11022 (Концепции и принципы химического естествознания), страница 2

Рассмотрим процесс химической эволюции на Земле. Первичная атмосфеpa Земли содержала в основном простейшие соединения водорода Н₂, H₂О, NH₃,CH₄. Кроме этого, атмосфера была богата инертными газами, прежде всего гелием и неоном. В настоящее время обилие благородных газов на Земле ничтожно мало, что означает, что они в свое время диссонировали в межпланетное пространство. Наша современная атмосфера имеет вторичное происхождение. Первое время химический состав атмосферы мало отличался от первичной. После образования гидросферы из атмосферы практически исчез аммиак NH₃, растворившийся в воде, атомарный и молекулярный водород улетучился в межпланетное пространство, атмосфера была насыщена преимущественно азотом N. Насыщение атмосферы кислородом происходило постепенно, сначала благодаря диссоциации молекул воды ультрафиолетовым излучением Солнца, затем, и главным образом, благодаря фотосинтезу растений.

Не исключено, что некоторое количество органических веществ было принесено на Землю при падении метеоритов и, возможно, даже комет. Например, в кометах присутствуют такие соединения, как N, NH₃, CH₄ и др. Известно, что возраст земной коры примерно равен 4,5 млрд. лет. Имеются также геологические и геохимические данные, указывающие на то, что уже 3,5 млрд. лет назад земная атмосфера была богата кислородом. Таким образом, первичная атмосфера Земли существовала не более 1 млрд. лет, а жизнь возникла, вероятно, даже раньше.

В настоящее время накоплен значительный экспериментальный материал, иллюстрирующий, каким образом такие простые вещества, как вода, метан, аммиак, окись углерода, аммонийные и фосфатные соединения превращаются в высокоорганизованные структуры, являющиеся строительными кирпичиками клетки. Американские ученые Кельвин, Миллер и Юри провели ряд опытов, в результате которых было показало, как в первичной атмосфере могли возникнуть аминокислоты. Ученые создали смесь газов — метана СН₄, молекулярного водорода Н₂, аммиака NH₃ и паров воды Н₂O, моделирующую состав первичной атмосферы Земли. Через ату смесь пропускали электрические разряды, в результате в исходной смеси газов были обнаружены глицин, аланин и другие аминокислоты. Вероятно, существенное влияние на химические реакции в первичной атмосфере Земли оказывало Солнце своим ультрафиолетовым излучением, которое не задерживалось в атмосфере в связи с отсутствием озона.

Немаловажное значение на химическую эволюцию оказали не только электрические разряды и ультрафиолетовое излучение Солнца, но и вулканическое тепло, ударные волны, радиоактивный распад калия К (доля энергии распада калия примерно 3 млрд. лет назад на Земле была второй, после энергии ультрафиолетового излучения Солнца). Например, газы, выделяющиеся из первичных вулканов (O₂, СО, N₂, Н₂O, Н₂, S, H₂S, СН₄, SО₂), при воздействии различных видов энергии реагируют с образованием разнообразных малых органических соединений, типа: цианистый водород HCN, муравьиная кислота HCO₂H, уксусная кислота H₃CO₂H, глицин H₂NCH₂CO₂H и т. д. В дальнейшем, опять же при воздействии различных видов энергии, малые органические соединения реагируют с образованием более сложных органических соединений: аминокислоты

Таким образом, на Земле были условия для образования сложных органических соединений, необходимых для создания клетки.

В настоящее время еще нет единой логически последовательной картины, как из первичной «суперкапли материи» под названием Вселенная после Большого Взрыва возникла жизнь. Но уже многие элементы этой картины ученые представляют и считают, что так все и происходило на самом деле. Одним из элементов этой единой картины эволюции является химическая эволюция. Пожалуй, химическая эволюция - это один из аргументированных элементов единой картины эволюции хотя бы потому, что допускает экспериментальное моделирование химических процессов (чего, например, нельзя сделать в отношении условий, аналогичных тем, что были вблизи «большого взрыва»). Химическая эволюция прослеживается вплоть до элементарных кирпичиков живой материи: аминокислот, нуклеиновых кислот.

1. Донаучный этап химии — ремесленная химия и алхимия античности и средневековья

В предыдущем пункте было рассказано о том, как происходила естественная химическая эволюция в недрах звезд, космическом пространстве и на нашей планете, теперь надо рассмотреть, как происходила эволюция взглядов людей на познание сущности химических элементов и превращения вещества. Так же, как и в познании физического устройства мира, следует различать два этапа этой эволюции — первый донаучный, идущий из давних времен, и второй — научный, возникший в Новое время, как и вся современная наука.

Первый донаучный этап химии известен под названием алхимия, пришедший к нам (к западноевропейцам) от арабов, а к ним от греков (эллинов античных времен), а к грекам от египтян, в результате преобразования египетского слова «хеми» в «альхимия», с последующей транскрипцией в европейских языках в слово «алхимия».

Таким образом, совершенно прозрачно выделяются три основных периода в развитии алхимии: египетско-греческий, арабский и западно-европейский.

Алхимия (от позднелат. alchymia, alchimia, через араб, алькимия, возможно, от греч. chymeia, chemeia — искусство выплавки металлов, или chyma — жидкость, литье, или от Хемия (греч. Chemia) — одно из названий Древнего Египта, от древнеегипетского хам, хаме — черный, буквально — черная страна, страна черной земли), наряду с другими, тайными, оккультными науками (астрологией и каббалой) явление культуры, сопутствующее на протяжении более 1,5 тысяч лет различным эпохам (эллинизм, европейское средневековье, Возрождение). Алхимия связывается с попытками получить совершенные металлы (золото, серебро) из металлов несовершенных, т. е. с идеей трансмутации (превращения) металлов с помощью гипотетического вещества — «философского камня» или эликсира. Цель алхимии, в период II-XI вв., не утилитарная, а глобальная, направленная на построение особой Вселенной, выраженная в специфических образах — понятиях, таких как «философский камень», целительные панацеи, алкагест — универсальный растворитель, гомункул — искусственный человек. Она осуществляет тем самым единение микро- и макрокосмоса, соотнося духовное и природное, вселенское и человеческое на пути к знанию. В период средневековья и позднее, во взаимодействии с умозрительным природознанием и химическим ремеслом, алхимия постепенно трансформируется в научную химию.

В античное время делаются первые попытки объяснить происхождение свойств веществ. Одна из наиболее значимых попыток — атомистическая натурфилософия Демокрита, вводившая атомы, различающиеся по величине, форме, положению, а отсюда и мощное разнообразие веществ. Напротив, Эмпидокл и Аристотель исходили из антиатомистической концепции и объясняли все видимое разнообразие тел посредством сочетания в них различных элементов: стихий или первоэлементов; свойств, таких как тепла и холода, влажности и сухости и пр. Однако успеха это не принесло, так как натурфилософия и ремесленная химия существовали раздельно.

Несколько позднее, уже в Древнем Египте (III-IV века до н. э.), были известны способы производства металлов и сплавов семи известных к тому времени металлов: золота, серебра, меди, железа, свинца, олова и ртути. Наибольшей ценностью обладало, конечно, золото, получение которого из других металлов стало одной из главных целей алхимии, наряду с поисками «магистерия», создания «эликсира жизни», дававшего бессмертие, и универсального растворителя. Фактически полагалось, что все эти функции может выполнить просто некий камень — эликсир, получивший у европейцев название «философский камень».

У арабов же это предопределило два пути развития алхимии: поиски трансмутаций золота и поиска эликсира жизни. На каждом из этих направлений были достигнуты большие успехи в познании химических превращений.

Проникновение алхимии в Европу стало возможным благодаря Крестовым походам (1096-1270 гг.) на Ближний Восток (в Сирию, Палестину, Северную Африку), организованным западноевропейскими феодалами и католической церковью под знаменем борьбы против «неверных» (мусульман), освобождения гроба Господня и Святой земли (Палестины). Европейская алхимия находилась в этот начальный период под покровительством астрологии, в связи с чем приобрела характер тайной науки, впрочем, такой же она была и у египтян. В конечном итоге развитие алхимии выразилось в открытии или усовершенствований (в процессе поиска чудодейственных средств) способов получения практических ценных продуктов (минеральной и растительной краски, стекла, эмали, металлических сплавов, кислоты, щелочи, соли), а также в разработке некоторых приемов лабораторной техники.

1. Главная задача химии и основные этапы ее развития

Все отмеченное выше и в главе 2 подготовило соответствующие условия для исследования химических соединений, их применение в медицине, в практической науке и предопределило возникновение научной химии. С этого момента, примерно с 60-х годов XVII столетия, химия определилась в своей главной задаче, породила и пережила к настоящему времени, к началу XXI столетия, четыре концептуальные системы.

Наш великий химик Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907), называл химию «наукой о химических элементах и их соединениях»; другие определяют ее как «науку о веществах и их превращениях» либо как «науку, изучающую процессы качественного превращения веществ», и т. д. По-видимому, все эти определения правильные, так что можно согласиться и с таким, наиболее полным: «химия — наука, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения».

Химия, а точнее химики, всегда ставили своей главной практической целью получать из природных веществ по возможности все необходимые металлы и керамику, известь и цемент, стекло и бетон, красители и лекарства, взрывчатые вещества и горюче-смазочные материалы, каучук и пластмассы, химические волокна и материалы для электроники с заданными свойствами. Это определяет главную задачу химии — задачу получения веществ с необходимыми свойствами. Эта задача и научная и производственная, что определяет основную, можно сказать, двуединую основную проблему химии: 1. Получение веществ с заданными свойствами как производственная, практическая задача; 2. Выявление способов управления свойствами веществ как задача научно-исследовательская.

Решение этих проблем осуществлялось в четыре основных этапа, породив соответствующие четыре концептуальные системы в развитии химии с XVII века по настоящее время.

Первая концептуальная система началась с трудов Роберта Бойля (1627-1691 гг.) изучением химических элементов и в определенной степени завершилась созданием Периодической таблицы элементов Д. И. Менделеева в 1869 г. Эта система дала элементный состав вещества.

Вторая концептуальная система познания химических свойств вещества позволила установить их структуру и определила развитие структурной химии примерно с конца XVIII столетия.

Третья концептуальная система — детище середины XX столетия, установила особенности протекания химических реакций, позволила создать основы крупномасштабных химических технологий.

Четвертая концептуальная система развивается последние 25-30 лет, связана с глубоким и всесторонним изучением природы реагентов, роли катализаторов в химических реакциях. Эта система получила название эволюционная химия и в своих простейших проявлениях дает нам примеры самоорганизации и саморазвития, предопределившие начало предбиологической эволюции как основы зарождения жизни.

1. Концепции химии об элементах и периодический закон Менделеева химических элементов

Представление о химических элементах возникает при попытках установить состав вещества. Простейшей процедурой для этого является химическое разложение или химический анализ, в результате которого получаются вещества, не подвергающиеся дальнейшему разложению. Эти вещества и есть химические элементы, первоначально называвшиеся «простыми телами», в отличие от «сложных тел», состоящих из нескольких простых тел. Решающее значение в химии элементов сыграло открытие кислорода, в результате чего была опровергнута бытовавшая до того гипотеза о флогистоне — некотором «невесомом теле». Постепенно химикам стали известны, наряду с уже известными алхимикам семи металлами, также водород, азот, сера, фосфор, углерод, а Д. И. Менделееву к 1869 г. были известны уже 62 элемента. В эти же годы параллельно решалась другая, не менее важная проблема, проблема химического соединения. Первым начал решать ее немецкий химик Иеремий Рихтер, открывший в результате законы стехиометрии и введший понятия эквивалентов и эквивалентного веса. Замечательный французский химик Ж. Пруст первым в 1801-1808 гг. установил закон постоянства состава вещества, согласно которому любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным, неизменным составом и тем самым отличается от смесей. Точная его современная формулировка такова: всякое чистое вещество независимо от его происхождения и способа получения имеет один и тот же состав. Теоретически обосновал этот закон Пруста и установил в 1803 г. другой, не менее важный закон, закон кратных отношений, английский химик и физик, фактический создатель химического атомизма Дж. Дальтон. (Он же первым описал дефект зрения, которым страдал сам и который получил позже название дальтонизм). Закон кратных отношений Дальтона гласит: если определенное количество одного элемента вступает в соединение с другим элементом в нескольких весовых отношениях, то количества первого и второго элементов относятся между собой как целые числа. После трудов Берцелиуса, Гей-Люссака и Либиха этот закон стал одним из самых фундаментальных законов химии. Дальтон ввел в химию такое, как оказалось, основополагающее понятие как атомный вес, которое сыграло во многих случаях решающую роль. Так, например, его роль в поисках системно образующего и системно упорядочивающего факторов в проблеме элементов, предпринимаемых в течение столетия со времени открытия кислорода англичанином Дж. Пристли, шведом К. Шееле и французом А. Л. Лавуазье, оказалась решающей и удалась великому русскому химику Д. И. Менделееву.

В качестве системного фактора он установил именно атомный вес, который упорядочивает химические элементы в периодический закон. Исследование этого периодического закона, или периодической таблицы элементов, через 70 лет после Менделеева уже в квантовой механике, показало, что индивидуальные свойства и положение каждого из элементов в таблице определяются, на самом деле, не атомным весом, а электрическим зарядом атомного ядра. Кроме того, оказалось, что атомов одного и того же элемента, например, хлора, может быть два, различающихся по атомному весу, но имеющих один и тот же ядерный заряд. Такие различающиеся по массе элементы стали называть изотопами. Всего же разных элементов к началу XXI столетия известно 118. Распространенность же элементов различна. Так, установлено, что в составе земной коры, морской воды и атмосферы содержится приблизительно 49,5% — кислорода, 25,3% — кремния, 7,5% — алюминия, 5,1% — железа, 3,4% — кальция, 2,6% — натрия, 2,4% - калия, 1,9% — магния, 0,9% — водорода, остальных же элементов менее 1%. В этом последнем проценте скрыта и доля углерода, основы жизни на Земле.

Из элементов, указанных выше, человечество особо интенсивно использует металлы и керамики, изготавливаемые на основе кремния. Предполагается, что в недалеком будущем основными материалами станут керамики, а также элементоорганические соединения, использующие в своем синтезе редко распространенные, а потому дорогие такие элементы, как цирконий, титан, бор, германий, хром, молибден, вольфрам и ряд редкоземельных элементов.