Развитие химии в XVII – XIX века

РАЗВИТИЕ ХИМИИ в XVII – XIX века.

Основные этапы развития химии в XVII – XIX века.

1. Период становления  (объединения): XVII – XVIII вв.  
В период становления химии как науки происходит её полная рационализация. Химия освобождается от натурфилософских и алхимических взглядов на элементы как на носители определённых качеств. Наряду с расширением практических знаний о веществе начинает вырабатываться единый взгляд на химические процессы и в полной мере использоваться экспериментальный метод. Завершающая этот период химическая революция окончательно придаёт химии вид самостоятельной науки, занимающейся экспериментальным изучением состава тел.  
2. Период количественных законов (атомно-молекулярной теории): 1789 – 1860 гг.  
Период количественных законов, ознаменовавшийся открытием главных количественных закономерностей химии – стехиометрических законов, и формированием атомно-молекулярной теории, окончательно завершает превращение химии в точную науку, основанную не только на наблюдении, но и на измерении.  
3. Период классической химии: 1860 г. – конец XIX в.  
Период классической химии характеризуется стремительным развитием науки: создаётся периодическая система элементов, теория валентности и химического строения молекул, стереохимия, химическая термодинамика и химическая кинетика; блестящих успехов достигают прикладная неорганическая химия и органический синтез.  В связи с ростом объёма знаний о веществе и его свойствах начинается дифференциация химии – выделение её отдельных ветвей, приобретающих черты самостоятельных наук.

Химия как научная дисциплина.

С 1670 по 1800 года химия получила официальный статус в учебных планах ведущих университетов наряду с натурфилософией и медициной. В 1675 году появился учебник Николя Лемери (1645-1715 года) Курс химии, завоевавший огромную популярность, в свет вышло 13 его французских изданий, а кроме того, он был переведен на латинский и многие другие европейские языки. В 18 веке в Европе создаются научные химические общества и большое количество научных институтов; проводимые в них исследования тесно связаны с социальными и экономическими потребностями общества. Появляются химики-практики, занимающиеся изготовлением приборов и получением веществ для промышленности.

 
Теория флогистона.

В сочинениях химиков второй половины 17 века большое внимание уделялось толкованиям процесса горения. По представлениям древних греков, все, что способно гореть, содержит в себе элемент огня, который высвобождается при соответствующих условиях. В 1669 году немецкий химик Иоганн Иоахим Бехер (1635-1682 года) попытался дать рационалистическое объяснение горючести. Он предположил, что твердые вещества состоят из трех видов "земли", и один из видов, названный им "жирной землей", принял за "принцип горючести". Последователь Бехера немецкий химик и врач Георг Эрнст Шталь (1659-1734 года) трансформировал концепцию "жирной земли" в обобщенную доктрину флогистона - "начала горючести". Согласно Шталю, флогистон - это некая субстанция, содержащаяся во всех горючих веществах и высвобождающаяся при горении. Шталь утверждал, что ржавление металлов подобно горению дерева. Металлы содержат флогистон, а ржавчина (окалина) уже не содержит флогистона. Это давало приемлемое объяснение и процессу превращения руд в металлы: руда, содержание флогистона в которой незначительно, нагревается на древесном угле, богатом флогистоном, и последний переходит в руду. Уголь же превращается в золу, а руда - в металл, богатый флогистоном. К 1780 году теория флогистона была принята химиками почти повсеместно, хотя и не отвечала на очень важный вопрос: почему железо при ржавлении становится тяжелее, хотя флогистон из него улетучивается? Химикам 18 веке это противоречие не казалось столь важным; главное, по их мнению, было объяснить причины изменения внешнего вида веществ. В 18 веке работало много химиков, чья научная деятельность не укладывается в обычные схемы рассмотрения этапов и направлений развития науки, и среди них особое место принадлежит русскому ученому-энциклопедисту, поэту, поборнику просвещения Михаилу Васильевичу Ломоносову (1711-1765 года). Своими открытиями Ломоносов обогатил почти все области знания, и многие его идеи более чем на сто лет опередили науку того времени. В 1756 году Ломоносов провел знаменитые опыты по обжиганию металлов в закрытом сосуде, которые дали неоспоримое доказательство сохранения вещества при химических реакциях и роли воздуха в процессах горения: наблюдаемое увеличение веса при обжигании металлов еще до Лавуазье он объяснял соединением их с воздухом. В противоположность господствовавшим представлениям о теплороде он утверждал, что тепловые явления обусловлены механическим движением материальных частиц. Упругость газов он объяснял движением частиц. Ломоносов разграничивал понятия "корпускула" (молекула) и "элемент" (атом), что получило всеобщее признание лишь в середине 19 веке Ломоносов сформулировал принцип сохранения материи и движения, исключил флогистон из числа химических агентов, заложил основы физической химии, создал при Петербургской АН в 1748 году химическую лабораторию, в которой проводились не только научные работы, но и практические занятия студентов. Обширные исследования проводил он в смежных с химией областях знания - физике, геологии и др.

 
Пневматическая химия.

Недостатки теории флогистона наиболее ясно выявились в период развития т.н. пневматической химии. Крупнейшим представителем этого направления был Р.Бойль: он не только открыл газовый закон, носящий теперь его имя, но и сконструировал аппараты для собирания воздуха. Химики получили важнейшее средство для выделения, идентификации и изучения различных "воздухов". Важным шагом было изобретение английским химиком Стивеном Хейлзом (1677-1761 года) "пневматической ванны" в начале 18 века. - прибора для улавливания газов, выделяющихся при нагревании вещества, в сосуд с водой, опущенный вверх дном в ванну с водой. Позже Хейлз и Генри Кавендиш (1731-1810 года) установили существование неких газов ("воздухов"), отличающихся по своим свойствам от обычного воздуха. В 1766 году Кавендиш систематически исследовал газ, образующийся при взаимодействии кислот с некоторыми металлами, позже названный водородом. Большой вклад в изучение газов внес шотландский химик Джозеф Блэк (1728-1799 года). Он занялся исследованием газов, выделяющихся при действии кислот на щелочи. Блэк установил, что минерал карбонат кальция при нагревании разлагается с выделением газа и образует известь (оксид кальция). Выделившийся газ (углекислый газ - Блэк назвал его "связанным воздухом") можно было вновь соединить с известью и получить карбонат кальция. Среди прочего, это открытие устанавливало неразрывность связей между твердыми и газообразными веществами. 

Химическая революция.

  Больших успехов в выделении газов и изучении их свойств достиг Джозеф Пристли (1733-1804 года) - протестантский священник, увлеченно занимавшийся химией. Близ Лидса (Англия), где он служил, находился пивоваренный завод, откуда можно было получать в больших количествах "связанный воздух" (теперь мы знаем, что это был диоксид углерода) для проведения опытов. Пристли обнаружил, что газы могут растворяться в воде, и попытался собирать их не над водой, а над ртутью. Так он сумел собрать и изучить оксид азота, аммиак, хлороводород, диоксид серы (конечно, это их современные названия). В 1774 году Пристли сделал самое важное свое открытие: он выделил газ, в котором вещества горели особенно ярко. Будучи сторонником теории флогистона, он назвал этот газ "дефлогистированным воздухом". Газ, открытый Пристли, казался антиподом "флогистированного воздуха" (азота), выделенного в 1772 году английским химиком Даниэлом Резерфордом (1749-1819 года). В "флогистированном воздухе" мыши умирали, а в "дефлогистированном" были весьма активным. (Следует отметить, что свойства газа, выделенного Пристли, еще в 1771 году описал шведский химик Карл Вильгельм Шееле (1742-1786 года), но его сообщение по небрежности издателя появилось в печати лишь в 1777 году.) Великий французский химик Антуан Лоран Лавуазье (1743-1794 года) сразу же оценил значение открытия Пристли. В 1775 году он подготовил статью, где утверждал, что воздух не простое вещество, а смесь двух газов, один из них - "дефлогистированный воздух" Пристли, который соединяется с горящими или ржавеющими предметами, переходит из руд в древесный уголь и является необходимым для жизни. Лавуазье назвал его oxygen, кислород, т.е. "порождающий кислоты". Второй удар по теории элементов-стихий был нанесен после того, как выяснилось, что вода - это тоже не простое вещество, а продукт соединения двух газов: кислорода и водорода. Все эти открытия и теории, покончив с таинственными "стихиями", повлекли за собой рационализацию химии. На первый план вышли только те вещества, которые можно взвесить или количество которых можно измерить каким-то иным способом. В течение 80-х годов 18 в. Лавуазье в сотрудничестве с другими французскими химиками - Антуаном Франсуа де Фуркруа (1755-1809 годах), Гитоном де Морво (1737-1816 годах) и Клодом Луи Бертолле (1748-1822 годах) - разработал логическую систему химической номенклатуры; в ней было описано более 30 простых веществ с указанием их свойств. Этот труд, Метод химической номенклатуры, был опубликован в 1787 году. Переворот в теоретических взглядах химиков, который произошел в конце 18 веке в результате быстрого накопления экспериментального материала в условиях господства теории флогистона (хотя и независимо от нее), обычно называют "химической революцией".

 
Состав веществ и их классификация.

Успехи Лавуазье показали, что применение количественных методов может помочь в определении химического состава  веществ и выяснении законов  их объединения. 

Атомная теория.

Английский химик Джон Дальтон (1766-1844), подобно древним атомистам, исходил из представления о корпускулярном строении материи, но, основываясь на понятии химических элементов Лавуазье, принял, что "атомы" (этот термин Дальтон  сохранил как дань уважения к Демокриту) данного элемента одинаковы и характеризуются кроме других свойств тем, что обладают определенным весом, который он назвал атомным. Дальтон обнаружил, что два элемента могут соединяться друг с другом в различных соотношениях и каждая новая комбинация элементов дает новое соединение. В 1803 эти результаты были обобщены в виде закона кратных отношений. В 1808 вышел труд Дальтона Новая система химической философии, где он подробно изложил свою атомную теорию. В том же году французский химик Жозеф Луи Гей-Люссак (1778-1850) опубликовал предположение о том, что объемы газов, вступающих в реакцию друг с другом, относятся между собой как простые кратные числа (закон объемных отношений). К сожалению, Дальтон не сумел увидеть в выводах Гей-Люссака ничего, кроме помехи для разработки своей теории, хотя эти выводы могли бы стать очень плодотворными в определении относительных атомных весов.

 
Химическое сродство.

В течение всего 17 в. химики, рассуждая  о "сродстве" - тенденции атомов к образованию соединений, - следовали идеям Бехера и Шталя, которые классифицировали все вещества в соответствии с их способностью реагировать со специфическими кислотами. Исследование сродства и состава различных типов веществ пошло по другому руслу в начале 19 в. с открытием нового аналитического метода. В 1807 английский химик Хамфри Дэви (1778-1829) пропустил электрический ток, получаемый от батареи из 250 металлических пластин, через расплавленный поташ (карбонат калия) и получил маленькие шарики металла, впоследствии названного калием, а затем таким же способом выделил из соды натрий. Дэви предположил, что химическое сродство сводится к электризации атомов при контакте. Шведский химик Йенс Якоб Берцелиус (1779-1848) уточнил и развил представление об атоме и электрическом сродстве, предложив первую концепцию химического взаимодействия - электрохимическую теорию. Берцелиус полагал, что, поскольку соли в растворе под действием электрического тока разлагаются на отрицательные и положительные компоненты, все соединения должны состоять из положительных и отрицательных частей - радикалов (дуалистическая теория Берцелиуса). Кислород - самый электроотрицательный элемент, и те элементы, которые образуют с ним соединения со свойствами оснований, электроположительны, а те, которые образуют вещества с кислотными свойствами, - электроотрицательны. В соответствии с этим Берцелиус получил шкалу элементов, первым членом которой был кислород, затем шли сера, азот, фосфор и т.д. с переходом через водород к натрию, калию и другим металлам. К 1840-м годам, однако, стало ясно, что электрохимическая теория не может объяснить существование простых двухатомных молекул (например, O2 и H2) или реакцию замещения водорода (положительное сродство) хлором (отрицательное сродство).

 
Классификация по атомному весу.

Со времен Дальтона до 1860 в химии  не было точного определения понятия  атомного веса. Система, основанная на "эквивалентных весах", предложенная английским химиком Уильямом Волластоном (1766-1828 года), опиралась на соотношения, в которых элементы могли объединяться, и каждый химик мог составить собственный список атомных весов. Не существовало никакой отправной точки для создания системы элементов и никакого соглашения о том, как выражать состав соединений. В 1860 годуна первом Международном химическом конгрессе в Карлсруэ (Германия) итальянский химик Станислао Канниццаро (1826-1910 года) вновь вернул к жизни забытую гипотезу своего соотечественника Амедео Авогадро (1776-1856 года), который, основываясь на открытии Гей-Люссаком закона объемных отношений, предположил, что равные объемы газов содержат одинаковое число молекул. Канниццаро утверждал, что с помощью гипотезы Авогадро можно разграничить понятия "атомный вес" и "молекулярный вес" для газообразных элементов и внести ясность в вопрос об атомных весах вообще. В 1869 году великий русский химик Дмитрий Иванович Менделеев, присутствовавший на конгрессе в Карлсруэ и слышавший доклад Канниццаро, опубликовал свою периодическую таблицу. Все известные элементы он расположил в соответствии с увеличением их атомного веса и разбил на периоды и группы, отвечающие изменению валентности. В таблице были оставлены пустые места для еще неоткрытых элементов; некоторым из них Менделеев даже присвоил названия (экабор, экаалюминий и экакремний; приставка "эка" означает "одно и то же"). Замечательная точность периодического закона была продемонстрирована открытиями галлия в 1875, идентичного по своим свойствам экаалюминию, скандия (экабора) в 1879 и германия (экакремния) в 1886 году.

 
Органическая химия.

В течение всего 18 веке в вопросе о химических взаимоотношениях организмов и веществ ученые руководствовались доктриной витализма - учения, рассматривавшего жизнь как особое явление, подчиняющееся не законам мироздания, а влиянию особых жизненных сил. Этот взгляд был унаследован и многими учеными 19 веке, хотя его основы были поколеблены еще в 1777 году, когда Лавуазье предположил, что дыхание - процесс, аналогичный горению. Первые экспериментальные свидетельства единства неорганического и органического мира были получены в начале 19 веке. В 1828 году немецкий химик Фридрих Велер (1800-1882 года), нагревая цианат аммония (это соединение безоговорочно причислялось к неорганическим веществам), получил мочевину - продукт жизнедеятельности человека и животных. В 1845 году Адольф Кольбе (1818-1884 года), ученик Велера, синтезировал уксусную кислоту из исходных элементов - углерода, водорода и кислорода. В 1850-е годы французский химик Пьер Бертло (1827-1907 года) начал систематическую работу по синтезу органических соединений и получил метиловый и этиловый спирты, метан, бензол, ацетилен. Систематическое исследование природных органических соединений показало, что все они содержат один или несколько атомов углерода и очень многие - атомы водорода. В результате всех этих исследований немецкий химик Фридрих Август Кекуле (1829-1896 года) в 1867 году определил органическую химию как химию соединений углерода. Новый подход к органическому анализу был обобщен немецким химиком Юстусом Либихом (1803-1873 года) - создателем знаменитой исследовательской и учебной лаборатории в Гисенском университете. В 1837 году Либих вместе с французским химиком Жаном Батистом Дюма (1800-1884 года) уточнил представление о радикале как о специфической неизменной группе атомов, входящей в состав многих органических соединений (пример - метильный радикал CH3). Становилось ясно, что определить строение больших молекул можно, лишь установив строение определенного числа радикалов. 

Теория типов.

Открытие и выделение огромного  числа сложных углеродсодержащих  соединений остро поставили вопрос о составе их молекул и привели  к необходимости ревизовать существующую систему классификации. К 1840-м годам ученые-химики осознали, что дуалистические идеи Берцелиуса применимы только к неорганическим солям. В 1853 году была предпринята попытка классифицировать все органические соединения по типам. Обобщенная "теория типов" была предложена французским химиком Шарлем Фредериком Жераром (1816-1856 года), который полагал, что объединение различных групп атомов определяется не электрическим зарядом этих групп, а их специфическими химическими свойствами. Жерар выделил четыре основных типа атомных групп, из которых, по его мнению, и состоят все соединения - как органические, так и неорганические.

 
Структурная химия.

В 1857 году Кекуле, исходя из теории валентности (под валентностью понималось число атомов водорода, вступающих в соединение с одним атомом данного элемента), предположил, что углерод четырехвалентен и потому может соединяться с четырьмя другими атомами, образуя длинные цепи - прямые или разветвленные. Поэтому органические молекулы стали изображать не в виде комбинаций радикалов, а в виде структурных формул - атомов и связей между ними. К 1860-м годам работами Кекуле и русского химика Александра Михайловича Бутлерова (1828-1886 года) был заложен фундамент структурной химии, позволяющей объяснять свойства веществ, основываясь на расположении атомов в их молекулах. В 1874 году датский химик Якоб Вант-Гофф (1852-1911 года) и французский химик Жозеф Ашиль Ле Бель (1847-1930 года) распространили эту идею на расположение атомов в пространстве. Они считали, что молекулы не плоские, а трехмерные структуры. Эта концепция позволяла объяснить многие известные явления, например пространственную изомерию, существование молекул одинакового состава, но с разными свойствами. Очень хорошо вписывались в нее данные Луи Пастера (1822-1895 года) об изомерах винной кислоты. К концу 19 века идеи структурной химии были подкреплены данными, полученными спектроскопическими методами. Эти методы позволяли получать информацию о строении молекул исходя из их спектров поглощения. К 1900 году концепция трехмерной организации молекул - как сложных органических, так и неорганических - была принята практически всеми. 

Химическая технология.

Успехи органической химии стимулировали  бурное развитие химической промышленности, прежде всего в Германии. Была разработана технология производства серной кислоты, на основе которой получали взрывчатые вещества, красители и соду, необходимую для производства отбеливателей и мыла. Очень большую роль в развитии химических технологий сыграли работы Либиха и целой плеяды его учеников. В результате их деятельности в сельском хозяйстве стали применять химические удобрения и были созданы предприятия по их производству. Быстрое развитие лакокрасочной промышленности Германии было связано с работами Адольфа фон Байера (1835-1917 года) по индиго и другим красителям, а промышленный синтез аммиака под высоким давлением - с работами Фрица Габера (1868-1934 года).