История становления химии как науки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основные понятия химии

1. Объект исследований химической науки

Математики давно определили объект своих устремлений -- число. Физики нашли начало своей науки в приложении законов математики к телу и его движению в пространстве. Химикам же долгое время не удавалось определить объект, на котором следует сконцентрировать усилия и изучение которого привело бы к решающему успеху. Таким объектом является атом и построенная из атомов молекула. Однако в реальности этих частиц естествоиспытатели убедились лишь в восемнадцатом столетии, хотя предположения об их существовании выдвигали еще древние мыслители. Несмотря на многотысячелетнюю историю, только в последние два столетия химия превратилась из собрания фактов и экспериментальных данных в науку, вооруженную стройными концепциями и теориями опирающимися на достижения физики и математики, использующую совершенные приборы и мощный вычислительный аппарат. Логика развития естествознания такова, что одна его область при своем росте обязательно опирается на достижения другой. Математика дала толчок развитию физики. За физикой настала очередь химии, которая, в достаточной мере используя физико-математические представления, сама немало способствует их развитию. Вспомним хотя бы следствия открытия радиоактивных элементов и последовавший за этим пересмотр физических представлений об окружающем мире. Надо полагать, что ближайшие десятилетия станут эпохой бурного развития биологии и медицины, залогом успеха которых является исключительный расцвет молекуляной биологии -- синтеза биологии, химии, физики и математики.

Первый шаг на пути превращения химии в науку совершился лишь тогда, когда утвердилась математика и с ее помощью физиками были основательно изучены газы (Бойль, Мариотт, Кавендиш, Пристли, Авогадро, Канниццаро), а в недрах «великой матери» (выражение Парацельса) - медицины развилась и окрепла ятрохимия (иатрохимия). С современной точки зрения ятрохимию можно считать прикладной химией, которая, однако, изучала не только лекарства и снадобья, но и положила начало промышленной химии: выделению и очистке веществ, производству стекла, фарфора, металлургии н т. п. Объединение результатов исследования газов с огромным опытом алхимиков и ятрохимиков явилось важнейшим моментом становления химии как ветви естествознания, независимой от других естественных наук.

Поворотным пунктом явились экспериментальные и теоретические работы Роберта Бойля, он первым ввел понятие «химический анализ» и разработал аналитические методы, основанные на химических. реакциях изучаемого вещества. Однако для построения количественной научной теории этого оказалось недостаточно, так как отсутствовало понятие атомной массы. Все же Бойль создал «корпускулярную философию», основы которой сформулировал в работе «Возникновение форм и качеств, согласно корпускулярной философии» (1666). В ней излагались мысли «о корпускулах или мелких частицах тел». Элементы и «корпускулы» возрождали атомистическую теорию греческих философов, но уже на экспериментальной основе.

Результаты работ Бойля -- первые шаги к поиску того самого решающего звена цепочки, которое помогло обнаружить всю стройную цепь, где увязывается теория с практикой. После его исследований становилось все более ясным, что для превращения химии из ремесла в науку, способную не только описывать факты, но и предвидеть, необходимо сосредоточить усилия на изучении «корпускул» вещества. Так химики лишь к концу XVII в. определили объект своей науки -- корпускулу-молекулу.

Работы М. В. Ломоносова в области химии и открытие и (1748) первого количественного закона новой научной химии-закона сохранения массы вещества послужили новым этапом развития химии: «Все перемены, в натуре случающиеся, такого cyть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупиться к другому. Так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте».

Антуан Лоран Лавуазье в 1789 г. в своей книге «Начальный кур химии» дал первое научное определение понятия элемента и связал с названием «элементы» или «начала тел» представление о последнем пределе, достигаемом анализом; «...но не потому, что мы могли бы утверждать, что эти тела, рассматриваемые нами как простые, не состоят из двух или большего числа начал, но так как эти начала никак друг от друга не отделяются... и мы не должны считать их сложными до тех пор, пока опыт или наблюдения не докажут нам этого». Только после того как в химии утвердилось понятие атомов, началось ее развитие как науки. По сравнению другими разделами естествознания, химия одна из самых молодых наук, насчитывающая чуть более ста лет.

2. Достижения прикладной химии XVIII в.

прикладной химия атом аналитический

Химики этого времени получали все более ценные и точные сведения о свойствах и образовании разнообразных веществ: минеральных кислот и оснований многочисленных солей и соединений, металлов и особенно тех, что были открыт в это время (висмут, марганец, кобальт и никель). Был обнаружен (1772) сложный состав воздуха, открыт глицерин (1779), значительно расширена группа органических кислот. Лавуазье показал, что составными частями спирта и других продуктов брожения являются углерод, водород и кислород. В 1784 г. Торберн Улар Бергман (Швеция) утвердил среди химиков идею о принципиальном отличии органических и неорганических веществ.

Быстро расширялись сведения об органических соединениях, однако, не хватало теории, которая могла бы объяснить их природу. Это привело к тому, 41 долгое время господствовали самые противоречивые и фантастические представления. Так, например, считалось, что вещества растительного и животного происхождения образуются благодаря таинственной «жизненной силе» (vis vitalis), которая, являясь нематериальной, всегда ускользает при химических исследованиях. И лишь в 1824 г. был нанесен первый ощутимый удар по этой концепции Ф. Велер нагреванием цианата аммония (неорганическое соединение) получил кристаллическое вещество, которое он спустя четыре года признал тождественны с мочевиной -- продуктом жизнедеятельности организма. Однако окончательный отказ от представления о «жизненной силе» стал возможен лишь в середине XIX в. после работ М. Бертло и А. М. Бутлерова и особенно когда Э. Бюхнер доказал, что экстрагированные из дрожжей ферменты (биокатализатор) переваривают крахмал так же хорошо, как и сами дрожжевые клетки.

Открытия выдающихся химиков XVIII в. способствовали развитию врачебной фармацевтической химии, так как многие из ученых-химиков были также фармацевтами (Шееле, Жоффруа и др.). Например, Глазером был найден простой и дешевый способ получения известного с XIV в. сульфата калия (купоросная селитра, купоросный винный камень). Эту соль (sol polychrestum) стали получать нагреванием нитрата калия с серой. Было налажено широкое производство «эпсомской соли» (впервые выделена из эпсомской воды в 1695 г.), которая стала более известна под названием английской или горькой соли.

Белая магнезия -- карбонат аммония и основной карбонат магния -- широко применялись и приготовлялись очень простыми методами. Была открыта одна из первых фотохимических реакций. Знаменитые бестужевские капли (tinctura tonica--nervina Bestuschewi), получившие повсеместное распространение, на свету обесцвечивались: хлорид железа (III) (водный раствор которого в смеси спирта с эфиром и составляет эти капли) под действием света восстанавливается до хлорида железа (II). Французским хирургом Тома Гуляром были введены в практику свинцовые примочки -- vegeto-mineralis -- растительно-минеральная вода для примочек: раствор основного ацетата свинца (РbОНСН₃СОО) с добавкой винного спирта. Стали появляться и книги, популяризующие фармацевтическое искусство: «Фармацевтический словарь» (1728) В. Капеллы, «Элементы теоретической и практической фармации» (1762) Боме, «Учебник аптекарского искусства» (1778) Хагена. Эти и ряд других книг по значению не уступали научным трактатам других естественных дисциплин.

3. Относительные массы атомов. Химические эквиваленты

Понятие относительных масс в химию ввел Джон Дальтон (1766--1844). Он в начале XIX в. впервые в истории химии попытался составить формулы веществ, показал важность определения относительных масс частиц, составляющих простые и сложные вещества. Атомы, составляющие данный элемент, одинаковы, утверждал Дальтон, но атомы разных элементов отличаются наряду с другими индивидуальными свойствами еще и массой. Простые вещества состоят из неделимых, а сложные - из «сложных атомов», способных распадаться при реакциях на простые конечные частицы. Масса «атома» сложного вещества равна сумме масс атомов простых веществ, из которых он состоит. В качестве сравнительного эталона--единицы массы--Дальтон предложил принять массу атома самого легкого газа -- водорода. Идея об относительных массах оказалась на редкость жизнеспособной. Ею и сейчас руководствуются химики и физики. Правда, изменилась единица измерения -- эталоном является 1/12 часть атома изотопа углерода ¹²С-- углеродная единица (у. е).

Благодаря работам Дальтона вопрос о массе атомов из области философских рассуждений переместился в область эксперимента. Разложением веществ на составные части и последующим взвешиванием определяли, сколько весовых частей данного простого вещества приходится на 1 массовую часть водорода, т. е. на 1 атом в соединении. Полученные числа представляли относительные массы атомов элементов, способных образовывать соединения с водородом. Если элемент непосредственно с водородом не реагировал, то относительную массу его определяли по его взаимодействию с элементом (например, с кислородом), о котором известно, в какой пропорции он соединяется с водородом.

Однако оказалось, что одни и те же элементы (например, углерод и кислород, углерод и водород и т. д) могут образовывать между собой несколько соединений. Для атомной массы такого элемента получалось несколько значении, и не ясно было, какое из них надо брать в качестве истинного. Даже когда путем анализа удавалось определить число массовых частой элемента, приходящихся в соединении на 1 мас.ч. водорода, все же невозможно было определить формулу соединения, так как неизвестно, сколько атомов составляют данное число массовый частей. Например, если установлено, что в воде на 1 мас.ч. водорода приходится 8 мас. ч. кислорода, формула воды при таком соотношении может быть различной. Если атомная масса кислорода 4, то в одну молекулу воды входят два его атома -- НО₂. Если атомная масса 8, то один атом -- НО. Если атом кислорода в 16 раз тяжелее атома водорода, то формула воды Н₂О. Для правильного выбора одной из этих формул никакого критерия нет.

Гипотеза Дальтона привела лишь к определению относительных атомных масс по водороду. Позже атомные массы по Дальтону стали называть эквивалентами Э. Чтобы определить атомную массу А в у. е., надо эквивалент Э умножить на небольшое целое число п, которое стали именовать термином -- «валентность».

А = Эn.

Так, благодаря относительным массам, введенным Дальтоном, появилось в химии первое понятие валентности. Химическим эквивалентом называется число массовых частей вещества или элемента, соединяющееся или заменяющее в реакциях 1,008 мас.ч. водорода или 8 мас.ч. кислорода. Понятие эквивалента позволило сформулировать закон эквивалентов. Окончательную формулировку этого закона после ряда исследований дал И. В. Рихтер. Элементы и вещества соединяются друг с другом в количествах прямо пропорциональных их химическим эквивалентам

m₁ / m₂ = Э₁ / Э₂,

где m₁ и m₂-- массы; Э₁ и Э₂-- эквиваленты соединяющихся веществ.

Пример 1. По процентному составу оксида свинца; 92,83% свинца и 7,17% кислорода (Эо₂ = 8) найти эквивалент свинца.

Решение.

Э_Pb = Э_Pb =

Для практических задач удобнее пользоваться грамм-эквивалентом: количество граммов вещества, численно равное химическому эквиваленту. Знание эквивалента необходимо при расчете концентраций в растворах и при вычислениях, связанных с химическими реакциями

Э_ЭЛ = ; Э_кисл = ; Э_осн = ;

Э_соль = Э_оксид =

где n_ЭЛ - степень окисления элемента; n_H число атомов водорода и n_он - количество гидроксильных групп в соединении; n_ме - суммарная степень окисления металла в соединении; Э_эл, Э_кисл, Э_осн, Э_соль и Э_оксид - эквиваленты соответственно элемента, кислоты, основания, соли и оксида.

Пример 2. Определить эквиваленты серной кислоты и серы в ней, гидроксида кальция, сульфата алюминия.

Решение.

Э= 98/2 = 49 мас.ч.; Э + 6 = 32/6 = 5,3 мас.ч.

Э= 74/2 = 37 мас.ч.; Э= 342/6 = 57 мас.ч.

При любом химическом взаимодействии 1 экв одного вещества всегда реагирует с 1 экв другого. Это справедливо и для общего эквивалента раствора или смеси веществ.

Литература

Аналитическая химия. Физические и физико-химические методы анализа./ Под ред. О.М. Петрухина. - М., 2005

Артеменко А.И. Органическая химия.- М., 2006

Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия.- М., 2003

Биологическая химия./Под ред. Ю.Б. Филипповича, Н.И. Ковалевская, Г.А. Севастьяновой. - М., 2005

Биохимия./Под редакцией В.Г. Щербакова. - СПб., 2003

Вольхин В.В. Общая химия. Избранные главы. - СПб, М, Краснодар., 2008

Вольхин В.В. Общая химия. Основной курс. - СПб, М, Краснодар., 2008

Гельфман М.И., Юстратов В.П. Химия. - СПб, М, Краснодар., 2008

Глинка Н.Л. Общая химия. - М., 2005

Говарикер В.Р., Васванатхан Н.В., Шридхар Дж.М. Полимеры. - М., 2000

Гранберг И.И. Органическая химия. - М., 2002

Дорохова Е.Н., Прохорова К.В. Аналитическая химия. Физико-химические методы. - М., 2004

Евстратова К.И., Купина Н.А., Малахова Е.Е. Физическая и коллоидная химия. - М., 1990

Зимон А.Д., Лещенко Н.Ф. Коллоидная химия.- М., 2003

Зимон А.Д. Физическая химия.- М., 2003

Ипполитов Е.Г., Артемов А.В., Батраков В.В. Физическая химия.- М., 2005

Размещено на Allbest.ru