Рождение современной химии

тема: Рождение современной химии

выполнил: Абдуллин А.И

выполнен в апреле-мае 1997 года

сдавался: Казанский государственный технологический ниверситет

Кафедра неорганической химии

принял: Малючев О.И.

отценка: отлично

формат: Windows Text

прислал: Абдуллин А.И

...нет науки, которая была бы замечательнее и

поучительнее истории химии.

Юстус фон Либих

Введение

Представления древнегреческих натурфилософова оставались ос-новными идейными истоками естествознания вплоть до XV в. До начала эпохи Возрождения в науке господствовали представления Аристотеля. В дальнейшем стало растиа влияние атомистическиха взглядов, впервыеа высказанныха Левкиппома и Демокритом. Алхимические работы опирались преимущественно ана натурфилософские взгляды Платона и Аристотеля. Большинство экс-периментаторов того периода были откровенными шарлатанами, кото-рые пытались c помощью примитивных химическиха реакций полу-чить или золото, или философский камень - вещество дающее бес-смертие. Однако были и настоящие ченые, которыеа пытались систе-матизировать знания. Среди ниха Авиценна, Парацельс, Роджер Бэкон др. Некоторые химики считают, что алхимия -а это зря потерянное время. Однако это не так: в процессе поиска золот было открыто множество химических соединений и изучены иха свойства. Благодаря этим знаниям в конце XVIIа век была создан первая серьезная химическая теория -а теория флогистона.

Теория флогистона и система Лавуазье

Твореца теории флогистона - Георг Шталь. Она считал, что фло-гистона содержится во всех горючих и способных к окислению вещест-вах. Горение или окислениеа рассматривалось има как процесс, при котором тело теряет флогистон. Воздух играет при этома особо важ-ную роль. Он необходим для окисления, чтобы вбирать в себя фло-гистон. Из воздуха флогистон попадаета в листья растений и ва иха древесину, из которых при восстановлении она вновь освобожда-ется и возвращается телу. Така впервые была сформулирована теория, описывающая процессы горения. Ееа особенности и новизн состоялиа ва том, что одновременно рассматривались во взаимосвязи процессы окисле-ния и восстановления. Теория флогистона развивал идеи Бехера и атомистическиеа представления. Она позволяла объяснить протека-ние различных процессов в ремесленнойа химии и, ва первую очередь, в металлургииа и оказал громадное влияние н развитие химических ремесел иа совершенствование методов "экспериментального искус-ства" в химии. Теория флогистон способствовала и развитию чения об эле-ментах. Приверженцы теории флогистона называли элементами ок-сиды металлов, рассматривая иха кака металлы, лишенные флогистона. Металлы же, напротив, считали соединениями элементова (оксидова металлов) c флогистоном. Потребовалось лишь поставить все положения этой теории Ус головы на ноги. Что и было сделано в дальнейшем. Для объяснения того, что масс оксидова больше чем масса металлов, Шталь предположил (а, вернее твер-ждал), что флогистон имеет отрицательный вес, т.е. флогистон соеди-нившись с элементом Утянет его вверх. Несмотря н одностороннюю, лишь качественную характеристику процессов, происходящих при горении, теория фло-гистона имел громадное значение для объяснения и систематизации именно этиха превращений. На неверность флоги-стоннойа теории казывала Михаила Иванович Ломоносов. Однако экспериментально доказать это смога Антуан Лоран Лавуазье. Лаву-азье заметил, что при горении фосфор и серы же, кака и приа прокаливании металлов, происходит увеличение веса вещества. Казалось бы естественныма сделать: величение вес сжигаемого веществ происходита приа всех процессаха горения. Однако этот вывод настолько противоречил поло-жениям теории флогистона, что нужн был недюжинная смелость, чтобы высказать его хотя бы в виде гипотезы. Лавуазье ре-шил проверить высказанные ранее Бойлем, Реем, Мэйоуа и Ломоносовыма гипотезы о роли воздух ва процессах горе-ния. Она интересовался тем, величивается лиа количество воздуха, если ава нем происходит восстановление окисленного тел иа выделе-ние благодаря этому дополнительного воздуха. Лавуазье удалось доказать, что действительно количество воздух при этом возрастает. Это открытие Лавуазьеа назвал самыма интересныма со времени работ Шталя. Поэтому ва ноябре 1772а г. Она направил в Парижскую Академию наука специальное сообщение о по-лученных им результатах. На следующем этапе исследований Лавуазье полагал выяс-нить, какова природа воздуха, соединяющегося с горючими телами при их окислении. Однако всеа попытки становить природу этого Увоздуха ва 1772-1773 гг. Окончились безрезультатно. Дело в том, что Лавуазье, так же как и Шталь, восста-навливал Уметаллические извести путем непосредственного контакта с углеобразной материейа и тоже полу-чал при этом диоксид глерода, состав которого он не мог тогд уста-новить. Как считал Лавуазье, уголь сыграла са ним злую шутку. Од-нако Лавуазье, как и многим другим химикам, не приходил мысль, что восстановление оксидова металлова можно осуществить нагрева-нием с помощью зажигательного стекла. Но вот осенью 1774а г. Джозефа Пристли сообщил, что при восстановлении окисиа ртути с помощью зажигательного стекла образуется новый вид воздуха - дефлогистированныйа воздух. Незадолго до этого кислород был открыт Шееле, но сообщение об этом было опубликовано с большим запозданием. Шееле и Пристли объясняли наблюдаемоеа ими явление выделения кислород с позиций флогистоннойа теории. Только Лаву-азье смога использовать открытиеа кислород ва качестве главного ар-гумента против теории флогистона. Весной 1775а г. Лавуазье воспроизвел опыта Пристли. Он хотела получить кислород и проверить, была лиа кислорода тем компонентома воздуха, благодаря которому происходило горение илиа окисление металлов. Лавуазье далось не только выделить кислород, но и вновь получить оксида ртути. Одновременно Лавуазье опреде-лял весовые отношения вступающих в эту реакцию веществ. Ученому далось доказать, что отношения количества веществ, частвующих в реакциях окисления и восстановления, остаются неизменными. Работы Лавуазьеа произвели в химии, пожалуй, такуюа же революцию, как два с половиной века до открытия Коперник в астрономии. Вещества, которые раньше считались элементами, кака показала Лавуазье, оказались соединениями, состоящими в своюа оче-редь из сложных элементов. Открытия и воззрения Лавуазье ока-залиа громадное влияние не только н развитие химической теории, но и на всю систему химических знаний. Они така преобразовали саму основу химических знаний и языка, что следую-щие поколения химиков, по существу, не моглиа понять даже терми-нологию, которой пользовались до Лавуазье. На этом основании впо-следствии стали считать, что о подлинной химии нельзя говорить до открытийа Лавуазье. Преемственность химических исследований при этом была забыта. Только историки химии начали вновь воссозда-вать действительно существовавшие закономерностиа развития химии. При этом было выяснено, что химическая революция Лавуазье был бы невозможна без существования до него определенного ровня химических знаний.

Развитие химическиха знаний Лавуазье венчала созданием новой системы, ва которую вошли важнейшие достижения химии прошлых веков. Эта система, правда, в значительно расширенном и ис-правленном виде, стала основой научной химии. Ва 80-ха гг. XVа в. Новая систем Лавуазьеа получила признание у ведущих естествоиспытателей Франции - К.Бертолле, А. Де Фур-кру и Л.Гитона де Морво. Они поддержали новаторские идеи Лавуа-зье и совместно с ним разработали новую химическую номенклатуру и терминологию. Ва 1789а г. Лавуазье изложил основы разработанной им системы знаний в учебнике Начальный курса химии, представлен-ный в новом виде на основе новейших открытий. Лавуазье разделяла элементы на металлы и неметаллы, а соеди-нения на двойные и тройные. Двойные соединения, образуемые металлами с кислородом, он относил к основаниям, соеди-нения неметаллов с кислородома -а к кислотам. Тройные соединения, получающиеся при взаимодействии кислот и оснований, он называл солями. Систем Лавуазье основывалась на точныха качественныха и ко-личественных исследованиях. Этота довольно новый вид аргумен-тацииа он использовал, изучая многие спорныеа проблемы химии - вопросы теорииа горения, проблемы взаимного превращения эле-ментов, которые были весьма актуальны в период становления научной химии. Так, для проверки представления о возможности взаимного превращения элементов Лавуазье в течение нескольких дней нагревал воду в запаянной сосуде. В итоге он обнаружил в воде незначительное количество Уземли, становив при этом, что изменение общего веса сосуда вместе с водойа неа проис-ходит. Образование земель Лавуазье объяснил не кака результат их выделения из воды, за счет разрушения стенок реакционного сосуда. Для ответ н этота вопроса шведскийа химика аптекарь К.Шееле ва то же время использовала качественные методы доказательства, становив идентичность выделяющихся земель и материала сосуда. Лавуазье, кака и Ломоносов, учитывала существовавшие с древ-ности наблюдения о сохранении веса веществ и систематически изучал весовые соотношения веществ, частвующих в химической реакции. Он обратил внимание н то, что, например, при горении серы или при образовании ржавчины н железе происходит величение веса исходных веществ. Это противоречило теории флогистона, согласно которой при горении должен был выде-ляться гипотетический флогистон. Лавуазье счел ошибочныма объяс-нение, согласно которому флогистона обладал отрицательным весом, и окончательно отказался от этой идеи. Другие химики, напримера М.В.Ломоносова илиа Дж.Мэйоу, пытались объяснить окисление элементов и образование оксидов ме-таллова (или, как тогда говорили, известей) кака процесс, при кото-ром частицы воздух соединяются с каким-либо веществом. Этот воздух может быть оттянута обратно путем восстановления. В 1772 г. Лавуазье собрал этот воздух, но не смога становить его природу. Первым оба открытии кислорода сообщила Пристли. В 1775 г. Ему далось доказать, что именно кислорода соединяется с металлом и вновь выделяется иза него при его восстановлении, как, например, при образовании Уизвести ртути и ее восстановлении. Систематическим взвешиванием было аустановлено, что веса металла, частвующего ва этих превращениях, не изменяется. Сегодня этот факт, казалось бы, бедительно доказывает спра-ведливость предположений Лавуазье, тогд большинство химиков отнеслись к нему скептически. Одной из причин такого отношения было то, что Лавуазье не мога объяснить процесс горения водорода. Ва 1783а г. она знал, что, используя электрическуюа дугу, Кавендиш доказал образование воды при сжигании смесиа водород и кислород ва закрытом сосуде. Повторив этот опыт, Лавуазье нашел, что вес воды соответствует весу исходныха веществ. Затем он провел эксперимент, в котором пропускал водяной пар через железные стружки, помещенныеа ва сильно нагреваемуюа медную трубку. Кислород соединялся са железными стружками, водород собирался н конце трубки. Таким образом, воспользовавшись пре-вращениямиа веществ, Лавуазье сумел объяснить процесса горения и качественно, и количественно, и для этого ему же не нужн был теория флогистона. Пристли же и Шееле, которые, открыв кислород, фактически создали основные предпосылки для по-явления кислородной теории Лавуазье, сами твердо придерживались позиций теории флогистона. Кавендиш, Пристли, Шееле иа некоторые другие химики полагали, что расхождения ме-жду результатамиа опытов и положениями теории флогистона дастся странить путем создания дополнительных гипотез. Надежность и полнот опытных данных, ясность аргументации и простот изложения способствовали быстрому распространению системы Лавуазьеа в Англии, Голландии, Германии, Швеции, Италии. В Германии представления Лавуазье были изложены ва двуха работаха д-р Гиртаннера Новая химическая номенклатур н немецкома языке (1791 г.)а и Основы антифлогистоннойа химии (1792 г.). Благодаря Гиртаннеруа впервые появились немецкие обозначения веществ, соответствующие новойа номенклатуре, например кислорода, водорода, азота. Работавший в Берлине Гермбштедт опубликовал ва 1792а г. учебник Лавуазье в переводе на немецкий язык, М.Клапрот после того, кака она повторила опыты Лавуазье, признал, новое чение; взгляды Лавуазье разделял и знаменитыйа естествоиспытатель А.Гумбольдт.

Ва 1790-ха годаха ва Германииа не раза публиковались работы Лавуазье. Большинство известных химиков Англии, Голландии, Швеции, талии разделяли взгляды Лавуазье. Нередко в историко-научной ли-тературе можно прочесть, что для признания теории Лавуазье химикама понадобилось достаточно много времени. Однако по срав-нению са 200а годамиа непризнания астрономами взглядов Коперник 10-15-летний период дискуссий в химии не така ж велик. В последнейа третиа XVа в. однойа иза важнейшиха была про-блема, которая многие века интересовал ченых: химики хотели понять, почемуа и в каких соотношенияха соединяются веще-ства друг с другом. К этой проблеме проявляли интерес еще греческие философы, во времен Возрождения ченые выдвигали идею о сродстве вещества и даже строили ряды веществ по сродству. Парацельс писал, что ртуть образует с металлами амальгамы, причема для разных металлов с различной скоростью ив такой последовательности:а быстрееа всего с золотом, затем ссеребром, свинцом, оловом, медью и, наконец, медленнее всего с железом. Парацельса считал, что причинойа этого ряда химического сродств является не только Уненависть и любовь вещества друга к другу. Ва соответствии с его представлениямиа металлы содержата серу, и, чема меньше ее содер-жание, тем чище металлы, ачистотавеществ в значительнойа мере определяета иха сродство друг к другу. Г.Шталь объясняла ряда осаждения металлова как результат различного содержания в них флогистона. До последнейа трети XVа в. многочисленные исследования были направлены н то, чтобы рас-положить вещества по величинеа иха сродства, и многие химики составлялиа соответствующие таблицы. Для объяснения различного химического сродств веществ выдвигались и атомистические представления, после того, как ва конце XV - начале XIX вв. ченые стали понимать влияние элек-тричеств на протекание некоторых химическиха процессов, для этойа же цели пытались использовать и представления об электричестве. Основываясь на них, Берцелиус создал дуалистическую теориюа состав веществ, ва соответствии с, например, соли состоят из положительно и отрицательно заряженных оснований и кислот: при электро-лизе они притягиваются к противоположно заряженным электродам и могута распадаться при этом на элементы вследствие нейтрализа-ции зарядов. Со второйа половины XV в. особенно много внимания че-ные стали делять вопросу:а ва каких количественных соотношенияха взаимодействуюта друга са другом вещества в химических реакциях? же давно было известно, что кислоты и осно-вания могута нейтрализовать друг друга. Предпринимались также по-пытки становить содержание кислот иа основанийа в солях. Т.Бергман и Р.Кирван нашли, что, например, ва реакции двойного об-мена между химически нейтральными сульфатома калия и нитратом натрия образуются новые соли - сульфата натрия и нитрата калия, ко-торые тоже являются химически нейтральными. Но ни одина из ис-следователей не сделал из этого наблюдения общего вывода. В 1767 г. Кавендиш обнаружил, что количество азотной и серной кислот, ней-трализующие одинаковые количества карбонат калия, нейтрализуют также одинаковоеа количество карбоната кальция. И.Рихтера первыма сформулировал закон эквивалентов, объяснение которому было найдено позднее с позиций атомистической теории Дальтона.

Рихтер становил, что раствор, получающийся при смешивании растворов двух химически нейтральных солей, тоже ней-трален. Она провела многочисленные определения количеств основа-нийа иа кислот, которые, соединяясь, даюта химически нейтральные соли. Рихтер сделал следующий вывод: если одно и то же количество какой-либо кислоты нейтрализуется различными, строго определенными количествами разных оснований, то этиа количеств основанийа эквивалентны и нейтрализуются однима и тем же количествома другойа кислоты. Вы-ражаясь современным языком, если к раствору сульфата калия, напри-мер, добавить раствор нитрата бария до полного осаждения сульфат бария, то раствор, содержащий нитрата калия, тоже будет нейтрален:

K2SO4 + Ba(NO3)2 = 2KNO3 + BaSO4.

Следовательно, при образовании нейтральнойа соли эквива-лентны друг другу следующие количества: 2K, 1Ba, 1SO4 и 2NO3. По-линг обобщил и сформулировал в современном виде этот закон со-единительныха весов:а Весовые количества двух элементова (или их целочисленные кратные), которые, реагируют са однима и тем же ко-личеством третьего элемента, реагируют друг с другом в тех же коли-чествах. Вначале работы Рихтер почти неа привлекли внимания исследователей, поскольку он пользовался еще терминологией фло-гистоннойа теории. Кроме того, полученныеа ученыма ряды эквива-лентных весов были недостаточно наглядны, а предложенныйа им выбор относительных количества основанийа не имела серьезныха доказательств. Положение исправила Э.Фишер, кото-рыйа среди эквивалентных весов Рихтер выбрала ва качестве эталона эк-вивалент серной кислоты, приняв его равныма 100, и составил, исходя иза этого, таблицуа Уотносительныха весов (эквивалентов)а соединений. Но о таблице эквивалентова Фишера стало известно лишь благодаря Бертолле, который, критикуя Фишера, апривела эти данные в своей книге Опыта химической статики (1803 г.). Бертолле сомневался, что состав химическиха соединений постоянен. Он имел н это основание. Вещества, которые в начале XIX в. считались чистыми, на самом деле были либо смесями, либо равновесными системами различных веществ, количественный состав химическиха соединенийа во многома зависел от количеств ве-ществ, частвующих ва реакциях их образования.

Некоторые историки химии считают, что, подобно Венцелю, Бертолле также предвосхитила основныеа положения закона дейст-вия масс, который аналитически выражал влияние количеств взаимо-действующиха н скорость превращения. Немецкийа химик К.Венцель в 1 г. показал, что скорость растворения металла в кислоте, изме-ряемая количеством металла, растворившегося за определенное время, пропорциональна силе кислоты. Бертолле сделала многое для учет влияния масса реагентова н ход превращения. Однако между рабо-тами Венцеля и даже Бертолле, с одной стороны, и точной формули-ровкой закона действия масса - с другой, существует качественное различие. Негативноеа отношение Бертолле к закону нейтрализации Рих-тер не могло длиться долго, так кака протива положений Бертолле энергично выступил Пруст. Проделава ва течение 1799-1807 гг. массу анализов, Пруст дока-зал, что Бертолле сделал свои выводы о различнома составе одних и тех же веществ, анализируя смеси, не индивидуальные вещества, что он, например, не учитывал содержания воды в некоторыха оксидах. Пруста бедительно адоказала постоянство состав чистых химических соединений и завершил своюа борьбу протива взглядова Бертолле ста-новлениема закон постоянства состава веществ: состав одних и тех же веществ независимо от способа получения одинаков (постоянен).

Периодический закон

Рассматривая историюа химии я не могу не пяуть об от-крытии периодического закона. жеа на ранних этапах развития химии было обнаружено, что раз-личнымлементам присущи особые свойства. Вначале элементы раз-деляли всего на два типа - металлы и неметаллы. Ва 1829а г. немецкийа химик Иоганн Деберейнера обнаружил су-ществование нескольких групп из трех элементова (триад)а со сход-ными химическими свойствами. Деберейнер обнаружил всего 5 триад, это:

1. Cl, Br, I

2. S, Se, Te

3. Ca, Cr, Ba

4. Li, Na, K

5. Fe, Co, Ni

Это обнаружение свойств элементов побудило к дальнейшим исследованияма химиков, которые пытались найти рациональные способы классификации элементов.

Ва 1865а г. английскийа химик Джон Ньюлендса (1839-1898) заинтересовался проблемой периодической повторяемости свойств элементов. Она расположил из из-вестных элементова ва порядке возрастания их атомных масс следующим образом: H Li Be B C N O F Na Mg Al Si P S Cl K Ca Cr Ti Mn Fe

Ньюлендса заметил, что в этой последовательности восьмой элемента (фтор) напоминает первый (водород), девятыйа элемент напоминаета второйа и т.д. Тем самыма череза каждые восемь элементов свойств повторялись. Однако ва этой системе элементов было много неверного:

1) В таблице не нашлось места новым элементам.

2) Таблица не открывала возможности научного подход к определениюа атомных масс и не позволяла сделать выбора между их вероятными наилучшими значе-ниями.

3) Некоторыеа элементы представлялись не-удачно размещенными ва таблице. Например железо сопоставля-лось с серой (!) и т.д.

Несмотря н большое количество недостатков, попытка Ньюлендса явилась шагом в правильном направлении. Мы знаем, открытиеа периодического закон при-надлежит Дмитрию Ивановичу Менделееву. Давайте рас-смотрим историюего открытия. В 1869а году Н.А.Меншуткин представила членама Русского химического общества небольшую работу Д.И.Менделеева Соотношение свойства са атомныма ве-сома элементов. (Сам Д.И.Менделеева н заседанииа не присутствовал.) На этом заседании работ Д.И.Менделеева не была воспринят всерьез. Пауль Вальдена писал впоследствии: Большие события слиш-ком часто встречают незначительный отклик, и тот день, который должена была стать знаменательным днем для мо-лодого Русского химического общества, в действитель-ности оказался будничным днем. Д.И.Менделеев любила дерзкие идеи. Обнаружен-ная им закономерность гласила:а химические и физиче-скиеа свойства элементови их соединенийа нахо-дятся в периодической зависимости от атомныха весова элементов. Подобно своим предшественникам, Д.И.Менделеева выделила наи-более типичные элементы. Однако он предположил нали-чие пустот ва таблицеа и осмелился тверждать, что они должны быть заполнены не открытыми еще элементами. В одно и тоже время с Менделеевым над этой же про-блемойа работала Лотарь Мейер, который опубликовала своюа работу в 1870 году. Однако приори-тета в открытиипериодического заслуженно остается з Дмитрием Ивановичема Менделеевым, т.к. даже сама Л.Мейера не помышлял отрицать выдающуюся роль Д.И.Менделеева в открытии периодического закона. Ва своих воспоминаниях Л.Мейер казывал, что пользовался приа написании своей работы рефератом статьи Д.И.Менделеева. В 1870 году Менделеева внеса ва таблицу некото-рые изменения:а как любая закономерность, в основе кото-ройа лежит bepm` идея, новая система оказалась жиз-неспособной, поскольку в ней предусматривалась возмож-ность точнений. Как я же говорил, гениальность теории Менде-леева состоял в том, что он оставил пустоты в своей таб-лице. Тем самыма он предположил (а точнее был верен), что еще не все элементы открыты. Однако Дмитрий Иванович не остановился на достигнутом. С помощью пе-риодического закона она даже описал химические и фи-зические свойства еще не открытыха химических элемен-тов, например:а галлия, германия, скандия, которые полностью подтвердились. После этого большинство ченых бедилось в правильности теории Д.И.Менделеева. В наше время периодическийа закона имеет огромное

значение. С помощью его предсказывают свойства химических со-единений, продукты реакций. С помощью периодического закона и ва наше время предсказывают свойства элементов - это элементы которые нельзя получить в весомых коли-чествах.

Заключение

После работа Лавуазье, Пруста, Ломоносова иа Мен-делеева, же ва нашема веке было сделано много важней-шиха открытийа в области химии и физики. Это работы по термодинамике, строению атома и молекул, электрохимии, - этот список можно продолжить до бесконечности. Од-нако открытия Лавуазье и Д.И.Менделеева остаются фун-даментом химических знаний.

Литература

1) Ахметова Н.С. Общая и неорганическая химия.а -М.:а Высшая школа, 1988.

2) Дикерсон Р., Грей Г., Грей Дж. Основные законы хи-мии : В 2-х т. / Перевод c английского и пре-дисловие Е.Л.Розенберга.-М.: Мир, 1982.

3) Некрасова Б.В. Основы общей химии : Т. I.а -М.:а Химия, 1969.

4) Штрубе В. Пути развития химии : В 2-х т. / Перевод са немецкого А.Ш.Гладкой, под редакциейа В.А.Крицмана.а -М.: Мир, 1984.