Краткий исторический очерк развития физической химии

Дисциплин и значение для фармации, медицины и биологии

Для современного естествознания наряду с углублением специализации характерно взаимопроникновение различных областей науки, которое привело к появлению пограничных научных дисциплин со смешанными - двойными и даже тройными - названиями: биохимия, биофизика, биоорганическая химия, математическая лингвистика и т. п. Даже из этого краткого перечисления видно, что значительная часть этих наук возникла и развивается на стыке химии, физики и биологии. Одной из таких наук является и физическая химия.

Физическая химия является теоретической основой других химических дисциплин - общей, неорганической, органической, аналитической химии. Все направления современной биологии, а также медицина и фармация широко используют подходы и методы физической химии. Без знания её основ невозможно глубокое понимание и плодотворное развитие технологии лекарств, физико-химических методов анализа фармацевтических препаратов, биохимии, фармакологии, токсикологии и других специальных фармацевтических дисциплин. Интенсивно развивающееся в последнее время учение о количественной связи “струк­тура - активность” применительно к фармакологическому действию лекарств основывается главным образом на различных физико-химических закономерностях, лежащих в основе механизмов проникновения лекарственных веществ в организм, доставки их к определенным органам, взаимодействия с биологическими субстратами различного уровня организации, а также выведения их из организма.

Физическая химия - наука, изучающая химические явления и устанавливающая их общие закономерности на основе физических подходов и с использованием физических экспериментальных методов.

Предметом физической химии является изучение двух главных групп вопросов:

- изучение свойств веществ в зависимости их от химического состава и строения и от условий существования;

- изучение химических реакций и других форм взаимодействия между веществами или частицами в зависимости от их химического состава и строения, а также от условий, при которых происходит процесс.

Физическую химию можно рассматривать как совокупность преимущественно количественных методов, прилагаемых к изучению и описанию различных химических проблем. Исследователь в области физической химии старается предсказать возможность, направление и глубину протекания химических процессов, исходя из определённых физических моделей, законов и правил.

Физическая химия - не только теоретическая дисциплина. Знание её законов позволяет понять сущность химических процессов и сознательно выбирать наиболее благоприятные условия для их практического осуществления. Её законы лежат в основе природных и промышленных процессов, например, различных технологий синтеза химических и в том числе лекарственных веществ.

Содержание курса физической химии обычно делится на следующие основные разделы:

- Учение о строении вещества;

- Химическая термодинамика и термохимия;

- Учение о химическом равновесии;

- Учение о фазовом равновесии;

- Учение о растворах;

- Электрохимия;

- Химическая кинетика и учение о катализе;

- Фотохимия.

Так как учение о строении вещества достаточно подробно излагается в курсах физики и общей химии, в нашем курсе этот раздел рассматриваться не будет. Кроме того, в него не включаются некоторые темы, изучаемые на практических занятиях.

Профессия провизора охватывает многие виды деятельности, непосредственно связанные с физической химией и физико-химическими методами анализа. Ниже приведены некоторые наиболее важные из таких взаимосвязей:

Знание физической химии необходимо также и биологу широкого профиля, биохимику, врачам всех специальностей. Еще И.М.Сеченов сравнил живую клетку с миниатюрной физико-химической лабораторией, это представление совершенно справедливо и сейчас. Врач и фармаколог в своей работе постоянно сталкиваются с физико-химическими процессами, протекающими в организме как здорового, так и больного человека, поэтому они обязаны иметь определённый минимум знаний в этой области.

Краткий исторический очерк развития физической химии

Основоположником физической химии является великий русский учёный М.В.Ло­мо­носов. В 1751 - 54 г.г. в Петербургском академическом университете он прочитал первый в истории курс физической химии, а в 1752 начал писать первый учебник - "Введение в истинную физическую химию", где дал определение этой новой для того времени дисциплины: "Физическая химия есть наука, дающая объяснение на основании физических начал и опытов тому, что происходит при смешении тел вследствие химических операций. Она может быть названа также химической философией..." М.В.Ломоносов создал и первую в России химическую лабораторию, где не только читались лекции, но и были организованы лабораторные работы для студентов.

К концу ХVIII началу XIX в. относится ряд основополагающих исследований в об-

* М.В.Ломоносов. Полное собрание сочинений. В 10 т. М.- Л.- Изд-во АН СССР, 1950. - Т.2, С.461.

ласти термохимии (А.Л.Лавуазье и П.Лаплас, 1782), электрохимии (Л.Гальвани, 1789, А.Вольта, 1800), химического сродства и равновесия (К.Л.Бертолле, 1801).

В 1-й половине XIX в. получили широкое распространение атомистические представления (Д.Дальтон, Ж.Л.Гей-Люссак, А.Авогадро, Й.Я.Берцелиус). В 1824 г. вышла в свет осново­по­лагающая для термодинамики работа С.Карно "Раз­мыш­ление о движущей силе огня». Благодаря работам Г.Дэви и М.Фарадея были открыты количественные законы электролиза (М.Фара­дей, 1830) и значение электрических сил в образовании химических соединений, что заложило основы электрохимии. В тот же период Г.И.Гессом (1840) открыт закон “постоянства сумм тепла” - основной закон термохимии.

Примерно с середины XIX в. начинается классический период развития физической химии, когда сформировался круг вопросов, изучаемых ею, а накопленные экспериментальные факты позволили установить главные законы, и правила. В это время появляются работы Ю.Р.Майера, Дж.П.Джоуля, Р.Э.Клаузиуса, В.Томсона (Кельвина), Г.Гельм­гольца, Л.Больцмана, в которых получила развитие термодинамика, блестяще обобщённая в конце XIX в. Дж.У.Гиббсом и Я.Вант-Гоф­фом.

В России впервые после М.В.Ломоносова курс физической химии был введён в 1865 г. Н.Н.Бекетовым в Харьковском университете. С этого времени физическая химия постоянно вклю­чается в программы университетов и других высших и средних учебных заведений.

В 60-х годах XIX в. Д.И.Мен­делеевым открыт основной закон химии - периодический закон, а А.М.Бутлеровым была создана теория химического строения. Эти два великих открытия окончательно превратили химию из науки описательной в науку, способную предсказывать свойства вновь получаемых веществ, то есть дали химии возможность вести целенаправленный поиск и синтез веществ. В те же годы интенсивно развиваются учение о химическом равновесии и кинетика химических реакций благодаря открытию К.М.Гульдбергом и П.Вааге закона действующих масс, работам Н.Н.Бекетова, Н.А.Меншуткина, Я.Вант-Гоффа, С.Аррениуса, А.Л.Ле-Шателье. Развивается теория растворов и фазовых равновесий (Д.И.Менделеев, Ф.М.Рауль, Д.П.Конова­лов), теория электролитической диссоциации (Н.Н.Каяндер, С.Аррениус, В.Ост­вальд).

На рубеже XIX и XX веков были сделаны многие открытия, имеющие принципиальное значение для учения о строении вещества: открытие электрона (Дж.Дж.Томсон и Э.Вихарт), квантовой природы света (М.Планк), открытие А.Беккерелем радиоактивности. Создается теория гальва­ни­че­ского элемента (В.Нернст). Появляются первые работы по хроматографии (М.С.Цвет).

С 1910-х годов XX в. начинается современный период развития физической химии. Его начало ознаменовано открытием Э.Резерфордом ядра атома, разработкой им планетарной модели строения атома, а также созданием Н.Бором первой количественной теории строения атома водорода (1913). На её основе, а также на основе квантовой теории М.Планка разработана квантовая механика (Л.де Бройль, В.Гейзенберг, А.И.В.Зоммерфельд, 1920-е гг.) теория химической связи (Г.Н.Лью­ис и др.). Возникают теория строения растворов электролитов (П.Дебай, Э.Хюккель, 1923) и теория строения двойного электрического слоя (О.Штерн, А.М.Фрумкин, 1924). В это же время интенсивно развиваются учение о катализе (В.Н.Ипа­тьев, П.Сабатье, С.В.Лебедев, А.А.Баландин, Н.И.Кобозев), физико-химический анализ (Н.С.Кур­на­ков), исследование адсорбции и поверхностных явлений (И.Лэнг­мюр, Г.Фрейнд­лих), разрабатываются новые методы исследования (поля­рография, инфракрасная и ультрафиолетовая спектроскопия, рентгенография, электрофорез, хроматография), учение о цепных реакциях (Н.Н.Семёнов), фотохимия и радиационная химия.

В послевоенные годы появляются новые методы исследования - спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР), электронно-парамагнитного резонанса (ЭПР), комбинационного рассеяния света (КРС), мёсс­ба­уэровская; методы кругового дихроизма, вращающегося электрода. Развиваются новые направления - квантовая химия, химия высоких энергий, математическое моделирование хи­ми­че­ских процессов (компьютерная химия) и др.