От алхимии к научной химии

За время почти столетнего господства теории флогистона были открыты  многие газы, изучены различные металлы, оксиды, соли. Но противоречивость этой теории тормозила дальнейшее развитие химии.

Влияние идей А.Л. Лавуазье на развитие химического  знания

К концу XVIII века в химии  был накоплен большой объем экспериментальных  данных, которые необходимо было систематизировать  в рамках единой теории. Создателем такой теории стал французский химик  Антуан-Лоран Лавуазье.

С самого начала своей деятельности на поприще химии Лавуазье понял  важность точного измерения веществ, участвующих в химических процессах. Применение точных измерений при  изучении химических реакций позволило  ему доказать несостоятельность  старых теорий, мешавших развитию химии.

Вопрос о природе процесса горения интересовал всех химиков XVIII в., и Лавуазье также не мог  не заинтересоваться им. Его многочисленные опыты по нагреванию различных веществ  в закрытых сосудах позволили  установить, что независимо от характера  химических процессов и их продуктов, общий вес всех участвующих в  реакции веществ остается без  изменений.

Это позволило ему выдвинуть  новую теорию образования металлов и руд. Согласно этой теории, в руде металл соединен с газом. Когда руду нагревают на древесном угле, уголь  абсорбирует газ из руды и при  этом образуется углекислый газ и  металл.

Таким образом, в отличие  от Шталя, который считал, что плавка металла включает переход флогистона из древесного угля в руду, Лавуазье представляет себе этот процесс как переход газа из руды в уголь. Идея Лавуазье позволяла объяснить причины изменения веса веществ в результате горения.

Обдумывая результаты проведенных  им опытов, Лавуазье пришел к мысли, что если учитывать все вещества, участвующие в химической реакции  и все образующиеся продукты, то изменений в весе никогда не будет. Другими словами, Лавуазье пришел к  выводу, что масса никогда не создается  и не уничтожается, а лишь переходит  от одного вещества к другому. Этот вывод, известный сегодня как  закон сохранения массы, стал основой  для всего процесса развития химии XIX века. ( На основании подобных опытов с точным взвешиванием веществ до и после реакции, намного раньше, чем А. Лавуазье, в 1748 году М.В. Ломоносов сформулировал закон сохранения массы веществ).

Однако сам Лавуазье был  не удовлетворен полученными результатами, так как не понимал, почему при соединении воздуха с металлом образовывалась окалина, а при соединении с деревом - газы, и почему при этих взаимодействиях участвовал не весь воздух, а только примерно пятая часть его?

Вновь в результате многочисленных опытов и экспериментов Лавуазье пришел к выводу, что воздух является не простым веществом, а смесью двух газов. Одну пятую часть воздуха, по мнению Лавуазье, составляет «дефлогистированный воздух», который соединяется с горящими и ржавеющими предметами, переходит из руд в древесный уголь и необходим для жизни. Лавуазье назвал этот газ кислородом, то есть порождающим кислоты, так как ошибочно полагал, что кислород - компонент всех кислот.

Второй газ, составляющий четыре пятых воздуха («флогистированный воздух») был признан совершенно самостоятельным веществом. Этот газ не поддерживал горения, и его Лавуазье назвал азотом - безжизненным.

Важную роль в исследованиях  Лавуазье сыграли результаты опытов английского физика Кавендиша, который  доказал, что образующиеся при горении  газы конденсируются в жидкость, которая, как показали анализы, является всего-навсего  водой.

Важность этого открытия была огромной, так как выяснилось, что вода - не простое вещество, а  продукт соединения двух газов.

Лавуазье назвал выделяющийся при горении газ водородом («образующим  воду») и отметил, что водород  горит, соединяясь с кислородом, и, следовательно, вода является соединением водорода и кислорода.

Новые теории Лавуазье повлекли за собой полную рационализацию химии. Было окончательно покончено со всеми  таинственными элементами. С того времени химики стали интересоваться только теми веществами, которые можно  было взвесить или измерить каким-либо другим способом.

4. Период открытия  основных законов химии.

Проблема химического  состава веществ была главной  в развитии химии вплоть до 30-40 гг. прошлого века. В это время мануфактурное  производство сменилось машинным, а для последнего была необходима широкая сырьевая база. В промышленном производстве стала преобладать переработка огромных масс вещества растительного и животного происхождения. В производстве стали участвовать вещества с различными (часто противоположными) качествами, состоящие лишь из нескольких химических элементов органического происхождения: углерод, водород, кислород, сера, фосфор. Объяснение этому широкому разнообразию органических соединений, возникших на базе ограниченного числа химических элементов, ученые стали искать не только в составе, но и в структуре соединения этих элементов.

Кроме того, многочисленные лабораторные эксперименты и опыты  убедительно доказывали, что свойства полученных в результате химических реакций веществ зависят не только от элементов, но и от взаимосвязи  и взаимодействия элементов в  процессе реакции. Поэтому химики стали  все больше обращаться к проблеме структуры вещества и взаимодействию составных элементов вещества.

Первым ученым, который  добился значительных успехов в  новом направлении развития химии, стал английский химик Джон Дальтон, который вошел в историю химии  как первооткрыватель закона кратных  отношений и создатель основ  атомной теории. Все свои теоретические  выводы он получил на основе сделанного им самим открытия, что два элемента могут соединяться друг с другом в разных соотношениях, но при этом каждая новая комбинация элементов  представляет собой новое соединение.

Подобно древним атомистам, Дальтон исходил из положения  о корпускулярном строении материи, но, основываясь на сформулированном Лавуазье понятии химического элемента, полагал, что все атомы каждого  отдельного элемента одинаковы и  характеризуются тем, что обладают определенным весом, который он назвал атомным весом. Таким образом, каждый элемент обладает своим атомным  весом, но этот вес относителен, так  как абсолютный вес атомов определить невозможно. В качестве условной единицы  атомного веса элементов Дальтон принимает атомный вес самого легкого из всех элементов - водорода, и сопоставляет с ним вес других элементов. Для экспериментального подтверждения этой идеи необходимо, чтобы элемент соединился с водородом, образуя определенное соединение. Если этого не происходит, то необходимо, чтобы данный элемент соединялся с другим элементом, о котором известно, что он способен соединяться с водородом. Зная вес этого другого элемента относительно водорода, можно всегда найти отношение веса данного элемента к принятому за единицу веса водорода.

Рассуждая таким образом, Дальтон составил первую таблицу атомных весов. Эта таблица и была самой важной работой Дальтона, но в ряде аспектов она оказалась ошибочной. Основное заблуждение Дальтона состояло в убеждении, что при образовании молекулы атомы одного элемента соединяются с атомами другого элемента попарно. Хотя уже в то время было накоплено достаточно данных, свидетельствующих о том, что подобное сочетание атомов «один к одному» не является общим правилом.

Для того чтобы атомная  теория Дальтона могла получить свой научный статус в химии, надо было объединить ее с молекулярной теорией, которая предполагала существование  частиц (молекул), образованных из двух или более атомов и способных  в химических реакциях расщепляться на составные атомы.

Поворотный этап в развитии химической атомистики связан с именем шведского химика Йенса Якоба Берцелиуса, который вслед за Дальтоном внес особенно большой вклад в создание атомной теории.

Когда Дальтон предложил  свою атомную теорию и установил  закон кратных отношений, молодой  шведский химик Берцелиус, руководимый  стремлением найти закон образования  химических соединений, тщательно изучил вопрос об их составе. Проведя не одну сотню анализов, он представил столько  доказательств, подтверждающих закон  постоянства состава, что химики были вынуждены признать справедливость этого закона, а следовательно, принять и атомистическую теорию, которая непосредственно вытекала из закона постоянства состава.

После этого Берцелиус  обратился к проблеме определения  атомных весов элементов, разрабатывая более сложные и точные методы экспериментов чем те, которые были доступны Дальтону. В результате длительной и тщательной аналитической работы Берцелиус пришел к выводу, что в солях существуют простые и постоянные отношения между атомами кислорода основания и атомами кислорода кислоты. Этого правила он постоянно придерживался при изучении атомной проблемы.

На основании своих  исследований и расчетов в 1826 г. Берцелиус  опубликовал первую таблицу атомных  весов, отличающихся высокой точностью, причем атомные веса были соотнесены им с кислородом, атомный вес которого был принят за сто. Приведенные в этой таблице величины в основном совпадают (за исключением атомных весов двух-трех элементов) с принятыми в настоящее время. Существенное различие между таблицами Берцелиуса и Дальтона состоит в том, что величины, полученные Берцелиусом, в своем большинстве не были целыми числами. Эти расчеты потом были подтверждены и уточнены другими учеными.

С работами Берцелиуса по атомистике тесно связано введение в употребление символов, предложенных им в 1814 г. для  обозначения не только элементов, но и химических реакций. Все символы, формулы соединений и химические уравнения следует вести от Берцелиуса. Его система химической символики  весьма содействовала развитию химии. В качестве символа элемента принимается первая буква его латинского или греческого названия. В тех случаях, когда названия двух или более элементов начинаются с одних и тех же букв, к ним добавляется вторая буква названия. Так появились химические символы элементов, которые используются во всем мире и поныне. Еще в начале своей научной деятельности он предложил все вещества разделить на органические и неорганические.

Издавна со времени открытия огня человек стал делить все вещества на две группы: горючие и негорючие. К горючим относились, в частности, дерево и жир, которые в основном служили топливом. Дерево - продукт растительного происхождения, а жир или масло - продукты как животного, так и растительного происхождения. В отличие от них вода, песок, горные породы и большинство других веществ минерального происхождения не горят и даже гасят огонь. Таким образом, между способностью вещества к горению и его принадлежностью к живому или неживому миру просматривалась определенная связь.

Накопленные в течение  восемнадцатого столетия знания позволили  химикам сделать вывод, что судить о природе веществ, исходя только из их горючести или негорючести, ошибочно. Вещества неживой природы  могли выдерживать жесткую обработку, и именно их Берцелиус назвал неорганическими. А вещества живой или некогда  живой материи такой обработки  не выдерживали, и их он назвал органическими.

Во многих своих проявлениях  эти две группы веществ вели себя принципиально различным образом. Так, химиков не переставало удивлять, что органические вещества при нагревании или каком-либо другом воздействии легко превращаются в неорганические (возможность обратного перехода была установлена гораздо позже).

Определенное влияние  на развитие химии данного периода  оказал «витализм» - учение, рассматривающее  жизнь как особое явление, подчиняющееся  не законам мироздания, а влиянию  особых жизненных сил. Сторонники витализма утверждали, что для превращения неорганических веществ в органические требуется особое воздействие («жизненная сила»), которое проявляется только внутри живой ткани. По этой причине неорганические соединения, например, воду, можно было найти повсюду, тогда как органические соединения, образующиеся под воздействием жизненной силы, можно найти только в живых тканях.

История химии свидетельствует, что до середины XIX в. ее развитие происходило  беспорядочно и хаотически. Химики открывали все новые и новые  химические элементы, описывали их свойства, способность вступать в  различные реакции и благодаря  этому постепенно накопили огромный эмпирический материал, который необходимо было привести в определенную систему.

Логическим завершением  всего многовекового процесса возникновения  и развития химии стал первый международный  химический конгресс, который состоялся  в сентябре 1860 г. в немецком городе Карлсруэ. На конгрессе присутствовали самые знаменитые химики того времени. Проведение конгресса в Карлсруэ имело большое значение для развития химии. На нем были сформулированы и  приняты основополагающие принципы, теории и законы химии, которые не вызывали никаких сомнений у участников. Тем самым химия заявила о  себе де-факто как о самостоятельной  науке.

Однако гораздо большее  значение имели научные результаты и последствия конгресса. К 60-м  годам прошлого столетия в химии  еще сохранилась путаница с атомными и молекулярными весами, что не позволяло точно решить вопрос о  системе элементов и отрицательно сказывалось на развитии самой химии. Разногласия по поводу относительных атомных весов, приписываемых атомам различных элементов привели к разногласиям в отношении числа атомов отдельных элементов, входящих в данную молекулу. Ученые неоднократно предпринимали попытки придать этим проблемам системный вид, но их предложения были весьма несовершенными, потому что в качестве системообразующих факторов брались чаще всего несущественные, второстепенные и даже чисто внешние признаки элементов.

Инициатором обсуждения и  решения данной проблемы стал итальянский  химик С.Канниццаро, который предложил разграничить понятия «атомный вес», «молекулярный вес» и «эквивалентный вес». На конгрессе Канниццаро произнес яркую речь, и ему удалось убедить участников в правильности предлагаемых им идей. С этого момента в вопрос об атомных весах была внесена ясность, и было по достоинству оценено значение таблицы атомных весов, составленной Берцелиусом. Кроме того, решения конгресса, по сути дела, подготовили условия для создания периодической системы элементов.

5. Системный подход в химии.

Основоположником системного подхода в химии стал русский  химик Д.И. Менделеев. После посещения  конгресса Менделеев приступил  к изучению элементов и обратил  особое внимание на периодичность изменения  валентности у элементов, расположенных  в порядке возрастания атомных  весов.

Менделеев считал, что любое  точное знание составляет систему, в  основе которой должен быть единый систематизирующий фактор. В качестве такого фактора он выбрал атомный  вес, полагая, что последний является главной характеристикой всех химических элементов.