Концептуальные системы химии и их эволюция. Ранние формы учения об элементах – теория флогистона, ятрохимия, пневмохимия и кислородная теория Лавуазье.

В целом, развитие химии представляет собой процесс становления и смены концептуальных систем, причем каждая новая система возникала на основе предыдущей и включала ее в себя в преобразованном виде. Можно выделить следующие этапы формирования концептуальных систем:

1) учение о химических элементах и составе вещества (сюда относятся периодическая система элементов Д.И. Менделеева и связанные с ней обобщения, концепции соединений постоянного и переменного состава, теория валентности),

2) структурная химия (учение о строении органических и неорганических соединений, координационная теория, кристаллохимия и т.д.),

3) учение о химическом процессе (кинетика и теория катализа) и

4) химия самоорганизации (концепция диссипативных систем И. Пригожина, теория реакции Белоусова—Жаботинского, эволюционный катализ, учение о химической эволюции).

I.Учение о составе вещества (XVII в). Этот этап  связан с исследованием различных свойств веществ в зависимости от их химического состава, определяемого их элементами.

Пониманию предмета химического познания способствовало возрождение античного атомизма. Развитие и конкретное внедрение идей атомизма в химию осуществил Роберт Бойль. Он полагал, что химия не является служанкой медицины и тем более ремесла. Она - самостоятельная наука. Он полагал, что качественные характеристики и превращения химических веществ могут быть объяснены с помощью представлений о движении, размерах, расположения атомов. Р. Бойль ввел понятие «химический элемент», как определ химического разложения вещества. Результаты исследований Р. Бойля показали, что свойства и качества тел зависят от того, из каких элементов они состоят.

Но революция в химии, совершенная Лавуазье касалась другого вопроса. Речь идет о центральной проблеме химии  XVIII века – проблеме горения. И. Бехер и его ученик Г. Шталь для объяснения процессов горения ввели понятие флогистона как некоторой невесомой субстанции, которую содержат все горючие тела и которую они утрачивают при горении. Тела, которые содержат много флогистона, хорошо горят, а те, в которых флогистона мало, не загораются. Эта теория объясняла ряд химических процессов и предсказывала новые химические явления. Однако ряд явлений она не объясняла. А. Лавуазье, опираясь на открытие К. Шееле сложного состава воздуха и открытие Дж. Пристли кислорода, разработал кислородную теорию горения, которая объясняла все известные химические процессы, связанные с горение и даже шире, с окислением, и предсказывала новые химические явления, которые подтверждались экспериментально. Другими словами, он разработал истинную химическую теорию.

А. Лавуазье показал, что все известные химические явления могут быть систематизированы. Тем самым, химические соединения делились на кислоты, основания и соли. А. Лавуазье отправил в архив старую химическую номенклатуру, но ввел новую номенклатуру, была построена на утверждении, что каждое химическое вещество должно иметь одно определенное название, характеризующее его функцию и состав.

Помимо этого, Лавуазье поставил вопрос о количествах, в  которых сочетаются различные элементы, и с помощью закона сохранения материи обосновал требование о количественном выражении пропорций, в которых сочетаются элементы.

Таким образом, Лавуазье совершил научную революцию в химии: вместо рецептурной химии,  совокупности множества не связанных друг с другом рецептов, он предложил теорию, которая объясняла все известные явления и предсказывала новые явления.

Важнейшим событием в науке стало открытие периодического закона и разработка периодической системы химических элементов. Менделеев исходил  из того, что основной характеристикой элементов являются их атомные веса.

Большое значение для развития химии имело решение проблемы химического соединения. Движение научной  мысли схематически выглядело так:

Ж. Пруст (1754-1826) сформулировал закон постоянства состава: любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным неизменным составом, прочным притяжением составных частей (атомов) и тем отличается от смесей.

Теоретически закон постоянства состава обосновал Д. Дальтон (1766-1844). На основе идеи об атомистическом строении вещества он утверждал, что соединения состоят из атомов двух или нескольких элементов, образующих определенные сочетания друг с другом (закон кратных отношений). В результате открытия физической природы химизма как обменного взаимодействия электронов химия по-новому стала решать проблему химического соединения, которое определяется как качественно определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет обменного взаимодействия (химической связи) объединены в молекулы.

II. Структурная химия (XIX век).  

Развитие химии привело к исследованию структуры веществ, поскольку свойства веществ, их качественное разнообразие обусловливаются не только составом, но и структурой молекул.

Более конкретные представления о структуре молекул содержатся в теории Й. Берцелиуса (1779-1848), согласно которой структура молекулы возникает благодаря взаимодействию разноименно заряженных атомов или атомных групп. Ф. Кекуле (1829-1896) предпринял попытку раскрыть структуры молекулы и синтезировать новые вещества. Он связал структуру с понятием валентности и элемента или числа единиц его сродства. На этой основе и возникли структурные формулы органической химии. Комбинируя атомы различных химических элементов по их валентности, можно прогнозировать получение различных химических соединений в зависимости от исходных реагентов, т.е. управлять процессом синтеза различных веществ с заданными свойствами.

Следующая ступень эволюции понятия химической структуры связана с теорией химического строения А.М. Бутлерова (1828-1886).

По современным представлениям, структура молекул – это пространственная и энергетическая упорядоченность квантово-механической системы, состоящей из атомных ядер и электронов.

III.Учение о химических процессах (ХХ век).

Этот этап  связан с исследованием внутренних механизмов и условий протекания химических процессов (скорость протекания процессов, температура, давление и т.п.). Химия становится не столько наукой о веществах, сколько наукой о процессах и механизмах изменения вещества. Иными словами, происходит изменение предмета познания, а соответственно и способов познания, интерпретации результатов.

Основы учения о химических процессах можно сформулировать следующим образом:

1.Способность к взаимодействию у различных реагентов атомно-молекулярной структурой и условиями протекания химических реакций.

2. К условиям протекания химических процессов относятся термодинамические и кинетические факторы.

3. Термодинамические факторы влияют преимущественно на кинетику химических процессов. Она устанавливает зависимость протекания химических процессов от множества структурно-кинетических факторов: строения исходных реагентов; их концентрации; наличия в реакционной  среде катализаторов (или ингибиторов) и других добавок.

4. Катализ – это процесс изменения скорости или возбуждения химической реакции веществами-катализаторами, которые участвуют в реакции, но не входят в состав конечных продуктов.

5. Катализ играет решающую роль в процессе перехода от химических систем к биологическим системам.

IV. Эволюционной химии (вторая половина ХХ века).

Она представляет собой дальнейшее развитие предыдущего уровня химического знания. Надо иметь в виду, что под эволюционными проблемами в химии понимают процессы самопроизвольного синтеза новых химических соединений, являющихся более сложными и высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами.

Поскольку основой исключительной эффективности биологических процессов является биокатализ, новая химия должна основываться на каталитическом опыте живой природы.

Для освоения каталитического опыта живой природы перспективным направлением являются исследования, ориентированные на применение принципов биокатализа в химии и химической технологии, что предполагает изучение закономерностей живой природы, в том числе и опыта формирования фермента, клетки, организма.

Ятрохимия (иатрохимия) - направление в медицине 16-18 вв., представители которого рассматривали процессы, происходящие в организме, как химические явления, болезни как результат нарушения химического равновесия, и ставили задачу поиска химических средств их лечения.

Основоположником этого учения считается Парацельс(1493–1541)  - под таким выбранным им самим именем («превосходящий Цельса») вошел в историю швейцарский врач Филипп фон Гогенгейм. Основная задача алхимии - изготовление лекарственных средств. Он заимствовал из алхимической традиции учение о том, что существуют три основные части материи - ртуть, сера, соль. Эти три элемента составляют основу макрокосма (Вселенной) и связаны с микрокосмом (человеком), образованным духом, душой и телом. Переходя к определению причин болезней, Парацельс утверждал, что лихорадка и чума происходят от избытка в организме серы, при избытке ртути наступает паралич и т.д. Принцип, которого придерживались все ятрохимики, состоял в том, что медицина есть дело химии. В рамках этой схемы все функции организма сводились к химическим процессам, и задача алхимика заключалась в нахождении и приготовлении химических веществ для медицинских нужд.

Пневматическая химия. Одно из важных направлений создали химики, работавшие с газами, поставили своей целью изучение веществ в газообразном состоянии. Химическое изучение газов позволило открыть физические законы зависимости объема газов от давления и температуры; влияние давления на объем газа было установлено Бойлем и Мариоттом. Гораздо позднее Гей-Люссак установил влияние температуры. Эти законы вместе с законом Гей-Люссака об объемных отношениях при соединении газов составляют основу пневматологии ( науки, изучающей вещества в газообразном состоянии).

Основоположником пневмохимии был Ван Гельмонт, который не только ввел термин ГАЗ, но и положил основание пневматической химии своими наблюдениями над образованием непохожего на воздух "лесного газа" при действии кислот на известняк.

Из химиков, деятельность которых протекала в XVIII в,, следует упомянуть следующих; Блэка, более подробно изучившего "лесной газ"; Кавендиша, который впервые (1766 г,) описал водород, или "горючий воздух" и более тщательно изучил атмосферный и "связывающийся воздух"; Даниэля Резерфорда, кто выделил из воздуха азот (1772 г.); Пристли, открывшего кислород (1774 г.); Шееле, который независимо от Пристли открыл и изучил кислород; Лавуазье, изучившего кислород и выяснившего истинную роль его в процессах горения, обжигания и дыхания; Фонтану, который одним из первых применил аппараты для измерения газов, открыл водяной газ и провел в 1766 г. важные исследования "селитряного воздуха" (окиси азота).