Лекции / 2. Первая концептуальная система химии (учение о составе) Часть 1.(Затомская А

2. Первая концептуальная система химии (учение о составе)

В русле учения о составе с самого начала его формирования в XVII веке и до сих пор решались две важнейшие проблемы - проблема химического элемента и химического соединения.

2.1. Решение проблемы химического элемента

Понятие «химический элемент» возникло в XVII веке. Оно рождалось в острой борьбе с натурфилософскими концепциями элементов-качеств и элементов- принципов. Согласно этим концепциям новые материалы можно было получать не через изменение их химического состава, а путем «прибавления» или «отнятия» элементов- качеств: сухости или влажности, текучести и горючести, блеска или тусклости.

Развитие капиталистического производства в XVI в. потребовало коренных преобразований в способах получения новых материалов. Первые успехи мануфактурного производства кислот и щелочей, фарфора и фаянса, стекла и бумаги, металлических сплавов и других материалов прокладывали путь к индуктивным выводам о существовании конечного числа неких материальных начал как неизменных составных частей всех сложных тел, то есть химических элементов в их сегодняшнем понимании. Появлению этих представлений способствовало развитие естествознания – его подъем на экспериментальный уровень.

В трудах выдающихся историков химии (Шорлеммер, Копп,Энгельс) доказано, что первым ученым-химиком, отчетливо уяснившим различие между химическими элементами и соединениями, был Роберт Бойль (1627-1691), один из авторов «закона Бойля-Мариотта». В 1654 году он ввел понятие анализа состава тел, основываясь на экспериментальном качественном изучении процессов обжига металлов, горения, сухой перегонки древесины, превращения солей кислот и щелочей. В 1661 году в книге «Химик-скептик» он определил элементы как первоначальные и простые, вполне не смешанные тела, «которые

Бойль Роберт (1627–1691) - английский физик и химик. Научная деятельность посвящена обоснованию экспериментального метода в физике и химии и развитию атомистической теории. Ввёл понятие анализа состава тел (1654). В книге «Химик-скептик» (1661) впервые дал определение понятия «химический элемент». Впервые (1663) применил индикаторы для определения кислот и щелочей.

не составлены друг из друга, но представляют те составные части, из которых составлены все так называемые смешанные тела и на которые последние могут быть, в конце концов, разложены». Ф. Энгельс высказал известную мысль о том, что именно «Бойль делает из химии науку». Логичное подтверждение этой мысли состоит в том, что:

• Бойль сумел ввести в химию индуктивный метод;

• Он увидел основную задачу химии в изучении зависимости свойств от состава тел, считая возможным употреблять понятие состава только, когда из веществ, выделенных из данного сложного тела, можно обратно восстановить исходное тело. То есть фактически Р. Бойль принял синтез за критерий правильности анализа;

• Бойль признавал элементы как «инварианты состава»;

• Он выдвинул перед химиками программу изучения реальных химических элементов. Например, вместе с Р. Гуком он поставил задачу раскрыть тайну дыхания и горения.

Дальнейшее освобождение химии от алхимии, реализация программы Бойля по химическому анализу, протекало в рамках первой теории химии – теории флогистона.

Теория флогистона возникла в русле проблемы горения. В 1668 г. немецкий химик и врач И. Бехер (1635-1682) высказал следующую гипотезу о природе горения: во всех телах содержится некое «начало горючести», огонь лишь вызывает его выделение из тела, в результате чего образуются окалина и зола. Немецкий ученый Шталь Г. (1659-1734) развил эту идею в стройную теорию – теорию флогистона (флогистон- «начало горючести»), которая господствовала в конце XVII – первой трети XVIII веков (и даже до 70-х годов XVIII века). По Шталю горение можно изобразить следующей схемой:

горение

Горючее тело Земля + флогистон (Ф)

По Шталю обжиг металла (кальцинация) описывалась схемой:

кальцинация

Металл Металлическая известь + Ф

сложное вещество + уголь простое вещество

почти чистый флогистон

Попытки выяснить, что же представляет собой флогистон, привела к выводу, что флогистон имеет «отрицательный вес».

Теория флогистона была опровергнута в первую очередь благодаря использованию весовых измерений. Так, в 1772 г. французы Гитон де Морво и Розье провели ряд гравиметрических экспериментов, в которых было показано, что: металлы при прокаливании увеличивают вес вследствие присоединения воздуха (Гитон де Морво); скисание вина связано с поглощением воздуха, который превращает спирт в уксусную кислоту (Розье).

В то же время Розье заметил, что при горении серы и фосфора воздух к ним не присоединяется. Последнее утверждение показалось подозрительным А. Лавуазье, который и раньше занимался проблемой физической сущности воздуха в рамках теории флогистона. Лавуазье решил проверить, поглощает ли фосфор при горении воздух. В результате двухмесячных опытов он установил, что и фосфор, и сера при горении образуют кислотные продукты. Следовательно, во всех кислотах (минеральных и органических) присутствует воздух. На основе этих заключений Лавуазье весной 1773 г. сформулировал флогистонную модель газа, согласно которой процессы горения и прокаливания сводятся к расщеплению воздуха с выделением флогистона и соединению «основания связанного воздуха» (ОСВ), то есть самой материальной основой воздуха, со сгораемым телом (S):

S + [ОСВ + Ф] → [S + ОСВ] + Ф

горючее тело, металл

воздух

кислотный продукт горения, металлическая окалина

Лавуазье Антуан Лоран (1743–1794)- французский химик. Один из основоположников классической химии. Ввел в химию строгие количественные методы исследования. Положил начало опровержению (1774) теории флогистона. Получил кислород. Доказал сложный состав атмосферного воздуха, содержащего кислород и «удушливый воздух» (азот). Доказал сложный состав воды, установив, что она состоит из кислорода и водорода. Вместе с К. Л. Бертолле, Л. Б. Гитоном де Морво и А. Ф. Фуркруа разработал принципы новой химической номенклатуры. Заложил основы органического анализа. Впервые высказал мысль о том, что уксусная кислота образуется в результате окисления винного спирта кислородом воздуха. Совместно с П. Лапласом измерил термические константы ряда веществ и теплотворную способность различных топлив. Доказал, что процесс дыхания подобен горению и что образование углекислого газа при дыхании является главным источником теплоты в живом организме.

Таким образом, здесь флогистон содержится не в самом горючем теле, металле, а в воздухе, газе. То есть носителем флогистона стал газ. Кроме того, Лавуазье установил, что при горении поглощался не весь воздух, а только его пятая часть. В 1774 г. Лавуазье познакомился с английским химиком и философом Д. Пристли, который посетил Париж. Пристли рассказал, что разлагая Merkurius calcinatus (HgO) он получил воздух, не растворяющийся в воде, в котором свеча горела удивительно сильным пламенем. В 1775 г. Лавуазье тоже начал разлагать Merkurius calcinatus с помощью и без помощи угля. Он с удивлением обнаружил, что в присутствии угля образуется растворимый в воде газ, а без угля – напротив, нерастворимый. Хотя должно было быть наоборот, ведь уголь очень богат флогистоном (почти чистый флогистон). Да и вообще в этих экспериментах выделялись разные газы.

Следовательно, надо было или отказаться от флогистонной модели газа, или пересмотреть роль угля в процессах восстановления окалины. Лавуазье пошел по второму пути. В результате серии экспериментов 1775-1777 гг. он пришел к следующим выводам: из ртутной окалины при ее нагревании без угля выделяется новый газ, тот самый, который поглощается телом при горении и прокаливании и поглощается при дыхании (он получил название «живительный воздух»). Другой газ, хорошо растворимый в воде, «связанный воздух» - это соединение «живительного воздуха» с углем. Чем больше «живительного воздуха» содержится в теле, тем ярче проявляются кислотные свойства последнего. Отсюда и другое название этого «воздуха» - кислород. В состав воздуха атмосферы, кроме кислорода, входит и «удушающая часть», то есть азот.

Лавуазье своими работами поставил с головы на ноги всю традиционную иерархию составов химических соединений. То, что раньше мыслилось как простое тело, стало рассматриваться как сложное (окалины, кислоты и другое), а то, что казалось сложным (металлы), стало считаться простым. Более того, Лавуазье идет не от наблюдаемых свойств веществ к предполагаемому их составу, а, наоборот, от экспериментально фиксируемого предела делимости сложного тела (пусть и условного) к представлению о том, как реальные элементарные тела влияют на свойства тела. Закон сохранения массы принял у Лавуазье форму закона сохранения элементов. Вместо флогистона, имеющего отрицательную массу, Лавуазье поставил кислород – реальный газ.

Таким образом, Лавуазье завершил коренное преобразование химии, начатое Бойлем, и предложил эмпирико-аналитическое определение элементов. Критерием своего определения он избрал опыт и только опыт, решительно отвергнув внеэмпирические представления об атомах и молекулах.

Лавуазье считал элементами (кроме кислорода, водорода, серы, фосфора, углерода) те вещества, которые не поддавались разложению (известь, магнезия, глинозем, барит и другие). Лавуазье создал одну из первых рациональных классификаций химических соединений, а на ее основе номенклатуру, часть принципов которой сохранились до нашего времени. Классификация Лавуазье основывалась, во-первых, на различиях в элементном составе соединений, во-вторых, на характере их свойств (кислоты, основания, соли, органические вещества). При этом, подобно Бойлю, Лавуазье считает, что свойства определяются их химическим составом.

И ещё несколько слов о теории флогистона. Б.М. Кедров пишет: «хотя теория флогистона впоследствии и оказалась ложной, в ней уже не было прежней алхимической фантастики, не было чуждого науке религиозного оттенка. Это была в полном смысле слова химическая теория, оперировавшая химическими фактами, хотя и превратно истолкованными, и раскрывшая реальные отношения между различными химическими процессами и веществами». «Заслуги» теории флогистона:

• объединила множество химических явлений, раньше казавшихся разнородными (горение, обжиг металлов и т. д.);

• желание выделить флогистон и определить его количественно привело к развитию качественного и созданию количественного анализа; в частности, появились работы, направленные на сочетание объемных и гравиметрических методов;

• в русле теории флогистона появилась пневматическая химия (газовая химия), которая дала новые методы массового и объемного анализа, на базе которых Ф. Лавуазье и М. В. Ломоносов открыли закон сохранения массы реагирующих веществ;

• именно в период развития теории флогистона были открыты Cо (1735, Брандт), Pt (1748, А. де Уллоа), Ni (1751, А. Кронштедт), H (1766, Г. Кавендиш), O (1771-1774, К. Шееле, Дж. Пристли, Лавуазье), N (1772, Д. Резерфорд).