веществ, как фильтрация, возгонка, дистилляция, кристаллизация. Для проведения экспериментов они создали специальные аппараты водяную баню, перегонный куб, реторты, печи для нагревания колб. Алхимиками были открыты серная, соляная и азотная кислоты, многие соли, этиловый спирт, изучены многие реакции (взаимодействие металлов с серой, обжиг, окисление и т.д.).

И тем не менее, чтобы превратить алхимические учения в положения действительно научной химии, необходимо было "очистить" их от мистических наслоений, поставить на подлинную экспериментальную основу, детально исследовать состав веществ. Начало этому сложному и длительному процессу положили так называемые "иатрохимики" (от греч. iatros - "врач") и представители так называемой "технической химии".

Развитие иатрохимии, металлургии, красильного дела, изготовление глазурей и т.д., усовершенствование химической аппаратуры - всё это способствовало тому, что эксперимент постепенно становился основным критерием истинности теоретических положений. Практика же, в свою очередь, не могла развиваться без теоретических представлений, которые должны были не только объяснить, но и предсказывать свойства веществ и условия проведения химических процессов. Учёные отказались от традиционных "начал" алхимиков и обратились к материалистическим представлениям древних о строении материи.

2. От алхимии - к научной химии: путь действительной науки

Новому пониманию предмета химического познания способствовало возрождение античного атомизма. Здесь важную роль сыграли труды французского мыслителя П.Гассенди. Он не только воскресил атомистическую теорию, но, по словам Дж. Бернала, превратил её "в учение, куда вошло все, то новое в физике, что было найдено в эпоху Возрождения". Для обнаружения частиц, не видимых простым глазом, Гассенди использовал энгиоскоп (микроскоп), и из этого он сделал вывод, что если можно обнаружить столь мелкие частицы, то могут существовать и совсем мельчайшие, которые удастся увидеть впоследствии.

Гассенди считал, что Бог создал определённое число атомов, отличающихся друг от друга формой, величиной и весом и всё в мире состоит из них. Как из кирпича, брёвен и досок можно построить огромное число разнообразных зданий, так и из нескольких десятков видов атомов природа создаёт великое множество тел. Соединяясь, атомы дают более крупные образования - "молекулы". Последние в свою очередь, объединяясь друг с другом, становятся более крупными и "доступными для ощущения". Тем самым Гассенди первым ввёл в химию понятие "молекула" (от лат. moles и cula - "масса" в уменьшительном значении)

И вместе с тем П.Гассенди разделял заблуждения науки своего времени. Так, он признавал божественное происхождение атомов, признавал, что существуют особые атомы запаха, вкуса, тепла и холода.

Развитию корпускулярной теории способствовал и великий английский учёный Исаак Ньютон (1643-1727), занимавшийся также и вопросами химии. Он имел хорошо оборудованную химическую лабораторию, среди его трудов есть, например, сочинение "О природе кислот" (1710). Ньютон считал, что корпускулы созданы Богом, что они неделимы, тверды и неуничтожимы. Соединение корпускул происходит за счёт притяжения, а не за счёт крючков, зазубрин и т.д. Такое притяжение и определяет "химическое действие", а распад существующих веществ на первичные частицы и образование из них других сочетаний обусловливают появления новых веществ.

Корпускулярное учение нашло свое завершение также в трудах знаменитого английского учёного Роберта Бойля. Ему от отца досталось в наследство два имения, в одном из которых он и поселился. Там Бойль собрал богатую библиотеку и оборудовал прекрасную лабораторию, где работал со своими помощниками. Молодой учёный разработал основы анализа (от analisis - разложение) "мокрым путём", т.е. анализ в растворах. Он ввёл индикаторы (настой лакмуса, цветов фиалок, а также лакмусовые бумажки) для распознания кислот и щелочей, соляную кислоту и её соли с помощью нитрата серебра, соли серной кислоты - с помощью извести и т.д. Эти приёмы используются в химии и сейчас.

Под влиянием работ Торричелли по изучению атмосферного давления Бойль занялся исследованием свойств воздуха. Он брал трубки U-образной формы с разной длиной колен. Короткое было запаяно, а длинное открыто. Заливая в последнее ртуть, Бойль "запирал" короткое колено. Если изменять теперь количество ртути в длинном колене, то будет изменяться и объём воздуха в коротком. Так была установлена закономерность: объём газа обратно пропорционален его давлению (1662). Позднее эту закономерность наблюдал французский учёный Э. Мариотт. Сейчас этот газовый закон именуется законом Бойля- Мариотта.

А за год до открытия газового закона Бойль опубликовал книгу "Химик-скептик", в которой изложил свои взгляды и полагал химию самостоятельной наукой, а не подспорьем алхимии и медицины. Все тела, пишет он, состоят из движущихся частиц, обладающих разной величиной и формой, а элементами, подчёркивает Бойль, не могут быть ни "начала" Аристотеля, ни "начала" алхимиков. Такими первоосновами могут быть тольк "определённые, первоначальные и простые, вполне несмешанные тела, которые не составлены друг из друга, но представляют собой те составные части, из которых составлены все так называемые смешанные тела и которые они, в конце концов, могут быть разложены".

Таким образом, элементы, по Бойлю, это вещества, которые нельзя разложить (т.е. простые вещества), они состоят из однородных корпускул. Таковы золото, серебро, олово, свинец.

Другие, например киноварь, разлагающуюся на ртуть и серу, он относил к сложным веществам. В свою очередь, серу и ртуть, которые не удалось разложить, следовало отнести к элементам. А сколько в природе элементов, то на этот трудный вопрос ответить мог дать только опыт. Нельзя так же утверждать, считал Бойль, что известные в то время простые вещества обязательно должны быть элементами - возможно, со временем, и они будут разложены (что и произошло с водой и "землями"- оксидами щелочноземельных металлов).

Ученому удалось в корпускулярной теории строения веществ объединить два подхода - учение об элементах и атомистические представления. Именно "Бойль делает из химии науку", - писал в этой связи Ф. Энгельс.

3. Революция в химии и атомно-молекулярное учение

Разрабатывая свою теорию горения, Лавуазье отмечал, что при горении "постоянно наблюдается четыре явления": выделяются свет и тепло; горение осуществляется только в "чистом воздухе" (кислороде); все вещества увеличиваются настолько, насколько уменьшается вес воздуха; при горении неметаллов образуются кислоты (кислотные оксиды), а при обжиге металлов - металлические извести (оксиды металлов).

Лавуазье использовал опыт Шееле и Пристли, благодаря чему ему удалось ясно и доступно объяснить процесс горения. Было доказано, что "флогистон Шталя - лишь воображаемое вещество", а "явления горения и обжига объясняются гораздо проще и легче без флогистона, чем с его помощью".

Проводя различные опыты с азотной, серной и фосфорной кислотами, Лавуазье пришёл к выводу, что "кислоты отличаются одна от другой лишь основанием, соединенный с воздухом". Другими словами, "чистый воздух" обусловливает кислые свойства этих веществ и поэтому учёный назвал его кислородом (oksigenium от orsus - кислый и gennao - рождаю). После того как был установлен состав воды, Лавуазье окончательно убедился в исключительной роли кислорода.

В "Начальном курсе химии" (1789) Лавуазье, опираясь на новые теории и применяя разработанную им (совместно с другими учеными) номенклатуру, систематизировал накопленные к тому времени химические знания и изложил свою кислородную теорию горения.

Вначале Лавуазье даёт описание различных агрегатных состояний веществ. С его точки зрения, в твёрдом веществе молекулы удерживаются друг около друга силами притяжения, которые по величине больше сил отталкивания. В жидкости молекулы находятся на таком расстоянии друг от друга, когда силы притяжения и отталкивания равны, а атмосферное давление препятствует превращению жидкости в газ. В газообразном же состоянии преобладают силы отталкивания.

Лавуазье даёт определение элемента и приводит таблицу и классификацию простых веществ. Он отмечает, что представление о трёх или четырёх элементах, из которых, якобы, состоят все тела природы, перешедшего к нам от греческих философов, является неверным. Сам же Лавуазье под элементами понимал вещества, которые не разлагаются "никаким образом". Все простые вещества были им разделены на четыре группы: 1) вещества, относящиеся к трём царствам природы (минералы, растения, животные) - свет, теплород, кислород, азот, водород; 2) неметаллические вещества, окисляющиеся и дающие кислоты, - сера, фосфор, углерод, радикалы муриевый (хлор), плавиковый (фтор), и борный (бор); 3) металлические вещества, окисляющиеся и дающие кислоты, - сурьма, серебро, мышьяк, висмут, кобальт, медь, железо, марганец, ртуть, молибден, никель, золото, платина, свинец, вольфрам, цинк; 4) солеобразующие землистые вещества: известь, магнезия, барит, глинозем, кремнезём.

Таким образом, Лавуазье осуществил научную революцию в химии: он превратил химию из совокупности множества не связанных друг с другом рецептов, подлежавших изучению один за одним, в общую теорию, основываясь на которой можно было не только объяснить все известные явления, но и предсказывать новые.

Принципиальный шаг в развитии научной химии был сделан Дж.Дальтоном, ткачом и школьным учителем из Манчестера. Уже первые научные сообщения молодого учителя привлекли внимание некоторых физиков и химиков, среди которых у Дальтона появились единомышленники.

В 1793 г. вышла в свет научная работа Дальтона "Метеорологические наблюдения и опыты". Анализируя результаты своих метеорологических наблюдений, Дальтон пришёл к выводу, что причиной испарения воды является теплота, а сам процесс испарения есть переход частичек воды из жидкого состояния в газообразное. Это был первый шаг на пути к созданию системы химической атомистики.

В 1801г. Дальтон установил закон парциальных давлений газов: давление смеси газов, не взаимодействующих друг с другом, равно сумме их парциальных давлений (Первый закон Дальтона).

Два года спустя, продолжая опыты, английский учёный обнаружил, что растворимость в жидкости каждого газа из смеси при постоянной температуре прямо пропорциональна его парциальному давлению над жидкостью и не зависит от общего давления смеси и от наличия в смеси других газов. Каждый газ растворяется, таким образом, как если бы он один занимал данный объём (Второй закон Дальтона).

Пытаясь определить "число простых элементарных частиц", образующих сложную частицу, Дальтон рассуждал, что если при взаимодействии двух веществ получается одно соединение, то оно бинарно; если же образуются два соединения, то одно бинарное, а другое тройное, т.е. состоят соответственно из двух и из трёх атомов, и т.д.

Применяя эти правила, Дальтон приходит к заключению, что вода - бинарное соединение водорода и кислорода, вес которых относятся примерно как 1:7. Дальтон считал, что молекула воды состоит из одного атома водорода и одного атома кислорода, т.е. формула её НО. По данным же Гей-Люссака и А.Гумбольдта (1805), вода содержит 12,6% водорода и 87,4% кислорода, а так как Дальтон принял атомный вес водорода за единицу, атомный вес кислорода он определил равным примерно семи.

В 1808г. Дальтон постулировал закон простых кратных отношений:

Если два каких-либо элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то количества одного из элементов, приходящиеся в этих соединениях на одинаковое количество другого элемента, находятся между собой в простых кратных отношениях, т.е. относятся друг к другу как небольшие целые числа.

Занятия метеорологией привели Дальтона к размышлению о строении атмосферы, о том. почему она представляет собой "массу явно однородную". Изучая физические свойства газов, Дальтон принял, что они состоят из атомов. Для объяснения же диффузии газов он предположил, что их атомы имеют различные размеры.

Впервые об атомистической теории Дальтон говорит в лекции "Об абсорбции газов водой и другими жидкостями", которую он прочитал 20 октября 1803г. в литературно-философском обществе Манчестера.

Дальтон строго разграничивал понятия "атом" и "молекула", хотя последнюю и назвал "сложным", или "составным атомом", но этим он только подчёркивал, что эти частицы являются пределом химической делимости соответствующих веществ.

Какими же свойствами обладают атомы?

Во-первых, они неделимы и неизменны. Во-вторых, атомы одного и того же вещества абсолютно одинаковы по форме, весу и другим свойствам. В-третьих, различные атомы соединяются между собой в различных отношениях. В-четвёртых, атомы разных веществ имеют, неодинаковый атомный вес.

В 1804г. состоялась встреча Дальтона с известным английским химиком и историком химии Т.Томсоном. Тот был восхищён теорией Дальтона и в 1807г. изложил её в третьем издании своей популярной книги "Новая система химии". Благодаря этому атомистическая теория увидела свет раньше, чем она была опубликована самим автором.

Джон Дальтон является создателем научной химической атомистики. Он впервые, используя представления об атомах, объяснил состав различных химических веществ и определил их относительные и молекулярные веса.

И тем не менее в начале XIX в. атомно-молекулярное учение в химии с трудом пробивало себе дорогу. Понадобилось ещё полстолетия для его окончательной победы. На этом пути был сформулирован ряд количественных законов (закон постоянных отношений Пруста, закон объёмных отношений Гей-Люссака, закон Авогадро, согласно которому при одинаковых условиях одинаковые объёмы всех газов содержат одно и то же число молекул), которые получали объяснения с позиций атомно-молекулярных представлений. Для экспериментального обоснования атомистики и её внедрения в химию много усилий приложил Й.Б. Берцелиус.

Окончательную же победу атомно-молекулярное учение (и опирающиеся на него способы определения атомных и молекулярных весов) одержало лишь на 1-м Международном конгрессе химиков (1860).

В 50-70-е гг. XIX в. на основе учения о валентности и химической связи была разработана теория химического строения (А.М. Бутлеров, 1861), которая обусловила огромный успех органического синтеза и возникновение новых отраслей хим. промышленности (производство красителей, медикаментов, нефтепереработка и др.), а в теоретическом плане открыла путь построению теории пространственного строения органических соединений - стереохимии (Дж. Г. Вант Гофф, 1874).

Во второй половине XIX в. складываются физическая химия, химическая кинетика, как учение о скоростях химических реакций, теория электролитической диссоциации, химическая термодинамика.

Таким образом, в химии XIX в. сложился новый общий теоретический подход - определение свойств химических веществ в зависимости не только от их состава, но и от их структуры.

Развитие атомно-молекулярного учения привело к идее о сложном строении не только молекулы, но и атома. В начале XIX в. эту мысль высказал английский учёный У. Праут, исходя из результатов измерений, показавших, что атомные веса элементов кратны атомному весу водорода. На основе этого Праут предложил гипотезу, согласно которой атомы всех элементов состоят из атомов водорода.

Новый толчок для развития идеи о сложном строении атома дало великое открытие Д.И.Менделеевым (1869) периодической системы элементов. Менделеев написал блестящий учебник органической химии - первый в России, за который ему была присуждена Большая Демидовская премия Академии наук.

Прочитав в 1867-1868 гг. курс лекций по неорганической химии, Менделеев убедился в необходимости создания отечественного "руководства к химии". Он приступает к написанию учебника "Основы химии". Этот труд был призван "познакомить публику и учащихся" с достижениями химии, её применением в технике, сельском хозяйстве и т.д. Затруднения встретились при написании второй части учебника, где предполагалось поместить материал о химических элементах.

Перепробовав несколько вариантов, Менделеев заметил, что элементы можно располагать в порядке возрастания атомных весов и тогда оказывалось, что в каждой колонке свойства элементов постепенно менялись сверху вниз. Это была первая таблица, озаглавленная "Опыт систем элементов, основанный на их атомном весе и химическом сходстве". Дмитрий Иванович понимал, что таблица отражает принцип периодичности, определённый закон природы, который устанавливает тесную связь между химическими элементами.

В июне 1871г. Менделеев закончил статью "Периодическая законность химических элементов", в которой дал формулировку периодического закона: "Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел состоят в периодической зависимости от их атомного веса".

Если в прошлом веке подчёркивалось, что "химия занимается не телами, а веществами" (Д.И. Менделеев), то теперь мы являемся свидетелями того, как объектом всё более пристального внимания учёных-химиков становятся именно реальные макротела - те самые смеси, растворы, сплавы, газы, с которыми они непосредственно имеют дело в лаборатории и на производстве. По словам К. Маркса, прогресс химии "не только умножает число полезных веществ, но и число полезных применений уже известных веществ".

4. Экологические проблемы химической компоненты

современной цивилизации

На всех стадиях своего развития человек был тесно связан с окружающим миром. Но с тех пор как появилось высокоиндустриальное общество, опасное вмешательство человека в природу резко усилилось, расширился объём этого вмешательства, оно стало многообразнее и сейчас грозит стать глобальной опасностью для человечества. Расход невозобновимых видов сырья повышается, все больше пахотных земель выбывает из экономики, так на них строятся города и заводы. Человеку приходится все больше вмешиваться в хозяйство биосферы - той части нашей планеты, в которой существует жизнь. Биосфера Земли в настоящее время подвергается нарастающему антропогенному воздействию. При этом можно выделить несколько наиболее существенных процессов, любой из которых не улучшает экологическую ситуацию на планете.

Наиболее масштабным и значительным является химическое загрязнение среды несвойственными ей веществами химической природы. Среди них - газообразные и аэрозольные загрязнители промышленно-бытового происхождения. Прогрессирует и накопление углекислого газа в атмосфере. Дальнейшее развитие этого процесса будет усиливать нежелательную тенденцию в сторону повышения среднегодовой температуры на планете. Вызывает тревогу у экологов и продолжающееся загрязнение Мирового океана нефтью и нефтепродуктами, достигшее уже 1/5 его общей поверхности. Нефтяное загрязнение таких размеров может вызвать существенные нарушения газо- и водообмена между гидросферой и атмосферой. Не вызывает сомнений и значение химического загрязнения почвы пестицидами и ее повышенная кислотность, ведущая к распаду экосистемы. В целом все рассмотренные факторы, которым можно приписать загрязняющий эффект, оказывают заметное влияние на процессы, происходящие в биосфере.

Человек загрязняет атмосферную часть биосферы уже тысячелетиями, однако последствия употребления огня, которым он пользовался весь этот период, были незначительны. Приходилось мириться с тем, что дым мешал дыханию, и что сажа ложилась черным покровом на потолке и стенах жилища. Получаемое тепло было для человека важнее, чем чистый воздух и незакопченные стены пещеры. Это начальное загрязнение воздуха не представляло проблемы, ибо люди обитали тогда небольшими группами, занимая лишь небольшую часть нетронутой природной среды. И даже значительное сосредоточение людей на сравнительно небольшой территории, как это было в классической древности, не сопровождалось для природы серьезными отрицательными последствиями. Так было вплоть до начала девятнадцатого века.

Но лишь за последние сто лет развитие промышленности "одарило" нас такими производственными процессами, последствия которых вначале человек еще не мог себе представить. Возникли города-миллионеры, рост которых остановить нельзя. Все это результат великих изобретений и завоеваний человека.

Атмосферные загрязнители разделяются на первичные, поступающие непосредственно в атмосферу, и вторичные, являющиеся результатом превращения последних. Так, поступающий в атмосферу сернистый газ окисляется до серного ангидрида, который взаимодействует с парами воды и образует капельки серной кислоты. При взаимодействии серного ангидрида с аммиаком образуются кристаллы сульфата аммония. Подобным образом, в результате химических, фотохимических, физико-химических реакций между загрязняющими веществами и компонентами атмосферы, образуются другие вторичные признаки. Основным источником пирогенного загрязнения на планете являются тепловые электростанции, металлургические и химические предприятия, котельные установки, потребляющие более 70% ежегодно добываемого твердого и жидкого топлива. Основными вредными примесями пирогенного происхождения являются следующие:

а) Оксид углерода. Получается при неполном сгорании углеродистых веществ. В воздух он попадает в результате сжигания твердых отходов, с выхлопными газами и выбросами промышленных предприятий. Ежегодно этого газа поступает в атмосферу не менее 250 млн.т. Оксид углерода является соединением, активно реагирующим с составными частями атмосферы и способствует повышению температуры на планете, и созданию парникового эффекта.

б) Сернистый ангидрид. Выделяется в процессе сгорания серосодержащего топлива или переработки сернистых руд (до 70 млн.т.в год). Часть соединений серы выделяется при горении органических остатков в горнорудных отвалах. Только в США общее количество выброшенного в атмосферу сернистого ангидрида составило 65 процентов от общемирового выброса.

в) Серный ангидрид. Образуется при окислении сернистого ангидрида. Конечным продуктом реакции является аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде, который подкисляет почву, обостряет .заболевания дыхательных путей человека. Выпадение аэрозоля серной кислоты из дымовых факелов химических предприятий отмечается при низкой облачности и высокой влажности воздуха. Листовые пластинки растений, произрастающих на расстоянии менее 1 км от таких предприятий, обычно бывают густо усеяны мелкими некротическими пятнами, образовавшихся в местах оседания капель серной кислоты. Пирометаллургические предприятия цветной и черной металлургии, а также ТЭС ежегодно выбрасывают в атмосферу десятки миллионов тонн серного ангидрида.

г) Сероводород и сероуглерод. Поступают в атмосферу раздельно или вместе с другими соединениями серы. Основными источниками выброса являются предприятия по изготовлению искусственного волокна, сахара, коксохимические, нефтеперерабатывающие, а также нефтепромыслы. В атмосфере при взаимодействии с другими загрязнителями подвергаются медленному окислению до серного ангидрида.

д) Оксиды азота. Основными источниками выброса являются предприятия, производящие азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые красители, нитросоединения, вискозный шелк, целлулоид. Количество оксидов азота, поступающих в атмосферу, составляет 20 млн.т. в год.

е) Соединения фтора. Источниками загрязнения являются предприятия по производству алюминия, эмалей, стекла, керамики, стали, фосфорных удобрений. Фторсодержащие вещества поступают в атмосферу в виде газообразных соединений - фтороводорода или пыли фторида натрия и кальция. Соединения характеризуются токсическим эффектом. Производные фтора являются сильными инсектицидами.

ж) Соединения хлора. Поступают в атмосферу от химических предприятий, производящих соляную кислоту, хлорсодержащие пестициды, органические красители, гидролизный спирт, хлорную известь, соду. В атмосфере встречаются как примесь молекулы хлора и паров соляной кислоты. Токсичность хлора определяется видом соединений и их концентрацией. В металлургической промышленности при выплавке чугуна и при переработке его на сталь происходит выброс в атмосферу различных тяжелых металлов и ядовитых газов. Так, в расчете на 1 т. предельного чугуна выделяется кроме 2,7 кг сернистого газа и 4,5 кг пылевых частиц, определяющих количество соединений мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, паров ртути и редких металлов, смоляных веществ и цианистого водорода.

з) Аэрозольное загрязнение атмосферы. Аэрозоли - это твердые или жидкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе. Твердые компоненты аэрозолей в ряде случаев особенно опасны для организмов, а у людей вызывают специфические заболевания. В атмосфере аэрозольные загрязнения воспринимаются в виде дыма, тумана, мглы или дымки. Значительная часть аэрозолей образуется в атмосфере при взаимодействии твердых и жидких частиц между собой или с водяным паром. Средний размер аэрозольных частиц составляет 1-5 мкм. В атмосферу Земли ежегодно поступает около 1 куб. км пылевидных частиц искусственного происхождения. Большое количество пылевых частиц образуется также в ходе производственной деятельности людей. Сведения о некоторых источниках техногенной пыли приведены ниже:

Основными источниками искусственных аэрозольных загрязнений воздуха являются ТЭС, которые потребляют уголь высокой зольности, обогатительные фабрики, металлургические, цементные, магнезитовые и сажевые заводы. Аэрозольные частицы от этих источников отличаются большим разнообразием химического состава. Чаще всего в их составе обнаруживаются соединения кремния, кальция и углерода, реже -оксиды металлов: железа, магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висмута, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, хрома, кобальта, молибдена, а также асбест.

Еще большее разнообразие свойственно органической пыли, включающей алифатические и ароматические углеводороды, соли кислот. Она образуется при сжигании остаточных нефтепродуктов, в процессе пиролиза на нефтеперерабатывающих, нефтехимических и других подобных предприятиях. Постоянными источниками аэрозольного загрязнения являются промышленные отвалы - искусственные насыпи из переотложенного материала, преимущественно вскрышных пород, образуемых при добыче полезных ископаемых или же из отходов предприятий перерабатывающей промышленности, ТЭС.

Источником пыли и ядовитых газов служат массовые взрывные работы. Так, в результате одного среднего по массе взрыва (250-300 тонн взрывчатых веществ) в атмосферу выбрасывается около 2 тыс.куб.м условного оксида углерода и более 150 т пыли. Производство цемента и других строительных материалов также является источником загрязнения атмосферы пылью. Основные технологические процессы этих производств - измельчение и химическая обработка шихт, полуфабрикатов и получаемых продуктов в потоках горячих газов, что всегда сопровождается выбросами пыли и других вредных веществ в окружающую атмосферу.

К атмосферным загрязнителям относятся также углеводороды -насыщенные и ненасыщенные, включающие от 1 до 13 атомов углерода. Они подвергаются различным превращениям, окислению, полимеризации, взаимодействуя с другими атмосферными загрязнителями после возбуждения солнечной радиацией. В результате этих реакций образуются перекисные соединения, свободные радикалы, соединения углеводородов с оксидами азота и серы часто в виде аэрозольных частиц.

При некоторых погодных условиях могут образовываться особо большие скопления вредных газообразных и аэрозольных примесей в приземном слое воздуха. Обычно это происходит в тех случаях, когда в слое воздуха непосредственно над источниками газопылевой эмиссии существует инверсия - расположения слоя более холодного воздуха под теплым, что препятствует воздушных масс и задерживает перенос примесей вверх. В результате вредные выбросы сосредотачиваются под слоем инверсии, содержание их у земли резко возрастает, что становится одной из причин образования ранее неизвестного в природе фотохимического тумана.

Фотохимический туман (смог) представляет собой многокомпонентную смесь газов и аэрозольных частиц первичного и вторичного происхождения. В состав основных компонентов смога входят озон, оксиды азота и серы, многочисленные органические соединения перекисной природы, называемые в совокупности фотооксид антами.

Фотохимический смог возникает в результате фотохимических реакций при определенных условиях: наличии в атмосфере высокой концентрации оксидов азота, углеводородов и других загрязнителей, интенсивной солнечной радиации и безветрия или очень слабого обмена воздуха в приземном слое при мощной и в течение не менее суток повышенной инверсии. Устойчивая безветренная погода, обычно сопровождающаяся инверсиями, необходима для создания высокой концентрации реагирующих веществ. Такие условия создаются чаще в июне-сентябре и реже зимой. При продолжительной ясной погоде солнечная радиация вызывает расщепление молекул диоксида азота с образованием оксида азота и атомарного кислорода. Атомарный кислород с молекулярным кислородом дают озон.

Казалось бы, последний, окисляя оксид азота, должен снова превращаться в молекулярный кислород, а оксид азота - в диоксид. Но этого не происходит. Оксид азота вступает в реакции с олефинами выхлопных газов, которые при этом расщепляются по двойной связи и образуют осколки молекул и избыток озона. В результате продолжающейся диссоциации новые массы диоксида азота расщепляются и дают дополнительные количества озона. Возникает циклическая реакция, в итоге которой в атмосфере постепенно накапливается озон. Этот процесс в ночное время прекращается.