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 атомістівДальтон 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 СтаніслаоКанніццаро, 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.
Під впливом нових вимог виробництва виник третій спосіб вирішення проблеми генезису властивостей, що враховує всю складність організації хімічних процесів у реакторах і забезпечує їх економічно прийнятну продуктивність. Після цього хімія стає наукою вже не тільки і не стільки про речовини як закінчені предмети, а наукою про процеси і механізми зміни речовини. Завдяки цьому вона забезпечила багатотоннажне виробництво синтетичних матеріалів, що замінили дерево і метал у будівельних роботах, харчову сировину у виробництві оліфи, лаків, миючих засобів і змащувальних матеріалів. Виробництво штучних волокон, каучуків, етилового спирту і багатьох розчинників стало базуватися на нафтовій сировині, а виробництво азотних добрив - на основі азоту повітря. З'явилася технологія нафтохімічних виробництв з її потоковими системами, що забезпечують безперервні високопродуктивні процеси.
Ще у 1935 році всі 100 відсотків таких матеріалів, як шкіра, хутро, гума, волокна, миючі засоби, оліфа, лаки, оцтова кислота, етиловий спирт, вироблялися цілком з тваринної і рослинної сировини, зокрема харчової. На це витрачалися десятки мільйонів тонн зерна, картоплі, жирів, сирої шкіри і т. ін. Але вже у 60-ті роки XX ст. 100% технічного спирту, 80% миючих засобів, 90% оліфи і лаків, 40% волокон, 70% каучуку і близько 25% шкіряних матеріалів виготовлялися на основі газової і нафтової сировини. Крім цього, хімія щорічно дає сотні тисяч тонн сечовини і нафтового білка як корм худобі і близько 200 мільйонів тонн добрив.
Але і ці можливості ще далеко не межа. У 60 – 70-ті роки минулого сторіччя з'явився четвертий спосіб вирішення основної проблеми хімії, що відкриває шляхи використання у виробництві матеріалів найвисокоорганізованіших хімічних систем, які тільки можливі на цей час. В основі цього способу лежить принцип використання у процесах отримання цільових продуктів таких умов, які приводять до самовдосконалення каталізаторів хімічних реакції, тобто до самоорганізації хімічних систем. По суті, йдеться про використання хімічного досвіду живої природи. Це - своєрідна біологізація хімії. Хімічний реактор постає як якась подібність живої системи, для якої характерні саморозвиток і певні риси поведінки. І так, ми бачимо чотири рівні розвитку хімічних знань, або, як прийнято говорити, чотири концептуальні системи, що перебувають у відношеннях ієрархії.
На основі системи хімічних наук складається хімічна картина світу - погляд на природу з точки зору хімії, що визначає при цьому місце і роль хімічних об'єктів і процесів у всьому природному розмаїтті. Її змістом є:
1 Узагальнене знання даної епохи про те, що являють собою об'єкти живої і неживої природи з боку їх хімічного змісту. Сюди входить вчення про розмаїття частинок речовини, про їх хімічну організацію.
2 Уявлення про походження всіх основних типів природних об'єктів, їх природну еволюцію.
3 Залежність хімічних властивостей природних об'єктів від їх структури.
4 Загальні закономірності природних процесів як процесів хімічного руху (взаємодія реагуючих речовин одна з одною і з навколишнім середовищем).
5 Знання про специфічні об'єкти, що синтезуються в практичній діяльності хіміка.
Дата добавления: 2018-05-09; просмотров: 756; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!