Химическая картина мира

Не верил в трансмутацию и величайший итальянский учёный и художник Леонардо да Винчи (1452-1519), поставивший своей целью "постичь происхождение многочисленных созданий природы". Он опирался на эксперимент, который он считал посредником "между искусной природой и родом человеческим" и который "должно производить многократно, чтобы какое-нибудь случайное обстоятельство не повлияло бы на его результаты".

Но эпоха алхимии  не прошла даром. В поисках условий  для осуществления таинственной трансмутации алхимики разработали  такие важные методы очистки веществ, как фильтрация, возгонка, дистилляция, кристаллизация. Для проведения экспериментов они создали специальные аппараты водяную баню, перегонный куб, реторты, печи для нагревания колб.  Алхимиками были открыты серная, соляная и азотная кислоты, многие соли, этиловый спирт, изучены многие реакции (взаимодействие металлов с серой, обжиг, окисление и т.д.).

И тем не менее, чтобы  превратить алхимические учения в положения  действительно научной химии, необходимо было "очистить" их от мистических  наслоений, поставить на подлинную  экспериментальную основу, детально исследовать состав веществ. Начало этому сложному и длительному процессу положили  так называемые "иатрохимики" (от греч. iatros – "врач") и представители так называемой "технической химии".

2. От алхимии - к научной химии:  путь действительной науки

о превращениях вещества

Новому пониманию предмета химического познания способствовало возрождение античного атомизма. Здесь важную роль сыграли труды  французского мыслителя П.Гассенди. Он не только воскресил атомистическую теорию, но, по словам Дж. Бернала, превратил её "в учение, куда вошло все, то новое в физике, что было найдено в эпоху Возрождения". Для обнаружения частиц, не видимых простым глазом, Гассенди использовал энгиоскоп (микроскоп), и из этого он сделал вывод, что если можно обнаружить столь мелкие частицы, то могут существовать и совсем мельчайшие, которые удастся увидеть впоследствии.

Гассенди считал, что  Бог создал определённое число атомов, отличающихся друг от друга формой, величиной и весом и всё  в мире состоит из них. Как из кирпича, брёвен и досок можно построить огромное число разнообразных зданий, так и из нескольких десятков видов атомов природа создаёт великое множество тел. Соединяясь, атомы дают более крупные образования – "молекулы". Последние в свою очередь, объединяясь друг с другом, становятся более крупными и "доступными для ощущения". Тем самым Гассенди первым ввёл в химию понятие "молекула" (от лат. moles и cula  -  "масса" в уменьшительном значении)

И вместе с тем П.Гассенди разделял заблуждения науки своего времени. Так, он признавал божественное происхождение атомов, признавал, что существуют особые атомы запаха, вкуса, тепла и холода.

Развитию корпускулярной теории способствовал и великий  английский учёный Исаак Ньютон (1643-1727), занимавшийся также и вопросами  химии. Он имел хорошо оборудованную химическую лабораторию, среди его трудов есть, например, сочинение "О природе кислот" (1710). Ньютон считал, что корпускулы созданы Богом, что они неделимы, тверды и неуничтожимы. Соединение корпускул происходит за счёт притяжения, а не за счёт крючков, зазубрин и т.д. Такое притяжение и определяет "химическое действие", а распад существующих веществ на первичные частицы и образование из них других сочетаний обусловливают появления новых веществ.

Корпускулярное учение нашло свое завершение также в трудах знаменитого английского учёного Роберта Бойля. Молодой учёный разработал основы анализа (от analisis - разложение) "мокрым путём", т.е. анализ в растворах. Он ввёл индикаторы (настой лакмуса, цветов фиалок, а также лакмусовые бумажки) для распознания кислот и щелочей,  соляную кислоту и её соли с помощью нитрата серебра, соли серной кислоты - с помощью извести и т.д. Эти приёмы используются в химии и сейчас.

Под влиянием работ Торричелли по изучению атмосферного давления Бойль  занялся исследованием свойств воздуха. Он брал трубки U-образной формы с разной длиной колен. Короткое было запаяно, а длинное открыто. Заливая в последнее ртуть, Бойль "запирал" короткое колено. Если изменять теперь количество ртути в длинном колене, то будет изменяться и объём воздуха в коротком. Так была установлена закономерность: объём газа обратно пропорционален его давлению (1662). Позднее эту закономерность наблюдал французский учёный Э. Мариотт. Сейчас этот  газовый закон именуется законом Бойля- Мариотта.

А за год до открытия газового закона Бойль опубликовал книгу "Химик-скептик", в которой изложил свои взгляды и полагал химию самостоятельной наукой, а не подспорьем алхимии и медицины.

Таким образом, элементы, по Бойлю, это вещества, которые нельзя разложить (т.е. простые вещества), они состоят из однородных корпускул. Таковы золото, серебро, олово, свинец.

Другие, например киноварь, разлагающуюся на ртуть и серу, он относил к сложным веществам. В свою очередь, серу и  ртуть, которые  не удалось разложить, следовало отнести к элементам. А сколько в природе элементов, то на этот трудный вопрос ответить мог дать только опыт. Нельзя так же утверждать, считал Бойль, что известные в то время простые вещества обязательно должны быть элементами - возможно, со временем, и они будут разложены (что и произошло с водой и "землями"- оксидами щелочноземельных металлов).

Ученому  удалось в  корпускулярной теории строения веществ  объединить два подхода - учение об элементах и атомистические представления. Именно "Бойль делает из химии науку", - писал в этой связи Ф. Энгельс.

3. Революция в химии и атомно-молекулярное учение как концептуальное основание современной химии.

Как история человеческой цивилизации началась с "приручения" человеком огня, так и действительная история химии началась с рассмотрения проблемы горения - центральная проблема химии XVIII в. Вопрос состоял в следующим: что случается с горючими веществами, когда они сгорают воздухе?

Для объяснения процессов  горения И. Бехером и его учеником Г.Э. Шталем была предложена так называемая теория флогистона. Под флогистон здесь понималась  некоторая невесомая субстанция, которую содержат все горючие тела и  которую они утрачивают при горении. Тела, содержащие большое количество флогистона, горят хорошо, тела же, которые не загораются, являются дефлогистированными. Эта теория позволяла объяснить многие химические процессы и предсказывать новые химические явления. В течение почти всего XVIII в. она прочно удерживала свои позиции, пока Лавуазье в конце XVIII в. не разработал кислородную теорию горения.

Разрабатывая свою теорию горения, Лавуазье отмечал, что при  горении "постоянно наблюдается  четыре явления": выделяются свет и  тепло; горение осуществляется только в "чистом воздухе" (кислороде); все  вещества увеличиваются настолько, насколько уменьшается вес воздуха; при горении неметаллов образуются кислоты (кислотные оксиды),  а при обжиге металлов - металлические извести (оксиды металлов).

Было доказано, что "флогистон  Шталя – лишь воображаемое вещество", а "явления горения и обжига объясняются гораздо проще и легче без флогистона, чем с его помощью".

Проводя различные опыты  с азотной, серной и фосфорной  кислотами, Лавуазье пришёл к выводу, что "кислоты отличаются одна от другой лишь основанием, соединенный  с воздухом". Другими словами, "чистый воздух" обусловливает кислые свойства этих веществ и поэтому учёный назвал его кислородом (oksigenium от orsus - кислый и gennao - рождаю). После того как был установлен состав воды, Лавуазье окончательно убедился в исключительной роли кислорода.

Лавуазье даёт определение  элемента и приводит таблицу и  классификацию простых веществ. Все простые вещества были им разделены на четыре группы: 1) вещества, относящиеся к трём царствам природы (минералы, растения, животные) - свет, теплород, кислород, азот, водород; 2) неметаллические вещества, окисляющиеся и дающие кислоты, - сера, фосфор, углерод, радикалы муриевый (хлор), плавиковый (фтор), и борный (бор); 3) металлические вещества, окисляющиеся и дающие кислоты, - сурьма, серебро, мышьяк, висмут, кобальт, медь, железо, марганец, ртуть, молибден, никель, золото, платина, свинец, вольфрам, цинк; 4) солеобразующие землистые вещества: известь, магнезия, барит,  глинозем, кремнезём.

Таким образом, Лавуазье осуществил научную революцию в  химии: он превратил химию из совокупности множества не связанных друг с другом рецептов, подлежавших изучению один за одним, в общую теорию, основываясь на которой можно было не только объяснить все известные явления, но и предсказывать новые.

Принципиальный шаг  в развитии научной химии был сделан Дж. Дальтоном, ткачом и школьным учителем из Манчестера. В 1793 г. вышла в свет научная работа Дальтона "Метеорологические наблюдения и опыты". Анализируя результаты своих метеорологических наблюдений, Дальтон пришёл к выводу, что причиной испарения воды является теплота, а сам процесс испарения есть переход частичек воды из жидкого состояния в газообразное. Это был первый шаг на пути к созданию системы химической атомистики.

В 1801г. Дальтон установил  закон парциальных давлений газов: давление смеси газов, не взаимодействующих друг с другом, равно сумме их парциальных давлений (Первый закон Дальтона).

Два года спустя, продолжая  опыты, английский учёный обнаружил, что  растворимость в жидкости каждого  газа из смеси при постоянной температуре прямо пропорциональна его парциальному давлению над жидкостью и не зависит от общего давления смеси и от наличия в смеси других газов. Каждый газ растворяется, таким образом, как если бы он один занимал данный объём (Второй закон Дальтона).

Пытаясь определить "число простых элементарных частиц", образующих сложную частицу, Дальтон рассуждал, что если при взаимодействии двух веществ получается одно соединение, то оно бинарно; если же образуются два соединения, то одно бинарное, а другое тройное, т.е. состоят соответственно из двух и из трёх атомов, и т.д.

Применяя эти правила, Дальтон приходит к заключению, что  вода - бинарное соединение водорода и  кислорода, вес которых относятся  примерно как 1:7. Дальтон считал, что  молекула воды состоит из одного атома водорода и одного атома кислорода, т.е. формула её НО. По данным же Гей-Люссака и А.Гумбольдта (1805), вода содержит 12,6% водорода и 87,4% кислорода, а так как Дальтон принял атомный вес водорода за единицу, атомный вес кислорода он определил равным примерно семи.

В 1808г. Дальтон постулировал закон простых кратных отношений:

Если два каких-либо элемента образуют друг с другом несколько  химических соединений, то количества одного из элементов, приходящиеся в  этих соединениях на одинаковое количество другого элемента, находятся между собой в простых кратных отношениях, т.е. относятся друг к другу как небольшие целые числа.

Занятия метеорологией  привели Дальтона к размышлению  о строении атмосферы, о том, почему она представляет собой "массу явно однородную". Изучая физические свойства газов, Дальтон принял, что они состоят из атомов. Для объяснения же диффузии газов он предположил, что их атомы имеют различные размеры.

Дальтон строго разграничивал  понятия "атом" и "молекула", хотя последнюю и назвал "сложным", или "составным атомом", но этим  он только подчёркивал, что эти частицы являются пределом химической делимости соответствующих веществ.

Джон Дальтон является создателем научной химической атомистики. Он впервые, используя представления  об атомах, объяснил состав различных химических веществ и  определил их относительный и молекулярный вес.

И, тем не менее, в начале XIX в. атомно-молекулярное учение в химии с трудом пробивало себе дорогу. Понадобилось ещё полстолетия для его окончательной победы. Для экспериментального обоснования атомистики и её внедрения в химию много усилий приложил Й.Б. Берцелиус.

Окончательную же победу атомно-молекулярное учение одержало лишь на 1-м Международном конгрессе  химиков (1860).

В 50-70-е гг. XIX в. на основе учения о валентности и химической связи была разработана теория химического строения (А.М. Бутлеров, 1861), которая обусловила огромный успех органического синтеза и возникновение новых отраслей хим. промышленности (производство красителей, медикаментов, нефтепереработка и др.), а в теоретическом плане открыла путь построению теории пространственного строения органических соединений - стереохимии (Дж. Г. Вант Гофф, 1874).

Во второй половине XIX в. складываются физическая химия, химическая кинетика, как учение о скоростях химических реакций, теория электролитической диссоциации, химическая термодинамика.

Таким образом, в химии XIX в. сложился новый общий теоретический  подход - определение свойств химических веществ в зависимости не только от их состава, но и от их структуры.

Развитие атомно-молекулярного  учения привело к идее о сложном  строении не только молекулы, но и атома. В начале XIX в. эту мысль высказал английский учёный У. Праут, исходя из результатов измерений, показавших, что атомные веса элементов кратны атомному весу водорода. На основе этого Праут предложил гипотезу, согласно которой атомы всех элементов состоят из атомов водорода.

Новый толчок для развития идеи о сложном строении атома  дало великое открытие Д.И.Менделеевым (1869) периодической системы элементов. Менделеев написал блестящий учебник органической химии - первый в России, за который ему была присуждена Большая Демидовская премия Академии наук.

Прочитав в 1867-1868 гг. курс лекций по неорганической химии, Менделеев  убедился в необходимости создания отечественного "руководства к химии". Он приступает к написанию учебника "Основы химии". Этот труд был призван "познакомить публику и учащихся" с достижениями химии, её применением в технике, сельском хозяйстве и т.д. Затруднения встретились при написании второй части учебника, где предполагалось поместить материал о химических элементах.