Основные положения и законы химии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Основные положения и законы химии

2. История развития химии как науки с 4-5 века до 19 века

3. История формирования теории и практики химии

Заключение

Список литературы

Введение

Когда впервые обнаруживается, что некоторая идея объясняет или коррелирует многие факты, то такую идею называют гипотезой. Гипотезу можно подвергнуть дальнейшей проверке и экспериментально подтвердить выводы, которые из нее следуют. Если гипотеза при этом согласуется с результатами эксперимента, то ее называют теорией или законом. Теория, например, атомная теория, обычно включает некоторые представления о строении той или иной части Вселенной, тогда как закон может быть просто обобщением положений, относящихся к экспериментально выявленным фактам. Так, существует закон постоянства углов между гранями в кристаллах. Этот закон утверждает, что при изменении углов между соответствующими гранями нескольких кристаллов одного и того же чистого вещества оказывается, что величины этих углов одинаковы. Закон просто выражает тот факт, что углы между соответствующими гранями кристалла чистого вещества одинаково независимо от того, большой это кристалл или маленький; какого-либо объяснения самому этому факту закон не дает. Объяснение дает атомная теория кристаллов теория, которая исходит из того, что атомы кристаллов расположены в определенном порядке. Сейчас невозможно представить себе нашу жизнь без химических процессов, будь то получение лекарств, продуктов и многое другое. Окружающий нас мир - природа - различные формы движущейся материи. Материя может существовать в виде элементарных частиц, имеющих массу покоя и полей, лишённых массы покоя. Взаимодействуя друг с другом, элементарные частицы образуют более сложные системы - различные атомы. Наконец, атомы, взаимодействуя друг с другом, образуют различные вещества. Каждое вещество обладает некоторым набором характерных признаков - свойствами: плотностью, электропроводностью, окраской, запахом, твёрдостью и т.д., то, что отличает одно вещество от другого. В определённой совокупности вещества образуют материалы - бумагу, лекарство, стекло, сталь. При изменении условий - нагревании, освещении, ударе - могут происходить превращения одних веществ в другие - самопроизвольные или в результате взаимодействия нескольких веществ.

Химия - это область естествознания, наука о веществах и их превращениях. Современная химия представляет собой разветвлённую область знаний: геометрическое строение кристаллов (кристаллохимия), электронное строение (квантовая химия), в живых организмах (биохимия), зависимость свойств веществ от их состава и строения (физическая химия), о превращениях в космосе (космохимия).

На базе современных химических знаний создаются новые технологии, позволяющие получать из природного сырья принципиально новые вещества и материалы: различные сплавы, сверхпроводящие материалы, полимеры, красители. Каждый из вас использует химические реакции в своей жизни - печёт ли блины, запускает ли двигатель автомобиля, использует ли минеральные удобрения. Достижения химии огромны, но есть и другая сторона медали. Новые вещества не всегда безобидны для природы (инсектициды, ядохимикаты, дым из труб электростанций загрязняют почву, атмосферу). Полимеры медленно разлагаются в природных условиях. Увеличение в атмосфере ведёт к нарушению круговорота и вызывает изменение климата на планете. Таким образом, неграмотное использование химических достижений ведёт к возникновению экологических. Поэтому каждому образованному специалисту (инженеру) необходим достаточный минимум химических знаний. Наука беспредельна, всегда есть вопросы, не имеющие ответов, новые факты, что раньше было неизвестно, сейчас констатируется как известный факт. Возникают новые проблемы, умирают старые гипотезы и возникают новые. Общая химия знакомит читателя с современным ядром - фундаментом химической науки, так как любой раздел общей химии - это предельно сжатое, сделанное в общих чертах целого направления в химии.

1. Основные положения и законы химии

Атомно-молекулярное учение. Начало этому учению положили взгляды древнегреческих философов, которые пытались представить мир, построенный из основных "начал": элементов воды, воздуха, огня, земли. С другой стороны, возникает понятие "атом" (неделимый) - неделимая частица. Представления об "элементах", из которых можно получать любые вещества развивались алхимиками. Они собрали огромный фактический материал (получили множество новых соединений, разработали основные методы синтеза и анализа веществ). Далее химики занимались изготовлением лекарств, красок. Следующий этап в развитии химии связан с именами Ломоносова и Лавуазье, которые независимо друг от друга открыли законы сохранения. В 1748 г. Ломоносов обосновал законы сохранения материи и энергии. Лавуазье сформулировал закон сохранения материи на 50 лет позже.

В XIX в. открыты 3 важных закона:

Закон постоянства состава (Пруст, 1799 г),

Закон простых кратных отношений (Дальтон, 1804 г),

Закон простых объёмных отношений для реагирующих газов (Гей-Люссак, 1805 г).

В химию введены понятия атома как носителя свойств химического элемента и молекулы - сложной частицы, состоящей из нескольких атомов и являющейся наименьшей частицей вещества, обладающей его химическими свойствами. история химия закон молекулярное

В 1811 г. Авогадро объяснил закон простых объёмных отношений, поняв, что простые газообразные вещества состоят не из атомов, а из молекул. Закон Авогадро был последним "кирпичиком" в создании атомно-молекулярного учения до конца XIX в. Опираясь на него, Д.И. Менделеев открыл в 1869 г. периодический закон - один из основных законов природы.

Открытие в конце XIX в. электрона, радиоактивности, сложного строения атома и целого мира элементарных частиц привело к тому, что многие положения атомно-молекулярного учения пришлось пересмотреть. Стало ясно, что атом неделим только химически. И всё же это вошло в основу современного атомно-молекулярного учения.

Современное представление. Все вещества состоят из атомов. Атомы представляют собой мельчайшие частицы вещества, которые химическим путём невозможно разделить на составные части, превратить друг в друга или уничтожить. Атомы различных элементов различаются по массе. Совокупность одинаковых атомов образует простое вещество, соответствующее определённому химическому элементу.

Атомы различных элементов взаимодействуют друг с другом в целочисленных отношениях. В результате получаются сложные образования, в частности молекулы.

Молекула - наименьшая частица вещества, обладающая всеми его химическими свойствами. Одно из наиболее важных свойств молекулы - масса. Как же определить массу этих мельчайших частиц - атомов и молекул?

Уже во времена Ломоносова и Лавуазье химики определили, что, например, в соединении с - 94,2 %, а в соединении с - только 13,8 %. Отсюда можно сделать вывод, что атомы тяжелее, чем атомы, но легче чем атомы. На основании этого можно сказать какие атомы легче, какие тяжелее и далее расположить их в порядке возрастания масс. Атом оказался в 16 раз тяжелее атома, атом - в 2 раза тяжелее атома. На основании эти данных Дальтон предложил шкалу относительных атомных масс. Атом каждого элемента характеризовался безразмерным числом, показывающим во сколько раз данный атом тяжелее самого лёгкого (т.е. за единицу приняли).

Существовала и кислородная шкала. В 1961 г. была принята углеродная шкала, в которой за единицу приняли 1/12 массы атома изотопа углерода.

Относительной атомной массой называется безразмерное число, показывающее во сколько раз масса данного атома больше чем 1/12 атома изотопа углерода. Совершенно аналогично определяется и относительная масса молекул.

Основные законы. Закон постоянства состава: Состав чистого вещества не зависит от способа получения этого вещества. Т. е. для одной и той же молекулы, например, соотношение и всегда постоянно. Сейчас мы знаем, что большинство твёрдых веществ состоят не из молекул, а из атомов или ионов и в этом случае возможны изменения состава в зависимости от условий его получения.

Закон кратных отношений: Если 2 элемента образуют друг с другом несколько соединений, то на одну и ту же массу одного из них приходятся такие массы другого, которые относятся между собой как небольшие целые числа.

Закон простых объёмных отношений: Объёмы реагирующих газов относятся друг к другу и к объёмам газообразных продуктов как небольшие целые числа.

Например, один объём реагирует с двумя объёмами и при этом получается точно 2 объёма водяного пара. Подобные наблюдения позволили предположить, что в одинаковых объёмах газов содержится одинаковое число атомов, но не объясняли соотношение объёмов продуктов реакции. Выход нашёл Авогадро в 1811 г., предположив, что газообразные вещества состоят из молекул, а не из атомов. Количество частиц, равное числу Авогадро, получило название "моль". Моль - количество вещества, содержащего столько же частиц (молекул, атомов, ионов, электронов, фотонов) сколько содержится атомов в 12 г изотопа. Масса 1-го моль называется молярной массой и выражается в [г/моль].

Из этого следует:

молекулярная масса, выраженная в г, равна относительной молекулярной массе в углеродной шкале;

при одинаковых условиях 1 моль любого газа занимает один и тот же объём, равный 22,4 л.

2. История развития химии как науки с 4-5 века до 19 века

Практически ежедневно каждый человек может наблюдать, как те или иные вещества подвергаются различным изменениям: железный предмет под воздействием влаги покрывается ржавчиной, опавшие листья постепенно истлевают, превращаясь в перегной и т.д. Результат этих изменений - появление новых веществ с совершенно иными свойствами. Такого рода процессы называются химическими явлениями, при которых из одних веществ образуются другие, новые вещества, а наука, изучающая превращения веществ, называется химией. Химия - одна из важнейших и обширных областей естествознания. Это наука о веществах, их свойствах, строении и превращениях, происходящих в результате химических реакций, а также фундаментальных законах, которым эти превращения подчиняются. Поскольку все вещества состоят из атомов, которые благодаря химическим связям способны формировать молекулы, то химия занимается в основном изучением взаимодействий между атомами и молекулами, полученными в результате таких взаимодействий.

Химия, как никакая другая наука, является одновременно и наукой, и производством. Химия всегда была нужна человечеству для того, чтобы получать из природных веществ материалы с необходимыми для повседневной жизни и производства свойствами. Поэтому все химические знания, приобретённые за многие столетия и представленные в виде теорий, законов, методов, технологий, объединяет одна-единственная непреходящая, главная задача химии - получение веществ с заданными свойствами. Но это - производственная задача, и, чтобы её реализовать, нужно уметь из одних веществ производить другие, т.е. осуществлять качественные превращения веществ. А поскольку качество - это совокупность свойств вещества, то необходимо знать, от чего зависят эти свойства. Иначе говоря, чтобы решить названную производственную задачу, химия должна справиться с теоретической проблемой генезиса (происхождения) свойств вещества. Таким образом, основанием химии выступает основная двуединая проблема - получение веществ с заданными свойствами (на достижение её направлена производственная деятельность человека) и выявление способов управления свойствами вещества (на реализацию этой задачи направлена научно-исследовательская работа учёных). Главная цель данного реферата - это рассказать, как появилась и как развивалась на протяжении всего человечества наука химия. В реферате прослеживается развитие химии от самых ее истоков, с тех времен, когда человек учился добывать и поддерживать огонь и выплавлять с его помощью металлы из руд, далее через эпоху античности и средние века до нашего времени - периода торжества химической науки и технологии.

1. Предалхимический период: до III в. В предалхимическом периоде теоретический и практический аспекты знаний о веществе развивались относительно независимо друг от друга.

Практические операции с веществом являлись прерогативой ремесленной химии. Начало её зарождения следует в первую очередь связывать, видимо, с появлением и развитием металлургии. В античную эпоху были известны в чистом виде семь металлов: медь, свинец, олово, железо, золото, серебро и ртуть, а в виде сплавов - ещё и мышьяк, цинк и висмут. Помимо металлургии, накопление практических знаний происходило и в других областях, таких как производство керамики и стекла, крашение тканей и дубление кож, изготовление лекарственных средств и косметики. Именно на основе успехов и достижений практической химии древности происходило развитие химических знаний в последующие эпохи.

Попытки теоретического осмысления проблемы происхождения свойств вещества привели к формированию в античной греческой натурфилософии учения об элементах-стихиях (вода, дерево, огонь, земля и металл). Наибольшее влияние на дальнейшее развитие науки оказали учения Эмпедокла, Платона и Аристотеля. Согласно этим концепциям все вещества образованы сочетанием четырёх первоначал: земли, воды, воздуха и огня. Сами элементы при этом способны к взаимопревращениям, поскольку каждый из них, согласно Аристотелю, представляет собой одно из состояний единой первоматерии - определённое сочетание качеств. Положение о возможности превращения одного элемента в другой стало позднее основой алхимической идеи о возможности взаимных превращений металлов (трансмутации). Практически одновременно с учением об элементах-стихиях в Греции возник и атомизм, основателями которого стали Левкипп и Демокрит.

2. Алхимический период: III-XVII вв. Алхимический период - это время поисков философского камня, считавшегося необходимым для осуществления трансмутации металлов. Алхимическая теория, основанная на античных представлениях о четырёх элементах, была тесно переплетена с астрологией и мистикой. Наряду с химико-техническим "златоделием" эта эпоха примечательна также и созданием уникальной системы мистической философии. Алхимический период, в свою очередь, разделяется на три подпериода: александрийскую (греко-египетскую), арабскую и европейскую алхимию.

Александрийская алхимия. В Александрии произошло соединение теории (натурфилософии Платона и Аристотеля) и практических знаний о веществах, их свойствах и превращениях; из этого соединения и родилась новая наука - химия. Само слово "химия" обычно считается происходящим от древнего названия Египта - Кем или Хем; изначально слово, по-видимому, должно было означать нечто вроде "египетского искусства". Иногда термин производят от греческого чхмпт - сок или чхменуйж - литьё. Основными объектами изучения александрийской химии являлись металлы. В александрийский период сформировалась традиционная металлопланетная символика алхимии, в которой каждому из семи известных тогда металлов сопоставлялась соответствующая планета: серебру - Луна, ртути - Меркурий, меди - Венера, золоту - Солнце, железу - Марс, олову - Юпитер, свинцу - Сатурн. Небесным покровителем химии в Александрии стал египетский бог Тот или его греческий аналог Гермес.

Среди значительных представителей греко-египетской алхимии, имя которых дошло до наших дней, можно отметить Болоса Демокритоса, Зосима Панополита, Олимпиодора. Написанная Болосом книга "Физика и мистика" (ок. 200 лет до н. э.) состоит из четырёх частей, посвящённых золоту, серебру, драгоценным камням и пурпуру. Болос впервые высказал идею трансмутации металлов - превращения одного металла в другой (прежде всего неблагородных металлов в золото), ставшую основной задачей всего алхимического периода. Зосим в своей энциклопедии (III в.) определил khemeia как искусство делания золота и серебра, описал "тетрасомату" - стадии процесса приготовления искусственного золота; особо он указывал на запрет разглашения тайн этого искусства. От александрийского периода осталось также и множество герметических текстов, представлявших собой попытку философско-мистического объяснения превращений веществ, среди которых знаменитая "Изумрудная скрижаль" Гермеса Трисмегиста. К числу несомненных практических достижений греко-египетских алхимиков следует отнести открытие явления амальгамирования металлов. Амальгама золота стала применяться для позолоты. Александрийскими учёными был усовершенствован способ извлечения золота и серебра из руд, для чего широко применялась ртуть, получаемая из киновари или каломели. Помимо практического значения, уникальная способность ртути образовывать амальгаму способствовала появлению представления о ртути, как об особом, "первичном" металле. Алхимиками был разработан также способ очистки золота купелированием - нагреванием руды со свинцом и селитрой.

Арабская алхимия. Теоретической основой арабской алхимии по-прежнему являлось учение Аристотеля. Однако развитие алхимической практики потребовало создания новой теории, основанной на химических свойствах веществ. Джабир ибн Хайян (Гебер) в конце VIII века разработал ртутно-серную теорию происхождения металлов, согласно которой металлы образованы двумя принципами: Ртутью (принцип металличности) и Серой (принцип горючести). Для образования золота - совершенного металла, помимо Ртути и Серы необходимо наличие некоторой субстанции, которую Джабир называл эликсиром (al-iksir, от греческого оесйпн, то есть "сухой"). Проблема трансмутации, таким образом, в рамках ртутно-серной теории свелась к задаче выделения эликсира, иначе называемого философским камнем (Lapis Philosophorum). Эликсир, как считалось, должен был обладать ещё многими магическими свойствами - исцелять все болезни, и, возможно, давать бессмертие. Ртутно-серная теория составила теоретическую основу алхимии на несколько последующих столетий. В начале X века другой выдающийся алхимик - Ар-Рази (Разес), - усовершенствовал теорию, добавив к Ртути и Сере принцип твёрдости (хрупкости), или философскую Соль. Арабская алхимия, в отличие от александрийской, была вполне рациональна; мистические элементы в ней представляли собой скорее дань традиции. Помимо формирования основной теории алхимии, во время арабского этапа был разработан понятийный аппарат, лабораторная техника и методика эксперимента. Арабские алхимики добились несомненных практических успехов - ими выделены сурьма, мышьяк и, по-видимому, фосфор, получены уксусная кислота и разбавленные растворы минеральных кислот. Важной заслугой арабских алхимиков стало создание рациональной фармации, развившей традиции античной медицины.

Европейская алхимия. Научные воззрения арабов проникли в средневековую Европу в XIII веке. Работы арабских алхимиков были переведены на латынь, а затем и на другие европейские языки.

Среди крупнейших алхимиков европейского этапа можно отметить Альберта Великого, Роджера Бэкона, Арнальдо де Вилланову, Раймунда Луллия, Василия Валентина. Р. Бэкон определил алхимию следующим образом: "Алхимия есть наука о том, как приготовить некий состав, или эликсир, который, если его прибавить к металлам неблагородным, превратит их в совершенные металлы". В Европе в мифологию и символику алхимии были внедрены элементы христианской мифологии (Петрус Бонус, Николай Фламель); в целом для европейской алхимии мистические элементы оказались значительно более характерны, нежели для арабской. Мистицизм и закрытость европейской алхимии породили значительное число мошенников от алхимии; уже Данте Алигьери в "Божественной комедии" поместил в восьмой круг Ада тех, кто "алхимией подделывал металлы". Характерной чертой европейской алхимии стало её двусмысленное положение в обществе. Как церковные, так и светские власти неоднократно запрещали занятия алхимией; в то же время алхимия процветала и в монастырях, и при королевских дворах. К началу XIV века европейская алхимия добилась первых значительных успехов, сумев превзойти арабов в постижении свойств вещества. В 1270 году итальянский алхимик Бонавентура, в одной из попыток получения универсального растворителя получил раствор нашатыря в азотной кислоте (aqua fortis), который оказался способным растворять золото, царя металлов (отсюда и название - aqua Regis, то есть царская водка). Псевдо-Гебер - один из самых значительных средневековых европейских алхимиков, работавший в Испании в XIV веке и подписывавший свои сочинения именем Гебера, - подробно описал концентрированные минеральные кислоты (серную и азотную). Использование этих кислот в алхимической практике привело существенному росту знаний алхимиков о веществе. В середине XIII века в Европе началась выделка пороха; первым его (не позже 1249) описал Р. Бэкон (часто упоминаемого монаха Б. Шварца можно считать основоположником порохового дела в Германии). Появление огнестрельного оружия стало сильнейшим стимулом для развития алхимии и её тесного переплетения с ремесленной химией.

Техническая химия и ятрохимия. Начиная с эпохи Возрождения, в связи c развитием производства всё большее значение в алхимии стало приобретать производственное и вообще практическое направление: металлургия, изготовление керамики, стекла и красок. В первой половине XVI века в алхимии выделились рациональные течения: техническая химия, начало которой положили работы В. Бирингуччо, Г. Агриколы и Б. Палисси, и ятрохимия, основателем которой стал Парацельс. Бирингуччо и Агрикола видели задачу алхимии в поисках способов совершенствования химической технологии; в своих трудах они стремились к максимально ясному, полному и достоверному описанию опытных данных и технологических процессов. Парацельс утверждал, что задача алхимии - изготовление лекарств; при этом медицина Парацельса основывалась на ртутно-серной теории. Он считал, что в здоровом организме три принципа - Ртуть, Сера и Соль, - находятся в равновесии; болезнь представляет нарушение равновесия между принципами. Для его восстановления Парацельс ввёл в практику лекарственные препараты минерального происхождения - соединения мышьяка, сурьмы, свинца, ртути и т. п., - в дополнение к традиционным растительным препаратам. К представителям ятрохимии (спагирикам, как называли себя последователи Парацельса) можно отнести многих известных алхимиков XVI-XVII веков: А. Либавия, Р. Глаубера, Я.Б. Ван Гельмонта, О. Тахения. Техническая химия и ятрохимия непосредственно подвели к созданию химии как науки; на этом этапе были накоплены навыки экспериментальной работы и наблюдений, в частности, разработаны и усовершенствованы конструкции печей и лабораторных приборов, методы очистки веществ (кристаллизация, перегонка и др.), получены новые химические препараты. Главным результатом алхимического периода в целом, помимо накопления значительного запаса знаний о веществе, явилось зарождение эмпирического подхода к изучению свойств вещества. Алхимический период стал совершенно необходимым переходным этапом между натурфилософией и экспериментальным естествознанием.

3. Период становления (объединения): XVII-XVIII вв. Вторая половина XVII века ознаменовалась первой научной революцией, результатом которой стало новое естествознание, целиком основанное на экспериментальных данных. Создание гелиоцентрической системы мира (Н. Коперник, И. Кеплер), новой механики (Г. Галилей), открытие вакуума и атмосферного давления (Э. Торричелли, Б. Паскаль и О. фон Герике) привели к глубокому кризису аристотелевской физической картины мира. Ф. Бэкон выдвинул тезис о том, что решающим доводом в научной дискуссии должен являться эксперимент; в философии возродились атомистические представления (Р. Декарт, П. Гассенди). Одним из следствий этой научной революции явилось создание новой химии, основоположником которой традиционно считается Р. Бойль. Бойль, доказав несостоятельность алхимических представлений об элементах как носителях неких качеств, поставил перед химией задачу поиска реальных химических элементов. Элементы, по Бойлю, - практически неразложимые тела, состоящие из сходных однородных корпускул (мельчайшие частицы материи или эфира), из которых составлены все сложные тела и на которые они могут быть разложены. Главной задачей химии Бойль считал изучение состава веществ и зависимости свойств вещества от его состава. Создание теоретических представлений о составе тел, способных заменить учение Аристотеля и ртутно-серную теорию, оказалось весьма сложной задачей. В последней четверти XVII в. появились так называемые эклектические воззрения, создатели которых пытаются увязать алхимические традиции и новые представления о химических элементах (Н. Лемери, И.И. Бехер).

Химия как научная дисциплина. С 1670 по 1800 химия получила официальный статус в учебных планах ведущих университетов наряду с натурфилософией и медициной. В 1675 появился учебник Николя Лемери (1645-1715) Курс химии, завоевавший огромную популярность, в свет вышло 13 его французских изданий, а кроме того, он был переведен на латинский и многие другие европейские языки. В 18 в. в Европе создаются научные химические общества и большое количество научных институтов; проводимые в них исследования тесно связаны с социальными и экономическими потребностями общества. Появляются химики-практики, занимающиеся изготовлением приборов и получением веществ для промышленности.

Теория флогистона. В сочинениях химиков второй половины 17 в. большое внимание уделялось толкованиям процесса горения. По представлениям древних греков, все, что способно гореть, содержит в себе элемент огня, который высвобождается при соответствующих условиях. В 1669 немецкий химик Иоганн Иоахим Бехер попытался дать рационалистическое объяснение горючести. Он предположил, что твердые вещества состоят из трех видов "земли", и один из видов, названный им "жирной землей", принял за "принцип горючести". Последователь Бехера немецкий химик и врач Георг Эрнст Шталь трансформировал концепцию "жирной земли" в обобщенную доктрину флогистона - "начала горючести". Согласно Шталю, флогистон - это некая субстанция, содержащаяся во всех горючих веществах и высвобождающаяся при горении. Шталь утверждал, что ржавление металлов подобно горению дерева. Металлы содержат флогистон, а ржавчина (окалина) уже не содержит флогистона. Это давало приемлемое объяснение и процессу превращения руд в металлы: руда, содержание флогистона в которой незначительно, нагревается на древесном угле, богатом флогистоном, и последний переходит в руду. Уголь же превращается в золу, а руда - в металл, богатый флогистоном. К 1780 теория флогистона была принята химиками почти повсеместно, хотя и не отвечала на очень важный вопрос: почему железо при ржавлении становится тяжелее, хотя флогистон из него улетучивается? Химикам 18 в. это противоречие не казалось столь важным; главное, по их мнению, было объяснить причины изменения внешнего вида веществ. В 18 в. работало много химиков, чья научная деятельность не укладывается в обычные схемы рассмотрения этапов и направлений развития науки, и среди них особое место принадлежит русскому ученому-энциклопедисту, поэту, поборнику просвещения Михаилу Васильевичу Ломоносову (1711-1765). Своими открытиями Ломоносов обогатил почти все области знания, и многие его идеи более чем на сто лет опередили науку того времени. В 1756 Ломоносов провел знаменитые опыты по обжиганию металлов в закрытом сосуде, которые дали неоспоримое доказательство сохранения вещества при химических реакциях и роли воздуха в процессах горения: наблюдаемое увеличение веса при обжигании металлов еще до Лавуазье он объяснял соединением их с воздухом. В противоположность господствовавшим представлениям о теплороде он утверждал, что тепловые явления обусловлены механическим движением материальных частиц. Упругость газов он объяснял движением частиц. Ломоносов разграничивал понятия "корпускула" (молекула) и "элемент" (атом), что получило всеобщее признание лишь в середине 19 в. Ломоносов сформулировал принцип сохранения материи и движения, исключил флогистон из числа химических агентов, заложил основы физической химии, создал при Петербургской АН в 1748 химическую лабораторию, в которой проводились не только научные работы, но и практические занятия студентов. Обширные исследования проводил он в смежных с химией областях знания - физике, геологии и др.

Пневматическая химия. Недостатки теории флогистона наиболее ясно выявились в период развития т.н. пневматической химии. Крупнейшим представителем этого направления был Р. Бойль: он не только открыл газовый закон, носящий теперь его имя, но и сконструировал аппараты для собирания воздуха. Химики получили важнейшее средство для выделения, идентификации и изучения различных "воздухов". Важным шагом было изобретение английским химиком Стивеном Хейлзом (1677-1761) "пневматической ванны" в начале 18 в. - прибора для улавливания газов, выделяющихся при нагревании вещества, в сосуд с водой, опущенный вверх дном в ванну с водой. Позже Хейлз и Генри Кавендиш установили существование неких газов ("воздухов"), отличающихся по своим свойствам от обычного воздуха. В 1766 Кавендиш систематически исследовал газ, образующийся при взаимодействии кислот с некоторыми металлами, позже названный водородом. Большой вклад в изучение газов внес шотландский химик Джозеф Блэк. Он занялся исследованием газов, выделяющихся при действии кислот на щелочи. Блэк установил, что минерал карбонат кальция при нагревании разлагается с выделением газа и образует известь (оксид кальция). Выделившийся газ (углекислый газ - Блэк назвал его "связанным воздухом") можно было вновь соединить с известью и получить карбонат кальция. Среди прочего, это открытие устанавливало неразрывность связей между твердыми и газообразными веществами.

Химическая революция. Больших успехов в выделении газов и изучении их свойств достиг Джозеф Пристли - протестантский священник, увлеченно занимавшийся химией. Близ Лидса (Англия), где он служил, находился пивоваренный завод, откуда можно было получать в больших количествах "связанный воздух" (теперь мы знаем, что это был диоксид углерода) для проведения опытов.

Пристли обнаружил, что газы могут растворяться в воде, и попытался собирать их не над водой, а над ртутью. Так он сумел собрать и изучить оксид азота, аммиак, хлороводород, диоксид серы (конечно, это их современные названия). В 1774 Пристли сделал самое важное свое открытие: он выделил газ, в котором вещества горели особенно ярко. Будучи сторонником теории флогистона, он назвал этот газ "дефлогистированным воздухом". Газ, открытый Пристли, казался антиподом "флогистированного воздуха" (азота), выделенного в 1772 английским химиком Даниэлом Резерфордом (1749-1819). В "флогистированном воздухе" мыши умирали, а в "дефлогистированном" были весьма активным. (Следует отметить, что свойства газа, выделенного Пристли, еще в 1771 описал шведский химик Карл Вильгельм Шееле, но его сообщение по небрежности издателя появилось в печати лишь в 1777.) Великий французский химик Антуан Лоран Лавуазье сразу же оценил значение открытия Пристли. В 1775 он подготовил статью, где утверждал, что воздух не простое вещество, а смесь двух газов, один из них - "дефлогистированный воздух" Пристли, который соединяется с горящими или ржавеющими предметами, переходит из руд в древесный уголь и является необходимым для жизни. Лавуазье назвал его oxygen, кислород, т.е. "порождающий кислоты". Второй удар по теории элементов-стихий был нанесен после того, как выяснилось, что вода - это тоже не простое вещество, а продукт соединения двух газов: кислорода и водорода. Все эти открытия и теории, покончив с таинственными "стихиями", повлекли за собой рационализацию химии. На первый план вышли только те вещества, которые можно взвесить или количество которых можно измерить каким-то иным способом. В течение 80-х годов 18 в. Лавуазье в сотрудничестве с другими французскими химиками - Антуаном Франсуа де Фуркруа (1755-1809), Гитоном де Морво (1737-1816) и Клодом Луи Бертолле - разработал логическую систему химической номенклатуры; в ней было описано более 30 простых веществ с указанием их свойств. Этот труд, Метод химической номенклатуры, был опубликован в 1787. Переворот в теоретических взглядах химиков, который произошел в конце 18 в. в результате быстрого накопления экспериментального материала в условиях господства теории флогистона (хотя и независимо от нее), обычно называют "химической революцией".

3. История формирования теории и практики химии

Различные области деятельности, имеющие химическую основу, например, металлургия, керамическое и стекольное производства, выделение природных красителей и крашение тканей, пивоваренное производство, нисходят к далеким временам. Те или иные технологические процессы, неизменно передававшиеся из поколения в поколение, разрабатывались в первую очередь на основе ремесленных навыков и изобретательности их исполнителей. Процесс происходил медленно и был обусловлен больше случайностями. Часто во многих профессиях на пути усовершенствования стояло укоренившееся стремление хранить в тайне применявшиеся методы. Наука и технология имеют общие цели - с их помощью должны решаться проблемы, выдвинутые производством. Однако на протяжении веков они дифференцировались, достигнув высокой степени индивидуализации и специализации. Бурное развитие современной химической промышленности стало возможным лишь благодаря проникновению научного метода в производство. Рост производства и качественное и количественное усовершенствование химической продукции зависят от точности анализа исходного сырья и конечных продуктов, глубокого знания и рационального направления проводимых процессов, контроля производства с помощью физических и химических методов и аппаратуры, применяемых для осуществления химических реакций в промышленных условиях. Так возникла химическая технология, имеющая исключительно важное значение для народного хозяйства. Технология базируется на тех же явлениях, законах и теориях и использует те же методы, что и естественные науки. Как и последние, технология должна развиваться на возможно более высоком научном уровне. Все экспериментальные и теоретические достижения естественных наук рано или поздно находят применение в промышленности. По мере усовершенствования технологии сокращается отрезок времени между научным открытием и его внедрением в промышленность. В свою очередь естественные науки получают значительные преимущества в результате развития технологии. Многие научные проблемы, которые привели к фундаментальным открытиям, были выдвинуты промышленностью. С другой стороны, многие научные исследования были бы неосуществимы, если бы промышленность не поставляла вещества, конструкционные материалы и необходимые приборы. Таким образом, естественные науки тесно связаны с производством и благодаря этой взаимосвязи могут развиваться лишь одновременно, параллельно. Они в равной степени полезны обществу, так как служат одной цели - увеличению выпуска продукции и улучшению ее качества.

Греческие натурфилософы. Наибольшее затруднение, которое испытывал человек в его стремлении понять устройство материального мира, заключалось, несомненно, в бесконечном многообразии современного мира. Повсюду он видел самые разнообразные картины - облака, реки, землю, камни, деревья, цветы, животных. По-видимому, первый вопрос, который мог возникнуть в то время, относился к классификации столь разнообразных и многочисленных проявлений материи. Вначале ответ на этот вопрос был предельно простым. Первый философ ионийской школы Фалес Милетский учил, что первичной материей, из которой возникают все объекты окружающего мира, является вода; впоследствии Анаксимен предложил считать первичной материей воздух, а Гераклит - огонь. Эти воззрения завершились теорией Эмпедокла из Агригента в Сицилии, который учил, что материальный мир состоит из четырех элементов: земли, воды, воздуха и огня, которые не могут превращаться друг в друга и входят в состав всех объектов в различных соотношениях. Качественные различия между объектами в природе обусловлены неодинаковым соотношением входящих в них элементов. Преобладающей идеей этой теории элементов была классификация веществ по плотности, начиная от наиболее плотной формы до наименее плотной. Понятие элемента у греков включало представление не только о составной части, но и о качестве, свойствах. Элементами считали свойства: холодный и влажный, сухой, теплый. Греческая теория элементов сохранилась с небольшими изменениями до конца XVIII в. Особенно интересным из-за своего сходства с современной теорией является учение об атомах Левкипа и его ученика Демокрита. Согласно учению одной из греческих философских школ, различные объекты сохраняют свои свойства при их делении на части: наименьшая часть листа тоже зеленая, мельчайшая капля меда тоже сладкая. Следовательно, материи присущи ее свойства. Другого мнения придерживались атомисты. Объекты состоят из атомов - мельчайших частиц, неделимых и неизменных, образованных из одного и того же первичного вещества, но отличающихся по размеру, форме и движению. Объекты имеют различные свойства, поскольку входящие в их состав атомы смешаны и расположены по-разному. У философов-атомистов встречается и другая очень важная и современная идея о сохранении материи, конкретизированная в знаменитом высказывании Демокрита: "Ничто не образуется из ничего, ничто не исчезает в ничто". Несмотря на близость к современной теории, это учение не оказала никакого влияния на практическую химию, поскольку ей недоставало экспериментальной, количественной основы. С помощью атомистической теории нельзя было ни объяснить частные явления, ни предвидеть их. Однако с развитием этой теории человек получил представление о мире, совершенно отличного от пестрого мира чувств, лишенном звука, цвета, вкуса и запаха, в котором господствуют лишь число и соотношение частиц. Значительное влияние на более позднюю греческую культуру и особенно на философов-схоластов средних веков оказал Аристотель, работы которого охватывали все области науки того времени. Этот философ учил, что весь мир заполняет материальное вещество - эфир, который определяет порядок и непрерывность мира. Эфиру родственна пневма, или дыхание жизни, причина жизненных функций животных и растений. Четыре элемента Эмпедокла, по его мнению, происходят из единой первичной материи и входят в состав всех объектов в различных соотношениях. Из воды и земли в недрах земного шара в течение длительного периода времени образуются все соли, камни, руды и металлы. Эмпедокл считал, что только золото не содержит земли. Все другие металлы - серебро, медь, железо, олово и свинец - содержат большее или меньшее количество земли и поэтому не стойки к действию огня. Металлы родственны и могут превращаться друг в друга. Так, медь, сплавляется с определенной землей, превращается в новый металл, желтый как и золото (латунь). Эти идеи имеют немало общего со взглядами поздних греческих алхимиков, однако алхимики не вдохновлялись непосредственно ими. Вероятно, они были общим достоянием всей древней культуры. В своих произведениях алхимики признавали не греческих философов, а совсем другие авторитеты.

Алхимия. Впервые слово "химия" появляется в декрете императора Диоклециана в 209 году до нашей эры, в котором приказывалось сжечь египетские книги и "хемеиа", т. е. искусстве "получения" (подделки) золота и серебра. Происхождение этого слова неизвестно. Согласно широко распространенному мнению, оно произошло от названия Египта (хемиа), о чем упоминается в поэме Плутарха. Следовательно, слово "хемеиа" могло означать "египетское искусство". Но поскольку это слово встречается и у некоторых греческих авторов, живших в Египте, например, у Зосимоса, возможно оно произошло от греческого слова "хима" - литой металл. Термин "химия" пришел к нам от арабов, которые превратили его в "алхимию". Алхимики утверждали, что их вдохновляют легендарные или божественные личности, такие, как Гермес Трисмегистос, отождествляемый с египетским богом Тотх. От имени Гермес происходит слово "герметичный". Различают три периода алхимии: греческую александрийскую, арабскую и латинскую из средневековой Западной Европы. Учение алхимиков было смесью путаных умозрений на философской, мифологической и религиозной основе о природе и возникновении из элементов различных минералов, металлов и солей. Алхимия базировалась на двух априорных постулатах: единстве материи и существовании таинственного фактора - философского камня, способного превращать такие обычные металлы, как свинец и олово, в золото и серебро. Обычные металлы считались "больными", поскольку они легко теряют блеск, превращаясь при нагревании в золу. Как полагали, философский камень был средством против этого "заболевания". Отсюда, учитывая принцип единства материи, было логично полагать, что это вещество будет совершенным лекарством от всех болезней для человека. Все вещества в природе образуются в результате соединения серы с ртутью. Последние не надо смешивать с простыми веществами с таким же названием. У алхимиков речь идет о "философских принципах" с двумя противоположными действиями: сера образуется из воздуха и огня, ртуть из воды и земли. Язык алхимиков был туманным и многословным, вещества и операции были скрыты за непонятными символическими названиями и иносказаниями. От алхимиков современная наука унаследовала исключительно ценный метод работы - эксперимент. В поисках философского камня алхимики открыли целый ряд веществ и создали некоторые химические приборы. Лаборатории алхимиков - это первые помещения, которые были специально предназначены для проведения в них исследований. В произведениях Зосимоса, наиболее известного из греческих алхимиков в Александрии, жившего около 300 г. н. э., описаны и приведены наброски перегонных аппаратов, частично заимствованные из более древних книг Марии Египтянки. Завоевав Египет в 641, арабы познакомились с остатками античной культуры, откуда наряду с другими традициями они переняли и алхимические навыки. Наиболее известными арабскими учеными были Ал-Рази, Ибн-Сина, Ибн-ал-хаитам. Произведения Джафар-ибн-Хаияна были широко известны в Европе. Однако вполне вероятно, что эти произведения были отредактированы в IX в. и прописаны знаменитому ученому древности, как это часто практиковалось в то время. В Европе алхимию распространили арабы из Испании. Среди средневековых авторов, писавших на латинском языке, наиболее известны Альберт Великий, Роджер Бэкон и Раймунд Луллий. Все они были в первую очередь религиозными писателями и лишь от случая к случаю занимались естественными науками и алхимией. Бэкон предвидел развитие науки и техники в будущем и ясно представлял себе огромные возможности экспериментального метода. Помимо работ этих писателей, в конце средних веков развивалась и практическая алхимия, результаты которой обычно не разглашались. Начиная с XV в. наиболее просвещенные ученые отошли от алхимии, но окончательно она исчезла в XIX в.

Теория Флогистона. Бойль наблюдал, что горение не может происходить в вакууме и что металлы становятся тяжелее, когда они превращаются в "извести" при прокаливании на воздухе. Спустя примерно сто лет аналогичные наблюдения привели Лавуазье к современной теории окисления и к реформе в химии. Тем более непонятным кажется тот большой успех, которым пользовалась теория флогистона, выдвинутая в 1700 г. Шталем. В то время все еще признавалось учение о четырех элементах древних и трех принципах алхимиков. Металлы и серу рассматривали как сложные вещества. Теория флогистона стремится объяснить горение. Согласно этой теории, во время горения металла выделяется таинственное вещество флогистон и от металла остается только зола, или окись металла. То же самое происходит при медленном горении, дыхании, гниении. При нагревании с углем металл восстанавливается, как это было давно известно из металлургической практики. Отсюда был сделан вывод, что уголь содержит много флогистона. Когда впоследствии водород был выделен в больших количествах и стали известны восстановительные свойства этого газа, его считали чистым флогистоном. Для объяснения, почему оксид металла тяжелее самого металла, из которого она образуется, было сделано предложение, что флогистон обладает отрицательным весом; при потере флогистона тело становится тяжелее. Теория флогистона была названа "творческой ошибкой"; это характерный пример длительного сохранения не критически воспринятых идей. Многочисленные сторонники этой теории сделали на протяжении XVIII в. важные открытия, особенно в области химии газов. Были впервые получены и выделены в чистом виде водород, азот, кислород, хлор и двуокись углерода. Наиболее выдающимися исследователями этой эпохи были Блэк, Кавендиш, Пристли, Шееле. Несмотря на то, что ученые были убежденными сторонниками теории флогистона, благодаря накопленному ими богатому экспериментальному материалу они способствовали окончательному отказу от этой теории.

Эпоха атомной теории. Явление горения было правильно объяснено Лавуазье, что стало основной современной химии. Большая часть данных, на которых Лавуазье основал свою новую концепцию, была известна и до него. Новое, что внес Лавуазье, - это теоретические воззрения. Он дал уже известным фактам совсем иное объяснение, отличавшееся от взглядов его предшественников. Используя в широком масштабе количественный метод, ему удалось подкрепить новую теорию экспериментальными и неопровержимыми логическими доказательствами. Нагревая в запаянной реторте ртуть с воздухом или сжигая фосфор под колоколом, Лавуазье наблюдал, что эти простые вещества соединяются лишь с частью воздуха, образуя соответствующие оксиды. Увеличение веса сгоревшего простого вещества соответствует весу, потерянному воздухом. Общий вес запаянной реторты, в которой протекала реакция, не изменяется. Оставшаяся несвязанная часть воздуха в описанных выше опытах не поддерживает ни горения свечи, ни дыхания. При дальнейшем нагревании образовавшейся окиси ртути выделяется газ, в котором горение происходит интенсивнее, чем в воздухе. Это доказывает, что в первом опыте ртуть соединилась именно с той частью воздуха, которая поддерживает горение и дыхание. Следовательно, воздух представляет собой смесь двух газов. При смешивании выделившегося из окиси ртути кислорода с оставшимся от окисления ртути азотом получается воздух с его первоначальными свойствами. При нагревании окиси ртути с углем выделяется газ, который тоже не поддерживает горение и дыхание, но который в отличие от азота приводит к помутнению известковой воды. Этот газ тождествен с тем, который образуется при сжигании угля или алмаза в закрытом сосуде, если их поджечь с помощью лупы, и выделяется при обливании мела серной кислотой. Таким образом, окись ртути отдает углероду кислород, первоначально поглощенный ртутью из воздуха. Новая концепция Лавуазье состоит в объяснении роли кислорода в реакциях окисления, в практическом применении понятия "элемент", в количественном определении массы реагирующих веществ и в отказе от туманных представлений, подобных теории флогистона. Благодаря работам Лавуазье стали возможны открытие законов химических соединений, возрождение атомной теории на количественной основе и создание понятия "молекула", осуществленные в быстрой последовательности на протяжении 20 лет после смерти Лавуазье. В XIX в. на этой прочной теоретической основе было построено величественное здание современной химии, в течение одного столетия получены результаты несравненно более значительные, чем за все предыдущие двадцать столетий. В последние годы XIX в. был открыт ряд новых явлений, которые коренным образом изменили существовавшие взгляды на материю и потребовали важного пересмотра понятий "элемент" и "атом". Речь идет об открытии электрона, радиоактивности, радия и теории квантов. С этих открытий началась новая эра, когда наука стала заниматься строением атомов, кульминационным моментом чего явились освобождения содержащихся в них энергии и получение новых элементов.

Заключение

К середине 30-х годов XX века химическая теория приобретает вполне современный вид. Хотя основные концепции химии в дальнейшем стремительно развивались, принципиальных изменений в теории больше не происходило. Установление делимости атома, квантовой природы излучения, создание теории относительности и квантовой механики представляли собой революционный переворот в понимании окружающих человека физических явлений. Этот переворот коснулся прежде всего микро- и мегамира, что к химии в классическом смысле, казалось бы, не имеет прямого отношения. Однако в этом и заключается одна из особенностей химии XX века: для понимания причин, которыми обусловлены фундаментальные химические законы, потребовалось выйти за пределы предмета химии. Ныне теоретическая химия в значительной степени представляет собой физику, "адаптированную" для решения.

Список литературы

1. Соловьев Ю.И. История химии. Развитие химии с древнейших времён до конца XIX века.

2. Фигуровский Н.А. Очерк общей истории химии. От древнейших времен до начала XIX века.

3. Алексей Савельев. Основные понятия и законы химии.

Размещено на Allbest.ru