Концепції сучасного природознавства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Сумський державний університет

КОНЦЕПЦІЇ СУЧАСНОГО ПРИРОДОЗНАВСТВА

С.І.Кшнякіна, Б.А. Міщенко, А.С. Опанасюк

Суми

Рецензенти:

С.П. Рощупкін - доктор фізико-математичних наук, професор Сумського державного університету;

О.В. Лисенко - кандидат фізико-математичних наук, доцент Сумського державного університету

Рекомендовано вченою радою Сумського державного університету як навчальний посібник (протокол №5 від 18.12.2008 р.)

Кшнякіна С.І.

К 97 Концепції сучасного природознавства: навчальний посібник:

у трьох частинах/С.І. Кшнякіна, Б.А.Міщенко, А.С.Опанасюк. -

Суми: Вид-во СумДУ, 2010.- Ч.2. - 56 с.

Навчальна дисципліна “Концепції сучасного природознавства” внесена Міністерством загальної і професійної освіти Російської Федерації до Державного освітнього стандарту країни як обов'язковий пріоритетний предмет для вивчення студентами гуманітарних спеціальностей. У СумДУ вона викладається як дисципліна за вибором студента. Особливостями курсу є широкий діапазон знань із багатьох наукових напрямків, а також системний характер побудови навчального матеріалу. Мета курсу - ознайомити студентів на рівні загальних уявлень з найбільш важливими концепціями походження природи і людини, допомогти їм оволодіти сучасною науково-природничою картиною світу. У другій частині розглянута хімічна картина світу.

Посібник призначений для допомоги студентам денної форми навчання та викладачам під час роботи над курсом “Концепції сучасного природознавства”.

Зміст

ПЕРЕДМОВА

СТАНОВЛЕННЯ І РОЗВИТОК ХІМІЧНОЇ КАРТИНИ СВІТУ

Виникнення хімії

Алхімія

Арабська алхімія

Західноєвропейська алхімія

Період зародження наукової хімії

Теорія флогістону

Закон збереження маси Лавуазьє

Відкриття основних законів хімії

Таблиця Менделєєва

Хімія як наука

СУЧАСНІ КОНЦЕПЦІЇ ХІМІЇ

Структура хімії

Взаємозв'язок хімії з фізикою

Проблема хімічного елемента

Концепції структури хімічних сполук

Вчення про хімічні процеси

Еволюційна хімія

Взаємозв'язок хімії з біологією

Список РЕКОМЕНДОВАНОЇ літератури

ПЕРЕДМОВА

Реформа вищої освіти, що проводиться в нашій країні, має на меті зробити її більш різнобічною і фундаментальною. Сьогодні суспільству не потрібні фахівці, здатні вирішувати лише вузькоутилітарні завдання в межах знань, одержаних під час навчання. Сучасні вимоги до фахівця потребують його здатності до постійного підвищення своєї кваліфікації, прагнення бути в курсі останніх досягнень у своїй сфері знань, уміння творчо адаптувати їх до своєї роботи. Тому основним завданням сучасної освіти є розвиток творчих здібностей студентів, спрямованість на те, щоб після закінчення навчання випускник міг стати творчою особистістю, здатною до різних форм діяльності. На реалізацію цих цілей і орієнтований курс “Концепції сучасного природознавства”.

Актуальність введення у навчальний процес курсу “Концепції сучасного природознавства” обумовлена ще і тим, що останніми роками в країні та й у світі в цілому набувають все більшого поширення різного роду ірраціональні знання, такі, наприклад, як астрологія, магія, містичні та інші вчення. Поступово і досить послідовно вони витісняють із суспільної свідомості науково-природничу картину світу, що базується на раціональних способах його пояснення. Курс “Концепції сучасного природознавства” повинен стати перепоною на шляху цих псевдонаукових вчень.

Досягнення природничих наук є невід'ємною частиною людської культури. Знання основних сучасних теорій і концепції природознавства формують науковий метод мислення, адекватне відношення людини до навколишнього світу. Будь-яка людина повинна знати, що світ пізнається раціонально, що в ньому діють об'єктивні закони. “Концепції сучасного природознавства” - це курс, покликаний ознайомити студентів на рівні загальних уявлень з найбільш важливими результатами різних наук про навколишній світ і місце людини в ньому.

СТАНОВЛЕННЯ І РОЗВИТОК ХІМІЧНОЇ КАРТИНИ СВІТУ

Виникнення хімії

хімія флогістон менделєєв сполука

Процес зародження і формування хімії як науки був тривалим у часі, складним і суперечливим за змістом. Витоки хімічних знань лежать у глибокій старовині. В їх основу покладено потребу людини отримувати необхідні речовини для своєї життєдіяльності. Для цього слід було навчитися створювати з одних речовин інші із заданими властивостями, тобто здійснювати їх якісні перетворення.

Походження назви “хімія” не з'ясоване дотепер, хоча з цього питання існує декілька версій. Згідно з однією із них ця назва походить від єгипетського слова “хемі”, що означало Єгипет, а також “чорний”. Історики науки перекладають цей термін також як “єгипетське мистецтво”. Таким чином, у цій версії слово “хімія” означає мистецтво створювати необхідні речовини, у тому числі й мистецтво перетворювати звичайні метали у золото і срібло або їх сплави.

Проте у наш час популярніше інше пояснення. Група вчених вважають, що слово “хімія” походить від грецького терміна “хімос”, який можна перекласти як “сік рослин”. Тому “хімія” означає “мистецтво отримання соків”, але сік, про який йде мова, може бути і розплавленим металом. Отже, хімія може означати і “мистецтво металургії”.

Історія хімії показує, що її розвиток відбувався нерівномірно: періоди накопичення і систематизації даних емпіричних дослідів і спостережень змінювалися періодами відкриттів і бурхливого обговорення фундаментальних законів і теорій. Послідовне чергування таких періодів дозволяє розділити історію хімічної науки на декілька етапів:

1 Період алхімії - із старовини до XVI ст. нашої ери. Він характеризується пошуками філософського каменя (реактиву, необхідного для перетворення будь-яких металів у золото), еліксиру довголіття та алькагесту (універсального розчинника). Крім того, в алхімічний період майже в усіх культурах практикувалося “перетворення” неблагородних металів у золото або срібло, але всі ці “перетворення” у кожного народу здійснювалися різними способами.

2 Період зародження наукової хімії, який мав місце протягом XVI - XVIII століть. На цьому етапі були створені теорія Парацельса, теорія газів Бойля, Кавендіша та ін., теорія флогістону Г. Шталя і, нарешті, теорія хімічних елементів Лавуазьє. Протягом цього періоду удосконалювалася прикладна хімія, пов'язана з розвитком металургії, виробництва скла і фарфору, мистецтво перегонки рідин тощо. До кінця XVIII століття відбулося становлення хімії як науки, незалежної від інших природничих наук.

3 Період відкриття основних законів хімії охоплює перші шістдесят років XIX століття і характеризується виникненням і розвитком атомної теорії Дальтона, атомно-молекулярної теорії Авогадро, встановленням Берцеліусом атомної ваги елементів і формуванням основних понять хімії: атом, молекула та ін.

4 Сучасний період триває з 60-х років XIX століття до наших днів. Це найбільш плідний період розвитку хімії, в цей час були розроблені періодична класифікація елементів, теорія валентності, теорія ароматичних сполук і стереохімія, теорія електролітичної дисоціації Ареніуса, електронна теорія матерії тощо.

Разом з тим у цей період значно розширився діапазон хімічних досліджень.

Такі складові частини хімії, як неорганічна хімія, органічна хімія, фізична хімія, фармацевтична хімія, хімія харчових продуктів, агрохімія, геохімія, біохімія та ін., набули статуту самостійних наук і отримали власну теоретичну базу.

На жаль, рамки посібника не дають можливості детально описати навіть основні хімічні теорії, тому зупинимо увагу лише на найцікавіших і найзначніших етапах в історії цієї науки.

Алхімія

Традиційно алхімія вважалася псевдонаукою, або езотеричними знаннями, повними містики і таємниць. Метою її були пошуки філософського каменя, створення еліксиру довголіття і відкриття способів перетворення металів у золото і срібло. При такому розумінні алхімії вивчення її в курсі історії науки уявляється дуже сумнівним. Але така оцінка алхімії є односторонньою.

Справа у тому, що протягом своєї багатовікової історії алхіміки у процесі досліджень, що проводилися ними, вирішували багато практично важливих завдань. Протягом алхімічного періоду були одержані відомості про багато невідомих раніше процесів, і відкриті різні методи виробництва продуктів, що мали великий попит. Алхіміки хоч і не змогли знайти філософський камінь, зробили стільки відкриттів, спостерігали стільки реакцій, що це сприяло становленню нової науки. Саме алхіміки у пошуках філософського каменя заклали фундамент для створення хімії.

Найвищого розвитку алхімія досягла у трьох основних своїх типах: греко-єгипетському, арабському і західноєвропейському. Виділення цих типів у структурі алхімічних досліджень обумовлене перш за все особливим розумінням мети і предмета у кожному з них.

Батьківщиною алхімії був Єгипет. Там ще в давнину були відомі способи виробництва металів, отримання сплавів для монет і дорогоцінних виробів, які трималися у секреті і були надбанням дуже обмеженого кола жерців. Постійний попит на благородні метали був викликаний зростанням населення, розширенням торгового обміну, зниженням продуктивності старих золотоносних родовищ. Він підштовхнув представників практичної металургії до реалізації ідеї, що передбачала можливість перетворення одного металу в інший і, зокрема, перетворення свинцю або заліза у золото (трансмутація). Вважалося, що у цих практиків накопичилося достатньо спостережень, що підтверджували перетворення неблагородних металів у благородні.

Свою роль у становленні алхімії зіграла філософська теорія Емпідокла про чотири елементи Землі (вода, повітря, земля, вогонь). Згідно з цією теорією різні речовини на Землі розрізняються тільки за характером поєднання цих елементів. Ці чотири елементи можуть змішуватися і в однорідні речовини.

Цілком природно, що алхімічний характер металургії досить швидко пов'язав її з астрологією і магією. Число сім у давнину було священними, було відомо сім металів і відкритих планет було також сім. Цей збіг став основою для припущення, що кожен метал має астрологічний зв'язок з відповідною планетою. Так, золото пов'язувалося з Сонцем, срібло - з Місяцем, мідь - із Венерою, залізо - з Марсом, свинець - із Сатурном, олово - з Юпітером, ртуть - із Меркурієм. Відповідно виникло і позначення металів символами і найменуваннями, що відповідають небесним світилам.

Найважливішою проблемою алхімії вважався пошук філософського каменя. Але в марній гонитві за ним алхіміків поглиблювалися і розширювалися знання про хімічні процеси. У цей час греко-єгипетські алхіміки поліпшили процес очищення золота шляхом купеляції (нагріваючи багату на золото руду зі свинцем і селітрою). Було також значно поширене виділення срібла шляхом сплавлення руди зі свинцем. Одержала розвиток і металургія звичайних металів. Для отримання золота і срібла широко застосовувалася ртуть, був відомий і сам процес отримання ртуті.

Підсумки початкового періоду алхімії були узагальнені в “Смарагдовій скрижалі”, що приписується Гермесу Трисмегісту. Вона була складена приблизно у III ст. і стала класичним алхімічним твором.

У період правління імператора Діоклетіана у Стародавньому Римі алхімія стала переслідуватися, оскільки Діоклетіан боявся, що отримання дешевого золота остаточно підірве хитку економіку імперії. Як результат, він наказав знищити всі праці з алхімії.

Свою роль у забороні алхімії зіграло і християнство. У перші століття нашого літочислення воно виступило проти алхімічної практики, розглядаючи її тоді як справу диявола.

Арабська алхімія

У VII сторіччі на світовій арені з'явилися араби. У 641 р. н.е. вони вторглися до Єгипту і незабаром зайняли всю країну. Наслідуючи стародавніх єгипетських фараонів, арабські халіфи стали протектувати наукам. До кінця VIII століття в арабському світі з'явилися хіміки. Араби перетворили єгипетське слово “хемі” в “аль-хімія”. Європейці пізніше запозичили це слово в арабів і в результаті в європейських мовах з'явилися терміни “алхімія” і “алхімік”.

Найталановитішим і прославленим арабським алхіміком був Джабір ібн Хайям, що став пізніше відомим в Європі під ім'ям Гебер. Після себе він залишив численні праці, в яких описав нашатирний спирт, технологію виготовлення свинцевих білил, спосіб перегонки оцту для отримання оцтової кислоти.

Проте основним предметом його досліджень стало вивчення можливості трансмутації металів, і ці його дослідження сильно вплинули на подальші покоління арабських алхіміків. Джабір вважав, що ртуть є найбільш чистою з усіх металів, оскільки завдяки своїй рідкій формі містить дуже мало домішок. Такими самі незвичайні властивості має і сірка: вона здатна самостійно загорітися. При цьому він вважав, що найбільш чистим металом є той, який містить більше ртуті, а менш чистим - той, який містить більше сірки. Серед арабських алхіміків взагалі існувало глибоке переконання, що найбільш міцні, блискучіші і ковкі метали містять більше ртуті, а метали, що легше піддаються зміні, містять більше сірки.

Основоположна ідея теорії Джабіра полягала у тому, що всі сім основних металів утворюються з суміші ртуті і сірки. Найважче утворюється золото - найбільш довершений метал. Щоб здійснити перетворення одного металу в іншій, необхідно було згідно з цією теорією мати якісь “ліки”, які спричиняють перетворення неблагородних металів у благородні, прискорюють “дозрівання” золота.

У старовинних рукописах говорилося, що ця речовина є сухим порошком, каменем, великим еліксиром, “магістерієм”. Греки називали його ксеріон, а араби змінили цю назву на аль-іксир, і врешті-решт в європейських мовах з'явилося слово еліксир. В Європі ця дивовижна речовина одержала назву філософського каменя. Еліксир повинен був мати багато чудових властивостей: виліковувати від усіх хвороб, давати безсмертя, а найголовніше перетворювати неблагородні метали на срібло і золото.

Весь подальший розвиток арабської алхімії відбувався двома паралельними шляхами: одні займалися трансмутацією золота, інші шукали еліксир життя, що давав безсмертя.

Західноєвропейська алхімія

Виникнення алхімії на Заході стало можливим перш за все завдяки хрестовим походам. Тоді європейці запозичили в арабів багато науково-практичних знань і серед них алхімію, яка набула швидкого поширення і сприяла розширенню знань про препарати, необхідні у медицині.

Європейська алхімія перебувала у цей період під впливом астрології і тому набула характеру таємної науки. Політичні умови, що склалися у середньовічній Європі, і гостре суперництво численних королівських дворів сприяли розвитку алхімії. У період з XI до XV століття, тобто протягом п'яти століть, західна алхімія дала багато великих мислителів, що залишили глибокий слід у розвитку хімії.

Починаючи з 1200 року, європейські вчені змогли ближче ознайомитися зі спадщиною алхіміків минулого і почали розвивати їхні дослідження. Ім'я найвидатнішого з середньовічних алхіміків залишилося невідомим, але, ймовірно, він був іспанцем і жив у XIV столітті. Його заслуга перед хімією полягала у тому, що він перший описав сірчану кислоту - одну з найважливіших сполук сучасної хімії (після води, повітря, вугілля і нафти). Він також описав, як утворюється азотна кислота. Її відкриття також пов'язане зі спробами одержати золото. Була відмічена важлива властивість “царської горілки” (яка одержувалася при взаємодії азотної кислоти з розчином нашатирю) впливати на золото, що вважалося таким, що не піддається зміні.

Відкриття сильних мінеральних кислот було найважливішим досягненням хімії після успішного отримання заліза і ртуті приблизно за 3000 років до того. Використовуючи сильні мінеральні кислоти, європейські хіміки змогли здійснити багато нових реакцій і, зокрема, зуміли розчинити такі речовини, які стародавні греки і араби вважали нерозчинними.

Мінеральні кислоти дали людству значно більше, ніж могло б дати золото, якби його навчилися одержувати за допомогою трансмутації. Якщо б золото перестало бути рідкісним металом, воно миттєво знецінилося. Цінність же мінеральних кислот тим вища, чим вони дешевші і доступніші.

У XIV столітті західні алхіміки, розчарувавшись у спробах одержати філософський камінь, повернулися до теорії, яка розглядала ртуть і сірку як основні складові частини металів, але при цьому вони ввели третю складову частину - “сіль”. Під сіллю тут малася на увазі соляна основа металів, яка повинна була доповнити дві інші складові частини і надати ртуті властивостей тверднути і протистояти вогню. Таким чином, були вивчені солі, число яких значно зросло. Їх розрізняли за походженням: хлористий натрій називали морською сіллю, селітру - кам'яною сіллю тощо.

Західні алхіміки не внесли значного вдосконалення у металургію, вони лише адаптували те, що було відоме арабським алхімікам, до умов європейських країн і, головним чином, до переробки руд металів.

З досягнень європейських алхіміків на особливу згадку заслуговує вивчення продуктів бродіння (вино, оцет), оскільки саме в західній алхімії бере початок виготовлення чистого спирту шляхом перегонки міцних вин і горілки. Перегінні апарати застосовувалися в Італії з XI століття і швидко знайшли поширення в інших європейських країнах. Заслугою західних алхіміків є також значне розширення знань в області практичної і прикладної хімії. У цей період були створені апарати, що застосовувалися при різних операціях, пов'язаних з нагріванням на прямому вогні, на піщаній бані, на водяній бані, при перегонці, випаровуванні, фільтруванні, кристалізації, настоюванні і сублімації.

Таким чином, були підготовлені відповідні умови для досліджень хімічних сполук, їх застосування в медицині і практичній науці. Пошук золота став справою багатьох шахраїв, хоча деякі великі вчені навіть в освіченому XVII столітті (Бойль, Ньютон) не змогли встояти від спокуси спробувати одержати золото за допомогою трансмутації. І знову вивчення алхімії було заборонено. Заборона переслідувала дві мети: не можна було допустити знецінення золота і необхідно було боротися проти шахрайства.

Період зародження наукової хімії

Цей період охоплює три століття, впродовж яких робляться спроби надати хімії єдиного теоретичного змісту, як це випливає з праць Парацельса, Шталя, Лавуазьє.

Кожна наука є продуктом свого часу. Для того щоб вони могли з'явитися, необхідні відповідні умови й обставини. Для становлення хімії як науки такими умовами стало оновлення європейської культури, потреба у нових видах промислового виробництва, відкриття Америки і розширення торгових відносин, а також багато інших чинників прогресу. Ці зміни повернули наукові дослідження на нові шляхи. Хімія також відчула на собі вплив нових умов життя і, відокремившись від старої алхімії, набула досить великої свободи досліджень. У результаті цієї свободи хімія зробила перші кроки як самостійна наука, сформувала сучасний погляд на мету і завдання хімічних досліджень, затвердилася як єдина і незалежна наука.

У XVI столітті в європейських країнах алхімія втратила те своє значення, яке вона мала у попередні століття. На зміну алхімії прийшло абсолютно нове розуміння завдань хімії. Її призначення полягало не в отриманні золота, а в приготуванні ліків. Цей напрям у хімічній науці одержав назву ятрохімії.

Засновником ятрохімії став швейцарець Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм, який увійшов в історію науки під ім'ям Парацельс, тобто такий, що “перевершує Цельса” (Цельс був давньоримським ученим, що писав праці з медицини). Ятрохімія відображала прагнення поєднати медицину з хімією, переоцінюючи при цьому роль хімічних процесів в організмі і приписуючи певним хімічним сполукам здатність усувати в організмі порушення рівноваги. Парацельс свято вірив, що якщо людське тіло складається з хімічних речовин, то зміни, що відбуваються в ньому, повинні спричиняти хвороби, які можуть бути вилікувані лише шляхом застосування ліків, що поновлюють нормальну хімічну рівновагу. До Парацельса як ліки використовувалися переважно рослинні препарати, але він вважав ефективними тільки лікарські засоби, виготовлені з мінералів, і тому прагнув створювати ліки саме такого типу.

У своїх хімічних дослідженнях Парацельс запозичив з алхімічної традиції вчення про три основні складові частини матерії - ртуть, сірку і сіль, яким відповідають основні властивості матерії: леткість, горючість і твердість. Ці три елементи становлять основу макрокосму (всесвіту), але належать і до мікрокосму (людини), що складається з духу, душі і тіла. Визначаючи причини хвороб, Парацельс стверджував, що лихоманка і чума походять від надлишку в організмі сірки, при надлишку ртуті настають паралічі, а надлишок солі може спричинити розлад шлунка і виникнення водянки. Так само причиною багатьох інших хвороб він вважав надлишок або брак цих трьох основних елементів.

Ятрохімія принесла значну користь хімії, оскільки сприяла звільненню її від впливу алхімії й істотно розширила знання про життєво важливі сполуки, здійснивши тим самим благотворний вплив і на фармацію. Але одночасно ятрохімія була і перешкодою для розвитку хімії, тому що звужувала поле її досліджень. З цієї причини у XVII і XVIII ст. цілий ряд дослідників відмовилися від принципів ятрохімії і вибрали інший шлях своїх досліджень, упроваджуючи хімію у життя і ставлячи її на службу людині.

Саме ці дослідники своїми відкриттями сприяли створенню перших наукових хімічних теорій.

Теорія флогістону

У сімнадцятому сторіччі почався бурхливий розвиток механіки, який виявився плідним і для хімії.

Розвиток механіки привів до створення парової машини і поклав початок промислової революції. Людина одержала машину, яка, здавалося, може робити всю важку роботу. Але використання вогню у паровій машині відродило у хіміків інтерес до процесу горіння. Чому одні предмети горять, а інші не горять? Що є процесом горіння?

Задовго до XVIII сторіччя грецькі і західні алхіміки намагалися відповісти на ці питання. За уявленнями стародавніх греків все, що здатне горіти, містить у собі елемент вогню, який у відповідних умовах може вивільнятися. Алхіміки дотримувалися приблизно тієї самої точки зору, але вважали, що здатні до горіння речовини містять у собі елемент “сульфур”. У 1669 році німецький хімік Іоганн Бехер спробував дати раціональне пояснення явищу горючості. Він припустив, що тверді речовини складаються з трьох видів “землі”, і один з цих видів, названий ним “жирна земля”, служить горючою речовиною. Всі ці пояснення не відповідали на питання про суть процесу горіння, але вони стали вихідною точкою для створення єдиної теорії, відомої під назвою теорії флогістону.

Основоположником теорії флогістону вважається німецький лікар і хімік Георг Шталь, який намагався послідовно розвинути ідеї Бехера про “жирну землю”, але на відміну від Бехера Шталь замість поняття “жирна земля” ввів поняття “флогістон” - від грецького “флогістос” - горючий, займистий. Термін “флогістон” набув великого поширення завдяки працям самого Шталя і тому, що його теорія об'єднала численні відомості про горіння і випалення.

Теорія флогістону ґрунтується на переконанні, що всі горючі речовини багаті на особливу горючу речовину - флогістон, і чим більше цієї речовини містить дане тіло, тим більше воно здатне до горіння. Те, що залишається після завершення процесу горіння, флогістону не містить і тому горіти не може. Шталь стверджував, що розплавлення металів подібне до горіння дерева. Метали, на його думку, теж містять флогістон, але, втрачаючи його, перетворюються на вапно, іржу або окалину. Проте якщо до цих залишків знову додати флогістон, то знов можна одержати метали. При нагріванні цих речовин з вугіллям метал “відроджується”.

Таке розуміння процесу плавлення дозволило дати прийнятне пояснення і процесу перетворення руд у метали - першому теоретичному відкриттю у галузі хімії.

Пояснення Шталя полягало у такому. Руда, вміст флогістону в якій невеликий, нагрівається на деревному вугіллі, дуже багатому на флогістон. Флогістон при цьому переходить з деревного вугілля у руду, внаслідок чого деревне вугілля перетворюється на золу, збіднену флогістоном, а руда перетворюється на метал, багатий на флогістон.

Теорія флогістону Шталя на перших порах стикнулася з різкою критикою, але потім швидко почала завойовувати популярність і в другій половині XVII ст. була прийнята хіміками повсюдно, оскільки дозволила дати чіткі відповіді на багато питань. Проте одне питання ні Шталь, ні його послідовники вирішити не змогли. Справа у тому, що більшість горючих речовин (дерево, папір, жир) при горінні частково зникали. Зола і сажа, що залишилися, були набагато легші, ніж початкова речовина. Але хімікам XVIII ст. ця проблема не здавалася важливою, вони ще не усвідомлювали важливість точних вимірювань і зміною у вазі нехтували. Теорія флогістону пояснювала причини зміни зовнішнього вигляду і властивостей речовин, а зміни ваги були не- важливі.

Закон збереження маси Лавуазьє

До кінця XVIII ст. у хімії був накопичений великий обсяг експериментальних даних, які необхідно було систематизувати в рамках єдиної теорії. Творцем такої теорії став французький хімік Антуан-Лоран Лавуазьє.

Із самого початку своєї діяльності на терені хімії Лавуазьє зрозумів важливість точного вимірювання ваги речовин, що беруть участь у хімічних процесах. Застосування точних вимірювань при вивченні хімічних реакцій дозволило йому довести неспроможність старих теорій, що заважали розвитку хімії.

Питання про природу процесу горіння цікавило всіх хіміків XVIII ст., і Лавуазьє також не міг не зацікавитися ним. Його численні досліди з нагрівання різних речовин у закритих посудинах дозволили встановити, що незалежно від характеру хімічних процесів і їх продуктів загальна вага всіх речовин, які беруть участь у реакції, залишається без змін.

Це дозволило йому висунути нову теорію утворення металів із руд. Згідно з цією теорією в руді метал сполучений з газом. Коли руду нагрівають на деревному вугіллі, вугілля абсорбує газ з руди, і при цьому утворюються вуглекислий газ і метал.

Таким чином, на відміну від Шталя, який вважав, що плавлення металу передбачає перехід флогістону з деревного вугілля у руду, Лавуазьє уявляв собі цей процес як перехід газу з руди у вугілля. Ідея Лавуазьє дозволяла пояснити причини зміни ваги речовин у результаті горіння.

Обдумуючи результати проведених ним дослідів, Лавуазьє визначив, що якщо враховувати всі речовини, що беруть участь у хімічній реакції, і всі продукти реакції, то змін у вазі ніколи не буде. Іншими словами, Лавуазьє дійшов висновку, що маса ніколи не створюється і не знищується, а лише переходить від однієї речовини до іншої. Цей висновок, відомий сьогодні як закон збереження маси, став основою для розвитку хімії XIX століття.

Проте сам Лавуазьє був незадоволений отриманими результатами, оскільки не розумів, чому при поєднанні повітря з металом утворювалася окалина, а при поєднанні з деревом - гази, і чому при цих взаємодіях бере участь не все повітря, а тільки приблизно п'ята його частина?

У результаті численних дослідів і експериментів Лавуазьє дійшов висновку, що повітря є не простою речовиною, а сумішшю двох газів. Одну п'яту частину повітря, на думку Лавуазьє, становить “дефлогістоване повітря”, яке з'єднується з предметами, що горять й іржавіють, переходить з руд у деревне вугілля і, крім цього, необхідне для життя. Лавуазьє назвав цей газ киснем, тобто таким, що породжує кислоти, оскільки помилково вважав, що кисень - компонент усіх кислот.

Інший газ, що становить чотири п'ятих повітря (“флогістоване повітря”), був визнаний абсолютно самостійною речовиною. Цей газ не підтримував горіння, і його Лавуазьє назвав азотом - нежиттєвим.

Важливу роль у дослідженнях Лавуазьє зіграли результати дослідів англійського фізика Кавендіша, який довів, що гази, що утворюються при горінні, конденсуються у рідину, яка, як показали досліди, є водою. Важливість цього відкриття була величезною, оскільки з'ясувалося, що вода - не проста речовина, а продукт поєднання двох газів. Лавуазьє назвав газ, що виділяється при горінні, воднем (“утворюючим воду”) і визначив, що водень горить, з'єднуючись з киснем, і, отже, вода є поєднанням водню і кисню.

Нові теорії Лавуазьє привели до повної раціоналізації хімії. Було остаточно покінчено зі всіма таємничими елементами, що використовувалися для пояснення перетворення одних речовин на інші. З цього часу хіміки стали цікавитися тільки тими речовинами, які можна було зважити або виміряти будь-яким способом.

Відкриття основних законів хімії

Проблема хімічного складу речовин була головною у розвитку хімії аж до 30 - 40-х рр. XIX століття. У цей час мануфактурне виробництво змінилося на машинне, а для останнього була необхідна широка сировинна база. У промисловому виробництві переважало перероблення величезних мас речовини рослинного і тваринного походження. У виробництві почали використовувати речовини з різними (часто протилежними) якостями, що складаються лише з декількох хімічних елементів органічного походження: вуглець, водень, кисень, сірка, фосфор. Пояснення цієї широкої різноманітності органічних сполук, що виникли на базі обмеженого числа хімічних елементів, учені стали шукати не тільки у складі, але й у структурі сполучення цих елементів.

Численні лабораторні експерименти і досліди переконливо доводили, що властивості одержаних у результаті хімічних реакцій речовин залежать не лише від самих елементів, але і від взаємозв'язку і взаємодії цих елементів у процесі реакції. Тому хіміки стали все більше звертатися до проблеми структури речовини і взаємодії складових елементів речовини.

Першим ученим, який домігся значних успіхів у новому напрямі розвитку хімії, став англійський хімік Джон Дальтон, який увійшов в історію хімії як першовідкривач закону кратних відношень і творець основ атомної теорії. Усі свої теоретичні висновки він одержав на основі зробленого ним самим відкриття, що два елементи можуть поєднуватися один з одним у різних співвідношеннях, але при цьому кожна нова комбінація елементів є новою сполукою.

Подібно до стародавніх атомістів Дальтон виходив з положення про корпускулярну будову матерії, але, ґрунтуючись на сформульованому Лавуазьє понятті хімічного елемента, вважав, що всі атоми кожного окремого елемента однакові і характеризуються тим, що мають певну вагу, яку він назвав атомною вагою. Таким чином, кожен елемент має свою атомну вагу, але ця вага відносна, оскільки абсолютну вагу атомів визначити неможливо. Як умовну одиницю атомної ваги елементів Дальтон брав атомну вагу найлегшого зі всіх елементів - водню і зіставляв з ним вагу інших елементів. Для експериментального підтвердження цієї ідеї необхідно, щоб елемент поєднувався з воднем, утворюючи певну сполуку. Якщо цього не відбувається, то необхідно, щоб даний елемент поєднувався з іншим елементом, про який відомо, що він здатний поєднуватися з воднем. Знаючи вагу цього іншого елемента відносно водню, можна завжди знайти відношення ваги даного елемента до прийнятої за одиницю ваги водню.

Міркуючи таким чином, Дальтон склав першу таблицю атомної ваги елементів. Ця таблиця стала найважливішою працею Дальтона, хоча у ряді аспектів вона виявилася помилковою. Основна помилка Дальтона полягала у переконанні, що при утворенні молекули атоми одного елемента поєднуються з атомами іншого елемента попарно. Хоча вже у той час було накопичено достатньо даних, які свідчили, що подібне приєднання атомів не є загальним правилом.

Для того щоб атомна теорія Дальтона могла одержати свій науковий статус у хімії, необхідно було об'єднати її з молекулярною теорією, яка припускала існування частинок (молекул), утворених з двох або більше атомів, здатних у хімічних реакціях розщеплюватися на ці складові.

Поворотний етап у розвитку хімічної атомістики пов'язаний з ім'ям шведського хіміка Ієнса Якоба Берцеліуса, який услід за Дальтоном зробив особливо великий внесок у створення атомної теорії.

Коли Дальтон запропонував свою атомну теорію і встановив закон кратних відношень, молодий шведський хімік Берцеліус, керований прагненням знайти закон утворення хімічних сполук, ретельно вивчив питання про їх склад. Провівши не одну сотню аналізів, він надав велику кількість доказів, що підтверджували закон сталості складу. У результаті хіміки були вимушені визнати справедливість цього закону, а отже, і прийняти атомістичну теорію, яка безпосередньо випливала із закону сталості складу.

Після цього Берцеліус звернувся до проблеми визначення атомної ваги елементів, розробивши складніші і точніші методи експериментів, ніж ті, які були доступні Дальтону. У результаті тривалої і ретельної аналітичної роботи Берцеліус дійшов висновку, що у солях існують прості і постійні зв'язки між атомами кисню основи і атомами кисню кислоти. Цього правила він постійно дотримувався при вивченні атомної проблеми.

На підставі своїх досліджень і розрахунків у 1826 р. Берцеліус опублікував першу таблицю атомної ваги, яка відрізнялася високою точністю. У цій таблиці атомна вага елементів була співвіднесена ним з киснем, атомна вага якого була взята такою, що дорівнює стам. Наведені у цій таблиці значення в основному збігаються (за винятком атомної ваги двох-трьох елементів) з прийнятими у наш час. Істотна відмінність між таблицями Берцеліуса і Дальтона полягає у тому, що величини, одержані Берцеліусом, у своїй більшості не були цілими числами. Ці розрахунки потім були підтверджені й уточнені іншими вченими.

З працями Берцеліуса з атомістики тісно пов'язане введення символів, запропонованих ним у 1814 р. для позначення не тільки елементів, але й хімічних реакцій. Усі хімічні символи, формули сполук і хімічні рівняння були введені Берцеліусом. Його система хімічної символіки істотно посприяла розвитку хімії. Як символ елемента у цій системі береться перша літера його латинської або грецької назви. У тих випадках, коли назви двох або більше елементів починаються з одних і тих самих літер, до них додається друга літера назви. Так з'явилися хімічні символи елементів, які використовуються у всьому світі і до цього часу. Ще одним важливим внеском Берцеліуса у розвиток хімії був запропонований ним поділ усіх хімічних речовин на органічні і неорганічні.

Від часу винайдення вогню людина стала ділити всі речовини на дві групи: горючі і негорючі. До горючих відносили, зокрема, дерево і жир, які в основному були паливом. Дерево - продукт рослинного походження, а жир або масло - продукти як тваринного, так і рослинного походження. На відміну від них вода, пісок, гірські породи і більшість інших речовин мінерального походження не горять і навіть гасять вогонь. Таким чином, між здатністю речовини до горіння і її приналежністю до живого або неживого світу було видно певний зв'язок.

Накопичені протягом вісімнадцятого століття знання дозволили хімікам зробити висновок, що судити про природу речовин, виходячи тільки з їх горючості або негорючості, помилково. Було встановлено, що речовини неживої природи могли витримувати жорстку обробку, і саме їх Берцеліус назвав неорганічними. Речовини живої або колись живої матерії такої обробки не витримували, і їх він назвав органічними.

У багатьох своїх проявах ці дві групи речовин поводилися принципово різним чином. Так, хіміки не припиняли дивуватися, що органічні речовини при нагріванні або якій-небудь іншій дії легко перетворюються на неорганічні (можливість зворотного переходу була встановлена набагато пізніше). У той час у науці панував віталізм - учення, що розглядає життя як особливе явище, що підкоряється не законам всесвіту, а впливу особливих життєвих сил. Прихильники віталізму стверджували, що для перетворення неорганічних речовин в органічні необхідна якась особлива дія (“життєва сила”), яка виявляється тільки всередині живої тканини. З цієї причини неорганічні сполуки, наприклад воду, можна було знайти скрізь, тоді як органічні сполуки, що утворюються під впливом життєвої сили, можна знайти тільки у живих тканинах.

Хіміки того часу, що мали справу зі звичайними сполуками і користувалися звичайними методами, здійснити перетворення, що вимагали участі життєвих сил, природно, не могли.

Історія хімії свідчить, що до середини XIX ст. її розвиток відбувався безладно і хаотично. Хіміки відкривали все нові і нові хімічні елементи, описували їх властивості, здатність вступати у різні реакції і завдяки цьому поступово накопичили величезний емпіричний матеріал, який необхідно було звести до певної системи. Логічним завершенням цього багатовікового процесу виникнення і розвитку хімії став Перший міжнародний хімічний конгрес, який відбувся у вересні 1860 р. у німецькому місті Карлсруе. На конгресі були присутні найвідоміші хіміки того часу.

Проведення конгресу в Карлсруе мало велике значення для розвитку хімії. На ньому були сформульовані і прийняті основоположні принципи, теорії і закони хімії, які не викликали ніяких сумнівів в учасників. Тим самим хімія заявила про себе де- факто як про самостійну науку.

Проте набагато більше значення мали наукові результати і наслідки конгресу. До 60-х років минулого століття у хімії ще збереглася плутанина з атомною і молекулярною вагою, що не дозволяло точно вирішити питання про систему елементів і негативно позначалося на розвитку самої хімії. Розбіжності з приводу відносної атомної ваги, що приписувалася атомам різних елементів, привела до розбіжностей стосовно числа атомів окремих елементів, що входять у дану молекулу. Вчені неодноразово робили спроби надати цим проблемам системного вигляду, але їх пропозиції були дуже недоско-налими, тому що як системоутворюючі чинники бралися найчастіше неістотні, другорядні і навіть чисто зовнішні ознаки елементів.

Ініціатором обговорення і вирішення даної проблеми став італійський хімік Станіслао Канніццаро, який запропонував розмежувати поняття “атомна вага”, “молекулярна вага” і “еквівалентна вага”. На конгресі Канніццаро виголосив яскраву промову і йому вдалося переконати учасників у правильності пропонованих ним ідей. З цієї миті у питання про атомну вагу була внесена ясність, одночасно було гідно оцінене значення таблиці атомної ваги, складеної Берцеліусом.

Це рішення означало можливість домовитися про емпіричні формули сполук і продовжити вивчення будови молекул, уточнюючи розташування атомів у них спочатку у площині, а потім і у просторі. Крім того, рішення конгресу, по суті справи, підготували умови для створення періодичної системи елементів.

Таблиця Менделєєва

Основоположником системного підходу у хімії став російський хімік Дмитро Іванович Менделєєв. Під час роботи конгресу він перебував у Німеччині і працював над дисертацією. Він, природно, був учасником конгресу і чув виступ Канніцаро, в якому той чітко виклав свою точку зору на проблему атомної ваги. Повернувшись до Росії, Менделєєв розпочав вивчення хімічних властивостей елементів і звернув особливу увагу на періодичність зміни валентності елементів, розміщених у порядку зростання атомної ваги. Він вважав, що будь-яке точне знання складає систему, в основі якої повинен бути єдиний систематизуючий чинник. За такий чинник він вибрав атомну вагу, вважаючи, що остання є головною характеристикою всіх хімічних елементів.

Ґрунтуючись на збільшенні і зменшенні валентності елементів, залежно від їх атомної ваги, Менделєєв розділив елементи на періоди (звідси назва “періодична система елементів”). Перший період включає тільки один елемент - водень, потім ідуть два періоди по сім елементів у кожному, а потім періоди, що містять більше семи елементів. Така періодична система елементів була яснішою і наочнішою, ніж графік. Завдяки формі таблиці світова спільнота вчених віддала пріоритет відкриття періодичної системи саме Менделєєву, а не іншим ученим, які на той час також систематизували елементи, але в інших формах. За часів Менделєєва було відомо лише 62 хімічних елементи. Тому в таблиці залишилися порожні клітинки (пропуски). Наявність цих пропусків він пояснив не недосконалістю самої таблиці, а тим, що відповідні елементи поки що не відкриті. Згодом ці елементи були відкриті хіміками і їх властивості виявилися саме такими, як передбачив Менделєєв.

Хоча класифікація Менделєєва стала видатним науковим досягненням, яка набула значного поширення і стала достовірно науковою системою хімічних знань, вона не була ідеальною і довершеною. Перший недолік таблиці полягав у тому, що водень як одновалентний елемент був розміщений на початку I групи. Проте хіміки тоді ще не дійшли до єдиної думки щодо того, чи слід поміщати водень у цю групу, оскільки водень не схожий у хімічному відношенні на інші елементи цієї групи. Цей і ряд інших недоліків таблиці дозволив у подальшому декільком ученим внести в неї удосконалення, останнє з яких було зроблене після відкриття явища радіоактивності.

У міру вдосконалення періодична система елементів завойовувала у хіміків загальний авторитет, оскільки пояснювала багато фактів, а найголовніше вказувала на існування глибокої залежності між різними елементами, виводила властивості хімічних елементів з їх порядкового номера у таблиці Менделєєва.

Хімія як наука

Хімія на відміну від багатьох інших наук (наприклад, біології) сама створює свій предмет дослідження. Як ніяка інша наука вона є одночасно і наукою, і виробництвом. Хімія завжди була потрібна людству в основному для того, щоб одержувати з речовин природи всі матеріали, необхідні людині: метали і кераміку, вапно і цемент, скло і бетон, барвники і фармацевтичні препарати, вибухові речовини і паливно-мастильні матеріали, каучук і пластмаси, хімічні волокна і матеріали із заданими електрофізичними властивостями. Тому всі хімічні знання, набуті за багато сторіч і подані у вигляді теорій, законів, методів, технологій, об'єднує одне-єдине довгострокове, головне завдання хімії - отримання речовин з необхідними властивостями. Але це виробниче завдання і щоб його реалізувати, необхідно вміти з одних речовин виготовляти інші, тобто здійснювати якісні перетворення речовини. А оскільки якість - це сукупність властивостей речовини, необхідно знати, від чого залежать хімічні властивості. Інакше кажучи, щоб вирішити назване виробниче завдання, хімія повинна вирішити теоретичне завдання генезису (походження) властивостей речовини.

Таким чином, основою хімії є двоєдина проблема отримання речовин із заданими властивостями (на досягнення чого спрямована виробнича діяльність людини) і виявлення способів керування властивостями речовини (на реалізацію чого спрямована науково-дослідна діяльність).

Це і є основна проблема хімії. Вона ж є системоутворюючим началом даної науки. Ця проблема, що виникла у давнину, не втрачає свого значення і в наші дні.

Природно, що у різні історичні епохи вона розв'язувалася по-різному, оскільки способи її вирішення залежать від рівня матеріальної і духовної культури суспільства, а також від внутрішніх закономірностей, властивих ходу наукового пізнання. Досить сказати, що виготовлення таких матеріалів, як, наприклад, скло і кераміка, фарби й ароматичні речовини, в давнину здійснювалося абсолютно інакше, ніж у XVIII столітті і пізніше.

Уся історія хімії, весь її розвиток є закономірним процесом зміни способів вирішення її основної проблеми. Найважливішою особливістю основної проблеми хімії є те, що вона має лише чотири способи вирішення. Йдеться при цьому не про частинні методи вивчення і перетворення речовини - їх багато, а про найзагальніші способи вирішення питання: від чого, від яких чинників залежать властивості речовини. А залежать вони від чотирьох чинників:

1 Від її елементного і молекулярного складу.

2 Від структури її молекул.

3 Від термодинамічних і кінетичних (наявність каталі-заторів, дія матеріалу стінок посудин тощо) умов, у яких речовина знаходиться у процесі хімічної реакції.

4 Від глибини хімічної організації речовини.

Перший по-справжньому дієвий спосіб вирішення проблеми походження властивостей речовини з'явився у другій половині сімнадцятого століття у працях англійського ученого Роберта Бойля. Його дослідження показали, що якості і властивості тіла не мають абсолютного характеру і залежать від того, з яких хімічних елементів ці тіла утворені. З цього часу стали вважати, що найменшою частинкою тіла є молекула. У період з середини XVII століття до першої половини XIX століття вчення про склад речовини було всією тодішньою хімією. Воно існує і сьогодні, але є частиною хімії.

Монопольне положення вчення про склад речовини зберігалося до 1830 року. До цього часу мануфактурне виробництво змінилося на фабричне, яке спирається на машинну техніку і широку сировинну базу. У хімічному виробництві стала переважати переробка величезних мас речовини рослинного і тваринного походження, їх якісна різноманітність величезна - сотні тисяч хімічних сполук, а склад їх вкрай одноманітний - лише декілька елементів-органогенів (вуглець, водень, кисень, сірка, азот, фосфор), з яких ці сполуки складаються. Пояснення надзвичайно широкої різноманітності органічних сполук при такому бідному їх елементному складі було знайдено в явищах, що одержали назви “ізомерія” і “полімерія”. Стало абсолютно зрозуміло, що властивості речовин, а отже, і їх якісна різноманітність обумовлюються не тільки складом, але ще і структурою молекул. З'явилося нове вирішення проблеми генезису властивостей, а також відмежувалися самі поняття “властивість” і “функція” або реакційна здатність. У поняття “реакційна здатність” включалися уявлення про хімічну активність окремих фрагментів молекули - атомів, атомних груп і навіть окремих хімічних зв'язків.

Так був покладений початок другому рівню розвитку хімічних знань, який одержав назву структурної хімії. Вона стала вищим рівнем відносно вчення про склад, включаючи його.

На другому рівні свого розвитку хімія перетворилася з науки переважно аналітичної у науку головним чином синтетичну. Цей період пов'язаний з розвитком хімії органічного синтезу. В цей час з'явилися різні барвники для текстильної промисловості, різні препарати для фармації, штучний шовк і т. ін. Для цього ці матеріали видобувалися в обмежених масштабах і з величезними витратами низькопродуктивної, переважно сільськогосподарської праці.

Але захоплення успіхами структурної хімії було недовгим. Інтенсивний розвиток автомобілебудування, авіації, енергетики, приладобудування у першій половині XX століття висунув нові вимоги до виробництва матеріалів. Необхідно було одержувати високооктанове моторне паливо, спеціальні синтетичні каучуки, пластмаси, високостійкі ізолятори, жароміцні органічні і неорганічні полімери, напівпровідники. Для отримання цих матеріалів спосіб вирішення основної проблеми хімії, що ґрунтується на вченні про склад і структуру речовини, був явно недостатній. Він не враховував різких змін властивостей речовини у результаті впливу температури, тиску, розчинників і багатьох інших чинників, що впливають на напрям і швидкість хімічних процесів.

...