Научные революции и этапы развития химии - Готовые работы по химии - Готовые работы - Химия: задачи, рефераты, контрольные работы на заказ

Развитие естествознания не является лишь монотонным процессом количественного накопления знаний об окружающем природном мире. И если процесс простого приращения знаний (а иногда и вымыслов) был присущ для натурфилософии античности, для «преднауки» средневековья, то с XVI века характер научного прогресса существенно меняется. В развитии науки появляются переломные этапы, кризисы, выход на качественно новый уровень знаний, радикально меняющий прежнее видение мира.

Эти переломные этапы в генезисе научного знания получили наименование научных революций. Причем революция в науке – это, как правило, не кратковременное событие, ибо коренные изменения в научных знаниях требуют определенного времени. Поэтому в любой научной революции можно хронологически выделить некоторый более или менее длительный исторический период, в течение которого она происходит, Периоды научных революций, отмечал всемирно известный физик Луи де Бройль, «всегда характеризуют решающие этапы в прогрессивном развитии наших знаний».

Глобальная научная революция приводит к формированию совершенно нового видения мира, вызывает появление принципиально новых представлений о его структуре и функционировании, а также влечет за собой новые способы, методы его познания. Глобальная научная революция может происходить первоначально в одной из фундаментальных наук (или даже формировать эту науку), превращая ее затем на определенный исторический период в лидера науки. Последнее означает, что происходит своеобразная экспансия ее представлений, принципов, методов, возникших в ходе революции, на другие области знаний и на миропонимание в целом.

Первая научная революция произошла в эпоху, оставившую глубокий след в культурной истории человечества. Это был период конца XV – XVI вв., ознаменовавший переход от Средневековья к Новому времени и получивший название эпохи Возрождения. Последняя характеризовалась возрождением культурных ценностей античности, расцветом искусства, утверждением идей гуманизма. Вместе с тем эпоха Возрождения отличалась существенным прогрессом науки и радикальным изменением миропонимания, которое явилось следствием появления гелиоцентрического учения великого польского астронома Николая Коперника (1473 – 1543), которое он развил в своем труде "Об обращениях небесных сфер” (1543).

Одним из активных сторонников учения Коперника был знаменитый итальянский мыслитель Джордано Бруно (1548 – 1600). Но он пошел дальше Коперника. Бруно говорил о существовании во Вселенной множества тел, подобных Солнцу и окружающим его планетам. Причем многие из бесчисленных миров, считал он, обитаемы и, по сравнению с Землей, "если не больше и не лучше, то во всяком случае не меньше и не хуже”.

Трагическая гибель Джордано Бруно произошла на рубеже двух эпох: эпохи Возрождения и эпохи Нового времени. Последняя охватывает три столетия – XVII, XVIII, XIX вв. В этом трехсотлетнем периоде особую роль сыграл XVII век, ознаменовавшийся рождением современной науки, у истоков которой стояли такие выдающиеся ученые, как Галилей, Кеплер, Ньютон.

Галилей сформулировал принцип, получивший впоследствии наименование принципа инерции. Большое значение для становления механики как науки имело исследование Галилеем свободного падения тел. Галилею принадлежит экспериментальное обнаружение весомости воздуха, открытие законов колебания маятника, немалый вклад в разработку учения о сопротивлении материалов.

С астрологическими наблюдениями Галилея ознакомился и дал высокую оценку один из крупнейших математиков и астрономов Иоганн Кеплер (1571 – 1630). Кеплер занимался поисками законов небесной механики и составлением звездных таблиц. На основе обобщения данных астрономических наблюдений он установил 3 закона движения планет относительно Солнца. Также Кеплер разработал теорию солнечных и лунных затмений, предложил способы их предсказания, уточнил величину расстояния между Землей и Солнцем, составил так называемые Рудольфовы таблицы. С помощью этих таблиц можно было в любой момент времени с высокой степенью точности определить положение планет. Кеплеру принадлежит также решение важных для практики стереометрических задач.

Вторая научная революция завершилась творчеством одного из величайших ученых в истории человечества, каковым был Исаак Ньютон (1643 – 1727). Его научное наследие чрезвычайно разнообразно. В него входит и создание дифференциального и интегрального исчисления, и открытие трех основных законов движения, которые легли в основу механики. Данная система законов движения была дополнена открытым Ньютоном законом всемирного тяготения. Пожалуй, ни одно из всех ранее сделанных научных открытий не оказало такого громадного влияния на дальнейшее развитие естествознания, как открытие закона всемирного тяготения. Огромное впечатление на ученых производил масштаб обобщения, впервые достигнутый естествознанием. Это был поистине универсальный закон природы, которому подчинялось все – малое и большое, земное и небесное. Этот закон явился основой создания небесной механики – науки, изучающей движение тел Солнечной системы.

Начало процессу стихийной диалектизации естественных наук, составившему суть третьей революции в естествознании, положила работа немецкого ученого и философа Иммануила Канта (1724 – 1804) «Всеобщая естественная история и теория неба» (1755 г.), была сделана попытка исторического объяснения происхождения Солнечной системы из некоторой первоначальной, бесформенной туманной массы, некогда равномерно заполнявшей мировое пространство.

Вплоть до конца XIX в. на базе классической механики Галилея – Ньютона развивались все естественные науки. Затем вслед за механикой теоретическим науками стали химия, термодинамика, учение об электричестве. Теоретизация химии связана в первую очередь с исследованиями англичанина Джона Дальтона, сознательно положившего в основу теоретического объяснения химических изменений вещества атомистическую идею и придавшего этой идее вид конкретной научной гипотезы. Это стало началом химического этапа развития атомистики. В 1861 г. русский химик А.М. Бутлеров сформулировал основные положения теории химического строения молекул, а в 1869 г. Д.И. Менделеев открыл Периодический закон химических элементов. Он догадывался, что причины периодической зависимости элементов надо искать во внутреннем строении атомов.

Трудами большой группы ученых (Н. Карно, Ю.Р. Майера, Г. Гельмгольца, Р. Клаузиуса, У. Томсона, В. Нернста и других) были установлены основные законы термодинамики. М. Фарадей и Дж.К. Максвелл заложили начало учения об электромагнитном поле. Для развития теоретического мышления в биологии важное значение имели клеточная теория Т. Шванна, М. Шлейдена, Я.Э. Пуркинье и эволюционное учение Чарльза Дарвина. Основополагающие открытия в физиологии высшей нервной деятельности совершил И.М. Сеченов (1829 – 1905). Его учение о механизмах деятельности головного мозга было развито работами великого исследователя И.П. Павлова.

В начале ХХ века в физике и естествознании в целом произошла еще одна крупнейшая научная революция (четвертая), приведшая к признанию релятивистской и квантовомеханической картины мира. Этому способствовали открытия: электромагнитных волн (Г. Герц), рентгеновских лучей (В. Рентген), радиоактивности (А. Беккерель), радия (М. Кюри-Складовская и П. Кюри), светового давления (П.Н. Лебедев), первых положений квантовой теории (М. Планк) и других явлений.

В предалхимическом периоде теоретический и практический аспекты знаний о веществе развиваются относительно независимо друг от друга. Происхождение свойств вещества рассматривает античная натурфилософия, практические операции с веществом являются прерогативой ремесленной химии.

Алхимия - это самозабвенная попытка найти способ получения благородных металлов. В реализации алхимического рецепта предполагалось участие священных или мистических сил, а средством обращения к этим силам было слово - необходимая сторона ритуала. Поэтому алхимический рецепт выступал одновременно и как действие, и как священнодействие.

Первая - это мистифицированная алхимия, ориентированная на химические превращения (в частности, ртути в золото) и, в конечном счете, на доказательство возможности человеческими усилиями осуществлять космические превращения. В русле этой тенденции арабские алхимики сформулировали идею «философского камня» - гипотетического вещества, ускорявшего «созревание» золота в недрах земли; это вещество заодно трактовалось и как эликсир жизни, исцеляющий болезни и дающий бессмертие.

Вторая тенденция была больше ориентирована на конкретную практическую технохимию. В этой области достижения алхимии несомненны. К ним следует отнести: открытие способов получения серной, соляной, азотной кислот, селитры, сплавов ртути с металлами, многих лекарственных веществ, создание химической посуды и др.

В период становления химии как науки происходит её полная рационализация. Химия освобождается от натурфилософских и алхимических взглядов на элементы как на носители определённых качеств. Наряду с расширением практических знаний о веществе начинает вырабатываться единый взгляд на химические процессы и в полной мере использоваться экспериментальный метод. Завершающая этот период химическая революция окончательно придаёт химии вид самостоятельной науки, занимающейся экспериментальным изучением состава тел.

Центральная проблема химии XVIII в. - проблема горения. Вопрос состоял в следующем: что случается с горючими веществами, когда они сгорают в воздухе? Для объяснения процессов горения немецкими химиками И. Бехером и его учеником Г. Э. Шталем была предложена теория флогистона. Флогистон - это некоторая невесомая субстанция, которую содержат все горючие тела и которую они утрачивают при горении. Тела, содержащие большое количество флогистона, горят хорошо; тела, которые не загораются, являются дефлогистированными. Эта теория позволяла объяснять многие химические процессы и предсказывать новые химические явления. В течение почти всего XVIII в. она прочно удерживала свои позиции, пока французский химик А. Л. Лавуазье в конце XVIII в. не разработал кислородную теорию горения.

Лавуазье показал, что все явления в химии, прежде считавшиеся хаотическими, могут быть систематизированы и сведены в закон сочетания элементов, старых и новых. К уже установленному до него списку элементов он добавил новые - кислород, который вместе с водородом входит в состав воды, а также и другой компонент воздуха - азот. В соответствии с новой системой химические соединения делились в основном на три категории: кислоты, основания, соли. Лавуазье рационализировал химию и объяснил причину большого разнообразия химических явлений: она заключается в различии химических элементов и их соединений.

Период количественных законов, ознаменовавшийся открытием главных количественных закономерностей химии – стехиометрических законов, и формированием атомно-молекулярной теории, окончательно завершает превращение химии в точную науку, основанную не только на наблюдении, но и на измерении.

Следующий важный шаг в развитии научной химии был сделан Дж. Дальтоном. Изучая химический состав газов, он открыл закон кратных отношений. Дальтон правильно объяснил этот закон атомным строением вещества и способностью атомов одного вещества соединяться с различным количеством атомов другого вещества. При этом он ввел в химию понятие атомного веса.

И, тем не менее, в начале XIX в. атомно-молекулярное учение в химии с трудом пробивало себе дорогу. Понадобилось еще полстолетия для его окончательной победы. На этом пути был сформулирован ряд количественных законов, которые получали объяснение с позиций атомно-молекулярных представлений. Для экспериментального обоснования атомистики и ее внедрения в химию много усилий приложил Й.Я. Берцелиус. Окончательную победу атомно-молекулярное учение одержало на 1-м Международном конгрессе химиков.

В 1850-1870-е гг. на основе учения о валентности химической связи была разработана теория химического строения Бутлеровым, которая обусловила огромный успех органического синтеза и возникновение новых отраслей химической промышленности, а в теоретическом плане открыла путь теории пространственного строения органических соединений - стереохимии.

Во второй половине XIX в. складываются физическая химия, химическая кинетика, теория электролитической диссоциации, химическая термодинамика. Таким образом, в химии XIX в. сложился новый общий теоретический подход - определение свойств химических веществ в зависимости не только от состава, но и от структуры.

Развитие атомно-молекулярного учения привело к идее о сложном строении не только молекулы, но и атома, эту мысль высказал английский ученый У. Праут на основе результатов измерений, показывавших, что атомные веса элементов кратны атомному весу водорода. Праут предложил гипотезу, согласно которой атомы всех элементов состоят из атомов водорода. Новый толчок для развития идеи о сложном строении атома дало великое открытие Д. И. Менделеевым в 1869 г. периодической системы элементов, которая наталкивала на мысль о том, что атомы не являются неделимыми, что они обладают структурой и их нельзя считать первичными материальными образованиями.

Период классической химии характеризуется стремительным развитием науки: создаётся периодическая система элементов, теория валентности и химического строения молекул, стереохимия, химическая термодинамика и химическая кинетика; блестящих успехов достигают прикладная неорганическая химия и органический синтез. В связи с ростом объёма знаний о веществе и его свойствах начинается дифференциация химии – выделение её отдельных ветвей, приобретающих черты самостоятельных наук.

Установление делимости атома, квантовой природы излучения, создание теории относительности и квантовой механики представляли собой революционный переворот в понимании окружающих человека физических явлений. Этот переворот коснулся прежде всего микро- и мегамира, что к химии в классическом смысле, казалось бы, не имеет прямого отношения. Однако в этом и заключается одна из особенностей химии XX века: для понимания причин, которыми обусловлены фундаментальные химические законы, потребовалось выйти за пределы предмета химии. Ныне теоретическая химия в значительной степени представляет собой физику, "адаптированную" для решения химических задач. В значительной степени именно достижения физики сделали возможными успехи теоретической и прикладной химии в XX столетии.

Еще одной особенностью химии в ХХ веке стало появление большого числа новых аналитических методов, прежде всего физических и физико-химических. Широкое распространение получили рентгеновская, электронная и инфракрасная спектроскопия, магнетохимия и масс-спектрометрия, спектроскопия ЭПР и ЯМР, рентгеноструктурный анализ и т.п. Новые данные, полученные с помощью физико-химических методов, заставили пересмотреть целый ряд фундаментальных понятий и представлений химии.

Для современной химии также стало очень характерным всё более тесное взаимодействие с другими естественными науками. Физическая и биологическая химия стали важнейшими разделами химии наряду с классическими – неорганической, органической и аналитической. Пожалуй, именно биохимия со второй половины ХХ столетия занимает лидирующее положение в естествознании.