2.4. Химия в XVII–XIX вв

В XVII–XVIII вв. быстро развивается еще одна естественно-научная дисциплина –

химия

– наука о качественных преобразованиях вещества, происходящих вследствие изменения его состава или строения. К этому времени алхимия, доминировавшая в средневековой культуре IX–XVI вв. и в значительной мере подготовившая возникновение научной химии, приходит в упадок. В основе классической химии лежит философская концепция атомизма, которая была сформулирована еще в античной философии Левкиппом, Демокритом и Эпикуром. Суть атомизма заключается в понимании вещества как совокупности мельчайших, неделимых частиц –

атомов.

Атомы находятся в постоянном движении, благодаря которому они могут взаимодействовать друг с другом. Все многообразие мира есть результат взаимодействия атомов. Вплоть до конца XIX в. в естествознании господствовало представление о том, что атом – это наименьшая частица вещества, предел делимости материи; в ходе химических превращений веществ разрушаются и вновь создаются только молекулы, атомы же остаются неизменными. Только наука XX в. показала, что элементарными частицами выступают отнюдь не атомы (3.4).

Начало научной химии связывают с работами английского ученого XVII в. Р. Бойля, который предложил понятие «химический элемент». По мнению Р. Бойля, химический элемент – это «простое тело», входящее в состав вещества и определяющее его свойства. Таким образом, первой концептуальной идеей теоретической химии становится утверждение о том, что свойства вещества зависят от входящих в его состав химических элементов. При этом понятие «простого тела» еще не было окончательно сформулировано ни Р. Бойлем, ни его последователями, и часто в качестве химических элементов они рассматривали соединения, а химические элементы, напротив, понимали как сложные вещества. Тем не менее их полуинтуитивные представления послужили основой для формулирования современного представления о химическом элементе как о совокупности атомов с одинаковым зарядом ядра, которые, однако, могут различаться по своей массе.

В химии XVII в. господствовала теория флогистона. Эта теория была предложена для объяснения процесса горения. Предполагалось, что флогистон – это невесомая субстанция, которую содержат все вещества, способные к горению, и которая выделяется в процессе горения. Открытия в химии середины и конца XVIII в. привели к отказу от теории флогистона. Так, в 1748 г. М.В. Ломоносов сформулировал закон сохранения массы, не допускающий возможности существования невесомой материи. Это закон гласит: масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции. Несколько позже французский химик А. Лавуазье разработал кислородную теорию горения, признание которой способствовало тому, что теория флогистона была полностью отвергнута. А. Лавуазье также впервые попытался систематизировать химические элементы в соответствии с их атомной массой, предложил первую номенклатуру химических соединений, в которой каждое вещество имеет свое собственное постоянное название, и т. п. Именно благодаря усилиям А. Лавуазье химия начала освобождаться от рецептурного характера, который она получила в наследство от алхимии, и постепенно стала формироваться в качестве строгой научной дисциплины.

Следующий этап в развитии химии (начало XIX в.) связан с именем английского химика Дж. Дальтона, который ввел в научный обиход понятие атомного веса. Дж. Дальтон является создателем теории атомного строения, или химической атомистики, которая позволила решить многие проблемы химии того времени. В 1803 г. Дж. Дальтон составил первую таблицу относительных атомных масс водорода, азота, углерода, серы и фосфора, приняв за единицу атомную массу водорода, а в 1804 г. предложил таблицу элементов в соответствии с их относительными атомными массами. Исследования химического состава газов позволили Дж. Дальтону сформулировать закон кратных отношений – один из фундаментальных законов химии. Закон кратных отношений утверждает, что массы двух химических элементов в любых возможных соединениях относятся друг к другу как целые числа.

В начале XIX в. ученые начинают использовать понятие «молекулы».

Молекула

– это устойчивая совокупность атомов, способная к самостоятельному существованию. Поскольку молекула может быть образована разными атомами, постольку ее свойства отличаются от свойств входящих в нее атомов. Именно молекулы определяют свойства вещества, поэтому молекулу, а не атом следует рассматривать в качестве «единицы» вещества. Дж. Дальтон еще не делал различия между молекулами и атомами, называя молекулы «сложными атомами», однако уже в 1811 г. итальянский ученый А. Авогадро предложил молекулярную теорию строения вещества, в которой были обобщены и систематизированы накопленные к тому времени экспериментальные данные. А. Авогадро предложил метод определения молекулярных масс, с помощью которого впервые вычислил атомные массы кислорода, углерода, азота, хлора и ряда других элементов.

На основе молекулярной теории А. Авогадро в середине XIX в. была разработана теория химического строения, согласно которой свойства вещества определяются порядком связей атомов в молекулах. Химическая связь образуется в результате обменного взаимодействия электронов, которые связаны с ядром атома наименее прочно. Электроны, участвующие в обменном взаимодействии, называются валентными.

Валентностъ

– способность атомов одного химического элемента соединяться с определенным количеством атомов другого химического элемента.

Впервые связь между валентностью и структурой химического вещества была установлена немецким химиком Ф. Кекуле, который в 1857 г. высказал идею о том, что число атомов одного элемента, связанных с одним атомом другого элемента, зависит от «основности» (валентности). Все элементы Ф. Кекуле разделил на одно-, двух– и трехвалентные, он также обосновал четырехвалентность углерода. В истории науки Ф. Кекуле известен и тем, что в 1865 г. открыл циклическую структурную формулу молекулы бензола, которую увидел во сне в виде змеи, кусающей свой хвост.

Немалая заслуга в развитии представлений о строении химических веществ принадлежит русскому ученому А.М. Бутлерову. Впервые свою концепцию А.М. Бутлеров представил в 1861 г. на 36-м съезде немецких естествоиспытателей и врачей, в докладе «О химическом строении вещества». Согласно концепции русского ученого, природа сложной частицы определяется природой ее составных частей, их количеством и химическим строением. От химического строения зависят те реакции, в которых участвует вещество. Термин «химическое строение» А.М. Бутлеров применил для обозначения порядка межатомных связей в молекулах, который может быть выражен структурной формулой. Он сделал вывод о том, что различие веществ, обладающих одинаковым составом, можно объяснить только различием их химического строения. А.М. Бутлеров подчеркивал, что по строению молекул можно предвидеть свойства химического вещества. Таким образом, в конце XIX в. ученые пришли к выводу, что свойства веществ зависят не только от входящих в них химических элементов, т. е. от состава, но и от структуры, которая определяется способом взаимодействия между этими элементами. Теория химического строения вещества А.М. Бутлерова стала одним из оснований современной органической химии, а его идеи развивались многочисленными учениками и последователями.

Научная революция в химии связана с именем другого русского ученого – Д.И. Менделеева, который в 18б9 г. предложил периодическую систему химических элементов.

Периодическая система, оформленная в виде таблицы, упорядочивала все многообразие известных к тому времени химических элементов и позволяла предсказывать новые. Д.И. Менделеев расположил все элементы в соответствии с возрастанием их атомного веса и показал, что таким образом складывается четкая система. Д.И. Менделеев сформулировал следующий закон: свойства элементов находятся в периодической зависимости от величины их атомных весов. Позже было установлено, что свойства элементов зависят не от атомного веса, а от заряда ядра атома, атомный же вес является средним арифметическим от масс изотопов элементов, которые имеют общий заряд ядра, но отличаются по массе. Современная формулировка периодического закона такова: свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от заряда их атомных ядер, заряд ядер совпадает с номером элемента в периодической системе. Периодическая система Д.И. Менделеева стала той объединяющей концепцией, которая позволила не только систематизировать, но и объяснить весь накопленный к концу XIX в. эмпирический материал, и стала прочной основой современной теоретической химии.

Развитие химии в XX в. привело к возникновению ряда относительно самостоятельных областей исследования. Так, в современной химии, с одной стороны, продолжается изучение состава веществ в зависимости от входящих в него химических элементов, а с другой – изучается зависимость свойств веществ от их структуры. Эти два направления современной химии непосредственно связаны с теми исследованиями, которые проводились на протяжении XVIII–XIX вв. Кроме того, в химии XX в. обсуждаются и новые проблемы. Одна из них – выяснение условий и внутренних механизмов протекания химических процессов и способов управления ими. Это очень перспективная и практически значимая сфера исследований, поскольку дальнейшие открытия в этой области позволяют создавать разнообразные химические соединения с заранее заданными свойствами. На сегодняшний день известно около 14 млн химических соединений и ежегодно синтезируется до 250 новых.

Самым новым разделом химии является так называемая эволюционная химия, возникновение и самоопределение которой стало следствием проникновения в естествознание идей и принципов эволюционной теории. Главным предметом изучения в эволюционной химии является химогенез, который рассматривается как неотъемлемая часть эволюционных процессов на нашей планете, начиная от космоге-неза и заканчивая антропосоциогенезом (5.2, 5.3). Эволюционная химия утверждает, что на протяжении длительного времени происходил отбор химических элементов по тем свойствам, которые давали преимущество при переходе на более высокий уровень организации материи – биологический. Химическая эволюция обеспечивала переход от химогенеза к биогенезу, поэтому понимание ее механизмов важно для прояснения проблемы происхождения жизни на Земле (5.2, 5.3) и процессов самоорганизации материальных систем (7.2).

Развитие химии в XX в. шло по линии возрастания диф-ференцированности внутри комплекса химического знания. Этот процесс привел к разделению на неорганическую и органическую химию и созданию аналитической и физической химии, возникновению целого ряда междисциплинарных исследований, которые со временем обрели самостоятельный научный статус (космохимия, геохимия, агрохимия, биохимия и др.). Наиболее интересные открытия в XX в., имеющие отношение к развитию химического знания, были осуществлены на стыке химии и других естественно-научных дисциплин. В соответствующих темах данного курса мы рассмотрим их более подробно (3, 4, 5).