ХИМИЯ Печат

ХИМИЯ

Химията е наука, която изучава веществата и техните превръщания; тя е един от най-важните дялове на естествознанието. Тъй като веществата представляват най-разно­образни съчетания между атомите на химич­ните елементи, именно елементите и техните съединения са обекти на изследване в химия­та. Превръщанията на веществата настъпват в резултат на химични реакции. На свой ред протичането на повечето химични реак­ции е свързано с изменения във външните електронни слоеве на атомите. Вътрешните слоеве и атомното ядро не се променят.

Сега в сферата на действие на химическата наука се включват 107 химични елемента (съществуващи в природата или получени чрез ядрен синтез) и няколко милиона химични съединения. Тъй като учените постоянно получават в лабораториите нови съединения, химията непрекъснато увеличава броя на обектите на своите изследвания.

Първите сведения за химични превръща­ния се отнасят към древни времена, когато още не е съществувало понятието химичен елемент, а вместо него е съществувало учението за четирите стихии — огън, вода, въздух, земя, които в различни съчетания придават на околните предмети различни качества. В същото време занаяти като топене на металите, приготвяне на стъкло, багрене на тъкани постепенно позволяват на хората да натрупват факти и сведения, които лягат в основата на първоначалната практическа химия. Тя в никакъв случай не е била още наука, а само сбор от определе­ни химични похвати и рецепти.

Самият произход на думата химия предиз­виква многобройни тълкувания. Тук няма единна гледна точка. Едни учени я свързват с названието на древния Египет — Хем. В превод тази дума означава „черен" (въз­можно е поради черния цвят на почвите в долината на Нил). Други изследователи взимат за основа гръцките думи хюма (лее­не, което навежда на мисълта за топене на металите) или химевис (смесване). На­края търсят дори връзка на думата „химия" с древнокитайското „ким" — „злато".

Много столетия наред е господствала алхимията. Но е неправилно тя да се разглеж­да като предшественик на химическата наука. Алхимията е своеобразен феномен на средновековната култура. Същност на дейността на алхимиците са били всевъзмож­ни химични манипулации. Тяхната цел е била търсене на т. нар. философски камък, с помощта на който всеки метал може да се превърне в злато. Разбира се, всички усилия на алхимиците останали безплодни. Но тъй като при търсенето на философския камък те провеждали различни химични реакции, на тях принадлежат някои постиже­ния, които са важни за практиката. Те са изобретили прибори, необхидими за химични изследвания: пещи, реторти, колби, апарати за дестилация на течности, приготвили са някои най-важни киселини, соли и окиси, описали са някои начини за разлагане на руди и минерали. Практическите умения на алхимиците впоследствие се оказват доста полезни. Невъзможността да се приготви философски камък става все по-очевидна и алхимията постепенно загубва значението си. В същото време нараства ролята на химич­ните занаяти, а човешките познания за окол­ния свят се увеличават. Постепенно се офор­мят понятията, които лягат в основата на науката химия.

Възникването на химията като наука обикновено се свързва с името на Р. Бойл. Той помага на химията да осъзнае същността на своя централен обект на изследване и за пръв път дава определение на химичен елемент. Според Бойл елементите са граница­та за разлагане на веществото на съставни части. Елементите в природата трябва да са много и те имат материален характер. Бойл смятал, че експериментът е основният начин за постигане на истината.

По такъв начин анализът на природните вещества става в значителна степен осмислен. Като ги разлагат на съставните им части, изследователите правят много важни наблю­дения, откриват няколко нови елемента и химични съединения. Химията навлиза в периода на проявяването на химикоаналитичните методи за изследване. Тя започва да решава една от първите си най-важни задачи — да изучава кое от какво се състои. Така възниква учението за състава на химич­ните съединения. По- късно изпъкват въпро­сите по изучаване на техните свойства и строеж. По същество построяването" на този класически „триъгълник" на знанията (състав — строеж — свойства) определя основ­ното съдържание на развитието на химията през XVIII-XIX в.

Забележителни постижения на руския учен енциклопедист М. В. Ломоносов в областта на естествознанието, включително и в химията, са материалистическото тълку­ване на химичните явления, използуването на физичните методи и представи, създаване­то на корпускулярната теория за строежа на веществата, откриването на закона за запазване масата и енергията — основен закон на природата.

В края на XVIII в. в химията настъпва истинска революция. Тя е свързана с разрабо­тената от А. Лавоазие кислородна теория на горенето. В химията все повече започва да се утвърждава количественият подход при изучаването на химичните процеси. Разработена е номенклатурата на химичните съединения, която за химиците става между­народен език.

В началото на XIX в. Дж. Далтон въвежда понятието атомно тегло. (Днес вместо този термин се използува атомна маса — б. пр.) Всеки химичен елемент получава сега най-важната количествена характеристика. Въз­никва и започва стремително да се развива атомно-молекулната теория. Тя става основа на теоретичната химия. Тази теория дава основата за такива забележителни открития, като периодичния закон на химичните еле­менти на Д. И. Менделеев и структурната теория на А. М. Бутлеров. В рамките на атомно-молекулната теория получават ясно определение най-важните понятия на химия­та: атом, молекула, елемент, просто веще­ство, химично съединение, валентност.

През XIX в. ясно се оформят двата основ­ни дяла на химията — неорганична и органич­на химия, в края на столетието като самосто­ятелна област се създава и физико-химията. Резултатите от химичните изследвания все по-широко започват да се внедряват в прак­тиката, а това води след себе си до развитие­то на химичната технология. В различните страни се организират нови химически лабо­ратории и институти, нараства броят на специализираните химически списания, а заедно с това съществено се ускорява обме­нът на химическа информация. Химията започва все повече да използува постижения­та на другите науки, главно на физиката, а това на свой ред допринася за превръщане­то й в точна научна дисциплина, където наред с уравнението на химичната реакция заслужено място заема и математическата формула. Така постепенно се полага фунда­ментът на сградата на съвременната химия. (По-подробно за историята на развитието на химията вж. статиите Неорганична химия, Органична химия, Физико-химия, Аналитична химия, Атомно-молекулна теория.)

Как може в общи черти да се охарактери­зира химията на нашето време? Какво пред­ставлява сега тази област на човешкото познание? Какви са нейните основни особено­сти?

Все повече изчезват границите между двата основни дяла на химията — неорганич­ната и органичната химия. Разбира се, и единият, и другият дял запазва своята специ­фика и никога няма да загуби докрай своята индивидуалност. Вземете например двата обширни класа съединения — елемент органичните и координационните. Те са хиляди и броят им расте с всяка година. Но те не могат да бъдат еднозначно отнесени нито към органичните, нито към неорганичните. Органиците включват в сферата на интересите си все повече химични елементи, докато неорганиците синтезират все по-голям брой координационни съединения с органични лиганди. Едни и същи физикохимични и аналитични методи с еднакъв успех използу­ват в своята практика и химиците неорганици, и химиците органици.

Наблюдава се диференциация (разчленява­не) на химията на постоянно увеличаващ се брой самостоятелни химически дисципли­ни. Така например съвременната неорганична химия е конгломерат от много направления на изследване: и на отделни химични елемен­ти, и на техни съвкупности. Нека кажем, че има химия на редките елемен­ти и химия на рядко земните елементи, химия на радиоак­тивните елементи и химия на платиновите елементи. Съвсем наскоро възникна и химия на инертните газове. Обикновени са и такива понятия, като химия на азота, химия на фосфора, химия на флуора, химия на урана. Химичните изследва­ния на някои най-важни елементи се оформят в самостоятелни подраздели на неорганичната химия. Самостоятелни са и направленията, които изучават отделни класове неорганични съединения, например химия на хидридите, химия на карбидите.

Аналогична е картината и в органичната химия. Много класове органични съединения — белтъци, мазнини, въглехидрати, ароматни съединения, наситени и ненаситени въглево­дороди, се изучават като самостоятелни раздели. Това изреждане може да се продъл­жи.

От какво е предизвикана тази диференциа­ция? От това, че натрупаният обем информа­ция е много голям и дори най-надареният химик сега не може да бъде висококвалифи­циран специалист във всички раздели, напри­мер на неорганичната химия.

Физико-химията също е дала различни направления в развитието на науката. Още в миналия век се оформят термохимията и електрохимията, колоидната химия и уче­нието за разтворите, химичната кинетика и учението за катализата. След това се приба­вя радиохимията, химията на повър­хностните явления, радиационната химия. . . И всяка от тези дисциплини на свой   ред  дава  самостоятелни  „филизи".

Широкото проникване на физико-химията в неорганичната и в органичната химия води до появата на различни методи на изследване, които също могат да се разглеж­дат като самостоятелни химически дисципли­ни.

Физико-химията справедливо се счита за плод на най-тясно взаимодействие на химията и физиката и нейното съществуване най-релефно подчертава важната особеност на съвременната химия — постоянно нараства­щия контакт с другите науки. Този процес на взаимно проникване на науките е доста характерен за съвременното естествознание. Съюзът на химията с биологията поражда биохимията, чиято роля днес е трудно да се оцени. На „кръстопътя" на химията и геологията възниква геохимията — химията на Земята. А сега вече с право може да се говори за химия на Луната, на Марс, на Венера. Специалните методи за анализ позволяват да се изучава веществото, което е разпръснато в космическото пространство — така възниква космохимията. Ето още примери от единството на различните науки: био-органична и био-неорганична химия, био-геохимия. Тази особеност на съвременната химия е най-важна. История­та показва, че основните открития често пъти се раждат именно в допирните точки на различните науки.

И като се обръщаме отново към миналото на химията, нека си спомним, че превръщане­то й в наука става главно благодарение на две обстоятелства: първо, поради това че достатъчно ясно е определен предметът на нейното изследване; второ, защото започ­ва широко използуване на методите на химичния анализ. А именно развитието на методите на анализа става стимул за еволюцията на науката химия.

Огромното значение на анализа се запазва и в съвременната химия, постоянно се усъвършенстват старите и се разработват много нови методи за анализ: химични, физикохимични и физични. Висока чувствителност достига спектралният анализ. Следи от примеси в изследваните материали могат да се определят чрез радио активационния анализ. В арсеналите на съвременните хими­чески лаборатории са застъпени методите на ЕПР (електронен пара магнитен резонанс), ЯМР (ядрено магнитен резонанс), спектрофотометрията, молекулната спектроскопия. Те позволяват да се изучават най-фините особе­ности на строежа на молекулите и на меха­низмите за протичането на химичните реак­ции.

С появата на теоретичните представи в химията тя се превръща от емпирична област на знанието в точна наука. Химията днес се развива на здрава теоретична основа.

В развитието на теоретичната химия своеобразна „вълшебна пръчка" става елек­тронът. Електронните представи изведнъж започват да проникват в химията. Великите открития във физиката от края на XIX в. (рентгенови лъчи, явлението радиоактивност, откриването на електрона) допринасят за разработването на атомния модел и на тео­рията за строежа на атома. Въз основа на тази теория е обяснена физич­ната причина за периодичното изменение на свойствата на елементите, създадени са нови представи за химичната връзка. От отвлечено понятие атомът се превръща в кон­кретен обект за изследване. Появяването на теорията за строежа на атома и прилагане­то на представите на квантовата механика в нея правят революция в теоретичната химия. Възниква нова химическа дисциплина — квантовата химия, която става най-важни­ят ,.инструмент" за химиците теоретици. Съществено нараства ролята на теорията във всички, без изключение, области на химията.

Ние живеем в епохата на научно-техничес­ката революция, която предявява много високи изисквания към различните вещества и материали. Необходими са вещества, устойчиви на най-агресивни в химично отно­шение среди, и вещества, които се топят при температури, близки до температурата на повърхността на Слънцето; материали, по-здрави от стоманата и по-твърди от диа­манта, материали, които са много по-еластич­ни от каучука. Необходими са висококаче­ствени полупроводници, специални магнитни материали, полимери с необикновени свой­ства. Нужни са свръхчисти вещества, които практически не съдържат примеси.

Не е лесна задачата да се задоволят тези изисквания и без химията не може да се мине. С нейна помощ се решава най-важната задача за получаване на различни вещества и материали с предварително зададени свой­ства, необходими за едно или друго практи­ческо използуване. По-рано учените изучава­ли свойствата на новото съединение, след като го получат в лабораторията. И едва след това правели извод дали някои от установените свойства могат да намерят практическо приложение. Сега въпросът се поставя иначе. Отначало се формулира задача­та: трябва да се получи ново вещество (съе­динение, сплав и т. н.) с определена съвкуп­ност от необходими за практиката свойства. А следващата крачка се състои в търсенето и пресмятането на най-оптималните пътища за получаване на исканото вещество. Съвре­менната химия започва широко да програми­ра своите цели и задачи.

Това са основните особености на химичес­ката наука днес. Към тях би могло да се прибави още една: без химията е немислима цялата съвременна цивилизация. Химията храни, пои, облича, обува, строи, добива полезни изкопаеми, позволява да се лети в космоса и да се спуска на дъното на океана, да се създават вещества и материали, които природата не познава. В единство с другите естествени науки химията помага все по-дълбоко да се опознаят тайните на вселената.

,Душа" на науката химия са химичните реакции. Те могат да протичат при най-разнообразни условия. Едни - при стайна температура, други — при слабо нагряване, трети — при по-високи температури. Едни реакции протичат мигновено, с взрив, докато други — при обикновени условия — извънред­но бавно, но могат да бъдат ускорени с катализатори. При изреждането на съвремен­ните химически дисциплини не може да не се споменат такива като химия на високите температури и химия на ниските температури. Те изучават протичането на химичните процеси при екстремални условия. От една страна, десетки хиляди градуса, а от друга — темпе­ратури на течния въздух и дори близки до абсолютната нула. През последното десети­летие възникна химия на плазмата, където предмет на химично изследване е четвъртото състояние на веществото. Списъ­кът на съвременните химически дисциплини продължава с химия на високите налягания. И действително за химията от близкото минало милиони и милиарди паскали бяха отвлечени понятия. Сега такива налягания са обикновени. Свръхвисоките налягания позволяват да се произвеждат изкуствени диаманти, да се получи такова удивително вещество като метален водород.

Химията оперира с различни материални структури. На единия „полюс" са огромни молекули, състоящи се от много хиляди атоми, например молекулите на белтъците; на другия — единичните атоми на химичните елементи, които освен това имат и много малка продължителност на живот. Това са атомите на тежките транс уранови елементи, които са синтезирани изкуствено. На единия „полюс" е най-простата молекула — на водо­рода Н2, на другия — сложната навита двойна спирала на дезоксирибонуклеиновата кисели­на. В този смисъл химията действително изглежда като наука на контрастите.

За да стане такава наука, каквато е химия­та днес, са помогнали другите науки, и най-вече физиката. Понякога се срещат твърдения, че химията като че ли е загубила своята самобитност, че днес тя не е нищо повече от раздел на физиката. Това твърдение се мотивира с факта, че в основата на съвре­менната химия стои квантовомеханичният (физичният) модел на атома. Химичната връзка между атомите може да се обясни точно само в рамките на квантовомеханичните представи. Всичко това е така, но светът на химичните процеси и явления е толкова сложен и многообразен, че да се сведат опитите за неговото обяснение към матема­тически уравнения,би било съвсем неоправ­дано опростяване. Физиката и по-нататък ще помага на химията все по-дълбоко да опознава и обяснява предметите на изследва­нията си, но никога няма да може да я лиши от нейната самостоятелност. Защото най-важната цел на химията — получаването на нови факти и сведения за свойствата на химичните елементи и за техните съединения — може да се постигне само от самата нея.