7. Дифференциация химии в хiх в.

Органическая химия

Органическая химия как наука сформировалась в первой половине ХIХ в. Первые интересные, с научной точки зрения, исследования начались ещё в ХVIII в., но они носили коммерческий характер. В 1747 г. выходит книга немецкого академика Андреаса Маргграфа "Химические попытки извлекать настоящий сахар из растений нашей страны", в которой предлагается технология получения сахарозы из сахарной свеклы. Сама идея замены тростникового сахара основана на том, что сахар - это просто химическое вещество. Свекла росла в Европе сотни лет, но без такой идеи раньше никто не догадался, что можно получать из местного сырья дорогой экзотический продукт и приходилось платить золотом за индийский тростниковый сахар. В конце ХVIII в. уже налажено промышленное производство винного камня, но только потому, что удалось придумать применение веществу, которого очень много и жалко было его просто выбрасывать. Одновременно с первыми успехами была выдвинута и поддержана всеми без исключения химиками ХVIII в. идея, что существуют индивидуальные вещества, такие как спирт, уксус, мочевина, сахар, которые могут быть выделены только из живых организмов, так как из-за сложного строения могут быть синтезированы только под действием жизненной силы. Это непроверенное предположение получило название "Теория витализма" и просуществовало более 100 лет.

В 1806 г. Я. Берцеллиус впервые вводит понятие "Органическая химия". До этого была просто "химия". То есть первый случай дифференциации в химии произошел из-за ошибочного предположения что существуют два типа веществ, которые принципиально отличаются друг от друга. Сам Берцеллиус даже не считал эту область чисто химической и определял как "часть физиологии, которая описывает состав живых тел вместе с химическими процессами, происходящими в них".

В 1828 г. Ф. Веллер случайно получает мочевину из цианата аммония. Это вносит раскол относительно справедливости теории витализма, теперь половина химиков допускает, что любое органическое вещество может быть получено из неживой материи. Аргументом другой половины является утверждение: "если это возможно - сделайте искусственную еду".

В 1847 г. Л. Пастер обнаруживает стереоспецифичность органических веществ и способность живых организмов усваивать только левовращающиеся изомеры; в 1861 г. создает теорию ферментативного брожжения, что полностью опровергает теорию витализма в изначальной форме.

На примере этих достижений следует отметить две проблемы, которые не затрагивают научный уровень развития органической химии, но имеют философское значение, так как вносят правки в построение картины мира с учетом новых научных открытий.

1. До середины ХIХ в. открытия естествоиспытателей в целом принимались общественным мнением, даже на уровне народных масс. Что Земля круглая, что воздух имеет вес и плотность, что индейцы и негры в каком-то смысле тоже люди, что вещество можно разложить на составляющие и собрать обратно. Но уже теория ферментативного брожжения народными массами не принята до сих пор. Если спросить прохожих на улице: "Что является причиной выделения углекислого газа при добавлении дрожжей в тесто или сахарный раствор - их биологическая деятельность или некоторое химическое вещество, которое в них содержится?", подавляющее большинство ответит, что живые дрожжи лучше мертвых и никакая химия не заменит естественные биологические процессы. Если в качестве аргумента привести результаты экперимента Э Бухнера (1893 г.) по растиранию дрожжей, то скажут: "Все равно, живые дрожжи лучше мертвых".

2. Хотя теория витализма в формулировке ХVIII опровергнута, она может существовать в измененной формулировке: "Из минералов и простых веществ нельзя создать живое существо". Опровергнуть такой тезис можно только экспериментально. Теоретически, можно получить аминокислоты. Из аминокислот можно собрать ДНК, синтезировать другие компоненты и получить клетку. Из одной живой клетки можно получить существо от бактерии до слона. Но будет ли эта клетка живой? То есть, даже опровергнутая теория не уничтожается полностью, и может сохранить сущностную составляющую, изменив область приложения. В данном случае, суть теории витализма - живое имеет что-то такое, что недоступно неживой материи, что может быть передано только от живого и не может быть синтезировано искусственно.

В 1861 г. А.М. Бутлеров предлагает теорию строения органических соединений, что для органической химии значило то же что и Периодический закон Д.И. Менделеева для неорганической.

К концу ХIХ в. для органической химии обозначены формальные границы: "Органическое вещество - это любое соединение углерода, кроме оксидов, карбидов, цианидов, угольной кислоты и её солей".

Физическая химия

Термин «Физическая химия», впервые использовал М. В. Ломоносов, который в 1752 г. впервые читал студентам Петербургского университета «Курс истинной физической химии». Он даёт такое определение: «Физическая химия — наука, которая должна на основании положений и опытов физических объяснить причину того, что происходит через химические операции в сложных телах». Затем последовал более чем столетний перерыв и одним из первых в России физико-химические исследования в конце 1850-х годов начал Д. И. Менделеев. Следующий курс физической химии читал уже Н. Н. Бекетов в Харьковском университете в 1865 году. Первый научный журнал, предназначенный для публикации статей по физической химии, был основан в 1887 г. В. Оствальдом и Я. Вант-Гоффом.

Развитие технологий по производству и использованию паровых машин поставило перед исследователями в ХIХ в. как научные так и коммерческие задачи.

В 1801 г. Ричард Тревитик построил первый паровоз, а в 1808 г. более совершенной конструкции локомотив, развивавший скорость до 30 км/ч. В 1829 г. паровоз Джорджа Стефенсона "Ракета" устанавливает мировой рекорд скорости для механизмов: 60 км/ч. Пароходы вытесняют парусные суда сначала в военном, а затем и в торговом флоте. Все империи строят железные дороги, которые не окупаются, но незаменимы для обеспечения безопасности государства. Россия в ХIХ в. на строительство железных дорог тратит 20% бюджета - столько же сколько на содержание армии. Возникает вопрос о повышении мощности, экономичности, надежности паровых двигателей. В 1824 году вышла первая и единственная работа Сади Карно — «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Благодаря предложенной теории становится возможным сконструировать двигатель с максимальным КПД. Если в 1801 г. КПД был менее 2%, то в 1830 г. двигатель Стирлинга имеет КПД 30%.

В 1843 г. английский исследователь Джеймс Джоуль занялся новой проблемой: доказательством существования количественного соотношения между превращением тепла в механическую работу и наоборот. Государство не финансирует эти исследования, Джоуль их проводит в собственной пивоварне. Имея огромную бочку, установленную в подвале с постоянной температурой окружающей среды и очень точный термометр, он перемешивает воду мешалкой и наблюдает повышение температуры. Опыт был повторен в лабораторных условиях, с использованием магнитной мешалки. Было установлено, что механическая энергия может превращаться в теплоту, а любая другая энергия (электричество, солнечный свет, энергия химической реакции) может быть оценена количественно и переведена из одной формы в другую. Благодаря этим исследованиям сформулирован первый закон термодинамики и уничтожена идея вечного двигателя.

В 1865 г. для определения меры необратимого рассеивания энергии и меры отклонения реального процесса от идеального Рудольфом Клаузиусом введено понятие энтропии. Энтропия устанавливает связь между макро- и микро- состояниями и показывает направленность процессов. Введение понятия об энтропии позволяет Клаузиусу сформулировать второй закон термодинамики: «Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого является передача теплоты от менее нагретого тела к более нагретому». Кроме разрушения идеи вечного двигателя второго рода, второй закон термодинамики обозначает две философские проблемы:

1. Все доступные энергетические ресурсы исчерпаемы, включая Солнце. До середины ХIХ в. это было спорным утверждением. Значит, тепловая смерть Вселенной неизбежна. Идея о смерти Вселенной облегчает восприятие проблем, связанных со смертью или деградацией человечества, так как людям гораздо легче представить себе смерть всех галактик с миллиардами инопланетных цивилизаций, чем полное исчезновение собственной нации или расы. Уже через 100 лет эти проблемы перешли с философского на инженерно-технический уровень. В США при постройке хранилища радиоактивных отходов инженерам необходимо было решить задачу: как сделать так, чтобы в оборудованные под горой подземелья никто не лазил в ближайшие 30.000 лет? Поскольку уже через 3.000 лет будет забыт не только сам факт существование США, но и английский язык, никакие предупредительные таблички не помогут. Решением проблемы было создание и поддержка мифа о проклятой горе, возле которой можно испортить себе судьбу и потом всю жизнь будут преследовать неудачи.

2. Возможно ли уменьшение энтропии в замкнутой системе под действием осознанных действий живых организмов? Если взять две одинаковые клетки с рассыпанными на полу кубиками и в одну запустить стаю обезьян, а в другую - группу ученых, так чтобы количество атомов и внутренней энергии в них было примерно одинаковым, то после того как ученые аккуратно сложат кубики в штабель, энтропия во второй клетке уменьшится. Является ли это нарушением второго закона термодинамики? Даже современная физика не может ответить на этот вопрос, так как не имеет моделей, учитывающих действие сознания. И если энтропия уменьшится, значит существует энергия сознания, которая может переходить в привычные виды механической и тепловой энергии и может быть измерена количественно. И, наконец, в этом случае, тепловая и механическая энергия при правильном инструментальном оформлении могут переходить в некую энергию сознания, что вообще не лезет ни в какие работающие теории и никто об этом не будет думать, пока не начнется восстание компьютеров и роботов.

Третий закон термодинамики был сформулирован М. Планком в 1911 г., после чего картина превращения энергии приобрела законченный современный вид.

Аналитическая химия

Отдельные методы аналитической химии были разработаны ещё в ХVII в., но как область химии сформировалась в начале ХIХ в. В 1801 г. А. Лампадиус опубликовал “Руководство по химическому анализу минеральных веществ”, где впервые появляется термин “аналитическая химия”. В 1821 г. выходит книга К. Праффа “Руководство по аналитической химии для химиков, государственных врачей, аптекарей, сельских хозяев и рудознатцев”. К концу ХIХ в. появляются специалисты, которые занимаются исключительно методами анализа. Аналитическая химия отличается от других направлений в химии тем, что обслуживает других исследователей и не может заниматься самым почетным и влиятельным занятием - корректировкой картины мироздания. Это показывает высокую степень разделения труда в химии и повышение общей эффективности.

Похожая ситуация была у философов СССР. Существовали специалисты, которые очень ценились, вся работа которых состояла в поисках нужной цитаты в сочинения К. Маркса, Ф. Энгелься и В. Ленина.

В предисловии каждой работы нужно было приводить подобные ссылки, оправдывающие поставленные задачи, а в некоторых случаях их нужно было находить ещё и очень быстро. Например, когда Н.С. Хрущев поручил приготовить доклад о целесообразности замены обычных злаковых культур кукурузой, за несколько часов нужно было найти цитату Ленина, о том, что он предвидел и завещал сеять кукурузу в Сибири. Задача была выполнена. Нашли всего одну, но вполне подходящую цитату: "…трудовой народ в каждой области мира выращивал свою культуру - китаец рис, негр ямс, а индеец - маис".

Поэтому сам факт выделения методов анализа в отдельную дисциплину, показывает что в ХIХ в. химия полностью сформировалась как полноценная наука.

Химия координационных соединений.

Уже в начале ХIХ в. в неорганической химии стали накапливаться некоторые факты, которые не объяснялись вполне надежными теориями. Было ясно, что атомы в молекулах соединяются некоторым способом, хотя о природе этой связи шли споры. Но само количество связей должно быть целым числом - это признавалось всеми химиками. К середине ХIХ в. также был признан термин "валентность" - число химических сязей элемента в конкретном соединении. Но отдельные исключения показывали, что в некоторых соединениях валентность элементов кажется завышенной или образуются связи, которых не должно быть. В 1893 г. в немецком «Журнале неорганической химии» появилась статья «Строение неорганических соединений», в которой А. Вернер изложил основные положения своей координационной теории, согласно которой кроме основной валентности существует дополнительная. Дополнительные связи - координационные, на порядок слабее обычных, но могут их значительно усилить устойчивость молекулы как в ацетилацетонатах и вообще, существуют соединения без основных валентных связей, например, карбонилы металлов.

Развитие координационной химии продемонстрировало отсутвие сущностного отличия между органической и неорганической химией и позволило объединить многие частные закономерности в единые теории.

Фармацевтическая химия

Временем становления фармакологии как науки можно считать период конца ХVIII – начала ХIХ в. Французская фармация получила автономию 25 апреля 1777 г. на основании специального королевского декрета (до этого времени в университетах фармакология преподавалась только совместно с медициной или химией). Фармацевтическая школа «College de Pharmacie» обрела права высшей школы с исключительным правом присваивать ученые степени. В 1803 г., была переименована в «Ecole de Pharmacie», и первым директором этой школы стал Л. Н. Воклен — фармацевт, профессор химии, профессор ботаники и доктор медицины. Эта школа послужила образцом для создания других аналогичных школ во Франции. В 1795 г. открывается фармацевтический институт в Эгфурте (Германия), в 1798 г. – кафедра фармации в Петербургской Военно-морской академии, в 1800 г. – кафедра фармации Юрьевского университета.

Одним из первых заказчиков на проведение целенаправленных фармакологических исследований была криминалистика. В 1827 г. в Петербурге выходит книга А.А. Йововского «Руководство к распознаванию ядов, противоядий и важнейшему определению первых как в организме, так и вне оного посредством химических средств, названных реактивами». В этой работе приводится список часто встечающихся ядов, в том числе соединений ртути, мышьяка, свинца и сурьмы. В 1851 г. заведущий кафедрой фармации Медико-хирургической академии публикует «Руководство по судебно-медицинской химии и общей токикологии», а в 1863 г. профессор Трапп Ю.К. выпускает книгу «Руководство для первых пособий при отравлении и для химического исследования ядов».

Функцию фармацевтов в первой половине ХIХ в. берут на себя (не всегда, а в редких, исключительных случаях) химики, биологи, врачи, физики и просто любители, никакого отношения к науке не имеющие.

Рассмотрим последовательность внедрения в медицинскую практику наркоза (вспомним, что в Индии общая анестезия спиртовой настойкой опиума начала применяться при хирургических операциях ещё тысячу лет назад).

Наркотическое действие эфира было открыто Парацельсом еще в 1525 г. Но у него не было учеников и последователей среди медиков. Джозеф Пристли в 1772 г. открывает закись азота, а в 1797 г. Гемфри Дэви случайно замечает её обезболивающее действие, причём не в лаборатории, а в цирке. Из публики приглашали на сцену несколько человек, давали им подышать «веселящим газом» и они превращались в клоунов всем на потеху. Г. Дэви заметил, как один мужчина во время такого веселья сломал ногу, но продолжал смеяться и кувыркаться на арене. В своей лаборатории Дэви воспроизвёл опыт на себе и заметил, что газ снимает боль, вызывает приятные ощущения и улучшает настроение. Ученый высказал предположение о возможности использования закиси азота в хирургии, но так как сам не был медиком и не имел доступа к экспериментам над людьми, не был никем услышан, кроме своего ученика – Майкла Фарадея. В 1818 г. М. Фарадей (в перерыве между работами по исследованию электричества) испытал на себе усыпляющее действие паров эфира, как средства, вызывающего спокойное засыпание а не безудержный смех, как закись азота, и даже опубликовал на эту тему статью. Но и она много лет оставалась незамеченной. В 1844 г. провинциальный американский дантист Гораций Уэллс с целью эксперимента попросил своего коллегу под общим наркозом удалить ему здоровый зуб. Надышавшись предварительно «веселящим газом», Г. Уэллс относительно спокойно перенес болезненную процедуру и вскоре после этого отправился в Бостон, где уговорил своего знакомого, тоже дантиста, Уильяма Мортона устроить публичную демонстрацию нового метода. Презентация эта, устроенная в январе 1845 г., завершилась полным провалом так как закись азота давалась в чистом виде, без смешивания с кислородом и наркоз не подействовал. Осмеянный коллегами, дружно кричащими «это надувательство!», Г. Уэллс вернулся домой. Однако в его идею поверил химик и врач Чарльз Джексон, готовивший Мортона к поступлению в университет. Джексон поделился с Мортоном советами о том, как правильно использовать серный эфир для обезболивания. Мортон немедленно начал экспериментировать с эфиром. Он разработал особый аппарат — испаритель эфира (бутыль с гибкой трубкой), провел опыты на себе и уже 30 сентября 1846 г. совершенно безболезненно вырвал зуб у своего пациента Эбена Фроста. Весть об успешном опыте дантиста достигла известного хирурга, главного врача бостонского госпиталя Джона Уоррена, который для доказательства эффективности эфирного наркоза предложил Мортону ассистировать ему во время операции.

16 октября 1846 года в клиническом корпусе Бостонской городской больницы при большом стечении врачей, студентов и просто любопытствующих была проведена первая в мире публичная операция с участием анестезиолога. Мортон обработал своим аппаратом 25−летнего печатника Гилберта Эббота, и Уоррен спокойно удалил опухоль на шее у пациента. Закончив операцию, он произнес, обращаясь к аудитории: «Уважаемые коллеги! Это не надувательство». С тех пор 16 октября 1846 г. считается официальной датой рождения современной анестезиологии.

В России первую операцию под эфирным наркозом провел Федор Иноземцев 7 февраля 1847 г., то есть меньше чем через четыре месяца после Мортона и Уоррена. Спустя десять дней знаменитый хирург Николай Иванович Пирогов (1810-1881 гг.) под общим наркозом удалил молочную железу у 30-летней женщины; операция продолжалась всего 2,5 минуты. Это была первая операция под наркозом у онкологического больного в России.

12 октября 1847 г. в университете Эдинбурга профессор Джеймс Симпсон вводит использование наркоза в акушерскую практику – проводит сложные роды под лействием этилового эфира. Операция проходит успешно, мать и ребёнок не пострадали. После того как Симпсону удалось провести первые безболезненные роды, он получил от известного французского химика Дюма небольшую склянку с хлороформом. Испытав эту малоизвестную жидкость на себе и на своих друзьях-врачах, Симпсон впервые применил хлороформ при операции в Эдинбургском госпитале в 1847 г. За научные заслуги в акушерстве и хирургии Симпсон впоследствии был удостоен премии Французской академии наук (1856 г.). В дальнейшем общее обезболивание закисью азота, эфиром и хлороформом стало широко применяться и позволило осуществлять невозможные до этого хирургические операции. С 1847 г. хлороформ повсеместно используется для наркоза и уже через несколько лет почти полностью вытесняет эфир и закись азота. В 1847 г. Пирогов применяет вместо эфира хлороформ, но не потому что в результате тщательных исследований доказано что его действие безопаснее для организма, а потому что идёт война и эфир, в отличие от хлороформа слишком огнеопасное вещество, а закись азота – газ и доставлять баллоны в военно-полевых условиях неудобно. Во второй половине ХIХ в. 95% хирургических операций под наркозом было проведено с использованием исключительно хлороформа.

На примере внедрения в медицинскую практику наркоза мы видем, что сначала происходит случайное открытие, находится решение проблемы. Затем упорные усилия нескольких энтузиастов. Потом научная публикация результатов, многочисленные эксперименты отдельными врачами, и, наконец, медленное, постепенное изменение традиций. В ХIХ в. в Европе уже существовали кафедры фармацевтии при университетах, но во внедрении наркоза фармацевты не участвовали. Описаны всего три вещества, поиск новых обезболивающих практически не ведётся, а те что находятся не испытываются на практике.

Целенаправленный поиск лекарственных средств начинается только во второй половине ХIХ в. в результате бурного развития химии. Введение в практику экспериментов на лабораторных животных позволяет, наконец, ставить и решать проблемы фармакологии путём целенаправленных опытов, а не случайных наблюдений. В 1842 г. в химической лаборатории Велера (Германия) был поставлен необычный для того времени эксперимент: лабораторным мышам ввели бензойную кислоту. Все подопытные животные погибли. Другой партии мышей вместе с бензойной кислотой ввели глицин. Большая часть мышей осталась жива. В моче оставшихся в живых животных обнаружили гиппуровую кислоту (бензоилглицин) - соединение малотоксичное, быстро выводящееся из организма. Так была предложена схема превращения препарата в организме - образование парных соединений с глицином. Это интересное открытие не привело к созданию нового лекарства, но показало эффективность исследований на лабораторных животных, по крайней мере, в поисках антидотов.

Первые систематические испытания лекарств с использованием подопытных животных начал проффесор Дерптского университета (Эстония) Рудольф Бухгейм в 1867 г.. Этот год считается рождением экспериментальной фармакологии. Исследования начались с решения очень простой и в то же время необходимой задачи – определить токсичность уже используемых в медицинской практике лекарств. К этому времени были известны многие случаи смертельных отравлений, например, Ф. Сертюрнер в 1804 г. попробовал впервые выделенный им из опия морфин и тут же погиб из-за передозировки.

Весь ХIХ в. проводятся попытки выделить действующее вещество из лекарственного экстракта и, по возможности, получить его синтетическим способом. Так получают ментол из мяты (1971 г.), морфин из мака (1804 г.), йод из водорослей (1811 г.), хинин из коры хинного дерева (1816 г.), стрихнин из рвотного ореха (1818 г.), кофеин из чая (1828 г.), атропин из белладонны (1831 г.), никотиновую кислоту (1867 г.), кокаин (1879 г.), адреналин (1887 г.). Попытки синтезировать действующее вещество часто заканчиваются неудачей, но полученный продукт сам по себе оказывается хорошим лекарством. Вследствие неудачного синтеза хинина был получен аспирин (1849 г.), феназол (1883 г.), анальгин (1920 г.)

Первый удачный целенаправленный синтез осуществлен только в 1886 г. (салол). Кроме того, химической модификацией удавалось получить препарат с лучшими свойствами. Так был получен кодеин как заменитель морфина, новокаин как заменитель кокаина.

Развитие фармацевтической химии в ХIХ в. осуществлялось при поддержке как государства, так и частных фирм. Предприятия, начинавшие с выпуска лекарств, через десятки лет превратились в крупные химические концерны, в которых основным продуктом были красители, взрывчатые вещества, продукты нефтепереработки.

Вопросы.

31. Приведите пример 6 пищевых продуктов, которые можно было бы получить, используя технологии ХIХ в. из минеральных веществ.

32. Почему микроскоп стали успешно применять для борьбы с инфекционными заболеваниями только в конце ХIХ в., через 300 лет после его открытия?

33. Что такое "вечный двигатель второго рода"?

34. Что такое валентность? Может ли валентность равняться нулю?

35. Что такое координационное число? Какие значения оно может принимать?

* Приведите пример химического соединения, которое нельзя уверенно считать ни органическим, ни неорганическим.

* Когда появились первые станки с числовым програмным управлением и что они производили?

* Попытки создать двигатель внутреннего сгорания предпринимались весь ХIХ в., но серийное производство началось только в 1898-1899 гг. Как можно объяснить почти 100 лет конструкторских неудач, если сложность устройства такого двигателя не выше чем у паровой машины?