Хімія — одна з галузей природознавства, предметом вивчення якої є хімічні елементи (атоми ), що утворюються ними прості і складні речовини (молекули ), їх перетворення і закони, яким підкоряються ці перетворення. За визначенням Д. І. Менделєєва (1871), «хімію в сучасному її стані можна... назвати вченням про елементи». [Походження слова «хімія» з'ясоване не остаточно. Багато дослідників вважають, що воно походить від старовинного найменування Єгипту — Хемія (греч. Chemía, зустрічається в Плутарха), яке виробляється від «хем» або «хама» — чорний і означає «наука чорної землі» (Єгипту), «єгипетська наука».]
Сучасна Х. тісно пов'язана як з ін. науками, так і зі всіма галузями народного господарства. Якісна особливість хімічної форми руху матерії і її переходів в ін. форми руху обумовлює різносторонність хімічної науки і її зв'язків з областями знання, що вивчають і більш нижчі, і більш вищі форми руху. Пізнання хімічної форми руху матерії збагачує загальне вчення про розвиток природи, еволюцію речовини у Всесвіті, сприяє становленню цілісної матеріалістичної картини світу. Зіткнення Х. з ін. науками породжує специфічні області взаємного їх проникнення. Так, області переходу між Х. і фізикою представлені фізичною хімією і хімічною фізикою . Між Х. і біологією, Х. і геологією виникли особливі пограничні області — геохімія, біохімія, біогеохімія, молекулярна біологія . Найважливіші закони Х. формулюються на математичній мові, і теоретична Х. не може розвиватися без математики. Х. надавала і робить вплив на розвиток філософії і сама випробовувала і випробовує її вплив.
Історично склалися два основні розділи Х.: неорганічна хімія, що вивчає в першу чергу хімічні елементи і утворювані ними прості і складні речовини (окрім з'єднань вуглецю), і органічна хімія, предметом вивчення якої є з'єднання вуглецю з ін. елементами (органічні речовини). До кінця 18 ст терміни «неорганічні Х.» і «органічна Х.» вказували лише на те, з якого «царства» природи (мінерального, рослинного або тваринного) виходили ті або інші з'єднання. Починаючи з 19 ст ці терміни стали вказувати на присутність або відсутність вуглецю в даній речовині. Потім вони придбали нове, ширше значення. Неорганічна Х. стикається перш за все з геохімією і далі з мінералогією і геологією, тобто з науками про неорганічну природу. Органічна Х. представляє галузь Х., яка вивчає всілякі з'єднання вуглецю аж до складних біополімерних речовин; через органічну і біоорганічну хімію Х. граничить з біохімією і далі з біологією, тобто з сукупністю наук про живу природу. На стику між неорганічною і органічною хімією знаходиться область елементоорганічеських з'єднань .
В Х. поступово сформувалися уявлення про структурні рівні організації речовини. Ускладнення речовини, починаючи від нижчого атомарного, проходіт рівні молекулярних, макромолекулярних, або високомолекулярних, з'єднань (полімер), потім міжмолекулярних (комплекс, клатрат, катенан), нарешті, багатообразних макроструктур (кристал, міцела) аж до невизначених нестехіометричних утворень. Поступово склалися і відокремилися відповідні дисципліни: Х. комплексних з'єднань, полімерів, крісталлохимія, учення про дисперсних системах і поверхневих явищах, сплавах і ін.
Вивчення хімічних об'єктів і явищ фізичними методами, встановлення закономірностей хімічних перетворень виходячи із загальних принципів фізики, лежить в основі фізичної хімії. До цієї області Х. відноситься ряд значною мірою самостійних дисциплін: термодинаміка хімічна, кінетика хімічна, електрохімія, колоїдна хімія, квантова хімія і вчення про будову і властивості молекул, іонів, радикалів, радіаційна хімія, фотохімія, учення про каталізі, хімічних равновесиях, розчинах і ін. Самостійний характеру набула аналітична хімія, методи якої широко застосовуються у всіх областях Х. і хімічній промисловості. У областях практичного застосування Х. виникли такі науки і наукові дисципліни, як хімічна технологія з безліччю її галузей, металургіяагрохімія, медична Х., судова Х. і ін.
II. Нарис історичного розвитку хімії
Як область практичної діяльності Х. вирушає корінням в глибоку старовину (Єгипет, Індія, Китай і ін. країни). Задовго до нашої ери людина познайомилася з перетвореннями різних речовин і навчилася користуватися ними для своїх потреб. Одна з прадавніх гілок Х. — металургія. За 4—3 тис. років до н.е.(наша ера) почали виплавляти мідь з руд, а пізніше виготовляти сплав міді з оловом (бронзу ). У 2-м-коді тисячолітті до н.е.(наша ера) навчилися отримувати з руд залізо сиродутним процесом . За 1600 років до н.е.(наша ера) почали застосовувати для фарбування тканин природну фарбу індиго, а декілька пізніше — пурпур і алізарин, а також готувати оцет, ліки з рослинних матеріалів і ін. продукти, вироблення яких пов'язане з хімічними процесами. До витоків Х. відносяться альтернативні у той час атомістичне вчення і учення про елементи-стихії древньої натурфілософії.
В 3—4 вв.(століття) н.е.(наша ера) в Александрії зародилася алхімія, що визнавала можливим перетворення з допомогою т.з. філософського каменя неблагородних металів в благородних, — в золото і срібло. Головним в Х. цього періоду було спостереження окремих властивостей речовин і пояснення їх за допомогою субстанцій (почав), нібито що входять до складу цих речовин.
Починаючи з епохи Відродження у зв'язку з розвитком виробництва все більше значення в алхімії стало набувати виробниче і взагалі практичне напрям: металургія, склороблення, виготовлення кераміки і фарб (праці Ст Бірінгуччо, Р. Агріколи, Би. Палісси і ін.). Виник особливий медичний напрям — ятрохимія (Т. Парацельс, Я. Б. ван Гельмонт і ін.). Ці два напрями характерні для етапу практичної Х. 16 — 1-ої половини 17 вв.(століття), який безпосередньо підвів до створення Х. як науки. У цей період були накопичені навики експериментальної роботи і спостережень в області Х., зокрема розроблені і вдосконалені конструкції печей і лабораторних приладів, методи очищення речовин (кристалізація, перегонка і ін.), отримані нові хімічні препарати. На початку 2-ої половини 17 ст Р. Бойль довів неспроможність алхімічних вистав, дав перше наукове визначення поняття хімічного елементу і тим самим вперше підняв Х. на рівень науки. Процес перетворення Х. у науку зайняв більше ста років і завершився відкриттями А. Л. Лавуазье . Перша теорія в Х. — теорія флогистона (у її основі лежало визнання особливого гіпотетичного початку горючості — флогистона ), хоча і була помилковою, проте узагальнила широкий круг фактів, горіння, що торкалися, і випалення металів. З 2-ої половини 17 ст став швидко розвиватися хімічний аналіз, спочатку — якісний (починаючи з Бойля), а з середини 18 ст — кількісний (починаючи с М. Ст Ломоносова і Дж. Блека ).
В 1748 Ломиносів і пізніше Лавуазье відкрили закон збереження ваги (маси) речовин при хімічних реакціях. Створенням кисневій теорії Лавуазье, по словах Ф. Енгельса «... вперше поставив на ноги всю хімію, яка в своїй флогистонной формі стояла на голові» (Маркс До. і Енгельс Ф., Соч., 2 видавництва, т. 24, с. 20). В кінці 18 ст Х. остаточно придбала межі справжньої науки.
Х. 19 ст характеризується розвитком хімічної атомістики (див. Атомізм ). Атомне учення в 17—18 вв.(століття) розроблялося переважно з суто абстрактної, механістичної точки зору. Але вже Ломоносов близько підійшов до додатка атомної гіпотези до завдань Х. Химічеськая атомістика народилася із злиття старої натурфілософськой ідеї про атоми з дослідними аналітичними даними про хімічний кількісний склад речовин. Протягом перших двох третин 19 ст в Х. сформувалися два фундаментальних її поняття — атомної ваги (див. Атомна маса ) і валентності, або «атомності»; пізніше (1869) Менделєєвим була розкрита зв'язок між ними. У 1803 Дж. Дальтон вивів з ідей атомістики кратних стосунків закон, а потім (1804) підтвердив його експериментально. На цій основі він розробив уявлення про атомних вагах і склав їх перші таблиці, прийнявши за одиницю сполучну вагу («пай») водню. Проте значення атомних вагів елементів були ще вельми неточні, частково із-за недосконалості вимірювальних приладів, частково тому, що ще не було встановлено правильне співвідношення між поняттями атома і молекули. Уявлення про молекулу і її відмінність від атома висунули А. Авогадро (1811) і А. Ампер (1814), але воно тоді не було прийняте хіміками. І. Я. Берцеліус на великому експериментальному матеріалі підтвердив закон кратних стосунків Дальтона, розповсюдив його на органічні сполуки, опублікував (1814) таблицю точніших, ніж в Дальтона, атомних вагів 46 елементів і ввів нові знаки хімічні . Спираючись на перші дані про існування зв'язку між електричними і хімічними процесами (див. Електрохімія ), Берцеліус висунув «дуалістичну» теорію (1812—19), згідно якої хімічні взаємодії обумовлені дією електричних сил, оскільки допускалося, що в кожному атомі, в будь-якому атомному угрупуванні є два електричні полюси. Були зроблені спроби прикласти цю теорію до органічної Х., а саме: до радикалів теорії, згідно якої органічні сполуки також складаються з двох частин, причому одна частина є радикалом — групою атомів, яка поводиться подібно до окремого атома і може без зміни переходити з однієї хімічної сполуки в інше. На зміну дуалістичної теорії прийшла унітарна (молекулярна) теорія Ш. Ф. Жерара і, відповідно, на зміну теорії радикалів — типів теорія . Теорія типів відображала не будову речовини, а його хімічні перетворення, вперше вказуючи на реакційну активність т.з. функціональних груп молекули. Тому в однієї речовини могло бути декілька різних «типових» формул. Самі ж органічні сполуки розглядалися як продукти заміщення атомів водню ін. атомами або групами атомів (залишками) в молекулах водню, води, хлористого водню і аміаку. Теорія типів, особливо введене Жераром уявлення про гомологічних рядах, зіграла позитивну роль в класифікації органічних речовин і їх перетворень.
В 1852 Е. Франкленд, вивчаючи металло-органічні з'єднання, заклав основи вчення про валентність. Він показав, що атоми елементів володіють певною «сполучною силою, задовольняючись одним і тим же числом атомів, що приєднуються». За одиницю валентності була прийнята валентність водню. Пізніше Ф. А. Кекуле ввів поняття про з'єднання типа метану; з цього виходило, що атом вуглецю четирехвалентен; він же висловив припущення (1858), що атоми вуглецю можуть з'єднуватися в ланцюзі. У тому ж році А. Купер вперше склав графічні формули органічних сполук, виходячи з того, що атом вуглецю четирехвалентен. Проте Кекуле не зумів ще повністю здолати обмеженість «типових» переконань. Це зробив А. М. Бутлеров (1861), створивши хімічної будови теорію, згідно якої хімічні властивості речовини визначаються складом і будовою молекул, а реакційна здатність залежить від того, в якій послідовності атоми зв'язані в даній молекулі, а також від їх взаємного впливу.
Перший міжнародний конгрес хіміків в Карлсруе (1860) чітко розмежував поняття атома, молекули, еквіваленту; це сприяло подальшому розвитку Х. У 1859—61 вона збагатилася вельми досконалим методом спектрального аналізу, завдяки чому удалося виявити присутність деяких хімічних елементів у складі небесних тіл; був встановлений зв'язок між фізикою (оптикою), астрономією і Х.
У міру відкриття нових хімічних елементів все гостріше відчувалася необхідність їх систематизації. У 1869 Д. І. Менделєєв виявив їх взаємний зв'язок: він створив періодичну систему елементів і відкрив лежачий в її основі закон (періодичний закон Менделєєва ). Це відкриття з'явилося теоретичним синтезом всього попереднього розвитку Х.: Менделєєв зіставив фізичні і хімічні властивості всіх відомих тоді 63 хімічних елементів з їх атомними вагами і розкрив залежність між двома найважливішими кількісно вимірними властивостями атомів, на яких будувалася вся Х., — атомною вагою і валентністю («формами з'єднань»).
На основі періодичної системи Менделєєв виправив раніше набутих значень атомних вагів багатьох елементів і передбачив ряд не відкритих ще елементів, детально описавши передбачувані властивості три з них. Ці прогнози, а разом з ними і сам періодичний закон незабаром отримали блискуче дослідне підтвердження. Надалі періодичний закон ліг в основу розвитку Х. і всього вчення про речовину.
У міру прогресу фізики і Х. встановлювалися основні поняття і закони, які, з одного боку, поставили на вищу рівень обидві ці науки, а з іншої — послужили основою для становлення фізичної хімії, зародження окремих галузей якої почалося ще в кінці 18 — 1-ій половині 19 вв.(століття) У дослідженні загальних закономірностей, керівників хімічними процесами, виявилася украй зацікавленою і хімічна промисловість, що досягла значних успіхів до 80-м-коду рр. 19 ст
Вивчення теплових ефектів хімічних процесів отримало міцну основу після відкриття Р. І. Гессом (1840) основного теплового закону хімічних процесів (див. Гесса закон ). У 2-ій половині 19 ст велика робота за визначенням теплот хімічних реакцій була виконана П. Е. М. Бертло, Х. П. Ю. Томсеном, Н. Н. Бекетовим і др.; вона завершилася до кінця 19в. створенням одного з розділів фізичної Х. — термохімії . З виникненням термодинаміки і розвитком термохімії в тісному зв'язку з останньою в 2-ій половині 19 ст починає розвиватися хімічна термодинаміка, що вивчає енергетичні ефекти, якими супроводяться хімічні процеси, саму можливість, напрям і межі таких процесів і ін. термодинамічні явища у физико-хімічних системах (праці Дж. Гіббса, Я. Вант-Гоффа, А. Ле Шателье і ін.).
Успішно початі Р. Деві електрохим. дослідження отримали кількісну завершеність в працях М. Фарадея, що відкрив (1833—34) закони електролізу . З 2-ої половини 19 ст почалося вивчення механізму проходження електричного струму через розчини електролітів (роботи Р. Клаузіуса, І. Ст Гитторфа, Ф. Кольрауша і ін.), яке привело до створення С. Ареніусом теорії електролітичній дисоціації (1883—87). Згідно цієї теорії, електроліти в розчинах розпадаються на іони . Додаток законів термодинаміки до електрохімії дозволив встановити і причину виникнення едс(електрорушійна сила) в гальванічних ланцюгах.
Одночасно розвивалося учення про розчинах, яке збагатилося результатами досліджень Вант-Гоффа, присвячених розбавленим розчинам; у цих працях, виконаних в 1885—89, властивості розчинених речовин зіставлялися з властивостями газів, а розчинник вважався індиферентним середовищем. Згідно хімічної теорії водних розчинів Менделєєва, розробленої в 1865—87, розчинена речовина і розчинник взаємодіють між собою в розчині. Менделєєв не проводив різкого кордону між хімічною взаємодією і взаємодією розчиненої речовини і розчинника в розчині. Цей вивід отримав подальший розвиток в роботах Н. С. Курнакова і його школи по физико-хімічному аналізу .
Спостереження над рідкими системами показали, що поряд з дійсними розчинами, в яких розчинені речовини знаходяться у вигляді окремих молекул і іонів, існують і такі, в яких «розчинена» речовина знаходиться у вигляді агрегатів, що складаються з величезного числа молекул. Для таких систем Т. Грем ввів (1861) назву «колоїди». Подальше вивчення дисперсних систем привело до створення колоїдної хімії.
Вже на початку 19 ст були отримані перші відомості про прискорення хімічних реакцій під дією невеликих кількостей деяких речовин. Такі процеси Е. Мічерліх назвав контактними (1833), а Берцеліус — каталітичними (1835). З тих пір, як було налагоджено каталітичне виробництво сірчаної кислоти (60-і рр. 19 ст), інтерес до таких процесів сильно зріс. До кінця 19 ст вчення про каталіз і практичне використання каталізаторів зайняли важливе місце в Х. З каталізом найтіснішим чином пов'язана адсорбція, відкрита Т. Е. Ловіцем в 1785. У 1878 Гіббс встановив основні закони поверхневих явищ, адсорбції і утворення нових фаз.
З 2-ою половини 19 ст розвивається вчення про швидкості хімічних реакцій і хімічну рівновагу. Значення активної маси (концентрації) реагуючих речовин було відмічене ще в 1801—03 До. Бертолле . Подальша розробка питань, пов'язаних з рівновагою хімічних реакцій, привела До. Гульдберга і П. Вааге до відкриття (1864—67) мас закону, що діють, який ліг в основу вчення про швидкості реакцій. Систематичні роботи Н. А. Меншуткина (з 1877) з'явилися істотним вкладом у встановлення кінетичних закономірностей хімічних реакцій. У 1884 Вант-Гофф підсумовував той, що накопичився в цій області матеріал у вигляді кінетичних рівнянь.
III. Хімія 20 століть
Кінець 19 ст ознаменувався трьома видатними відкриттями в області фізики, в результаті яких була доведена складна структура атома, раніше того, що вважався неделімим, — були відкриті рентгенівські промені, явище радіоактивності і електрон . Це поклало початок новому етапу в розвитку Х. После того як Е. Резерфорд встановив існування атомних ядер і запропонував планетарну модель атома (1911), почалася успішна розробка теорії будови атома, з'явилися нові уявлення про електричну природу хімічних сил (див. Атом, Атомна фізика ).
Відкритий Р. Мозлі закон (1913) зв'язав положення елементу в періодичній системі і його характеристичне рентгенівське випромінювання. Це привело до виводу, що атомний номер хімічного елементу чисельно дорівнює заряду атомного ядра цього елементу, а отже загальному числу електронів в оболонці нейтрального атома. Ще глибше розуміння періодичного закону було досягнуте на підставі робіт Н. Бору і ін. учених, що показали, що у міру переходу від елементів з меншими атомними номерами до елементів з великими їх значеннями відбувається заповнення електронами оболонок (рівнів і підрівнів), все далі розташованих від ядра. При цьому періодично повторюється схожа структура зовнішніх електронних конфігурацій, від чого і залежить в основному періодичність хімічних і більшості фізичних властивостей елементів і їх з'єднань. Вирішальну роль в розумінні закономірностей заповнення електронних оболонок атома і поясненні атомних і молекулярних спектрів зіграв Паулі принцип . Зроблені відкриття дозволили вирішити багато питань пов'язані з подальшою розробкою і теоретичним обгрунтуванням періодичної системи Менделєєва. Виявлення ізотопів показало, що не атомна маса, а заряд ядра визначає місце елементу в періодичній системі. Відкриттям нейтронів (Дж. Чедвік, 1932) і штучної радіоактивності (І. і Ф. Жоліо-кюрі, 1934) були закладені основи здобуття нових радіоактивних ізотопів і елементів, відсутніх в природі, і подальшого синтезу трансуранових елементів .
З вирішенням проблеми будови атома пов'язано питання про природу хімічному зв'язку . Ст Коссель (1916) і Р. Люіс (1916) запропонували перші електронні теорії валентності і хімічного зв'язку. Теорія Косселя розглядала утворення іонного зв'язку, теорія Люіса — ковалентною. Описова сторона цих теорій, що добре узгоджується з моделлю атома Бору і пояснює деякі характерні особливості хімічного зв'язку, зберігає певною мірою своє значення до сих пір. Висунуті пізніше концепції, зокрема резонансу теорія (Л. Полінг ), дозволяють отримувати деякі якісні і напівкількісні дані про симетрію молекул, про еквівалентність тих або інших зв'язків і структурних елементів в молекулах, про стабільність і реакційну здатність молекул.
Проте лише на основі квантової механіки удалося пояснити природу хімічного зв'язку, точно розрахувати енергію зв'язку для простої молекули — молекули водню (йому. вчені Ст Гейтлер і Ф. Лондон, 1927) — і багато фізичних параметрів ін. двоатомних і декількох багатоатомних молекул (H 2 O, HF, LIH, Nh 3 і ін.), у тому числі міжатомні відстані, енергії освіти з атомів, частоти вагання в спектрах, електричні і магнітні властивості, насичуваність і спрямованість зв'язків.
Новітній етап розвитку Х. характеризується швидкою розробкою просторових уявлень про будову речовини, стереохимічеських концепцій. Ще в 1874—75 Же. А. Ле Бель і Вант-Гофф висловили припущення, що 4 атоми або радикала, пов'язані з атомом вуглецю, розташовані не в одній плоскості, а в просторі, по вершинах тетраедра, в центрі якого знаходиться атом вуглецю. У зв'язку з цим було розширено уявлення про ізомерії, встановлено декілька її видів і були закладені основи стереохімії . Для багатьох молекул були визначені їх стабільні просторові конфігурації; надалі дослідники встановили лабільні конформації молекул, що виникають в результаті деякої скрути вільного обертання атомних груп довкола простих зв'язків (див. Конформаційний аналіз ).
Сучасна теоретична Х. грунтується на загальнофізичному вченні про будову матерії, на досягненнях квантової теорії, термодинаміки і статистичної фізики. Застосування методів квантової механіки до вирішення хімічних завдань привело до виникнення квантовим завданням Х. Єє стало вирішення хвилевого рівняння Шредінгера для багатоелектронних систем молекул. Одним з перших результатів була теорія валентних зв'язків, що ще широко використала традиційне уявлення про пару електронів як носійку хімічного зв'язку (Гейтлер, Лондон, Дж. Слетер, Полінг). Потім був розроблений метод молекулярних орбіталей (МО), що розглядає цілісну електронну структуру молекули; кожна молекулярна орбіталь (хвилева функція) враховує вклад в неї всіх електронних орбіталей атомів (див. Молекулярних орбіталей метод ). Найбільш поширений варіант методу МО заснований на наближеному описі молекулярних орбіталей через лінійну комбінацію атомних орбіталей (ЛКАО МО). У ряді випадків для простих молекул на основі використання новітньої обчислювальної техніки можуть бути проведені вельми складні розрахунки молекул без всяких попередніх спрощень завдання. На основі вказаного методу розраховуються енергетичні і електронні параметри молекул (розподіл електронної щільності, величина енергії, довжина і порядок зв'язків, деякі фізичні властивості з'єднань). Метод МО набув нині поширення в теорії органічної Х. У неорганічною Х. на основі його поєднання з теорією кристалічного поля (Х. Беті ) виникла теорія поля лігандов.
Квантовохимічеськоє розгляд кінетичних співвідношень, встановлених Ареніусом і Вант-Гоффом, привів до виникнення вчення про абсолютні швидкості хімічних реакцій, що є основою хімічної кінетики. Це дозволило вичленувати дуже важливу теоретичну проблему сучасної Х. — питання про природу перехідного стану, проміжного активованого комплексу, усередині якого відбуваються багато в чому ще неясні процеси перебудови структури молекул.
Детальне вивчення кінетики і механізмів реакцій, дослідження елементарних актів хімічних взаємодій — важливе завдання хімічної фізики. Велике значення придбали роботи в області ланцюгових реакцій, основи теорії яких були розроблені Н. Н. Семеновим і С. Хиншелвудом . Кінетичні дослідження зіграли важливу роль в розвитку технології переробки нафти, горіння палива, синтезу високомолекулярних речовин. Показана можливість хімічній фіксації азоту при звичайній температурі і тиску, що може істотно змінити майбутню технологію.
Ядерні перетворення і супутні їм физико-хімічні явища, продукти ядерних реакцій, радіоактивні ізотопи, елементи і речовини служать об'єктами вивчення ядерної хімії і радіохімії . Роботи в цьому напрямі мають велике значення для здобуття і витягання атомного сировини, розділення ізотопів, використання матеріалів, що розщеплюються.
Взаємодія речовини з випромінюванням і частками високих енергій різної природи, що приводить до хімічних перетворень, вивчається радіаційній радіації Х. Воздействіє ініціює багато процесів, у тому числі синтез високомолекулярних з'єднань з мономерів. Зокрема, під дією світла відбуваються фотохімічні реакції. Фотохімія досліджує як скріплення енергії електромагнітного випромінювання (наприклад, у фотосинтезі, здійснюваному зеленими рослинами), так і багаточисельні реакції синтезу і розпаду, ізомеризації і перегрупувань, що виникають в ході вказаної взаємодії. Для промислового виробництва перспективне використання потужної енергії лазера .
В електрохімії накопичений великий матеріал по дослідженню електролітів, їх електропровідності електрохімічних процесів з
