Следующий этап в развитии химии (начало XIX в.) связан с именем английского химика Дж. Дальтона, который ввел в научный обиход понятие атомного веса. Дж. Дальтон является создателем теории атомного строения, или химической атомистики, которая позволила решить многие проблемы химии того времени. В 1803 г. Дж. Дальтон составил первую таблицу относительных атомных масс водорода, азота, углерода, серы и фосфора, приняв за единицу атомную массу водорода, а в 1804 г. предложил таблицу элементов в соответствии с их относительными атомными массами. Исследования химического состава газов позволили Дж. Дальтону сформулировать закон кратных отношений – один из фундаментальных законов химии. Закон кратных отношений утверждает, что массы двух химических элементов в любых возможных соединениях относятся друг к другу как целые числа.
В начале XIX в. ученые начинают использовать понятие «молекулы». Молекула – это устойчивая совокупность атомов, способная к самостоятельному существованию. Поскольку молекула может быть образована разными атомами, постольку ее свойства отличаются от свойств входящих в нее атомов. Именно молекулы определяют свойства вещества, поэтому молекулу, а не атом следует рассматривать в качестве «единицы» вещества. Дж. Дальтон еще не делал различия между молекулами и атомами, называя молекулы «сложными атомами», однако уже в 1811 г. итальянский ученый А. Авогадро предложил молекулярную теорию строения вещества, в которой были обобщены и систематизированы накопленные к тому времени экспериментальные данные. А. Авогадро предложил метод определения молекулярных масс, с помощью которого впервые вычислил атомные массы кислорода, углерода, азота, хлора и ряда других элементов.
На основе молекулярной теории А. Авогадро в середине XIX в. была разработана теория химического строения, согласно которой свойства вещества определяются порядком связей атомов в молекулах. Химическая связь образуется в результате обменного взаимодействия электронов, которые связаны с ядром атома наименее прочно. Электроны, участвующие в обменном взаимодействии, называются валентными. Валентностъ – способность атомов одного химического элемента соединяться с определенным количеством атомов другого химического элемента.
Впервые связь между валентностью и структурой химического вещества была установлена немецким химиком Ф. Кекуле, который в 1857 г. высказал идею о том, что число атомов одного элемента, связанных с одним атомом другого элемента, зависит от «основности» (валентности). Все элементы Ф. Кекуле разделил на одно-, двух– и трехвалентные, он также обосновал четырехвалентность углерода. В истории науки Ф. Кекуле известен и тем, что в 1865 г. открыл циклическую структурную формулу молекулы бензола, которую увидел во сне в виде змеи, кусающей свой хвост.
Немалая заслуга в развитии представлений о строении химических веществ принадлежит русскому ученому А.М. Бутлерову. Впервые свою концепцию А.М. Бутлеров представил в 1861 г. на 36-м съезде немецких естествоиспытателей и врачей, в докладе «О химическом строении вещества». Согласно концепции русского ученого, природа сложной частицы определяется природой ее составных частей, их количеством и химическим строением. От химического строения зависят те реакции, в которых участвует вещество. Термин «химическое строение» А.М. Бутлеров применил для обозначения порядка межатомных связей в молекулах, который может быть выражен структурной формулой. Он сделал вывод о том, что различие веществ, обладающих одинаковым составом, можно объяснить только различием их химического строения. А.М. Бутлеров подчеркивал, что по строению молекул можно предвидеть свойства химического вещества. Таким образом, в конце XIX в. ученые пришли к выводу, что свойства веществ зависят не только от входящих в них химических элементов, т. е. от состава, но и от структуры, которая определяется способом взаимодействия между этими элементами. Теория химического строения вещества А.М. Бутлерова стала одним из оснований современной органической химии, а его идеи развивались многочисленными учениками и последователями.
Научная революция в химии связана с именем другого русского ученого – Д.И. Менделеева, который в 18б9 г. предложил периодическую систему химических элементов.
Периодическая система, оформленная в виде таблицы, упорядочивала все многообразие известных к тому времени химических элементов и позволяла предсказывать новые. Д.И. Менделеев расположил все элементы в соответствии с возрастанием их атомного веса и показал, что таким образом складывается четкая система. Д.И. Менделеев сформулировал следующий закон: свойства элементов находятся в периодической зависимости от величины их атомных весов. Позже было установлено, что свойства элементов зависят не от атомного веса, а от заряда ядра атома, атомный же вес является средним арифметическим от масс изотопов элементов, которые имеют общий заряд ядра, но отличаются по массе. Современная формулировка периодического закона такова: свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от заряда их атомных ядер, заряд ядер совпадает с номером элемента в периодической системе. Периодическая система Д.И. Менделеева стала той объединяющей концепцией, которая позволила не только систематизировать, но и объяснить весь накопленный к концу XIX в. эмпирический материал, и стала прочной основой современной теоретической химии.
Развитие химии в XX в. привело к возникновению ряда относительно самостоятельных областей исследования. Так, в современной химии, с одной стороны, продолжается изучение состава веществ в зависимости от входящих в него химических элементов, а с другой – изучается зависимость свойств веществ от их структуры. Эти два направления современной химии непосредственно связаны с теми исследованиями, которые проводились на протяжении XVIII–XIX вв. Кроме того, в химии XX в. обсуждаются и новые проблемы. Одна из них – выяснение условий и внутренних механизмов протекания химических процессов и способов управления ими. Это очень перспективная и практически значимая сфера исследований, поскольку дальнейшие открытия в этой области позволяют создавать разнообразные химические соединения с заранее заданными свойствами. На сегодняшний день известно около 14 млн химических соединений и ежегодно синтезируется до 250 новых.
Самым новым разделом химии является так называемая эволюционная химия, возникновение и самоопределение которой стало следствием проникновения в естествознание идей и принципов эволюционной теории. Главным предметом изучения в эволюционной химии является химогенез, который рассматривается как неотъемлемая часть эволюционных процессов на нашей планете, начиная от космоге-неза и заканчивая антропосоциогенезом (5.2, 5.3). Эволюционная химия утверждает, что на протяжении длительного времени происходил отбор химических элементов по тем свойствам, которые давали преимущество при переходе на более высокий уровень организации материи – биологический. Химическая эволюция обеспечивала переход от химогенеза к биогенезу, поэтому понимание ее механизмов важно для прояснения проблемы происхождения жизни на Земле (5.2, 5.3) и процессов самоорганизации материальных систем (7.2).
Развитие химии в XX в. шло по линии возрастания диф-ференцированности внутри комплекса химического знания. Этот процесс привел к разделению на неорганическую и органическую химию и созданию аналитической и физической химии, возникновению целого ряда междисциплинарных исследований, которые со временем обрели самостоятельный научный статус (космохимия, геохимия, агрохимия, биохимия и др.). Наиболее интересные открытия в XX в., имеющие отношение к развитию химического знания, были осуществлены на стыке химии и других естественно-научных дисциплин. В соответствующих темах данного курса мы рассмотрим их более подробно (3, 4, 5).
2.5. Биология в XVI–XIX вв
Антропоцентризм эпохи Возрождения дал толчок развитию биологического познания, а точнее, одной из его областей – медицины. Интерес к человеческой природе, а затем и ко всему миру живого в XVI–XVII вв. способствовал быстрому накоплению эмпирических знаний и становлению биологии как описательной дисциплины. В это время развивались в основном прикладные сферы биологического знания: медицина, цветоводство и садоводство, коневодство и т. п. Накопленный эмпирический материал нуждался в упорядочивании и систематизации. Эту задачу выполнила биология XVIII в. Так, К. Линней создал первую классификацию живых организмов, в которую входили 4 тыс. видов животных и 10 тыс. видов растений.
Для объяснения такого многообразия живых организмов уже в науке XVIII в. были выдвинуты различные концепции. ж. Бюффон предложил идею трансформации видов, которая подготовила почву для первой теории эволюции органического мира ж. Б. Ламарка. Эмпирической базой концепции ж. Б. Ламарка послужили данные о существовании таких разновидностей живых организмов, которые занимали промежуточное положение между двумя видами, о явлениях гибридизации, ископаемых формах живых организмов и т. п. ж. Б. Ламарк утверждал, что изменение биологических видов происходит благодаря прямому влиянию окружающей среды и приспособлению к ней живых организмов. Приспособление осуществляется путем изменения органов тела в результате тренировки. Именно тренировка органов тела является, по мнению ж. Б. Ламарка, основным фактором эволюции и причиной целесообразности в живой природе.
