Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. Концепции современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

Основной целью алхимиков было нахождение

философскогт

камня — особого вещества, способствующего подобным

преЗ

вращениям, а также дарующего его владельцам вечную жизнь и

вечную молодость.

Наивысшего развития алхимия достигла в трех основных

сво-

их типах: греко-египетском, арабском и западно-европейском.

УI

каждого из них были свои цели и предметы исследования.

г™

ии

гуп«™

Родиной алхимии стал Египет. Египтянам еще

•

рбко-египбтскэя

алхимия

Древности

были известны секреты

произЯ

водства металлов, получения сплавов и

дра-1

гоценных

изделий, которые держались в тайне и были

достояи

нием очень ограниченного круга жрецов, а также фараонов. По-

стоянно увеличивающийся спрос на благородные металлы, вы-

званный

ростом населения, расширением торгового обмена,

сщЯ

жением продуктивности старых золотоносных месторождении

подтолкнул практиков-металлургов к реализации предполагав-

шейся

тогда возможности превращения одного металла в другом

и в частности превращения (трансмутации) свинца в золото.

Основополагающую роль в становлении алхимии сыграли ан-

тичные идеи о том, что все в мире состоит из вечных и

постоян-

ных четырех элементов-стихий — земли, воды, воздуха и

огнЯ

Наиболее подробно эта точка зрения была разработана

древнЛ

греческим философом Эмпедоклом в V в. до н.э. С его точки

зрения, все тела на Земле различаются только по характеру

соче-1

тания этих элементов, смешение которых образует однородные]

вещества. Само предположение о взаимозаменяемости

элементои

не было лишено оснований. Вполне можно было допустить,

чтш

вода при испарении превращается в воздух, который в свою

оче!

редь

превращается в воду во время дождя. Дерево во время

нагреД

вания превращалось в огонь и дым (вид воздуха) и т.д. Почему же

было не допустить возможность других превращений?

Можея

быть, все зависело только от выбранного метода? Тем более

чти

определенные успехи в деле получения благородных

металлов

были. Так, греко-египетские алхимики улучшили процесс

очист-1

ки золота путем купеляции — нагревания богатой золотом

рудш

со свинцом и селитрой. Также было широко распространено

вы-1

деление серебра путем сплавления руды со свинцом.

Особых успехов алхимики добились в период эллинизма, когда

греческая культура и цивилизация встретилась с восточной,

прежде!

всего египетской, культурой. Важную роль в этом синтезе

алхими-1

ческих знаний сыграли знания иудейских мудрецов. От них

дошли]

346

некоторые

алхимические приборы, а также рецепты. Во всяком

случае,

в I в. н.э. в Риме превращаемость меди и ее руд в серебро,

затем и в золото, считалась установленным фактом.

Однако в период правления императора Диоклетиана алхимия

стала

преследоваться, так как римский император боялся, что по-

пучение

дешевого золота окончательно подорвет шаткую эконо-

мику империи. Он приказал уничтожить все труды по алхимии.

Свою роль в запрете алхимии сыграло и раннее христианст-

во. В первые века нашей эры оно выступило против алхимиче-

ской

практики, рассматривая ее как дело дьявола. «Языческие»

знания были тогда непопулярны, а искусство алхимии, тесно

связанное с древней египетской религией, обещавшей богатство,

молодость и счастье, казалось особенно подозрительным, так

как

подобные обещания раздавались дьяволом. Поэтому вскоре

алхимия стала нелегальным занятием, что, впрочем, делало ее

еще

более привлекательной и более таинственной.

Тем не менее, еще в

Ш—IV

вв. алхимия процветала. При-

знанным центром алхимии считались александрийский Мусейон

и лаборатории храма Сераписа. Именно там появился целый

ряд

алхимических сочинений под именами великих философов

древности — Демокрита, Платона и Пифагора, чтобы обратить

на

себя внимание. Но в конце IV в. по приказу императора

Феодосия был разрушен храм Сераписа, в 391 г. погибла знаме-

нитая Александрийская библиотека, а в

415

г. христианская

чернь разрушила Мусейон, положив конец античной науке и

алхимии.

В VII в. на мировой арене появились арабы,

алхимия

во многом

ставшие наследниками античной

культуры. Именно они возродили алхимию

и дали ей современное название, использующееся в европей-

ской традиции, а также тот вид, который она сохранила впо-

следствии. Арабские халифы и эмиры стремились слыть покро-

вителями наук

искусств, поэтому алхимия (египетское слово

•

хеми»

было преобразовано в

«аль-химию»)

и алхимики пользо-

валась в арабском мире почетом и уважением.

Самым талантливым и прославленным арабским алхимиком

был

Джабир

ибн

Хайям, известный в Европе под именем Гебер.

Он жил в Севилье в конце

\ТП

— начале IX в. и, вероятно, был

греком, обращенным в ислам. В основу алхимии он положил

гипотезу о сложности металлов, которые, как считалось, явля-

ются телами меняющейся природы и состоят из меркурия (рту-

ти) и серы. Гебер полагал, что ртуть — самый чистый из всех

347

металлов, так как

благодаря

своей жидкой форме содержит

мая

примесей. Сера, по его мнению, также обладала необычным

свойствами — способностью самостоятельно воспламенятьса

Поэтому более чистым металлом был тот, который содержа

больше ртути, а менее чистым — тот, в котором было

болыц

серы. Считалось, что более прочные, блестящие и ковкие

мета!

лы содержат больше ртути. Металлы, легче подвергавшиеся из

менению,

по мнению арабских алхимиков, содержали болыц

серы. В силу сложности строения металлов, им можно был

придать недостающие элементы, убрать имеющиеся в избыла

тем самым осуществляя

практические

превращения

металле

друг в друга.

Труднее всего было образовать золото — самый

совершен

ный металл. Для этого нужно было иметь «лекарство»,

испраа

ляющее неблагородные металлы, превращающее их в благород

ные, ускоряющее

«созревание»

золота.

В старинных рукописях говорилось, что это вещество пред

ставляет собой сухой порошок, камень, великий эликсир,

«мг

гистерий».

Греки называли его ксерион, а арабы изменили

эт

название на аль-иксир, что в европейских языках трансформе

ровалось в эликсир. Также это вещество называлось философ

ским камнем.

Помимо теоретических размышлений Гебер оставил труды,

которых описал нашатырный спирт, технологию приготовлени

свинцовых белил, способ перегонки уксуса для получения

уй

сусной

кислоты.

Западно-

Появление алхимии на Западе стало воз

«и!ш2и»_

можным прежде всего благодаря крестовьп

сррОПсИС

Кал

алхимия походам.

1огда

европейцы

позаимствовали)

арабов многие научные достижения, научно

практические знания, среди которых была и алхимия. В

период

зрелого Средневековья алхимия получила быстрое распростра

нение и способствовала расширению знаний о препаратах, не

обходимых для медицины.

Европейская алхимия находилась в этот период под

покра

вительством астрологии и поэтому приобрела характер тайной

науки. Политические условия, сложившиеся в средневековой

Европе, и острое соперничество многочисленных королевских

дворов благоприятствовали развитию алхимии. В период с XI по

XVI в. западная алхимия дала много крупных мыслителей, оста-

вивших глубокий след в развитии химии. Среди них встречались

философы, богословы, врачи, монахи. Так, алхимиками был

348

знаменитые схоласты Альберт Великий и Роджер Бэкон, выдаю-

щийся врач

Арнольдо

де Вилланов, а также поэт, философ и мис-

сионер Раймонд

Луллус.

Даже знаменитый средневековый бого-

слов Фома Аквинский одобрял алхимию.

В отличие от раннего Средневековья алхимия второго тыся-

челетия получала самую широкую поддержку со стороны коро-

лей и

других

влиятельных особ, которые хотели с ее помощью

поправить свои финансовые дела. Более того, некоторые венце-

носные особы сами занимались алхимией — английский король

Георг V, французский король Карл VII, император Священной

Римской империи Рудольф II, курфюрст Август Саксонский со

своей супругой и др.

В поисках философского камня алхимики научились прово-

дить самые разные химические реакции, пытались использовать

для его получения сочетания различных солей, кислот, квасцов,

купоросов,

буры, уксуса, которые подолгу выстаивались, нагре-

вались. Также алхимики в попытках получить искомое прибега-

ли к обжигу, возгонке, сцеживанию, кристаллизации. Много-

численные рецепты получения великого эликсира были зашиф-

рованы с помощью многочисленных символов, без знания кото-

рых наизусть нельзя было стать алхимиком. Поэтому для непо-

священного алхимические сочинения были абсолютно непонят-

ны. Считалось, что в результате правильно проведенной проце-

дуры

будет получен порошок или жидкость, одного грамма ко-

торых будет достаточно для превращения тонны простых метал-

лов в золото. В основном дошедшие до нас рецепты рекомендо-

вали для получения золота использовать ртуть и медь, а для по-

лучения

серебра — свинец. Также в алхимических рецептах важ-

ное место отводилось сере и мышьяку.

Заслугой западно-европейских алхимиков стало открытие

серной и азотной кислот. Это, пожалуй, самое важное достиже-

ние химии того периода. Используя сильные минеральные ки-

слоты, европейские химики смогли осуществить многие новые

реакции и,

властности,

сумели растворить такие вещества, ко-

торые древние греки и арабы считали нерастворимыми.

Интересно, что минеральные кислоты дали человечеству го-

раздо больше, чем могло бы дать получение золота путем

транс-

мутации. Ведь само по себе золото не обладает серьезными дос-

тоинствами. Лишь в силу своей редкости оно стало средством

накопления. Поэтому, если бы его стало много, оно мгновенно

обесценилось бы, разрушив всю европейскую экономику.

Именно так произошло после открытия Америки, откуда золото

349

стало поступать в больших количествах. Товары резко

вздорода

ли, а золото обесценилось. А Испания, которая привезла

больщ

всего золота, скатилась на положение третьеразрядной

страад

Иное — ценность минеральных кислот, которые сегодня ис

пользуются в химическом производстве для получения химич

ского сырья и его дальнейшей переработки.

Из достижений европейской алхимии также следует назва

изучение продуктов брожения и получение чистого спирта п

тем перегонки крепких вин. Перегонные аппараты

применяли*

в Италии с XI в. и быстро получили распространение в друп

европейских странах. Заслугой алхимиков является создаш

различных аппаратов и лабораторной посуды, которая примен

ется при нагревании на прямом огне, песчаной и водяной баня

при перегонке, выпаривании, фильтровании,

кристаллизацш

настаивании и возгонке.

Таким образом, алхимия подготовила условия для исследо

ваний химических соединений, их применения в медицине

практической науке. Загадка философского камня еще дол

привлекала к себе многих крупнейших ученых. Даже в

проев*

шенном XVII в. ею интересовались Р. Бойль и И. Ньютон. П<

этому алхимия просуществовала до 1819 г., когда распалось ш

следнее общество алхимиков в

Вестфалии.

Да и позже остава

лись отдельные энтузиасты, не прекращавшие свои поиски.

Идеологически конец алхимии положили исследована

А. Лавуазье, которые показали невозможность преобразовани

химических элементов друг в друга. После этого алхимия поте

ряла всякие признаки научности, и серьезные ученые от нее а

вернулись. И лишь в XX в. после открытия

радиоактивносп

изучения атомного ядра наука вновь вернулась к идее

трансму

таиии

элементов, получая все новые химические элементы

большими порядковыми номерами. Правда, сегодня ученые

прибегают при этом к помоши философского камня.

15.2.

Период

ятрохимии.

Медицинская химия

Этот период охватывает

XVI—XVII

вв. и приходится на вре-

мя интенсивного обновления европейской культуры.

Научнай

революция и промышленный переворот привели к расширению

производства. Великие географические открытия (прежде всего

открытие Америки) способствовали расширению торговых отн

шений. Таким образом, в Новое время начал складываться фу

350

дамент современной европейской цивилизации и культуры, на-

чались

модернизационные

процессы в обществе.

Химия не могла остаться в стороне от новых реалий жизни,

с которой она всегда была тесно связана. Поэтому большая часть

исследователей отказалась от алхимии, уже утратившей те поло-

жительные черты, которыми она обладала ранее. Они перешли к

накоплению фактов, опытам, формулированию нового взгляда

на цели и задачи своих исследований, которые должны были

называться не алхимическими, а просто химическими.

Но прямо перейти от алхимии к научной химии было слиш-

ком

сложно.

Потребовался переходный период, которым и стало время

господства ятрохимии — течения в медицине, которое своей за-

дачей считало поиски философского камня не для превращения

металлов в золото и серебро, а для нахождения лекарства от

всех болезней (панацеи).

Основателем ятрохимии стал швейцарец Теофраст Бомбаст

фон Гогенгейм, родившийся в 1493 г. и вошедший в историю под

именем

Парацелъс,

т.е. «превосходящий

Целъса»

(Цельс

был древ-

неримским ученым, писавшим труды по медицине). Ятрохимия

выражала стремление соединить медицину с химией, переоце-

нивая при этом роль химических превращений в организме и

придавая определенным химическим соединениям способность

устранять в организме нарушенное равновесие.

Парацельс свято верил, что если человеческое тело состоит

из особых веществ, то происходящие в них изменения должны

вызывать болезни, которые могут быть излечены лишь путем

применения лекарств, восстанавливающих нормальное химиче-

ское равновесие. До Парацельса в качестве лекарств использо-

вались преимущественно растительные препараты, но он пола-

гался только на эффективность лекарственных средств, изготов-

ленных из минералов, и поэтому стремился создавать лекарства

нового типа.

В своих научных изысканиях Парацельс исходил из алхими-

ческой теории о трех составных частях материи — ртути, серы и

соли, которым соответствовали основные свойства материи —

летучесть, горючесть и твердость. Эти три элемента составляли

основу как макрокосма (вселенной), так и микрокосма (челове-

ка), состоявшего из духа, души и тела. Определяя причины бо-

лезней, Парацельс утверждал, что они заключаются в изменении

соотношения данных элементов. Так, лихорадка и чума, по его

351

мнению, происходили от избытка в организме серы.

Избьги

ртути вызывал паралич, а излишки соли — расстройство

желул

ка и водянку. Задача врача заключалась в том, чтобы выяснит

эти отношения и восстановить нормальное сочетание

необхощ

мых элементов, для чего и нужно было пользоваться

лекарствам!

изучив предварительно их состав.

Таким образом,

Парацельс

впервые в истории науки высказа

мысль о том, что все процессы, происходящие в организмах

ж*

вотных

и человека, имеют в своей

основе

химические реакции.

Ятрохимия принесла большую пользу химии, так как

спосо(

ствовала ее освобождению от влияния алхимии. Кроме того, он

существенно расширила знания о жизненно важных соединени

ях, оказав тем самым благотворное влияние на фармацею.

одновременно ятрохимия была помехой для развития химии, по

тому что сужала поле ее исследований. Она еще была не вполн

химией, так как связь ее с алхимией была слишком прочна. П

этой причине в

XVII—XVIII

вв. ряд исследователей отказался

(

принципов ятрохимии и избрал иной путь в своей работе, вне

дряя химию в жизнь и ставя ее на службу человеку. Результата

нового подхода стали появление первых научных теорий химии

постепенное превращение химии в подлинную науку.

15.3. Флогистонная химия

В XVII в. в результате первой глобальной научной

револ*

ции началось бурное развитие механики. Оно также дало толч(

плодотворным исследованиям в области химии.

Важнейшим техническим изобретением Нового времени ста

ло создание паровой машины, положившее начало

лромышлен

ной революции. Человек получил машину, которая, казалось,

МОР

ла

делать всю тяжелую работу. Не удивительно, что ученые вы

казывали повышенный интерес ко всему, что было связано

этой машиной. Таким образом, началось исследование огня и

процесса горения, которые лежали в основе работы

парово!

машины. Для дальнейшего развития производства важно была

понять, почему одни предметы горят, а другие — нет.

Также

нужно было выяснить, что представляет собой процесс горения.

Задолго до XVIII в. греческие и западные алхимики пыта

лись ответить на эти вопросы. По представлениям древних гре-

ков, все, что способно гореть, содержало в себе элемент огня,

который в соответствующих условиях мог высвобождаться. Ал

химики придерживались примерно той же точки зрения, но

счи-

352

тали, что способные к горению вещества содержали в себе эле-

мент «сульфур». В 1669 Г. немецкий химик Иоганн Бехер попы-

тался дать рационалистическое объяснение явлению горючести.

Он предположил, что твердые вещества состоят из трех видов

«земли», и один из этих видов, названный им

«жирной

землей»,

служил горючим веществом. Хотя ни одно из этих объяснений

не отвечало на вопрос о сущности процесса горения, они стали

отправной точкой для создания единой теории, известной под

названием теории флогистона.

Основоположником теории флогистона считается немецкий

врач и химик Георг

Шталь

(1660—1730). Он развил идею Бехера

о «жирной земле», но ввел вместо этого понятия термин

«фло-

гистон» (от греч. «флогистос» — горючий, воспламеняющийся).

Термин «флогистон* получил большое распространение благо-

даря работам самого Шталя, а также потому, что его теория

объединила многочисленные сведения о горении и обжигании.

Теория флогистона была основана на убеждении, что все го-

рючие вещества богаты особым горючим веществом (флогисто-

ном). Чем больше флогистона содержит данное тело, тем более

оно способно к горению. После завершения процесса горения и

выделения флогистона остаются другие составные части мате-

риала: после горения фосфора и серы — кислоты, металлов —

«известки»,

угля, состоящего почти полностью из флогистона, —

зола. При нагревании кислот и

«известки»

в присутствии угля

флогистон из угля переходит в кислоты и «известку» и вйовь

получаются исходные тела — сера, фосфор и металлы.

Такое понимание процесса горения позволило дать приемле-

мое

объяснение

процессу превращения руд в металлы. Это было

первое теоретическое открытие в области химии.

Шталь

считал,

что руда, содержание флогистона в которой незначительно, на-

гревается на древесном угле, весьма богатом флогистоном. Фло-

гистон при этом переходит из древесного угля в руду, в результа-

те чего древесный уголь превращается в золу, бедную флогисто-

ном, а руда превращается в металл, богатый флогистоном.

Вначале теория флогистона встретила резкую критику, но

вскоре она завоевала популярность и с начала XVIII в. была

принята химиками повсеместно. Эта теория позволила дать от-

веты на многие волнующие ученых вопросы. Но один вопрос ни

Шталь, ни его последователи решить так и не смогли. Дело в

том, что большинство горючих веществ (дерево, бумага, жир)

при горении в значительной степени исчезали. Оставшиеся зола

и сажа были намного легче, чем исходное вещество. Но хими-

Т0О!НИИИН

353

кам XVIII в. эта проблема важной не казалась, они еще не

соз-1

навали важности точных измерений и поэтому

пренебрегали!

изменениями в весе. Теория флогистона объясняла

причины!

изменения внешнего вила и свойств веществ, а изменения

веса!

при этом были для нее не важны.

Значение флогистонной теории для развития научной химии I

было очень велико. Ее сторонники вели борьбу с алхимией,

оп~!

ровергая алхимические доктрины, на практике показывая не-

возможность объяснения с их помощью химических процессов. ]

В отличие от последних алхимиков, использовавших в качестве 1

аргументов религию, мистику, каббалу и магию, химики

исполъ-1

зовали эксперимент. Для рационалистического XVIII в. это

бы-1

ло более чем весомым аргументом. Таким образом,

сторонником!

флогистонной теории удалось сделать то, что не получилось у!

ятрохимиков: они окончательно вытеснили алхимию, лишив

ореола научности.

Не менее важной заслугой флогистонной химии стало

ут-1

верждение принципов классической науки и, прежде всего, экс-

периментального метода исследования в качестве основного

критерия, которым оценивается истинность или ложность ка-.

ких-то теорий. Тем самым они заложили основы

собственного!

падения, так как именно эксперимент в

конце

концов опроверг ]

флогистонную теорию.

В поисках флогистона химики перебрали множество элемен- 1

тов. Так, они пробовали на эту роль водород, кислород. И

хотя!

флогистонная теория была ложной, она дала толчок

множеству!

новых исследований и открытий. Среди них были точные коли- I

. чественные методы анализа вещества, а также открытие

истин-1

ных химических элементов — фосфора, кобальта, никеля, водо- \

рола, фтора, азота, хлора, марганца и кислорода. Открыв кисло- ]

род и установив его роль в образовании кислот, оксидов и воды,

А. Лавуазье ниспроверг теорию флогистона и заложил основы

подлинно научной теории в химии.

15.4. Научная химия

Основы современной химии были заложены еще в

XVII

в. ]

английским ученым Робертом Войдем, именно он сделал из хи-

мии науку.

Бойль

ввел в химию понятие о химическом элементе '

и положил начало анализу как ведущему методу химии. Таким

образом, была определена основная задача химии — разложение •

соединений на составные части и поиски чистых химических

354

элементов. В результате к концу XVIII в. было известно 18 хи-

мических элементов, а в

XIX

в. — 49.

Но подлинным творцом современной химии

авуазье

стал

фр

аН

цу

ЗС

кий

ученый Антуан-Лоран

Ла-

азв'итие'х^мии

азье

Именно он систематизировал в рам-

ках одной теории большой объем экспери-

ментальных данных, накопленных к концу

XVIII

в. в химии.

Всех химиков

XVIII

в. интересовал

процесс

горения, поэто-

му Лавуазье не мог не заинтересоваться его природой. Его мно-

гочисленные опыты по нагреванию различных веществ в закры-

тых сосудах позволили установить, что- независимо от характера

химических процессов и их продуктов, общий вес всех участ-

вующих в реакции веществ остается неизмененным.

Это позволило ему выдвинуть новую теорию образования

металлов

и руд. Он считал, что в руде металл соединен с газом.

Когда руду нагревают на древесном угле, уголь абсорбирует газ

из руды и при этом образуется углекислый газ и металл.

Таким образом, в отличие от Шталя, который считал, что

плавка металла включает переход флогистона из древесного угля

в руду, Лавуазье представлял себе этот процесс как переход газа

из руды в уголь. Идея Лавуазье позволяла объяснить причины

изменения веса веществ в результате горения. Он фиксировал,

что в герметичном сосуде после завершения горения происходит

окисление металла, а также уменьшение количества воздуха на

1/5, причем оставшийся воздух горения уже не поддерживал.

Обдумывая результаты проведенных им опытов, Лавуазье

пришел к мысли,

что

если учитывать все вещества, участвовав-

шие в химической реакции, и все образовавшиеся продукты, то

изменений в весе никогда не будет. Этот вывод, известный се-

годня как закон сохранения массы Ломоносова — Лавуазье, стал

основой для развития химии XIX в.

Однако сам Лавуазье был недоволен полученными результа-

тами, так как не понимал, почему в процессе горения участво-

вал не весь

воздух,

а только пятая его часть. Открытие Пристли

Шееле

кислорода в

1774

г. дало Лавуазье толчок к окончатель-

ному решению этого вопроса. Вновь в результате многочислен-

ных опытов он пришел к выводу, что воздух является не про-

стым веществом, а смесью двух газов. Одну пятую его часть со-

ставлял

«дефлогистированный

воздух», который соединялся с

горящими и ржавеющими предметами, переходил из руд в дре-

весный уголь и был необходим для жизни. Лавуазье назвал этот

газ кислородом, то есть порождающим кислоты, так как оши-

бочно полагал, что кислород — компонент всех кислот.

«•

355

Второй газ, составляющий четыре пятых части воздуха, —,

«флогистированный

воздух» — был признан совершенно само-

стоятельным веществом. Этот газ не поддерживал горения, по-

этому его назвали азотом — безжизненным.

В 1767 г. английский физик

Кавендиш

открыл водород. По-

сле этого Лавуазье и ряд других химиков доказали, что

продук-

том горения водорода является вода. Так было доказано, что

вода — не простое вещество, а продукт соединения двух газов —

водорода и кислорода. Объяснение состава воды стало реши-

тельным ударом по теории флогистона.

Одним из первых Лавуазье начал анализировать органиче- !

ские соединения и нашел, что они состоят из водорода, углеро-

да и кислорода. Кроме того, он дал первые примеры органиче-

ского анализа.

Кроме названных нами выдающихся открытий, Лавуазье так- I

же принадлежит попытка первой в истории химии систематиза-

ЦИИ

химических элементов. Он же разработал химическую но- |

менклатуру, очистив ее от сложных и запутанных терминов.

Исследования Лавуазье имели огромное значение и для био- \

логии.

Это касается его работ по изучению дыхания животных,

которые легли в основу новой физиологии человека и живот-

ных. Он правильно понял значение и связь важнейших функций

живого организма — дыхания и пищеварения, С этого момента

физиология стала опытной наукой, занимающейся количествен- |

ным анализом живых организмов.

- Проблема химического состава вещества

основных

была главнои в

развитии

химии

вплоть

до

законов

30—40-х

годов XIX века. Огромную роль в ;

дальнейшем развитии химии сыграли фран-

цузский ученый Ж. Пруст и английский ученый Джон Дальтон.

Ж.

Пруст

в 1801 г. установил закон постоянства состава,

согласно которому мдбое индивидуальное химическое соединение

обладает строго определенным, неизменным составом — проч-

ным притяжением составных частей (атомов) и тем самым

отличается от смесей.

Таким образом, Пруст делал вывод, что всякое чистое веще-

ство независимо от его происхождения и способа получения име-

ет один и тот же состав.

Д. Дальтон дал теоретическое обоснование закона Пруста.

Также он вошел в историю химии

как

первооткрыватель закона

кратных отношений и создатель основ атомной теории. Он по-

казал, что все вещества состоят из молекул, а все молекулы в

356

свою очередь — из атомов, и что состав любого вещества можно

представить себе как простую формулу типа

АВ,

АВ2,

А\В^

и т.д.,

где символы А

В обозначают названия двух атомов, из кото-

рых состоит молекула.

В 1803 г. Д. Дальтон сформулировал закон кратных отноше-

ний, в котором утверждал: если определенное количество одного

элемента вступает в соединение с другим элементом в нескольких

весовых отношениях, то количества элементов соотносятся ме-

жду собой как целые числа.

Подобно древним атомистам, Дальтон исходил из положения

о корпускулярном строении материи, но, основываясь на сфор-

мулированном Лавуазье понятии химического элемента, пола-

гал, что все атомы каждого отдельного элемента одинаковы и

обладают определенным весом. Дальтон назвал его атомным ве-

сом. Таким образом, каждый элемент обладал разным атомным

весом,

но этот вес был относительным, так как абсолютный вес

атома определить невозможно. В качестве условной единицы

атомного веса Дальтон принял атомный вес водорода — самого

легкого из всех элементов, а затем сопоставил с ним вес других

элементов. Чтобы экспериментально подтвердить эту идею, нуж-

но было, чтобы элемент соединился с водородом, образуя опре-

деленное соединение. Если этого не происходило, то требовалось

соединение данного элемента с другим, соединение которого с

водородом было известно. Зная вес другого элемента относитель-

но веса водорода, всегда можно было найти отношение

веса'дан-

ного элемента к принятому за единицу весу водорода.

Рассуждая таким образом, Дальтон составил первую таблицу

атомных весов. Она и стала самой важной работой ученого, хотя

ему не удалось избежать некоторых ошибок. Чтобы придать атом-

ной теории Дальтона статус научной, требовалось объединить ее с

молекулярной теорией, которая предполагала существование час-

тиц (молекул), образованных из двух или более атомов и способ-

ных в химических реакциях расщепляться на составные атомы.

Следующий шаг в развитии химической атомистики сделал

И.Я.

Берцелиус.

Он стремился найти закон образования химиче-

ских соединений. Проведя не одну сотню анализов, он предста-

вил столько доказательств, подтверждающих закон постоянства

состава, что химики были вынуждены признать справедливость

этого закона, а следовательно, и принять атомистическую тео-

рию, которая непосредственно вытекала из закона постоянства

состава вещества.

После этого Берцелиус обратился к проблеме определения

атомных весов элементов, разрабатывая более сложные и точ-

357

ные методы экспериментов, которые были недоступны

Дальто»

ну. В результате длительной и тщательной аналитической

работы!

1826

г. Берцелиус опубликовал первую таблицу атомных

весов,!

отличающихся высокой точностью, причем атомные веса

былЯГ

соотнесены им с кислородом, атомный вес которого был

приняв

за сто. Приведенные в этой таблице величины в основном

сов-1

падают (за исключением атомных весов двух-трех элементов) с|

принятыми в настоящее время. Эти расчеты потом были

под-1

тверждены

и уточнены другими учеными.

С работами Берцелиуса по атомистике тесно связано введе-

ние в употребление символов, предложенных им в 1814 г. для

обозначения не только элементов, но и химических реакций.

Все

символы,

формулы соединений и химические уравнения

следует вести от Берцелиуса. Его система химической символи-

ки содействовала развитию химии. В качестве символа элемента

принимается первая буква его латинского или греческого назва-

ния. В тех случаях, когда названия двух или более элементов

начинались с одних и тех же начальных букв, к ним добавлялась

вторая буква названия. Так появились химические символы

элементов, которые используются во всем мире до сих пор.

Еще одним вкладом Берцелиуса в развитие химии является :

разделение им всех веществ на органические и неорганические.

Вещества неживой природы могли выдержать жесткую обработ-

ку, и именно их Берцелиус назвал неорганическими. А вещества

живой или некогда живой материи такой обработки не выдер-

живали, и их он назвал неорганическими.

Во многих своих проявлениях эти две группы веществ вели

себя принципиально различным образом. Так, химиков не пере-

ставало удивлять, что органические вещества при нагревании

или каком-либо другом воздействии легко превращались в неор-

ганические. Возможность обратного перехода была установлена

гораздо позже.

В то время в науке господствовал витализм — учение, рас-

сматривавшее жизнь как особое явление, подчиняющееся не

за-

конам мироздания, а влиянию особых жизненных сил.

Сторонники витализма утверждали, что для превращения

не-

органических веществ в органические требовалось какое-то осо-

бое воздействие («жизненная сила»), которое проявлялось только

внутри живой ткани. По этой причине неорганические соедине-

ния, например воду, можно было найти повсюду, тогда как ор-

ганические соединения, образующиеся под воздействием «жиз-

ненной силы», можно было найти только в живых тканях. Хи-

358

мики

этого времени, имевшие дело с самыми обычными соеди-

нениями

и пользовавшиеся самыми обычными методами, осу-

ществить превращения, требовавшие участия таких нематери-

альных агентов, естественно, не могли.

Откоь

тия ^ ^~

Х годах

- состояние теоретической

опапиц

|уош.

химии продолжало оставаться неудовлетво-

сбр^дины

А1А

века.

_^ •*

Конгресс рительным. В 1840 г.

французский

химик

в Карлсруэ Шарль Фредерик Жерар

(1816—1856)

устано-

вил, что существовавшие тогда теории объе-

динения атомов в молекулы неполны. Он показал, что в подав-

ляющем большинстве случаев молекулы состоят из атомов и

атомных групп, так тесно связанных между собой, что их разде-

ление приводит к появлению новых веществ. Поэтому Жерар

назвал молекулу унитарной системой, в которой все элементы

связаны и влияют друг на друга, качественно преобразуя систе-

му. Один и тот же элемент в разных системах может качествен-

но отличаться в зависимости от связанных с ним партнеров.

В 1852 г. английский химик Эдуард Франклин предложил тео-

рию валентности, в соответствии с которой каждый атом обла-

дал определенной способностью к насыщению, или определен-

ной валентностью. Исходя из этой теории, немецкий химик Ке-

куле показал, что углерод четырехвалентен и что его атомы могут

соединяться друг с другом в цепи. Кекуле ввел в оборот новый

химический термин — сродство. Им он обозначил количество

атомов водорода, которые могли заместить данный химический

элемент. Он приписал всем химическим элементам соответствен-

но три, две или одну единицу сродства. Углерод же находился

при этом в необычном положении — его атом обладал четырьмя

единицами сродства. Число единиц сродства, присущее данному

химическому элементу, ученый назвал валентностью атома. При

объединении атомов в молекулу происходило замыкание свобод-

ных единиц сродства. В 1858 г. он представил строение наиболее

простых молекул и радикалов. Стало ясно, что органические мо-

лекулы значительно больше и сложнее, чем неорганические.

Полезность структурных формул была настолько очевидной,

что многие химики-органики приняли их сразу. В результате

было признано необходимым, записывая формулу соединения,

показывать его атомную структуру.

История химии свидетельствует, что до середины XIX в. ее

развитие происходило беспорядочно и

хаотически.

Химики от-

крывали все новые и новые химические элементы, описывали

их свойства, реакционные способности и благодаря этому по-

степенно накопили огромный эмпирический материал.

359

Логическим завершением всего многовекового процесса

воз^

никновения и развития химии стал первый международный

хи^

мический конгресс, который состоялся в сентябре

1860

г. в

не-4

мецком

городе Карлсруэ. На конгрессе присутствовали самые

знаменитые химики того времени.

Проведение

кощ-ресса

в Карлсруэ имело большое

значение]

для развития химии. На нем были сформулированы и приняты

основополагающие

принципы,

теории и законы химии, которые

не вызывали никаких сомнений у ученых. Тем самым

химия-

заявила о себе де-факто как о самостоятельной науке. |

Однако гораздо большее значение имели научные результаты и

последствия конгресса. К 60-м годам XIX в, в химии еще сохрани-

лась путаница с атомными и молекулярными весами, что не по-

зволяло точно решить вопрос о системе элементов и отрицательно

сказывалось на развитии самой науки. Разногласие по поводу от-

носительных атомных весов, приписываемых различным атомам,

привели к разногласиям в отношении числа атомов отдельных

элементов, входящих в данную молекулу. Различные ученые пред-

принимали попытки придать этим проблемам системный вид, но

их предложения были несовершенными, потому что в качестве

системообразующих факторов брались чаше всего несуществен-

ные, второстепенные и даже чисто внешние признаки элементов.

Инициатором обсуждения и решения данной проблемы стал

итальянский химик Станислав Канниццаро, который предложил

разграничить понятия «атомный вес», «молекулярный вес» и «эк-

вивалентный вес». На конгрессе

Канниццаро

произнес яркую

речь, и ему удалось убедить участников в предлагаемых им идеях.

этого момента в вопрос об атомных весах была внесена яс-

ность. Кроме того, химики по достоинству оценили значение таб-

лицы атомных весов, составленной Берцелиусом.

Применительно ко всей химии это решение означало воз-

можность договориться об эмпирических формулах соединений

и продолжить изучение строения молекул, уточняя расположе-

ние атомов сначала в плоскости, а затем в пространстве. Кроме

того, решения конгресса подготовили условия для создания пе-

риодической системы элементов.

Пе

иол

еск

" Основоположником системного подхода в

закон химии стал русский химик Дмитрий Ивано-

Д И Менделеева

вт

Менделеев. Во время работы конгресса

он находился в Германии и работал над дис-

сертацией. Он, естественно, был на конгрессе и слушал речь

Канниццаро, в которой тот четко изложил свою точку зрения на

360

проблему атомного веса. Вернувшись в Россию после конгресса,

Менделеев приступил к изучению элементов и обратил особое

внимание на периодичность изменения валентности у элемен-

тов, расположенных в порядке возрастания атомных весов.

Менделеев считал, что любое точное знание составляет сис-

тему, в основе которой должен быть единый основополагающий

принцип. В качестве такого системообразующего принципа он

выбрал

атомный вес, полагая, что тот является главной характе-

ристикой всех химических элементов.

Основываясь на увеличении и уменьшении валентности эле-

ментов в соответствии с их атомным весом, Менделеев разделил

элементы на периоды (отсюда —

«периодическая

система эле-

ментов»). Первый период включал только один водород, затем

следовали два периода по семь элементов в каждом, а затем шли

периоды, содержащие более семи элементов. Такая периодиче-

ская система элементов была яснее и нагляднее, чем график.

Благодаря форме таблицы мировое сообщество ученых отдало

приоритет в открытии периодической системы именно Менде-

лееву, а не другим ученым, которые к тому времени также сис-

тематизировали элементы, но в других формах.

Однако во времена Менделеева было известно всего 62 хи-

мических элемента. Поэтому в таблице оказались пустые клетки

(пробелы). Наличие этих пробелов ученый объяснил не несо-

вершенством самой таблицы, а тем, что соответствующие

.эле-

менты не были еще открыты. В 1869 г. Менделеев опубликовал

свою таблицу, оставляя пустые места там, где это подсказывал

периодический закон.

Периодический закон позволил Менделееву предсказать су-

ществование новых, еще не открытых элементов, а также с боль-

шой точностью описать их свойства — атомную массу, удельный

вес, теплоемкость, температуру плавления и кипения, а также

свойства некоторых соединений этих элементов. Так, он предпо-

ложил существование неизвестных тогда аналогов бора, алюми-

ния и кремния — экабора, экаалюминия и

экасилгаия.

Все пред-

сказанные великим ученым элементы действительно были вскоре

открыты химиками. Ими оказались галлий, скандий и германий.

Метод Менделеева по предсказанию свойств еше не открытых

элементов с успехом применялся его последователями и в более

поздние годы. Кроме того, периодический закон позволил Мен-

делееву обнаружить ошибки в определении атомной массы урана

и некоторых других элементов, у которых ранее найденное зна-

чение атомной массы оказалось в два раза меньше

действитель-

361

ной, и поправил значения атомных масс некоторых

другие

элементов, например титана.

Хотя классификация Менделеева была выдающимся научным

достижением, получила широкое признание и стала подлинно

научной системой химических знаний, она не была идеальной и

совершенной. В ней существовало большое число так называе-

мых исключений. Это касается ряда лантаноидов и актиноидов

(по 14

элементов),

они помещены в шестой и седьмой периоды и

в третий столбец. Эти и другие недостатки вызвали многочислен-

ные попытки пересмотреть таблицу, и в настоящее время разра-

ботано более 200 ее вариантов. Правда, по устоявшейся традиции

таблица сохраняется в первоначальном виде.

По мере совершенствования периодическая таблица элемен-

тов завоевывала у химиков всеобщий авторитет, так как объяс-

няла многие факты, а самое главное, указывала на существова-

ние глубокой зависимости

между

различными элементами, вы-

водила свойства химических элементов из их порядкового номе-

ра в таблице Менделеева.

15.5. Химия

века

В конце XIX в. началась вторая глобальная научная револю-

ция.

Физики открыли сложную структуру атома, рентгеновские

лучи, явление радиоактивности, а также первую элементарную

частицу — электрон. Эти открытия не могли не сказаться на

развитии химии.

Дальнейшее После того, как в 1911 г. Э. Резерфорд от-

развитие перио-

крыл атомньте

яДР

предложил

планетар-

дической

системы

Н-У

модель атома, началась успешная

раз-

и периодического работка теории строения атома, появились

закона новые представления об электрической при-

Д.И. Менделеева роде химических сил. С этого момента атом

стал считаться сложной квантово-механи-ческой системой, со-

стоящей из положительно заряженного ядра и отрицательно за-

ряженной электронной оболочки.

1913

г. Г.

Мозли

связал положение атома в периодической

системе с его рентгеновским излучением. На этом основании был

сделан вывод о численном равенстве атомного номера химиче-

ского элемента заряду атомного ядра этого элемента, а следова-

тельно, общему числу электронов в оболочке нейтрального атома.

Еще более глубокое понимание периодического закона было

достигнуто после открытий

Н.

Бора, которые показали, что по

362

мере

перехода от элементов с меньшими порядковыми номерами

элементам

с большими порядковыми номерами идет заполне-

ние электронами оболочек, все далее расположенных от ядра.

При этом периодически повторяется структура внешних элек-

тронных конфигураций, что и определяет периодичность хими-

ческих и физических свойств элементов и их соединений.

Обнаружение изотопов — разновидностей одного химическо-

го элемента, отличающихся атомными массами, показано, что

не атомная масса, как считал Менделеев, а заряд ядра опреде-

ляет место элемента в периодической системе.

Сейчас мы знаем, что у элементов, расположенных в начале

каждого периода, валентные электроны находятся на 5-подуровнях

соответствующих уровней энергии в атомах. В малых периодах

происходит заполнение электронами

^подуровней,

а в боль-

ших периодах также и

^/-подуровней.

В шестом и седьмом перио-

дах, кроме того,

заполняются

/-подуровни.

Электронные оболочки

атомов инертных газов содержат наружные электроны всегда на

полностью сформированных

/^-подуровнях.

Таким образом, хи-

мические элементы, образующие подгруппу периодической систе-

мы, характеризуются аналогичным строением электронных оболо-

чек атома.

Одним из наиболее важных свойств атомов, связанных со

строением их электронных оболочек, являются эффективные

атомные и ионные радиусы. Оказывается, что они также перио-

дически изменяются с увеличением атомного номера элемента.

У элементов одного периода по мере увеличения порядкового

номера сначала наблюдается уменьшение атомных радиусов, а

затем, к концу периода, — их увеличение. Это необычное физи-

ческое свойство находит простое объяснение законами электро-

статики. В начале периода на внешней электронной оболочке ато-

ма находится небольшое количество электронов, которые распо-

ложены на относительно больших расстояниях друг от друга. Там

достаточно свободного места, поэтому основным взаимодействием

в этом случае будет притяжение электронов ядром атома, а не

электростатическое отталкивание одноименно заряженных элек-

тронов. А при возрастании порядкового номера элемента увели-

чивается величина заряда ядра и величина общего отрицатель-

ного заряда электронной оболочки, что приводит к возрастанию

силы кулоновского притяжения между ядром и электронами.

При этом происходит «стягивание» электронной оболочки к

центру атома, и радиус этого атома уменьшается. По мере же

заполнения электронной оболочки все большим количеством

363

электронов им становится все «теснее» на одной оболочке, по-

этому у элементов, стоящих в конце любого периода таблицы]

Менделеева, радиусы атомов возрастают — отрицательно

наря-

женные электроны «расталкивают» друг друга, чтобы удалиться

друг от друга на максимально возможное расстояние.

Аналогичными рассуждениями были объяснены и другие

пе-«

риодически изменяющиеся физические свойства веществ:

плот-1

ность,

температура плавления, прочность связей электронов

в|

атоме и т.д.

Получила свое объяснение и валентность химических элемен-

тов. Она стала определяться числом электронов на внешней элек-

тронной оболочке, поэтому эти электроны и стали называться:

валентными. Понятие валентности формировалось параллельно с

понятием о химической связи. В 1916 г. появились первые теории

химической связи — взаимного притяжения атомов, приводящего

к образованию молекул и кристаллов, что обусловлено совмест-

ным использованием электронов взаимодействующих атомов и

атомно-молекулярных частиц. Было установлено также, что суще-

ствуют ковалентные неполярные, ковалентные полярные и ионные

химические связи, отличающиеся характером физического взаи-

модействия частиц между собой.

-.„__,

„„_

Современная теоретическая химия основана

теоретическая

на

об

шефизическом

учении о строении ма-

химия

терии, на достижениях квантовой механики

и статистической физики. Современная хи-

мическая наука, опираясь на прочные теоретические основы,

непрерывно расширяется вширь и вглубь. В частности, происхо- !

дит открытие и изучение новых, качественно различных

дис-

кретных

химических частиц. Так, еще в первой половине XIX в.

при изучении электролиза были обнаружены особые электриче-

ски заряженные частицы, образованные из атомов и молекул, —

ионы. Было выяснено, что ионы являются структурными едини-

цами многих кристаллов, кристаллических решеток металлов,

они существуют в атмосфере, в растворах и т.д.

В начале XX в. химики открыли радикалы как одну из актив-

ных форм химического вещества. Они образуются из молекул

путем

отщепления отдельных атомов или групп и содержат атомы

элементов в необычном для них валентном состоянии, что связа-

но с наличием одиночных (неспаренных) электронов, являющих-

ся причиной их исключительной химической активности.

К своеобразным формам химического вещества относятся

также макромолекулы. Они состоят из сотен и тысяч атомов и

364

вследствие этого приобретают, в отличие от обычной

молекулы,

качественно новые

свойства.

Характерный для новейшей химии, как и для всей науки XX в.,

процесс глубокой внутренней дифференциации в значительной

степени связан с открытием этого качественного многообразия

химических веществ. Их строение, превращения и

свойства

ста-

ли предметом изучения специальных химических наук: электро-

химии,

химической

кинетики, химии полимеров, химии ком-

плексных соединений, коллоидной химии, химии высокомоле-

кулярных соединений и др.

Применение методов квантовой механики в химических иссле-

дованиях привело к возникновению квантовой химии. Был разра-

ботан метод молекулярных орбиталей, рассматривающий целост-

ную электронную структуру молекулы. На его основе рассчитыва-

ются энергетические и электронные параметры молекул. Этот ме-

тод получил распространение и в теории органической химии.

Квантово-механические представления привели к появлению

учения об абсолютных скоростях химических реакций, которое

легло в основу химической кинетики.

Сильный толчок развитию неорганической химии дало про-

никновение в недра атома и изучение ядерных процессов. По-

иски элементов, наиболее пригодных для расщепления в ядер-

ных реакторах, способствовали исследованию малоизученных и

синтезу новых элементов с помощью ядерных реакций. Ядерные

превращения и сопутствующие им физико-химические явления

стали объектами изучения ядерной химии и радиохимии. В свя-

зи с этим ученые занялись разработкой методики выделения и

концентрации радиоактивных изотопов.

Влияние магнитных полей на химические процессы иссле-

дуют электрохимия и магнитохимия. Изучение взаимодействия

вещества с плазмой дало начало плазмохимии. Химия полиме-

ров изучает синтез и свойства высокомолекулярных соединений.

Больших успехов добилась органическая химия. Она сложи-

лась в самостоятельную науку еще во второй половине XIX в.,

чему способствовало накопление большого эмпирического и тео-

ретического материала о соединениях углерода и его производ-

ных. Определяющим фактором для всех органических соедине-

ний являются особенности валентного состояния углерода —

способность его атомов связываться между собой как одинар-

ной, так и двойной, тройной связями в длинные линейные и раз-

ветвленные цепи. Благодаря бесконечному многообразию форм

сцепления углеродных атомов, наличию изомерии и

гомологиче-

365