Влияние достижений химии на развитие химической технологии

Промышленный переворот второй половины XVIII - начала XIX в., приведший к интенсивному развитию машинной техники и росту крупных предприятий, вызвал в ряде европейских стран большой спрос на химическую продукцию, стимулировал создание химических заводов. Это, в свою очередь, способствовало развитию химической науки. Химия и физика с середины XVIII в. хотя еще и робко, но все же начинают влиять на практику в отличие от предыдущего периода, когда наука только собирала и обобщала данные практики.

Важнейшей проблемой в химии являлось развитие атомно-молекуляр-ного учения, неразрывно связанное с утверждением основных научных понятий химии: атома, молекулы, валентности - и открытием важнейших законов.

В начале XIX в. выдающиеся ученые Д. Дальтон, А. Авогадро, И. Я. Берцелиус, М. Фарадей, Г. II. Гесс и другие внесли в химию и физику новую живительную струю [1, 2].

Английскому ученому Д. Дальтону принадлежат основополагающие работы по химической атомистике. Руководствуясь атомной гипотезой, Дальтон вывел (1803 г.) один из основных законов, доказав его правомерность в опытном порядке на примере углеводородов. На основе этого закона он составил таблицу «атомных весов» атомов элементов и «сложных атомов» соединений.

Ф. Энгельс в «Диалектике природы», высоко оценив работы Д. Дальтона, назвал его «отцом современной химии», отметив, что «новая эпоха начинается в химии с атомистики...» (Маркс К., Энгельс Ф. Соч., т. 20, с. 608). Вместе с тем в учении Д. Дальтона еще не было правильного представления о различиях между атомом и молекулой, которую он называл сложным атомом. Он считал, что простые газы состоят не из молекул, а из атомов. В своих теоретических исследованиях Д. Дальтон пользовался новыми знаками химических элементов, обозначавшими одновременно и атомные веса.

В 1811 г. итальянский ученый А. Авогадро выдвинул гипотезу, согласно которой молекулы простых газов состоят из одного или нескольких атомов. А. Авогадро представил молекулу как наименьшую частицу простого или сложного вещества, вступающую в химическое взаимодействие. На основе своей гипотезы ученый дал формулировку одного из основных законов идеальных газов. Согласно закону Авогадро в равных объемах различных газов при одинаковых температурах и давлениях содержится одинаковое число молекул [3, с. 181-189]. Закон Авогадро позволил определить молекулярный вес любого вещества. Зная молекулярный вес и химический состав соединений, можно было вычислить атомные веса элементов.

Однако из-за господствовавшего в науке первой половины XIX в. смешения понятий атома, эквивалента и молекулы закон Авогадро не был принят большинством химиков и физиков.

Окончательное разграничение понятия атома и молекулы принадлежит итальянскому химику С. Канниццаро, который на основе закона П. Л. Дюлонга и А. Пти (1819 г.) уточнил значение атомных весов некоторых элементов и показал всеобщую применимость закона Авогадро для определения молекулярных весов простых и сложных веществ в парообразном состоянии. Свои взгляды С. Канниццаро изложил в публикациях (1858 г.) и в докладе на Международном конгрессе химиков, который состоялся в 1860 г. в Карлсруэ (Германия). После этого его работы получили всеобщее признание [3, с. 211-227].

Развитию химии в первой половине XIX в. способствовала деятельность шведского химика и минералога И. Я. Берцелиуса, экспериментально обосновавшего атомистическое учение. Признавая реальность атомов и возможность познать природу химических соединений, ученый своими трудами много способствовал утверждению атомистики и ее внедрению в химии. В 1810-1816 гг. И. Я. Берцелиус дал новые доказательства закона кратных отношений - основного закона химии, открытого Д. Дальтоном еще в 1803 г. В 1814 г. Берцелиус по результатам своих исследований составил таблицу атомных весов 41 элемента, заменив (1811 г.) дальтоновские знаки атомов элементов начальными (одной или двумя) буквами их латинских и греческих названий.

Введенные Берцелиусом символы химических элементов сохранились до наших дней. В 1812-1819 гг. он выдвинул электрохимическую теорию, которая была прогрессивной в истории химии [4, 5].

Расширение знаний об электричестве и применение электрического тока для разложения сложных химических веществ привели в начале XIX в. к новым открытиям в области химии. В 1800 г. английские химики В. Пикольсон и А. Карлейль построили вольтов столб из 17 гальванических элементов и разложили воду на водород и кислород. Затем Г. Дэви (Англия) открыл элементы - калий, натрий, кальций, барий, стронций и магний, разлагая электрическим током их соединения.

В 1834 г. английский физик М. Фарадой открыл закон электролиза, в соответствии с которым количество вещества, выделившегося при электролизе, прямо пропорционально количеству электричества, прошедшего через электролит. Открытие этого закона, а также другие работы М. Фарадея по электролизу заложили основы электрохимии, предложенная им терминология сохранилась до наших дней.

Русский химик, академик Петербургской академии наук Г. И. Гесс в 1840 г. сформулировал основной закон термохимии, согласно которому при химическом процессе всегда выделяется одно и то же количество тепла независимо от того, протекает процесс в одну или в две и более стадий. Правда, в то время основные положения этого закона не нашли поддержки в широких научных кругах, не сумевших оценить значение, которое могло иметь это открытие для развития химии.

В 1852 г. английский ученый Э. Франкленд предложил понятие валентности, внесшее упорядоченность в представление о химических соединениях. Развитие учения о валентности вскоре нашло отражение в трудах химиков-органиков Ф. А. Кекуле (Германия), А. С. Купера (Шотландия) и некоторых других. Однако все они не видели связи между строением молекулы и свойствами вещества.

Эту задачу блестяще осуществил русский химик А. М. Бутлеров, труды которого (1861 г.) легли в основу классической теории химического строения [6]. Бутлеров впервые объяснил явление изомерии, характеризующееся существованием веществ с одинаковым элементарным составом и молекулярным весом, но отличающихся по химическому строению, а также химическим и физическим свойствам.

Теория химического строения Бутлерова, работы немецкого химика Ф. А. Кекуле открыли широкие возможности для органического синтеза. Большой вклад в развитие синтеза органических соединений внесли также французский химик М. Бертло, русский химик В. В. Марковников и ряд других.

Следует отметить, что к проблеме синтеза органических соединений было привлечено внимание ученых еще в первой половине XIX в. Начало было положено работами немецкого химика Ф. Вёлера, впервые синтезировавшего в 1824-1828 гг. из неорганических веществ органическое соединение, напоминающее мочё*вину. В 1842 г. русский химик Н. Н. Зи-нин синтезировал анилин и ряд других веществ. Его работы стали основополагающими в создании промышленности синтетических красителей, фармацевтических препаратов и взрывчатых веществ. Немецкий химик II. П. Грисс в 1858 г. открыл реакцию диазотирования, впервые получив азокрасители [7, 8].

Крупнейшим достижением химии начала второй половины XIX в. явилось открытие в 1869 г. Д. И. Менделеевым периодического закона химических элементов. Этим фундаментальным законом было установлено периодическое изменение свойств химических элементов и образуемых ими «простых и сложных тел», находящихся в периодической зависимости от их атомного веса [9]. Периодический закон позволил обнаружить закономерности свойств химических соединений различных элементов. Периодический закон и созданная на его основе периодическая система элементов Д. И. Менделеева сыграли важнейшую роль в дальнейшем изучении структуры атома, радиоактивности, в открытии изотопии. Появилась возможность рассматривать все элементы в их взаимной связи и прогнозировать свойства неизвестных элементов [10].

Как видим, рассматриваемый период оказался исключительно плодотворным в развитии химии, достижения которой все более и более влияли на технологию химического производства. О химической технологии как о науке впервые стали упоминать в 70-х годах XVIII в. В 1772 г. профессор Геттингенского университета И. Бекман дал определение понятия химической технологии.

Особенно быстро стала развиваться химическая технология после французской буржуазной революции 1789 г. Покончив с феодально-абсолютистским строем во Франции и обеспечив установление в стране буржуазных производственных отношений, французская буржуазная революция способствовала утверждению капитализма в Европе. Буржуазия стремилась разрушить старый социально-общественный строй, устранить преграды, стоящие на пути прогресса производительных сил. В результате сложились благоприятные условия для развития производства, а также технического образования. Сначала во Франции, а затем и в других странах были учреждены первые высшие школы для подготовки инженеров и техников, где усилилось преподавание математики, естественных и технических наук. В Национальном институте Франции (до 1791 г.- Академия наук), объединившем лучшие научные силы страны, были решены некоторые крупные вопросы в области химии и химической технологии; ставилась задача освободить французскую экономику от иностранной зависимости.

Среди учебных заведений, в которых преподавалась химическая технология, необходимо отметить Политехнический институт во Франции, основанный в 1794 г. В 1815 г. был создан Политехнический институт в Вене, в 1821 г.- Ремесленная академия в Берлине [11, с. 16]. В России старейшими высшими школами, которые подготавливали химиков-технологов, были Практический технологический институт, созданный в 1828 г. (ныне Ленинградский технологический институт им. Ленсовета), Московское ремесленное училище «для подготовки искусных мастеров с теоретическими сведениями», основанное в 1830 г. Кафедры химической технологии существовали с начала XIX в. в большинстве университетов. Химическая технология как самостоятельная научная дисциплина была представлена в конце XVIII - начале XIX в. в Петербургской академии наук.

В этот же период создаются первые учебные пособия по химической технологии, а также различные руководства, в которых этой области знаний посвящались самостоятельные разделы. Так, в России профессор Московского университета И. А. Двигубский издал учебник «Начальные основания технологии...» в двух частях [12], вышедший в свет в 1807- 1808 гг. В 1828 г. русский ученый Ф. А. Денисов издал учебник «Пространное руководство к общей технологии или к познанию всех работ, средств, орудий и машин, употребляемых в разных технических искусствах». В этом учебном пособии автор впервые выделяет общую часть, посвященную химическим процессам и аппаратам.

Общий подъем науки в конце XVIII - начале XIX в., учреждение в это время специальных высших учебных заведений и школ, в которых важнейшими научными дисциплинами были химия и химическая технология, определялись запросами промышленности. Промышленный переворот привел в движение практически все отрасли производства, особенно текстильную и металлургическую, сыгравшие огромную роль в развитии химических производств. Увеличился спрос на сырые материалы. Наряду с ростом продукции добывающей промышленности, в общем объеме производимых сырых материалов возросло значение химических продуктов. Их производство обуславливалось стремлением заменить дефицитные виды традиционного сырья более дешевыми и доступными химическими материалами; используются «суррогаты» и отходы производства (См.: Маркс К., Энгельс Ф. Соч., т. 25, ч. I, с. 131-132).

В развитии химических производств отчетливо выявились основные направления, связанные с изысканием новых сырьевых источников для производства соды, серной кислоты, более эффективных белящих, протравных и красящих веществ, необходимых для текстильной, металлообрабатывающей, стекольной, кожевенной, жировой и других отраслей промышленности.

Крупнейшими вехами в развитии мировой химической промышленности в рассматриваемый период были: разработка производства соды по методу Н. Леблана (1791 г.), серной кислоты камерным способом (1746 г.), суперфосфата (1840 г.), соды аммиачным способом Э. Сольве (1863 г.) [13]. Была выдвинута идея получения серной кислоты контактным методом (1831 г.).