Химия

I

Хи́мия

I. Предмет и структура химии

Химия — одна из отраслей естествознания, предметом изучения которой являются химические элементы (Атомы), образуемые ими простые и сложные вещества (молекулы (См. Молекула)), их превращения и законы, которым подчиняются эти превращения. По определению Д. И. Менделеева (1871), «химию в современном ее состоянии можно... назвать учением об элементах». [Происхождение слова «химия» выяснено не окончательно. Многие исследователи полагают, что оно происходит от старинного наименования Египта — Хемия (греч. Chemía, встречается у Плутарха), которое производится от «хем» или «хаме» — чёрный и означает «наука чёрной земли» (Египта), «египетская наука».]

Современная Х. тесно связана как с др. науками, так и со всеми отраслями народного хозяйства. Качественная особенность химической формы движения материи и её переходов в др. формы движения обусловливает разносторонность химической науки и её связей с областями знания, изучающими и более низшие, и более высшие формы движения. Познание химической формы движения материи обогащает общее учение о развитии природы, эволюции вещества во Вселенной, содействует становлению целостной материалистической картины мира. Соприкосновение Х. с др. науками порождает специфические области взаимного их проникновения. Так, области перехода между Х. и физикой (См. Физика) представлены физической химией (См. Физическая химия) и химической физикой (См. Химическая физика). Между Х. и биологией (См. Биология), Х. и геологией (См. Геология) возникли особые пограничные области — Геохимия, Биохимия, Биогеохимия, Молекулярная биология. Важнейшие законы Х. формулируются на математическом языке, и теоретическая Х. не может развиваться без математики. Х. оказывала и оказывает влияние на развитие философии и сама испытывала и испытывает её влияние.

Исторически сложились два основных раздела Х.: Неорганическая химия, изучающая в первую очередь химические элементы и образуемые ими простые и сложные вещества (кроме соединений углерода), и Органическая химия, предметом изучения которой являются соединения углерода с др. элементами (органические вещества). До конца 18 в. термины «неорганическая Х.» и «органическая Х.» указывали лишь на то, из какого «царства» природы (минерального, растительного или животного) получались те или иные соединения. Начиная с 19 в. эти термины стали указывать на присутствие или отсутствие углерода в данном веществе. Затем они приобрели новое, более широкое значение. Неорганическая Х. соприкасается прежде всего с геохимией и далее с минералогией (См. Минералогия) и геологией, т. е. с науками о неорганической природе. Органическая Х. представляет отрасль Х., которая изучает разнообразные соединения углерода вплоть до сложнейших биополимерных веществ; через органическую и биоорганическую химию (См. Биоорганическая химия) Х. граничит с биохимией и далее с биологией, т. е. с совокупностью наук о живой природе. На стыке между неорганической и органической химией находится область элементоорганических соединений (См. Элементоорганические соединения).

В Х. постепенно сформировались представления о структурных уровнях организации вещества. Усложнение вещества, начиная от низшего, атомарного, проходит ступени молекулярных, макромолекулярных, или высокомолекулярных, соединений (полимер), затем межмолекулярных (комплекс, клатрат, катенан), наконец, многообразных макроструктур (кристалл, мицелла) вплоть до неопределённых нестехиометрических образований. Постепенно сложились и обособились соответствующие дисциплины: Х. комплексных соединений (См. Комплексные соединения), полимеров (См. Полимеры), Кристаллохимия, учения о дисперсных системах (См. Дисперсные системы) и поверхностных явлениях (См. Поверхностные явления), сплавах и др.

Изучение химических объектов и явлений физическими методами, установление закономерностей химических превращений, исходя из общих принципов физики, лежит в основе физической химии. К этой области Х. относится ряд в значительной мере самостоятельных дисциплин: Термодинамика химическая, Кинетика химическая, Электрохимия, Коллоидная химия, Квантовая химия и учение о строении и свойствах молекул, ионов, радикалов, Радиационная химия, Фотохимия, учения о Катализе, химических равновесиях, растворах и др. Самостоятельный характер приобрела Аналитическая химия, методы которой широко применяются во всех областях Х. и химической промышленности. В областях практического приложения Х. возникли такие науки и научные дисциплины, как Химическая технология с множеством её отраслей, Металлургия, Агрохимия, медицинская Х., судебная Х. и др.

II. Очерк исторического развития химии

Как область практической деятельности Х. уходит корнями в глубокую древность (Египет, Индия, Китай и др. страны). Задолго до нашей эры человек познакомился с превращениями различных веществ и научился пользоваться ими для своих нужд. Одна из древнейших ветвей Х. — металлургия. За 4—3 тыс. лет до н. э. начали выплавлять медь из руд, а позже изготовлять сплав меди с оловом (бронзу (См. Бронза)). Во 2-м тысячелетии до н. э. научились получать из руд железо сыродутным процессом (См. Сыродутный процесс). За 1600 лет до н. э. начали применять для крашения тканей природную краску Индиго, а несколько позже — Пурпур и Ализарин, а также приготовлять уксус, лекарства из растительных материалов и др. продукты, выработка которых связана с химическими процессами. К истокам Х. относятся альтернативные в то время атомистическое учение и учение об элементах-стихиях древней натурфилософии.

В 3—4 вв. н. э. в Александрии зародилась Алхимия, признававшая возможным превращение с помощью т. н. философского камня неблагородных металлов в благородные — в золото и серебро. Главным в Х. этого периода было наблюдение отдельных свойств веществ и объяснение их с помощью субстанций (начал), якобы входящих в состав этих веществ.

Начиная с эпохи Возрождения в связи с развитием производства всё большее значение в алхимии стало приобретать производственное и вообще практическое направление: металлургия, стеклоделие, изготовление керамики и красок (труды В. Бирингуччо, Г. Агриколы (См. Агрикола), Б. Палисси и др.). Возникло особое медицинское направление — Ятрохимия (Т. Парацельс, Я. Б. ван Гельмонт и др.). Эти два направления характерны для этапа практической Х. 16 — 1-й половины 17 вв., который непосредственно подвёл к созданию Х. как науки. В этот период были накоплены навыки экспериментальной работы и наблюдений в области Х., в частности разработаны и усовершенствованы конструкции печей и лабораторных приборов, методы очистки веществ (кристаллизация, перегонка и др.), получены новые химические препараты. В начале 2-й половины 17 в. Р. Бойль доказал несостоятельность алхимических представлений, дал первое научное определение понятия химического элемента и тем самым впервые поднял Х. на уровень науки. Процесс превращения Х. в науку занял более ста лет и завершился открытиями А. Л. Лавуазье. Первая теория в Х. — теория флогистона (в её основе лежало признание особого гипотетического начала горючести — Флогистона), хотя и была ошибочной, тем не менее обобщила широкий круг фактов, касавшихся горения и обжига металлов. Со 2-й половины 17 в. стал быстро развиваться химический анализ, сначала — качественный (начиная с Бойля), а с середины 18 в. — количественный (начиная с М. В. Ломоносова и Дж. Блэка).

В 1748 Ломоносов и позднее Лавуазье открыли закон сохранения веса (массы) веществ при химических реакциях. Созданием кислородной теории Лавуазье, по словам Ф. Энгельса, «... впервые поставил на ноги всю химию, которая в своей флогистонной форме стояла на голове» (Маркс К. и Энгельс Ф., Соч., 2 изд., т. 24, с. 20). В конце 18 в. Х. окончательно приобрела черты подлинной науки.

Х. 19 в. характеризуется развитием химической атомистики (см. Атомизм). Атомное учение в 17—18 вв. разрабатывалось преимущественно с сугубо абстрактной, механистической точки зрения. Но уже Ломоносов близко подошёл к приложению атомной гипотезы к задачам Х. Химическая атомистика родилась из слияния старой натурфилософской идеи об атомах с опытными аналитическими данными о химическом количественном составе веществ. В течение первых двух третей 19 в. в Х. сформировались два фундаментальных её понятия — атомного веса (см. Атомная масса) и валентности (См. Валентность), или «атомности»; позднее (1869) Менделеевым была раскрыта связь между ними. В 1803 Дж. Дальтон вывел из идей атомистики Кратных отношений закон, а затем (1804) подтвердил его экспериментально. На этой основе он разработал представление об атомных весах и составил их первые таблицы, приняв за единицу соединительный вес («пай») водорода. Однако значения атомных весов элементов были ещё весьма неточны, отчасти из-за несовершенства измерительных приборов, отчасти потому, что ещё не было установлено правильное соотношение между понятиями атома и молекулы. Представление о молекуле и её отличии от атома выдвинули А. Авогадро (1811) и А. Ампер (1814), но оно тогда не было принято химиками. И. Я. Берцелиус на большом экспериментальном материале подтвердил закон кратных отношений Дальтона, распространил его на органические соединения, опубликовал (1814) таблицу более точных, чем у Дальтона, атомных весов 46 элементов и ввёл новые Знаки химические. Опираясь на первые данные о существовании связи между электрическими и химическими процессами (см. Электрохимия), Берцелиус выдвинул «дуалистическую» теорию (1812—19), согласно которой химические взаимодействия обусловлены действием электрических сил, поскольку допускалось, что в каждом атоме, в любой атомной группировке имеются два электрических полюса. Были сделаны попытки приложить эту теорию к органической Х., а именно: к радикалов теории (См. Радикалов теория), согласно которой органические соединения также состоят из двух частей, причём одна часть является радикалом — группой атомов, которая ведёт себя подобно отдельному атому и может без изменения переходить из одного химического соединения в другое. На смену дуалистической теории пришла унитарная (молекулярная) теория Ш. Ф. Жерара и, соответственно, на смену теории радикалов — Типов теория. Теория типов отражала не строение вещества, а его химические превращения, впервые указывая на реакционную активность т. н. функциональных групп молекулы. Поэтому у одного вещества могло быть несколько различных «типических» формул. Сами же органические соединения рассматривались как продукты замещения атомов водорода др. атомами или группами атомов (остатками) в молекулах водорода, воды, хлористого водорода и аммиака. Теория типов, в особенности введённое Жераром представление о гомологических рядах (См. Гомологические ряды), сыграла положительную роль в классификации органических веществ и их превращений.

В 1852 Э. Франкленд, изучая металло-органические соединения, заложил основы учения о валентности. Он показал, что атомы элементов обладают определённой «соединительной силой, удовлетворяясь одним и тем же числом присоединяющихся атомов». За единицу валентности была принята валентность водорода. Позднее Ф. А. Кекуле ввёл понятие о соединениях типа метана; из этого следовало, что атом углерода четырёхвалентен; он же высказал предположение (1858), что атомы углерода могут соединяться в цепи. В том же году А. Купер впервые составил графические формулы органических соединений, исходя из того, что атом углерода четырёхвалентен. Однако Кекуле не сумел ещё полностью преодолеть ограниченность «типических» воззрений. Это сделал А. М. Бутлеров (1861), создав химического строения теорию (См. Химического строения теория), согласно которой химические свойства вещества определяются составом и строением молекул, а реакционная способность зависит от того, в какой последовательности атомы связаны в данной молекуле, а также от их взаимного влияния.

Первый международный конгресс химиков в Карлсруэ (1860) четко разграничил понятия атома, молекулы, эквивалента; это способствовало дальнейшему развитию Х. В 1859—61 она обогатилась весьма совершенным методом спектрального анализа (См. Спектральный анализ), благодаря чему удалось обнаружить присутствие некоторых химических элементов в составе небесных тел; была установлена связь между физикой (оптикой), астрономией и Х.

По мере открытия новых химических элементов всё острее ощущалась необходимость их систематизации. В 1869 Д. И. Менделеев обнаружил их взаимную связь: он создал периодическую систему элементов (См. Периодическая система элементов) и открыл лежащий в её основе закон (Периодический закон Менделеева). Это открытие явилось теоретическим синтезом всего предшествующего развития Х.: Менделеев сопоставил физические и химические свойства всех известных тогда 63 химических элементов с их атомными весами и раскрыл зависимость между двумя важнейшими количественно измеримыми свойствами атомов, на которых строилась вся Х., — атомным весом и валентностью («формами соединений»).

На основе периодической системы Менделеев исправил ранее принятые значения атомных весов многих элементов и предсказал ряд не открытых ещё элементов, подробно описав предполагаемые свойства трёх из них. Эти прогнозы, а вместе с ними и сам периодический закон вскоре получили блестящее опытное подтверждение. В дальнейшем периодический закон лег в основу развития Х. и всего учения о веществе.

По мере прогресса физики и Х. устанавливались основные понятия и законы, которые, с одной стороны, поставили на более высокую ступень обе эти науки, а с другой — послужили основой для становления физической химии, зарождение отдельных отраслей которой началось ещё в конце 18 — 1-й половине 19 вв. В исследовании общих закономерностей, управляющих химическими процессами, оказалась крайне заинтересованной и химическая промышленность, достигшая значительных успехов к 80-м гг. 19 в.

Изучение тепловых эффектов химических процессов получило прочную основу после открытия Г. И. Гессом (1840) основного теплового закона химических процессов (см. Гесса закон). Во 2-й половине 19 в. большая работа по определению теплот химических реакций была проделана П. Э. М. Бертло, Х. П. Ю. Томсеном, Н. Н. Бекетовым и др.; она завершилась к концу 19в. созданием одного из разделов физической Х. — термохимии (См. Термохимия). С возникновением термодинамики (См. Термодинамика) и развитием термохимии в тесной связи с последней во 2-й половине 19 в. начинает развиваться химическая термодинамика, изучающая энергетические эффекты, которыми сопровождаются химические процессы, самую возможность, направление и пределы таких процессов и др. термодинамические явления в физико-химических системах (труды Дж. Гиббса, Я. Вант-Гоффа, А. Ле Шателье и др.).

Успешно начатые Г. Дэви электрохим. исследования получили количественную завершённость в трудах М. Фарадея (См. Фарадей), открывшего (1833—34) законы Электролиза. Со 2-й половины 19 в. началось изучение механизма прохождения электрического тока через растворы электролитов (работы Р. Клаузиуса, И. В. Гитторфа, Ф. Кольрауша (См. Кольрауша закон) и др.), которое привело к созданию С. Аррениусом теории электролитической диссоциации (См. Электролитическая диссоциация) (1883—87). Согласно этой теории, электролиты в растворах распадаются на Ионы. Приложение законов термодинамики к электрохимии позволило установить и причину возникновения эдс в гальванических цепях.

Одновременно развивалось учение о растворах (См. Растворы), которое обогатилось результатами исследований Вант-Гоффа, посвященных разбавленным растворам; в этих трудах, выполненных в 1885—89, свойства растворённых веществ сопоставлялись со свойствами газов (См. Газы), а растворитель считался индифферентной средой. Согласно химической теории водных растворов Менделеева, разработанной в 1865—87, растворённое вещество и растворитель взаимодействуют между собой в растворе. Менделеев не проводил резкой границы между химическим взаимодействием и взаимодействием растворённого вещества и растворителя в растворе. Этот вывод получил дальнейшее развитие в работах Н. С. Курнакова и его школы по физико-химическому анализу (См. Физико-химический анализ).

Наблюдения над жидкими системами показали, что наряду с истинными растворами, в которых растворённые вещества находятся в виде отдельных молекул и ионов, существуют и такие, в которых «растворённое» вещество находится в виде агрегатов, состоящих из огромного числа молекул. Для таких систем Т. Грэм ввёл (1861) название «коллоиды». Дальнейшее изучение дисперсных систем привело к созданию коллоидной химии.

Уже в начале 19 в. были получены первые сведения об ускорении химических реакций под действием небольших количеств некоторых веществ. Такие процессы Э. Мичерлих назвал контактными (1833), а Берцелиус — каталитическими (1835). С тех пор как было налажено каталитическое производство серной кислоты (60-е гг. 19 в.), интерес к таким процессам сильно возрос. К концу 19 в. учение о катализе и практическое использование катализаторов (См. Катализаторы) заняли важное место в Х. С катализом теснейшим образом связана Адсорбция, открытая Т. Е. Ловицем в 1785. В 1878 Гиббс установил основные законы поверхностных явлений, адсорбции и образования новых фаз.

Со 2-й половины 19 в. развивается учение о скоростях химических реакций и химическом равновесии. Значение активной массы (концентрации) реагирующих веществ было отмечено ещё в 1801—03 К. Бертолле. Последующая разработка вопросов, связанных с равновесием химических реакций, привела К. Гульдберга и П. Вааге к открытию (1864—67) Действующих масс закона который лёг в основу учения о скоростях реакций. Систематические работы Н. А. Меншуткина (с 1877) явились существенным вкладом в установление кинетических закономерностей химических реакций. В 1884 Вант-Гофф суммировал накопившийся в этой области материал в виде кинетических уравнений.

III. Химия 20 века

Конец 19 в. ознаменовался тремя выдающимися открытиями в области физики, в результате которых была доказана сложная структура атома, прежде считавшегося неделимым, — были открыты Рентгеновские лучи, явление радиоактивности (См. Радиоактивность) и Электрон. Это положило начало новому этапу в развитии Х. После того как Э. Резерфорд установил существование атомных ядер и предложил планетарную модель атома (1911), началась успешная разработка теории строения атома, появились новые представления об электрической природе химических сил (см. Атом, Атомная физика).

Открытый Г. Мозли закон (1913) связал положение элемента в периодической системе и его характеристическое рентгеновское излучение. Это привело к выводу, что атомный номер химического элемента численно равен заряду атомного ядра этого элемента, а следовательно общему числу электронов в оболочке нейтрального атома. Ещё более глубокое понимание периодического закона было достигнуто на основании работ Н. Бора и др. учёных, показавших, что по мере перехода от элементов с меньшими атомными номерами к элементам с большими их значениями происходит заполнение электронами оболочек (уровней и подуровней), всё далее расположенных от ядра. При этом периодически повторяется сходная структура внешних электронных конфигураций, от чего и зависит в основном периодичность химических и большинства физических свойств элементов и их соединений. Решающую роль в понимании закономерностей заполнения электронных оболочек атома и объяснении атомных и молекулярных спектров сыграл Паули принцип. Сделанные открытия позволили решить многие вопросы, связанные с дальнейшей разработкой и теоретическим обоснованием периодической системы Менделеева. Обнаружение изотопов (См. Изотопы) показало, что не атомная масса, а заряд ядра определяет место элемента в периодической системе. Открытием нейтронов (Дж. Чедвик, 1932) и искусственной радиоактивности (И. и Ф. Жолио-Кюри, 1934) были заложены основы получения новых радиоактивных изотопов и элементов, отсутствующих в природе, и последующего синтеза трансурановых элементов (См. Трансурановые элементы).

С решением проблемы строения атома связан вопрос о природе химической связи (См. Химическая связь). В. Коссель (1916) и Г. Льюис (1916) предложили первые электронные теории валентности и химической связи. Теория Косселя рассматривала образование ионной связи, теория Льюиса — ковалентной. Описательная сторона этих теорий, хорошо согласующаяся с моделью атома Бора и объясняющая некоторые характерные особенности химической связи, сохраняет в известной мере своё значение до сих пор. Выдвинутые позже концепции, в частности Резонанса теория (Л. Полинг), позволяют получать некоторые качественные и полуколичественные данные о симметрии молекул, об эквивалентности тех или иных связей и структурных элементов в молекулах, о стабильности и реакционной способности молекул.

Однако только на основе квантовой механики (См. Квантовая механика) удалось объяснить природу химической связи, точно рассчитать энергию связи для простейшей молекулы — молекулы водорода (нем. учёные В. Гейтлер и Ф. Лондон, 1927) — и многие физические параметры др. двухатомных и нескольких многоатомных молекул (H2O, HF, LiH, NH3 и др.), в том числе межатомные расстояния, энергии образования из атомов, частоты колебания в спектрах, электрические и магнитные свойства, насыщаемость и направленность связей.

Новейший этап развития Х. характеризуется быстрой разработкой пространственных представлений о строении вещества, стереохимических концепций. Ещё в 1874—75 Ж. А. Ле Бель и Вант-Гофф высказали предположение, что 4 атома или радикала, связанные с атомом углерода, расположены не в одной плоскости, а в пространстве, по вершинам тетраэдра, в центре которого находится атом углерода. В связи с этим было расширено представление об изомерии (См. Изомерия), установлено несколько её видов и были заложены основы стереохимии (См. Стереохимия). Для многих молекул были определены их стабильные пространственные конфигурации; в дальнейшем исследователи установили лабильные конформации молекул, возникающие в результате некоторого затруднения свободного вращения атомных групп вокруг простых связей (см. Конформационный анализ).

Современная теоретическая Х. основывается на общефизическом учении о строении материи, на достижениях квантовой теории, термодинамики и статистической физики. Применение методов квантовой механики к решению химических задач привело к возникновению квантовой Х. Её задачей стало решение волнового уравнения Шредингера для многоэлектронных систем молекул. Одним из первых результатов была теория валентных связей, ещё широко использовавшая традиционное представление о паре электронов как носительнице химической связи (Гейтлер, Лондон, Дж. Слэтер, Полинг). Затем был разработан метод молекулярных орбиталей (МО), рассматривающий целостную электронную структуру молекулы; каждая молекулярная орбиталь (волновая функция) учитывает вклад в неё всех электронных орбиталей атомов (см. Молекулярных орбиталей метод). Наиболее распространённый вариант метода МО основанный на приближённом описании молекулярных орбиталей через линейную комбинацию атомных орбиталей (ЛКАО МО). В ряде случаев для простейших молекул на основе использования новейшей вычислительной техники могут быть проведены весьма сложные расчёты молекул без всяких предварительных упрощений задачи. На основе указанного метода рассчитываются энергетические и электронные параметры молекул (распределение электронной плотности, величина энергии, длина и порядок связей, некоторые физические свойства соединений). Метод МО получил ныне распространение в теории органической Х. В неорганической Х. на основе его сочетания с теорией кристаллического поля (Х. Бете) возникла теория поля лигандов.

Квантовохимическое рассмотрение кинетических соотношений, установленных Аррениусом и Вант-Гоффом, привело к возникновению учения об абсолютных скоростях химических реакций, являющегося основой химической кинетики. Это позволило вычленить очень важную теоретическую проблему современной Х. — вопрос о природе переходного состояния, промежуточного активированного комплекса (См. Активированный комплекс), внутри которого происходят во многом ещё неясные процессы перестройки структуры молекул.

Детальное изучение кинетики и механизмов реакций, исследование элементарных актов химических взаимодействий — важная задача химической физики. Большое значение приобрели работы в области цепных реакций (См. Цепные реакции), основы теории которых были разработаны Н. Н. Семеновым (См. Семёнов) и С. Хиншелвудом. Кинетические исследования сыграли важную роль в развитии технологии переработки нефти, горения топлива, синтеза высокомолекулярных веществ. Показана возможность химической фиксации азота при обычных температуре и давлении, что может существенно изменить будущую технологию.

Ядерные превращения и сопутствующие им физико-химические явления, продукты ядерных реакций, радиоактивные изотопы, элементы и вещества служат объектами изучения ядерной химии и радиохимии (См. Радиохимия). Работы в этом направлении имеют большое значение для получения и извлечения атомного сырья, разделения изотопов, использования расщепляющихся материалов.

Взаимодействие вещества с излучением и частицами высоких энергий различной природы, приводящее к химическим превращениям, изучается радиационной Х. Воздействие радиации инициирует многие процессы, в том числе синтез высокомолекулярных соединений из мономеров. В частности, под действием света происходят фотохимические реакции. Фотохимия исследует как связывание энергии электромагнитного излучения (например, в фотосинтезе, осуществляемом зелёными растениями), так и многочисленные реакции синтеза и распада, изомеризации и перегруппировок, возникающие в ходе указанного взаимодействия. Для промышленного производства перспективно использование мощной энергии Лазера.

В электрохимии накоплен большой материал по исследованию электролитов, их электропроводности, электрохимических процессов, создана электрохимическая кинетика, изучаются неравновесные электродные потенциалы, процессы коррозии (См. Коррозия) металлов, разрабатываются новые Химические источники тока. Успехи теоретической электрохимии позволили дать более прочную научную основу многим промышленным электрохимическим процессам.

Влияние магнитных полей на химическое поведение молекул рассматривается магнетохимией (См. Магнетохимия). Область термохимических исследований расширилась в результате изучения взаимодействия вещества с плазмой (См. Плазма), в частности в целях использования в плазмохимической технологии. Становление плазмохимии (См. Плазмохимия) относится к 60-м гг., когда были выполнены основополагающие работы в СССР, США и ФРГ.

Химические превращения совершаются во всех агрегатных состояниях вещества — в жидком, газообразном и твёрдом. Всё большую актуальность приобретают исследования химических реакций твёрдых тел (Топохимические реакции).

В современной Х. накапливаются данные о химической эволюции вещества во Вселенной, что позволяет составить общую картину эволюции природы. Современная Ядерная физика и Астрофизика сформировали представление о возникновении химических элементов. На основе изучения Х. метеоритов, вулканических земных пород, лунного грунта постепенно вырисовывается картина химической дифференциации вещества на планетной стадии развития, в частности геохимической эволюции (см. Геохимия, Космохимия).

Обнаружение сложных органических молекул в межзвёздном пространстве, в метеоритах и древнейших горных породах Земли, а также модельные опыты по синтезу сложных органических веществ из простейших соединений (CH4, CO2, NH3, H2O) в условиях искрового разряда, радиоактивного и ультрафиолетового облучения позволили представить этапы химической эволюции материи, предшествовавшие возникновению жизни (см. также Происхождение жизни).

Геохимия вулканогенных и осадочных пород, Гидрохимия, Х. атмосферы, биогеохимия постепенно формируют представления о планетарных миграциях химических элементов, биохимия — о жизненных циклах. На основе этих данных всё более наполняется конкретным содержанием учение В. И. Вернадского (См. Вернадский) о решающей роли процессов жизнедеятельности для понимания судьбы химических элементов на нашей планете.

Большие успехи сделала органическая химия. Так, разработаны автоматические методы синтеза многих белков; установлена структура ряда важных природных веществ — тетродотоксина, гемоглобина, аспартат-аминотрансферазы, содержащей 412 аминокислот, и др.; синтезированы сложнейшие природные соединения — хинин, витамин B12 и даже хлорофилл. Огромное влияние оказала органическая химия на развитие молекулярной биологии. Органическая химия легла в основу создания мощной индустрии тяжелого органического синтеза.

Химия полимеров, которая сформировалась в самостоятельную химическую дисциплину лишь в 30-х гг., изучает весь комплекс представлений о путях синтеза высокомолекулярных соединений, их свойствах и превращениях, а также о свойствах тел, построенных из макромолекул. Для современного этапа химии полимеров характерно углублённое изучение механизмов каталитической полимеризации, вызываемой металлоорганическими соединениями, в частности синтеза стереорегулярных полимеров, исследование микроструктуры высокомолекулярных соединений. Установлено, что свойства полимеров зависят не только от химического состава, строения и размеров макромолекул, но и в не меньшей степени от их взаимного расположения и упаковки (надмолекулярной структуры). Важным достижением явилось создание термостойких полимеров (кремнийорганических, полиимидов и др.). Успехи химии полимеров позволили создать такие важнейшие отрасли химической промышленности как производства пластмасс, синтетического каучука, химических волокон, лакокрасочных материалов, ионитов, клеёв и др.

На всех структурных уровнях организации живого важнейшую роль играют специфические химические процессы. Непрерывный обмен веществ в организме представляет собой сложнейшую систему согласованных химических реакций, осуществляемых с участием специфических белковых катализаторов — ферментов.

Воздействие химических процессов, происходящих во внешней среде, на сообщества организмов (биоценозы), химическая миграция элементов внутри экосистем, химическое стимулирование или подавление симбиотических или конкурентных видов исследуются в рамках химической экологии (См. Экология). Формирование поведения организмов в сообществах в значительной степени зависит от химических средств передачи информации (например, феромонов (См. Феромоны), используемых животными для привлечения или отпугивания др. особей, регуляции жизнедеятельности в семьях пчёл, муравьев и т.д.).

Традиционные для биохимии нейрохимические исследования переросли в новую отрасль знаний, изучающую влияния химических соединений на психические процессы; формируется т. н. молекулярная психобиология, связывающая молекулярную биологию с наукой о поведении (см. также Психофармакология).

IV. Современные методы исследования в химии

С середины 20 в. происходят коренные изменения в методах химических исследований, в которые вовлекается широкий арсенал средств физики и математики. Классические задачи Х. — установление состава и строения веществ — всё успешнее решаются с использованием новейших физических методов. Неотъемлемой чертой теоретической и экспериментальной Х. стало применение новейшей быстродействующей вычислительной техники для квантовохимических расчётов, выявления кинетических закономерностей, обработки спектроскопических данных, расчёта структуры и свойств сложных молекул.

Из числа чисто химических методов, разработанных в 20 в., следует отметить Микрохимический анализ, позволяющий производить аналитические операции с количествами веществ, в сотни раз меньшими, чем в методе обычного химического анализа. Большое значение приобрела Хроматография, служащая не только для аналитических целей, но и для разделения весьма близких по химическим свойствам веществ в лабораторных и промышленных масштабах. Важную роль играет физико-химический анализ (ФХА) как один из методов определения химического состава и характера взаимодействия компонентов в растворах, расплавах и др. системах. В ФХА широко используются графические методы (диаграммы состояния (См. Диаграмма состояния) и диаграммы состав — свойство (См. Диаграмма состав — свойство)). Классификация последних позволила уточнить понятие химического индивида, состав которого может быть постоянным и переменным (см. Дальтониды и бертоллиды). Предсказанный Курнаковым класс нестехиометрических соединений (См. Нестехиометрические соединения) приобрёл большое значение в материаловедении и новой области — Х. твёрдого тела.

Люминесцентный анализ, метод меченых атомов (см. Изотопные индикаторы), Рентгеновский структурный анализ, Электронография, Полярография и др. физико-химические методы анализа находят широкое применение в аналитической Х. Использование радиохимических методик позволяет обнаружить присутствие всего нескольких атомов радиоактивного изотопа (например, при синтезе трансурановых элементов).

Для установления строения химических соединений важное значение имеет молекулярная спектроскопия (см. Молекулярные спектры), с помощью которой определяются расстояния между атомами, симметрия, наличие функциональных групп и др. характеристики молекулы, а также изучается механизм химических реакций. Электронная энергетическая структура атомов и молекул, величина эффективных зарядов выясняются посредством эмиссионной и абсорбционной рентгеновской спектроскопии (См. Рентгеновская спектроскопия). Геометрия молекул исследуется методами рентгеновского структурного анализа.

Обнаружение взаимодействия между электронами и ядрами атомов (обусловливающего сверхтонкую структуру их спектров), а также между внешними и внутренними электронами позволило создать такие методы установления строения молекул, как Ядерный магнитный резонанс (ЯМР), Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), Ядерный квадрупольный резонанс (ЯКР), гамма-резонансная спектроскопия (см. Мёссбауэра эффект). Особую роль по широте применения приобрела ЯМР-спектроскопия. Для выяснения пространственных характеристик молекул возрастающее значение приобретают оптические методы: спектрополяриметрия, круговой дихроизм, дисперсия оптического вращения. Разрушение молекул в вакууме под влиянием электронного удара с идентификацией осколков применяется для установления их строения методом масс-спектроскопии (См. Масс-спектроскопия). Арсенал кинетических методов пополнился средствами, связанными с использованием ЭПР- и ЯМР-спектроскопии (Химическая поляризация ядер), метода импульсного фотолиза и радиолиза. Это позволяет изучать сверхбыстрые процессы, протекающие за время 10-9сек и меньше.

Для исследования космических объектов с успехом применяются методы спектрального анализа в различных диапазонах электромагнитного спектра. В частности, методами радиоастрономии в межзвёздном пространстве были обнаружены облака химических соединений, включающие такие относительно сложные молекулы, как формальдегид, тиомочевину, метиламин, цианацетилен и др. С развитием космических полётов методы экспериментальной Х. стали применяться на внеземных объектах (Луна, Венера, Марс).

V. Химическая технология и тенденции её развития

Потребности общества породили химическую технологию. По выражению Бертло, Х. начинает творить свой собственный объект исследования, создавая сотни тысяч неизвестных природе соединений. В развитии химической технологии исторически первыми были методы упрощения, разложения готовых природных форм: получение металлов из руд, выделение солей из сложных систем, перегонка древесины и др. подобные приёмы. Фундаментом химической технологии явилось производство исходных веществ для многих более сложных технологий: серной, соляной, азотной кислот, аммиака, щелочей, соды и некоторых др., составивших область основной химической промышленности. Вт