Важнейшие достижения естествознания 19 века

     Главная заслуга в упорядочении  элементов  принадлежит нашему соотечественнику Дмитрию Ивановичу Менделееву. Открытый им в 1869 году Периодический закон  стал самым значительным событием XIX века. В основу Периодического закона Д.И. Менделеев положил атомные массы (ранее - атомные веса) и химические свойства элементов. Расположив 63 известных в то время элемента в порядке возрастания их атомных масс, Д.И. Менделеев получил естественный (природный) ряд химических элементов, в котором он обнаружил периодическую повторяемость химических свойств. Периодический закон в формулировке Д.И. Менделеева звучал так: «Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов». На его основе он составил таблицу, озаглавленную «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве». Основываясь на увеличении и уменьшении валентности, Менделеев разбил элементы на периоды. Для того, чтобы выполнялось требование, согласно которому в столбцах должны находится элементы с одинаковой валентностью, Менделеев в одном или двух случаях был вынужден поместить элемент с несколько большим весом перед элементом с несколько меньшим весом. Поскольку этого оказалось недостаточно, Менделеев счел также необходимым оставить в своей таблице пустые места, которые впоследствии должны были заполниться новыми элементами.

     Менделеев был настолько уверен в своей  правоте, что пришел к заключению о существовании соответствующих этим клеткам элементов и подробно описал их свойства. Он назвал их экабор, экаалюминий, экакремний. Никто из предшественников Менделеева не рискнул предугадывать существование и свойства неоткрытых элементов. И все же часть химиков была настроена скептически и их недоверие не удалось бы преодолеть, если бы смелые идеи Менделеева не подтвердились столь блестяще.

     Периодический закон Д.И.Менделеева и Периодическая  система химических элементов стали  основой современной химии, проложив путь к предсказаниям и планомерным поискам еще не открытых химических элементов и новых химических соединений. 
 

     Физическая  химия 

     Открытия, происходившие в физике XIX столетия, в частности, в термодинамике, не могли не повлиять на развитие химии. Ведь в конечном итоге основными источниками теплоты в XIX веке (кроме Солнца) были химические реакции: горение дерева, угля, нефти. Химикам было также известно, что практически все химические реакции сопровождаются тем или иным тепловым(а иногда и световым) эффектом.

     В 1840 году после опубликования работ  русского химика Германа Ивановича  Гесса граница между миром  физики и химии была разрушена. Гесс показал, что количество теплоты, получаемой или поглощаемой при переходе от одного вещества к другому, всегда одинаково и не зависит от того, с помощью какой реакции или сколькими этапами осуществлялся переход. Благодаря этому обобщению (закон Гесса) Гесса считают основателем термохимии. Исходя из закона Гесса, закон сохранения энергии равно применим и к химическим, и к физическим процессам.

     В 1850  году Уильямсон тщательно  изучил обратимые химические реакции. Работа Уильямсона ознаменовала начало изучения химической кинетики – области  химии, изучающей скорости химических реакций. Уильямсон ясно показал, что  самопроизвольный характер химической реакции в ряде случаев определяет не просто выделение теплоты, а нечто большее.

     В 1863 году Като Гульдберг и Петер  Вааге нашли константу химического  равновесия, а также закон действия масс. Они полагали, что направление  реакции определяется не просто массой отдельных веществ, а скорее массой отдельных веществ, приходящейся на данный объем реагирующей смеси, другими словами - концентрацией  веществ.

     Тем временем американский физик Джозайя  Гиббс Уиллард начал систематическое  изучение термодинамики химических реакций. Он ввел понятие свободная энергия, и объяснил суть закона действия масс. Скорость, с которой меняется свободная энергия при изменении концентрации отдельного вещества, называется химическим потенциалом системы, и Гиббсу удалось показать, что именно химический потенциал является «движущей силой» химических реакций. Химическая реакция идет самопроизвольно от точки с высоким химическим потенциалом, подобно тому как теплота самопроизвольно передается от точки с высокой температурой к точке с низкой температурой. Работы Гиббса составили фундамент современной химической термодинамики. Причем Гиббс сделал так много, что его последователи по существу лишь развивали его идеи.

     Катализ. Выдающийся немецкий ученый Фридрих Вильгельм Оствальд занимался изучением катализа. Катализатор, утверждал он, образует с исходным веществом промежуточное соединение, которое распадается на конечные продукты реакции. При распаде промежуточного соединения катализатор высвобождается. Таким образом, катализатор ускоряет реакцию, но сам при этом не расходуется. Кроме того, поскольку молекулы катализатора используются снова и снова, для ускорения реакции большого количества веществ достаточно небольшого количества катализатора.

     Этот  взгляд на катализ сохраняется и сегодня. Он помог объяснить механизм действия ферментов, управляющих химическими реакциями в живых тканях.

     В 1888 году А. Ле Шателье открыл правило, получившее название принципа Ле Шателье. Согласно этому правилу, любое смещение системы в таком направлении, которое уменьшает первоначальное изменение. Как оказалось, химическая термодинамика Гиббса четко объясняла принцип Ле Шателье.

     Новые исследования в области физической химии показали, что химические реакции  связаны не только с теплом, как  таковым, а скорее с энергией вообще.

     В XIX веке начинает развиваться фотохимия  – область химии, изучающая индуцируемые светом реакции. Среди ее достижений изобретение фотографии, использование  света как катализатора и последующие  фотохимические цепные реакции и т.д.

     Ионная  диссоциация. Крупнейшим физико - химиком  на рубеже XIX-XX вв. наряду с Вант-Гоффом и Оствальдом был шведский ученый Сванте Август Аррениус. Еще будучи студентом, он заинтересовался электролитами, т.е. растворами, способными пропускать электрический ток. Аррениус пришел к мысли, что при растворении в растворителях, подобных воде, определенная часть молекул распадается на отдельные атомы. Более того, поскольку эти распавшиеся молекулы проводят электрический ток, Аррениус предположил, что молекулы распадаются не на обычные атомы, а на атомы, несущие электрический заряд. Это составило основу теории ионной диссоциации. С помощью этой теории ионной диссоциации Аррениус объяснил многие электро- химические явления. В 1889 году Аррениус выдвинул другую плодотворную идею. Он указал, что молекулы, сталкиваясь, не реагируют, если не обладают определенным минимумом энергии, иначе говоря, энергией активации. При малой энергии активации реакции проходят быстро и беспрепятственно, при высокой энергии активации реакция может протекать с бесконечно малой скоростью. 

     Синтетическая органическая химия 

     Первая  половина XIX века ознаменовалась развитием  новой области химии – синтетической  органической химии. Химики начали соединять  в цепи органические молекулы. Уильям Генри Перкин пытался получить хинин – ценное лекарственное средство против малярии. Однажды обработав анилин бихроматом калия, разочарованный результатом Перкин уже собрался выбросить полученную массу, как вдруг заметил, что она приобрела пурпурный оттенок. Перкин добавил спирт и извлек из реакционной смеси вещество, окрасившее спирт в великолепный пурпурный цвет.

     Перкин  понял, что у него в руках краситель. Впоследствии он первым организовал  промышленное производство синтетического красителя и быстро разбогател.

     Несколько лет спустя после поразительного успеха Перкина химики познакомились  со структурными формулами органических соединений. Эти формулы могли  помочь подобрать методы, позволяющие  синтезировать новые органические соединения не случайно, а уже целенаправленно. Так в 1867г. Адольф Байер синтезировал индиго, в 1868г. Карл Гребе синтезировал важный природный краситель – ализарин.

     Вслед за Перкином химики начали синтезировать  соединения все возрастающей сложности. Синтез обычно позволял установить молекулярное строение, что всегда представляло огромный теоретический, а иногда и практический интерес.

     Эти и подобные им достижения заложили основы теории и технологии прикладной химии, благодаря успехам которой  наша жизнь преобразилась столь  значительным образом и продолжает преображаться в еще более ускоренном темпе.

     Шотландский химик Томас Грэхем изучал диффузию, в частности диффузию растворенных веществ. Он 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. Молекулы-гиганты не избежали преобразующей руки химика. В 1845 году Х.Ф.Шенбайн, случайно превратил целлюлозу в нитроцеллюлозу. Нитрогруппы послужили внутренним источником кислорода, и при нагревании целлюлоза сразу же полностью окислилась.

     Шенбайн понял важность сделанного им открытия. На основе нитроцеллюлозы (нитроклетчатки) 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.

     Однако  существует много направлений, позволяющих  использовать молекулы-гиганты в  мирных целях. Так, если полностью нитрованная  целлюлоза – это взрывчатое вещество и может применяться только как таковое, то частично нитрованная целлюлоза (пироксилин) более безопасна в обращении, и ее можно применять не только в военных целях (производство пластмасс, различных волокон).

     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. 

     Неорганическая  химия 

     Новая металлургия. Хотя может показаться, что XIX век, особенно его вторая половина, был веком органической химии, неорганическая химия продолжала развиваться. Самые большие успехи в области прикладной неорганической химии связаны с получением металлов и прежде всего стали, производство которой было и остается наиболее важной статьей экономики любой промышленно развитой страны.

     Сталь начали получать и широко использовать еще три тысячелетия назад, но только в середине XIX века был разработан способ, который обеспечивал массовое производство литой стали. Большая заслуга в этом принадлежит Генри Бессемеру.

     Бессемер  нашел способ удалить избыточный углерод из чугуна – пропустить через расплавленный металл струю воздуха. Металл при этом не охлаждался и не затвердевал; наоборот, в результате реакции углерода с кислородом выделялось тепло, и температура расплава повышалась. Прекращая в соответствующий момент подачу воздуха, Бессемер смог получить сталь.

     В 1856 г. Бессемер опубликовал сообщение  об изобретенном им конвертере. В результате сталь стала дешевой, и железный век уступил дорогу веку стальному. Значение стали трудно переоценить. Сталь — это современные небоскребы и подвесные мосты, сталь — это рельсы для поездов, сталь — это мощные боевые корабли и всесокрушающая артиллерия.