1.1 Химия в контексте (Chemistry in Context)

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• очертить историческое развитие химии;
• привести примеры значения химии в повседневной жизни;
• описать научный метод;
• различать гипотезы, теории и законы;
• приводить примеры макроскопической, микроскопической и символической областей.

---

На протяжении всей своей истории люди стремились превратить вещество в более полезные формы. Наши предки каменного века откалывали куски кремня, превращая их в орудия, и вырезали из дерева статуэтки и игрушки. Эти занятия меняли форму вещества, не меняя самого вещества. Однако по мере накопления знаний человек начал менять и состав веществ: глина превращалась в керамику, шкуры выделывали в одежду, медные руды — в инструменты и оружие, зерно — в хлеб.

Люди начали заниматься химией, когда научились управлять огнём и использовать его, чтобы готовить пищу, обжигать керамику и выплавлять металлы. Затем они научились выделять и применять отдельные компоненты вещества. Из растений выделяли разнообразные лекарственные средства, такие как алоэ, мирра и опиум. Из растительного и животного сырья получали красители — индиго и тирский пурпур. Металлы смешивали, получая сплавы: например, медь и олово давали бронзу, а более совершенные методы плавки позволяли получать железо. Из золы извлекали щёлочи, а смешением щелочей с жирами готовили мыло. Спирт получали брожением и очищали перегонкой.

Попытки понять поведение вещества насчитывают более 2500 лет. Уже в VI веке до нашей эры греческие философы обсуждали систему, в которой вода считалась основой всего сущего. Возможно, вам знаком греческий постулат о том, что вещество состоит из четырёх стихий: земли, воздуха, огня и воды. Позднее из Египта, Китая и восточного Средиземноморья распространилось сочетание химических ремёсел и философских умозрений: алхимики пытались превратить «неблагородные металлы», такие как свинец, в «благородные», подобные золоту, и создать эликсиры для лечения болезней и продления жизни (Рис. 1.2).

Рис. 1.2. (a) На этой иллюстрации изображена мастерская алхимика около 1580 года. Хотя алхимия и внесла полезный вклад в умение обращаться с веществом, по современным меркам она не была наукой. (b) Оборудование, с которым работает Алма Левант Хейден на снимке 1952 года, может показаться менее изящным, чем то, что встречается в современных лабораториях, но её подход отличался строгой методичностью и тщательной фиксацией результатов. Руководитель отдела в FDA, Хейден наиболее известна тем, что разоблачила активно рекламировавшийся противораковый препарат, оказавшийся не более чем бесполезным раствором обычных веществ. (источники: a — Chemical Heritage Foundation; b — NIH History Office)

Из алхимии исторически выросла современная химия: в частности, выделение лекарственных средств из природных источников — растений и животных. Многие из таких веществ имели ключевое значение для лечения болезней, однако зачастую были редки. Например, прогестерон, важный для женского здоровья, появился как лекарственное средство в 1935 году, но его животные источники давали крайне малые количества, что ограничивало доступность и удорожало препарат. Аналогично в 1940-х годах для лечения артрита и других заболеваний и травм начали применять кортизон, синтез которого включал 36 стадий. Химик Перси Лавон Джулиан (Percy Lavon Julian) обратился к более доступному источнику — соевым бобам. Ранее Джулиан создал лабораторию для выделения соевого белка, использовавшегося, в частности, при тушении пожаров. Он сосредоточился на стеринах сои — веществах, входящих преимущественно в состав мембран растительных клеток, — и сумел быстро получать прогестерон, а затем тестостерон и другие гормоны. Позднее он разработал аналогичный процесс для кортизона и заложил основы современного дизайна лекарств. Поскольку соя и сходные растительные источники были чрезвычайно доступны, эти лекарственные средства быстро стали массовыми, спасая множество жизней.

Химия — центральная наука

Химию иногда называют «центральной наукой» из-за её связи с обширным кругом других STEM-дисциплин (STEM — естественные науки, технологии, инженерия и математика). Химия и язык химиков играют важнейшую роль в биологии, медицине, материаловедении, криминалистике, экологии и многих других областях (Рис. 1.3). Основные принципы физики необходимы для понимания многих сторон химии, причём между двумя дисциплинами существует значительное пересечение — например, в химической физике и ядерной химии. Математика, информатика и теория информации дают нам инструменты, позволяющие вычислять, истолковывать, описывать и в целом осмысливать химический мир.

Биология и химия сходятся в биохимии, без которой невозможно понять множество сложных факторов и процессов, поддерживающих жизнь живых организмов (включая нас самих). Химическая технология, материаловедение и нанотехнологии сочетают химические принципы и экспериментальные данные для получения полезных веществ — от бензина до тканей и электроники. Сельское хозяйство, наука о пище, ветеринария, пивоварение и виноделие обеспечивают население мира продовольствием и напитками. Медицина, фармакология, биотехнология и ботаника выявляют и производят вещества, поддерживающие наше здоровье. Экология, геология, океанография и науки об атмосфере используют химические идеи для лучшего понимания и охраны окружающего нас физического мира. Наконец, химические представления помогают изучать Вселенную в астрономии и космологии.

Рис. 1.3. Знания химии играют центральную роль в понимании широкого круга научных дисциплин. На этой схеме показана лишь часть взаимосвязей между химией и другими областями.

Какие изменения вещества важны для повседневной жизни? Переваривание и усвоение пищи, синтез полимеров, из которых изготавливают одежду, упаковку, посуду и банковские карты, переработка сырой нефти в бензин и другие продукты — лишь немногие примеры. По мере изучения этого курса вы встретите множество других превращений в составе и строении вещества, узнаете, как их классифицировать, как они происходят, чем вызваны, какими энергетическими изменениями сопровождаются и какими принципами и законами описываются. Изучая всё это, вы будете изучать химию (chemistry) — науку о составе, свойствах и взаимодействиях вещества. Химия не ограничивается учебниками или лабораториями: она имеет место всякий раз, когда кто-то участвует в превращениях вещества или создаёт условия, способные привести к таким превращениям.

Научный метод

Химия — наука, основанная на наблюдении и эксперименте. Заниматься химией — значит пытаться отвечать на вопросы и объяснять наблюдения в терминах химических законов и теорий, используя процедуры, принятые научным сообществом. Единого пути к ответу на вопрос или объяснению наблюдения не существует, однако у каждого подхода есть общая черта: каждый из них опирается на знание, основанное на экспериментах, которые можно воспроизвести для подтверждения результатов. Некоторые подходы начинаются с гипотезы (hypothesis) — предварительного объяснения наблюдений, служащего ориентиром для сбора и проверки сведений. Гипотезу проверяют экспериментом, расчётом и/или сопоставлением с опытами других исследователей, а при необходимости уточняют.

Часть гипотез представляет собой попытки объяснить поведение, которое обобщают законы (laws). Законы науки кратко выражают огромное число экспериментальных наблюдений и описывают или предсказывают ту или иную сторону природного мира. Если гипотеза оказывается способна объяснить большой массив экспериментальных данных, она может перейти в статус теории (theory). Научные теории — это хорошо обоснованные, всесторонние, проверяемые объяснения определённых сторон природы. Теории принимают потому, что они дают удовлетворительные объяснения, однако при появлении новых данных их можно уточнять. Путь познания, ведущий от вопроса и наблюдения к закону или гипотезе, а затем к теории — вместе с экспериментальной проверкой гипотезы и необходимыми уточнениями теории — называется научным методом (scientific method) (Рис. 1.4).

Рис. 1.4. Научный метод следует процессу, близкому к показанному на этой схеме. Здесь представлены все основные элементы в приблизительном порядке. Научный прогресс редко бывает упорядоченным: он требует открытого исследования и пересмотра вопросов и идей в ответ на полученные результаты.

Области химии

Химики изучают и описывают поведение вещества и энергии в трёх различных областях: макроскопической, микроскопической и символической. Эти области дают разные способы рассматривать и описывать химические явления.

«Макро» — греческое слово, означающее «большой». Макроскопическая область (macroscopic domain) нам привычна: это область повседневных предметов, достаточно крупных, чтобы их можно было непосредственно воспринимать зрением или осязанием. В быту сюда относится еда, которую мы едим, и ветерок, который мы ощущаем кожей лица. В макроскопическую область попадает повседневная и лабораторная химия, в которой мы наблюдаем и измеряем физические и химические свойства — например, плотность, растворимость, горючесть.

«Микро» — тоже греческое слово, означающее «малый». Микроскопическую область (microscopic domain) химии часто посещают в воображении. Некоторые её объекты видны в обычные оптические микроскопы — например, многие биологические клетки. Более совершенные приборы позволяют получать изображения ещё меньших объектов — молекул и атомов (см. Рис. 1.5 (b)).

Однако большая часть объектов микроскопической области химии слишком мала, чтобы её можно было увидеть даже в самые совершенные микроскопы; их можно представить лишь мысленно. К другим составляющим микроскопической области относятся ионы и электроны, протоны и нейтроны, химические связи — каждое из этих образований намного меньше того, что доступно глазу.

Символическая область (symbolic domain) содержит специализированный язык, которым описывают объекты макроскопической и микроскопической областей. Химические символы (например, символы периодической таблицы), химические формулы и химические уравнения относятся к символической области, как и графики, рисунки и расчёты. Эти обозначения играют важную роль в химии, поскольку помогают истолковывать поведение макроскопической области через объекты микроскопической. Одна из сложностей для изучающих химию состоит в том, что одни и те же символы могут обозначать разные вещи в макроскопической и микроскопической областях; а одна из привлекательных особенностей химии — использование области, которую приходится воображать, чтобы объяснить поведение в области, которую можно наблюдать.

Удобный способ понять три области — обратиться к незаменимому и повсеместно распространённому веществу, воде. То, что вода при умеренных температурах является жидкостью, при низких затвердевает, а при высоких закипает, превращаясь в газ (Рис. 1.5), — это макроскопические наблюдения. Однако часть свойств воды относится к микроскопической области — к тому, что нельзя наблюдать невооружённым глазом. Описание воды как состоящей из двух атомов водорода и одного атома кислорода и объяснение замерзания и кипения через взаимодействие этих молекул — это уже микроскопический уровень. Формула \(\ce{H2O}\), способная описывать воду как на макроскопическом, так и на микроскопическом уровне, относится к символической области. Обозначения \((g)\) для газа, \((s)\) для твёрдого тела и \((l)\) для жидкости — тоже символические.

Рис. 1.5. (a) Влага в воздухе, айсберги и океан представляют воду в макроскопической области. (b) На молекулярном уровне (микроскопическая область) молекулы газа находятся далеко друг от друга и расположены беспорядочно; молекулы льда расположены близко и упорядоченно; молекулы жидкости — близко, но беспорядочно. © Формула \(\ce{H2O}\) символизирует воду, а \((g)\), \((s)\), \((l)\) — её фазы. Обратите внимание, что облака состоят из очень мелких капель жидкой воды или кристалликов льда; газообразная вода в атмосфере невидима, хотя и ощущается как влажность. (источник a: модификация работы «Gorkaazk»/Wikimedia Commons)