Развитие химии в XIX веке

Границ научному познанию и предсказанию

предвидеть невозможно.

Д.И. Менделеев

Становление понятий о химическом элементе

Теоретические представления о химических явлениях рассматривались в свете общих представлений о возникновении и исчезновении веществ. Экспериментальной же работой в области химии занимались многочисленные аптекари и алхимики. Последние, делая опыты по “трансмутации” металлов, не только открывали новые способы получения различных веществ, но и развивали натурфилософские учения древнегреческих философов Аристотеля, Эмпедокла, Левкиппа, Демокрита. Согласно этим учениям, все вещества в природе состоят из более простых частей, называемых элементами. Такими элементами по Левкиппу и Демокриту были атомы - мельчайшие частицы бескачественной первичной материи, различной только по величине и форме.

В эпоху эллинизма возникло учение о “трансмутации” (превращении), согласно которому можно, изменяя сочетание элементов, получать вещества с иными свойствами. Это учение было развито Парацельсом. Подобно алхимикам, Парацельс исходил из представления, что все вещества состоят из элементов, способных соединяться друг с другом. При разложении веществ элементы разъединяются. Но в отличии от алхимиков Парацельс подчеркнул вещественный характер трех начал: “серы” - начала горючести, “ртути” - начала липучести и “соли” - начала огнепостоянства.

Учение о ртути, сере и соли как начал, образующих все тела, содержится в сочинениях неизвестного автора, труды которого появлялись под псевдонимом “Василий Валентин”, и получили большое распространение в 16 веке. Доказательства этого учения Парацельс видел в горении древесины. Он писал: “Чтобы испытать это, возьми сначала дерево: это будет тело. Сожги его, тогда то, что будет гореть,- это сера, то, что будет дымить,- меркурий (ртуть), а то, что останется золой,- соль.” Считая, что каждый из четырех элементов Аристотеля должен состоять из этих трех начал, Парацельс писал: “Каждый элемент состоит из трех начал: ртути, серы и соли.”

Роберт Бойль

Бойль жил в эпоху великих общественных и духовных преобразований. Однако, несмотря на сильные религиозные тенденции, Бойль научными работами расчистил путь механистическому материализму в естествознании. На основании экспериментальных результатов Бойль, в первую очередь, выступил против учения о трех началах как основе всех веществ. По его мнению, элементом следует считать вещество, которое не имеет составных частей и не может быть разложено. Этот критерий Бойль принял для определения химического элемента в значительной мере потому, что в то время считалось, что вещества, не изменяющиеся при обжиге, можно назвать элементами.

Бойль доказал также, что вещества, которые он анализировал, вовсе не распадаются на три или четыре более простых вещества, как, например, золото или стекло. Из некоторых веществ могут выделяться простые “тела” в количестве, большем чем три или четыре, причем их химические свойства такие же, как у элементов.

Михаил Васильевич Ломоносов

Ломоносов принадлежит к числу первых ученых, изучивших количественно химические процессы при помощи взвешивания. Он обратил внимание на увеличение веса металлов после обжигания на воздухе. Он считал сомнительным вывод Бойля о том, что это увеличение веса вызвано присоединением “тепловых материй”.

Антуан Лоран Лавуазье

Вслед за Ломоносовым Лавуазье пришел к выводу, что такое увеличение массы металлов должно быть связано с поглощением воздуха. Лавуазье в 1787 году предложил новую рациональную номенклатуру химических соединений, созданную им вместе со знаменитыми французскими химиками К. Бертолле, А. Фуркруа и Л. Гитоном де Морво. В докладе Парижской Академии наук авторы подчеркивали: “В соответствии с предложенной нами программой мы обратили особое внимание на наименования простых тел, поскольку названия сложных тел должны получаться из названий простых”. В своей новой химической системе Лавуазье впервые разделил вещества на химические элементы (среди которых он выделил металлы и неметаллы, а также два “невесомых флюида” - свет и теплород и, кроме того, так называемые “земли”: известь CaO, магнезит MgO, барит BaO, глинозем Al2O3, кремнезем SiO2. Лавуазье подозревал сложность состава этих веществ, но в то время они не были еще разложены, и поэтому ученый причислял их к элементам) и химические соединения. Таким образом, Лавуазье систематизировал совокупность химических знаний в рамках созданной им общей теории.

Джон Дальтон

Дальтон развил в своих исследованиях представления Ньютона, изложенные в его работе “Математические начала натуральной философии”, опубликованной в 1687 году. Ньютон показал, что газ состоит из мельчайших материальных частичек, силы отталкивания между которыми растут пропорционально уменьшению расстояния между ними. Дальтон считал, что отталкивание происходит только между частицами определенного вида газа, в то время как частицы других видов газов не должны отталкиваться.

Дальтон показал, что эти мельчайшие частицы растворяются не только в фазе, где существуют два газа, но и в системе, образованной газом и жидкостью. Растворимость различных газов в воде он объяснял таким образом: “Эта разница тесно связана с тяжестью, весом и числом мельчайших частиц в различных газах. Подвижность более легких и меньших по размерам частиц падает. Рассмотрение роли относительной тяжести мельчайших частичек тел, насколько я знаю, является совершенно новым предметом исследования. Я начал недавно эти работы и достиг некоторых успехов”.

Результаты своих определений весов мельчайших частиц Дальтон обобщил в 1803 году в таблице, озаглавленной “Соотношения весов мельчайших частиц газообразных и других тел”. Приняв за единицу атомную массу водорода, Дальтон определил относительные атомные массы азота (4), углерода (4,5), кислорода (5,66), серы (17), воды (6,66) и других веществ. Дальтон пользовался атомной теорией как основой для новой химической символики.

Хотя сделанные Дальтоном определения атомных весов были недостаточно точными, разработанная английским ученым атомистическая теория внесла в химию первые ясные представления о строении элементов и их соединений и позволила количественно объяснить и предвидеть химические явления, отчетливо показала важность теоретических построений для развития экспериментальных химических исследований. Большинство химиков тотчас восприняло основные положения теории Дальтона и стало развивать их.

Йенс Якоб Берцелиус

Особенно большое значение имели работы шведского химика Берцелиуса, который дал более точные определения атомных масс. Уже до Берцелиуса Дальтон пользовался атомной теорией для новой химической символики. Дальтон отбросил использующиеся в то время химические знаки, которые не отражали количественного состава соединений, и предложил для каждого элемента символ, обозначающий его атом. Однако, формулы, предложенные Дальтоном, не всегда давали представление об истинном числе атомов, образующих соединение; количественный элементарный анализ позволял ученому лишь судить об относительных массах элементов, входящих в состав соединения. Берцелиус с большим успехом применил закон Гей-Люссака для определения состава и количественных характеристик многих элементов и соединений. Со времени публикации своих первых работ Берцелиус поддерживал тесные личные связи с химиками во многих странах, что помогало ему создать четкое представление о мировом уровне разработки научных проблем. Берцелиусом были подвергнуты анализу 2000 соединений, образованных 43 элементами. Результатом работ было усовершенствование старых и создание новых методов анализа, изобретение новых приборов, развитие техники лабораторных работ. Одним из наиболее значительных научных достижений Берцелиуса было создание им таблицы атомных масс. Существенную помощь при этом ему оказал закон объемных отношений газов, установленный Гей-Люссаком. Значение этого закона Берцелиус понял сразу же после ознакомления с работой французского ученого, относящейся к 1808 году. Первую таблицу атомных масс Берцелиус опубликовал в 1814 году. В отличии от Дальтона Берцелиус принял за основу для расчетов атомную массу кислорода, а не водорода. Атомную массу шведский ученый принял равной 100. Ж.С. Стас впоследствии пересчитал атомные массы элементов, приняв атомную массу кислорода равной 16. С 1818 года по 1826 Берцелиус несколько раз исправлял значения атомных масс.

В результате этих исследований Берцелиус значительно уточнил величины атомных масс, определенные Дальтоном. Тем самым были созданы предпосылки систематизации элементов на основе их атомных масс. Эти тщательно выполненные исследования позволили Берцелиусу сделать атомистическую модель основной химии.

Берцелиус разработал электрохимическую теорию. Приняв за основу электрохимические положения Дэви, Берцелиус считал причиной соединения элементов в определенном отношении электрическую полярность атомов. Учение об электричестве позволило дать простое объяснение природе, например, такого распространенного в химии явления, как образование солей. Оказалось, что суть этого явления заключается во взаимной нейтрализации положительных и отрицательных зарядов мельчайших частичек вещества. На основе разработанной им теории Берцелиус сделал принципиально важный вывод; все химические элементы состоят из отрицательных и положительных веществ. Но электрохимическая теория Берцелиуса затруднила признание гипотезы Авогадро, имеющей большую область применения в химии.

Существенное значение для превращения химии в точную науку имело усовершенствование Берцелиусом химической номенклатуры и создание им символики, близкой к современным обозначениям элементов и их соединений. Она заменила символику Дальтона, в которой чувствовалось влияние алхимических знаков. Для обозначения химических элементов Берцелиус предложил применять начальные буквы их латинских названий.

Исходя из своей электрохимической теории Берцелиус предложил принцип наименования соединений, состоящих из положительных элементов и отрицательных частей. В своей химической символике Берцелиус хотел отобразить соотношение элементов в соединениях.

Созданный Берцелиусом “химический язык” позволил простым и наглядным способом сопоставить особенности химических явлений с составом взаимодействующих молекул. Тем самым этот язык в значительной мере способствовал взаимопониманию химиков разных стран и укреплению их научных контактов.

В результате своих работ Берцелиус открыл несколько новых элементов. Так вместе с Хизингером Берцелиус открыл элемент церий. Берцелиус выделил из шлака свинцовых камер неизвестный доселе элемент - селен. Берцелиус открыл в минерале элемент торий. Вместе со своим учеником Н.Г. Сефстеремом Берцелиус обнаружил новый элемент ванадий. Впоследствии Берцелиусу удалось получить элементы, оксиды которых уже были известны; кремний, цирконий, титан, тантал.

Будучи одним из лучших знатоков химии своего времени, Берцелиус объяснил с единой точки зрения многие факты и понятия, ранее казавшиеся не связанными друг с другом. Так, даже горные породы и минералы подаренной ему коллекции Берцелиус расположил не в соответствии с общепринятой тогда кристаллографической систематизацией Р.Ж. Аюи, а по их химическому составу.

Создание новых основных понятий, таких как, изомерия и полимерия, значительное совершенствование химической символики и номенклатуры оказала существенное влияние на развитие современной химии.

Иоганн Вольфганг Деберейнер - изучал химические явления с точки зрения материалистических позиций, исходя из положений атомистической теории. Основой своих работ немецкий химик избрал теорию познания философа Фрэнсиса Бэкона, которого Карл Маркс называл “подлинным родоначальником английского материализма и всей современной экспериментальной науки”. После того, как И.Б.Рихтер в 1792 году потерпел неудачу в систематизации элементов, лишь Деберейнеру удалось в 1817 и 1829 гг. установить закономерности изменения свойств элементов. В первые тридцать лет Х1Х в. было открыто значительное число химических элементов. В то время было известно уже более 40 химических элементов и гораздо больше химических соединений. После того, как Лавуазье разработал кислородную теорию, вещества стали классифицировать по их характерным качественным признакам. После признания теории Дальтона появилась возможность посмотреть также количественные отношения элементов. Эти работы создали предпосылки для изучения характера связи между свойствами различных химических элементов. Деберейнер сгруппировал другие элементы и соединения различных классов по их аналогичным свойствам, разделив их на группы по 3 члена. В своих первых работах автор опирался на изучение плотности и атомных масс щелочноземельных металлов и в 1817 г. составил первую триаду; калий, стронций, барий. Получив поддержку Берцелиуса, Деберейнер распостранил этот принцип и на другие элементы.

Ученый стремился решать вопросы не путем отвлеченных рассуждений, а на основании сопоставления атомных масс, для чего требовались обширные экспериментальные работы. Особенной заслугой ученого было то, что он первым обнаружил количественные отношения свойств химически близких элементов. Эти работы подготовили почву для создания Д.И. Менделеевым и Л. Мейером периодической системы элементов.

Эйгард Мичерлих в своих экспериментальных работах обращал особое внимание на точность измерений, взвешивания и определения плотности веществ. За 45 лет научной деятельности он провел исследования в различных областях естествознания. Им были выполнены физико-химические работы, исследования по неорганической химии, органической химии, физиологии, геологии. Значительным событием в развитии химии было открытие Мичерлихом явления изоморфизма. Исследуя фосфаты и арсенаты, ученый обнаружил, что “вещества различной химической природы во многих случаях могут обнаружить одинаковые или близкие кристаллические формы”. На основании исследований ученый пришел к выводу; “Равному числу атомов, если они соединены одинаковым образом, присущи одинаковые кристаллические формы, эта кристаллическая форма определяется не только природой атомов, но и их числом и способом соединения”.

Исследовательская и преподавательская деятельность Мичерлиха в первой половине девятнадцатого века заложила фундамент для быстрого развития химии, делавшей в то время только первые робкие шаги.

Попытки систематизации многочисленных известных элементов и соединений, начатые Деберейнером, продолжили многие известные химики. Б. Шанкартуа расположил элементы в порядке возрастания атомных масс по винтовой линии на поверхности цилиндра. В 1857 г. У. Олдинг опубликовал таблицу, в которой элементы также были расположены по возрастанию их атомных масс. В 1863- 1865 гг. Д. Ньюлендс попытался установить закономерность взаимного расположения атомов, и на этой основе опубликовал таблицу элементов.

Решающий вопрос в создании системы элементов был достигнут в 1869- 1870 гг., когда Менделеев и Мейер независимо друг от друга опубликовали таблицу химических элементов. Так была решена проблема систематизации элементов. В 1860 г. на конгрессе химиков в Карлсруэ ведущим докладчиком был итальянский химик С.Канницарро. Он упорно защищал теорию Авогадро; в равных объемах различных идеальных газов содержится одинаковое число молекул. В то время Мейер занимался вопросами о структуре вещества. Он расположил на кривой лишь известные элементы, не применяя своих результатов ни для исправления значений атомных масс, ни для предсказания еще не открытых элементов. Однако, Мейер не обнаружил закономерности и зависимости между составом и свойством элементов. Менделеев на основании своих представлений сделал основополагающие выводы и прогнозы.

Дмитрий Иванович Менделеев в 1869 г. опубликовал сообщение о систематизации известных тогда элементов. Менделеев разместил элементы в порядке возрастания атомных масс. Он использовал этот принцип, поскольку он проанализировал работы Дальтона по установлению связи между количественными и качественными свойствами веществ. Важнейшим из количественных свойств элементов в то время была атомная масса. Ученый считал, что свойства элементов и их соединений зависят от величины атомных масс элементов. Этот закон лег в основу созданной им системы элементов.

Создание периодической системы элементов, последовательное применение периодического закона при изучении различных веществ является главным отличием работ Менделеева по систематизации элементов от аналогичных работ других ученых. Менделеев не только открыл закон и построил таблицу элементов, но и способствовал устранению пробелов в таблице и улучшению ее.

Так в 1871 г. Менделеев существенно уточнил атомные массы трети известных элементов. Никто из соавторов закона, как стали впоследствии называть Шанкартуа, Ньюлендса, Мейера, не мог на основании имеющихся данных получить подобные результаты. Более того, они даже ставили под сомнение закономерный характер периодического изменения свойств элементов. Но Менделеев был твердо уверен, что он открыл закон природы. Уже в работе 1869 г. обнаружилось стремление Менделеева прогнозировать дальнейшее направление изучения периодичности. Он писал; “Должно ожидать открытий еще многих неизвестных тел, например сходных с алюминием или кремнием с атомной массой”. В 1886г. немец Винклер открыл германий, свойства которого прекрасно совпадали со свойствами предсказанного Менделеевым экасилиция. Это открытие, а также открытие галлия в 1875г. и стало подтверждением периодического закона. В 1890г. закон получил всеобщее признание. Новые знания о структуре атома, полученные в начале ХХ столетия уточнили периодический закон и позволили глубже понять его.

С открытием закона химическая теория получила относительное завершение. Во время классической химии основополагающими были три закона; закон сохранения массы, закон постоянных отношений элементов в веществах и закон Авогадро. Во второй половине Х!Х века химическая теория обогатилась еще двумя термодинамическими закономерностями; учением о строении органических соединений и периодическим законом. Это позволило химикам глубже понять смысл процессов. Научное рассмотрение производственных процессов превратило химию в непосредственно производительную силу. Такому развитию химия в немалой степени обязана Менделееву, Мейеру.

Тем не менее Менделеев не смог отказаться от устаревших представлений о природе атомов и элементов, он скептически относился к новым воззрениям на природу радиоактивности и электронным теориям. Но открытый им периодический закон, все более углубляясь, способствовал победе прогрессивных взглядов в химии и физике

В 1955г. был синтезирован элемент с атомным весом 101, названный менделеем.

Так были увековечены заслуги Менделеева - создателя периодической системы, позволившей предсказать свойства неизвестных элементов и создать предпосылки для открытия трансурановых элементов, к которым принадлежит менделей.

ЛИТЕРАТУРА

1. К. Хайтинг “Биографии великих химиков” МИР 1981г.

2. Я. Голованов “Этюды об ученых” Москва 1970

3. М. Джуа “ История химии” Мир 1975

4. К. Манолов “Великие химики” Мир 1976

5. В. Рич “ Охота за элементами” Химия 1982

6. В. Криуман “Создатели атомно-молекулярного учения Просвещение 1976

7. А. Азимов “ Краткая история химии” Мир 1983