Основные этапы развития химических знаний

Вещество как объект химии; базовые законы химии: закон сохранения массы веществ, закон кратных отношений, закон постоянства состава.

Химию можно определить как науку о строении, составе и функционировании (механизмах превращений) одного из многочисленных уровней структурирования вещества. Этот уровень охватывает материальные объекты, диаметр которых лежит в интервале от десятков пикометров до сотен метров.

Химия нужна человечеству для того, чтобы из природных веществ изготавливать материалы со свойствами, необходимыми для повседневной жизни и производства. Поэтому все химические знания, приобретенные за многие столетия и представленные в виде теорий, законов, методов, технологий, объединяет главная задача химии - создание технологий изготовления веществ с заданной совокупностью свойств. Но это - производственная задача, и, чтобы ее реализовать, нужно уметь из одних веществ синтезировать другие, т. е. осуществлять качественные и количественные преобразования систем. А поскольку качество - это совокупность свойств вещества, то необходимо знать, от чего зависят эти свойства. Иначе говоря, чтобы решить названную производственную задачу, химия должна справиться с теоретической проблемой генезиса (происхождения) свойств вещества. Таким образом, базисом химии является двуединая проблема - изготовление веществ с заданной совокупностью свойств (на достижение ее направлена производственная деятельность человека) и выявление способов, позволяющих технологически управлять этими свойствами (на реализацию этой задачи направлена научно-исследовательская работа ученых).

В общем виде основной вопрос химии - выявление факторов, определяющих условия образования веществ, и факторов, формирующих их свойства, которые подразделяются на внутренние и внешние. К внутренним факторам относятся качественный и количественный состав веществ, а также их строение, а к внешним - изменение параметров состояния систем. При этом физические свойства веществ можно рассматривать как результат их взаимодействия с внешними полями, а химические - как результат изменения параметров состояния системы (например, при повышении температуры или давления) или как результат взаимодействия с партнером по реакции.

Химия как наука относится к одним из молодых разделов естествознания. В качестве ее исходной базы часто называют алхимию, которая ставила своей задачей поиск «философского камня», способного превращать различные вещества (в том числе металлы) в золото, ятрохимию (медицинскую химию), целью которой было создание лекарственных препаратов, а также металлургию. Однако использование человечеством химических процессов началось гораздо раньше и было связано с изготовлением керамики, красителей, обработкой тканей и кожи, выплавкой металлов и т. д., т. е. с созданием тех или иных ремесел, которые отличаются от науки отсутствием теоретических концепций и базируются на совокупности последовательных действий, обоснованность которых подтверждается опытом.

Необходимо отметить, что указанные выше предшественники химии, несмотря на абсурдность ряда своих целей, задач и концепций, сыграли определенную роль в ее становлении, так как в их рамках был разработан ряд методов синтеза и очистки веществ, а также методов их идентификации, описаны некоторые кислоты, основания, оксиды, соли и органические вещества и т. д.

Главной проблемой в формировании химических знаний был вопрос о веществе и его свойствах. Дело в том, что в основе алхимии и ятрохимии лежало учение Аристотеля, согласно которому базой мироздания служат свойства, комбинацией которых можно изготовить любое вещество. При этом под термином «вещество» в то время подразумевался материал, т. е. любой объект, из которого можно изготовить то или иное изделие.

Понятие вещества

Первым шагом в формировании современного представления о веществе можно считать гипотезу Роберта Бойля (1661 г.), согласно которой первичными объектами являются вещества, обладающие той или иной совокупностью свойств. В свою очередь, вещества образованы неделимыми частицами (minima naturalia), которые не могут быть обнаружены с помощью наших органов чувств, в натурфилософии древних греков им соответствует понятие атом (т. е. неделимый). Эти частицы, по Бойлю, могут объединяться в кластеры, совокупность которых и есть реальные физические тела. Он также вводит понятия «простое» и «сложное» вещество. При этом сложное вещество, согласно гипотезе, можно разделить на простые, а при соединении простых веществ можно изготовить сложное. Также важным пунктом данной гипотезы было положение о постоянстве свойства чистого вещества и переменных свойствах смесей.

Закон сохранения массы

Вторым важным шагом в понимании химических процессов стало открытие закона сохранения массы веществ системы в процессе протекания химической реакции: масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции (М. В. Ломоносов, 1748 г.). Закон являлся обобщением экспериментальных данных по процессам окисления различных металлов кислородом воздуха в запаянных сосудах.

В XX в. было доказано, что этот закон не совсем верен, так как масса (т) и энергия (?) связаны друг с другом уравнением Эйнштейна:

Так как любой химический процесс сопровождается изменением энергии системы, то суммарные массы прекурсоров и продуктов реакции не могут быть одинаковыми. Однако коэффициентом пропорциональности в уравнении Эйнштейна является с2 - скорость света, т. е. очень большая величина. Поэтому даже немалый тепловой эффект химической реакции (порядка 1000 кДж/моль) способен только незначительно изменить массу системы:

Ат = 1 г, что соответствует изменению энергии системы на 9 • 1010 кДж.

Несмотря на то что с теоретической точки зрения закон не верен, он на долгие годы стал основой для расчета различных химических процессов и явился косвенным подтверждением гипотезы Бойля.

Таким образом, законом сохранения массы веществ можно пользоваться для реакций, протекающих с небольшими тепловыми эффектами. На основании этого закона проводятся все расчеты по уравнениям химических реакций.

Закон кратных отношений

Решающий шаг в формировании химии как науки был сделан Джоном Дальтоном (1803 г.), открывшим закон кратных отношений: если два элемента образуют между собой несколько соединений, то массовые количества одного элемента, соединяющиеся с одним и тем же массовым количеством другого, относятся между собой как небольшие целые числа. Это означает, что для перехода, например, от одного оксида азота к другому к исходному веществу необходимо добавить строго определенную массу кислорода, что доказывает дискретность вещества, т. е. правильность основных выводов гипотезы Р. Бойля:

N20 N202 (N0) n2o3 N204 (N02) n2o5

  • 28/16 28/32 28/48 28/64 28/80
  • 16/16 = 1 32/16 = 2 48/16 = 3 64/16 = 4 80/16 = 5

Таким образом, соотношение атомов кислорода в молекулах этих соединений, приходящихся на два атома азота, выглядит как 1 : 2 : 3 : 4 : 5.

Закон постоянства состава

Вслед за этим разрешился и спор по второму положению гипотезы Бойля, которое касалось постоянства свойств чистого вещества. Для доказательства этого положения не хватало только одного - определения, какое вещество может быть названо «чистым». В результате дискуссии между Ж. Прустом и К. Л. Бертолле (1801- 1806 гг.), посвященной вопросу о том, какие объекты должны быть отнесены к химическим соединениям, к простым веществам и к смесям, Ж. Прустом был предложен закон постоянства состава, который определял индивидуальное химическое соединение как систему, обладающую, в отличие от смеси, постоянным количественным и качественным составом, который не зависит от способа ее получения. Этот вывод был сделан Прустом на основе изучения состава и свойств целого ряда веществ, синтезированных различными методами. Теоретическим же обоснованием закона Пруста стал закон кратных отношений Дальтона.

Развивающее задание: самостоятельно определите границы применимости и практическое значение всех рассмотренных в данной главе законов.

Однако современные исследования показывают, что закон Пруста безоговорочно применим только к молекулярным веществам, представляющим собой совокупность молекул, между которыми образуются межмолекулярные связи. При этом в состав молекул вещества должен входить только один изотоп каждого из атомов элементов, образующих молекулу. Например, в воде соотношение масс водорода и кислорода m(2H) : т(0) = 1 : 8, а в тяжелой воде - m(2D) : m(0) = 1:4, так как масса дейтерия в два раза больше массы протия.

Во всех остальных случаях индивидуальные вещества имеют переменный количественный состав, параметры которого зависят от способа их получения и параметров системы. Соединения переменного состава (нестехиометрические соединения), представления о составе которых не регламентируются законами кратных отношений и постоянства состава, называются бертоллидами в честь К. Л. Бертолле. К бертоллидам относятся как многие бинарные соединения: интерметаллиды, оксиды, сульфиды, карбиды, гидриды и т. д., так и более сложные по составу вещества. Например, состав оксидов Fe(II), Co(II), Ni(II) не ЭО, а Э^О, кристаллические галогениды s- и некоторых d-элементов имеют дефекты в анионной подрешетке, например NaCl^, и т. д. В то же время все молекулярные вещества (имеют постоянный качественный и количественный состав, не зависящий от способа их получения) в отличие от бертоллидов было предложено называть дальтони- дами. Но сегодня необходимость в этом термине отпала, так как понятие «молекулярное вещество» включает в себя и положение о постоянстве состава.

В течение последующих 50 лет произошло разделение двух понятий: атом и элемент. Первое означало отдельную неделимую частицу определенного вида, а второе - совокупность атомов определенного вида, реальной формой которой считалось простое вещество (вещество, образованное из одинаковых атомов). Именно эта терминология (связанная с понятиями атома и элемента) использована в дальнейших теоретических концепциях и обобщениях (периодический закон, теория Бутлерова и т. д.). Необходимо подчеркнуть, что по мере развития представлений о строении атомов и вещества указанный смысл этих терминов изменился, на это следует обратить внимание при изучении последующих разделов учебника.

Вопросы и задания для самоконтроля

  • 1. Приведите формы существования материи и опишите их свойства.
  • 2. Раскройте основные характеристики и свойства элементарных частиц.
  • 3. Соотнесите понятия «естествознание» и «естественные науки».
  • 4. Выделите основные уровни структурирования материи.
  • 5. Что такое «наночастицы»?
  • 6. Какие элементарные частицы входят в состав атома?
  • 7. Приведите классификации элементарных частиц по массе, заряду, времени жизни и спину.
  • 8. Сформулируйте основные законы химии и укажите границы их применения.
  • 9. В чем отличие дальтонидов от бертоллидов?
  • 10. Для каких типов соединений характерно образование дальтонидов, а для каких - бертоллидов?
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >