Этапы развития химии

    Пьер  Гассенди развивал оригинальные атомистические представления. По его мнению, «существует  определенное число неделимых и  непроницаемых атомов, из которых  составлены все тела». Форма атомов может быть различной, и они могут  отличаться по размерам и весу. Образование  и разрушение тел объясняется  соединением атомов и распадом соединений на исходные атомы. Теплота и свет – эти «невесомые флюиды» –  также образованы  атомами. Гассенди полагал: тела состоят не из первичных атомов, а из их соединений – молекул (от лат. moles – «масса», с уменьшительным суффиксом –cula). Так в 1624 г. в химию вошло одно из важнейших понятий. Но для того, чтобы четко расшифровать его содержание, потребовалось почти три столетия.

    Другая  выдающаяся личность того времени –  английский естествоиспытатель и философ  Френсис Бекон. Он критически относился  к деяниям алхимиков. «Непонятно», говорил Бэкон, «чего они более  достойны – смеха или слез». Однако при этом ученый считал, что «алхимики  изобрели немало и одарили людей полезными открытиями». В 1620 г. он утверждал: «В природе всё доказывает существование двух следующих законов: ничто не делается из ничего и ничто не уничтожается, но собственно так называемое количество или вся сумма частиц материи остается низменной, не увеличиваясь и не уменьшаясь». Здесь заключена идея закона сохранения материи. Полтора столетия спустя он обретет свой окончательный статус благодаря М.В. Ломоносову и А. Лавуазье.

    В том же году голландец Ян ван Гельмонт впервые ввел термин «газ» (от греч. «хаос») и при сжигании древесного угля обнаружил выделение «лесного духа» (будущего углекислого газа).

    Процессы  горения и прокаливания веществ  постоянно использовались в лабораторных исследованиях и на практике. Однако их сущность, равно как и природа  продуктов реакции, оставалась еще  непонятной. Объяснить это было совершенно необходимо. Постепенно накапливались  новые факты. Так, французский химик  и врач Жан Рей в 1630 г. описал опыты  по прокаливанию олова и свинца на воздухе. Рей обнаружил, что продукты прокаливания увеличиваются в весе. Англичанин Роберт Гук в 60-х гг. изложил  оригинальную теорию горения: воздух, утверждал он, содержит особое «вещество», способствующее горению. Взгляды Гука разделял его соотечественник Джон Мэйоу, по мнению которого в воздухе присутствует «субстанция», способная поддерживать горение и необходимая для дыхания животных. Так в сознании ученых начинал смутно проступать «силуэт» будущего кислорода.

    Представления Рея, Гука и Мэйоу о горении как процессе «соединения» вещества с воздухом не получили своевременного признания. Ведь природа воздуха – вездесущей, легкой и невидимой субстанции – оставалась неизвестной. Она была познана лишь в последней четверти XVIII в.

    Особое  место среди ученых XVII столетия занимает Роберт Бойль. Его идеи в значительной степени положили начало формированию химии как самостоятельного раздела естествознания.

    Ярким событием стало выделение немецким алхимиком Хеннигом Брандом фосфора (1669 г.). Это – первое открытие химического элемента (неметалла), которое четко датируется.

    Своеобразный  итог химическим достижениям XVII столетия подвел в «Курсе химии» (1675 г.) француз Никола Лемери. Книга выдержала 12 переизданий. В ней автор, в частности, дал понятие химии как «искусства разделять различные вещества, содержащиеся в смешанных телах».

2.4. Флогистический период

«Химия  только тогда стала  точной наукой, когда  взяла в руки весы».

Д.И. Менделеев 

    Если  бы идеи Джона Мэйоу и его коллег в свое время получили соответствующее теоретическое обоснование, то совершенствование химических знаний могло бы пойти в ином направлении. История распорядилась иначе. Первая химическая теория появилась только на рубеже XVII – XVIII столетий. Почти на протяжении всего XVIII в. она владела умами подавляющего большинства исследователей. Парадокс заключался в том, что, в конечном счете, эта теория оказалась ошибочной.

    Она вошла в историю под названием  теории флогистона. Ее создал немецкий химик и врач Георг Эрнст Шталь (1659 – 1734). В соответствии с этой теорией, все вещества, способные гореть или изменяться при прокаливании (как металлы, которые превращаются в оксиды), содержат невесомый флюид – флогистон (от греч. «флогистос» - «воспламеняющийся»). Таким образом, в процессе горения или обжига вещества теряют, отдают флогистон. Ценность теории состояла в том, что она давала возможность с единой точки зрения объяснить механизмы протекания химических процессов.

    Основы  своих представлений Шталь изложил в 1697 – 1703 гг., а фундаментальное освещение его взгляды получили в 1723 г. в книге «Основания химии». Шталь считал, что флогистон является материальным, лишь когда находится в сочетании с другими веществами в сложных телах; при нагревании этих тел он проявляется в виде огня. То есть в свободном виде флогистон не существует. Это заключение не помешало некоторым химикам попытаться выделить именно свободный флогистон. Кое-кто из последователей Шталя даже приписывал флогистону отрицательный вес. Ведь иначе трудно было объяснить явное расхождение теории с практикой: многочисленные опыты показывали, что продукты прокаливания (оксиды) тяжелее исходных веществ.

    Убежденным  приверженцем теории флогистона был  и выдающийся английский химик Генри  Кавендиш. Его экспериментальные  исследования во многом способствовали возникновению во второй половине XVIII в. пневматической химии (от греч. «пневма» – «дуновение», «ветер»), то есть химии газов. Своим развитием она обязана в первую очередь британским ученым. Стефен Гейлс изобрел так называемую пневматическую ванну – прибор, необходимый для исследования газов. Джозеф Блек в 1754 г. выделил «связанный воздух» (повторно открыл углекислый газ). Благодаря успехам пневматической химии было установлено, что основными компонентами воздуха являются азот и кислород, а вода – это соединение водорода и кислорода.

    Совершенствование химико-аналитического метода позволило  обнаружить большое число новых  элементов. Начало было положено в 1735 г., когда шведский химик Георг Брандт выделил кобальт (первое датированное открытие металла). Затем до конца  XVIII в. список химических элементов пополнили никель, фтор, хлор, марганец, барий, молибден, вольфрам, теллур, уран, цирконий, стронций, иттрий, титан, хром, бериллий. Были открыты многие важнейшие неорганические соединения: сернистый газ, сероводород, ряд оксидов азота, оксид углерода, некоторые соли.

    К концу XVIII столетия обрели четкие контуры два важнейших раздела химии – неорганическая и аналитическая химия. Из природных продуктов удалось выделить несколько десятков органических соединений (главным образом, кислот). Были разработаны приемы анализа органических веществ. Это способствовало возникновению органической химии. Появились первые исследования в области термохимии и электрохимии. Формирование химии как самостоятельной науки вступало в завершающую стадию.

    Одно  из важнейших предпосылок этой химической революции стало широкое использование  метода количественных измерений. Теоретическую  основу количественный метод получил  в законе сохранения массы вещества в химических реакциях, сущность которого четко выразил в 1760 г. Михаил Васильевич Ломоносов. Однако до низвержения теории флогистона он не мог получить статус фундаментального закона природы. Довел дело до конца выдающийся французский ученый Антуан Лоран Лавуазье. Он развил кислородную теорию горения и показал, что именно кислород – составная часть всех оксидов. Он же предложил «Таблицу простых тел» - фактически первую классификацию химических элементов.

    Немецкий  ученый Иеремия Рихтер сформулировал  закон эквивалентов (1789 г.) и ввел понятие «стехиометрия» (1794 г.). Это имело большое значение для дальнейшего развития количественных методов в химии. В 1799 г. французский химик Жозеф Пруст высказал идею о постоянстве состава химических соединений. Ее оспаривал Клод Бертолле. Многолетняя дискуссия между учеными завершилась в пользу Пруста. 
 
 
 
 

2.5. Зарождение современной химии. Атомистика

«Его знание происходит от гениальности, у простых людей такого не бывает. Это способность к неожиданному сближению фактов и понятий, которые для обыкновенного смертного кажутся далеко стоящими друг от друга и ничем не связанными…»

А. Блок о Д.И. Менделееве 

    В физике XIX век ознаменовался разработкой молекулярно-кинетический теории. Закономерности преобразования энергии из одного вида в другой объяснялись с использованием понятия молекулы. Химии для описания состава соединений и химических реакций также был необходим конкретный материальный объект. Таким объектом стал атом. В первые годы XIX столетия английский ученый Джон Дальтон (1766 – 1844) сформулировал основные принципы химической атомистики. Как заметил немецкий философ Фридрих Энгельс, «новая эпоха в химии начинается с атомистики (следовательно, не Лавуазье, а Дальтон – отец современной химии), а в физике, соответственно этому, – с молекулярной теории».

    Принципы  Дальтона заключались в следующем:

• атомы одного и того же вещества тождественны;
• разные атомы способны соединяться между собой в различных соотношениях;
• атомы абсолютно неделимы.

    Наконец, в 1803 – 1804 гг. Дальтон ввел фундаментальное  понятие атомного веса – фактически первый количественный параметр, характеризующий  атом. Зная атомные веса элементов, можно устанавливать меру химических превращений и химических соотношений  веществ, составлять количественные уравнения  реакций.

    Вокруг  понятия атомного веса и происходила  впоследствии стремительная кристаллизация атомно-молекулярного учения. Важными вехами на этом пути были газовые законы, установленные французом Жозефом Гей-Люссаком (1802, 1808 гг.) и итальянцем Амедео Авогадро (1811 г.); закон теплоемкости, сформулирвоанный французскими учеыми Пьером Дюлонгом и Алекси Пти (1819 г.); открытие явления изоморфизма немецким химиком Эйльхардом Мичерлихом (1819 г.). Также можно отметить гипотезу, выдвинутую в 1815 – 1816 гг. английским врачом Уильямом Праутом, согласно которой все химические элементы образовались из «первичной материи» – атомов водорода с атомным весом, равным 1. В развитии атомно-молекулярного учения (да и химии в целом) велика роль шведского химика Якова Берцелиуса.

    Постулаты нового учения устанавливались в  ходе продолжительных дискуссий. Теория Берцелиуса послужила опорой самых разнообразных исследований, которые в конечном итоге привели к становлению классической химии. Характерно, что первый в истории международный химический конгресс в Карлсруэ (Германия, 1860 г.) был посвящен именно проблемам атомно-молекулярной тоерии.

    На  протяжении XIX в. продолжалось формирование неорганической, аналитической, органической и физической химии как самостоятельных разделов этой науки. Достижения неорганической химии состояли в открытии, главным образом с помощью химического анализа, большого числа новых элементов и получении многих неорганических соединений. За первую половину XIX в. было открыто 25 элементов. В 1859 г. немецкие ученые Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф создали метод оптического спектрального анализа, который позволил определять элементы по характерным линиям в их спектрах. Так обнаружили цезий, рубидий, таллий и индий. К концу 60-х гг. известных элементов насчитывалось 63, причем свойства многих удалось изучить достаточно полно. Это обстоятельство послужило одной из предпосылок открытия Дмитрием Ивановичем Менделеевым периодического закона (1869 г.) и разработки им периодической системы химических элементов.

    В аналитической химии качественные и количественные методы стали приводиться  в определенную систему. Немецкий химик Карл Фрезениус разработал схему анализа катионов (1841 г.) и разделил металлы на шесть аналитических групп (ионы каждой группы имеют характерные особенности в реакциях с сероводородом). В 1862 г. он основал первый журнал, посвященный исключительно аналитической химии.

    В фундамент органической химии лег анализ многочисленных веществ животного и растительного происхождения. Их изучение показывало, что состоят они из ограниченного числа одних и тех же элементов: углерода, водорода, кислорода, азота и некоторых других. Название «органическая химия» ввел Берцелиус в 1806 г. По его мнению, искусственно могут быть получены только неорганические вещества, тогда как органические создаются в животных и растительных организмах под действием некоторой «жизненной силы». Эти ложные представления тормозили развитие органической химии. Но вот в 1828 г. немецкий химик Фридрих Велер впервые искусственно получил природное органическое вещество мочевину из неорганической соли – цианата аммония. Эито событие открыло дорогу к синтезу различных органических соединений.

    К середине XIX в. органическая химия заняла господствующее положение в химических исследованиях. За короткий срок удалось синтезировать и обнаружить в природных объектах множество веществ, относящихся к различным классам органических соединений. Такое изобилие потребовало теоретических обобщений. В 40–50-х гг. появилось немало теорий для объяснения химической природы и строения органических веществ. Была разработана удовлетворительная классификация органических соединений.