загрузка...
 
Хімія як наука
Повернутись до змісту

Хімія як наука

Хімія на відміну від багатьох інших наук (наприклад, біології) сама створює свій предмет дослідження. Як ніяка інша наука вона є одночасно і наукою, і виробництвом. Хімія завжди була потрібна людству в основному для того, щоб одержувати з речовин природи всі матеріали, необхідні людині: метали і кераміку, вапно і цемент, скло і бетон, барвники і фармацевтичні препарати, вибухові речовини і паливно-мастильні матеріали, каучук і пластмаси, хімічні волокна і матеріали із заданими електрофізичними властивостями. Тому всі хімічні знання, набуті за багато сторіч і подані у вигляді теорій, законів, методів, технологій, об'єднує одне-єдине довгострокове, головне завдання хімії - отримання речовин з необхідними властивостями. Але це виробниче завдання і щоб його реалізувати, необхідно вміти з одних речовин виготовляти інші, тобто здійснювати якісні перетворення речовини. А оскільки якість - це сукупність властивостей речовини, необхідно знати, від чого залежать хімічні властивості. Інакше кажучи, щоб вирішити назване виробниче завдання, хімія повинна вирішити теоретичне завдання генезису (походження) властивостей речовини.

Таким чином, основою хімії є двоєдина проблема отримання речовин із заданими властивостями (на досягнення чого спрямована виробнича діяльність людини) і виявлення способів керування властивостями речовини (на реалізацію чого спрямована науково-дослідна діяльність).

Це і є основна проблема хімії. Вона ж є системоутворюючим началом даної науки. Ця проблема, що виникла у давнину, не втрачає свого значення і в наші дні.

Природно, що у різні історичні епохи вона розв'язувалася по-різному, оскільки способи її вирішення залежать від рівня матеріальної і духовної культури суспільства, а також від внутрішніх закономірностей, властивих ходу наукового пізнання. Досить сказати, що виготовлення таких матеріалів, як, наприклад, скло і кераміка, фарби й ароматичні речовини, в давнину здійснювалося абсолютно інакше, ніж у XVIII столітті і пізніше.

Уся історія хімії, весь її розвиток є закономірним процесом зміни способів вирішення її основної проблеми. Найважливішою особливістю основної проблеми хімії є те, що вона має лише чотири способи вирішення. Йдеться при цьому не про частинні методи вивчення і перетворення речовини – їх багато, а про найзагальніші способи вирішення питання: від чого, від яких чинників залежать властивості речовини. А залежать вони від чотирьох чинників:

1 Від її елементного і молекулярного складу.

2 Від структури її молекул.

3 Від термодинамічних і кінетичних (наявність каталі-заторів, дія матеріалу стінок посудин тощо) умов, у яких речовина знаходиться у процесі хімічної реакції.

4 Від глибини хімічної організації речовини.

Перший по-справжньому дієвий спосіб вирішення проблеми походження властивостей речовини з'явився у другій половині сімнадцятого століття у працях англійського ученого Роберта Бойля. Його дослідження показали, що якості і властивості тіла не мають абсолютного характеру і залежать від того, з яких хімічних елементів ці тіла утворені. З цього часу стали вважати, що найменшою частинкою тіла є молекула. У період з середини XVII століття до першої половини XIX століття вчення про склад речовини було всією тодішньою хімією. Воно існує і сьогодні, але є частиною хімії.

Монопольне положення вчення про склад речовини зберігалося до 1830 року. До цього часу мануфактурне виробництво змінилося на фабричне, яке спирається на машинну техніку і широку сировинну базу. У хімічному виробництві стала переважати переробка величезних мас речовини рослинного і тваринного походження, їх якісна різноманітність величезна - сотні тисяч хімічних сполук, а склад їх вкрай одноманітний - лише декілька елементів-органогенів (вуглець, водень, кисень, сірка, азот, фосфор), з яких ці сполуки складаються. Пояснення надзвичайно широкої різноманітності органічних сполук при такому бідному їх елементному складі було знайдено в явищах, що одержали назви «ізомерія» і «полімерія». Стало абсолютно зрозуміло, що властивості речовин, а отже, і їх якісна різноманітність обумовлюються не тільки складом, але ще і структурою молекул. З'явилося нове вирішення проблеми генезису властивостей, а також відмежувалися самі поняття «властивість» і «функція» або реакційна здатність. У поняття «реакційна здатність» включалися уявлення про хімічну активність окремих фрагментів молекули - атомів, атомних груп і навіть окремих хімічних зв'язків.

Так був покладений початок другому рівню розвитку хімічних знань, який одержав назву структурної хімії. Вона стала вищим рівнем відносно вчення про склад, включаючи його.

На другому рівні свого розвитку хімія перетворилася з науки переважно аналітичної у науку головним чином синтетичну. Цей період пов'язаний з розвитком хімії органічного синтезу. В цей час з'явилися різні барвники для текстильної промисловості, різні препарати для фармації, штучний шовк і т. ін. Для цього ці матеріали видобувалися в обмежених масштабах і з величезними витратами низькопродуктивної, переважно сільськогосподарської праці.

Але захоплення успіхами структурної хімії було недовгим. Інтенсивний розвиток автомобілебудування, авіації, енергетики, приладобудування у першій половині XX століття висунув нові вимоги до виробництва матеріалів. Необхідно було одержувати високооктанове моторне паливо, спеціальні синтетичні каучуки, пластмаси, високостійкі ізолятори, жароміцні органічні і неорганічні полімери, напівпровідники. Для отримання цих матеріалів спосіб вирішення основної проблеми хімії, що ґрунтується на вченні про склад і структуру речовини, був явно недостатній. Він не враховував різких змін властивостей речовини у результаті впливу температури, тиску, розчинників і багатьох інших чинників, що впливають на напрям і швидкість хімічних процесів.

Під впливом нових вимог виробництва виник третій спосіб вирішення проблеми генезису властивостей, що враховує всю складність організації хімічних процесів у реакторах і забезпечує їх економічно прийнятну продуктивність. Після цього хімія стає наукою вже не тільки і не стільки про речовини як закінчені предмети, а наукою про процеси і механізми зміни речовини. Завдяки цьому вона забезпечила багатотоннажне виробництво синтетичних матеріалів, що замінили дерево і метал у будівельних роботах, харчову сировину у виробництві оліфи, лаків, миючих засобів і змащувальних матеріалів. Виробництво штучних волокон, каучуків, етилового спирту і багатьох розчинників стало базуватися на нафтовій сировині, а виробництво азотних добрив - на основі азоту повітря. З'явилася технологія нафтохімічних виробництв з її потоковими системами, що забезпечують безперервні високопродуктивні процеси.

Ще у 1935 році всі 100 відсотків таких матеріалів, як шкіра, хутро, гума, волокна, миючі засоби, оліфа, лаки, оцтова кислота, етиловий спирт, вироблялися цілком з тваринної і рослинної сировини, зокрема харчової. На це витрачалися десятки мільйонів тонн зерна, картоплі, жирів, сирої шкіри і т. ін. Але вже у 60-ті роки XX ст. 100% технічного спирту, 80% миючих засобів, 90% оліфи і лаків, 40% волокон, 70% каучуку і близько 25% шкіряних матеріалів виготовлялися на основі газової і нафтової сировини. Крім цього, хімія щорічно дає сотні тисяч тонн сечовини і нафтового білка як корм худобі і близько 200 мільйонів тонн добрив.

Але і ці можливості ще далеко не межа. У 60 – 70-ті роки минулого сторіччя з'явився четвертий спосіб вирішення основної проблеми хімії, що відкриває шляхи використання у виробництві матеріалів найвисокоорганізованіших хімічних систем, які тільки можливі на цей час. В основі цього способу лежить принцип використання у процесах отримання цільових продуктів таких умов, які приводять до самовдосконалення каталізаторів хімічних реакції, тобто до самоорганізації хімічних систем. По суті, йдеться про використання хімічного досвіду живої природи. Це - своєрідна біологізація хімії. Хімічний реактор постає як якась подібність живої системи, для якої характерні саморозвиток і певні риси поведінки. І так, ми бачимо чотири рівні розвитку хімічних знань, або, як прийнято говорити, чотири концептуальні системи, що перебувають у відношеннях ієрархії.

На основі системи хімічних наук складається хімічна картина світу - погляд на природу з точки зору хімії, що визначає при цьому місце і роль хімічних об'єктів і процесів у всьому природному розмаїтті. Її змістом є:

1 Узагальнене знання даної епохи про те, що являють собою об'єкти живої і неживої природи з боку їх хімічного змісту. Сюди входить вчення про розмаїття частинок речовини, про їх хімічну організацію.

2 Уявлення про походження всіх основних типів природних об'єктів, їх природну еволюцію.

3 Залежність хімічних властивостей природних об'єктів від їх структури.

4 Загальні закономірності природних процесів як процесів хімічного руху (взаємодія реагуючих речовин одна з одною і з навколишнім середовищем).

5 Знання про специфічні об'єкти, що синтезуються в практичній діяльності хіміка.



загрузка...