А. -л. Лавуазье и его вклад в развитие химии

 

Но подлинным творцом современной химии стал французский ученый Антуан-Лоран Лавуазье. Именно он систематизировал в рамках одной теории большой объем экспериментальных данных, накопленных к концу XVIII в. в химии.

Всех химиков XVIII в. интересовал процесс горения, поэтому Лавуазье не мог не заинтересоваться его природой. 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 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, участвовавшие в химической реакции, и все образовавшиеся продукты, то изменений в весе никогда не будет. Этот вывод, известный сегодня как закон сохранения массы Ломоносова – Лавуазье, стал основой для развития химии XIX в.

Однако сам Лавуазье был недоволен полученными результатами, так как не понимал, почему в процессе горения участвовал не весь воздух, а только пятая его часть. Открытие Пристли и Шееле кислорода в 1774 г. дало Лавуазье толчок к окончательному решению этого вопроса. Вновь в результате многочисленных опытов он пришел к выводу, что воздух является не простым веществом, а смесью двух газов. Одну пятую его часть составлял «дефлогистированный воздух», который соединялся с горящими и ржавеющими предметами, переходил из руд в древесный уголь и был 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 части воздуха, – «флогистированный воздух» – был признан совершенно самостоятельным веществом. Этот газ не поддерживал горения, поэтому его назвали азотом – безжизненным.

В 1767 г. английский физик Кавендши открыл водород. После этого Лавуазье и ряд других химиков доказали, что продуктом горения водорода является вода. Так было доказано, что вода – не простое вещество, а продукт соединения двух газов – водорода и кислорода. Объяснение состава воды стало решительным ударом по теории флогистона.

Одним из первых Лавуазье начал анализировать органические соединения и нашел, что они состоят из водорода, углерода и кислорода. Кроме того, он дал первые примеры органического анализа.

Кроме названных нами выдающихся открытий, Лавуазье также принадлежит попытка первой в истории химии систематизации химических элементов. Он же разработал химическую номенклатуру, очистив ее от сложных и запутанных терминов.

Исследования Лавуазье имели огромное значение и для биологии. Это касается его работ по изучению дыхания животных, которые легли в основу новой физиологии человека и животных. Он правильно понял значение и связь важнейших функций живого организма – дыхания и пищеварения. С этого момента физиология стала опытной наукой, занимающейся количественным анализом живых организмов.

Открытие основных законов

 

Проблема химического состава вещества была главной в развитии химии вплоть до 30–40-х годов XIX века. Огромную роль в дальнейшем развитии химии сыграли французский ученый Ж. Пруст и английский ученый Джон Дальтон.

Ж. Пруст в 1801 г. установил закон постоянства состава, согласно которому любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным, неизменным составом – прочным притяжением составных частей (атомов) и тем самым отличается от смесей.

Таким образом, Пруст делал вывод, что всякое чистое вещество независимо от его происхождения и способа получения имеет 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 показал, что все вещества состоят из молекул, а все молекулы в свою очередь – из атомов, и что состав любого вещества можно представить себе как простую формулу типа АБ, АВ ₂, А ₂ В ₃и т.д., где символы А и В обозначают названия двух атомов, из которых состоит молекула.

В 1803 г. Д. Дальтон сформулировал закон кратных отношений, в котором утверждал: если определенное количество одного элемента вступает в соединение с другим элементом в нескольких весовых отношениях, то количества элементов соотносятся между собой как целые числа.

Подобно древним атомистам, Дальтон исходил из положения о корпускулярном строении материи, но, основываясь на сформулированном Лавуазье понятии химического элемента, полагал, что все атомы каждого отдельного элемента одинаковы и обладают определенным весом. Дальтон назвал его атомным весом. 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, нужно было, чтобы элемент соединился с водородом, образуя определенное соединение. Если этого не происходило, то требовалось соединение данного элемента с другим, соединение которого с водородом было известно. Зная вес другого элемента относительно веса водорода, всегда можно было найти отношение веса данного 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 атомной теории Дальтона статус научной, требовалось объединить ее с молекулярной теорией, которая предполагала существование частиц (молекул), образованных из двух или более атомов и способных в химических реакциях расщепляться на составные атомы.

Следующий шаг в развитии химической атомистики сделал И.Я. Берцелиус. Он стремился найти закон образования химических соединений. Проведя не одну сотню анализов, он представил столько доказательств, подтверждающих закон постоянства состава, что химики были вынуждены признать справедливость этого закона, а следовательно, и принять атомистическую теорию, которая непосредственно вытекала из закона постоянства состава вещества.

После этого Берцелиус обратился к проблеме определения атомных весов элементов, разрабатывая более сложные и точные методы экспериментов, которые были недоступны Дальтону. В результате длительной и тщательной аналитической работы в 1826 г. Берцелиус опубликовал первую таблицу атомных весов, отличающихся высокой точностью, причем атомные веса были соотнесены им с кислородом, атомный вес которого был принят за сто. Приведенные в этой таблице величины в основном совпадают (за исключением атомных весов двух-трех элементов) с принятыми в настоящее время. Эти расчеты потом были подтверждены и уточнены другими учеными.

С работами Берцелиуса по атомистике тесно связано введение 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 символики содействовала развитию химии. В качестве символа элемента принимается первая буква его латинского или греческого названия. 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 обработку, и именно их Берцелиус назвал неорганическими. А вещества живой или некогда живой материи такой обработки не выдерживали, и их он назвал неорганическими.

Во многих своих проявлениях эти две группы веществ вели себя принципиально различным образом. Так, химиков не переставало удивлять, что органические вещества при нагревании или каком-либо другом воздействии легко превращались в неорганические. Возможность обратного перехода была установлена гораздо позже.

В то время в науке господствовал витализм – учение, рассматривавшее жизнь как особое явление, подчиняющееся не законам мироздания, а влиянию особых жизненных сил.

Сторонники витализма утверждали, что для превращения неорганических веществ в органические требовалось какое-то особое воздействие («жизненная сила»), которое проявлялось только внутри живой ткани. По этой причине неорганические соединения, например воду, можно было найти повсюду, тогда как органические соединения, образующиеся под воздействием «жизненной силы», можно было найти только в живых тканях. Химики этого времени, имевшие дело с самыми обычными соединениями и пользовавшиеся самыми обычными методами, осуществить превращения, требовавшие участия таких нематериальных агентов, естественно, не могли.