Развитие учения о составе вещества

Лекция 5. Химические концепции постижения природы

Химия – наука, изучающая свойства веществ и процессы их пре­вращения, сопровождающиеся изменением их состава и строения. Это система знаний о химических элементах и их соединениях, энергетики химических процессов, реакционной способности веществ, катализаторах и др. Современная химия занимается получе­нием веществ с заданными свойствами (производственная задача) и выявлением способов управления свойствами веществ (научная задача). Свойства веществ зависят от элементарного и молекуляр­ного состава, структуры молекулы, термодинамических и кинети­ческих условий процесса химической реакции, уровня химической организации вещества.

Концептуальные этапы получения знаний по химии можно представить следующим образом: XVII в. – учение о составе вещества; се­редина XIX в. – учение о структуре вещества; конец XIX в. – учение о химических процессах; середина XX в. – учение о химической эволюции. Химической системой является молекула, атом, ее элемент.

Развитие учения о составе вещества. Демокрит и Эпикур считали, что все тела состоят из атомов различной величины и формы, чем и объясняли различие тел. Аристотель и Эмпедокл объясняли видимое разнообразие тел природы сочетанием в телах различных стихий: тепла и холода, сухости и влажности. Переход одних веществ в другие связывался ими с появлением новых специфических свойств и «форм». В эпоху эллинизма возникло учение о «трансмутации» (превращении), согласно которому, изменяя сочетание элементов, можно получать ве­щество с иными свойствами. Так, алхимики пытались получить золото из более распространенных металлов – ртути, свинца и др. Главной целью алхимии были поиски «философского камня» для превращения неблагородных металлов в благородные, получение эликсира долголе­тия, универсального растворителя и др.

Парацельс в отличие от алхимиков подчеркивал вещественный характер трех начал: «серы» – начала горючести, «ртути» – начала летучести, «соли» – начала огнепостоянства. Он ставил цель исследо­вать свойства веществ и найти новые соединения с более полезными свойствами, чтобы помогать человеку от болезней. Парацельс успешно применял эти препараты ртути при лечении сифилиса. Вскоре медицинскую химию стали преподавать на медицинских факультетах университетов.

Из истории науки известны четыре способа решения основной проблемы химии.

Первый уровень научных химических знаний, продолжавшийся с работ Р. Бойля (1660-е гг.) до 1820–1830-х гг.: свойства вещества опре­деляются его составом. Различают химический элемент и химическое соединение: дальтониды – химическое вещество молекулярного строения и бертоллиды – соединения немолекулярного строения. При вовлечении новых химических элементов в производство материалов происходит синтез новых элементоорганических соединений, например фторорганических, обладающих исключительной устойчивостью.

Второй уровень развития химических знаний (середина XIX в.): свойства вещества и их качественное разнообразие обусловливаются составом и структурой молекул. Возникает структурная химия благо­даря работам Д. Дальтона, И. Я. Берцелиуса, Ш. Жерара, А. Кекуле, A. M. Бутлерова. Основоположником системного подхода в химии стал Д.И. Менделеев, который в 1869 г. открыл периодический закон и раз­работал Периодическую систему химических элементов.

Третий уровень химических знаний (середина XX в.): учение о химических процессах и механизмах изменения вещества. Было выяснено, что свойства вещества зависят от термодинамических и кинетических условий, в которых вещество находится в процессе химической реакции. Возникает учение о химических процессах, осуществляется глубокое взаимопроникновение физики, химии и биологии. Начина­ет развиваться химическое производство синтетических материалов. Доказана принципиальная обратимость всех химических реакций, открыты законы Я. Вант-Гоффа и А. Ле Шателье, зависимость хода химических процессов от структурно-кинетических факторов: строения исходных реагентов, концентрации, наличия катализаторов и др.

Четвертый уровень химических знаний (с 1970-х гг.): свойства ве­щества зависят от высоты химической организации вещества. Проис­ходит биологизация химии – возникает эволюционная химия. Основа лаборатории живого организма – биокатализ. Подражание живой природе – химия будущего. Создание катализаторов ведется по принципу ферментов. Изучение брожения – один из первых опытов изучения химии живой природы. Намечаются пути освоения каталитического опыта живой природы: ведутся исследования в области металлокомплексного катализа, моделирования биокатализаторов, изучаются иммобилизованные системы, применение принципов биокатализа в химической технологии.

Научное изучение химических явлений начинается еще в 1600 г. с работ Р. Бойля. Он создает теорию, по которой окружающий нас мир построен из мельчайших частичек – корпускул, различных по разме­рам, форме и массе. Они, объединяясь и разъединяясь, образуют каче­ственно различные тела – «структурные формы вещества», среди этих тел вода, земля, железо, ртуть. При получении химических элементов как «простых тел» пользовались универсальным по тому времени ме­тодом разложения «сложных тел» – прокаливанием.

Изучение процессов горения привело к появлению первой (хотя она и оказалась ложной) научной теории в химии – теории флогистона Г. Шталя. Наблюдая за процессом плавки металлов, он заметил, что часть металла теряется в виде окалины («извести», как тогда называли), но при соприкосновении с древесным углем вновь пре­вращается в олово. Шталь сделал вывод о том, что уголь участвует в реакции, и предположил, что в нем содержится вещество, которое превращает «известь» в металл. Позже это вещество было названо флогистоном. При всех огромных недостатках теории флогистона (путаница в понятии простого и сложного вещества) впервые были разработаны научные представления о реакциях окисления и восста­новления.

Основатель научной химии М. В. Ломоносов в 1756 г. сформулировал один из основополагающих, действующих и по сей день законов естествознания, – закон сохранения массы материи: масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, образовавшихся в ре­зультате реакции. Иначе говоря: «Все перемены, в натуре случающие­ся, такого суть состояния, что сколько чего от одного тела отнимет­ся, столько присовокупится к другому; так, если где убудет несколько материи, то умножится в другом месте. Сей всеобщий закон прости­рается и в самые правила движения, ибо тело, движущее своей силой другое тело, столько же оныя у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».

Гипотеза флогистона была опровергнута А. Лавуазье после открытия кислорода и установления его роли в процессах горения и окисления. Так, явление обжига металлов и горение стали рассматривать как процессы соединения элемента с кислородом, а не как процесс разложения «сложного вещества» на элемент и флогистон. Это была настоящая революция в химии. Лавуазье впервые разделил вещества на простые (химические элементы) и химические соединения.

В 1869 г. Д. И. Менделеев систематизировал известные тогда 62 элемента на основании их атомного веса и представил их в виде таблицы, которая получила название «Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева». Периодический закон, сформулированный Менделеевым, гласит: «Свойства простых тел, а также формы и свойства соединения элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов». Современная формулировка периодического закона звучит так: свойства химических элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от величины положительного заряда ядра их атомов.

В таблице Менделеева выявлена периодичность изменения свойств элементов с увеличением их сложности в каждом новом периоде. Систематизация элементов, выполненная Менделеевым, оказала основополагающее влияние на дальнейшее развитие химических ис­следований. На основании выявленных общностей он предсказал су­ществование неизвестных элементов, оставив для них вакантные места в периодической таблице. Впоследствии эти элементы были открыты, и их свойства оказались такими, какие предсказал Менделеев.

Изотопы – атомы с одинаковым зарядом ядра (и соответственно химическими свойствами), но разным числом нейтронов. Химический элемент – вид атомов с одинаковым зарядом ядра, т.е. это совокуп­ность изотопов.

С начала ХIХ в. активно обсуждался вопрос о том, что относится к химическим соединениям, а что – к смесям.

Закон постоянства состава сформулировал Ж. Пруст: любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным неизменным составом, «прочным притяжением составных частей» (атомов) и тем отличается от смесей.

С позиций атомно-молекулярного учения данный закон был обо­снован химиком Д. Дальтоном. Он доказал, что все простые и сложные индивидуальные вещества состоят из мельчайших частиц – молекул, которые в свою очередь образованы из атомов химических элементов. Так, молекулы простых веществ – водорода (Н₂), кислорода (О₂), озона (О₃) – образованы из атомов одного элемента. Молекулы сложных веществ образованы из разных атомов.

Химик К. Бертолле утверждал возможность существования индивидуальных химических соединений переменного состава с непрерывным изменением. Так, интерметаллические соединения, состоящие из двух металлов: цинк – сурьма, магний – серебро и др., образуют соединения как с постоянным, так и с переменным составом. Н. С. Курнаков первые из них назвал дальтонидами в честь Д. Дальтона, а вто­рые – бертоллидами в честь К. Бертолле.

Молекула – наименьшая частица вещества, обладающая его хими­ческими свойствами и состоящая из одинаковых или разных атомов. В состав молекул входят атомы. Большинство неорганических веществ не имеют молекулярного строения. Атом – наименьшая частица хи­мического элемента, носитель его свойств. Химическое соединение – определенное вещество, состоящее из одного или нескольких хими­ческих элементов, атомы которых химической связью объединены в частицы – молекулы, комплексы, монокристаллы

Дата добавления: 2014-01-03