Особенности и тенденции развития химии в XX в.

Химия XX в. характеризуется наличием особого теоретического фундамента – атомно-молекулярных представлений, основанных на квантово-механической модели атома. Наличие такой базы существенно повысило роль теоретической химии в XX столетии по сравнению с предыдущим этапом развития этой науки. Создание принципиально новых (квантово-химических и физико-химических) концепций сделало возможной количественную оценку реакционной способности веществ и количественную характеристику особенностей протекания их химических превращений, что привело к значительной интенсификации взаимодействия теории и эксперимента.

Широкое применение физико-математического аппарата в химии XX в привело к возрастанию роли моделирования в этой науке. Использование моделей воспроизводящих в той или иной степени точности некую реальную систему, сделало возможным получение информации о процессах, происходящих в сложных объектах, на объектах более простых. Во второй половине XX в. широкое распространение получило компьютерное моделирование, т.е. компьютерное воспроизведение химического процесса.

Метод моделирования (и качественный и, особенно, количественный) оказался чрезвычайно плодотворным благодаря его способности обеспечить прогнозирование эксперимента, т.е. предсказать оптимальные условия и способы проведения реакции, а также свойства получаемого вещества. Усиление предсказательной способности химии XX в. привело к важной особенности – смещению акцента в химических исследованиях с синтеза просто вещества на синтез вещества с заранее с заданным комплексом свойств. Определенную роль в этом сыграл и внешний фактор – недостаточность природных веществ для целей практического использования и потребность в синтетических материалах с определенными свойствами (синтетических волокнах, искусственных красителях, специфических удобрениях, лекарствах и пр.).

Прогресс химии XX в. во многом определили физико-химические и физические методы исследования вещества, что особенно характерно для второй половины XX столетия. Появление и развитие таких методов, как рентгеноструктурный анализ, масс-спектрометрия, методы электронного парамагнитного резонанса, ядерного магнитного резонанса, ИК спектроскопии и других привнесло не просто экспериментальное усовершенствование, а качественно новый аспект в химическое исследование – возможность определить пространственную структуру молекулы. Эта возможность оказалась определяющей для развития химии, поскольку свойства вещества зависят от строения его молекул. Появление физических методов исследования вещества способствовало тому, что микросистемы стали объектом особого внимания в химической науке XX в.

Ряд важных особенностей химии XX столетия является следствием процессов, характерных для всех областей естествознания этого периода. Наиболее заметным из них является значительное расширение областей научных исследований, которое проявилось в процессах интеграции и дифференциации наук.

Взаимодействие химии с другими естественными науками привело к возникновению целого ряда пограничных областей. Так, физическая химия фактически представляет собой результат интеграции физики и химии. Самостоятельными науками стали биохимия, геохимия и др.

Дифференциация химической науки XX столетия проявилась в возникновении отдельных ветвей химии – неорганической, физической, органической и др., каждая из которых приобрела признаки независимой науки. Разделение различных направлений химии было основано как на методах (например, лазерная химия, химия высоких давлений, комбинаторная химия) так и на объектах исследования (нефтехимия, химия полимеров и др.). В XX в. возникло довольно много новых направлений в химии, потребовавших специфического теоретического аппарата (радиохимия, медицинская химия и др.). В рамках процесса разделения химической науки на отдельные дисциплины следует отметить размывание границ между ними и условность отнесения ряда исследований (например, исследований элементоорганических веществ или координационных соединений с органическими лигандами) к тому или иному разделу.

Одним из важнейших результатов интеграции химии с другими дисциплинами стало появление во второй половине XX в. новой тенденции в ее развитии. Эта тенденция проявилась в определяющем значении биологических и экологических проблем в химических исследованиях и явилась следствием быстрого прогресса биологических дисциплин во второй половине XX в.

Для развития науки в XX столетии вообще, и, в частности, химии характерны некоторые так называемые внешние особенности. Они проявились в том, что исследования в этот период стали проводиться в рамках институтов, как, правило, не единичными исследователями, а (особенно во второй половине XX в.) большими группами исследователей. Существенно возросла роль информационного фактора – увеличилось количество периодических изданий, конференций и пр., способствующих быстрому обмену информацией и прогрессу химической науки. К концу XX столетия химия стала представлять собой громадный конгломерат научно-исследовательских разработок и мощной химической индустрии.

В XX в. различные разделы физической химии получили дальнейшее развитие, и некоторые из них (химическая кинетика, коллоидная химия, электрохимия и др.) стали обширными научными дисциплинами, выходящими за рамки классической физической химии.

Так, в 1930-х гг. в работах русского физика и химика Н.Н. Семенова и американского химика С. Хиншелвуда были созданы (и подтверждены экспериментально) основы теории разветвленных цепных реакций.

Работы Д. Ч. Поляни, Д. Р. Хершбаха и др. способствовали развитию нового направления в области химической кинетики – изучению динамики элементарных химических процессов.

Из важнейших разделов химической термодинамики, оформившихся в XX столетии, следует отметить статистическую термодинамику, а также неравновесную термодинамику. Создание основ последней в 1930-х – 60-х гг. в работах Л. Онсагера и И. Пригожина было особенно важно в методологическом отношении, так как означало выход за рамки классической термодинамики и определило подходы к изучению принципиально новых систем.

Отдельным физико-химическим направлением стала электрохимия. В начале 1930-х гг. в этой области сформировался обширный раздел, изучающий кинетику и механизм электродных процессов. Важные базовые исследования в этом направлении были сделаны И. Хориути и М. Поляни, а также А.Н. Фрумкиным.

Важным научным направлением, сформировавшимся в XX в. и оказавшим существенное влияние на самые разные области химической науки, стала структурная химия, или, более узко, кристаллохимия.

Самостоятельной дисциплиной, возникшей на границе физики и химии, стала коллоидная химия – наука о дисперсном состоянии веществ с определяющим влиянием поверхностных явлений. Обнаружение специфики коллоидной частицы позволило многим философам и историкам химии рассматривать ее как пример изученного в XX столетии «усложнения уровней внутренней организации» вещества по сравнению с различаемыми во второй половине XIX в. атомом и молекулой. К таким более сложным видам организации вещества (которые часто трудно однозначно отнести к физическим или химическим) относят не только коллоидные частицы, но и полученные в 1950-х – 1990-х гг. «топологические» молекулы (катенаны, ротаксаны), супрамолекулы, а также наносистемы и т.п. Отметим, что наносистемы (а наноразмер – это размер коллоидной частицы) стали выделять в отдельную группу химических объектов примерно в 1980 – 1990-х гг.; тогда же возникло специальное направление исследований – нанохимия.

В XX в. появились новые пограничные с физикой и химией области исследований, например, свои специфические задачи появились у радиохимии; использование специальных лазеров в конце 1960-х гг. для инициирования или модификации химических реакций привело к возникновению лазерной химии и фотохимии.

Теоретические физико-химические и квантово-химические разработки XX столетия, развитию которых в 1960-х – 1970-х годах способствовало совершенствование вычислительной техники, проникли практически во все области химической науки и оказали существенное влияние на тенденции развития химической технологии (компьютеризацию технологических процессов, создание технологических систем с учетом глобальных энергетических и экологических проблем и т.п.).

В органической химии наиболее ярко проявилась свойственная химии способность создавать вещества, не существующие в природе. Например, в 1940-60-х гг. американский химик Р. Вудворд осуществил синтез сложнейших биологически-активных органических соединений – хинина, витамина В₁₂, стрихнина, холестерина, и др. В конце 1960-х гг. американский ученый Э. Кори сформулировал общую методологическую концепцию органического синтеза, получившую название ретросинтетического подхода. Последняя нобелевская премия по химии (2006 г.) была присуждена за вклад «в развитие метатезиса в органическом синтезе» французскому ученому И. Шовену и американским ученым Р. Граббсу и Р. Шроку. «Успехи в исследовании реакции обмена, сделанные этими учеными, позволяют создавать новые молекулы для использования в фармацевтических препаратах и безвредном для окружающей среды производстве химикалий и пластмасс», - отмечается в сообщении Королевской академии наук Швеции.

На границах органической химии с другими дисциплинами в разные периоды ХХ в. появились и получили свое развитие многие научные направления, которые выделились в самостоятельные научные дисциплины. К их числу относятся: элементоорганическая химия, химия нефти, супрамолекулярная химия, биохимия, молекулярная биология, медицинская химия, химия высокомолекулярных соединений и др.

Важную роль в становлении развитии химии элементоорганических соединений сыграли работы российского химика А. Н. Несмеянова, который предложил универсальный метод синтеза металлоорганических веществ и определил закономерности между положением металлов в периодической системе и их способностью образовывать металлоорганические соединения.

Во второй половине ХХ в. оформилась отдельная дисциплина – супрамолекулярная химия (химия «за пределами молекулы»). На стыке органической химии, коллоидной химии и физики зародилась химия высокомолекулярных соединений. Осознание факта качественной специфики макромолекул по сравнению с низкомолекулярными соединениями привело в 1950-60-е гг. к формированию науки о полимерах в самостоятельную область химии. Причиной повышения интереса к полимерным веществам стало осознание их широких возможностей в плане практического применения, поскольку макромолекулярное строение придает этим веществам уникальные свойства – пластичность, эластичность и т.д.

Во второй половине ХХ в. очень большое значение приобрели научные дисциплины, возникшие на границе органической химии и биологии. «Взрывное» развитие претерпели такие науки, как биохимия, биоорганическая химия, молекулярная биология и т.д. Методы органической химии широко использовались при изучении белковых веществ и ферментов. Также началось интенсивное развитие химии нуклеиновых кислот. В начале 1950-х гг. было сделано два основополагающих открытия в химии нуклеиновых кислот. Английские химики А. Тодд и Д. Браун обосновали базовый принцип строения РНК. В 1953 г. Дж. Уотсон и Ф. Крик установили вторичную структуру ДНК, что позволило объяснить процесс удвоения молекул ДНК при делении клеток.

Возникло новое самостоятельное направление исследований – молекулярная биология, изучающая биологические явления на молекулярном уровне. Она добилась удивительных успехов в изучении химизма передачи наследственных признаков. Так, в 1950-70-х гг. были синтезированы первые полинуклеотиды, расшифрован генетический код, расшифрована первичная структура ряда молекул ДНК и РНК. Все эти исследования открыли путь для развития генной инженерии. В области молекулярной биологии были сделаны важнейшие открытия, касающиеся химических основ процессов синтеза белка в клетке, передачи нервного импульса и многих других биологических процессов.

Хотя осмысление и анализ научных достижений второй половины ХХ в. историкам химии еще предстоит, тот факт, что области исследований на стыке органической химии с биологией стали в этот период доминирующими в научной химической проблематике, представляется несомненным уже сейчас. Интерес к изучению биологических объектов и процессов проявился практически во всех областях химии.

Долгий путь развития химических теорий привел к небывалому прогрессу химии ХХ в., результаты которого стали неотъемлемой частью общего прогресса естествознания и повседневной жизни каждого человека.

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.

 

 

⇐ Предыдущая123456

Поделиться: