История развития химии

Прежде, чем достигнуть современного состояния, химия прошла сложный, многовековой путь развития. С течением времени круг известных химикам веществ, методов их получения и исследования постепенно расширялся. Одновременно расширялись и совершенствовались теоретические представления о составе и строении веществ, о химических явлениях и процессах.

Процесс накопления естественнонаучных знаний начался в глубокой древности. В доисторические времена люди познакомились с поваренной солью, научились использовать природные красители, содержащиеся в растениях для окрашивания одежды, сбраживать сладкий сок плодов растений, получая алкоголь и укскс, стали использовать фармакологические свойства веществ, содержащихся в живой природе. Овладение огнём произошло приблизительно 100 тысяч лет назад, и для человека каменного века костёр стал своеобразной химической лабораторией. Именно благодаря обретению человеком огня стала возможной термообработка пищи, изготовление керамики и обжигового кирпича. Около 4000 лет до н.э. люди научились выплавлять из руды медь и олово. И лишь тысячелетие спустя люди получили бронзу – сплав меди и олова, который благодаря гораздо большей твёрдости позволил людям создать многие орудия труда. Спустя ещё 1500 лет люди научились выплавлять железо – более твёрдый металл. Для этого потребовалось осуществить сложный окислительно-восстановительный процесс с участием железной руды, древесного угля и кислорода воздуха.

По мере того, как люди развивались, они использовали всё больше и больше химических процессов в своих нуждах. Все вышеописанные процессы имеют в своей основе различные химические реакции.

Лишь в XVIII веке химические превращения стали предметом детального научного исследования.

Современная классификация химических реакций.

Химические реакции, или химические превращения, - это процессы, в результате которых из одних веществ образуются другие, отличающиеся от них по составу и (или) строению.

При химических реакциях обязательно происходит изменение веществ, при котором рвутся старые и образуются новые связи между атомами.

Существует несколько принципов классификации химических реакций.

По числу исходных веществ и продуктов реакции современная химия делит все химические превращения на реакции присоединения, разложения и обмена (включаяразличные внутримолекулярныеперегруппировки). В ходе химических реакций может выделяться или поглощаться тепловая энергия. Химические превращения, при протекании которых выделяется теплота, называются экзотермическими, те же реакции, при которых теплота поглощается – эндотермическими. Если исходные вещества и продукты химических превращений находятся в одной фазе, то такие реакции называются гомогенными. Например:

HCl (ж) + KOH (ж) = H₂O(ж) + KCl (ж)

В том случае, ежели несколько веществ, участвующих в химическом превращении, находятся в разных фазах, то такие реакции называются гетерогенными.

С(тв) + О₂(г) = СО₂(г) + Q

Fe(т) + S(т) = FeSт() + Q

BaCl₂(водн) + H₂SO₄(водн) = BaSO₄(тв) + 2HCl(водн)

NaHCO₃(водн) + HNO₃(водн) = NaNO₃(водн) + H₂O(ж) + CO₂(г)

FeS(т) + HCl(водн) = FeCl₂(водн) + H₂S(г)

Химические процессы бывают необратимыми (пять вышеприведённых) и обратимыми (примеры ниже). Гомогенные реакции, чаще всего, обратимы.

Н₂(г) + Br₂(г) = 2HBr(г) + Q 2HBr(г) = Н₂(г)+ Br₂(г) – Q

3H₂(г) + N₂(г) = 2NH₃(г) + Q 2NH₃(г) = 3H₂(г) + N₂(г) – Q

MgCO₃(т) = MgO(т) + CO₂(г) –Q MgO(т) + CO₂(г) = MgCO₃(т) –Q

Упомянём о том, что в соответствии с законом сохранения энергии (он будет рассмотрен далее), тепловой эффект прямой реакции равен тепловому эффекту обратной, взятому с противоположным знаком.

Огромную роль в строительстве и колоссальное значение в развитии всей человеческой цивилизации играют следующие реакции:

СаCO₃(т) = СаO(т) + CO₂(г) –Q (реакция разложения)

Издревле для получения строительного раствора вначале брали известняк и подвергали его обжигу, получая окись кальция – негашёную известь, которая при растворении в воде, гашении, даёт гидроксид кальция, гашёную известь, на основе которой готовился строительный раствор, который затвердевал на воздухе:

Са (ОН)₂ +СО₂ = СаСО₃ + Н₂О + Q (реакция замещения)

Но при длительной транспортировке негашёная известь портилась и становилась негодной для строительства несущих конструкций здания. превращаясь в мел:

СаO(т) + CO₂(г) = СаCO₃(т) –Q (реакция присоединения)

Приведём некоторые примеры реакций присоединения:

Fe(т) + S(т) = FeS(т) + Q

2H₂(г) + О₂(г) = 2H₂О(г) + Q

Н₂(г) + Br₂(г) = 2HBr(г) + Q

4Fe(т) +3O₂ (г) = 2 Fe₂O₃(т) + Q

Рассмотрим особенности химического превращения на примере первой реакции. Каждое из исходных веществ, участвующих в химическом превращении, обладает некоторым набором определённых свойств: например, железо притягивается магнитом, имеет металлический блеск, пластично и поддаётся ковке, имеет определённую температуру плавления, удельный вес и т.д. Сера также имеет свои свойства: она светло–жёлтая, не притягивается магнитом, хрупкая, легко крошится, имеет определённую плотность и температуру плавления. Сера легко растворяется в сероуглероде, CS₂, одном из распространённых органических растворителей. Если мы просто тщательно смешаем молотую серу и железные опилки, то, зная свойства этих веществ легко сможем их разделить: например, используя магнит для извлечения железных опилок, или растворив серу в сероуглероде, и выпарив раствор, отделённый от опилок.

Для того, чтобы началась химическая реакция, следует слегка нагреть реакционный сосуд – пробирку. Далее мы наблюдаем бурное течение реакции со вспучиванием реакционной смеси и выделением большого количества тепла. В итоге получается новое химическое вещество – сульфид железа. Он обладает принципиально иными свойствами, отличными от свойств исходных веществ, участвовавших в реакции: у него другой удельный вес, оно не магнитится и не растворяется в сероуглероде, Более того, из него невозможно извлечь серу или железо таким образом, как это делается в случае механической смеси. В рассмотренном нами случае из двух простых веществ (то есть таких веществ, которые состоят из атомов только одного типа) образовалось одно сложное (такое, в составе которого присутствуют атомы нескольких типов).

Издавна люди наблюдали множество реакций присоединения, среди которых особую роль играют реакции присоединения кислорода к другим элементам – реакции окисления. Например:

С + О₂ = СО₂ + Q

- экзотермическая реакция используемая не только в металлургии, но и в процессе приготовления пищи с давних пор. Как только люди начали получать металлы, они обратили внимание на то, что они окисляются:

2Pb + O₂ = 2 PbO

2Sn + O₂ = 2 SnO

В ходе реакций разложения из одного вещества получается несколько, например,

CuSO₃(т) = CuO(т) + SO₂(г) – Q

CaCO₃(т) = CaO(т) + CO₂(г) – Q

HgO(т) = Hg (т) + ½ O₂(г) – Q (реакция Байана)

Заметим, что в последних примерах мы имеем дело с эндотермическими реакциями, и, чтобы реакция не прекратилась, необходимо всё время нагревать реакционную смесь. Большинство реакций разложения – эндотермические, но есть и исключения, например:

2NO(г) = N₂(г) + NO₂(г) + Q

H₂O₂(ж) = H₂O(ж) + ½ O₂(г) +Q

(NH₄)₂Cr₂O₇(кр) = Cr₂O₃(тв) + N₂(г) + 4H₂O(г) + Q

Приведённые три примера – реакции окисления-восстановления, то есть процессы, в ходе которых изменяется степень окисления атомов, входящих в химические соединения. Им будет посвящена целая лекция.

Рассмотрим реакции замещения и обмена. Это – реакции, в результате которых в сложном веществе один или несколько его элементов замещается другим элементом или элементами. Примером такой реакции может служить взаимодействие медного купороса с металлическим железом:

2Fe + 3CuSO₄ = Fe₂(SO₄)₃ + 3Cu

Эта реакция Вы хорошо знаете из школьного курса химии. Вот ещё одна известная Вам реакция – вытеснение цинком водорода из соляной кислоты.

Zn + HCl = ZnCl₂ + H₂

Реакция нейтрализации кислоты щёлочью:

СН₃СООН + NaОН = CH₃COONa + Н₂О

Реакция в газовой фазе:

NO₂ + SO₂ = NO + SO₃

ве последние реакциии замещения – гомогенные. Приведём пример гетерогенной реакции замещения:

CuO(т) + H₂(г) = Cu(т) + H₂O(г) – Q

NiO(т) + H₂(г) = Ni(т) + H₂O(г) – Q

Данная реакция используется в лабораторной практике для восстановления металлов из их оксидов.

Частным случаем реакций замещения являются реакции обмена — реакции, при которых два сложных вещества обмениваются своими составными частями.

в растворах электролитов протекают реакции ионного обмена. Их обратимость определяют по правилу Бертолле: реакция ионного обмена необратима, если её продуктом является осадок, газ или малодиссоциированное вещество (например, Н₂О).

1. Реакция нейтрализации, идущая с образованием соли и воды:

NaOH + HNО₃ = NaNО₃ + H₂О

или в ионном виде:

ОН^- + Н⁺ = Н₂О

2. Реакция между щёлочью и солью, идущая с образованием газа:

2NH₄C1 + Са(ОН)₂ = СаС1₂ + 2NH₃↑ + 2Н₂0

или в ионном виде:

NH⁺ + ОН^- = NH₃↑ + Н₂О

3.Реакция между щёлочью и солью, идущая с образованием осадка:

CuSО₄ + 2KOH = Cu(OH)₂↓ + K₂SО₄

или в ионном виде:

Cu²⁺ + 2ОH^- = Cu(OH)₂↓

Отдельно следует упомянуть и о таком типе химических процессов, как внутримолекулярные перегруппировки атомов, изомеризация органических соединений и переход твёрдых тел из одной аллотропной модификации в другую:

3О₂ (кислород) = 2О₃ (озон)

С(графит) = С(алмаз) – Q

С(графит) = С₆₀ +С₇₀ +С₈₄ – Q (в электрическом разряде)

– процесс синтеза фуллеренов

Р (белый) = Р (красный)

Sn (белое олово) = Sn (серое олово)

С(графит) = С(алмаз) – Q

Н₃С-СН₂-СН₂-СН₂- СН₂-СН₂- СН₂-СН₃ → Н₃С-СН₂-СН₂-СН₂- СН-СН₃

|

СН₃

н-октан изооктан

Имеются и другие различия между реакциями, к которым мы обратимся в ходе нашего курса.

-

Вернёмся к истории химии…

Наиболее полное и яркое выражение учения о веществах и началах, их составляющих, получили у философов Древней Греции. Так, Фалес из Милета учил, что первоначалом всего существующего является вода. Анаксимен высказал идею, что началом служит воздух. Гераклит из Эфеса принимал в качестве первоначала вещей огонь.

В древности и в средние века большое значение приобрело учение Аристотеля. Он признавал четыре стихии (огонь, воздух, земля, вода), полагая, что кроме них, существует пятый всеобщий принцип – сущность. Теория Аристотеля прожил около 2000 лет. В том же V в до н.э. Демокрит говорит об атомах. Однако никакого экспериментального подтверждения своих взглядов философы античности даже не попытались предложить. Однако, все эти годы накапливались практические знания в области металлургии, сельского хозяйства, ремёсел, которые, в свою очередь, содержали в себе некоторую информацию о веществах. важную роль в истории науки сыграла алхимия. Естественно, она не могла достичь тех целей, которые перед собою ставила, то есть, получить «философский камень», превращающий все металлы в золото. Но этот период истории человечества не был потрачен зря. В безуспешных попытках найти эликсир жизни или философский камень, алхимики, разработали методы синтеза и выделения из природного сырья многих веществ, создали аналитические методики. Чтобы осознать меру знаний алхимиков древности, приведём пример. Алхимики «умели получать» из свинца серебро. На самом деле, следовые количества серебра действительно содержатся в свинцовых рудах ряда месторождений. Таким образом, алхимия шаг за шагом, по крупицам накапливала знания, которые затем учёные Средневековья, Агрикола, Либавий, Парацельс, систематизировали в своих монографиях.

В середине и, особенно, во второй половине XVIII в. в химии начался процесс быстрого накопления экспериментального материала о составе сложных веществ. К 1630 г. относится первое письменное упоминание о применении взвешивания при исследовании химических превращений; это сделал французский химик и аптекарь Жан Рей. Он был первым, кто взвесил оксиды металлов, и обнаружил, что они весят больше, чем исходные металлы. Наблюдая окисление металлов, и изменение массы, он сделал вывод, что прибавочный элемент происходит их воздуха, но истинной причины явления он так и не понял, предположив, что окислы металлов, "земли", как тогда говорили, есть механическая смесь металла с воздухом, нечто вроде пены. Другие исследователи, Гук (1635-1703) и Мэйо (1645-1679) в Англии предположили, что некоторая материя из воздуха соединилась с металлом. Примерно в это же время аналогичный опыт провёл и английский физик. Р. Бойль. Однако прошло ещё целое столетие, пока в 1747г М.В. Ломоносов не открыл закон сохранения массы. Позднее его подтвердил французский естествоиспытатель А.Л. Лавуазье.

М.В. Ломоносов повторил опыт Бойля, состоявший в нагревании металла в герметически закрытом сосуде. Бойль, проводя подобный эксперимент, совершил принципиальную ошибку и поэтому пришёл к неверным выводам. Он помещал кусок свинца в стеклянную реторту, запаивал её, взвешивал и затем нагревал. Но перед тем, как произвести вторичное взвешивание, Бойль открывал реторту, и внутрь её входил воздух, кислород которого вступал в соединение со свинцом (кислорода находящегося в запаянной реторте не хватало для полного окисления свинца). Поэтому вес реторты после опыта получался у Бойля больше веса реторты до опыта. На основании этого Бойль сделал вывод, что «корпускулы огня» проникают через стенки колбы во время опыта.

Опыт Ломоносова отличался от опыта Бойля тем, что вторичное взвешивание (после опыта) производилось без предварительного раскрытия сосуда. Таким путем Ломоносов установил, что вес колбы в результате опыта остается неизменным. Это был очень важный вывод. Сам Ломоносов писал об этом так: «...деланы опыты в заплавленных накрепко стеклянных сосудах, чтобы исследовать, прибывает ли вес металлов от чистого жару; оными опытами нашлось, что славного Роберта Бойля мнение ложно, ибо без пропущения внешнего воздуха вес сожженного металла остается в одной мере» ((Ломоносов М. В. Полн. собр. соч., М.; Л., 1954, т. 10, с. 392.).

Следующая выдержка из письма Ломоносова к Эйлеру, написанного уже в июле 1748 г., показывает, что Ломоносов в результате своих опытов и размышлений пришел к закону сохранения материи и движения: «Все встречающиеся в природе изменения происходят так, что если к чему-либо нечто прибавилось, то это отнимается у чего-то другого. Так, сколько материи прибавляется какому-либо телу, столько же теряется у другого, сколько часов я затрачиваю на сон, столько же отнимаю у бодрствования, и т. д. Так как это всеобщий закон природы, то он распространяется и на правила движения: тело, которое своим толчком возбуждает другое к движению, столько же теряет от своего движения, сколько сообщает другому, им двинутому» ((Ломоносов М. В. Полн. собр. соч., М.; Л., 1954, т. 2, с. 183-185.).

Независимо друг от друга они приходят к выводу: суммарная масса всех продуктов химического превращения должно точно совпадать с суммарной массой исходных веществ. С этого момента химию можно считать уже полностью состоявшейся наукой.

Дата добавления: 2014-01-07