Subst:Template:Проект з ОІТ та Історії хімії
История химии изучает и описывает сложный процесс накопления специфических знаний, относящихся к изучению свойств и превращений веществ; её можно рассматривать как пограничную область знания, которая связывает явления и процессы, относящиеся к развитию химии, с историей человеческого общества.
Историю химии принято подразделять на несколько периодов; при этом следует учитывать, что эта периодизация, будучи достаточно условной и относительной, имеет скорее дидактический смысл[1]. Содержание
[убрать]
1 Предалхимический период: до III в
2 Алхимический период: III—XVII вв
2.1 Александрийская алхимия
2.2 Арабская алхимия
2.3 Европейская алхимия
2.4 Техническая химия и ятрохимия
3 Период становления (объединения): XVII—XVIII вв
3.1 Теория флогистона
3.2 Химическая революция
4 Период количественных законов: конец XVIII — середина XIX в
5 Химия во второй половине XIX в
5.1 Периодическая система элементов
5.2 Структурная химия
5.3 Физическая химия
6 Современный период: с начала XX в
7 См. также
8 Примечания
9 Литература
10 Ссылки
[править] Предалхимический период: до III в «Квадрат противоположностей» — графическое отображение взаимосвязи между элементами
В предалхимическом периоде теоретический и практический аспекты знаний о веществе развивались относительно независимо друг от друга.
Практические операции с веществом являлись прерогативой ремесленной химии. Начало её зарождения следует в первую очередь связывать, видимо, с появлением и развитием металлургии. В античную эпоху были известны в чистом виде семь металлов: медь, свинец, олово, железо, золото, серебро и ртуть, а в виде сплавов — ещё и мышьяк, цинк и висмут. Помимо металлургии, накопление практических знаний происходило и в других областях, таких как производство керамики и стекла, крашение тканей и дубление кож, изготовление лекарственных средств и косметики. Именно на основе успехов и достижений практической химии древности происходило развитие химических знаний в последующие эпохи.
Попытки теоретического осмысления проблемы происхождения свойств вещества привели к формированию в античной греческой натурфилософии учения об элементах-стихиях. Наибольшее влияние на дальнейшее развитие науки оказали учения Эмпедокла, Платона и Аристотеля. Согласно этим концепциям все вещества образованы сочетанием четырёх первоначал: земли, воды, воздуха и огня. Сами элементы при этом способны к взаимопревращениям, поскольку каждый из них, согласно Аристотелю, представляет собой одно из состояний единой первоматерии — определённое сочетание качеств. Положение о возможности превращения одного элемента в другой стало позднее основой алхимической идеи о возможности взаимных превращений металлов (трансмутации). Практически одновременно с учением об элементах-стихиях в Греции возник и атомизм, основателями которого стали Левкипп и Демокрит. [править] Алхимический период: III—XVII вв Открытие фосфора алхимиком Х. Брандом
Алхимический период — это время поисков философского камня, считавшегося необходимым для осуществления трансмутации металлов. Алхимическая теория, основанная на античных представлениях о четырёх элементах, была тесно переплетена с астрологией и мистикой. Наряду с химико-техническим «златоделием» эта эпоха примечательна также и созданием уникальной системы мистической философии. Алхимический период, в свою очередь, разделяется на три подпериода: александрийскую (греко-египетскую), арабскую и европейскую алхимию. «Хризопея Клеопатры» — изображение из алхимического трактата александрийского периода [править] Александрийская алхимия
В Александрии произошло соединение теории (натурфилософии Платона и Аристотеля) и практических знаний о веществах, их свойствах и превращениях; из этого соединения и родилась новая наука — химия. Само слово «химия» (и арабское al-kīmiyaˀ) обычно считается происходящим от древнего названия Египта — Кем или Хем; изначально слово, по-видимому, должно было означать нечто вроде «египетского искусства». Иногда термин производят от греческого χυμος — сок или χυμενσιζ — литьё[2][3][4][5]. Основными объектами изучения александрийской химии являлись металлы. В александрийский период сформировалась традиционная металлопланетная символика алхимии, в которой каждому из семи известных тогда металлов сопоставлялась соответствующая планета: серебру — Луна, ртути — Меркурий, меди — Венера, золоту — Солнце, железу — Марс, олову — Юпитер, свинцу — Сатурн[6]. Небесным покровителем химии в Александрии стал египетский бог Тот или его греческий аналог Гермес.
Среди значительных представителей греко-египетской алхимии, имя которых дошло до наших дней, можно отметить Болоса Демокритоса, Зосима Панополита, Олимпиодора. Написанная Болосом книга «Физика и мистика» (ок. 200 до н. э.) состоит из четырёх частей, посвящённых золоту, серебру, драгоценным камням и пурпуру. Болос впервые высказал идею трансмутации металлов — превращения одного металла в другой (прежде всего неблагородных металлов в золото), ставшую основной задачей всего алхимического периода. Зосим в своей энциклопедии (III в.) определил khemeia как искусство делания золота и серебра, описал «тетрасомату» — стадии процесса приготовления искусственного золота; особо он указывал на запрет разглашения тайн этого искусства.
От александрийского периода осталось также и множество герметических текстов, представлявших собой попытку философско-мистического объяснения превращений веществ, среди которых знаменитая «Изумрудная скрижаль» Гермеса Трисмегиста.
К числу несомненных практических достижений греко-египетских алхимиков следует отнести открытие явления амальгамирования металлов. Амальгама золота стала применяться для позолоты. Александрийскими учёными был усовершенствован способ извлечения золота и серебра из руд, для чего широко применялась ртуть, получаемая из киновари или каломели. Помимо практического значения, уникальная способность ртути образовывать амальгаму способствовала появлению представления о ртути, как об особом, «первичном» металле. Алхимиками был разработан также способ очистки золота купелированием — нагреванием руды со свинцом и селитрой[7]. [править] Арабская алхимия
Теоретической основой арабской алхимии по-прежнему являлось учение Аристотеля. Однако развитие алхимической практики потребовало создания новой теории, основанной на химических свойствах веществ. Джабир ибн Хайян (Гебер) в конце VIII века разработал ртутно-серную теорию происхождения металлов, согласно которой металлы образованы двумя принципами: Ртутью (принцип металличности) и Серой (принцип горючести). Для образования золота — совершенного металла, помимо Ртути и Серы необходимо наличие некоторой субстанции, которую Джабир называл эликсиром (al-iksir, от греческого ξεριον, то есть «сухой»). Проблема трансмутации, таким образом, в рамках ртутно-серной теории свелась к задаче выделения эликсира, иначе называемого философским камнем (Lapis Philosophorum). Эликсир, как считалось, должен был обладать ещё многими магическими свойствами — исцелять все болезни, и, возможно, давать бессмертие[8][9].
Ртутно-серная теория составила теоретическую основу алхимии на несколько последующих столетий. В начале X века другой выдающийся алхимик — Ар-Рази (Разес), — усовершенствовал теорию, добавив к Ртути и Сере принцип твёрдости (хрупкости), или философскую Соль.
Арабская алхимия, в отличие от александрийской, была вполне рациональна; мистические элементы в ней представляли собой скорее дань традиции. Помимо формирования основной теории алхимии, во время арабского этапа был разработан понятийный аппарат, лабораторная техника и методика эксперимента. Арабские алхимики добились несомненных практических успехов — ими выделены сурьма, мышьяк и, по-видимому, фосфор, получены уксусная кислота и разбавленные растворы минеральных кислот. Важной заслугой арабских алхимиков стало создание рациональной фармации, развившей традиции античной медицины. Аллегорическое изображение из европейского алхимического трактата (Василий Валентин, 1599) [править] Европейская алхимия
Научные воззрения арабов проникли в средневековую Европу в XIII веке. Работы арабских алхимиков были переведены на латынь, а затем и на другие европейские языки.
Среди крупнейших алхимиков европейского этапа можно отметить Альберта Великого, Роджера Бэкона, Арнальдо де Вилланову, Раймунда Луллия, Василия Валентина. Р. Бэкон определил алхимию следующим образом: «Алхимия есть наука о том, как приготовить некий состав, или эликсир, который, если его прибавить к металлам неблагородным, превратит их в совершенные металлы»[10].
В Европе в мифологию и символику алхимии были внедрены элементы христианской мифологии (Петрус Бонус, Николай Фламель); в целом для европейской алхимии мистические элементы оказались значительно более характерны, нежели для арабской. Мистицизм и закрытость европейской алхимии породили значительное число мошенников от алхимии; уже Данте Алигьери в «Божественной комедии» поместил в восьмой круг Ада тех, кто «алхимией подделывал металлы». Характерной чертой европейской алхимии стало её двусмысленное положение в обществе. Как церковные, так и светские власти неоднократно запрещали занятия алхимией; в то же время алхимия процветала и в монастырях, и при королевских дворах.
К началу XIV века европейская алхимия добилась первых значительных успехов, сумев превзойти арабов в постижении свойств вещества. В 1270 итальянский алхимик Бонавентура, в одной из попыток получения универсального растворителя получил раствор нашатыря в азотной кислоте (aqua fortis), который оказался способным растворять золото, царя металлов (отсюда и название — aqua Regis, то есть царская водка). Псевдо-Гебер — один из самых значительных средневековых европейских алхимиков, работавший в Испании в XIV веке и подписывавший свои сочинения именем Гебера, — подробно описал концентрированные минеральные кислоты (серную и азотную). Использование этих кислот в алхимической практике привело существенному росту знаний алхимиков о веществе.
В середине XIII века в Европе началась выделка пороха; первым его (не позже 1249) описал, по-видимому, Р. Бэкон (часто упоминаемого монаха Б. Шварца можно считать основоположником порохового дела в Германии). Появление огнестрельного оружия стало сильнейшим стимулом для развития алхимии и её тесного переплетения с ремесленной химией. Печь для дистилляции (Псевдо-Гебер, XIV в.) [править] Техническая химия и ятрохимия
Начиная с эпохи Возрождения, в связи c развитием производства всё большее значение в алхимии стало приобретать производственное и вообще практическое направление: металлургия, изготовление керамики, стекла и красок. В первой половине XVI века в алхимии выделились рациональные течения: техническая химия, начало которой положили работы В. Бирингуччо, Г. Агриколы и Б. Палисси, и ятрохимия, основателем которой стал Парацельс.
Бирингуччо и Агрикола видели задачу алхимии в поисках способов совершенствования химической технологии; в своих трудах они стремились к максимально ясному, полному и достоверному описанию опытных данных и технологических процессов.
Парацельс утверждал, что задача алхимии — изготовление лекарств[11]; при этом медицина Парацельса основывалась на ртутно-серной теории. Он считал, что в здоровом организме три принципа — Ртуть, Сера и Соль, — находятся в равновесии; болезнь представляет нарушение равновесия между принципами[12][13]. Для его восстановления Парацельс ввёл в практику лекарственные препараты минерального происхождения — соединения мышьяка, сурьмы, свинца, ртути и т. п., — в дополнение к традиционным растительным препаратам.
К представителям ятрохимии (спагирикам, как называли себя последователи Парацельса) можно отнести многих известных алхимиков XVI—XVII веков: А. Либавия, Р. Глаубера, Я. Б. Ван Гельмонта, О. Тахения.
Техническая химия и ятрохимия непосредственно подвели к созданию химии как науки; на этом этапе были накоплены навыки экспериментальной работы и наблюдений, в частности, разработаны и усовершенствованы конструкции печей и лабораторных приборов, методы очистки веществ (кристаллизация, перегонка и др.), получены новые химические препараты.
Главным результатом алхимического периода в целом, помимо накопления значительного запаса знаний о веществе, явилось зарождение эмпирического подхода к изучению свойств вещества. Алхимический период стал совершенно необходимым переходным этапом между натурфилософией и экспериментальным естествознанием. [править] Период становления (объединения): XVII—XVIII вв
Вторая половина XVII века ознаменовалась первой научной революцией, результатом которой стало новое естествознание, целиком основанное на экспериментальных данных. Создание гелиоцентрической системы мира (Н. Коперник, И. Кеплер), новой механики (Г. Галилей), открытие вакуума и атмосферного давления (Э. Торричелли, Б. Паскаль и О. фон Герике) привели к глубокому кризису аристотелевской физической картины мира. Ф. Бэкон выдвинул тезис о том, что решающим доводом в научной дискуссии должен являться эксперимент; в философии возродились атомистические представления (Р. Декарт, П. Гассенди).
Одним из следствий этой научной революции явилось создание новой химии, основоположником которой традиционно считается Р. Бойль. Бойль, доказав несостоятельность алхимических представлений об элементах как носителях неких качеств, поставил перед химией задачу поиска реальных химических элементов. Элементы, по Бойлю, — практически неразложимые тела, состоящие из сходных однородных корпускул, из которых составлены все сложные тела и на которые они могут быть разложены. Главной задачей химии Бойль считал изучение состава веществ и зависимости свойств вещества от его состава[14][15].
Создание теоретических представлений о составе тел, способных заменить учение Аристотеля и ртутно-серную теорию, оказалось весьма сложной задачей. В последней четверти XVII в. появились т. н. эклектические воззрения, создатели которых пытаются увязать алхимические традиции и новые представления о химических элементах (Н. Лемери, И. И. Бехер). [править] Теория флогистона
Основной движущей силой развития учения об элементах в первой половине XVIII века стала теория флогистона, предложенная немецким химиком Г. Э. Шталем. Она объясняла горючесть тел наличием в них некоего материального начала горючести — флогистона, и рассматривала горение как разложение[16]. Теория флогистона обобщила широкий круг фактов, касавшихся процессов горения и обжига металлов, послужила мощным стимулом для развития количественного анализа сложных тел, без которого было бы абсолютно невозможным экспериментальное подтверждение идей о химических элементах. Она стимулировала также изучение газообразных продуктов горения в частности и газов вообще; в результате появилась пневматическая химия, основоположниками которой стали Дж. Блэк, Д. Резерфорд, Г. Кавендиш, Дж. Пристли и К. В. Шееле[17]. Таблица простых тел Лавуазье [править] Химическая революция
Процесс превращения химии в науку завершился открытиями А. Л. Лавуазье. С создания им кислородной теории горения (1777) начался переломный этап в развитии химии, названный «химической революцией». Отказ от теории флогистона потребовал пересмотра всех основных принципов и понятий химии, изменения терминологии и номенклатуры веществ[18]. В 1789 Лавуазье издал свой знаменитый учебник «Элементарный курс химии», целиком основанный на кислородной теории горения и новой химической номенклатуре. Он привёл первый в истории новой химии список химических элементов (таблицу простых тел). Критерием определения элемента он избрал опыт, и только опыт, категорически отвергая любые неэмпирические рассуждения об атомах и молекулах, само существование которых невозможно подтвердить опытным путём[19]. Лавуазье сформулировал закон сохранения массы, создал рациональную классификацию химических соединений, основанную, во-первых, на различии в элементном составе соединений и, во-вторых, на характере их свойств.
Химическая революция окончательно придала химии вид самостоятельной науки, занимающейся экспериментальным изучением состава тел; она завершила период становления химии, ознаменовала собой полную рационализацию химии, окончательный отказ от алхимических представлений о природе вещества и его свойств. [править] Период количественных законов: конец XVIII — середина XIX в
Главным итогом развития химии в период количественных законов стало её превращение в точную науку, основанную не только на наблюдении, но и на измерении. За открытым Лавуазье законом сохранения массы последовал целый ряд новых количественных закономерностей — стехиометрические законы:
Закон эквивалентов (И. В. Рихтер, 1791—1798) Закон постоянства состава (Ж. Л. Пруст, 1799—1806) Закон кратных отношений (Дж. Дальтон, 1803) Закон объёмных отношений, или закон соединения газов (Ж. Л. Гей-Люссак, 1808) Закон Авогадро (А. Авогадро, 1811) Закон удельных теплоёмкостей (П. Л. Дюлонг и А. Т. Пти, 1819) Закон изоморфизма (Э. Мичерлих, 1819) Законы электролиза (М. Фарадей, 1830-е гг.) Закон постоянства количества теплоты (Г. Гесс, 1840) Закон атомов (С. Канниццаро, 1858)[20]
Символы атомов Дальтона
Основываясь на законе кратных отношений и законе постоянства состава, объяснить которые, не прибегая к предположению о дискретности материи, невозможно, Дж. Дальтон разработал свою атомную теорию (1808). Важнейшей характеристикой атома элемента Дальтон считал атомный вес. Проблема определения атомных весов на протяжении нескольких десятилетий являлась одной из важнейших теоретических проблем химии.
Огромный вклад в развитие химической атомистики внёс шведский химик Й. Я. Берцелиус, определивший атомные массы многих элементов[21]. Он же в 1811—1818 разработал электрохимическую теорию сродства, объяснявшую соединение атомов на основе представления о полярности атомов и электроотрицательности[22].
Свою молекулярную теорию, органично дополняющую атомистику Дальтона, разработал А. Авогадро, однако его взгляды долгое время не находили признания.
Наряду с атомными весами, долгое время в химии существовала система «эквивалентных весов», которую развивали У. Волластон и Л. Гмелин. Многим химикам эквивалентные веса казались более удобными и точными, чем атомные, поскольку они рассчитывались без принятых Дальтоном допущений.[23] Однако для органической химии система эквивалентов оказалась малопригодной, и в 1840-х гг. Ж. Б. Дюма, Ш. Жерар и О. Лоран возродили идеи Авогадро[24].
Окончательную ясность в атомно-молекулярную теорию внёс С. Канниццаро[25]. Реформа Канниццаро, получившая всеобщее признание на Международном конгрессе химиков в Карлсруэ (1860), завершила период, основным содержанием которого стало установление количественных законов. Определения атомных масс химических элементов, которые выполнил в первой половине 1860-х годов бельгийский химик Ж. С. Стас, до конца XIX века считались наиболее точными и открыли дорогу для систематизации элементов. [править] Химия во второй половине XIX в
Для данного периода характерно стремительное развитие науки: были созданы периодическая система элементов, теория химического строения молекул, стереохимия, химическая термодинамика и химическая кинетика; блестящих успехов достигли прикладная неорганическая химия и органический синтез. В связи с ростом объёма знаний о веществе и его свойствах началась дифференциация химии — выделение её отдельных ветвей, приобретающих черты самостоятельных наук. Таблица Менделеева 1869 года [править] Периодическая система элементов
Одной из важнейших задач химии второй половины XIX века стала систематизация химических элементов. Создание Периодической системы стало результатом длительного эволюционного процесса, который начался с закона триад, предложенного И. В. Дёберейнером в 1829[26]. Выявленная им несомненная взаимосвязь между свойствами элементов и их атомными массами была развита Л. Гмелиным, показавшим, что эта взаимосвязь значительно сложнее, нежели триады[27]. Ж. Дюма и М. фон Петтенкофер предложили дифференциальные системы, направленные на выявление закономерностей в изменении атомного веса элементов, которые были развиты А. Штреккером. В середине 1860-х У. Одлинг, А. Э. Бегуйе де Шанкуртуа, Дж. Ньюлендс и Л. Мейер предложили несколько вариантов таблиц[28][29][30], в которых уже явственно прослеживается периодичность свойств элементов[31][32].
В 1869 Д. И. Менделеев опубликовал первый вариант своей Периодической таблицы и сформулировал Периодический закон химических элементов[33]. Менделеев не просто констатировал наличие взаимосвязи между атомными весами и свойствами элементов, но взял на себя смелость предсказать свойства нескольких неоткрытых ещё элементов[34][35]. После того, как предсказания Менделеева блестяще подтвердились, Периодический закон стал считаться одним из фундаментальных законов природы[36][37]. [править] Структурная химия
После открытия явления изомерии (Ю. Либих и Ф. Вёлер, 1824), чрезвычайно распространённого в органической химии, стало очевидным, что свойства вещества определяются не только его составом, но и порядком соединения атомов и их пространственным расположением.
В основу решения вопроса о строении органических веществ вначале было положено представления Берцелиуса о радикалах — полярных группах атомов, способных переходить без изменения из одних веществ в другие. Теория сложных радикалов, предложенная Либихом и Вёлером (1832), быстро получила всеобщее признание. Открытие явления металепсии (Ж. Б. Дюма, 1834), не укладывающегося в электрохимические представления Берцелиуса, повлекло за собой появление теории типов Дюма (1839). Созданная Ш. Жераром и О. Лораном новая теория типов (1852) включила в себя и представления о сложных радикалах, и идеи Дюма о типах молекул, сведя всё разнообразие органических соединений к трём или четырём типам. Модели органических молекул (А. В. Гофман, 1865)
Теория типов Жерара-Лорана привела к созданию представлений о единицах сродства атомов и радикалов, в результате развития которых появилась теория валентности (Ф. А. Кекуле фон Штрадониц, 1857), ставшая основой для создания А. М. Бутлеровым его теории химического строения молекул. Простые и наглядные представления Кекуле и Бутлерова позволили дать объяснение многим экспериментальным фактам, касающихся изомерии органических соединений и их реакционной способности. Большое значение для развития системы структурных формул имело установление циклического строения молекулы бензола (Кекуле, 1865)[38].
Важным этапом развития структурной химии стало создание стереохимии, описывающей пространственное строение молекул. В 1874 голландский химик Я. Г. Вант-Гофф предложил теорию асимметричного атома углерода[39][40], которая удачно объясняла явление оптической изомерии, открытое в 1832 Берцелиусом, и существование энантиомеров, обнаруженных в 1848 Л. Пастером[41].
На протяжении почти всего XIX века структурные представления оказались востребованы, прежде всего, в органической химии. Лишь в 1893 А. Вернер создал теорию строения комплексных соединений, которая распространила эти представления на неорганические соединения, существенно расширив понятие о валентности элементов[42]. [править] Физическая химия «Введение в истинную физическую химию». Рукопись М. В. Ломоносова. 1752
В середине XIX века начала стремительно развиваться пограничная область науки — физическая химия. В отечественной историографии науки считается, что начало ей положил ещё М. В. Ломоносов, дав определение и введя само наименование этой дисциплины в научный тезаурус[43]. Предметом изучения физической химии стали химические процессы — скорость, направление, сопровождающие их тепловые явления и зависимость этих характеристик от внешних условий.
Изучение тепловых эффектов реакций начал А. Л. Лавуазье, сформулировавший совместно с П. С. Лапласом первый закон термохимии. В 1840 Г. И. Гесс открыл основной закон термохимии («закон Гесса»). М. Бертло и Ю. Томсен в 1860-е годы сформулировали «принцип максимальной работы» (принцип Бертло — Томсена), позволивший предвидеть принципиальную осуществимость химического взаимодействия.
Важнейшую роль в создании представлений о химическом сродстве и химическом процессе сыграли термодинамические исследования середины XIX века. Объектом изучения химической термодинамики стало, прежде всего, состояние химического равновесия, впервые описанное А. У. Уильямсоном в 1850 и изученное Г. Розе, Р. В. Бунзеном, А. Э. Сент-Клер Девилем, М. Бертло и другими исследователями.
В 1867 К. М. Гульдберг и П. Вааге открыли закон действующих масс[44]. Представляя равновесие обратимой реакции как равенство двух сил сродства, действующих в противоположных направлениях, они показали, что направление реакции определяется не массами веществ (как предполагал в начале века К. Л. Бертолле), а произведением действующих масс (концентраций) реагирующих веществ. Теоретическое рассмотрение химического равновесия выполнили Дж. У. Гиббс (1874—1878), Д. П. Коновалов (1881—1884)[45] и Я. Г. Вант-Гофф (1884). Вант-Гофф сформулировал также принцип подвижного равновесия, который обобщили позже А. Л. Ле Шателье и К. Ф. Браун. Создание учения о химическом равновесии стало одним из главных достижений физической химии XIX века, имевшим значение не только для химии, но и для всего естествознания[46].
В 1850-е годы с работ Л. Ф. Вильгельми[47] начались систематические исследования скорости химических реакций, которые привели к созданию в 1880-е годы основ формальной кинетики (Я. Г. Вант-Гофф, В. Оствальд, С. А. Аррениус). В 1890-х годах Оствальд опубликовал также серию ставших классическими работ по исследованию каталитических процессов.
Важным достижением физической химии в XIX веке стало создание учения о растворах. Альтернативные физическая и химическая теории растворов развились из представлений Берцелиуса, считавшего растворы механическими смесями, при образовании которых не действуют силы химического сродства, и Бертолле, рассматривавшего растворы как нестехиометрические соединения. Физическая теория достигла существенных успехов в количественном описании некоторых свойств растворов (1-й и 2-й законы Ф. М. Рауля, осмотический закон Я. Г. Вант-Гоффа, теория электролитической диссоциации С. А. Аррениуса)[48][49]. Изображение на фотопластинке, полученное А. Беккерелем в 1896 г. [править] Современный период: с начала XX в
Открытие электрона Э. Вихертом[50][51] и Дж. Дж. Томсоном (1897) и радиоактивности А. Беккерелем (1896) стали доказательством делимости атома, возможность которой стала обсуждаться после выдвижения У. Праутом гипотезы о протиле (1815). Уже в начале XX века появились первые модели строения атома: «кексовая» (У. Томсон, 1902 и Дж. Дж. Томсон, 1904)[52], планетарная (Ж. Б. Перрен, 1901 и Х. Нагаока, 1903)[53], «динамидическая» (Ф. Ленард, 1904)[54]. В 1911 Э. Резерфорд, основываясь на опытах по рассеиванию α-частиц, предложил ядерную модель, ставшую основой для создания классической модели строения атома (Н. Бор, 1913[55] и А. Зоммерфельд, 1916[56]). Основываясь на ней, Н. Бор в 1921 заложил основы формальной теории периодической системы, объяснившей периодичность свойств элементов периодическим повторением строения внешнего электронного уровня атома[57][58]. После того, как В. Паули сформулировал принцип запрета (1925)[59], а Ф. Хунд предложил эмпирические правила заполнения электронных оболочек (1925—1927)[60], была в целом установлена электронная структура всех известных к тому времени элементов.
После открытия делимости атома и установления природы электрона как его составной части возникли реальные предпосылки для разработки теорий химической связи. Первой стала концепция электровалентности Р. Абегга (1904)[61], основанная на идее о сродстве атомов к электрону. Модель Бора — Зоммерфельда, представления о валентных электронах (И. Штарк, 1915)[62] и идея об особой стабильности двух- и восьмиэлектронных оболочек атомов инертных газов легли в основу классических теорий химической связи. В. Коссель (1916)[63] разработал теорию гетерополярной (ионной) связи, а Дж. Н. Льюис (1916)[64] и И. Ленгмюр (1919)[65] — теорию гомеополярной (ковалентной) связи[66][67].
В конце 20-х — начале 30-х годов XX века сформировались принципиально новые — квантово-механические — представления о строении атома и природе химической связи.
Исходя из идеи французского физика Л. де Бройля о наличии у материальных частиц волновых свойств[68], австрийский физик Э. Шрёдингер в 1926 вывел основное уравнение т. н. волновой механики, содержащее волновую функцию и позволяющее определить возможные состояния квантовой системы и их изменение во времени[69]. Несколько ранее немецкий физик В. Гейзенберг разработал свой вариант квантовой теории атома в виде матричной механики[70].
Квантово-механический подход к строению атома привёл к созданию новых теорий, объясняющих образование связи между атомами. Уже в 1927 В. Г. Гейтлер и Ф. Лондон начали разрабатывать квантовомеханическую теорию химической связи и выполнили приближённый расчет молекулы водорода[71]. Распространение метода Гейтлера-Лондона на многоатомные молекулы привело к созданию метода валентных связей, который создают в 1928—1931 гг. Л. Полинг и Дж. К. Слэтер. Основная идея этого метода заключается в предположении, что атомные орбитали сохраняют при образовании молекулы известную индивидуальность. В 1928 Полинг предложил теорию резонанса и идею гибридизации атомных орбиталей, в 1932 — новое количественное понятие электроотрицательности[72][73].
В 1929 Ф. Хунд, Р. С. Малликен и Дж. Э. Леннард-Джонс заложили фундамент метода молекулярных орбиталей, основанного на представлении о полной потере индивидуальности атомов, соединившихся в молекулу. Хунд создал также современную классификацию химических связей; в 1931 он пришёл к выводу о существовании двух основных типов химических связей — простой, или σ-связи, и π-связи. Э. Хюккель распространил метод МО на органические соединения, сформулировав в 1931 правило ароматической стабильности, устанавливающее принадлежность вещества к ароматическому ряду[74]. Фуллерен С60 — аллотропная форма углерода, открытая в 1985 г.
Благодаря квантовой механике к 30-м годам XX века в основном был выяснен способ образования связи между атомами; кроме того, в рамках квантово-механического подхода получило корректную физическую интерпретацию менделеевское учение о периодичности. Создание надёжного теоретического фундамента привело к значительному росту возможностей прогнозирования свойств вещества. Особенностью химии в XX веке стало широкое использования физико-математического аппарата и разнообразных расчётных методов[75].
Подлинным переворотом в химии стало появление в XX веке большого числа новых аналитических методов, прежде всего физических и физико-химических (рентгеноструктурный анализ, электронная и колебательная спектроскопия, магнетохимия и масс-спектрометрия, спектроскопия ЭПР и ЯМР, хроматография и т. п.). Эти методы предоставили новые возможности для изучения состава, структуры и реакционной способности вещества.
Отличительной чертой современной химии стало её тесное взаимодействие с другими естественными науками, в результате которого на стыке наук появились биохимия, геохимия и др. разделы. Одновременно с этим процессом интеграции интенсивно протекал и процесс дифференциации самой химии. Хотя границы между разделами химии достаточно условны, коллоидная и координационная химия, кристаллохимия и электрохимия, химия высокомолекулярных соединений и некоторые другие разделы приобрели черты самостоятельных наук.
Закономерным следствием совершенствования химической теории в XX веке стали новые успехи практической химии — каталитический синтез аммиака, получение синтетических антибиотиков, полимерных материалов и т. п. Успехи химиков в деле получения вещества с желаемыми свойствами в числе прочих достижений прикладной науки к концу XX столетия привели к коренным преобразованиям в жизни человечества.
Хімія — одна з галузей природознавства, предметом вивчення якої є хімічні елементи ( атоми ), що утворюються ними прості і складні речовини ( молекули ), їх перетворення і закони, яким підкоряються ці перетворення. За визначенням Д. І. Менделєєва (1871), «хімію в сучасному її стані можна... назвати вченням про елементи». [Походження слова «хімія» з'ясоване не остаточно. Багато дослідників вважають, що воно походить від старовинного найменування Єгипту — Хемія (греч. Chemía, зустрічається в Плутарха), яке виробляється від «хем» або «хама» — чорний і означає «наука чорної землі» (Єгипту), «єгипетська наука».]
Сучасна Х. тісно пов'язана як з ін. науками, так і зі всіма галузями народного господарства. Якісна особливість хімічної форми руху матерії і її переходів в ін. форми руху обумовлює різносторонність хімічної науки і її зв'язків з областями знання, що вивчають і більш нижчі, і більш вищі форми руху. Пізнання хімічної форми руху матерії збагачує загальне вчення про розвиток природи, еволюцію речовини у Всесвіті, сприяє становленню цілісної матеріалістичної картини світу. Зіткнення Х. з ін. науками породжує специфічні області взаємного їх проникнення. Так, області переходу між Х. і фізикою представлені фізичною хімією і хімічною фізикою . Між Х. і біологією, Х. і геологією виникли особливі пограничні області — геохімія, біохімія, біогеохімія, молекулярна біологія . Найважливіші закони Х. формулюються на математичній мові, і теоретична Х. не може розвиватися без математики. Х. надавала і робить вплив на розвиток філософії і сама випробовувала і випробовує її вплив.
Історично склалися два основні розділи Х.: неорганічна хімія, що вивчає в першу чергу хімічні елементи і утворювані ними прості і складні речовини (окрім з'єднань вуглецю), і органічна хімія, предметом вивчення якої є з'єднання вуглецю з ін. елементами (органічні речовини). До кінця 18 ст терміни «неорганічні Х.» і «органічна Х.» вказували лише на те, з якого «царства» природи (мінерального, рослинного або тваринного) виходили ті або інші з'єднання. Починаючи з 19 ст ці терміни стали вказувати на присутність або відсутність вуглецю в даній речовині. Потім вони придбали нове, ширше значення. Неорганічна Х. стикається перш за все з геохімією і далі з мінералогією і геологією, тобто з науками про неорганічну природу. Органічна Х. представляє галузь Х., яка вивчає всілякі з'єднання вуглецю аж до складних біополімерних речовин; через органічну і біоорганічну хімію Х. граничить з біохімією і далі з біологією, тобто з сукупністю наук про живу природу. На стику між неорганічною і органічною хімією знаходиться область елементоорганічеських з'єднань .
В Х. поступово сформувалися уявлення про структурні рівні організації речовини. Ускладнення речовини, починаючи від нижчого атомарного, проходіт рівні молекулярних, макромолекулярних, або високомолекулярних, з'єднань (полімер), потім міжмолекулярних (комплекс, клатрат, катенан), нарешті, багатообразних макроструктур (кристал, міцела) аж до невизначених нестехіометричних утворень. Поступово склалися і відокремилися відповідні дисципліни: Х. комплексних з'єднань, полімерів, крісталлохимія, учення про дисперсних системах і поверхневих явищах, сплавах і ін.
Вивчення хімічних об'єктів і явищ фізичними методами, встановлення закономірностей хімічних перетворень виходячи із загальних принципів фізики, лежить в основі фізичної хімії. До цієї області Х. відноситься ряд значною мірою самостійних дисциплін: термодинаміка хімічна, кінетика хімічна, електрохімія, колоїдна хімія, квантова хімія і вчення про будову і властивості молекул, іонів, радикалів, радіаційна хімія, фотохімія, учення про каталізі, хімічних равновесиях, розчинах і ін. Самостійний характеру набула аналітична хімія, методи якої широко застосовуються у всіх областях Х. і хімічній промисловості. У областях практичного застосування Х. виникли такі науки і наукові дисципліни, як хімічна технологія з безліччю її галузей, металургія агрохімія, медична Х., судова Х. і ін.
II. Нарис історичного розвитку хімії
Як область практичної діяльності Х. вирушає корінням в глибоку старовину (Єгипет, Індія, Китай і ін. країни). Задовго до нашої ери людина познайомилася з перетвореннями різних речовин і навчилася користуватися ними для своїх потреб. Одна з прадавніх гілок Х. — металургія. За 4—3 тис. років до н.е.(наша ера) почали виплавляти мідь з руд, а пізніше виготовляти сплав міді з оловом ( бронзу ). У 2-м-коді тисячолітті до н.е.(наша ера) навчилися отримувати з руд залізо сиродутним процесом . За 1600 років до н.е.(наша ера) почали застосовувати для фарбування тканин природну фарбу індиго, а декілька пізніше — пурпур і алізарин, а також готувати оцет, ліки з рослинних матеріалів і ін. продукти, вироблення яких пов'язане з хімічними процесами. До витоків Х. відносяться альтернативні у той час атомістичне вчення і учення про елементи-стихії древньої натурфілософії.
В 3—4 вв.(століття) н.е.(наша ера) в Александрії зародилася алхімія, що визнавала можливим перетворення з допомогою т.з. філософського каменя неблагородних металів в благородних, — в золото і срібло. Головним в Х. цього періоду було спостереження окремих властивостей речовин і пояснення їх за допомогою субстанцій (почав), нібито що входять до складу цих речовин.
Починаючи з епохи Відродження у зв'язку з розвитком виробництва все більше значення в алхімії стало набувати виробниче і взагалі практичне напрям: металургія, склороблення, виготовлення кераміки і фарб (праці Ст Бірінгуччо, Р. Агріколи, Би. Палісси і ін.). Виник особливий медичний напрям — ятрохимія (Т. Парацельс, Я. Б. ван Гельмонт і ін.). Ці два напрями характерні для етапу практичної Х. 16 — 1-ої половини 17 вв.(століття), який безпосередньо підвів до створення Х. як науки. У цей період були накопичені навики експериментальної роботи і спостережень в області Х., зокрема розроблені і вдосконалені конструкції печей і лабораторних приладів, методи очищення речовин (кристалізація, перегонка і ін.), отримані нові хімічні препарати. На початку 2-ої половини 17 ст Р. Бойль довів неспроможність алхімічних вистав, дав перше наукове визначення поняття хімічного елементу і тим самим вперше підняв Х. на рівень науки. Процес перетворення Х. у науку зайняв більше ста років і завершився відкриттями А. Л. Лавуазье . Перша теорія в Х. — теорія флогистона (у її основі лежало визнання особливого гіпотетичного початку горючості — флогистона ), хоча і була помилковою, проте узагальнила широкий круг фактів, горіння, що торкалися, і випалення металів. З 2-ої половини 17 ст став швидко розвиватися хімічний аналіз, спочатку — якісний (починаючи з Бойля), а з середини 18 ст — кількісний (починаючи с М. Ст Ломоносова і Дж. Блека ).
В 1748 Ломиносів і пізніше Лавуазье відкрили закон збереження ваги (маси) речовин при хімічних реакціях. Створенням кисневій теорії Лавуазье, по словах Ф. Енгельса «... вперше поставив на ноги всю хімію, яка в своїй флогистонной формі стояла на голові» (Маркс До. і Енгельс Ф., Соч., 2 видавництва, т. 24, с. 20). В кінці 18 ст Х. остаточно придбала межі справжньої науки.
Х. 19 ст характеризується розвитком хімічної атомістики (див. Атомізм ). Атомне учення в 17—18 вв.(століття) розроблялося переважно з суто абстрактної, механістичної точки зору. Але вже Ломоносов близько підійшов до додатка атомної гіпотези до завдань Х. Химічеськая атомістика народилася із злиття старої натурфілософськой ідеї про атоми з дослідними аналітичними даними про хімічний кількісний склад речовин. Протягом перших двох третин 19 ст в Х. сформувалися два фундаментальних її поняття — атомної ваги (див. Атомна маса ) і валентності, або «атомності»; пізніше (1869) Менделєєвим була розкрита зв'язок між ними. У 1803 Дж. Дальтон вивів з ідей атомістики кратних стосунків закон, а потім (1804) підтвердив його експериментально. На цій основі він розробив уявлення про атомних вагах і склав їх перші таблиці, прийнявши за одиницю сполучну вагу («пай») водню. Проте значення атомних вагів елементів були ще вельми неточні, частково із-за недосконалості вимірювальних приладів, частково тому, що ще не було встановлено правильне співвідношення між поняттями атома і молекули. Уявлення про молекулу і її відмінність від атома висунули А. Авогадро (1811) і А. Ампер (1814), але воно тоді не було прийняте хіміками. І. Я. Берцеліус на великому експериментальному матеріалі підтвердив закон кратних стосунків Дальтона, розповсюдив його на органічні сполуки, опублікував (1814) таблицю точніших, ніж в Дальтона, атомних вагів 46 елементів і ввів нові знаки хімічні . Спираючись на перші дані про існування зв'язку між електричними і хімічними процесами (див. Електрохімія ), Берцеліус висунув «дуалістичну» теорію (1812—19), згідно якої хімічні взаємодії обумовлені дією електричних сил, оскільки допускалося, що в кожному атомі, в будь-якому атомному угрупуванні є два електричні полюси. Були зроблені спроби прикласти цю теорію до органічної Х., а саме: до радикалів теорії, згідно якої органічні сполуки також складаються з двох частин, причому одна частина є радикалом — групою атомів, яка поводиться подібно до окремого атома і може без зміни переходити з однієї хімічної сполуки в інше. На зміну дуалістичної теорії прийшла унітарна (молекулярна) теорія Ш. Ф. Жерара і, відповідно, на зміну теорії радикалів — типів теорія . Теорія типів відображала не будову речовини, а його хімічні перетворення, вперше вказуючи на реакційну активність т.з. функціональних груп молекули. Тому в однієї речовини могло бути декілька різних «типових» формул. Самі ж органічні сполуки розглядалися як продукти заміщення атомів водню ін. атомами або групами атомів (залишками) в молекулах водню, води, хлористого водню і аміаку. Теорія типів, особливо введене Жераром уявлення про гомологічних рядах, зіграла позитивну роль в класифікації органічних речовин і їх перетворень.
В 1852 Е. Франкленд, вивчаючи металло-органічні з'єднання, заклав основи вчення про валентність. Він показав, що атоми елементів володіють певною «сполучною силою, задовольняючись одним і тим же числом атомів, що приєднуються». За одиницю валентності була прийнята валентність водню. Пізніше Ф. А. Кекуле ввів поняття про з'єднання типа метану; з цього виходило, що атом вуглецю четирехвалентен; він же висловив припущення (1858), що атоми вуглецю можуть з'єднуватися в ланцюзі. У тому ж році А. Купер вперше склав графічні формули органічних сполук, виходячи з того, що атом вуглецю четирехвалентен. Проте Кекуле не зумів ще повністю здолати обмеженість «типових» переконань. Це зробив А. М. Бутлеров (1861), створивши хімічної будови теорію, згідно якої хімічні властивості речовини визначаються складом і будовою молекул, а реакційна здатність залежить від того, в якій послідовності атоми зв'язані в даній молекулі, а також від їх взаємного впливу.
Перший міжнародний конгрес хіміків в Карлсруе (1860) чітко розмежував поняття атома, молекули, еквіваленту; це сприяло подальшому розвитку Х. У 1859—61 вона збагатилася вельми досконалим методом спектрального аналізу, завдяки чому удалося виявити присутність деяких хімічних елементів у складі небесних тіл; був встановлений зв'язок між фізикою (оптикою), астрономією і Х.
У міру відкриття нових хімічних елементів все гостріше відчувалася необхідність їх систематизації. У 1869 Д. І. Менделєєв виявив їх взаємний зв'язок: він створив періодичну систему елементів і відкрив лежачий в її основі закон ( періодичний закон Менделєєва ). Це відкриття з'явилося теоретичним синтезом всього попереднього розвитку Х.: Менделєєв зіставив фізичні і хімічні властивості всіх відомих тоді 63 хімічних елементів з їх атомними вагами і розкрив залежність між двома найважливішими кількісно вимірними властивостями атомів, на яких будувалася вся Х., — атомною вагою і валентністю («формами з'єднань»).
На основі періодичної системи Менделєєв виправив раніше набутих значень атомних вагів багатьох елементів і передбачив ряд не відкритих ще елементів, детально описавши передбачувані властивості три з них. Ці прогнози, а разом з ними і сам періодичний закон незабаром отримали блискуче дослідне підтвердження. Надалі періодичний закон ліг в основу розвитку Х. і всього вчення про речовину.
У міру прогресу фізики і Х. встановлювалися основні поняття і закони, які, з одного боку, поставили на вищу рівень обидві ці науки, а з іншої — послужили основою для становлення фізичної хімії, зародження окремих галузей якої почалося ще в кінці 18 — 1-ій половині 19 вв.(століття) У дослідженні загальних закономірностей, керівників хімічними процесами, виявилася украй зацікавленою і хімічна промисловість, що досягла значних успіхів до 80-м-коду рр. 19 ст
Вивчення теплових ефектів хімічних процесів отримало міцну основу після відкриття Р. І. Гессом (1840) основного теплового закону хімічних процесів (див. Гесса закон ). У 2-ій половині 19 ст велика робота за визначенням теплот хімічних реакцій була виконана П. Е. М. Бертло, Х. П. Ю. Томсеном, Н. Н. Бекетовим і др.; вона завершилася до кінця 19в. створенням одного з розділів фізичної Х. — термохімії . З виникненням термодинаміки і розвитком термохімії в тісному зв'язку з останньою в 2-ій половині 19 ст починає розвиватися хімічна термодинаміка, що вивчає енергетичні ефекти, якими супроводяться хімічні процеси, саму можливість, напрям і межі таких процесів і ін. термодинамічні явища у физико-хімічних системах (праці Дж. Гіббса, Я. Вант-Гоффа, А. Ле Шателье і ін.).
Успішно початі Р. Деві електрохим. дослідження отримали кількісну завершеність в працях М. Фарадея, що відкрив (1833—34) закони електролізу . З 2-ої половини 19 ст почалося вивчення механізму проходження електричного струму через розчини електролітів (роботи Р. Клаузіуса, І. Ст Гитторфа, Ф. Кольрауша і ін.), яке привело до створення С. Ареніусом теорії електролітичній дисоціації (1883—87). Згідно цієї теорії, електроліти в розчинах розпадаються на іони . Додаток законів термодинаміки до електрохімії дозволив встановити і причину виникнення едс(електрорушійна сила) в гальванічних ланцюгах.
Одночасно розвивалося учення про розчинах, яке збагатилося результатами досліджень Вант-Гоффа, присвячених розбавленим розчинам; у цих працях, виконаних в 1885—89, властивості розчинених речовин зіставлялися з властивостями газів, а розчинник вважався індиферентним середовищем. Згідно хімічної теорії водних розчинів Менделєєва, розробленої в 1865—87, розчинена речовина і розчинник взаємодіють між собою в розчині. Менделєєв не проводив різкого кордону між хімічною взаємодією і взаємодією розчиненої речовини і розчинника в розчині. Цей вивід отримав подальший розвиток в роботах Н. С. Курнакова і його школи по физико-хімічному аналізу .
Спостереження над рідкими системами показали, що поряд з дійсними розчинами, в яких розчинені речовини знаходяться у вигляді окремих молекул і іонів, існують і такі, в яких «розчинена» речовина знаходиться у вигляді агрегатів, що складаються з величезного числа молекул. Для таких систем Т. Грем ввів (1861) назву «колоїди». Подальше вивчення дисперсних систем привело до створення колоїдної хімії.
Вже на початку 19 ст були отримані перші відомості про прискорення хімічних реакцій під дією невеликих кількостей деяких речовин. Такі процеси Е. Мічерліх назвав контактними (1833), а Берцеліус — каталітичними (1835). З тих пір, як було налагоджено каталітичне виробництво сірчаної кислоти (60-і рр. 19 ст), інтерес до таких процесів сильно зріс. До кінця 19 ст вчення про каталіз і практичне використання каталізаторів зайняли важливе місце в Х. З каталізом найтіснішим чином пов'язана адсорбція, відкрита Т. Е. Ловіцем в 1785. У 1878 Гіббс встановив основні закони поверхневих явищ, адсорбції і утворення нових фаз.
З 2-ою половини 19 ст розвивається вчення про швидкості хімічних реакцій і хімічну рівновагу. Значення активної маси (концентрації) реагуючих речовин було відмічене ще в 1801—03 До. Бертолле . Подальша розробка питань, пов'язаних з рівновагою хімічних реакцій, привела До. Гульдберга і П. Вааге до відкриття (1864—67) мас закону, що діють, який ліг в основу вчення про швидкості реакцій. Систематичні роботи Н. А. Меншуткина (з 1877) з'явилися істотним вкладом у встановлення кінетичних закономірностей хімічних реакцій. У 1884 Вант-Гофф підсумовував той, що накопичився в цій області матеріал у вигляді кінетичних рівнянь.
III. Хімія 20 століть
Кінець 19 ст ознаменувався трьома видатними відкриттями в області фізики, в результаті яких була доведена складна структура атома, раніше того, що вважався неделімим, — були відкриті рентгенівські промені, явище радіоактивності і електрон . Це поклало початок новому етапу в розвитку Х. После того як Е. Резерфорд встановив існування атомних ядер і запропонував планетарну модель атома (1911), почалася успішна розробка теорії будови атома, з'явилися нові уявлення про електричну природу хімічних сил (див. Атом, Атомна фізика ).
Відкритий Р. Мозлі закон (1913) зв'язав положення елементу в періодичній системі і його характеристичне рентгенівське випромінювання. Це привело до виводу, що атомний номер хімічного елементу чисельно дорівнює заряду атомного ядра цього елементу, а отже загальному числу електронів в оболонці нейтрального атома. Ще глибше розуміння періодичного закону було досягнуте на підставі робіт Н. Бору і ін. учених, що показали, що у міру переходу від елементів з меншими атомними номерами до елементів з великими їх значеннями відбувається заповнення електронами оболонок (рівнів і підрівнів), все далі розташованих від ядра. При цьому періодично повторюється схожа структура зовнішніх електронних конфігурацій, від чого і залежить в основному періодичність хімічних і більшості фізичних властивостей елементів і їх з'єднань. Вирішальну роль в розумінні закономірностей заповнення електронних оболонок атома і поясненні атомних і молекулярних спектрів зіграв Паулі принцип . Зроблені відкриття дозволили вирішити багато питань пов'язані з подальшою розробкою і теоретичним обгрунтуванням періодичної системи Менделєєва. Виявлення ізотопів показало, що не атомна маса, а заряд ядра визначає місце елементу в періодичній системі. Відкриттям нейтронів (Дж. Чедвік, 1932) і штучної радіоактивності (І. і Ф. Жоліо-кюрі, 1934) були закладені основи здобуття нових радіоактивних ізотопів і елементів, відсутніх в природі, і подальшого синтезу трансуранових елементів .
З вирішенням проблеми будови атома пов'язано питання про природу хімічному зв'язку . Ст Коссель (1916) і Р. Люіс (1916) запропонували перші електронні теорії валентності і хімічного зв'язку. Теорія Косселя розглядала утворення іонного зв'язку, теорія Люіса — ковалентною. Описова сторона цих теорій, що добре узгоджується з моделлю атома Бору і пояснює деякі характерні особливості хімічного зв'язку, зберігає певною мірою своє значення до сих пір. Висунуті пізніше концепції, зокрема резонансу теорія (Л. Полінг ), дозволяють отримувати деякі якісні і напівкількісні дані про симетрію молекул, про еквівалентність тих або інших зв'язків і структурних елементів в молекулах, про стабільність і реакційну здатність молекул.
Проте лише на основі квантової механіки удалося пояснити природу хімічного зв'язку, точно розрахувати енергію зв'язку для простої молекули — молекули водню (йому. вчені Ст Гейтлер і Ф. Лондон, 1927) — і багато фізичних параметрів ін. двоатомних і декількох багатоатомних молекул (H 2 O, HF, LIH, Nh 3 і ін.), у тому числі міжатомні відстані, енергії освіти з атомів, частоти вагання в спектрах, електричні і магнітні властивості, насичуваність і спрямованість зв'язків.
Новітній етап розвитку Х. характеризується швидкою розробкою просторових уявлень про будову речовини, стереохимічеських концепцій. Ще в 1874—75 Же. А. Ле Бель і Вант-Гофф висловили припущення, що 4 атоми або радикала, пов'язані з атомом вуглецю, розташовані не в одній плоскості, а в просторі, по вершинах тетраедра, в центрі якого знаходиться атом вуглецю. У зв'язку з цим було розширено уявлення про ізомерії, встановлено декілька її видів і були закладені основи стереохімії . Для багатьох молекул були визначені їх стабільні просторові конфігурації; надалі дослідники встановили лабільні конформації молекул, що виникають в результаті деякої скрути вільного обертання атомних груп довкола простих зв'язків (див. Конформаційний аналіз ).
Сучасна теоретична Х. грунтується на загальнофізичному вченні про будову матерії, на досягненнях квантової теорії, термодинаміки і статистичної фізики. Застосування методів квантової механіки до вирішення хімічних завдань привело до виникнення квантовим завданням Х. Єє стало вирішення хвилевого рівняння Шредінгера для багатоелектронних систем молекул. Одним з перших результатів була теорія валентних зв'язків, що ще широко використала традиційне уявлення про пару електронів як носійку хімічного зв'язку (Гейтлер, Лондон, Дж. Слетер, Полінг). Потім був розроблений метод молекулярних орбіталей (МО), що розглядає цілісну електронну структуру молекули; кожна молекулярна орбіталь (хвилева функція) враховує вклад в неї всіх електронних орбіталей атомів (див. Молекулярних орбіталей метод ). Найбільш поширений варіант методу МО заснований на наближеному описі молекулярних орбіталей через лінійну комбінацію атомних орбіталей (ЛКАО МО). У ряді випадків для простих молекул на основі використання новітньої обчислювальної техніки можуть бути проведені вельми складні розрахунки молекул без всяких попередніх спрощень завдання. На основі вказаного методу розраховуються енергетичні і електронні параметри молекул (розподіл електронної щільності, величина енергії, довжина і порядок зв'язків, деякі фізичні властивості з'єднань). Метод МО набув нині поширення в теорії органічної Х. У неорганічною Х. на основі його поєднання з теорією кристалічного поля (Х. Беті ) виникла теорія поля лігандов.
Квантовохимічеськоє розгляд кінетичних співвідношень, встановлених Ареніусом і Вант-Гоффом, привів до виникнення вчення про абсолютні швидкості хімічних реакцій, що є основою хімічної кінетики. Це дозволило вичленувати дуже важливу теоретичну проблему сучасної Х. — питання про природу перехідного стану, проміжного активованого комплексу, усередині якого відбуваються багато в чому ще неясні процеси перебудови структури молекул.
Детальне вивчення кінетики і механізмів реакцій, дослідження елементарних актів хімічних взаємодій — важливе завдання хімічної фізики. Велике значення придбали роботи в області ланцюгових реакцій, основи теорії яких були розроблені Н. Н. Семеновим і С. Хиншелвудом . Кінетичні дослідження зіграли важливу роль в розвитку технології переробки нафти, горіння палива, синтезу високомолекулярних речовин. Показана можливість хімічній фіксації азоту при звичайній температурі і тиску, що може істотно змінити майбутню технологію.
Ядерні перетворення і супутні їм физико-хімічні явища, продукти ядерних реакцій, радіоактивні ізотопи, елементи і речовини служать об'єктами вивчення ядерної хімії і радіохімії . Роботи в цьому напрямі мають велике значення для здобуття і витягання атомного сировини, розділення ізотопів, використання матеріалів, що розщеплюються.
Взаємодія речовини з випромінюванням і частками високих енергій різної природи, що приводить до хімічних перетворень, вивчається радіаційній радіації Х. Воздействіє ініціює багато процесів, у тому числі синтез високомолекулярних з'єднань з мономерів. Зокрема, під дією світла відбуваються фотохімічні реакції. Фотохімія досліджує як скріплення енергії електромагнітного випромінювання (наприклад, у фотосинтезі, здійснюваному зеленими рослинами), так і багаточисельні реакції синтезу і розпаду, ізомеризації і перегрупувань, що виникають в ході вказаної взаємодії. Для промислового виробництва перспективне використання потужної енергії лазера .
Литература
↑ Показывать компактно
Азимов А. Краткая история химии. Развитие идей и представлений в химии. — М.: Мир, 1983. — 187 с. Быков Г. В. История органической химии. — М.: Химия, 1976. — 360 с. Волков В. А., Вонский Е. В., Кузнецова Г. И. Выдающиеся химики мира. — М.: Высшая школа, 1991. — 656 с. Всеобщая история химии. Возникновение и развитие химии с древнейших времен до XVII века / Отв. ред. Ю. И. Соловьев. — М.: Наука, 1980. — 399 с. Всеобщая история химии. Становление химии как науки / Отв. ред. Ю. И. Соловьев. — М.: Наука, 1983. — 464 с. Всеобщая история химии. История учения о химическом процессе / Отв. ред. Ю. И. Соловьев. — М.: Наука, 1981. — 447 с. Всеобщая история химии. История классической органической химии / Отв. ред. Н. К. Кочетков, Ю. И. Соловьев. — М.: Наука, 1992. — 444 с. Джуа М. История химии. — М.: Мир, 1966. — 452 с. Зефирова О. Н. Краткий курс истории и методологии химии. — М.: Анабасис, 2007. — 140 с. — ISBN 5-91126-004-2. История химии: область науки и учебная дисциплина. К 100-летию профессора Н.А.Фигуровского. М.: 2001. Изд-во Московского университета. – 327 с.: ил. Кузнецов В. И. Эволюция представлений об основных законах химии. — М.: Наука, 1967. — 311 с. Кузнецов В. И. Диалектика развития химии. От истории к теории развития химии. — М.: Наука, 1973. — 328 с. Кузнецов В. И. Общая химия. Тенденции развития. — М.: Высшая школа, 1989. — 288 с. Миттова И. Я., Самойлов А. М. История химии с древнейших времен до конца XX века: учебное пособие в 2-х томах. — Долгопрудный: ИД «Интеллект», 2009. — 416 с. Рабинович В. Л. Алхимия как феномен средневековой культуры. — М.: Наука, 1979. — 269 с. Соловьев Ю. И. Эволюция основных теоретических проблем химии. — М.: Наука, 1971. — 379 с. Соловьев Ю. И. История химии. Развитие химии с древнейших времён до конца XIX века. — М.: Просвещение, 1983. — 368 с. Соловьев Ю. И., Трифонов Д. Н., Шамин А. Н. История химии. Развитие основных направлений современной химии. — М.: Просвещение, 1984. — 335 с. Фигуровский Н. А. История химии. — М.: Просвещение, 1979. — 311 с. Фигуровский Н. А. Очерк общей истории химии. От древнейших времен до начала XIX века. — М.: Наука, 1969. — 455 с. Фигуровский Н. А. Очерк общей истории химии. Развитие классической химии в XIX столетии. — М.: Наука, 1979. — 477 с. Штрубе В. Пути развития химии. — М.: Мир, 1984. — Т. 1-2. Bauer H., Stanford R.V. A history of chemistry. — 1907. Ihde A. J. The development of modern chemistry. — New York: Dover Publications, 1984. — ISBN 0-486-64235-6. Partington J. R. A History of Chemistry. — London: Macmillan, 1964. — Vol. 1-4. Partington J. R. A Short History of Chemistry. — New York: Dover Publications, 1989. — 415 p. Thorpe E. History of Chemistry Vol 1: From the Earliest times fo the Middle of the Nineteenth Century. — 1909.
