5. Химический элемент.

Периодический закон Д.И. Менделеева.

Флогистон.

Конец ХVII в. в Западной Европе. На примере Швеции весь мир увидел насколько важным для государства является внедрение новых технологий и поддержка научно-технического прогресса. В ХVII в. Академии Наук и университеты финасировались и поддерживались государствами Западной Европы, но только, как предмет престижа и национальной гордости. Но никто не воспринимал науку, как фактор обеспечивающий выживание государства. Швеция, освоив технологию выплавки чугуна, получила возможность вооружить армию легкими, дешевыми и качественными пушками. В результате, половина Европы: Германия, Россия и Польша ничего не могли противопоставить этим пушкам. Освоив за несколько лет схожую технологию, Россия разбила шведскую армию под Полтавой с помощью массированной артиллерийской атаки.

Успехи в металлургии были обеспечены учеными и инженерами. В период 1697-1703 г. немецкий врач Георг Шталь предлагает первую химическую теорию, объясняющую процессы горения и разложения веществ - теорию флогистона (от греч. "флогистос" - горящий, сжигаемый). Согласно гипотезе Шталя, каждое вещество содержит в себе некоторую материальную летучую субстанцию, которая при нагревании, превращается в пламя. Уголь представляет собой неочищенный флогистон, поэтому сгорает без остатка. Если руду положить на горящие угли, то пропитавшись флогистоном, земля превращается в металл. Если наоборот, кусочек металла долго держать в пламени, он теряет флогистон и превращается в землю. Накопленные экспериментальные данные не противоречили этой теории. Из теории флогистона, были сделаны вполне эффективные рекомендации: уголь должен бать, как можно чище, не давать золы и шлака; огонь должен быть как можно более горячим, потому, когда в печь вдували воздух, его стали пропускать через отдельную печь, чтобы он насытился флогистоном (в реальности - повысил температуру); конструкция печи за счет сложного дымохода задерживала флогистированный воздух, не давая ему улетать в трубу, сразу. В результате, температуру в печах удалось поднять до 1500ºС, что позволило заливать дешевое железо (чугун) прямо в форму, вместо дорогой бронзы.

Практические успехи обеспечили существование теории флогистона на 150 лет, хотя основная проблема - выделение флогистона в чистом виде, не была решена. М.В. Ломоносов в попытках выделить флогистон получил водород, который полностью удовлетворял всем требованиям, но было непонятно, откуда, при восстановлении оксидов металлов водородом, берется вода. А. Лавузье, потратив многие годы на изучение процессов горения и поиска флогистона, приходит к выводу, что флогистон, как вещество, в природе не существует. Горение он объясняет присутствием в воздухе некой горючей субстанции, которая соединяется с металлом, образуя землю. Сразу становится понятно, почему увеличивается масса образца.

В 1774 г. Джозеф Пристли открывает кислород и сообщает о своём открытии Лавуазье. В 1775 г. Лавуазье создает полноценную кислородную теорию горения.

Как следствие из этой теории, воздух - это не индивидуальное вещество, а смесь разных газов, один из которых - кислород. Почти одновременно с кислородом открыт азот (Г. Кавендиш, 1772 г.), что подтверждает гипотезу.

Закон сохранения массы.

В 1755 г. путем анализа химических опытов М.В. Ломоносов сформулировал закон сохранения массы. Гипотеза существовала и в Древнем Мире, и в Средневековье, но впервые была подтверждена экспериментально. В дальнейшем, вплоть до создания физики микромира, закон сохранения массы считался истинным и очевидным. Иммануил Кант объявил этот закон постулатом естествознания (1786 г.). Лавуазье в «Начальном учебнике химии» (1789) привёл точную количественную формулировку закона сохранения массы вещества, однако не объявил его каким-то новым и важным законом, а просто упомянул мимоходом, как давно известный и достоверно установленный факт.

Поддержка государством науки и технологии.

В ХVIII в. в европейских университетах естественные науки уже не рассматриваются, как область философии, а приобретают прикладной характер. Государство ставит прикладную задачу, обеспечивает поддержку и финансирование. Некоторые задачи решались почти сразу, другие требовали десятки лет, например, синтез дешевых красителей для тканей. В 1775 г. Франция национализирует производство пороха и под руководством Лавуазье через год увеличивает его производство в 2 раза. По качеству порох становится лучшим в мире, состав 75/10/15 до сих пор не изменился. В 1786г. К. Бертолле вместе с А. Лавуазье изобретают и налаживают фабричное производство пороха на основе хлората калия, который превосходил все известные пороха, на тот момент.

На примере производства пороха, видно, что для государств Западной Европы в ХVIII в. способ увеличения объема производства означал вопрос выживания. Англия завозила селитру из Индии, Швеция обязала крестьян часть налога платить селитрой, в России строились государственные селитряные фермы. Франции пришлось привлечь академиков для обеспечения боеспособности армии. А в США, в момент объявления войны Англии, не было ни запасов пороха, ни пороховых фабрик, ни специалистов по его производству. Чтобы спасти потенциального союзника против Англии, Франция посылает в США братьев Дюпон, которые организовывают производство пороха по французским технологиям.

Уже в ХVIII в. многие научные исследования обходятся очень дорого и не все из них носят прикладной характер. В своих мемуарах А. Лавуазье пишет, что на получение синтетической воды он потратил 2.000.000 экю, что составляло 50 т серебра или 2,5 т золота.

Для коммуникации между учеными и инженерами приходится разрабатывать систему общепризнанных понятий и терминов. В 1786 году, благодаря учебнику Лавуазье, появляется "химический язык", первые научные названия химических веществ. Четыре французских химика - Луи Гитон де Морво, Антуан Лавуазье, Клод Бертолле и Антуан Фуркруа - разделяют все известные им химические элементы на металлы и неметаллы и относят соединения металлов с кислородом к основаниям, а соединения неметаллов с кислородом - к кислотам. Вещества, получающиеся при взаимодействии кислот и оснований, были названы солями.

Наука разделяется на отдельные, независимые друг от друга направления, которые отдельно финансируются и для которых отдельно определяются задачи и цели. Часто получается, что для решения очень актуальных проблем не успевают придумать и выделить специальную науку. В 1776 г. Шееле устанавливает химический состав камней в почках - кальциевая соль мочевой кислоты. Очевидно, что для лечения мочекаменной болезни нужно найти вещество, которое растворяет эти соли. Но этим некому заниматься. Задача Шееле, как химика - искать новые вещества, задача врача - выписывать рецепты из тех препаратов, которые есть в аптеке, задача аптекаря - приготовить препарат строго по инструкции, указанной в последнем издании фармакопеи. Здесь нужен фармаколог, но нет такой профессии и такой науки. Как только в университетах появляются кафедры фармакологии, в начале ХХ в. такое вещество найдено - соли лития, которые используют в урологии до сих пор.

Открытие хлора (Д. Пристли 1772 г.) заметно ускоряет научно-технический прогресс, так как применение жавелевой воды для отбеливания, резко снижает стоимость не только тканей, но и бумаги. Цены на книги падают в десятки раз и начинают выходит научные журналы. До этого времени, ученые обменивались между собой письмами. Возникновение периодики на порядок увеличивает поток информации, кроме того, в отличие от писем, журналы тиражируются и поступают в библиотеки.

Из-за проблем стандартизации параметров химической продукции и сырья, вопрос об однородности химических элементов стал особенно интересен. Вплоть до конца ХVIII в. было неясно, будет ли отличаться металл по качеству, если его получать разными способами и из разного сырья. Если железо получается низкого качества, что нужно делать - искать другую руду или изменить технологию выплавки?

Ж. Пруст в 1801г. формулирует закон постоянства состава: любое определенное химически чистое соединение, независимо от способа его получения, состоит из одних и тех же химических элементов, причем отношения их масс постоянны, а относительные числа их атомов выражаются целыми числами.

Именно с момента принятия этого закона, появляется химия, как наука в современном понимании этого термина.

Предпосылки создания периодического закона.

В 1802 г. Д. Дальтон публикует в работе «Новый курс химической философии» основные положения атомной теории:

1. Атомы любого элемента отличны от всех других, причем характерной чертой является их относительная атомная маса.

2. Все атомы данного элемента идентичны.

3. Атомы различных элементов могут соединяться, образуя химические соединения, причем каждое соединение всегда имеет одинаковое соотношение атомов в своем составе.

4. Атомы нельзя создать заново, разделить на более мелкие частицы, уничтожить путем каких-либо химических превращений. Любая химическая реакция просто изменяет порядок группировки атомов.

Как только появляется идея об однородности элементов, делаются попытки их классификации. В период 1814-1826 гг. Я. Берцелиус определил состав более чем двух тысяч соединений и рассчитал атомные массы 45 химических элементов. Берцелиус также ввёл современные обозначения химических элементов и первые формулы химических соединений.

В качестве эталона атомной массы принимается водородная и кислородная единицы. Используя гальванические батареи, в начале ХIХ в. открывают десятки новых элементов.

Была отмечена некоторая схожесть в свойствах элементов, их разделяли на группы. Были попытки найти некоторую периодичность, при сортировке элементов по атомным массам. Первой общей схемой была “винтовая линия” А. де Шанкуртуа – профессора Парижской горной школы в 1860 г. На поверхность цилиндра, разделённого на 16 вертикальных полос (в соответствии с атомной массой кислорода) под углом в 45 наносится линия, идущая от вершины к основанию. При таком расположении, сходные по свойствам элементы попадают на одну вертикаль. Но при этом наблюдаются необъяснимые исключения: марганец попадает в группу щелочных метал лов, а железо – щелочноземельных. И такая схема не позволяла предсказать свойства, ещё не открытых элементов. Многими химиками того времени была отмечена периодичность свойств через 8 элементов, но предложить общую закономерность никому не удавалось. Юлиус Мейер в 1864 г. опубликовал в своей книге “Современные теории химии, их значение для химической статики” нечто похожее на таблицу Менделеева: 6 столбиков, в которых расположил схожие по свойствам элементы, в порядке увеличения их атомных масс. Из 63, известных в то время элементов, он взял 44, а остальные, выбросил, чтобы не портить общей картины. Такой подход не дал возможности вывести общий закон и, не позволил предсказать свойства ещё не открытых элементов. Вюрц также рассортировал элементы по группам, но общий закон не вывел.

В отличие от Мейера, он не претендовал на авторство открытия периодического закона, что признавал не только на публике, но и в личной переписке с Менделеевым.

Периодический закон Д.И. Менделеева.

Еще до открытия периодического закона, Д.И. Менделеев был ученым с мировым именем. В 1860 г. когда на конгресс по номенклатуре химических соединений в Карлсруэ было решено пригласить 130 ведущих химиков со всего мира, из России пригласили 7 ученых, одним из которых был Менделеев.

Первая публикация таблицы Менделеева была 1 марта 1969 г. В течение 2 лет была проделана дополнительная работа и отмечена возможность предсказания свойств ещё не открытых элементов. Методом интерполяции были предсказаны не только химические, но и физические свойства скандия (экабор), галлия (экаалюминий) и германия (экасилиций). В 1875 г. был открыт галлий, подтвердились предсказанные свойства, что потрясло научное сообщество того времени. Уже в 1879 г. был открыт скандий, а в 1886 г. – германий, причём предсказание Менделеева помогло совершить это открытие. Открытие периодического закона разделило понятие элемента и простого вещества, до этого аллотропные вещества считали различными элементами со схожими атомними массами. Примером является попытка получить сверхпрочную сталь восстановлением из оксида железа не углем, а алмазами.

Философское значение периодического закона.

Пустые клетки в таблице Менделеева стимулируют поиск новых элементов. Каждый химик понимает, что даже если новый элемент не представляет из себя ничего интересного в плане практического применения, имя первооткрывателя навсегда останется в истории, как это было с А. Ж. Баларом, открывшего бром.

Опыт показал, что неинтересных элементов нет. Каждый элемент позволяет придумать новейшую уникальную технологию, в которой он абсолютно незаменим. Без магния в ХIХ в. не было бы фотографии, без бериллия - пулемета, без никеля - броневой стали.

По аналогии с химией, в других научных областях идут поиски первоэлементов для получения структурной модели. Как только это удается, накопленные данные выстаиваются в единую картину и дисциплина начинает развиваться значительно быстрее. Например, теория А.М. Бутлерова в органической химии, теория кварков в ядерной физике.

Критический рационализм.

Периодический закон Д.И. Менделеева, с точным предсказанием свойств не открытых ещё элементов и корректировками, по мере переосмысления накопленных данных своей формулировки, является очень ярким и наглядным примером иллюстрации подтверждения идей критического рационализма, принятого большинством ученых-естествоиспытателей в ХХв.

Ключевым понятием критического рационализма является фальсифицируемость, то есть потенциальная опровержимость. Критический рационализм придерживается того, что научные теории могут и должны рационально критиковаться, и если они имеют эмпирическое содержание, то должны быть подвергнуты эксперименту, который может опровергнуть их.

Таким образом, знания являются научными тогда, и только тогда, когда они потенциально опровержимы. Если знание потенциально опровержимо, имеет значение, опровергнуто оно или нет.

Даже очень большое число подтверждающих фактов в отношении того или иного утверждения, полученного путём индуктивного обобщения, делает его лишь весьма вероятным, но всё-таки не твёрдо достоверным. При этом достаточно одного, но вполне бесспорного, опровергающего факта для того, чтобы это индуктивное обобщение было отброшено, как негодное. Проверка научной осмысленности, а затем и истинности научных теорий должна осуществляться не через их подтверждение, а преимущественно (или даже исключительно) через их опровержение.

Так, зоологи долгое время считали, что лебедь может быть только белым. Открытие новых видов подтверждало эту гипотезу до тех пор, пока в Австралии не нашли черного лебедя. После этого стало ясно, что гипотеза не только ничего не стоит, но и ничего не стоила раньше, хотя подтверждалась всеми накопленными фактами.

Позиции критического рационализма жестко отделяют науку от религии. Религиозные догматы не могут быть подвергнуты критике, а поиск их опровержения является еретической, антицерковной деятельностью. И наоборот, вера в научеую идею, количество верующих, принесение жертвы ради этой идеи, никак не подтверждают и не опровергают её истинность.

Вопросы.

21. Англия в ХVIII в. завозила из колоний большое количество сырья и полуфабрикатов для переработки в готовые продукты и товары на фабриках. Почему не были построены фабрики в колониях, если рабочая сила там была в 5-20 раз дешевле, и прибыль была бы значительно выше?

22. Что такое "флогистон"?

23. Кто впервые сформулировал закон сохранения материи?

24. Как формулируется закон постоянства состава Д. Пруста?

25. Запишите периодический закон Д.И. Менделеева в первоначальной и современной формулировке.

* Самые лучшие печи в ХVIII в. не давали температуру выше 1500ºС. Антуан Лавуазье сумел получить 2500ºС. Как ему это удалось?

* В ХVIII в. в Англии китайский фарфор стоил дороже золота. Почему не было даже попыток выкрасть технологию его изготовления или завербовать мастеров, как это было сделано с бумагой и шелком?

* Существуют ли химические элементы, которые не подчиняются Периодическому закону в современной формулировке?