Лекція 1.Хімія як наука і виробництво
Д.І. Менделєєв писав: «Вищу мета випробуваної науки становить не просто ерудиція, тобто опис і знання, ... а осягнення неізменяющегосясреді змінного і вічного між тимчасовим, поєднане з ... можливістю докладати науку до прямого використання для нових перемог над природою ».
І ще він писав: «Відшукати ... єдине незмінне і загальне в змінюваному і приватному становить основну задачу пізнання.» ( «Основи хімії» (1871)).
Менделєєв допоміг знайти це «саме єдине і загальне» всієї хімії. Він звернув увагу на те, що хімія, як і будь-яка наука, є в один і той час, і засіб, і мета, і теорія, і практика. Мабуть, хімія, як ніяка інша наука, вже з самих ранніх ступенів свого розвитку являє собою явище, включене в сферу матеріального виробництва.
Основна проблема хімії
Хімія як така завжди була потрібна людству переважно для того, щоб отримувати з речовин природи по можливості всі необхідні матеріали - метали і кераміку, вапно і цемент, скло і бетон, барвники і фармацевтику, взвривчатие речовини і штучні горючі матеріали, каучуки і пластмаси, хімічні волокна і матеріали з заданими електрофізичними властивостями. ...
Тому всі хімічні знання об'єднує одна єдина і вічна і головне завдання хімії - завдання одержання речовин з необхідними властивостями.
Але щоб реалізувати цю виробничу задачу, треба вміти здійснювати якісні перетворення. А оскільки якість - це сукупність властивостей речовини, треба знати, як управляти його властивостями, знати від чого залежать ці властивості. Інакше кажучи, щоб вирішувати виробничу задачу, хімія одночасно повинна вирішувати теоретичну задачу генезису властивостей речовини.
Таким чином, стрижнем хімії виступає двоєдина проблема - отримання речовин з заданими властивостями (виробнича діяльність людини) і виявлення способів управління властивостями речовини (пізнавальна діяльність).
Історія хімії як закономірний процес зміни способів вирішення її основної проблеми
Найважливішою особливістю ОПХ є те, що вона має обмежене і чітко визначена кількість загальних способів вирішення, оскільки властивості речовини залежать лише від 4 факторів:
елементарного і молекулярного складу;
кінетичних факторів, в тому числі природи сореагентов;
висоти його хімічної орієнтації.
Ці 4 фактори стали відомі з тих пір, як хімія стала наукою (в середині XVII ст.). Але в ранні періоди розвитку хімії, наприклад в алхимический період, передбачалося, що властивості речовини залежать від деяких спочатку властивостей-стихій або від «елементів-першопочатків»: сухості і вологості, тепла і холоду і т.п. А так як не можна знехтувати так само і цим самим першим способом пояснення якісного різноманіття тел природи, то можна сказати, що ОПХ - проблема генезису властивостей речовини - має 5 способів вирішення, з них один з'явився в донаукових період.
З зміни способів вирішення основної проблеми хімії, виявляється, логічно пов'язувати ступені розвитку хімії.
М - масив наукової інформації
Вчення про хім. процесі
Мал. Ієрархія рівнів хімічного знання або концептуальні системи хімії
Перший спосіб вирішення ОПХ
З'явився в древньої натурфілософії і проіснував понад дві тисячі років - аж до робіт Р. Бойля. За цей час було запропоновано два принципово різних пояснень нескінченно якісного розмаїття тел природи.
атомистическое пояснення. Демокріт, Епікур. Лукрецій Кар висловили геніальні здогади про відмінність «атомів первоматерии» по їх масі, про
Демокріт (бл. 460-370 до н.е.) - давньогрецький вчений. Визнавав вічність матерії і вважав, що вона складається з нескінченного числа найдрібніших частинок - атомів, різне поєднання яких утворює безліч речей і їх властивостей. Стверджував, що атоми рухаються під впливом панування необхідності. За Демокріту, у Всесвіті існують незліченні світи, які виникають, розвиваються і гинуть.
контінуалісткое (антіатоміческое) пояснення. Аристотель і Емпедокл вважали, що все різноманіття тел обумовлено поєднанням чотирьох елементів стихій - вогню, води, повітря, землі і відповідних властивостей - тепла і холоду, сухості і вогкості. так:
Вогонь = первинне речовина (ПВ) + теплота + сухість.
Вода = ПВ + вологість + холод.
Повітря = ПВ + теплота + вологість.
Земля = ПВ + холод + сухість.
В епоху алхімії в цьому напрямку міркував і знаменитий Парацельс (1493-1541). В основі сущого по Парацельсу, лежать три початку (tria prima): ртуть - початок летючості, сірка - початок горючості, сіль - початок твердості.
В алхімії принципи-початку упредметнюється.
Обидва підходи були позбавлені емпіричного підстави, були умоглядними і не могли по суті багато дати виробничій практиці. Таким чином, в цей період між практикою і «теорією» або зовсім не було зв'язку, або була вкрай слабка і односторонній зв'язок.
Треба підкреслити, що першим способом вирішення ОПХ, властива ще одна риса, яка відсутня у інших способів - його історична приреченість. Він відмирає з виникненням нового способу, як практично даремний. У зв'язку з цим слід зазначити що, всі інші способи вирішення ОПХ, про які йтиметься нижче, раз з'явилася на світло, продовжують застосовуватися до теперішнього часу і їм не загрожує загибель.
Особливості першого способу, разом узяті, настільки виділяють його щодо подальших, що мимоволі виникає ідея про кордон між «науковою хімією», яка починається з Р. Бойля, і якоїсь ненауковою (або не цілком наукової) хімією, яка існувала до Бойля.
Другий спосіб вирішення ОПХ
Цей спосіб виникає в другій половині XVII століття в роботах англійського вченого Р. Бойля. Його поява пов'язана з епохою Відродження, яка поряд з прогресивними змінами в економічному і політичному житті, викликала докорінне перетворення в області природознавства, а саме, поява експериментального підходу до вивчення природи.
Дослідження Бойля привели його до наступних висновків:
всі якості і властивості тіл не мають абсолютного характеру і залежать від того з яких матеріальних елементів ці тіла складені, тобто Бойль відкинув уявлення про елементи-якості, про те що властивості тел визначаються властивостями-стихіями;
елементи - прості, надалі не розкладені тіла з яких складаються всі змішані тіла, тобто хімічні сполуки;
елементи складаються з корпускул, а корпускули - з атомів.
Тобто Бойль висловлював ідею, що властивості речовин визначаються їх складом: составсвойства.
Цей (другий) спосіб поклав початок експериментальної хімії, визначивши її як науку про склад речовин або «науку про хімічні елементи та їх сполуки» (по Д.І. Менделєєву).
Вчення про склад - перша концептуальна система хімії. Згідно з цим вченням властивості речовин можна вивчати шляхом зміни їх складу.
Третій спосіб вирішення ОПХ
Третій спосіб вирішення ОПХ був викликаний переходом від мануфактурної стадії капіталізму, де панувала ручна праця, до фабричної системи капіталістичного виробництва, що спирається на машинну техніку і нову сировинну базу.
Текстильна промисловість в XVIII в. - першій половині XIX ст. вимагала вироблення величезної маси речовин рослинного і тваринного походження, якісне різноманітність яких приголомшливо велике, а склад вкрай одноманітний (5-7 елементів - «органогенов»).
При цих умовах, а так само в результаті відкриття на початку XIX ст. ізомерії і полімерії, з'явилися ідеї про те, що властивості і якісне різноманітність речовин обумовлює не тільки склад, але і структура речовини в широкому сенсі слова.
Так з'явилася друга концептуальна система хімії - структурна хімія. Якщо в рамках вчення про склад (перша концептуальна система) була головним чином наукою аналітичної. то в рамках другої системи вона стала переважно синтетичної. Період становлення структурної хімії історики назвали «тріумфальною ходою органічного синтезу» (азокрасители, ліки, штучний шовк і т.д.).
Четвертий спосіб вирішення ОПХ
У XX ст. розвиток авіаційної промисловості, енергетики та приладобудування висунуло вимоги отримання матеріалів зі строго заданими властивостями (високооктанове моторне паливо, особливі мастила, спеціальні каучуки і пластмаси, високостійкі ізолятори, жароміцні органічні й неорганічні полімери, напівпровідники). Способи вирішення ОПХ засновані лише на структурної хімії та вченні про склад, стали вже явно недостатніми для вирішення завдань практики, тому що вони:
- не забезпечували економічно прийнятних виходів продуктів;
- орієнтувалися, як правило, на реагенти рослинного і тваринного походження. На це витрачалося десятки мільйонів тонн зерна, картоплі, жирів, сирої шкіри і т.д .;
- не мали необхідні можливості управління процесами синтезу.
Під впливом нових вимог виробництва виник четвертий спосіб вирішення ОПХ, який прослужив підставою нової - третьої концептуальної системою хімічного - вчення про хімічні процеси.
Об'єктом хімії ставати не закінчене речовина, а саме перетворення, предметом хімії - не структура молекули, а хімічна організація кінетичної системи, в якій структурі молекули представлена лише як приватність. З'явилися нові можливості органічного синтезу і нові методи управління хімічними процесами. Завдяки новому способу вирішення ОПХ світове виробництво багатотоннажних матеріалів (синтетичний каучук, пластмаси, штучні волокна, миючі засоби, спирт і ін.) Стало базуватися на нафтовій сировині, а виробництво азотних добрив - на основі азоту повітря. Уже в 1960 роки 100% технічного спирту, 80% миючих засобів, 90% оліфи і лаків, 35% волокон, 65% каучуку і близько 20% шкіряних матеріалів виготовлялися на основі газового і нафтового сировини. Завдяки новому способу вирішення ОПХ хімія дає щорічно сільському господарству сотні тисяч тонн сечовини і нафтового білка тільки як корм худобі і кілька мільйонів тонн добрив. Величезна кількість продуктів сільського господарства тепер йде безпосередньо на харчування людині і корм худобі.
П'ятий спосіб вирішення ОПХ
В даний час хімія переходить до п'ятого способу вирішення її основної проблеми. Цей спосіб відкриває шляхи використання у виробництві матеріалів самих високоорганізованих хімічних систем, які тільки можливі тільки в передбіологічному синтезі. Цей спосіб ліг в основу четвертої і останньої концептуальної системи хімічної науки - еволюційної хімії.
Узагальнимо все викладене.
Представлена ієрархія концептуальних систем відображає ієрархію матеріальних систем:
Атом хімічного елементаученіе про склад
Молекула хімічного соедіненіяструктурная хімія
Система реагують частіцученіе про хімічний процесі
Високоорганізовані каталітичні сістемиеволюціонная хімія
Головною тенденцією розвитку сучасної хімії є найбільш повне освоєння її третього рівня - вчення про хімічний процесі і перехід на четвертий рівень - в область еволюційної хімії.
В рамках третього рівня належить:
- виявити природу багатьох проміжних частинок;
- виявити механізми багатьох реакцій, зокрема перенесення електронів;
- продовжити освоєння в практиці теорії абсолютних швидкостей реакцій;
- розкрити масу білих плям в теорії каталізу.
- опрацювати питання щодо кінетики, макрокінетики і гідродинаміки великих реакторних систем, що лімітують розв'язання найскладніших проблем масштабного переходу від лабораторних досліджень до промислових агрегатів.
В рамках четвертого рівня належить вирішити:
- освоєння каталітичного досвіду живої природи;
- моделювання біосистем з метою здійснення найрізноманітніших процесів - від фотохімічного розкладання води на кисень і водень до синтезу моделей біополімерів в комплексі з біорегулятори.