Курс "История и методология химии"

Программа курса
"История и методология химии"

Пояснительная записка. Задача курса – помочь студентам сориентироваться в исторической и, отчасти, логической взаимосвязи и последовательности основных  событий и открытий в химии. При составлении программы в качестве базовой в части изложения развития химии от древности по XIX в. (включительно) взята программа курса проф. Н.А.Фигуровского (1983). В нее введены некоторые дополнительные блоки вопросов (например, в части освещения периодизации и значимости алхимического периода, создания технологии разнообразных химических веществ и производств,  развития организационных форм науки и химического образования и пр.), принятые на настоящий  момент в мировой учебной литературе по истории химии (монографиях В.Брока, А.Гринберга, О.Крэтца и др.) и обусловленные историко-логическим подходом к изложению материала. Использованы новые концептуальные подходы (в частности, смена научных программ отдельных эпох)  при освещении эволюции узловых проблем химического знания. В этом аспекте широко привлекаются материалы историко-химических исследований проф. И.С.Дмитриева (Петербургский университет), посвященные научной революции XVII в. и химической революции XVIII в..

В программе учтен опыт проф. П.М.Зоркого, предложившего больше времени уделять изложению развития основных концепций химии в ХХ столетии и реализовавшего подобный курс практически одним из первых. Удельный вес данного периода в общем объеме предлагаемого курса составляет порядка 40%. В новом прочтении даются разделы по формированию представлений о химической связи, по биоорганической химии,  химии ВМС. Широко представлен также блок вопросов, посвященный развитию физико-химических дисциплин, становлению современных разделов теоретической химии (квантовая химия, неравновесная термодинамика и пр.),

Отдельное внимание уделено формированию исследовательских  методов аналитической, органической, физической химии в XIX-XX веках, особенно применению физических (инструментальных) методов в химии. Эти методы вкупе с определением круга изучаемых объектов и явлений, круга лиц, занимающихся исследованиями, а также способов научных коммуникаций (научные школы, профессиональные форумы, издания) являются необходимым элементом процесса становления данной научной дисциплины (например, органической или физической химии), утверждения ее парадигм. В этом мы видим одну из  методологических составляющих нашего курса. К ней мы относим также освещение особенностей современной химии, данное в конце курса.

В процессе чтения курса активно используются лекционные контрольные (на 10-15 минут), помогающие контролировать усвоение материала и способствующие его закреплению. В конце курса предусмотрен зачет.

Химические знания в древности

Введение. История химии как область химической науки и часть истории культуры. Роль исторического подхода в химии. Периодизация истории химии.

Истоки химической практики. Химико-практические знания и ремесленная техника в Древнем мире (металлургия,  керамика,  парфюмерия,  фармация, бальзамирование, строительные материалы, бумага, краски).

Натурфилософские учения древности: взгляды Фалеса, Анаксимена, Анаксимандра, Гераклита, Платона, Аристотеля, Левкиппа, Демокрита, Эпикура и их влияние на развитие химии.

Алхимический период        

Греко-египетская алхимия (II-III вв. до н.э. – VII в. н.э.). Синтез химико-практических знаний египетских жрецов с греческой натурфилософией. Основные представители александрийской алхимии. 

Арабская алхимия  (VIII –XI  вв. н.э.), ее рационализм. Научные центры арабского халифата. Виднейшие представители арабской алхимии (Ар-Рази, Авиценна, Джабир).

Латинская (европейская) алхимия – феномен средневековой  культуры. Виднейшие представители (Альберт Великий, Роджер Бэкон, Раймунд Луллий, Арнольд из Вилла Нова, Василий Валентин, Михаил Майер и др.). Сущность европейской алхимической идеологии и традиций, влияние герметизма. Попытки структурировать и рационализировать алхимию (XVII в., А.Либавий, И.Кункель). Появление первых учебных пособий  и кафедр химии в университетах.

Иатрохимия (XV-XVII вв.) как рациональное продолжение алхимии. Парацельс, его учение и последователи. А.Сала, Д.Сильвий, И.Ван Гельмонт, сочетание новаторских и реакционных воззрений.

Основные достижения женщин-алхимиков (Клеопатра, Мария Коптская, М. Мердрак и др.).

Создание технологий, определивших пути развития цивилизации (развитие технической химии). Получение солей, кислот и щелочей. Появление европейской бумаги (XI-XII вв.). Развитие стеклоделия (XV в. – А.Баровьеро, XVII в. –  Г. Равенскрофт, М.Мюллер, И.Кункель). Изобретение европейского фарфора (Э.В. фон Чиринхауз и И.Бетгер, основание Мейсенской мануфактуры). Развитие техники металлургии; получение чугуна и ковкой стали. Появление первых систематических описаний технологий химических производств (Г.Бауэр (или Агрикола), В.Бирингуччо, Б.Палисси, А.Нери, XV-XVII вв.). И. Р. Глаубер – алхимик и химик-технолог.

Роль алхимического периода для развития химии.

Становление химии как науки Нового времени (XVII-XVIII вв.)    Важнейшие открытия в области естествознания в XVI-XVII вв. Организация первых научных академий и обществ. Появление научной периодики и специализированной, химической периодики.

Механицизм эпохи научной революции XVII в. и возникновение научной химии. Возрождение атомистических (корпускуляристских) воззрений в работах Р.Декарта, П.Гассенди, Р.Бойля, И.Ньютона, М.В.Ломоносова в XVII-XVIII вв.

Проблема генезиса свойств веществ и ее решение в трудах Р. Бойля. Начало экспериментальной химии (анализ–синтез). Зарождение качественного химического анализа.

Изучение процессов окисления и горения в XVII в. (Ж.Рей., Р.Гук, Дж. Майов). Формирование концепции горения Г.Шталем. Флогистон и его круговорот в природе. Значение теории флогистона.

Развитие методов качественного и количественного анализа в XVIII в. Создание учения о химических реактивах. Исследования К.Шееле,  Т.Бергмана, С.А.Маргграфа.

О понятии "химия" в учебниках XVII-XVIII вв. (Н.Лефевр, Н.Лемери, Г.Тейхмейер, Г.Бургаве). Зарождение представлений о химическом сродстве.

Период пневматической химии. Деятельность Дж.Блэка,  Г.Кавендиша, Дж.Пристли, К.Шееле по открытию и изучению газов; их роль в подготовке химической революции А.Л.Лавуазье. Экспериментальные исследования Лавуазье; ниспровержение теории флогистона; основание кислородной теории. Первые попытки введения химической номенклатуры. Учение о простых телах. Элементаризм "нового типа".

Возникновение химической атомистики и утверждение атомно-молекулярного учения      

Закон постоянства состава. Полемика между Бертолле и Прустом.

Зарождение химической атомистики (на основе соединения корпускулярных теорий, в том числе античной атомистики, и концепции элементаризма А.Л.Лавуазье). Дж. Дальтон и его исследования атмосферы. Открытие закона простых кратных отношений. Атомные веса Дж.Дальтона, "сложные атомы". Основные положения химической атомистики.

Рождение первой научной гипотезы химической связи (нач. XIX в.). Открытие химического действия электрического тока. Работы Г. Дэви и Й.Я. Берцелиуса, дуалистическая теория.

Закон объёмных отношений газов (Гей-Люссак). Гипотеза Авогадро. Кризис понятия атомных весов и концепция эквивалентов У.Г.Волластона.

Закон Дюлонга и Пти. Изоморфизм (Э.Митчерлих). Новая таблица атомных весов Берцелиуса.

Понятия об атоме, молекуле и эквиваленте, введенные О.Лораном и Ш.Жераром. Вывод Д.И.Менделеевым математической формулы для определения молекулярного веса газообразных веществ по их относительной плотности  (1856). Работы С.Канниццаро по определению атомных весов и установлению формул неорганических соединений (1858).

Международный конгресс химиков в Карлсруэ (1860). Его основные решения и окончание споров о понятиях атом, молекула, эквивалент. Укрепление представлений об атомах и молекулах.

Неорганическая и аналитическая химия в XIX в. Открытие периодического закона.

Успехи неорганической химии в первой половине XIX века: открытия новых элементов, изучение минералов и т.д. Первые попытки систематизации элементов (Шанкуртуа, Дж.Ньюланд, И.Деберейнер, Одлинг, Л.Мейер). Д.И.Менделеев и его деятельность. Открытие Периодического закона (1869-1871), предсказание свойств еще не открытых элементов. Исправление атомных весов. Открытие галлия, скандия, германия и признание Периодического закона; его развитие (открытие лантаноидов, инертных газов, актиноидов).

Спектроскопическое открытие новых химических элементов. Завершение исследования группы редкоземельных элементов. Промышленное получение алюминия. Создание специальных сплавов. Новые методы получения солей, кислот и щелочей (производство серной кислоты от "камерного" до контактного способов; сода – развитие способа Н.Леблана, метод Э. Сольве).

Органическая химия в XIX в.

Рождение классической теории химического строения. Возникновение учения о валентности: взгляды Э.Франкланда, А.Кекуле. Новая химическая теория  А.Купера. Работы Г.Кольбе. Создание теории строения органических соединений (А.М.Бутлеров, 1861), ее развитие в трудах Бутлерова и его учеников (В.В.Марковников – учение о взаимном влиянии атомов, А.М.Зайцев и др.).

Возникновение стереохимии. Пастер: открытие молекулярной асимметрии. Идея тетраэдричности атома углерода, завершающая классическую теорию строения: гипотезы Я.Г.Вант-Гоффа и Ж.Ле Беля (1874).

Начало активного внедрения физических методов исследования веществ в органическую химию для определения их строения (оптическая спектроскопия, поляриметрия и др.)

Достижения органического синтеза (вторая пол. XIX в.).Развитие методов препаративного органического синтеза. М.Бертло и его идеи тотального синтеза. Развитие синтетических методов, основанных на восстановлении, окислении, конденсации (Г.Кольбе, Ш.Вюрц, А.Байер, Ш.Фридель и др.). Становление промышленного синтеза. Изучение химического строения природных красителей и их синтез (ализарин, индиго, пурпур – А.Байер и его школа). Синтез красителей нового типа (анилиновые, азокрасители – А.Гофман и его школа). Поиск и синтез взрывчатых веществ (А.Нобель и др.).

Развитие физической химии в XIX-XX столетии

О понятии и задачах физической химии.  Появление термина. Важнейшие открытия физико-химических явлений, относящихся к периоду до начала XIX века: труды Дж.Блэка, А.Л.Лавуазье и П.Лапласа и др. М.В.Ломоносов (XVIII в.) и преподавание физической химии;  его научный вклад в изучение солевых растворов; идея существования абсолютного нуля температуры.  

Расцвет физической химии во второй половине XIX века (работы Я.Вант-Гоффа, С.Аррениуса, В.Оствальда).  Физико-химическая школа В.Оствальда при Лейпцигском университете (1880-е гг.) и научный центр (Физико-химический институт, 1898). Формирование физической химии как самостоятельной области знания во второй половине XIX века. Институциональное оформление этой науки (учебные кафедры, специализированные институты), появление первых учебных пособий, периодических изданий.

Термохимия. Наблюдения положительных и отрицательных тепловых эффектов химического взаимодействия (XVIII в.). Первые калориметры. Введение понятия теплоемкости и теплоты плавления (Дж.Блэк.). Обратимость теплового эффекта (А.Л.Лавуазье, П.Лаплас). Закон атомной теплоемкости (П.Дюлонг и А.Пти, 1819). Начало формирования термохимии как самостоятельного научного направления исследований (Г.Гесс, 1830-1850). Тепловые эффекты как мера химического сродства. Принцип максимальной работы (Ю.Томсен, М.Бертло, 1854-1869) и его критика. Термохимические законы М.Бертло (1879). Усовершенствование  калориметров как основа прогресса термохимии (П.Фавр и И.Зильберман, Р.Бунзен, М.Бертло). Определение В.Ф.Лугининым теплот сгорания разных классов химических соединений; разработка им методик и приборов термохимических измерений.

Термохимия как экспериментальная база термодинамики.

Химическая термодинамика. Основание термодинамики как учения о способности теплоты производить механическую работу. С.Карно и его термодинамический метод. Установление закона сохранения энергии. Работы Р.Клаузиуса, В. Томсона.

Применение термодинамического метода к химическим процессам. Работы А.Ф.Горстмана. Представление о свободной и связанной химической энергии (Г.Гельмгольц, 1882).Объединение на базе термодинамики термохимии, электрохимии, теории химических равновесий и химического сродства (Я.Г.Вант-Гофф, 1884-1887). Термодинамическая система Дж.У.Гиббса (1876-1878). Введение понятия химического потенциала и правила фаз.

Освоение химической термодинамикой новых объектов исследований на рубеже XIX-XX вв.:  работы М.Планка, П.Дюгема, В.Нернста.

Метод активностей (Дж.Льюис, Н.Бьеррум, 1918, П.Дебай, 1924). "Тепловая теорема" Нернста (1906). Формулировка М.Планка (1911).

Переход от термодинамики равновесных процессов к термодинамике необратимых. Общие представления об истоках (Ж.Б.Ж.Фурье, А.Фик, Навье и Стокс) и формировании термодинамики неравновесных процессов. Соотношения взаимности Онзагера (1931).

Работы брюссельской школы термодинамики. Термодинамическая теория химического сродства в трактовке Т.де Донде. Вклад И.Р.Пригожина в термодинамику необратимых процессов (теорема и критерий Пригожина, 1950-ые гг.). Создание   концепции диссипативных структур. Разработка модели "брюсселятора" (1968), ставшего основой для  изучения химических осцилляторов. 

Исследования колебательных реакций. Открытие реакций в XIX в. (Г.Фехнер, 1828, Дж.Гершель, 1833, Р.Лизеганг и др.). Ячейки Релея-Бенара. Работы Брея (1921). К истории реакции Белоусова-Жаботинского (1950-60-ые). Изучение других осцилляторов: Брея-Либавского, Бриггса-Раушера.

Теория растворов. Разработка химической теории растворов (К.Л.Бертолле; взгляды Г.И.Гесса и А.Сент-Клер Девилля; работы Д.И.Менделеева, 1865-1887). Физическая теория растворов. Работы Я.Г.Вант-Гоффа по объяснению явлений осмоса и законов Рауля, создание им количественной теории разбавленных растворов (1885-1889). Важность работ Я.Г.Вант-Гоффа для обоснования теории электролитической диссоциации С.Аррениуса.

Теория электролитической диссоциации и углубление знаний о природе кислот и оснований. Работы В.Оствальда, Й.Н.Бренстеда, Г.Н.Льюиса. Корректировка теории Аррениуса. Создание теории сильных электролитов. Новые модельные представления о распределении и взаимодействии ионов в растворах (М.Борн, К.Фаянс, Л.Онсагер и др.).

Химическая кинетика. Развитие представлений о скоростях химических реакций. Основные этапы развития кинетики до 1864 г. Представление о прямых и обратных реакциях (К.Бертолле, 1803). Равновесие как динамический процесс. Математическое выражение скорости химической реакции (Л.Вильгельми, 1850). Основной постулат химической кинетики  (К.Гульдберг, П.Вааге, 1864).

Понятие константы скорости реакции, химическая динамика (Я.Г.Вант-Гофф, 1884). Температурная зависимость скорости реакции (С.Аррениус, 1889).

Развитие представлений об элементарных актах химических взаимодействий. Теория соударений (Траутц, 1916, В.Мак-Льюис, 1918). Теория абсолютных скоростей реакций, понятие активированного комплекса (Г.Эйринг, 1935, М.Эванс, М.Поляни, 1935).

Развитие учения о цепных процессах. Обнаружение критических параметров химических реакций в XIX в. Перекисная теория окисления (А.Н.Бах, Г.Энглер). Развитие фотохимических представлений на рубеже XIX-XX вв. Фотохимический закон Штарка-Эйнштейна (1908-1912). Понятие квантового выхода. Цепная теория скоростей фотохимических реакций М.Боденштейна (1913). Идея участия радикалов в цепных процессах (И.Христиансен, 1921-1928). Создание теории разветвленных цепных реакций (Н.Н.Семенов, 1926-1928, С.Хиншельвуд, 1928). Ее развитие школой Н.Н.Семенова (В.Н.Кондратьев, Ю.Б.Харитон, Я.Б.Зельдович и др.).

Развитие представлений о катализе 

Кризисные точки истории катализа. Й.Я.Берцелиус и зарождение катализа (первая метафизическая теория катализа, 1835). Разработка физической и химической теорий катализа. Кинетический аспект каталитических явлений (работы В.Оствальда и его школы). Теория промежуточных соединений. Активные центры катализа (Х.Тейлор, 1926). Разработка А.Баландиным мультиплетной теории (1929). Теория ансамблей. Электронная теория катализа (Хауффе, Волькенштейн, 1960).

Основные направления развития химии в ХХ столетии     

Возникновение радиохимии и изучение строения атома. Открытие радиоактивности. Исследования М. Склодовской и П. Кюри, открытие новых радиоактивных элементов. Работы Э.Резерфорда и Ф.Содди. Радиоактивность и Периодический закон. Первые модели строения атома (У.Томсон, Э.Резерфорд, Н.Бор). Открытие нейтрона (Дж.Чедвик). Искусственная радиоактивность (И. и Ф. Жолио-Кюри). Синтезы короткоживущих элементов.

Возникновение и развитие химии высокомолекулярных соединений. Изучение природных полимеров, появление представлений о макромолекулах. Развитие теоретических представлений, изучение свойств, синтезы полимеров. Представления о строении, форме и физической "упаковке" полимерных молекул (Г.Штаудингер, Г.Марк). Общая теория полимеризации (П.Флори). Стереорегулярная полимеризация (К.Циглер, Дж.Натта, А.А.Коротков, Б.Долгоплоск). Промышленный синтез полимеров в ХХ в.

Изучение биологически активных соединений. Открытие и изучение витаминов, антибиотиков, белков, нуклеиновых кислот, ферментов и т.д. Развитие теоретических представлений в органической химии (конформационный анализ, таутомерия и т.д.). Важнейшая особенность – "биологическая", биоорганическая направленность (изучение фотосинтеза, биоэнергетики, химических основ жизни, расшифровка генетического кода, создание новых лекарств и изучение механизма их действия и т.д.).

Развитие представлений о химической связи. Химическое сродство (нач. XIX в.), учение о парциальных валентностях (И.Тиле). Координационная теория Вернера. Открытие электрона и возрождение идеи электростатической связи (Дж.Дж.Томсон, И.Штарк). Электронные представления о валентности (Р.Абегг, Г.Бодлендер). Способность к ионизации и сродство к электрону. Теория атома Н.Бора и основывающиеся на ней теории химической связи (В.Коссель, Г.Льюис, 1916; И.Лэнгмюр, 1919). Квантово-химические представления в теории химической связи (методы МО, ЛКАО и их комбинации; Р.Малликен, Р.Хоффман и др.). Идея образования пи-комплексов. Открытие пи-комплексных соединений.

Общая характеристика возникновения и развития основных исследовательских  и аналитических методов XX века: оптической спектроскопии, рентгеноструктурного анализа, химической радиоспектроскопии, хроматографии, электрохимических методов (кулонометрии, потенциометрии со стандартными и специальными электродами, полярографии).

Новые направления химии в ХХ столетии, новые подходы к изучению вещества. Супрамолекулярная химия, элементоорганическая химия, изучение новых классов и состояний вещества (фуллерены, ВТСП и др.), изучение веществ в экстремальных и критических состояниях (лазерная химия, радиационная химия, химия веществ при СВД, криохимия). Развитие теоретических и расчетных методов (в частности, QSAR). Компьютерное моделирование как метод исследования (расчетное воссоздание системы, или ее свойств). Возрастание роли инструментальных методов исследования и синтеза веществ. Коллективный характер современной науки.

Химия в системе естественных наук в ХХI столетии (взаимосвязь с другими дисциплинами естественного цикла; тенденция последних десятилетий – точки наиболее быстрого роста на стыке наук, междисциплинарные исследования).

Национальные и международные организации химиков (РФХО-ВХО-РХО, АХО, ИЮПАК и др.).

К.х.н. Т.В.Богатова,
к.х.н. Е.А.Зайцева (Баум)