2) Вещество и его состав. Понятие химической системы.
Для определения свойств веществ необходимо установить, из каких элементов они состоят, а это предполагает наличие точного понятия химического элемента. Упоминавшееся выше определение Р. Бойлем элемента как «простого тела», а тем более ранние попытки отождествить элементы непосредственно со свойствами и качествами веществ не достигали этой цели. Ни сам Бойль, ни его последователи не имели ясного представления о «простом теле» и потому принимали за него, по сути дела, химическое соединение. Так, например, в XVIII в. железо, медь и другие известные в то время металлы ученые рассматривали как сложные тела, а окалину, получающуюся при их нагревании, — как простое тело. Теперь мы знаем, что окалина, или оксид металла, представляет собой соединение металла с кислородом, т.е. сложное тело.
Ошибочное представление, существовавшее в XVIII в., было навязано ученым господствовавшей в то время ложной гипотезой флогистона, которую впервые выдвинул немецкий врач и химик Г. Шталь (1659—1734). С ее помощью он пытался дать общее объяснение химическим реакциям и для этого предположил, что существует особое невесомое вещество, которое он назвал флогистоном (от греч. — зажигать, гореть). Шталь считал, что металлы состоят из окалины и флогистона, который при нагревании улетучивается, и остается чистый элемент. В состав пчелиного воска и угля, по его мнению, входит преимущественно флогистон, который при горении улетучивается, и в результате остается лишь немного золы.
Эта гипотеза была опровергнута известным французским химиком А. Лавуазье (1743—1794) после открытия кислорода и выявления его
роли в процессах окисления и горения. Он же первый предпринял попытку систематизации открытых к тому времени 33 химических элементов, хотя при этом отнес к ним и некоторые химические соединения (известь, магнезию и др.), и даже теплоту и свет.
Лавуазье считал элементами только такие тела, которые не поддавались в его время реакции разложения. Действительно, с помощью такой реакции можно разложить, например, поваренную соль на составляющие элементы — натрий и хлор: NaCl = Na + С1. Однако он отнес к элементам негашеную известь (окись кальция СаО) и гашеную известь Са(ОН)2, которые являются сложными веществами.
Постепенно химики открывали все новые и новые химические элементы, описывали их свойства и реакционную способность и благодаря этому накопили огромный эмпирический материал, который необходимо было привести в определенную систему. Такие системы предлагались разными учеными, но были весьма несовершенными потому, что в качестве системообразующего фактора брались несущественные, второстепенные и даже чисто внешние признаки элементов.
Великая заслуга Дм.И. Менделеева состоит в том, что, открыв периодический закон, он заложил фундамент для построения подлинно научной системы химических элементов. В качестве системообразующего фактора, или, как он писал, «неизменного общего в изменяемом и частном», он выбрал атомную массу, или атомный вес. В соответствии с атомным весом он расположил химические элементы в систему и показал, что их свойства находятся в периодической зависимости от величины атомного веса. Более того, он предсказал существование шести неизвестных элементов, оставив для них пустые клетки в своей таблице. Впоследствии эти элементы были открыты химиками, и их свойства оказались такими, какие предсказал Менделеев. Благодаря этому его периодическая система получила широкое признание в научном мире.
Дальнейшее развитие науки позволило уточнить, что свойства химических элементов зависят от заряда ядра атомов, который определяется числом протонов или соответственно электронов. Тем самым была решена и проблема химического элемента, которая с XVII в. оставалась предметом многочисленных дискуссий.
В настоящее время химическим элементом называют вещество, все атомы которого обладают одинаковым зарядом ядра, хотя и различаются по своей массе, вследствие чего атомные веса элементов не всегда выражаются целыми числами.
С позиций атомизма решается также проблема химического соединения. Что считать смесью, а что химическим соединением? Обладает ли такое соединение постоянным или переменным составом?
Еще в начале XIX в. по этим вопросам возникла острая дискуссия между известными французскими химиками Ж. Прустом (1754—1826) и К. Бертолле (1748—1822). Пруст считал, что любое химическое соединение должно обладать вполне определенным, постоянным составом, и это свое убеждение сформулировал в виде закона постоянства состава. По его мнению, именно постоянный состав отличает химические соединения от смесей. Впоследствии закон постоянства состава с позиций атомно-молекулярного учения обосновал вьдающийся английский химик Дж. Дальтон (1766—1844). Он утверждал, что всякое индимидуальное вещество — простое или сложное — состоит из мельчайших частиц — молекул, которые, в свою очередь, образованы из атомов. Именно молекулы являются наименьшими частицами, обладающими свойствами вещества. Например, молекула такого простого вещества, как кислород (О2), образована из двух атомов и характеризуется всеми теми свойствами, которые присущи этому веществу. Молекулы сложных веществ, или химических соединений, образованы из разных атомов и поэтому обладают свойствами, отличными от свойств составных частей. Так, например, вода (Н20) представляет собой жидкость, а образована она из двух атомов водорода и одного атома кислорода, веществ, которые в свободном состоянии являются газами. Важно подчеркнуть, что, каким бы способом то или иное химическое соединение ни было получено, оно всегда будет иметь тот же самый состав.
Долгое время закон постоянства химического состава считался абсолютной истиной, не допускающей никаких исключений, хотя уже Бертолле указывал на существование соединений переменного состава и форме растворов и сплавов. Впоследствии были найдены более убедительные доказательства существования химических соединений переменного состава в школе известного русского физикохимика Н.С. Курнакова (1860—1941). В честь К. Бертолле он назвал их бертоллидами. К ним он отнес те соединения, состав которых зависит от способа их получения. Например, соединения таких двух металлов, как марганец и медь, магний и серебро и других, характеризуются переменным составом, но они представляют собой единые химические соединения. Со временем химики открыли другие соединения такого же переменного состава и пришли к выводу, что они отличаются от соединений постоянного состава тем, что не обладают специфическим молекулярным строением. Однако такой вывод оказался неубедительным с точки зрения современных научных представлений о строении атомов и молекул. Было установлено, что постоянство и непостоянство состава химических соединений являются внешней их характеристикой, поэтому и сами нуждаются в дальнейшем анализе. Такой анализ показывает, что природа соединения, т.е. характер взаимосвязи атомов в молекуле, зависит от их химических связей, определяемых обменным взаимодействием валентных электронов. В связи с этим изменилось и само классическое понятие молекулы, хотя основное его содержание сохранилось. Молекулой по-прежнему называют наименьшую частицу вещества, которая определяет его свойства и может существовать самостоятельно. Однако к молекулам теперь относят также разнообразные другие квантово-механические системы (ионные, атомные монокристаллы, полимеры и другие макромолекулы). В них химическая связь осуществляется путем взаимодействия не только внешних, валентных электронов, но и ионов, радикалов и других компонентов.
Таким образом, в свете современных физико-химических представлений исчезает резкое прежнее противопоставление химических соединений постоянного состава, обладающих специфическим молекулярным строением, и соединений переменного состава, лишенных этой специфики. Точно так же теряет силу отождествление химического соединения со сложным веществом или, точнее, молекулой, состоящей из нескольких разных атомов химических элементов. В принципе молекула может состоять и из двух или нескольких атомов одного элемента.