История науки (химические науки)

История науки (химические науки)

Логина Н. В.

Данное пособие может быть использовано при изучении дисциплин «История и методология науки» и «Философские проблемы естествознания» студентами 5 курса всех направлений магистратуры, а также аспирантами.

Содержание

Наука как составляющая цивилизационного процесса. Историческое многообразие форм науки. 1

Зарождение и развитие химического.. 5

искусства с древнейших времен.. 5

Античные представления о веществе. 8

Химические знания в эпоху Средневековья. 13

Начало формирования химии как науки в XVII в. 18

Теория флогистона.. 22

«Химическая революция» XVIII в. 23

Атомистическая теория Дальтона.. 27

Химическая атомистика в XIX в. 30

Представления о строении органических молекул. 33

Физикализация химии в конце XIX – первой половине XX вв. 35

Физическая химия. 41

Особенности и тенденции развития химии в XX в. 43

Литература.. 51

Наука как составляющая цивилизационного процесса. Историческое многообразие форм науки.

Наука – одна из определяющих подсистем культуры, форма общественного сознания, направленная на получение и систематизацию знаний об объективной реальности, деятельность по выработке нового знания и результат этой деятельности.

Наука как исторически развивающаяся система знаний о свойствах и отношениях изучаемых объектов, каковыми являются природа, человек и социокультурная среда его обитания, прошла такой же эволюционный путь, что и человечество – от простейших состояний к сложным. О времени возникновения науки существует несколько точек зрения.

- Как опыт практической деятельности людей наука началась почти 2 млн. лет назад, когда человек стал приобретать и передавать практические знания;

- как доказательный вид знания, который отличался от мифологического мышления и культуры традиционных обществ, наука появилась в Древней Греции в V веке до н. э;

- наука появилась в период позднего Средневековья. Здесь высокая значимость опытного знания была осознана в творчестве английских церковных деятелей Р. Гроссета и Р.Бэкона;

- наука возникла в конце XVI - XVII вв., когда появились труды И. Кеплера, Г. Галилея, И. Ньютона и др. (самая распространенная точка зрения). Построение математических моделей объектов, эмпирические результаты экспериментов, мысленные обобщения выступают основными признаками науки. В это время возникает первое научное объединение ученых – Лондонское королевское общество, т.е. создаются социальные условия науки;

- наука появилась в конце первой трети ХIХ в., когда на основе общей научно-исследовательской программы объединились и совместились научно-исследовательская деятельность и высшее образование (точка зрения немецких естествоиспытателей В. Гумбольдта и Ю. Либиха).

Все эти точки зрения раскрывают особенности эволюции науки. Собственно наука как специфический вид деятельности, связанный с теоретическим знанием, возникла в V в. до н.э., а как полноценное социально-духовное образование – с XVII в., когда научный способ мышления стал достоянием естествознания (становление эксперимента как метода изучения природы, соединение математического метода с экспериментом и формирование теоретического естествознания).

В процессе формирования и развития научного знания можно выделить стадии, которые соответствуют историческому многообразию форм науки:

- кумуляция знаний с древнейших времен и древняя восточная преднаука;

- античная наука;

- средневековая наука;

- новоевропейская классическая наука;

- неклассическая наука;

- постнеклассическая наука.

Накопление донаучных рациональных знаний о природе началось еще в первобытную эпоху и эпоху первых цивилизаций Древнего Востока. Познавательная деятельность, духовное освоение мира – важнейшие обстоятельства, которые окончательно вырвали человека из-под влияния биологических факторов эволюции.

Процесс первоначального познания был двухуровневым, что отвечало сознанию человека традиционного общества. Первый – уровень обыденного, повседневного, стихийно-накапливающегося знания. Второй – уровень мифотворчества как некоторой «доисторической» формы систематизации обыденного повседневного знания. Для каждого из них характерны подчиненность практическим потребностям, рецептурность знания, эмпирический характер его происхождения и обоснования, кастовость и закрытость «научного» сообщества (производство и передача знаний в культуре, например, Древнего Востока, закреплялись за кастой жрецов и чиновников и носило авторитарный характер).

Складывающаяся в древнегреческом мире наука (V-IV вв. до н.э.) явилась результатом длительного развития познавательной деятельности в предшествующий исторический период и эпоху первых цивилизаций Древнего Востока. Ее характерными чертами являются: теоретичность (источник научного знания – мышление), логическая доказательность, независимость от практики, открытость критике, демократизм.

Сущностные черты средневековой науки – теологизм, обслуживание социальных и практических потребностей религиозного общества, схоластика, догматизм. Научные истины («истины разума») имели более низкий статус по сравнению с религиозными истинами («истинами веры»). Алхимия, астрология, религиозная герменевтика выступают парадигмальными образцами средневековой науки.

В эпоху Возрождения и Новое время возникает новая форма научного знания – классическая наука. Основаниями ее являются: антителеологизм, детерминизм, механицизм; в области познания – эксперимент, математическая модель объекта, дедуктивно-аксиоматический способ построения теории. Создаются научные и учебные заведения нового типа. Усиливается связь науки с производством. Растет практическая значимость научного знания. Наука превращается в непосредственную производительную силу. В конце XVIII – первой половине XIX столетия возникает дисциплинарная организация науки.

С кризисом основ классического научного знания (конец XIX – начало XX в.) связано начало качественно нового этапа в историческом развитии науки – неклассической науки, основанной на фундаменте релятивизма (пространства, времени, массы), индетерминизма (фундаментальных взаимосвязей объектов), статистичности, системности, структурности, организованности, эволюционности систем и объектов.

Гносеологическими и методологическими особенностями неклассической науки являются субъект-объективность научного знания, вероятностный характер научных законов и теорий, частичные верифицируемость научного знания, отсутствие универсального научного метода, интуиция. Неклассический этап развития науки завершается в 70-е гг. XX в.

В 80-е гг. XX в. формируется парадигма «постнеклассической» науки, преимущественным предметом исследования которой являются сверхсложные системы, включающие человека в качестве существенного элемента своего функционирования и развития. Основой этой формы научного знания является: системность, структурность, органицизм, нелинейный (многовариантный) эволюционизм, телеологизм, антропологизм, методологический плюрализм, конструктивизм, экологическая и гуманистическая ценность научной информации.

К двадцатому столетию сложилась следующая система наук:

- естественные науки (естествознание) – система научного знания о природе;

- технические науки – система научного знания о технических системах, науки ориентированные на реализацию естественно-научного знания.

- социальные и гуманитарные науки – система научного знания о человеке и обществе, социокультурной среде его обитания.

Зарождение и развитие химического

Теория флогистона

Для химии конца XVII - начала XVIII вв. характерно возрастание интереса к экспериментальным работам и отдаление от умозрительных концепций. Область химических исследований расширилась: началось интенсивное изучение состава и свойств веществ минерального и растительного происхождения. Возрастающее количество эмпирических фактов вызывало необходимость их систематизации, которая в первую очередь предполагала установление общих черт, характерных для анализируемых объектов или процессов. Важное место в химических исследованиях заняли реакции горения и обжига тел на воздухе.

В начале XVIII столетия задача систематизации процессов, связанных с горением, и сведение их к общему принципу, была решена в теории флогистона – фактически первой химической научной теории Нового времени. Эту теорию развил немецкий химик и врач Г. Э. Шталь. Основой теории Шталя была идея о наличии во всех горючих веществах общего компонента – флогистона (от греч. «воспламеняющийся»), который исчезает в процессе горения. На многочисленных опытных примерах Шталь доказывал способность флогистона передаваться от одного вещества к другому. Теория флогистона объединила в определенную систему известные к тому времени разрозненные факты химии, охватив обширный круг важнейших химических процессов (горение, окисление, восстановление и др.). Внешне очень разные реакции удалось свести к общему представлению о присоединении или выделении флогистона. Флогистон рассматривался и как вещественные частицы огня, и как огненная материя, соединенная со стихийной землей, и как соединение теплотворного вещества со световым и т.п.

Теория флогистона очень показательна в плане понимания особенностей химического мышления своего времени, состоявших в переходе от традиционного (алхимического и натурфилософского) восприятия веществ и их превращений к научному мышлению. С одной стороны, теория была принята несмотря на то что флогистон не отождествлялся с каким-либо реальным веществом, с другой стороны, уже ощущалась необходимость соответствия теории эксперименту. Так, М. В. Ломоносов выступил против распространенных в науке представлений о теплороде, или «огненной материи». Опираясь на разработанное им атомно-молекулярное учение, он разработал механическую теорию тепла и нашел новые аргументы в пользу принципа сохранения веса вещества и сохранения движения. На базе этого он сформулировал новые задачи химии как науки в противовес определениям своих современников, рассматривавших химию лишь как искусство.

В середине XVIII в. сторонниками теории Шталя предпринимались многочисленные попытки изолировать флогистон. Особый интерес в этот период вызывала пневматическая химия (химия газов). С 1750 по 1775 гг. химия обогатилась открытием различных форм воздуха (газообразных веществ), среди которых так и не было найдено вещества, идентичного флогистону. Развитие пневматической химии и аналитических исследований во второй половине XVIII в. оказало определенное влияние на представление химиков об элементах. Различные виды первоэлементов (например, несколько видов земли или несколько видов воздуха) свидетельствовали об укреплении представления о них как о химически индивидуализированных веществах, а не понимании их как элементов-качеств. Химики постепенно приходили к разграничению понятий элемент и соединение, т.е. к мысли о существовании различных неразложимых на какие-либо компоненты и не трансмутируемых друг в друга элементов, сочетание которых образует химические соединения и обусловливает их свойства.

Расширение объектов химического исследования во второй половине XVIII в. привело к открытию настолько большого количества самых разнообразных экспериментальных фактов, что они уже не могли быть систематизированы в рамках теории флогистона. Ведущую роль здесь сыграли возникновение химии газов и постановка вопроса о весовых соотношениях. Теоретическое переосмысление химической информации в конце XVIII в. привело к опровержению флогистики и созданию новой системы представлений о химических веществах и их превращениях.

«Химическая революция» XVIII в.

Глобальные изменения во взглядах на химические явления, которые стали результатом работ французского ученого А. Лавуазье, в историко-химической литературе традиционно называют химической революцией. Это многогранное явление включает в себя такие важные составляющие, как замена теории флогистона кислородной концепцией горения, пересмотр принятой системы составов химических веществ, переосмысление концепции химического элемента и формирование представлений о зависимости свойств веществ от их качественного и количественного состава, а также другие аспекты.

В начале 1770-х гг. А. Лавуазье взялся за выполнение обширной программы исследований с целью анализа и систематизации известных эмпирических фактов о превращении веществ. Подход к этим работам может быть назван физико-химическим, поскольку его отличало последовательное применение экспериментальных методов и теоретических представлений физики того времени.

Лавуазье начал систематически использовать точное взвешивание для определения количеств веществ в химических реакциях. Важно, что, в отличие от своих предшественников, Лавуазье взвешивал все участвующие в химическом процессе вещества, в т.ч. газообразные, основываясь на общем положении о сохранении суммарного веса взаимодействующих веществ. Т.е. его количественный метод базировался на аксиоме сохранения материи – фундаментальном положении классического естествознания, которое высказывалось еще в древности. Лавуазье определял количественно не только вес, но и различные физико-химические характеристики исходных веществ и получаемых продуктов реакции (плотность, температуру и т.п.). Измерение количественных параметров в перспективе давало возможность выяснить детальный механизм химических превращений, уже изученных с качественной стороны. Лавуазье выполнил весовое исследование многих химических процессов, проведенных ранее другими химиками. Это позволило ему выяснить причину увеличения веса веществ при обжиге и в конечном итоге прийти к понимаю сущности горения, принципиально отличному от принятого в теории флогистона. Основные положения кислородной теории горения были сформулированы в 1777 году. Согласно этой теории горение может происходить только в кислороде, и при этом происходит выделение света и огня. Вес сгоревшего вещества увеличивается точно на количество поглощенного воздуха.

Важную роль в укреплении новых теоретических взглядов сыграло установление химического состава углекислого газа и воды. Эксперименты Лавуазье привели к глобальным изменениям во взглядах на всю систему составов химических соединений. До этого в химии воздух, вода, кислоты, окислы металлов считались простыми телами, а металлы, сера, фосфор – сложными. Явления горения и окисления рассматривались как отделение флогистона (т.е. как упрощение вещества), восстановление же считалось процессом усложнения. К концу XVIII в. благодаря работам Лавуазье было принято, что флогистона не существует, воздух представляет собой смесь двух газов (кислорода и азота), вода, кислоты и окислы металлов являются сложными телами, а сера, фосфор и металлы не поддаются разложению.

В методологическом плане важным результатом переворота в химии, произведенного работами Лавуазье, было изменение содержания понятия «химический элемент». Элементы стали рассматриваться не как предсуществующие в объекте продукты его разложения, а как тот последний предел, до которого вещества могут быть разложены в принципе. Элементы стали мыслиться как материальные, определяемые аналитическим путем фрагменты состава, неразложимые на качественно новые образования и сохраняющиеся в процессе любых химических превращений сложных тел, которые они составляют. В работах Лавуазье был предложен критерий предела разложимости тела (его элементарности), в основе которого лежал весовой метод анализа. При этом полагалось, что каждое качественно определенное вещество имеет всегда точно определенный и свойственный только ему количественный состав.

В сочинении «Начальные основания химии» (1879 г.) А. Лавуазье систематически изложил основы новой химии и предложил классификацию химических элементов и их новую номенклатуру. «Таблица простых тел» была, по существу, первой классификацией химических элементов. В нее вошли как реальные химические элементы, так и те соединения, которые тогда не могли быть разложены.В «Таблице» в качестве элементов также фигурируют два начала, теплород и светород, которые, как осознавал Лавуазье, не имеют веса, но появление которых постоянно связано с химическими изменениями. Отнесение тепла к элементам явилось следствием распространенных в то время в физике взглядов на природу теплоты, получивших название теории теплорода.

Известные французские химики К. Бертолле, Л. Гитон де Морво, А. Фуркруа совместно с А. Лавуазье разработали новую химическую номенклатуру. Преобразование химического языка имело целью дать каждому веществу определенное название, характеризующее его химическую функцию и состав (до этого одно вещество могло иметь очень много названий, часто даваемых случайно). В новой номенклатуре каждое вещество рассматривалось с точки зрения его общих (например, кислота) и конкретных (например, серная) свойств, определяемых на основании данных об элементном составе. Такая номенклатура облегчала обмен химической информацией, и хотя в дальнейшем она неоднократно подвергалась изменениям, ее основные принципы сохранились до сих пор.

Еще один аспект переворота в химии конца XVIII в. связан с получением в работах Лавуазье и его последователей экспериментального обоснования закона сохранения элементов в химических реакциях и закона сохранения массы вещества. Эти законы явились основой для составления химических уравнений.

К концу XVIII в. большинство ученых стало придерживаться научных представлений, выработанных Лавуазье. Это завершило период формирования химии как самостоятельной науки. Принятые «элементаристские» представления о веществах и происхождении их свойств открыли путь для возникновения химической атомистики, которая привела к формированию нового научного химического мировоззрения.

Физическая химия

Проникновение физических теорий в химию в конце XIX в. затронуло не только вопросы структуры атомов и молекул, но и объяснение химических процессов. В это время оформилось направление, получившее название физической химии, которая (в дополнение к квантовой химии) стала своего рода теоретической базой химической науки. Поскольку большинство открытых в конце XIX – начале XX вв. физических закономерностей сохранили свое значение до настоящего времени, они составляют основу современной физической химии.

Физическая химия стала развиваться в разных направлениях. Некоторые работы в области физической химии проводились уже в конце XVIII – начале XIX вв. В 1850-е – 60-е гг. в работах Л. Вильгельми, Р. Бертло развивалось учение о скоростях химических реакций и о равновесии. В 1867-74 гг. австрийский физик Л. Пфаундлер изучал кинетику химических процессов. В 1889 г. шведский химик С. Аррениус развил теорию активных молекул и ввел в химию понятие энергии активации. Голландский химик Я. Вант-Гофф дал классификацию реакций по их порядку, т.е. по числу взаимодействующих молекул. К учению о кинетике примыкает и учение о катализе. В первой половине XIX в. Я. Берцелиус предложил называть «каталитической силой» способность некоторых веществ влиять на ход химической реакции. Основу современного учения о катализе создал немецкий химик В. Оствальд. Важные работы в области катализа в ХХ в. были сделаны П. Сабатье, Г. Бредигом, В. Н. Ипатьевым, Н. Д. Зелинским и др. В начале ХХ в. серьезным стимулом для изучения каталитических процессов стало их промышленное использование.

Одновременно с кинетическим развивались термохимическое и термодинамическое направления физической химии. Важную роль в развитии химической термодинамики сыграли работы 1860-70-х годов Р. Клаузиуса и В. Томсона (Кельвина), которые развили динамическую теорию теплоты и сформулировали первое и второе начала термодинамики.

Проблемы химического равновесия рассматривались в работах Д. Гиббса, Я. Вант-Гоффа, А. Ле Шателье. В 1906-1911 годах немецкий химик В. Нернст разработал концепцию, получившую название тепловой теоремы Нернста, или третьего начала термодинамики.

Важное место в физической химии заняли разделы, связанные с электрохимией, и учение о растворах. Одним из наиболее важных и интересных в методологическом плане достижений в этих областях в конце XIX – начале XX вв. стала теория электролитической диссоциации С. Аррениуса, к созданию которой привел целый ряд предварительно найденных закономерностей. Впоследствии под влиянием взглядов В. Оствальда было сформировано основанное на теории электролитической диссоциации важное представление о кислотах и основаниях.

В некоторых историко-химических работах период конца XIX в., сменивший период учения о структуре веществ, называется периодом учения о реакциях. Наиболее существенный вклад в это учение внесла именно физическая химия. Изучая влияние на химические реакции физических параметров (температуры, давления, концентрации), физическая химия дала возможность исследовать механизм всякого химического изменения и позволила заранее установить наиболее благоприятные для его проведения условия (что было невозможно до возникновения соответствующего теоретического аппарата). Использование физических и математических моделей химических явлений и процессов придало химическому мышлению большую способность к абстрагированию и развило методологию мысленного эксперимента. Значительная польза была принесена промышленности, так как физико-химические теории позволили во многих случаях заранее рассчитать наиболее экономичные пути осуществления промышленных процессов (контактного способа получении серной кислоты, синтеза аммиака и др.).

Литература

1. Азимов А. Краткая история химии. Развитие идей и представлений в химии. – Спб.: Амфора, 2002. – 269 с.

2. Будрейко Н. А. Философские вопросы химии. – М.: Высшая школа, 1970. – 336 с.

3. Быков Г. В. История органической химии. Открытие важнейших органических соединений. М.: Наука, 1978 – 379 с.

4. Возникновение и развитие химии с древнейших времен до XVII в. Всеобщая история химии. – М.: Наука, 1980. – 399 с.

5. Джуа М. История химии. – М.: Мир, 1975. – 477 с.

6. Зефирова О. Н. Краткий курс истории и методологии химии. – М.: Анабасис, 2007. – 140 с.

7. Кузнецов В. И. Диалектика развития химии (от истории к теории развития химии). – М.: Наука, 1973. – 327 с.

8. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. – М.: Гардарики, 2003. – 476 с.

9. Соловьев Ю. И., Трифонов Д. Н., Шамин А. Н. История химии. Развитие основных направлений современной химии. – М.: Просвещение, 1984. – 335 с.

10. Становление химии как науки. Всеобщая история химии. – М.: Наука, 1983. – 464 с.

11. Фигуровский Н. А. Очерк общей истории химии. – М.: Наука, 1969. – 455 с.

12. Штрубе В. Пути развития химии: в 2-х томах. – М.: Мир, 1984. – 517 с.

история науки (химические науки)