Учение об элементном и молекулярном составе веществ

 

При исследовании состава веществ решались три главные проблемы:

1) проблема химического элемента;

2) проблема химического соединения;

3) проблема получения веществ с заданными свойствами и их производство.

Проблема химического элемента

Период превращения химии в подлинную науку охватывает три столетия – XVI–ХVIII вв. Его принципиальное отличие от алхимического периода состоит в изменении цели исследования. Вместо бесплодного поиска гипотетического философского камня начинается изучение законов превращения веществ в целях их практического использо-вания. В XVI в. возникло особое направление химии – ятрохимия, основателем которой был швейцарский химик Т. Парацельс (1493–1541). Ятрохимики считали, что болезни оп-ределяются нарушением течения химических процессов в организме и недостатком или избытком тех или иных веществ.

Решающий вклад в становление химии как самостоятельной науки внес ирландский химик Р. Бойль (1627–1691). Он сформулировал первое научное определение химического элемента как составной части вещества, которую нельзя разложить на более простые части. Он ввел в химию экспериментальный метод исследования, заложил основы химического анализа. Химическую реакцию анализа упрощенно можно выразить уравнением:
А = В + С, где А – исходное сложное вещество; В и С – полученные простые вещества (элементы). Р. Бойль предложил эффективный способ решения проблемы «происхождения» свойств вещества. Его экспериментальные исследования показали, что качества и свойства вещества зависят от материальных элементов, из которых они составлены. Элементы могут связываться друг с другом, образуя более крупные частицы, которые Бойль назвал кластерами. Кластеры сами являются первокирпичиками для построения реальных тел. Если изменить термин элемент на атом, а кластер на молекулу, мы придем к современному представлению о строении вещества. Важнейшим итогом рассматриваемого периода развития химии является решение основной проблемы химии путем установления взаимосвязи: состав вещества  свойства вещества.

Следует подчеркнуть, что в то время химики еще не знали ни одного химического элемента. Фосфор был открыт в 1669 г., кобальт – в 1735 г., никель – в 1751 г., водород – в 1766 г., фтор – в 1771 г., азот – в 1772 г., хлор и марганец – в 1774 г. Кислород был открыт одновременно в Швеции, Англии и Франции в 1772–1776 гг.

На рубеже XVII–XVIII вв. появилась первая общая химическая теория – теория флогистона, (греч. флогистон – «начало горючести»), разработанная немецким ученым Шталем (1659–1734). Согласно этой теории, чем больше флогистона содержит данное тело, тем более оно способно к горению. Созданная для объяснения явлений горения, окисления и восстановления металлов теория Шталя стала основой для объяснения большинства наблюдаемых в то время химических явлений. Она была принята большинством химиков середины XVIII в. В числе сторонников этой теории был даже открывший кислород английский химик Д. Пристли (1733–1804).

Огромная заслуга полного отказа от ложной теории флогистона принадлежит великому французскому химику А. Лавуазье (1743–1794). Открыв кислород, Лавуазье выяснил экспериментально его роль в процессах горения и обжига металлов, чем окончательно разрушил теорию флогистона. Независимо от М.В. Ломоносова (1711–1765) Лавуазье экспериментально установил закон сохранения массы в химических реакциях. Ему принадлежит первая в истории химической науки попытка систематизации химических элементов, он внес ясность в понятие химического элемента, простого и сложного вещества. Начиная с Лавуазье, химия стала приобретать современные черты. Именно его трудами завершился процесс становления химии как науки. Если Бойль начал этот процесс, то Лавуазье довел его до конца.

Проблема химического элемента была решена после создания квантовомеханической теории в начале ХХ в. Согласно этой теории, атом представляет собой сложную квантово-механическую систему, состоящую из положительно заряженного ядра и отрицатель-
но заряженных электронных оболочек. В современном понимании термин «химичес-
кий элемент» обозначает все атомы, которые имеют одинаковый заряд ядра, но могут отличаться по массе. Электронная структура атомов и периодическая система элементов
Д.И. Менделеева подробно рассмотрены с квантовомеханических позиций в разделе 6. Несмотря на блестящие успехи физики и химии в решении проблемы химического элемента, было бы неправильным считать, что она разрешена окончательно. До настоящего времени остается открытым вопрос, сколько же всего химических элементов существует в природе. В настоящее время открываются новые химические элементы, которые существуют лишь тысячные доли секунды (например, элемент N 109 мейтнерий).