новости бизнеса
компании и предприятия
нефтехимические компании
продукция / логистика
тендеры / аналитика
торговый центр
ChemIndex
новости науки
работа для химиков
химические выставки
лабораторное оборудование
химические реактивы
chill-out
расширенный поиск
каталог ресурсов
электронный справочник
авторефераты / книги
форум химиков
подписка / опросы
проекты / о нас

реклама на сайте
контакты
Магазин химических реактивов
поиск



I. Предмет и структура химии

Химия - одна из отраслей естествознания, предметом изучения которой являются химические элементы (атомы), образуемые ими простые и сложные вещества (молекулы), их превращения и законы, которым подчиняются эти превращения. По определению Д. И. Менделеева (1871), "химию в современном ее состоянии можно... назвать учением об элементах". [Происхождение слова "химия" выяснено не окончательно. Многие исследователи полагают, что оно происходит от старинного наименования Египта - Хемия (греч. Chemía, встречается у Плутарха), которое производится от "хем" или "хаме" - чёрный и означает "наука чёрной земли" (Египта), "египетская наука".]

Современная химия тесно связана как с др. науками, так и со всеми отраслями народного хозяйства. Качественная особенность химической формы движения материи и её переходов в др. формы движения обусловливает разносторонность химической науки и её связей с областями знания, изучающими и более низшие, и более высшие формы движения. Познание химической формы движения материи обогащает общее учение о развитии природы, эволюции вещества во Вселенной, содействует становлению целостной материалистической картины мира. Соприкосновение химии с др. науками порождает специфические области взаимного их проникновения. Так, области перехода между химией и физикой представлены физической химией и химической физикой. Между химией и биологией, химией и геологией возникли особые пограничные области - геохимия, биохимия, биогеохимия, молекулярная биология. Важнейшие законы химии формулируются на математическом языке, и теоретическая химия не может развиваться без математики. Химия оказывала и оказывает влияние на развитие философии и сама испытывала и испытывает её влияние.

Исторически сложились два основных раздела химии: неорганическая химия, изучающая в первую очередь химические элементы и образуемые ими простые и сложные вещества (кроме соединений углерода), и органическая химия, предметом изучения которой являются соединения углерода с др. элементами (органические вещества). До конца 18 в. термины "неорганическая химия" и "органическая химия" указывали лишь на то, из какого "царства" природы (минерального, растительного или животного) получались те или иные соединения. Начиная с 19 в. эти термины стали указывать на присутствие или отсутствие углерода в данном веществе. Затем они приобрели новое, более широкое значение. Неорганическая химия соприкасается прежде всего с геохимией и далее с минералогией и геологией, т. е. с науками о неорганической природе. Органическая химия представляет отрасль химии, которая изучает разнообразные соединения углерода вплоть до сложнейших биополимерных веществ; через органическую и биоорганическую химию Химия граничит с биохимией и далее с биологией, т. е. с совокупностью наук о живой природе. На стыке между неорганической и органической химией находится область элементоорганических соединений.

В химии (далее - Х.) постепенно сформировались представления о структурных уровнях организации вещества. Усложнение вещества, начиная от низшего, атомарного, проходит ступени молекулярных, макромолекулярных, или высокомолекулярных, соединений (полимер), затем межмолекулярных (комплекс, клатрат, катенан), наконец, многообразных макроструктур (кристалл, мицелла) вплоть до неопределённых нестехиометрических образований. Постепенно сложились и обособились соответствующие дисциплины: Х. комплексных соединений, полимеров, кристаллохимия, учения о дисперсных системах и поверхностных явлениях, сплавах и др.

Изучение химических объектов и явлений физическими методами, установление закономерностей химических превращений, исходя из общих принципов физики, лежит в основе физической химии. К этой области Х. относится ряд в значительной мере самостоятельных дисциплин: термодинамика химическая, кинетика химическая, электрохимия, коллоидная химия, квантовая химия и учение о строении и свойствах молекул, ионов, радикалов, радиационная химия, фотохимия, учения о катализе, химических равновесиях, растворах и др. Самостоятельный характер приобрела аналитическая химия, методы которой широко применяются во всех областях Х. и химической промышленности. В областях практического приложения Х. возникли такие науки и научные дисциплины, как химическая технология с множеством её отраслей, металлургия, агрохимия, медицинская Х., судебная Х. и др.

II. Очерк исторического развития химии

Как область практической деятельности Х. уходит корнями в глубокую древность (Египет, Индия, Китай и др. страны). Задолго до нашей эры человек познакомился с превращениями различных веществ и научился пользоваться ими для своих нужд. Одна из древнейших ветвей Х. - металлургия. За 4-3 тыс. лет до н. э. начали выплавлять медь из руд, а позже изготовлять сплав меди с оловом (бронзу). Во 2-м тысячелетии до н. э. научились получать из руд железо сыродутным процессом. За 1600 лет до н. э. начали применять для крашения тканей природную краску индиго, а несколько позже - пурпур и ализарин, а также приготовлять уксус, лекарства из растительных материалов и др. продукты, выработка которых связана с химическими процессами. К истокам Х. относятся альтернативные в то время атомистическое учение и учение об элементах-стихиях древней натурфилософии.

В 3-4 вв. н. э. в Александрии зародилась алхимия, признававшая возможным превращение с помощью т. н. философского камня неблагородных металлов в благородные - в золото и серебро. Главным в Х. этого периода было наблюдение отдельных свойств веществ и объяснение их с помощью субстанций (начал), якобы входящих в состав этих веществ.

Начиная с эпохи Возрождения в связи с развитием производства всё большее значение в алхимии стало приобретать производственное и вообще практическое направление: металлургия, стеклоделие, изготовление керамики и красок (труды В. Бирингуччо, Г. Агриколы, Б. Палисси и др.). Возникло особое медицинское направление - ятрохимия (Т. Парацельс, Я. Б. ван Гельмонт и др.). Эти два направления характерны для этапа практической Х. 16 - 1-й половины 17 вв., который непосредственно подвёл к созданию Х. как науки. В этот период были накоплены навыки экспериментальной работы и наблюдений в области Х., в частности разработаны и усовершенствованы конструкции печей и лабораторных приборов, методы очистки веществ (кристаллизация, перегонка и др.), получены новые химические препараты. В начале 2-й половины 17 в. Р. Бойль доказал несостоятельность алхимических представлений, дал первое научное определение понятия химического элемента и тем самым впервые поднял Х. на уровень науки. Процесс превращения Х. в науку занял более ста лет и завершился открытиями А. Л. Лавуазье. Первая теория в Х. - теория флогистона (в её основе лежало признание особого гипотетического начала горючести - флогистона), хотя и была ошибочной, тем не менее обобщила широкий круг фактов, касавшихся горения и обжига металлов. Со 2-й половины 17 в. стал быстро развиваться химический анализ, сначала - качественный (начиная с Бойля), а с середины 18 в. - количественный (начиная с М. В. Ломоносова и Дж. Блэка).

В 1748 Ломоносов и позднее Лавуазье открыли закон сохранения веса (массы) веществ при химических реакциях. Созданием кислородной теории Лавуазье, по словам Ф. Энгельса, "... впервые поставил на ноги всю химию, которая в своей флогистонной форме стояла на голове" (Маркс К. и Энгельс Ф., Соч., 2 изд., т. 24, с. 20). В конце 18 в. Х. окончательно приобрела черты подлинной науки.

Х. 19 в. характеризуется развитием химической атомистики (см. Атомизм). Атомное учение в 17-18 вв. разрабатывалось преимущественно с сугубо абстрактной, механистической точки зрения. Но уже Ломоносов близко подошёл к приложению атомной гипотезы к задачам Х. Химическая атомистика родилась из слияния старой натурфилософской идеи об атомах с опытными аналитическими данными о химическом количественном составе веществ. В течение первых двух третей 19 в. в Х. сформировались два фундаментальных её понятия - атомного веса (см. Атомная масса) и валентности, или "атомности"; позднее (1869) Менделеевым была раскрыта связь между ними. В 1803 Дж. Дальтон вывел из идей атомистики кратных отношений закон, а затем (1804) подтвердил его экспериментально. На этой основе он разработал представление об атомных весах и составил их первые таблицы, приняв за единицу соединительный вес ("пай") водорода. Однако значения атомных весов элементов были ещё весьма неточны, отчасти из-за несовершенства измерительных приборов, отчасти потому, что ещё не было установлено правильное соотношение между понятиями атома и молекулы. Представление о молекуле и её отличии от атома выдвинули А. Авогадро (1811) и А. Ампер (1814), но оно тогда не было принято химиками. И. Я. Берцелиус на большом экспериментальном материале подтвердил закон кратных отношений Дальтона, распространил его на органические соединения, опубликовал (1814) таблицу более точных, чем у Дальтона, атомных весов 46 элементов и ввёл новые знаки химические. Опираясь на первые данные о существовании связи между электрическими и химическими процессами (см. Электрохимия), Берцелиус выдвинул "дуалистическую" теорию (1812-19), согласно которой химические взаимодействия обусловлены действием электрических сил, поскольку допускалось, что в каждом атоме, в любой атомной группировке имеются два электрических полюса. Были сделаны попытки приложить эту теорию к органической Х., а именно: к радикалов теории, согласно которой органические соединения также состоят из двух частей, причём одна часть является радикалом - группой атомов, которая ведёт себя подобно отдельному атому и может без изменения переходить из одного химического соединения в другое. На смену дуалистической теории пришла унитарная (молекулярная) теория Ш. Ф. Жерара и, соответственно, на смену теории радикалов - типов теория. Теория типов отражала не строение вещества, а его химические превращения, впервые указывая на реакционную активность т. н. функциональных групп молекулы. Поэтому у одного вещества могло быть несколько различных "типических" формул. Сами же органические соединения рассматривались как продукты замещения атомов водорода др. атомами или группами атомов (остатками) в молекулах водорода, воды, хлористого водорода и аммиака. Теория типов, в особенности введённое Жераром представление о гомологических рядах, сыграла положительную роль в классификации органических веществ и их превращений.

В 1852 Э. Франкленд, изучая металло-органические соединения, заложил основы учения о валентности. Он показал, что атомы элементов обладают определённой "соединительной силой, удовлетворяясь одним и тем же числом присоединяющихся атомов". За единицу валентности была принята валентность водорода. Позднее Ф. А. Кекуле ввёл понятие о соединениях типа метана; из этого следовало, что атом углерода четырёхвалентен; он же высказал предположение (1858), что атомы углерода могут соединяться в цепи. В том же году А. Купер впервые составил графические формулы органических соединений, исходя из того, что атом углерода четырёхвалентен. Однако Кекуле не сумел ещё полностью преодолеть ограниченность "типических" воззрений. Это сделал А. М. Бутлеров (1861), создав химического строения теорию, согласно которой химические свойства вещества определяются составом и строением молекул, а реакционная способность зависит от того, в какой последовательности атомы связаны в данной молекуле, а также от их взаимного влияния.

Первый международный конгресс химиков в Карлсруэ (1860) четко разграничил понятия атома, молекулы, эквивалента; это способствовало дальнейшему развитию Х. В 1859-61 она обогатилась весьма совершенным методом спектрального анализа, благодаря чему удалось обнаружить присутствие некоторых химических элементов в составе небесных тел; была установлена связь между физикой (оптикой), астрономией и Х.

По мере открытия новых химических элементов всё острее ощущалась необходимость их систематизации. В 1869 Д. И. Менделеев обнаружил их взаимную связь: он создал периодическую систему элементов (ее можно найти здесь вместе с подробными описаниям свойств каждого химического элемента) и открыл лежащий в её основе закон (периодический закон Менделеева). Это открытие явилось теоретическим синтезом всего предшествующего развития Х.: Менделеев сопоставил физические и химические свойства всех известных тогда 63 химических элементов с их атомными весами и раскрыл зависимость между двумя важнейшими количественно измеримыми свойствами атомов, на которых строилась вся Х., - атомным весом и валентностью ("формами соединений").

На основе периодической системы Менделеев исправил ранее принятые значения атомных весов многих элементов и предсказал ряд не открытых ещё элементов, подробно описав предполагаемые свойства трёх из них. Эти прогнозы, а вместе с ними и сам периодический закон вскоре получили блестящее опытное подтверждение. В дальнейшем периодический закон лег в основу развития Х. и всего учения о веществе.

По мере прогресса физики и Х. устанавливались основные понятия и законы, которые, с одной стороны, поставили на более высокую ступень обе эти науки, а с другой - послужили основой для становления физической химии, зарождение отдельных отраслей которой началось ещё в конце 18 - 1-й половине 19 вв. В исследовании общих закономерностей, управляющих химическими процессами, оказалась крайне заинтересованной и химическая промышленность, достигшая значительных успехов к 80-м гг. 19 в.

Изучение тепловых эффектов химических процессов получило прочную основу после открытия Г. И. Гессом (1840) основного теплового закона химических процессов (см. закон Гесса). Во 2-й половине 19 в. большая работа по определению теплот химических реакций была проделана П. Э. М. Бертло, Х. П. Ю. Томсеном, Н. Н. Бекетовым и др.; она завершилась к концу 19в. созданием одного из разделов физической Х. - термохимии. С возникновением термодинамики и развитием термохимии в тесной связи с последней во 2-й половине 19 в. начинает развиваться химическая термодинамика, изучающая энергетические эффекты, которыми сопровождаются химические процессы, самую возможность, направление и пределы таких процессов и др. термодинамические явления в физико-химических системах (труды Дж. Гиббса, Я. Вант-Гоффа, А. Ле Шателье и др.).

Успешно начатые Г. Дэви электрохим. исследования получили количественную завершённость в трудах М. Фарадея, открывшего (1833-34) законы электролиза. Со 2-й половины 19 в. началось изучение механизма прохождения электрического тока через растворы электролитов (работы Р. Клаузиуса, И. В. Гитторфа, Ф. Кольрауша и др.), которое привело к созданию С. Аррениусом теории электролитической диссоциации (1883-87). Согласно этой теории, электролиты в растворах распадаются на ионы. Приложение законов термодинамики к электрохимии позволило установить и причину возникновения эдс в гальванических цепях.

Одновременно развивалось учение о растворах, которое обогатилось результатами исследований Вант-Гоффа, посвященных разбавленным растворам; в этих трудах, выполненных в 1885-89, свойства растворённых веществ сопоставлялись со свойствами газов, а растворитель считался индифферентной средой. Согласно химической теории водных растворов Менделеева, разработанной в 1865-87, растворённое вещество и растворитель взаимодействуют между собой в растворе. Менделеев не проводил резкой границы между химическим взаимодействием и взаимодействием растворённого вещества и растворителя в растворе. Этот вывод получил дальнейшее развитие в работах Н. С. Курнакова и его школы по физико-химическому анализу.

Наблюдения над жидкими системами показали, что наряду с истинными растворами, в которых растворённые вещества находятся в виде отдельных молекул и ионов, существуют и такие, в которых "растворённое" вещество находится в виде агрегатов, состоящих из огромного числа молекул. Для таких систем Т. Грэм ввёл (1861) название "коллоиды". Дальнейшее изучение дисперсных систем привело к созданию коллоидной химии.

Уже в начале 19 в. были получены первые сведения об ускорении химических реакций под действием небольших количеств некоторых веществ. Такие процессы Э. Мичерлих назвал контактными (1833), а Берцелиус - каталитическими (1835). С тех пор как было налажено каталитическое производство серной кислоты (60-е гг. 19 в.), интерес к таким процессам сильно возрос. К концу 19 в. учение о катализе и практическое использование катализаторов заняли важное место в Х. С катализом теснейшим образом связана адсорбция, открытая Т. Е. Ловицем в 1785. В 1878 Гиббс установил основные законы поверхностных явлений, адсорбции и образования новых фаз.

Со 2-й половины 19 в. развивается учение о скоростях химических реакций и химическом равновесии. Значение активной массы (концентрации) реагирующих веществ было отмечено ещё в 1801-03 К. Бертолле. Последующая разработка вопросов, связанных с равновесием химических реакций, привела К. Гульдберга и П. Вааге к открытию (1864-67) закона действующих масс который лёг в основу учения о скоростях реакций. Систематические работы Н.А.Меншуткина (с 1877) явились существенным вкладом в установление кинетических закономерностей химических реакций. В 1884 Вант-Гофф суммировал накопившийся в этой области материал в виде кинетических уравнений.

III. Химия 20 века

Конец 19 в. ознаменовался тремя выдающимися открытиями в области физики, в результате которых была доказана сложная структура атома, прежде считавшегося неделимым, - были открыты рентгеновские лучи, явление радиоактивности и электрон. Это положило начало новому этапу в развитии Х. После того как Э. Резерфорд установил существование атомных ядер и предложил планетарную модель атома (1911), началась успешная разработка теории строения атома, появились новые представления об электрической природе химических сил (см. Атом, Атомная физика).

Открытый Г. Мозли закон (1913) связал положение элемента в периодической системе и его характеристическое рентгеновское излучение. Это привело к выводу, что атомный номер химического элемента численно равен заряду атомного ядра этого элемента, а следовательно общему числу электронов в оболочке нейтрального атома. Ещё более глубокое понимание периодического закона было достигнуто на основании работ Н. Бора и др. учёных, показавших, что по мере перехода от элементов с меньшими атомными номерами к элементам с большими их значениями происходит заполнение электронами оболочек (уровней и подуровней), всё далее расположенных от ядра. При этом периодически повторяется сходная структура внешних электронных конфигураций, от чего и зависит в основном периодичность химических и большинства физических свойств элементов и их соединений. Решающую роль в понимании закономерностей заполнения электронных оболочек атома и объяснении атомных и молекулярных спектров сыграл принцип Паули. Сделанные открытия позволили решить многие вопросы, связанные с дальнейшей разработкой и теоретическим обоснованием периодической системы Менделеева. Обнаружение изотопов показало, что не атомная масса, а заряд ядра определяет место элемента в периодической системе. Открытием нейтронов (Дж. Чедвик, 1932) и искусственной радиоактивности (И. и Ф. Жолио-Кюри, 1934) были заложены основы получения новых радиоактивных изотопов и элементов, отсутствующих в природе, и последующего синтеза трансурановых элементов.

С решением проблемы строения атома связан вопрос о природе химической связи. В. Коссель (1916) и Г. Льюис (1916) предложили первые электронные теории валентности и химической связи. Теория Косселя рассматривала образование ионной связи, теория Льюиса - ковалентной. Описательная сторона этих теорий, хорошо согласующаяся с моделью атома Бора и объясняющая некоторые характерные особенности химической связи, сохраняет в известной мере своё значение до сих пор. Выдвинутые позже концепции, в частности теория резонанса (Л. Полинг), позволяют получать некоторые качественные и полуколичественные данные о симметрии молекул, об эквивалентности тех или иных связей и структурных элементов в молекулах, о стабильности и реакционной способности молекул.

Однако только на основе квантовой механики удалось объяснить природу химической связи, точно рассчитать энергию связи для простейшей молекулы - молекулы водорода (нем. учёные В. Гейтлер и Ф. Лондон, 1927) - и многие физические параметры др. двухатомных и нескольких многоатомных молекул (H2O, HF, LiH, NH3 и др.), в том числе межатомные расстояния, энергии образования из атомов, частоты колебания в спектрах, электрические и магнитные свойства, насыщаемость и направленность связей.

Новейший этап развития Х. характеризуется быстрой разработкой пространственных представлений о строении вещества, стереохимических концепций. Ещё в 1874-75 Ж. А. Ле Бель и Вант-Гофф высказали предположение, что 4 атома или радикала, связанные с атомом углерода, расположены не в одной плоскости, а в пространстве, по вершинам тетраэдра, в центре которого находится атом углерода. В связи с этим было расширено представление об изомерии, установлено несколько её видов и были заложены основы стереохимии. Для многих молекул были определены их стабильные пространственные конфигурации; в дальнейшем исследователи установили лабильные конформации молекул, возникающие в результате некоторого затруднения свободного вращения атомных групп вокруг простых связей (см. Конформационный анализ).

Современная теоретическая Х. основывается на общефизическом учении о строении материи, на достижениях квантовой теории, термодинамики и статистической физики. Применение методов квантовой механики к решению химических задач привело к возникновению квантовой Х. Её задачей стало решение волнового уравнения Шредингера для многоэлектронных систем молекул. Одним из первых результатов была теория валентных связей, ещё широко использовавшая традиционное представление о паре электронов как носительнице химической связи (Гейтлер, Лондон, Дж. Слэтер, Полинг). Затем был разработан метод молекулярных орбиталей (МО), рассматривающий целостную электронную структуру молекулы; каждая молекулярная орбиталь (волновая функция) учитывает вклад в неё всех электронных орбиталей атомов (см. метод молекулярных орбиталей). Наиболее распространённый вариант метода МО основанный на приближённом описании молекулярных орбиталей через линейную комбинацию атомных орбиталей (ЛКАО МО). В ряде случаев для простейших молекул на основе использования новейшей вычислительной техники могут быть проведены весьма сложные расчёты молекул без всяких предварительных упрощений задачи. На основе указанного метода рассчитываются энергетические и электронные параметры молекул (распределение электронной плотности, величина энергии, длина и порядок связей, некоторые физические свойства соединений). Метод МО получил ныне распространение в теории органической Х. В неорганической Х. на основе его сочетания с теорией кристаллического поля (Х. Бете) возникла теория поля лигандов.

Квантовохимическое рассмотрение кинетических соотношений, установленных Аррениусом и Вант-Гоффом, привело к возникновению учения об абсолютных скоростях химических реакций, являющегося основой химической кинетики. Это позволило вычленить очень важную теоретическую проблему современной Х. - вопрос о природе переходного состояния, промежуточного активированного комплекса, внутри которого происходят во многом ещё неясные процессы перестройки структуры молекул.

Детальное изучение кинетики и механизмов реакций, исследование элементарных актов химических взаимодействий - важная задача химической физики. Большое значение приобрели работы в области цепных реакций, основы теории которых были разработаны Н.Н.Семеновым и С. Хиншелвудом. Кинетические исследования сыграли важную роль в развитии технологии переработки нефти, горения топлива, синтеза высокомолекулярных веществ. Показана возможность химической фиксации азота при обычных температуре и давлении, что может существенно изменить будущую технологию.

Ядерные превращения и сопутствующие им физико-химические явления, продукты ядерных реакций, радиоактивные изотопы, элементы и вещества служат объектами изучения ядерной химии и радиохимии. Работы в этом направлении имеют большое значение для получения и извлечения атомного сырья, разделения изотопов, использования расщепляющихся материалов.

Взаимодействие вещества с излучением и частицами высоких энергий различной природы, приводящее к химическим превращениям, изучается радиационной Х. Воздействие радиации инициирует многие процессы, в том числе синтез высокомолекулярных соединений из мономеров. В частности, под действием света происходят фотохимические реакции. Фотохимия исследует как связывание энергии электромагнитного излучения (например, в фотосинтезе, осуществляемом зелёными растениями), так и многочисленные реакции синтеза и распада, изомеризации и перегруппировок, возникающие в ходе указанного взаимодействия. Для промышленного производства перспективно использование мощной энергии лазера.

В электрохимии накоплен большой материал по исследованию электролитов, их электропроводности, электрохимических процессов, создана электрохимическая кинетика, изучаются неравновесные электродные потенциалы, процессы коррозии металлов, разрабатываются новые химические источники тока. Успехи теоретической электрохимии позволили дать более прочную научную основу многим промышленным электрохимическим процессам.

Влияние магнитных полей на химическое поведение молекул рассматривается магнетохимией. Область термохимических исследований расширилась в результате изучения взаимодействия вещества с плазмой, в частности в целях использования в плазмохимической технологии. Становление плазмохимии относится к 60-м гг., когда были выполнены основополагающие работы в СССР, США и ФРГ.

Химические превращения совершаются во всех агрегатных состояниях вещества - в жидком, газообразном и твёрдом. Всё большую актуальность приобретают исследования химических реакций твёрдых тел (топохимические реакции).

В современной Х. накапливаются данные о химической эволюции вещества во Вселенной, что позволяет составить общую картину эволюции природы. Современная ядерная физика и астрофизика сформировали представление о возникновении химических элементов. На основе изучения Х. метеоритов, вулканических земных пород, лунного грунта постепенно вырисовывается картина химической дифференциации вещества на планетной стадии развития, в частности геохимической эволюции (см. Геохимия, Космохимия).

Обнаружение сложных органических молекул в межзвёздном пространстве, в метеоритах и древнейших горных породах Земли, а также модельные опыты по синтезу сложных органических веществ из простейших соединений (CH4, CO2, NH3, H2O) в условиях искрового разряда, радиоактивного и ультрафиолетового облучения позволили представить этапы химической эволюции материи, предшествовавшие возникновению жизни (см. также Происхождение жизни).

Геохимия вулканогенных и осадочных пород, гидрохимия, Х. атмосферы, биогеохимия постепенно формируют представления о планетарных миграциях химических элементов, биохимия - о жизненных циклах. На основе этих данных всё более наполняется конкретным содержанием учение В. И. Вернадского о решающей роли процессов жизнедеятельности для понимания судьбы химических элементов на нашей планете.

Большие успехи сделала органическая химия. Так, разработаны автоматические методы синтеза многих белков; установлена структура ряда важных природных веществ - тетродотоксина, гемоглобина, аспартат-аминотрансферазы, содержащей 412 аминокислот, и др.; синтезированы сложнейшие природные соединения - хинин, витамин B12 и даже хлорофилл. Огромное влияние оказала органическая химия на развитие молекулярной биологии. Органическая химия легла в основу создания мощной индустрии тяжелого органического синтеза.

Химия полимеров, которая сформировалась в самостоятельную химическую дисциплину лишь в 30-х гг., изучает весь комплекс представлений о путях синтеза высокомолекулярных соединений, их свойствах и превращениях, а также о свойствах тел, построенных из макромолекул. Для современного этапа химии полимеров характерно углублённое изучение механизмов каталитической полимеризации, вызываемой металлоорганическими соединениями, в частности синтеза стереорегулярных полимеров, исследование микроструктуры высокомолекулярных соединений. Установлено, что свойства полимеров зависят не только от химического состава, строения и размеров макромолекул, но и в не меньшей степени от их взаимного расположения и упаковки (надмолекулярной структуры). Важным достижением явилось создание термостойких полимеров (кремнийорганических, полиимидов и др.). Успехи химии полимеров позволили создать такие важнейшие отрасли химической промышленности как производства пластмасс, синтетического каучука, химических волокон, лакокрасочных материалов, ионитов, клеёв и др.

На всех структурных уровнях организации живого важнейшую роль играют специфические химические процессы. Непрерывный обмен веществ в организме представляет собой сложнейшую систему согласованных химических реакций, осуществляемых с участием специфических белковых катализаторов - ферментов.

Воздействие химических процессов, происходящих во внешней среде, на сообщества организмов (биоценозы), химическая миграция элементов внутри экосистем, химическое стимулирование или подавление симбиотических или конкурентных видов исследуются в рамках химической экологии. Формирование поведения организмов в сообществах в значительной степени зависит от химических средств передачи информации (например, феромонов, используемых животными для привлечения или отпугивания др. особей, регуляции жизнедеятельности в семьях пчёл, муравьев и т.д.).

Традиционные для биохимии нейрохимические исследования переросли в новую отрасль знаний, изучающую влияния химических соединений на психические процессы; формируется т. н. молекулярная психобиология, связывающая молекулярную биологию с наукой о поведении (см. также Психофармакология).

IV. Современные методы исследования в химии

С середины 20 в. происходят коренные изменения в методах химических исследований, в которые вовлекается широкий арсенал средств физики и математики. Классические задачи Х. - установление состава и строения веществ - всё успешнее решаются с использованием новейших физических методов. Неотъемлемой чертой теоретической и экспериментальной Х. стало применение новейшей быстродействующей вычислительной техники для квантовохимических расчётов, выявления кинетических закономерностей, обработки спектроскопических данных, расчёта структуры и свойств сложных молекул.

Из числа чисто химических методов, разработанных в 20 в., следует отметить микрохимический анализ, позволяющий производить аналитические операции с количествами веществ, в сотни раз меньшими, чем в методе обычного химического анализа. Большое значение приобрела хроматография, служащая не только для аналитических целей, но и для разделения весьма близких по химическим свойствам веществ в лабораторных и промышленных масштабах. Важную роль играет физико-химический анализ (ФХА) как один из методов определения химического состава и характера взаимодействия компонентов в растворах, расплавах и др. системах. В ФХА широко используются графические методы (диаграммы состояния и диаграммы состав - свойство). Классификация последних позволила уточнить понятие химического индивида, состав которого может быть постоянным и переменным (см. Дальтониды и бертоллиды). Предсказанный Курнаковым класс нестехиометрических соединений приобрёл большое значение в материаловедении и новой области - химия твёрдого тела.

Люминесцентный анализ, метод меченых атомов (см. Изотопные индикаторы), рентгеновский структурный анализ, электронография, полярография и др. физико-химические методы анализа находят широкое применение в аналитической химии Использование радиохимических методик позволяет обнаружить присутствие всего нескольких атомов радиоактивного изотопа (например, при синтезе трансурановых элементов).

Для установления строения химических соединений важное значение имеет молекулярная спектроскопия (см. Молекулярные спектры), с помощью которой определяются расстояния между атомами, симметрия, наличие функциональных групп и др. характеристики молекулы, а также изучается механизм химических реакций. Электронная энергетическая структура атомов и молекул, величина эффективных зарядов выясняются посредством эмиссионной и абсорбционной рентгеновской спектроскопии. Геометрия молекул исследуется методами рентгеновского структурного анализа.

Обнаружение взаимодействия между электронами и ядрами атомов (обусловливающего сверхтонкую структуру их спектров), а также между внешними и внутренними электронами позволило создать такие методы установления строения молекул, как ядерный магнитный резонанс (ЯМР), электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), ядерный квадрупольный резонанс (ЯКР), гамма-резонансная спектроскопия. Особую роль по широте применения приобрела ЯМР-спектроскопия. Для выяснения пространственных характеристик молекул возрастающее значение приобретают оптические методы: спектрополяриметрия, круговой дихроизм, дисперсия оптического вращения. Разрушение молекул в вакууме под влиянием электронного удара с идентификацией осколков применяется для установления их строения методом масс-спектроскопии. Арсенал кинетических методов пополнился средствами, связанными с использованием ЭПР- и ЯМР-спектроскопии (химическая поляризация ядер), метода импульсного фотолиза и радиолиза. Это позволяет изучать сверхбыстрые процессы, протекающие за время 10-9 сек и меньше.

Для исследования космических объектов с успехом применяются методы спектрального анализа в различных диапазонах электромагнитного спектра. В частности, методами радиоастрономии в межзвёздном пространстве были обнаружены облака химических соединений, включающие такие относительно сложные молекулы, как формальдегид, тиомочевину, метиламин, цианацетилен и др. С развитием космических полётов методы экспериментальной химии стали применяться на внеземных объектах (Луна, Венера, Марс).

V. Химическая технология и тенденции её развития

Потребности общества породили химическую технологию. По выражению Бертло, химия начинает творить свой собственный объект исследования, создавая сотни тысяч неизвестных природе соединений. В развитии химической технологии исторически первыми были методы упрощения, разложения готовых природных форм: получение металлов из руд, выделение солей из сложных систем, перегонка древесины и др. подобные приёмы. Фундаментом химической технологии явилось производство исходных веществ для многих более сложных технологий: серной, соляной, азотной кислот, аммиака, щелочей, соды и некоторых др., составивших область основной химической промышленности. Второй крупнейший исторический этап в химической технологии характеризуется переходом к методам синтеза, получения всё более сложных систем, что базируется уже не только на эмпирических данных, но и на теоретическом понимании природы, строения и свойств химических веществ, закономерностей их формирования (см. химический синтез).

Синтетическая технология в химии эволюционирует от использования готовых природных веществ и материалов через их всё более сложную модификацию к получению новых химических продуктов, не известных в природе. Так, технология производства волокна начиналась с переработки природной целлюлозы, затем перешла к её химически модифицированным формам (вискоза, ацетатный шёлк) и в конечном итоге сделала скачок к синтетическим материалам на принципиально новой основе (полиэфиры, полиамиды, полиакрилонитрил). При этом отмечается более ускоренное развитие технологии синтетического волокна по сравнению с искусственным из природных полимеров.

Важная тенденция развития химической технологии - выход за исторически сложившиеся на нашей планете физико-химические условия, всё более широкое использование экстремальных условий необычных факторов: высокие температуры, сверхвысокие давления, воздействие плазмы, электрических и магнитных полей и излучений. Целью технологии становится получение веществ с необычными и весьма ценными свойствами: сверхчистых и сверхтвёрдых, жаростойких и жаропрочных материалов, полупроводников и люминофоров, фотохромов и термохромов, катализаторов и ингибиторов, биостимуляторов и медикаментов.

Наблюдается быстрое расширение источников химического сырья. В производственную сферу вовлекается всё большее число химических элементов (вплоть до трансурановых), достигается более полная комплексная переработка природных веществ, разрабатываются планы использования таких источников сырья, как Мировой океан. Усиление искусственного химического воздействия на природные процессы часто приводит к нарушению установившихся природных химических циклов, к их разрывам и деформациям. Это осложняет т. н. экологическую проблему - задачу сохранения и научного регулирования среды обитания. Существенным для решения этой задачи является создание замкнутых, безотходных химических производств, формирование регулируемых химических циклов в системе природа - общество как важная часть мероприятий по охране природы и окружающей среды.

Усиление роли химии как науки сопровождается интенсивным развитием фундаментальных, комплексных и прикладных исследований, ускоренной разработкой новых материалов с заранее заданными свойствами, новых технологических процессов. Одной из важнейших черт современного развития производительных сил является химизация народного хозяйства. См. также Химическая промышленность.

Научные учреждения и организации, периодические издания. Научная работа в области химии проводится в институтах и лабораториях академий наук, в отраслевых институтах, а также в лабораториях университетов, технических вузов, промышленных объединений, фирм (см. Наука, Академия наук СССР, Химические институты).

Международной организацией, осуществляющей связи между научными химическими центрами различных стран, является Международный союз теоретической и прикладной химии. См. также Химические научные общества и союзы, Химические конгрессы международные.

В СССР химиков объединяло Всесоюзное химическое общество им. Д. И. Менделеева. Общество регулярно проводит съезды по теоретической и прикладной химии и издаёт свои журналы.

Основные периодические издания, в которых публикуются работы по химии, указаны в ст. Химические журналы.

Лит.: Библиография, история и методология химии. Библиография иностранной библиографии по химии, в. 1, М. - Л., 1966; Химия в изданиях Академии наук СССР, т. 1, в. 1-2, М. - Л., 1947-51; Блох М. А., Хронология важнейших событий в области химии и смежных дисциплин и библиография по истории химии, Л. - М., 1940; Мусабеков Ю. С., Черняк А. Я., Выдающиеся химики мира. Биобибл. указатель, М., 1971; Материалы к библиографии по истории русской науки, сост. Р. П. Гаухман, в. 2, [М.], 1951; Материалы к биобиблиографии ученых СССР. Серия химических наук, в. 1-41-, М, - Л., 1946-76; Меншуткин Н. А., Очерк развития химических воззрений, СПБ, 1888; Мейер Э., История химии от древнейших времен до настоящих дней, пер. с нем., предисл. Д. И. Менделеева, СПБ, 1899; Ладенбург А., Лекции по истории развития химии от Лавуазье до нашего времени, пер. [с нем.], с присоединением "Очерка истории химии в России" П. И. Вальдена, Од., 1917; Меншуткин Б. Н., Химия и пути ее развития, М. - Л., 1937; Фигуровский Н. А., Очерк общей истории химии. От древнейших времен до начала XIX в., М., 1969; Джуа М., История химии, пер. с итал., М., 1975 (лит.); Очерки по истории химии, [Сб.], М., 1963; Труды Института истории естествознания и техники АН СССР, т. 2, 6, 12, 18, 30, 35, 39, М., 1954-62; Кузнецов В. И., Эволюция представлений об основных законах химии, М., 1967; Соловьев Ю. И., Эволюция основных теоретических проблем химии, М., 1971; Бутлеров А. М., Исторический очерк развития химии в последние 40 лет. Соч., т. 3, М., 1958; Гьельт Э., История органической химии с древнейших времен до настоящего времени, пер. с нем., Хар. - К., 1937; Шорлеммер К., Возникновение и развитие органической химии, пер. с англ., М., 1937; Главы из истории органической химии. [Сб. ст.], М., 1975; Быков Г. В., История органической химии, М., 1976; Соловьев Ю. И., Очерки по истории физической химии, М., 1964; Капустинский А. ф., Очерки по истории неорганической и физической химии в России..., М. - Л., 1949; Арбузов А. Е., Краткий очерк развития органической химии в России, М. - Л., 1948; его же, Избранные работы по истории химии, М., 1975; Советская химия за двадцать пять лет. Сб. ст., М. - Л., 1944; Советская наука и техника за 50 лет. 1917-1967, в. 1-8, М., 1967-68; Советская химическая наука и промышленность. 50 лет. [Сб. ст.], М., 1967; Манолов К., Великие химики, пер. с болг., т. 1-2, [М.], 1976; "Журнал Всесоюзного химического общества им. Д. И. Менделеева", 1975, т. 20, ? 6 (номер посвящен лауреатам Нобелевской премии по химии); Кузнецов В. И., Диалектика развития химии, М., 1973; Кедров Б. М., Три аспекта атомистики, [т.] 1-3, М., 1969; его же, Энгельс о химии, М., 1971; Философские проблемы современной химии. Сб. переводов, М., 1971; Гносеологические и социальные проблемы развития химии, К., 1974; Жданов Ю. А., Очерки методологии органической химии, М., 1960; Методологические проблемы современной химии. Сб. пер., М., 1967; Корр Н., Geschichte der Chemie, Bd 1-4, Braunschweig, 1843-47; Hoefer Fr., Histoire de la chimie, 2 ed., v. 1-2, P., 1867-69; Partington J. R., A history of chemistry, v. 1-4, L. - N. Y., 1961-1970; Graebe С., Geschichte der organischen Chemie, Bd 1, B., 1920; Walden P., Geschichte der organischen Chemie seit 1880, В., 1941; Szabadváry F., Geschichte der analytischen Chemie, Bdpst, 1966; Bugge G., Das Buch der grossen Chemiker, Bd 1-2, Weinheim, 1955; Great chemists, ed. Е. Farber, N. Y. - L., 1961.

Классические работы. Ломоносов М. В., Труды по физике и химии, Полное собрание соч., т. 1-2, М. - Л., 1950-51; его же, Избр. труды по химии и физике, М., 1961; Дальтон Д ж.. Сборник избр. работ по атомистике. 1802-10, пер. с англ., Л., 1940; Бутлеров А. М., Введение к полному изучению органической химии, Соч., т. 2, М., 1953; его же, Избр. работы по органической химии, [М.], 1951; Столетие теории химического строения. Сб. ст. А. М. Бутлерова, А. Кекуле, А. С. Купера, В. В. Марковникова, М., 1961; Марковников В. В., Избр. труды, М., 1955; Менделеев Д. И., Основы химии, Соч., т. 13-14, Л. - М., 1949; его же, Периодический закон. [Основные статьи], М., 1958; его же, Периодический закон. Дополнительные материалы, М., 1960; Гиббс Дж., Термодинамические работы, пер. с англ., М. - Л., 1950; Вант-Гофф Я. Г., Очерки по химической динамике, пер. с франц., Л., 1936; Цвет М. С., Хроматографический адсорбционный анализ, М. - Л., 1946 (сер. "Классики науки"): Браве О., Избр. научные труды, Л., 1974 (сер. "Классики науки"); Гедройц К. К., Избр. научные труды, М., 1975 (сер. "Классики науки"); Lavoisier A. L., Oeuvres de Lavoisier, t. 1, P., 1864; Berzelius J. J., Lärbok i Kemien, bd 1-6, Stockh., 1808-30; его же, Lehrbuch der Chemie, 5 Aufl., Bd 1-5, Lpz., 1847-56; Gerhardt Ch. F., Traité de chimie organique, t. 1-4, P., 1854-60; Ostwald W., Lehrbuch der allgemeinen Chemie, Bd 1-2, Lpz., 1885-87; Ostwald's Klassiker der exakten Wissenschaften, ? 1-244, Lpz., 1889-1938 (изд. возобновлено в 1954 в ГДР и в 1965 в ФРГ); Alembic club reprints, v. 1-28, Edinb., 1893-1912.

Справочные издания. Краткая химическая энциклопедия, гл. ред. И. Л. Кнунянц, т. 1-5, М., 1961-67; Справочник химика, под ред. Б. П. Никольского, 2 изд., т. 1-6, М. - Л., 1965-68; Лурье Ю. Ю., Справочник по аналитической химии, М., 1962; Краткий справочник по химии, под ред. О. Д. Куриленко, 4 изд.. К., 1974; Химия. Справочное руководство, пер. с нем., Л., 1975; Неорганическая химия. Энциклопедия школьника, гл. ред. И. П. Алимарин, М., 1975; Гордон А., Форд Р., Спутник химика, физико-химические свойства, пер. с англ., М., 1976; Landolt Н. - Вörnstein R., Zahlenwerte und Funktionen aus Physik, Chemie, Astronomic, Geophysik und Technik, 6 Aufl., Bd 1-4, В., 1966-75-; Gmelins Handbuch der anorganischen Chemie, 8 Aufl., System ? 1-73-, В. - L. [u. a.], 1926-74-; Handbook of chemistry and physics, ed. R. C. Weast, 56 ed., Cleveland (Ohio), 1975; Mellor J. W., A comprehensive treatise on inorganic and theoretical chemistry, v. 1-16, L. - [a. o.], [1947-57]; Nouveau traité de chimie minérale, éd. P. Pascal, t. 1-20, P., 1956-64; Beilstein F. К., Handbuch der organischen Chemie, 4 Aufl., Bearb. von B. Prager [u. a.], Bd 1-31, В., 1918-40 (из дополнит. тт.); Traité de chimie organique, ed. V. Grignard, t. 1-23, P., 1935-54.

Современные руководства и пособия для высших школ. Некрасов Б. В., Основы общей химии, 3 изд., [т.] 1-2, М., 1973; Полинг Л., Общая химия, пер. с англ., М., 1974; Кемпбел Дж., Современная общая химия, пер. с англ., [т.] 1-3, М., 1975; Глинка Н. Л., Общая химия, 18 изд., Л., 1976; Курс физической химии, под ред. Я. И. Герасимова, 2 изд., т. 1-2, М., 1969-1973; Киреев В. А., Курс физической химии, 3 изд., М., 1975; Несмеянов А. Н., Несмеянов Н. А., Начала органической химии, кн. 1-2, М., 1969-70; Крешков А. П., Основы аналитической химии, 4 изд., [кн.] 1-2, М., 1976.

См. также ст. Химические энциклопедии, литературу при ней и при статьях, на которые даны ссылки.

© Ю. А. Жданов, Б. М. Кедров.





Все новости

Натуральный мрамор Emperador Dark по самым выгодным ценам





Новости компаний

Все новости


Rambler's Top100
© ChemPort.Ru, MMII-MMXIII
Контактная информация

Химический портал ChemPort.Ru работает при поддержке профессионалов Clustertech. Clustertech - защита от DDOS, удаленное администрирование сервера, очень качественный хостинг.