Эволюция химической картины мира

 

 

Истоки химических знаний лежат в глубокой древности. В их основе – потребность человека получить необходимые вещества для своей жизнедеятельности. Происхождение термина «химия» не выяснено до сих пор, хотя по этому вопросу существует несколько версий. Согласно одной из них, это название произошло от египетского слова «хеми», что означало Египет, а также «черный». Историки науки переводят этот термин также как «египетское искусство». Таким образом, в этой версии слово химия означает искусство производить необходимые вещества, в том числе и искусство превращать обыкновенные металлы в золото и серебро или их сплавы.

Однако в настоящее время более популярно другое объяснение. Слово «химия» произошло от греческого термина «химос», который можно перевести как «сок растений». Поэтому «химия» означает «искусство получения соков», но сок, о котором идет речь, может быть и расплавленным металлом. Так что химия может означать и «искусство металлургии».

История химии показывает, что ее развитие происходило неравномерно: периоды накопления и систематизации данных эмпирических опытов и наблюдений сменялись периодами открытия и бурного обсуждения фундаментальных законов и теорий. Последовательное чередование таких периодов позволяет разделить историю химической науки на несколько этапов.

Основные периоды развития химии

 

1. Период алхимии – с древности до XVI в. нашей эры. Он характеризуется поисками философского камня, эликсира долголетия, алкагеста (универсального растворителя). Кроме того, в алхимический период почти во всех культурах практиковалось «превращение» неблагородных металлов в золото или серебро, но все эти «превращения» у каждого народа осуществлялись самыми разными способами.

2. Период зарождения научной химии, который продолжался в течение XVI - XVIII веков. На этом этапе были созданы теории Парацельса, теории газов Бойля, Кавендиша и др., теория флогистона Г. Шталя и, наконец, теория химических элементов Лавуазье. В течение этого периода совершенствовалась прикладная химия, связанная с развитием металлургии, производства стекла и фарфора, искусства перегонки жидкостей и т.д. К концу XVIII века произошло упрочение химии как науки, независимой от других естественных наук.

3. Период открытия основных законов химии охватывает первые шестьдесят лет XIX века и характеризуется возникновением и развитием атомной теории Дальтона, атомно-молекулярной теории Авогадро, установлением Берцелиусом атомных весов элементов и формированием основных понятий химии: атом, молекула и др.

4. Современный период длится с 60-х годов XIX века до наших дней. Это наиболее плодотворный период развития химии, так как в течение немногим более 100 лет были разработаны периодическая классификация элементов, теория валентности, теория ароматических соединений и стереохимия, теория электролитической диссоциации Аррениуса, электронная теория материи и т.д.

Вместе с тем, в этот период значительно расширился диапазон химических исследований. Такие составные части химии, как неорганическая химия, органическая химия, физическая химия, фармацевтическая химия, химия пищевых продуктов, агрохимия, геохимия, биохимия и т.д., приобрели статус самостоятельных наук и собственную теоретическую базу.

 

Период алхимии

Исторически алхимия сложилась как тайное, мистическое знание, направленное на поиски философского камня, превращающего металлы в золото и серебро, и эликсира долголетия. В течение своей многовековой истории алхимия решала многие практические задачи, связанные с получением веществ и заложила фундамент для создания научной химии.

Наивысшего развития алхимия достигла в трех основных типах:

· греко-египетском;

· арабском;

· западно-европейском.

Родина алхимии – Египет. Еще в древности там были известны способы получения металлов, сплавов, применявшихся для производства монет, оружия, украшений. Эти знания держались в секрете и были достоянием ограниченного круга жрецов. Увеличивающийся спрос на золото подтолкнул металлургов к поиску способов превращения (трансмутации) неблагородных металлов (железа, свинца, меди и др.) в золото. Алхимический характер древней металлургии связал ее с астрологией и магией. Каждый металл имел астрологическую связь с соответствующей планетой. Погоня за философским камнем позволила углубить и расширить знания о химических процессах. Получила развитие металлургия, были усовершенствованы процессы очистки золота и серебра. Тем не менее, в период правления императора Диоклетиана в Древнем Риме алхимия стала преследоваться. Возможность получения дешевого золота напугала императора и по его приказу были уничтожены все труды по алхимии. Значительную роль в запрете алхимии сыграло христианство, которое рассматривало ее как дьявольское ремесло.

После завоевания арабами Египта в VII в. н. э. алхимия стала развиваться в арабских странах. Самым выдающимся арабским алхимиком был Джабир ибн Хайям, известный в Европе как Гебер. Он описал нашатырный спирт, технологию приготовления свинцовых белил, способ перегонки уксуса для получения уксусной кислоты. Основополагающей идеей Джабира являлась теория образования всех известных тогда семи металлов из смеси ртути и серы как двух основных составляющих. Эта идея предвосхитила деление простых веществ на металлы и неметаллы.

Развитие арабской алхимии шло двумя параллельными путями. Одни алхимики занимались трансмутацией металлов в золото, другие искали эликсир жизни, дававший бессмертие.

Появление алхимии в странах Западной Европы стало возможным благодаря крестовым походам. Тогда европейцы позаимствовали у арабов научно-практические знания, среди которых была алхимия. Европейская алхимия попала под покровительство астрологии и поэтому приобрела характер тайной науки. Имя самого выдающегося средневекового западноевропейского алхимика осталось неизвестным, известно лишь, что он был испанцем и жил в XIV веке. Он первым описал серную кислоту, процесс образования азотной кислоты, царской водки. Несомненной заслугой европейской алхимии было изучение и получение минеральных кислот, солей, спирта, фосфора и т. д. Алхимиками была создана химическая аппаратура, разработаны различные химические операции: нагревание на прямом огне, водяной бане, прокаливание, перегонка, возгонка, выпаривание, фильтрование, кристаллизация и др. Таким образом, были подготовлены соответствующие условия для развития химической науки.

 

2. Период зарождения химической науки охватывает три столетия: с XVI по XIX вв. Условиями становления химии как науки были:

Ø обновление европейской культуры;

Ø потребность в новых видах промышленного производства;

Ø открытие Нового света;

Ø расширение торговых отношений.

Отделившись от старой алхимии, химия приобрела большую свободу исследования и утвердилась как единая независимая наука.

В XVI в. на смену алхимии пришло новое направление, которое занималось приготовлением лекарств. Это направление получило название ятрохимии. Основателем ятрохимии был швейцарский ученый Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм, известный в науке под именем Парацельс.

Ятрохимия выражала стремление соединить медицину с химией, переоценивая при этом роль химических превращений в организме и приписывая определенным химическим соединениям способность устранять в организме нарушения равновесия. 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 химическое равновесие. До Парацельса в качестве лекарств использовались преимущественно растительные препараты, но он полагался только на эффективность лекарственных средств, изготовленных из минералов, и поэтому стремился создавать лекарства такого типа.

В своих химических изысканиях Парацельс заимствовал из алхимической традиции учение о трех основных составных частях материи – ртути, сере и соли, которым соответствуют основные свойства материи: летучесть, горючесть и твердость. Эти три элемента составляют основу макрокосма (вселенной), но относятся и микрокосму (человеку), состоящему из духа, души и тела. Определяя причины болезней, Парацельс утверждал, что лихорадка и чума происходят от избытка в организме серы, при избытке ртути наступают параличи, а избыток соли может вызвать расстройство желудка и водянку. Точно также и причины многих других болезней он приписывал избытку или недостатку этих трех основных элементов.

В сохранении здоровья человека Парацельс придавал большое значение химии, так как исходил из наблюдения, что медицина покоится на четырех опорах, а именно на философии, астрологии, химии и добродетели. Химия должна развиваться в согласии с медициной, потому что этот союз приведет к прогрессу обеих наук.

Ятрохимия принесла значительную пользу химии, так как способствовала освобождению ее от влияния алхимии и существенно расширила знания о жизненно важных соединениях, оказав тем самым благотворное влияние и на фармацию. Но одновременно ятрохимия была и помехой для развития химии, потому что сужала поле ее исследований. По этой причине в XVII и XVIII вв. целый ряд исследователей отказались от принципов ятрохимии и избрали иной путь своих исследований, внедряя химию в жизнь и ставя ее на службу человеку.

Именно эти исследователи своими открытиями способствовали созданию первых научных химических теорий.

В XVII столетии, в век бурного развития механики, в связи с изобретением паровой машины, возник интерес химии к процессу горения. Итогом этих исследований стала теория флогистона, основоположником которой был немецкий химик и врач Георг Шталь.

 

Теория Флогистона

Задолго до XVIII века греческие и западные алхимики пытались ответить на эти вопросы: почему одни предметы горят, а другие не горят? Что представляет собой процесс горения?

По представлениям древних греков все, что способно гореть, содержит в себе элемент огня, который в соответствующих условиях может высвобождаться. Алхимики придерживались примерно той же точки зрения, но считали, что способные к горению вещества содержат в себе элемент «сульфур». В 1669 году немецкий химик Иоганн Бехер попытался дать рациональное объяснение явлению горючести. Он предположил, что твердые вещества состоят из трех видов «земли», и один из этих видов, названный им «жирная земля», служит горючим веществом. Все эти объяснения не отвечали на вопрос о сущности процесса горения, но они стали отправной точкой для создания единой теории, известной под названием теории флогистона.

Шталь вместо понятия Бехера «жирная земля» ввел понятие «флогистона» – от греческого «флогистос» – горючий, воспламеняющийся. Термин «флогистон» получил большое распространение благодаря работам самого Шталя и потому, что его теория объединила многочисленные сведения о горении и обжигании.

Теория флогистона основана на убеждении, что все горючие вещества богаты особым горючим веществом – флогистоном и чем больше флогистона содержит данное тело, тем более оно способно к горению. То, что остается после завершения процесса горения, флогистона не содержит и потому гореть не может. Шталь утверждает, что расплавление металлов подобно горению дерева. Металлы, по его мнению, тоже содержат флогистон, но, теряя его, превращаются в известь, ржавчину или окалину. Однако если к этим остаткам опять добавить флогистон, то вновь можно получить металлы. При нагревании этих веществ с углем металл «возрождается».

Такое понимание процесса плавления позволило дать приемлемое объяснение и процессу превращение руд в металлы – первому теоретическому открытию в области химии.

Теория флогистона Шталя на первых порах встретила резкую критику, но при этом быстро начала завоевывать популярность и во второй половине XVII в. была принята химиками повсеместно, так как позволила дать четкие ответы на многие вопросы. Однако один вопрос ни Шталь, ни его последователи разрешить 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 химикам XVIII в. эта проблема не казалась важной, они еще не сознавали важность точных измерений, и изменением в весе они пренебрегали. Теория флогистона объясняла причины изменения внешнего вида и свойств веществ, а изменения веса были неважны.

 

Влияние идей А.Л. Лавуазье на развитие химического знания

К концу XVIII в. в химии был накоплен большой объем экспериментальных данных, которые необходимо было систематизировать в рамках единой теории. Создателем такой теории стал французский химик Антуан-Лоран Лавуазье.

С самого начала своей деятельности на поприще химии Лавуазье понял важность точного измерения веществ, участвующих в химических процессах. Применение точных измерений при изучении химических реакций позволило ему доказать несостоятельность старых теорий, мешавших развитию химии.

Вопрос о природе процесса горения интересовал всех химиков XVIII в., и Лавуазье также не мог не заинтересоваться им. Его многочисленные опыты по нагреванию различных веществ в закрытых сосудах позволили установить, что независимо от характера химических процессов и их продуктов, общий вес всех участвующих в реакции веществ остается без изменений.

Это позволило ему выдвинуть новую теорию образования металлов и руд. Согласно этой теории, 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 представляет себе этот процесс как переход газа из руды в уголь. Идея Лавуазье позволяла объяснить причины изменения веса веществ в результате горения.

Обдумывая результаты проведенных им опытов, Лавуазье пришел к мысли, что если учитывать все вещества, участвующие в химической реакции и все образующиеся продукты, то изменений в весе никогда не будет. Другими словами, Лавуазье пришел к выводу, что масса никогда не создается и не уничтожается, а лишь переходит от одного вещества к другому. Этот вывод, известный сегодня как закон сохранения массы, стал основой для всего процесса развития химии XIX века.

Однако сам Лавуазье был неудовлетворен полученными результатами, так как не понимал, почему при соединении воздуха с металлом образовывалась окалина, а при соединении с деревом – газы, и почему при этих взаимодействиях участвовал не весь воздух, а только примерно пятая часть его?

Вновь в результате многочисленных опытов и экспериментов Лавуазье пришел к выводу, что воздух является не простым веществом, а смесью двух газов. Одну пятую часть воздуха, по мнению Лавуазье, составляет «дефлогистированный воздух», который соединяется с горящими и ржавеющими предметами, переходит из руд в древесный уголь и необходим для жизни. Лавуазье назвал этот газ кислородом, то есть порождающим кислоты, так как ошибочно полагал, что кислород – компонент всех кислот.

Второй газ, составляющий четыре пятых воздуха («флогистированный воздух») был признан совершенно самостоятельным веществом. Этот газ не поддерживал горения, и его Лавуазье назвал азотом – безжизненным.

Важную роль в исследованиях Лавуазье сыграли результаты опытов английского физика Кавендиша, который доказал, что образующиеся при горении газы конденсируются в жидкость, которая, как показали анализы, является всего-навсего водой.

 

Важность этого открытия была огромной, так как выяснилось, что вода – не простое вещество, а продукт соединения двух газов.

Лавуазье назвал выделяющийся при горении газ водородом («образующим воду») и отметил, что водород горит, соединяясь с кислородом, и, следовательно, вода является соединением водорода и кислорода.

Новые теории Лавуазье повлекли за собой полную рационализацию химии. Было окончательно покончено со всеми таинственными элементами. С того времени химики стали интересоваться только теми веществами, которые можно было взвесить или измерить каким-либо другим способом.