Химия на рубеже 19-20 веков

К важным достижениям в строении молекул можно отнести открытие оптических изомеров Пастером и принятие трехмерной модели молекулы.

 

Физическая  химия

В середине XIX века начала стремительно развиваться пограничная область  науки — физическая химия. Предметом  изучения физической химии стали  химические процессы — скорость, направление, сопровождающие их тепловые явления  и зависимость этих характеристик  от внешних условий.

Изучение тепловых эффектов реакций  начал А. Л. Лавуазье, сформулировавший совместно с П. С. Лапласом первый закон термохимии. В 1840 году Г. И. Гесс открыл основной закон термохимии («закон Гесса»). М. Бертло и Ю. Томсен в 1860-е годы сформулировали «принцип максимальной работы» (принцип Бертло — Томсена), позволивший предвидеть принципиальную осуществимость химического взаимодействия.

В 1867 году К. М. Гульдберг и П. Вааге открыли закон действующих масс. Представляя равновесие обратимой реакции как равенство двух сил сродства, действующих в противоположных направлениях, они показали, что направление реакции определяется не массами веществ (как предполагал в начале века К. Л. Бертолле), а произведением действующих масс (концентраций) реагирующих веществ. Теоретическое рассмотрение химического равновесия выполнили Дж. У. Гиббс (1874—1878), Д. П. Коновалов (1881—1884)[45] и Я. Г. Вант-Гофф (1884). Вант-Гофф сформулировал также принцип подвижного равновесия, который обобщили позже А. Л. Ле Шателье и К. Ф. Браун. Создание учения о химическом равновесии стало одним из главных достижений физической химии XIX века, имевшим значение не только для химии, но и для всего естествознания.

В 1850-е годы с работ Л. Ф. Вильгельми начались систематические исследования скорости химических реакций, которые привели к созданию в 1880-е годы основ формальной кинетики (Я. Г. Вант-Гофф, В. Оствальд, С. А. Аррениус). В 1890-х годах Оствальд опубликовал также серию ставших классическими работ по исследованию каталитических процессов.

Важным достижением физической химии в XIX веке стало создание учения о растворах. Альтернативные физическая и химическая теории растворов развились из представлений Берцелиуса, считавшего растворы механическими смесями, при образовании которых не действуют силы химического сродства, и Бертолле, рассматривавшего растворы как нестехиометрические соединения. Физическая теория достигла существенных успехов в количественном описании некоторых свойств растворов (1-й и 2-й законы Ф. М. Рауля, осмотический закон Я. Г. Вант-Гоффа, теория электролитической диссоциации С. А. Аррениуса).

 

Современный период: с начала XX в

Открытие электрона Э. Вихертом и Дж. Дж. Томсоном (1897 год) и радиоактивности А. Беккерелем (1896 год) стали доказательством делимости атома, возможность которой стала обсуждаться после выдвижения У. Праутом гипотезы о протиле (1815 год). Уже в начале XX века появились первые модели строения атома: «кексовая» (У. Томсон, 1902 год и Дж. Дж. Томсон, 1904), планетарная (Ж. Б. Перрен, 1901 год и Х. Нагаока, 1903 год), «динамидическая» (Ф. Ленард, 1904). В 1911 Э. Резерфорд, основываясь на опытах по рассеиванию α-частиц, предложил ядерную модель, ставшую основой для создания классической модели строения атома (Н. Бор, 1913 год и А. Зоммерфельд, 1916). Основываясь на ней, Н. Бор в 1921 заложил основы формальной теории периодической системы, объяснившей периодичность свойств элементов периодическим повторением строения внешнего электронного уровня атома. После того, как В. Паули сформулировал принцип запрета (1925), а Ф. Хунд предложил эмпирические правила заполнения электронных оболочек (1925—1927), была в целом установлена электронная структура всех известных к тому времени элементов.

После открытия делимости атома  и установления природы электрона  как его составной части возникли реальные предпосылки для разработки теорий химической связи. Первой стала  концепция электровалентности Р. Абегга (1904), основанная на идее о сродстве атомов к электрону. Модель Бора – Зоммерфельда, представления о валентных электронах (И. Штарк, 1915) и идея об особой стабильности двух- и восьмиэлектронных оболочек атомов инертных газов легли в основу классических теорий химической связи. В. Коссель (1916) разработал теорию гетерополярной (ионной) связи, а Дж. Н. Льюис (1916) и И. Ленгмюр (1919) – теорию гомеополярной (ковалентной) связи.

В конце 20-х – начале 30-х годов XX века сформировались принципиально новые – квантово-механические – представления о строении атома и природе химической связи.

Исходя из идеи французского физика Л. де Бройля о наличии у материальных частиц волновых свойств, австрийский физик Э. Шрёдингер в 1926 году вывел основное уравнение т. н. волновой механики, содержащее волновую функцию и позволяющее определить возможные состояния квантовой системы и их изменение во времени. Несколько ранее немецкий физик В. Гейзенберг разработал свой вариант квантовой теории атома в виде матричной механики.

Квантово-механический подход к строению атома привёл к созданию новых  теорий, объясняющих образование  связи между атомами. Уже в 1927 году В. Г. Гейтлер и Ф. Лондон начали разрабатывать квантовомеханическую теорию химической связи и выполнили приближённый расчет молекулы водорода. Распространение метода Гейтлера-Лондона на многоатомные молекулы привело к созданию метода валентных связей, который создают в 1928—1931 гг. Л. Полинг и Дж. К. Слэтер. Основная идея этого метода заключается в предположении, что атомные орбитали сохраняют при образовании молекулы известную индивидуальность. В 1928 году Полинг предложил теорию резонанса и идею гибридизации атомных орбиталей, в 1932 году — новое количественное понятие электроотрицательности.

В 1929 году Ф. Хунд, Р. С. Малликен и Дж. Э. Леннард-Джонс заложили фундамент метода молекулярных орбиталей, основанного на представлении о полной потере индивидуальности атомов, соединившихся в молекулу. Хунд создал также современную классификацию химических связей; в 1931 году он пришёл к выводу о существовании двух основных типов химических связей — простой, или σ-связи, и π-связи. Э. Хюккель распространил метод МО на органические соединения, сформулировав в 1931 году правило ароматической стабильности, устанавливающее принадлежность вещества к ароматическому ряду.

Благодаря квантовой механике к 30-м  годам XX века в основном был выяснен  способ образования связи между  атомами; кроме того, в рамках квантово-механического  подхода получило корректную физическую интерпретацию менделеевское учение о периодичности. Создание надёжного теоретического фундамента привело к значительному росту возможностей прогнозирования свойств вещества. Особенностью химии в XX веке стало широкое использования физико-математического аппарата и разнообразных расчётных методов.

Подлинным переворотом в химии  стало появление в XX веке большого числа новых аналитических методов, прежде всего физических и физико-химических (рентгеноструктурный анализ, электронная  и колебательная спектроскопия, магнетохимия и масс-спектрометрия, спектроскопия ЭПР и ЯМР, хроматография и т. п.). Эти методы предоставили новые возможности для изучения состава, структуры и реакционной способности вещества.

Отличительной чертой современной  химии стало её тесное взаимодействие с другими естественными науками, в результате которого на стыке наук появились биохимия, геохимия и др. разделы. Одновременно с этим процессом  интеграции интенсивно протекал и процесс  дифференциации самой химии. Хотя границы  между разделами химии достаточно условны, коллоидная и координационная  химия, кристаллохимия и электрохимия, химия высокомолекулярных соединений и некоторые другие разделы приобрели  черты самостоятельных наук.

Закономерным следствием совершенствования  химической теории в XX веке стали новые  успехи практической химии — каталитический синтез аммиака, получение синтетических  антибиотиков, полимерных материалов и т. п. Успехи химиков в деле получения вещества с желаемыми свойствами в числе прочих достижений прикладной науки к концу XX столетия привели к коренным преобразованиям в жизни человечества.

Синтетическая органическая химия

Первая половина XIX века ознаменовалась развитием новой области химии  – синтетической органической химии. Первый краситель был синтезирован Перкиным. Далее в 1867г. Адольф Байер синтезировал индиго, в 1868г. Карл Гребе синтезировал важный природный краситель – ализарин.

Шотландский химик Томас Грэхем обнаружил, что растворы веществ, подобных соли, сахару проходят через разделяющую  перегородку из пергаментной бумаги. Соединения, способные проходить  через поры пергамента Грэхем назвал кристаллоидами. Соединения другой группы, не способные проходить через  поры пергамента, он назвал коллоидами. Наука о гигантских молекулах  стала впоследствии важным разделом коллоидной химии, которой Грэхем положил  начало.

Взрывчатые вещества. В 1845 году Х.Ф.Шенбайн, случайно превратил целлюлозу в нитроцеллюлозу (нитроклетчатку), из которой можно было получить «бездымный порох».

Однако наладить производство нитроклетчатки для военных целей долгое время  не удавалось: фабрики, как правило, взрывались. Только в 1891г. Дьюару и английскому химику Фредерику Аугустусу Абелю удалось получить безопасную смесь, назвав ее кордитом.

В состав кордита кроме нитроклетчатки входит также нитроглицерин (мощное взрывчатое вещество), который был  получен в 1847г. итальянским химиком  Асканио Собреро.

Производством нитроглицерина занялось семейство шведского изобретателя Альфреда Бернарда Нобеля (1833—1896). Когда  в результате взрыва погиб брат Нобеля, он сосредоточил свои усилия на «усмирении»  этого взрывчатого вещества. В 1866 г. Нобель обнаружил, что кизельгур  может впитывать значительные количества нитроглицерина. Пропитанный нитроглицерином кизельгур можно было формовать в брикеты. Такие брикеты были совершенно безопасны в обращении, хотя пропитывающий кизельгур нитроглицерин сохранял свою разрушительную силу. Нобель назвал полученную им смесь динамитом.

Получение новых и более мощных по сравнению с черным порохом взрывчатых веществ в конце XIX в. положило начало гонке вооружений. Его применение для военных целей, как и разработка отравляющих газов во время первой мировой войны, отчетливо продемонстрировало, что задачи науки можно извратить и заставить ее служить целям разрушения. Наука, которая до конца XIX в. казалась средством создания на земле утопии, стала служить уничтожению.

Одним из главных источников основных органических соединений, необходимых  для производства новых синтетических  продуктов, является нефть. Эта жидкость известна с античных времен, но чтобы  использовать ее в больших количествах, необходимо было открыть способ выкачивания  нефти из обширных подземных месторождений. Американский изобретатель Эдвин Лаурентин Дрейк первым в 1859 году начал бурить нефтяные скважины.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Проблемные  вопросы

1. Какие существовали противоречия  теории флогистона?

2. Сущность теории флогистона?

3. Какое событие стало причиной  «химической революции» и придало  химии вид самостоятельной науки?

4. На чем базировалась кислородная  теория?

5. С какими проблемами ученые  столкнулись при определении  атомных весов?

6. Различия в представлении молекулярной  формулы воды

7. В чем суть теории Авогадро  и почему ее отвергли?

8. Какие существовали еще гипотезы  о строении молекул?

9. В чем различие понятий молекулярный, атомный и элементарный вес?

10. Чему была равна молекулярная  масса кислорода согласно теории  Авогадро?

11. В чем суть идеи витализма?

12. Что способствовало низвержению  идеи витализма?

13. Как можно охарактеризовать химию  второй половины XIX века?

14. Что служило предпосылкой создания  Периодической системы Д. И.  Менделеева?

15. Какие господствовали еще системы  систематизации химических элементов?

16. Какой вклад внесла в науку  Периодическая система химических  элементов?

17. Основные идеи химического строения  Бутлерова

18. Первые модели строения атома.  В чем их сходства и противоречия?

19. В чем суть гипотезы Праута?

20. Как открытия в химии повлияли  на другие сферы жизни?