Античная натурфилософия

Кислородная теория горения

Открытие кислородаОфициально считается^[2][3], что кислород был открыт английским химиком Джозефом Пристли 1 августа 1774 года путём разложения оксида ртути в герметично закрытом сосуде (Пристли направлял на это соединение солнечные лучи с помощью мощной линзы).

2HgO (t) → 2Hg + O₂↑

Однако Пристли первоначально  не понял, что открыл новое простое вещество, он считал, что выделил одну из составных частей воздуха (и назвал этот газ «дефлогистированным воздухом»). О своём открытии Пристли сообщил выдающемуся французскому химику Антуану Лавуазье. В 1775 году А. Лавуазье установил, что кислород является составной частью воздуха, кислот и содержится во многих веществах.

Несколькими годами ранее (в 1771 году) кислород получил шведский химик Карл Шееле. Он прокаливал селитру с серной кислотой и затем разлагал получившийся оксид азота. Шееле назвал этот газ «огненным воздухом» и описал своё открытие в изданной в 1777 году книге (именно потому, что книга опубликована позже, чем сообщил о своём открытии Пристли, последний и считается первооткрывателем кислорода). Шееле также сообщил о своём опыте Лавуазье.

Важным этапом, который  способствовал открытию кислорода, были работы французского химика Петра Байена, который опубликовал работы по окислению ртути и последующему разложению её оксида.

Наконец, окончательно разобрался в природе полученного газа А. Лавуазье, воспользовавшийся информацией  от Пристли и Шееле. Его работа имела громадное значение, потому что благодаря ей была ниспровергнута господствовавшая в то время и  тормозившая развитие химии флогистонная теория. Лавуазье провел опыт по сжиганию различных веществ и опроверг теорию флогистона, опубликовав результаты по весу сожженных элементов. Вес золы превышал первоначальный вес элемента, что дало Лавуазье право утверждать, что при горении происходит химическая реакция (окисление) вещества, в связи с этим масса исходного вещества увеличивается, что опровергает теорию флогистона.

Таким образом, заслугу открытия кислорода фактически делят между  собой Пристли, Шееле и Лавуазье.

Химическая революция

В 1785-1787 гг. четыре выдающихся французских химика – Антуан Лоран Лавуазье, Клод Луи Бертолле, Луи Бернар Гитон де Морво и Антуан Франсуа де Фуркруа, – по поручению Парижской академии наук 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 Лавуазье издал свой знаменитый учебник «Элементарный курс химии», целиком основанный на кислородной теории горения и новой химической номенклатуре. Он привёл первый в истории новой химии список химических элементов (таблицу простых тел). Критерием определения элемента он избрал опыт, и только опыт, категорически отвергая любые неэмпирические рассуждения об атомах и молекулах, само существование которых невозможно подтвердить опытным путём.  Лавуазье сформулировал закон сохранения массы, создал рациональную классификацию химических соединений, основанную, во-первых, на различии в элементном составе соединений и, во-вторых, на характере их свойств.

Химическая революция завершила  период становления химии; она ознаменовала собой полную рационализацию химии, окончательный отказ от устаревших натурфилософских и алхимических представлений  о природе вещества и его свойств. После химической революции химия  вступила в период количественных законов, в котором была создана и развита  новая концепция химического  элемента – атомно-теоретическая.

4. ПЕРИОД КОЛИЧЕСТВЕННЫХ ЗАКОНОВ

За открытым Лавуазье законом  сохранения массы последовал целый  ряд новых количественных закономерностей  – стехиометрические законы.

Первым стехиометрическим  законом стал закон эквивалентов, который сформулировал немецкий химик Иеремия Вениамин Рихтер в результате проведённых им в 1791-1798 гг. опытов по изучению количеств вещества в реакциях нейтрализации и обмена, обобщённых в работе "Начальные основания стехиометрии или искусства измерения химических элементов".

Открытый Рихтером закон  подтвердил убеждения многих химиков  в том, что химические соединения взаимодействуют не в произвольных, а в строго определённых количественных соотношениях.

Однако за этим последовала  длительная дискуссия о том, присуща  ли такая определённость всем без  исключения химическим процессам. Клод Луи Бертолле, основываясь на предложенной им теории химического средства, обусловленного силами притяжения и зависящего от плотности вещества и его количества, отстаивал предположение о том, что элементный состав вещества может изменяться в некоторых пределах в зависимости от условий, в которых оно было получено.

В полемику с Бертолле отважился  вступить французский химик Жозеф Луи Пруст. С помощью тщательных анализов в 1799-1806 гг. Пруст установил, что отношение количеств элементов в составе соединения всегда постоянно. Выводы Бертолле, как показал Пруст, были ошибочны из-за неточности анализов и недостаточной чистоты исходных веществ. Дискуссия завершилась блестящей победой Пруста.  Закон постоянства состава (постоянных отношений) в итоге не просто был признан большинством химиков, но стал одним из главных химических законов.

Атомистическая  теория Дальтона

Экспериментальное подтверждение  атомной гипотезы нашёл английский химик Джон Дальтон. В начале XIX века Дальтон открыл несколько новых эмпирических закономерностей: закон парциальных давлений (закон Дальтона), закон растворимости газов в жидкостях (закон Генри-Дальтона) и, наконец, закон кратных отношений.

Объяснить эти закономерности (прежде всего закон кратных отношений), не прибегая к предположению о  дискретности материи, невозможно. Основываясь  на законе кратных отношений, открытом в 1803 г., и законе постоянства состава, Дальтон разработал свою атомно-молекулярную теорию, изложенную в вышедшем в 1808 г. труде "Новая система химической философии".

Уже в 1803 г. в лабораторном журнале Дальтона появилась первая таблица относительных атомных весов некоторых элементов и соединений. Таблица Дальтона стала первым шагом на долгом пути, который предстояло пройти химии для того, чтобы величины атомных масс приняли привычные для нас значения. Разрешение проблемы определения атомных весов, заняло более пятидесяти лет! И даже после того, как проблема была в основном решена, точное определение атомным масс оставалось настолько важной задачей, что в 1914 г. американский учёный Теодор Ричардс был удостоен Нобелевской премии за уточнение атомных масс некоторых элементов.

Проблема определения атомных  масс

Главное затруднение при  определении атомной массы состоит  в том, что необходимо установить число атомов каждого элемента, входящее в состав соединения. Дальтон  сделать  допущение о том, что атомы  разных элементов при образовании  сложных атомов соединяются по "принципу максимальной простоты". Суть принципа заключается в следующем: если имеется лишь одно бинарное соединение двух элементов, то его молекула (сложный атом) образована одним атомом одного элемента и одним атомом другого. Отсюда Дальтон предполагал, что молекула воды состоит из одного атома кислорода и одного атома водорода. Результатом являлось заниженное значение атомного веса кислорода, что вело, в свою очередь, к неправильному определению атомных весов металлов на основании состава оксидов. Однако в целом атомистическая теория Дальтона составила основу всего дальнейшего развития естествознания.

Решению проблемы атомных  весов способствовало открытие ещё  целого ряда стехиометрических законов.

Закон объёмных отношений (закон соединения газов) открыл французский химик Жозеф Луи Гей-Люссак. Гей-Люссак в 1808 г. показал, что газы всегда соединяются в простых объёмных соотношениях.

английский химик Уильям Праут Изучив составленные Дальтоном таблицы атомных весов, высказал в 1815-1816 гг. предположение о том, что атомные веса всех элементов должны быть целочисленны и кратны атомному весу водорода. Причина этого, состоит в том, что именно водород – основа всех остальных элементов. Впрочем, эта точка зрения, известная как гипотеза Праута.

Закон удельных теплоёмкостей открыли в 1819 г. французские учёные Пьер Луи Дюлонг и Алексис Терез Пти. Дюлонг и Пти показали, что удельная теплоёмкость твёрдых элементов (точнее говоря, простых веществ в твёрдом состоянии) обратно пропорциональна атомному весу; метод Дюлонга-Пти, позволял, таким образом, определять атомные веса некоторых элементов.

Немецкий химик Эйльгард Мичерлих в 1819 г. нашёл, что соединения, образованные одинаковым количеством атомов, обладают одинаковой кристаллической формой и способны образовывать смешанные кристаллы. Закон изоморфизма Мичерлиха позволил определять атомные массы элементов.

Огромный вклад в развитие  решение проблемы атомных весов  внёс шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус. С 1807 г. он занялся систематическим изучением элементного состава соединений, представив огромное количество доказательств в пользу закона постоянства состава. В 1814 г. Берцелиус опубликовал первую таблицу атомных весов, в которой были приведены атомные веса 41 элемента . Берцелиус сделать ряд допущений (в частности, сильные основания должны были иметь состав RO₂), в результате чего атомные веса ряда элементов были определены неверно.

Новые, всё более точные таблицы атомных весов Берцелиуса выходят в 1818 и 1826 годах. В последней  таблице значительные ошибки имеют  место лишь для атомных весов  некоторых металлов.

В результате широчайшего  распространения "Руководства по теоретической химии" (1817-1819), которое  написал немецкий учёный Леопольд Гмелин, учение о соединительных весах получило почти всеобщее признание среди химиков-неоргаников.

Окончательную ясность в  атомно-молекулярную теорию внёс Международный  конгресс химиков, собравшийся 3 сентября 1860 года в Карлсруэ. Новую систему  понятий, основанную на идеях Авогадро, изложил в своём докладе итальянский  химик Станислао Канниццаро. Конгресс в Карлсруэ ознаменовал долгожданное решение проблемы атомных весов, чётко разграничив понятия "атом", "молекула" и "эквивалент"; понятие "эквивалент" было решено считать чисто эмпирическим и не зависящим от понятий "атом" и "молекула". Определения атомных масс химических элементов, которые выполнил в первой половине 1860-х годов бельгийских химик Жан Серве Стас, до конца XIX века считались наиболее точными.

Решения конгресса в Карлсруэ оказали большое влияние на дальнейшее развитие химии, сделав возможными последовавшие  вскоре систематизацию химических элементов  и создание периодического учения.

ПЕРИОД КЛАССИЧЕСКОЙ ХИМИИ

Для данного периода  характерно стремительное развитие науки: были созданы периодическая система элементов, теория химического строения молекул, стереохимия, химическая термодинамика и химическая кинетика; блестящих успехов достигли прикладная неорганическая химия и органический синтез. В связи с ростом объёма знаний о веществе и его свойствах началась дифференциация химии — выделение её отдельных ветвей, приобретающих черты самостоятельных наук.

Периодическая система элементов

Одной из важнейших  задач химии второй половины XIX века стала систематизация химических элементов. Создание Периодической системы стало результатом длительного эволюционного процесса, который начался с закона триад, предложенного И. В. Дёберейнером в 1829.^[26] Выявленная им несомненная взаимосвязь между свойствами элементов и их атомными массами была развита Л. Гмелиным, показавшим, что эта взаимосвязь значительно сложнее, нежели триады. Ж. Дюма и М. фон Петтенкофер предложили дифференциальные системы, направленные на выявление закономерностей в изменении атомного веса элементов, которые были развиты А. Штреккером. В середине 1860-х У. Одлинг, А. Э. Бегуйе де Шанкуртуа, Дж. Ньюлендс и Л. Мейер предложили несколько вариантов таблиц,^[27][28][29] в которых уже явственно прослеживается периодичность свойств элементов.^[30][31]

В 1869 Д. И. Менделеев опубликовал первый вариант своей Периодической таблицы и сформулировал Периодический закон химических элементов.^[32] Менделеев не просто констатировал наличие взаимосвязи между атомными весами и свойствами элементов, но взял на себя смелость предсказать свойства нескольких неоткрытых ещё элементов.^[33][34] После того, как предсказания Менделеева блестяще подтвердились, Периодический закон стал считаться одним из фундаментальных законов природы.^[35][36]

Структурная химия

После открытия явления изомерии (Ю. Либих и Ф. Вёлер, 1824), чрезвычайно распространённого в органической химии, стало очевидным, что свойства вещества определяются не только его составом, но и порядком соединения атомов и их пространственным расположением.

В основу решения  вопроса о строении органических веществ вначале было положено представления  Берцелиуса о радикалах — полярных группах атомов, способных переходить без изменения из одних веществ в другие. Теория сложных радикалов, предложенная Либихом и Вёлером (1832), быстро получила всеобщее признание. Открытие явления металепсии (Ж. Б. Дюма, 1834), не укладывающегося в электрохимические представления Берцелиуса, повлекло за собой появление теории типов Дюма (1839). Созданная Ш. Жераром и О. Лораном новая теория типов (1852) включила в себя и представления о сложных радикалах, и идеи Дюма о типах молекул, сведя всё разнообразие органических соединений к трём или четырём типам.

Теория типов  Жерара-Лорана привела к созданию представлений о единицах сродства атомов и радикалов, в результате развития которых появилась теория валентности (Ф. А. Кекуле фон Штрадониц, 1857), ставшая основой для создания А. М. Бутлеровым его теории химического строения молекул. Простые и наглядные представления Кекуле и Бутлерова позволили дать объяснение многим экспериментальным фактам, касающихся изомерии органических соединений и их реакционной способности. Большое значение для развития системы структурных формул имело установление циклического строения молекулы бензола (Кекуле, 1865).^[37]

Важным этапом развития структурной химии стало создание стереохимии, описывающей пространственное строение молекул. В 1874 голландский химик Я. Г. Вант-Гофф предложил теорию асимметричного атома углерода, которая удачно объясняла явление оптической изомерии, открытое в 1832 Берцелиусом, и существование энантиомеров, обнаруженных в 1848 Л. Пастером.^[38]

На протяжении почти  всего XIX века структурные представления оказались востребованы, прежде всего, в органической химии. Лишь в 1893 А. Вернер создал теорию строения комплексных соединений, которая распространила эти представления на неорганические соединения, существенно расширив понятие о валентности элементов.^[39]