Важнейшие достижения естествознания 19 века

     Электролиз. Изучая влияние электрического тока на химические вещества, ученые смогли выделить ряд новых элементов. Очень часто неоткрытые элементы входили в состав оксидов. Чтобы выделить элемент, соединенный с кислородом, последний необходимо было удалить. Под воздействием  какого-либо другого элемента, обладающего более сильным сродством к кислороду, атом(ы) кислорода может покинуть первый элемент и присоединиться ко второму. Этот метод оказался эффективным.

     Английский химик Гемфри Дэви решил, что если вещество нельзя разложить химическим путем, то, возможно, это удастся осуществить под действием электрического тока: ведь таким способом удалось разложить даже молекулу воды. Дэви сконструировал батарею; пропуская ток, который давала эта батарея, через растворы соединений, он пытался выделить неизвестные элементы, но разложил только воду.

     Необходимо  было прежде удалить воду. Однако через  твердые вещества ему даже не удалось  пропустить ток. Наконец, Дэви догадался  расплавить соединения и пропустить ток через расплав. Это оказалось действенным. Электролизом Дэви получил калий, натрий, магний, стронций, барий, кальций.

     Работы  Дэви по электролизу продолжил его  помощник и ученик Майкл Фарадей. Ряд электрохимических терминов, введенных Фарадеем, используется и по сей день(электролиз, электролит, электроды, анод, катод, анионы, катионы).

     В 1832 году Фарадей установил, что электрохимические  процессы характеризуются определенными  количественными соотношениями, и  сформулировал следующие два закона электролиза:

     Вес вещества, выделившегося на электроде  во время электролиза, пропорционален количеству электричества, пропущенного через раствор.

     Вес металла, выделенного  данным количеством  электричества, пропорционален эквивалентному весу этого металла. 

     Органическая  химия 

     Крушение  витализма. В 1807 году Берцелиус предложил вещества, которые типичны для живой природы, называть органическими, а вещества, характерные для неживой природы -неорганическими.  XIX век был временем господства витализма – учения, рассматривающего жизнь как особое явление, подчиняющееся влиянию особых жизненных сил. Сторонники витализма утверждали, что для превращения неорганических веществ в органические требуется какое-то особое воздействие, которое проявляется только внутри живой ткани.

     В 1828 году Фридрих Вёлер, нагревая цианат аммония, обнаружил образование  кристаллов, похожих на мочевину. Тем  самым он получил из неорганического  вещества органическое.

     Открытие  Вёлера способствовало низвержению витализма и вдохновило химиков на попытки синтеза органического вещества.

     В 1845 году Адольф Вильгельм Герман Кольбе успешно синтезировал уксусную кислоту; в 50-е годы XIX века Пьер Эжен Марселен Бертло синтезировал метиловый и  этиловый спирты, метан, бензол, ацетилен; в 1812 году Кирхгофу удалось получить глюкозу; в 1820 году Анри Браконно  получил глицин – первую аминокислоту; в 1809 Мишель Эжен Шеврель выделил жирные кислоты.

     В 1854 году Бертло, нагревая глицерин со стеариновой  кислотой, получил тристеарин, который  оказался идентичным тристеарину, полученному из природных жиров. Он был самым сложным из синтезированных к тому времени аналогов природных продуктов.

     Бертло  сделал еще более важный шаг. Вместо стеариновой кислоты он взял кислоты, похожие на нее, но полученные не из природных жиров, и также нагрел их с глицерином. В результате Бертло получил соединения, очень похожие на обычные жиры, но несколько отличающиеся от любого из природных жиров.

     Этот  синтез показал, что химик не только способен синтезировать аналоги  природных продуктов, он в состоянии сделать большее. Именно с синтезом аналогов природных продуктов связаны самые крупные достижения органической химии второй половины XIX века.

     К середине XIX века стало непопулярным причислять то или иное соединение к органическим или неорганическим, исходя лишь из того, является или не является оно продуктом живой ткани. Тем не менее деление соединений на органические и неорганические имело смысл. Свойства соединений этих классов настолько различаются, что даже приемы работы химика-органика и химика-неорганика совершенно различны.

     Немецкий  химик Фридрих Август Кекуле фон  Страдонитц сделал верный вывод. В учебнике, опубликованном в 1861 году Кекуле определил  органическую химию как химию  соединений углерода. Правда, несколько соединений углерода скорее следует считать неорганическими.

     Изомеры и радикалы. В первые десятилетия XIX века считалось, что для каждого соединения характерна своя собственная эмпирическая формула и что у двух различных соединений она не может быть одинаковой.

     У органических соединений в то время  было невозможно установить точную эмпирическую формулу. Однако основоположники органического  анализа (Ю.Либих, Ж.Б.А. Дюма, Ф.Вёлер) в процессе своих исследований получили такие результаты, которые пошатнули веру в важность эмпирической формулы. Либих и Вёлер изучали фульминат и цианат серебра соответственно; и хотя эмпирические формулы этих веществ одинаковы, их свойства различны. Вскоре Берцелиус открыл виноградную и винную кислоты, которые обладают различными свойствами, но описываются одной и той же эмпирической формулой. Поскольку соотношения элементов в этих различных соединениях было одинаковым, Берцелиус предложил назвать такие соединения изомерами.

     Казалось  очевидным, что, если две молекулы построены  из одинакового числа одних и тех же атомов и все же обладают различными свойствами, различие коренится в способе расположения атомов внутри молекулы. При большом количестве атомов число возможных вариантов расположения возрастает настолько, что трудно становится решить, какому соединению соответствует какое расположение.

     Поэтому проблему строения молекул можно  было бы почти сразу отвергнуть как  нерешаемую,  если бы не появилась  возможность упростить ее.

     Гей-Люссак и Тенар, работая над цианидом водорода, обнаружили, сто группа CN (цианидная группа) может переходить от соединения к соединению, не разлагаясь на отдельные атомы углерода и азота. Группа из двух или более атомов, способная переходить без изменения из одной молекулы в другую, была названа радикалом.

     Короче говоря, становилось ясно, что открыть тайну строения больших молекул можно, лишь установив строение определенного числа различных радикалов. Тогда не составит большого труда построить из радикалов молекулы.  

     Строение  молекул 

     В 1852 году английский химик Эдуард Франкланд выдвинул теорию, которая позднее стала известна как теория валентности, согласно которой каждый атом обладает определенной способностью к насыщению(или валентностью). Прежде всего с введением понятия «валентность» удалось уяснить различие между атомным весом и эквивалентным весом элементов. Даже в середине XIX века многие химики еще путали эти понятия.

     Эквивалентный вес атома равен его атомному весу, деленному на его валентность.

     Теория  валентности сыграла важнейшую  роль в развитии теории химии и в органической химии в особенности. После того, как была построена первая органическая молекула, стало совершенно ясно, почему органические молекулы, как правило, значительно больше и сложнее, чем неорганические.

     Согласно  представлениям Кекуле, углеродные атомы  могут соединяться друг с другом с помощью одной или нескольких из четырех своих валентных связей, образуя длинные  цепи. По-видимому, никакие другие атомы не обладают этой замечательной способностью в  той мере, в какой обладает ею углерод.

     Полезность  структурных формул была настолько  очевидной, что многие химики-органики приняли их сразу. Они признали полностью  устаревшими все попытки изображать органические молекулы как структуры, построенные из радикалов. В результате было признано необходимым, записывая формулу соединения, показывать его атомную структуру.

     Русский химик Александр Михайлович Бутлеров использовал эту новую систему  структурных формул в разработанной  им теории строения органических соединений. В 60-х годах XIX столетия он показал, как с помощью структурных формул можно наглядно объяснить причины существования изомеров.

     Основные  идеи теории химического строения Бутлеров изложил в докладе «О химическом строении вещества», прочитанном в  химической секции Съезда немецких естествоиспытателей и врачей в Шпейере (сентябрь, 1861). Основы этой теории сформулированы таким образом:

1. Атомы в молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности согласно их валентностям. Последовательность межатомных связей в молекуле называется ее химическим строением и отражается одной структурной формулой (формулой строения).
2. Химическое строение можно устанавливать химическими методами. (В настоящее время используются также современные физические методы).
3. Свойства веществ зависят от их химического строения.
4. По свойствам данного вещества можно определить строение его молекулы, а по строению молекулы - предвидеть свойства.
5. Атомы и группы атомов в молекуле оказывают взаимное влияние друг на друга.

     Основой теории Бутлерова является идея о  порядке химического взаимодействия атомов в молекуле. Этот порядок химического взаимодействия не включает представления о механизме химической связи и физическом расположении атомов. Эта важная особенность теории химического строения позволяет всегда опираться на нее при построении физической модели молекулы.

     Установив понятие химического строения, А. М. Бутлеров дал новое определение природы вещества: «химическая натура сложной частицы определяется натурой элементарных составных частей, количеством их и химическим строением».

     Таким образом, А. М. Бутлеров первый установил, что каждая молекула имеет определенное химическое строение, что строение определяет свойства вещества и что изучая химические превращения вещества, можно установить его строение.

     Взгляды А. М. Бутлерова на значение химических структурных формул вытекают из основных положений его теории. Бутлеров считал, что эти формулы должны быть не «типическими», «реакционными», а конституционными. В этом смысле для каждого вещества возможна лишь одна рациональная формула, на основании которой можно судить о химических свойствах.

     Бутлеров  впервые объяснил явление изомерии тем, что изомеры — это соединения, обладающие одинаковым элементарным составом, но различным химическим строением. В свою очередь, зависимость свойств изомеров и вообще органических соединений от их химического строения объясняется существованием в них передающегося вдоль связей «взаимного влияния атомов», в результате которого атомы в зависимости от их структурного окружения приобретают различное «химическое значение». Самим Бутлеровым и особенно его учениками В. В. Марковниковым и А. Н. Поповым это общее положение было конкретизировано в виде многочисленных «правил». Уже в XX в. эти правила, как и вся концепция взаимного влияния атомов, получили электронную интерпретацию.

     Таким образом Бутлеров открыл путь к планомерному созданию органических соединений, следуя которому органическая химия начинает одерживать одну победу за другой в соревновании с природой  за создание материальных ценностей для удовлетворения потребностей людей.

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

     Периодическая таблица 

     В истории развития органической и  неорганической химии XIX столетия наблюдается  любопытная параллель. В первые десятилетия число вновь открытых органических соединений, а также элементов увеличивалось ошеломляюще быстро. В третьей четверти столетия органические соединения были в определенной степени систематизированы благодаря введению структурных формул. До некоторой степени упорядочены были и элементы; однако в начале столетия царил беспорядок.

     К 1830 году было открыто 55 различных элементов  и такое резкое увеличение списка элементов, которые, вдобавок, сильно отличались по свойствам, озадачило химиков.

     Заманчиво было попытаться как-то упорядочить список уже известных элементов.