Шпаргалка по "Химии"

Проблема  получения веществ с заданными свойствами в практическом плане возникла, видимо, одновременно с человеком. Важнейшую роль в преобразовании человеком природы играют разного рода химические операции с веществом.

Из меди изготавливались булавки, свёрла, бусы. Они были найдены в Западной Азии. Их «возраст» 11 тыс. лет. Первые изделия  из свинца были найдены в Малой  Азии. Их возраст 6-7 тыс лет до н.э. Свинец добывали из минерала галенита (PbS). Сплав серебра и золота – электрон. Сплав меди и олова – бронза («Бронзовый век»). 2-1 век до н.э. – находки изделий из сурьмы. На территории Малой Азии в Египте и Месопотамии были найдены изделия из железа («Железный век»). В 4 веке до н.э. в Индии была изготовлена железная колонна, которая сохранилась до сих пор. Количество примесей 0,3% железа. Ртуть – 3-2 века до н.э. Её получали нагреванием киновари (HgS).

Искусство подделки металлов – изготовление сплавов, похожих на золото, серебро и электрон. Они делались на основе меди с добавкой олова, свинца. Также распространялись изделия из латуни (Cu/Zn).

В Месопотамии  и Египте получали минеральные красители  сурик, белила, сажа, а также красители, выделенные из растительных и животных материалов – корень куркумы (желтый), пурпур (красно-малиновый краситель), индигофера (индиго), ветка кампешевого  дерева, кошениль.

Изготовление  стекла и керамики, в том числе  глазурованной. Самые древние стеклянные бусины были сделаны в Египте середине 3 тысячелетия до н.э.

Фармация. Использовались экстракты растительных и животных организмов, сера, минералы и металлы.

Бумага, фарфор, порох. Описание состава приготовления порохов к середине 1го тысячелетия н.э. было в Китае.

Химия – индуктивная наука (от частного к общему). Основана на наблюдении и  эксперименте, которое создаёт обобщение  и модели. Отсюда возможны прогноз  и предсказание.

Химия начала формироваться в 17 веке с  возникновением научного эксперимента. Ремесло стало превращаться в  химическую технологию. Первые идеи относительно скрытой природы вещей дали философы Древней Греции – Идея об элементе и об атоме. В ранней греческой  философии сформировалось понятие  об элементе (стихии) первой субстанции, которая лежит в основе всего  разнообразия окружающего мира.

Фалес из Милета (7-6 вв. до н.э.) считал что первой стихией из чего возникает всё  сущее является вода.

Анаксимен из Милета (6 в до н.э.) утверждал, что  первоосновой Вселенной и всех тел (веществ) является именно воздух.

Гераклит  из Эфеса (5-4 вв. до н.э.) основным свойством  Вселенной является постоянное изменение, поэтому первосубстанцией является огонь.

Путем разряжения или сгущения (категории) происходили превращения элементов.

Эмпедокл (5 в до н.э) высказал идею о неизменности первоначал и их ограниченности (Вода, Воздух, Огонь, Земля). Он считал что  эти начала не могут взаимопревращаться, а в результате соединения или  отталкивания происходит образование  новых элементов. Многообразие вещей  является следствием неодинакового  содержания каждого из элементов. Примерно через 100-летие его взгляды претерпели трансформацию в учениях Платона  и Аристотеля.

В 5 веке до н.э. возникает учение «Атомизм», основная идея которого заключалась  в дискретности материи (Левкип из Абдеры или Милета – Учитель Демокрита). Демокрит из Абдеры полагал что все  вещи видимого мира состоят из мельчайших, неделимых и неизменных частиц –  атомов, которые разделены пустым пространством. Разнообразие всех вещей  Демокрит объяснял различием числа, формы, порядка их атомов. Но были возражения, которые касались предела делимости. Демокрит считал что свойства: вкус, запах, цвет, форма существуют лишь во мнении.

В 5-4 вв. до н.э. Элементаризм получил развитие в трудах Платона и Аристотеля. Платон рассматривал 4 элемента как  качественно различные и изменчивые формы единой неизменной материи. Единая первомтерия проявляется в разных телах по-разному. Например: в горючих  телах – огонь, в лёгких – воздух. Элементы выступали носителями различных  качеств веществ. В учении Платона  элементы стихии трансформировались в  изменчивые элементы качества, придающие  телам определённые свойства. Учение Платона было развито Аристотелем. По Аристотелю каждый из элементов  является носителем 2-х или 4-х свойств. Например: вода – носитель холода и  влажности, огонь – тепла и  сухости, земля – холода и сухости, воздух – тела и влажности. По Аристотелю превращение элементов является следствием изменения хотя бы одного из качеств, составляющих элемент –  важное условие превращения одного тела в другое. Аристотель высказал идеи относительно качественного разнообразия тел, ввел понятие миксиса – качественно нового разнообразия. Положение о миксисе получило большое значение в Эллинистический период и Средние вв.

Одной из принципиальных слабостей философского атомизма, проявившейся уже у Демокрита, стал вопрос о способе соединения атомов. Демокрит предполагал, что способность  атомов к соединению обусловлена  особенностями их формы и размера  – наличием у атомов выступов, углублений, зубцов, крючков и пр. Однако эти  положения Демокрита критиковали  даже его последователи – Эпикур (341-270 до н. э.) утверждал, что "не может быть ни крючкообразных, ни трезубцеобразных… атомов; все эти формы весьма хрупки… Крючки и углы… смогут быть оторваны…". Впрочем, Эпикур также не смог предложить ничего лучше маленьких отростков, посредством которых атомы переплетаются. Важным изменением, внесённым в античный атомизм Эпикуром, явилось утверждение об ограниченности числа форм атомов – это число, по его мнению, неопределённо велико, но конечно.

В античном мире число сторонников атомистической концепции было невелико, поскольку  в философских спорах (а именно логические доказательства в дискуссии  считались критерием истины) позиция  атомистов была проигрышной, не в  последнюю очередь благодаря  вопросу о соединении атомов. Следует  отметить, что труды античных атомистов  утрачены практически целиком –  от Демокрита и Эпикура остались лишь отрывки и цитаты, причём чаще всего – в работах их оппонентов. Практически единственное полностью  сохранившееся сочинение – это  дидактическая поэма "De Rerum Natura" ("О природе вещей"), излагающая воззрения Демокрита и Эпикура, которую написал римский поэт Тит Лукреций Кар (95-55 до н. э.).

Алхимия складывалась на основе слияния прикладной химии египтян с греческой  натурфилософией, мистикой и астрологией (золото соотносили с Солнцем, серебро - с Луной, медь - с Венерой, и т.д.) (II-VI вв.) в александрийской культурной традиции, представляя собой форму  ритуально-магического искусства.

Алхимия - это самозабвенная попытка найти  способ получения благородных металлов. Алхимики считали, что ртуть и  сера разной чистоты, соединяясь в различных  пропорциях, дают начало металлам, в  том числе и благородным. В  реализации алхимического рецепта  предполагалось участие священных  или мистических сил, а средством  обращения к этим силам было слово - необходимая сторона ритуала. Поэтому  алхимический рецепт выступал одновременно и как действие, и как священнодействие.

В средневековой  алхимии выделялись две тенденции.

Первая - это мистифицированная алхимия, ориентированная на химические превращения (в частности, ртути в золото) и, в конечном счете, на доказательство возможности человеческими усилиями осуществлять космические превращения. В русле этой тенденции арабские алхимики сформулировали идею «философского  камня» - гипотетического вещества, ускорявшего «созревание» золота в  недрах земли; это вещество заодно трактовалось и как эликсир жизни, исцеляющий болезни и дающий бессмертие.

Вторая  тенденция была больше ориентирована  на конкретную практическую технохимию. В этой области достижения алхимии несомненны. К ним следует отнести: открытие способов получения серной, соляной, азотной кислот, селитры, сплавов ртути с металлами, многих лекарственных веществ, создание химической посуды и др.

Альберт Великий считал что металлы сходствуют в эссенции, они различаются только своей формой. Путём бесконечного самосовершенствования, металлы которые  исходят из земли подобно растениям  под действием влажных и холодных паров трансформировались у алхимиков  в их мышлении о возможности совершенствования  металлов от несовершенного к совершенному состоянию. Поэтому природа в  стремлении к совершенном должна производить золото, и только под  влиянием неблагополучных обстоятельств  образуются несовершенные металлы.

Элементы  качества, превратились в элементы-принцыпы: сера – горючее начало, ртуть  – летучее начало.

Идея  о способности  металлов развиваться  в глубине земли  от менее к более  совершенному (золоту).

Идея  о трансмутации металлов: предание благородным металлам ртутного и серного начала.

Идея  о существовании  философского камня: можно предать металлу совершенства.

В 13 веке возникла идея о третьем элементе-принцыпе – соль (нем. монах Василий Валентин).

Особенность алхимического периода с практической точки зрения - нахождение способов улучшение состава металлов: обжиг, растворение, перегонка, сублимация и  др.

Мистический характер периода Алхимии был  связан с тем, что все металлы  имели связь с небесными телами (золото – Солнце, золото – Луна, медь – Венера, железо – Марс, ртуть  – Меркурий, олово – Юпитер, свинец – Сатурн).

Ятрохимия (мед. химия) стала выделяться к 15-му веку. Теофраст Парацельс (1493 – 24.09.1541): «Настоящая ценная химия – неделание золота, а получение лекарств. Вводит идею о гармонии химических функций живого организма, и нарушении их при болезни.

Парацельс стал вводить вещества как растительного  так и минерального происхождения. Он разделял положение об элементах-принципах, и считал что содержание их в теле человека определяет здоровье и нездоровье. Значительная роль в его теории отводилась нехимическим компонентам (гипотетический дух Архей регулировал пищеварение).

Идея  о возможности  воздействия на больной  организм химическими  средствами.

Достижение  – использование различных минеральных  веществ в качестве лекарств: коллоидное золото, поташ, винный камень, соединения ртути, сурьмы, меди, мышьяка, железа. Что  способствовало развитию химии.

Появляются  солидные руководства по мед. химии, открываются медицинские факультеты в университетах.

Ятрохимик Андреас Либавий описывал способы  приготовления наиболее важных лекарственных  препаратах.

В16-17вв. в рамках ятрохимии возникают химические технологии.

Георгий Агрикола (1494 – 1555) «отец» минералогии.

Бирингуччо  написал 10-томную книгу о пиротехнике.

Иоганн  Рудольф Глаубер (1604 – 10.03.1670) работал  над усовершенствованием технологий производства различных веществ (уксус, азотная кислота).

Соль  олицетворяла твёрдость и нелетучесть  и не изменялась под действием  огня. Появилась необходимость делать химические анализы путём разрушения вещества и определения его  компонентов.

В 17 в. Происходит углубление взаимопроникновения науки и производства, что способствовало развитию эксперимента в науке, что способствовало отрыву от умозрительных обобщений древних философов.

Развитие  эксперимента способствовало становлению  химии как науки. Оно стало  трансформировать в разных направлениях традиционные преставления о причинах разнообразия веществ. Эта проблема побрела важное значение в химии 17в. Возникала оторванность абстрактного понимания элемента в условиях развития экспериментальных исследований.

Сближение качеств объекта с самим объектом давало возможность достоверно интерпретировать экспериментальные результаты и  делать предсказания.

Так в  химии 17 века происходит переосмысление понятия «элемент», который стал рассматриваться как реальная вещественная составляющая сложных тел.

Ян Баптист  ван Гельмонт был одним из первых учёных, поставивших вопрос об истинных простых составных частях сложных тел. Ван Гельмонт предлагал считать простыми телами лишь те, которые могут быть выделены при разложении сложных тел.

Одним из следствий произошедшей во второй половине XVII века научной революции  явилось создание новой – научной  – химии. Создателем научной химии  традиционно считается Роберт Бойль.

Большое влияние на современников оказали  взгляды французского химика Николя Лемери, автора широко известного учебника "Курс химии". Лемери на основании анализа посредством огня выделял пять основных материальных начал веществ: спирт (иначе "ртуть"), масло (иначе "сера"), соль, вода ("флегма") и земля. Первые три начала – активные, вода и земля – пассивные. 

На рубеже XVII-XVIII веков научная химия находилась лишь в самом начале своего пути.

Семнадцатый век в философии ознаменовался  также возрождением атомистических представлений.

Рене  Декарт утверждал, что все тела состоят из корпускул различной формы и размеров; форма корпускул связана со свойствами вещества. В то же время Декарт считал, что корпускулы делимы и состоят из единой материи. Декарт отрицал представления Демокрита о неделимых атомах, движущихся в пустоте, не решаясь допустить существование пустоты. Корпускулярные идеи, весьма близкие к античным представлениям Эпикура, высказывал и французский философ Пьер Гассенди. Группы атомов, образующие соединения, Гассенди называл молекулами. Корпускулярные представления Гассенди завоевали довольно широкое признание среди естествоиспытателей.

Одним из следствий произошедшей во второй половине XVII века научной революции  явилось создание новой – научной  – химии. Создателем научной химии  традиционно считается Роберт Бойль. 

Главной заслугой Бойля стала предложенная им новая система химической философии, изложенная в книге "Химик-скептик" (1661). Книга была посвящена поискам  ответа на вопрос, что именно следует  считать элементами, исходя из современного уровня развития химии. Исходя из опытных данных, Бойль показал, что понятия современной химии должны быть пересмотрены и приведены в соответствие с экспериментом. Элементы, согласно Бойлю – практически неразложимые тела (вещества), состоящие из сходных однородных (состоящих из первоматерии) корпускул, из которых составлены все сложные тела и на которые они могут быть разложены. Корпускулы могут различаться формой, размером, массой. Корпускулы, из которых образованы тела, остаются неизменными при превращениях последних.

Главную задачу химии Бойль видел в  изучении состава веществ и зависимости  свойств вещества от его состава. При этом понятие состава Бойль  считал возможным употреблять только тогда, когда из элементов, выделенных из данного сложного тела, можно  обратно восстановить исходное тело (т.е. он фактически принимал синтез за критерий правильности анализа).

Главное значение работы Бойля заключается  в следующем:

1.  Формулировка новой цели химии – изучения состава веществ и зависимости свойств вещества от его состава.

2.  Предложение программы поиска и изучения реальных химических элементов;

3.  Введение в химию индуктивного метода;

Представления Бойля об элементе как о практически  неразложимом веществе быстро получили широкое признание среди естествоиспытателей.

Почти одновременно были выдвинуты две  теории света: корпускулярная теория Ньютона  и волновая теория Гюйгенса.

Согласно  корпускулярной теории, или теории истечения, выдвинутой Ньютоном в конце 17 века, светящиеся тела испускают мельчайшие частицы (корпускулы), которые летят  прямолинейно по всем направления и, попадая в глаз, вызывают световое ощущение.

Согласно  волновой теории светящееся тело вызывает заполняющей все мировое пространство особой среде – мировом эфире  – упругие колебания, которые  распространяются в эфире подобно  звуковым волнам в воздухе.

Во времена  Ньютона и Гюйгенса большинство  ученых придерживалось корпускулярной теории Ньютона, которая достаточно удовлетворительно объясняла все  известные к тому времени световые явления. Отражение света объяснялось  аналогично отражению упругих тел  при ударе о плоскость. Преломление  света объяснялось действием  на корпускулы больших сил притяжения со стороны более плотной среды. Под действием этих сил, проявляющихся, согласно теории Ньютона, при приближении  к более плотной среде, световые корпускулы получали ускорение, направленные перпендикулярно к границе этой среды, вследствие чего они изменяли направление движения и одновременно увеличивали свою скорость. Аналогично объяснялись другие световые явления.

В дальнейшем появившиеся новые наблюдения не укладывались в рамки этой теории. В частности, несостоятельность  этой теории обнаружилось, когда была измерена скорость распространения  света в воде. Она оказалась  не больше, а меньше, чем в воздухе.

Первая  теория научной химии – теория флогистона – в значительной степени  основывалась на традиционных представлениях о составе веществ и об элементах  как носителях определённых свойств. Тем не менее, именно она стала  в XVIII веке главным условием и основной движущей силой развития учения об элементах и способствовала полному  освобождению химии от алхимии. Именно во время почти столетнего существования  флогистонной теории завершилось начатое  Бойлем превращение алхимии в  химию.

Металлургия XVIII века столкнулась с двумя проблемами, разрешение которых было невозможно без проведения серьёзных научных  исследований – большие потери при  выплавке металлов и топливный кризис, вызванный почти полным уничтожением лесов в Европе. Теория флогистона в значительной степени основывалась на традиционных представлениях о составе веществ и об элементах как носителях определённых свойств. Флогистонная теория горения была создана для описания процессов обжига металлов. Феноменологическая картина обжига металлов была хорошо известна: металл превращается в окалину, масса которой больше массы исходного металла; кроме того, при горении имеет место выделение газообразных продуктов неизвестной природы. Целью химической теории стало рациональное объяснение этого феномена.

Создателями теории флогистона считаются немецкие химики Иоганн Иоахим Бехер и Георг Эрнст Шталь.

Флогистонная  теория со временем была распространена на любые процессы горения. Тождество  флогистона во всех горючих телах  было обосновано Шталем экспериментально: уголь одинаково восстанавливает и серную кислоту в серу, и земли в металлы. Дыхание и ржавление железа, по мнению последователей Шталя, представляют собой тот же процесс разложения содержащих флогистон тел, но протекающий медленнее, чем горение.

В историю  химии Шталь вошел как автор  теории флогистона. Согласно этой теории, все горючие тела (в т.ч. металлы) содержат общее начало – флогистон, который теряется при обжиге металлов и горении тел.

Шталь считал металлы сложными телами (окалина + флогистон), а окалины (оксиды в  современном понимании) – простыми. Флогистонная теория Шталя стала  первой теорией научной химии, благодаря  которой химия освободилась от алхимии.

Теория  флогистона господствовала до 1770-х  годов, и поиски этого вещества привели  к установлению множества новых  фактов и открытию новых веществ. Исходя из теоретических положений  теории, оказалось возможным понять особенности металлургических процессов  и улучшить качество выплавляемых металлов. Экспериментальные факты, полученные в период господства идей флогистона, помогли А.Л.Лавуазье создать кислородную  теорию горения.

Следует отметить, что в исторической литературе имеются серьёзные разногласия  в оценке роли теории флогистона –  от резко негативной до положительной. Однако нельзя не признать, что теория флогистона имела целый ряд несомненных достоинств:

–   она просто и адекватно описывает экспериментальные факты, касающиеся  процессов горения;

–   теория внутренне непротиворечива, т.е. ни одно из следствий не находится в противоречии с основными положениями;

–   теория флогистона целиком основана на экспериментальных фактах;

–   теория флогистона обладала предсказательной способностью.

К середине XVIII века одним из важнейших разделов химии пневматическая химия.

Из химиков-пневматиков, деятельность которых протекала в XVIII в., необходимо упомянуть Джозефа Блэка, более подробно изучившего «лесной газ» и давшего ему название «связывающийся воздух». Генри Кавендиш впервые получил водород действием кислот на металлы и объяснил образование водорода разложением металла, т.е. принял водород в качестве флогистона. В книге «Эксперименты с воздухом» Г. Кавендиш описал и другие свои достижения в области экспериментальной химии: разработанные им способы определения плотности газов, выяснение состава атмосферного воздуха и воды. В своих исследованиях Г. Кавендиш применил новый метод - действие электрического разряда на смеси газов, в частности, на смесь водорода и кислорода. При этом образовывалась вода. Даниель Резерфорд выделил из воздуха азот, Джозеф Пристли открыл кислород, Карл Вильгельм Шееле, который независимо от Дж. Пристли открыл и изучил кислород.

Развитие  пневматической химии и аналитических  исследований во второй половине XVIII в. оказало определенное влияние на представление химиков об элементах. Различные виды первоэлементов (например, несколько видов земли или  несколько видов воздуха) свидетельствовали  об укреплении представления о них  как о химически индивидуализированных  веществах, а не понимании их как  элементов-качеств. Химики постепенно приходили к разграничению понятий  элемент и соединение, т.е. к мысли  о существовании различных неразложимых на какие-либо компоненты и не трансмутируемых  друг в друга элементов, сочетание  которых образует, химические соединения и обусловливает их свойства.

Значение  кислородной теории оказалось больше, чем просто объяснение явлений горения  и дыхания. Отказ от теории флогистона потребовал пересмотра всех основных принципов и понятий химии, изменения  терминологии и номенклатуры веществ. Поэтому с создания кислородной  теории начался переломный этап в  развитии химии, названный "химической революцией".

В 1785-1787 гг. четыре выдающихся французских  химика – Лавуазье, Бертолле, Морво  и Фуркруа разработали новую  систему химической номенклатуры. Логика новой номенклатуры предполагала построение названия вещества по названиям тех  элементов, из которых вещество состоит. Основные принципы этой номенклатуры используются до настоящего времени.

В 1789 г. Лавуазье издал свой знаменитый учебник "Элементарный курс химии", целиком  основанный на кислородной теории горения  и новой химической номенклатуре. Появление этого курса собственно и ознаменовало, по мнению Лавуазье, химическую революцию. В "Элементарном курсе химии" Лавуазье привёл первый в истории новой химии список химических элементов (таблицу простых  тел).

Созданная Лавуазье рациональная классификация  химических соединений основывалась, во-первых, на различии в элементном составе соединений и, во-вторых, на характере их свойств (кислоты, основания, соли, солеобразующие вещества, органические вещества). При этом, как и Бойль, Лавуазье считает, что свойства вещества определяются его составом. Зависимость  свойств вещества от состава, описанная  Лавуазье, представляет собой закономерность, отражающую взаимосвязь между качественными  и количественными характеристиками вещества.

Важнейшим результатом исследований Лавуазье явилось формулирование им закона сохранения массы. Химическая революция завершила период становления химии.

Нефлогистонные  представления о горении и  дыхании зародились даже несколько  ранее флогистонной теории. Жан Рей  ещё в 1630 г. высказывал предположение, что увеличение массы металла  при обжиге обусловлено присоединением воздуха. Роберт Гук предполагал наличие в воздухе особого вещества, подобного веществу, содержащемуся в связанном состоянии в селитре.

Джон  Мейоу пытался доказать, что в  воздухе содержится особый газ, поддерживающий горение и необходимый для  дыхания (опыты с горящей свечой под колоколом).

Шееле получил кислород (1771), назвав его "огненным воздухом". Пристли выделил кислород нагреванием оксида ртути (1774).

Большое значение для создания кислородной  теории горения имели открытие водорода Кавендишем (1766) и азота Резерфордом  (1772).

В 1774 г. Лавуазье высказал предположение о  том, что при горении происходит присоединение к телам части  атмосферного воздуха. В 1777 г. Лавуазье сформулировал основные положения кислородной теории горения:

1.  Тела  горят только в "чистом воздухе".

2.  "Чистый  воздух" поглощается при горении,  и увеличение массы сгоревшего  тела равно уменьшению массы  воздуха.

3.  Металлы  при прокаливании превращаются  в "земли". Сера или фосфор, соединяясь с "чистым воздухом", превращаются в кислоты.

Кислородная теория горения имела ряд существенных преимуществ по сравнению с флогистонной. Она более проста, не содержала в себе "противоестественных" предположений о наличии у тел отрицательной массы, и не основывалась на существовании субстанций, не выделенных экспериментально. Вследствие этого кислородная теория горения довольно быстро получила широкое признание среди естествоиспытателей.

После химической революции химия вступила в период количественных законов, в  котором была создана и развита  новая концепция химического  элемента – атомно-теоретическая.

Важнейшим результатом исследований Лавуазье явилось формулирование им закона сохранения массы. Проанализировав результаты собственных исследований количественного  состава веществ и соотношения  масс реагентов и продуктов реакции, а также результаты подобных исследований других учёных, Лавуазье показал, что  во всех случаях масса веществ  в ходе химических реакций не изменяется. Лавуазье вывел закон сохранения массы исключительно из экспериментальных данных, не используя каких-либо теоретических предпосылок, не основанных на опыте.