Формування хімії у хvі-хvііі cтоліттях

 

Оновлення культури, яке проявилось в Італії наприкінці ХІІІ ст., життя общин і потреби виробництва шерсті і шовку, проблеми, що висунуті військовим мистецтвом, відкриття Америки і розширення торгової діяльності, винахід компаса і друкарського шрифту внесли зміни у суспільне життя спочатку цієї країни, а потім і решти країн західної Європи. Економiчнi, полiтичнi та соцiальнi умови епохи Вiдродження привели до формування нового свiтогляду. Ці зміни повернули наукові дослідження на нові шляхи, що відмінні від шляхів релiгiйної схоластики. Хімія, як і інші природничі науки, також відчула вплив нового життя і, відокремившись від старої алхімії, набула певну свободу дослідження. Алхiмiя, хоч і повiльно,

але втрачала те значення, яке вона мала у попереднi столiття. ХVІ, ХVІІ і ХVІІІ ст. характернi тим, що робляться численнi спроби надати хiмїї єдиного теоретичного змiсту. Вiд Парацельса i до Лавуазьє промiжок часу iсторiї хiмiї наповнений тим, що окремi теоретично не пов’язанi мiж собою за змiстом явища спрямовувались на заснування цієї науки про Природу, у якої є певнi цілi. Фiзика у цей час стала рацiональною наукою. Такому стану сприяв експериментальний метод Галiлея, який з використанням математики дав поштовх розвитку механiки. Для хiмiї ж ХVІ і ХVІІ ст. властивим був емпiризм i удавана рацiональнiсть. Поряд з появою творів нового типу з металургії і пробірного аналізу в хімії у цей час здійснювались і інші важливі зміни.

 

Технічна хімія. Наукові успіхи і відкриття не могли не вплинути на технічну хімію, елементи якої можна знайти у 15-17 ст. У середині 15 ст. була розроблена технологія повітродувних сурм. Потреби військової промисловості стимулювали роботи з удосконалення технології виробництва пороху. Протягом 16 ст. подвоїлося виробництво золота і в дев'ять разів зросло виробництво срібла. Виходять фундаментальні праці з виробництва металів і різних матеріалів, що використовуються в будівництві, при виготовленні скла, фарбуванні тканин, для збереження харчових продуктів. З розширенням споживання спиртних напоїв удосконалюються методи перегонки, конструюються нові перегінні апарати. З'являються численні виробничі лабораторії, передусім металургійні. Серед хіміків-технологів того часу можна згадати Ванноччо Бірінгуччо (1480–1539), чия класична праця «Піротехнія» була надрукована в Венеції в 1540 і містила 10 книг, в яких мова йшла про родовища, випробування мінералів, приготування металів, перегонку, військове мистецтво і феєрверки. Інший відомий трактат, «Про гірництво і металургію», був написаний Ґеорґом Аґріколою (1494–1555). Варто згадати також Йогана Глаубере (1604–1670), голландського хіміка, творця глауберової солі.

Алхімія у ХVІІ столітті

 

Iсторiя дослiдження в галузi науки вiдкриває для нас разючi вiдомостi. Бiля тридцяти років свого життя Iсаак Ньютон присвятив алхiмiчним заняттям. 3 початку 60–х років ХVІІ ст. у його записнику з’явились алхiмiчнi помiтки: «Про солi i трансмутацiю», «Про солi i сірнисті тіла», «Про ртуть i метали» та iнші. Вчений складає хiмічний словник, у якому до дрібниць описав багато хiмiчних операцій i, зокрема, способи видiлення та очищення золота i срiбла. Наприкiнцi

60-х років Ньютон почав збирати i конспектувати твори алхiмікiв (в його особистiй біблiотецi тільки 16 % книг з проблем математики, фiзики, астрономiї). Переважна бiльшiсть рукописів – це коментарi вченого до прочитаного. Вiдомi i алхiмiчнi трактати самого Ньютона, наприклад «The Reginen» - Королевский, «Clavis» – Ключ, «Index Chemicus» – хiмiчний покажчик. У бiблiотеці вченого нараховано 138 алхiмiчних творiв. На аукцiоні у Сотбі у 1936 р. алхiмiчнi рукописи Ньютона були проданi. Їх обсяг бiля 650 тис. слiв. Приблизно з 1678 р. Ньютон систематично проводить алхімічнi дослідження. Першi записи проведення ним хімічних експериментiв датуються кінцем 1660 р. Біля шести тижнів навесні i стільки ж восени вогонь в лабораторїї вченого майже не згасав. Довгі днi i ночi, якi провiв Ньютон у лабораторiї за алхiмiчними дослiдами, не пройшли для нього безслiдно. Навеснi 1693 р. з’явились ознаки

важкого нервового захворювання. У нього пропав сон i апетит. Але незабаром вiн почав одужувати. Біографи Ньютона, а також спеціалiсти, якi нейтронно-активiзацiйним методом дослiдили пасма i волося вченого, визнали, що причиною захворювання стало отруєння його організму важкими металами i, насамперед, ртуттю. Навiть робота над «Математичними началами натуральної філософії» не могла йому перешкодити проводити алхiмiчнi дослiдження.

Перша хімічна теорія

 

Якби ідеї Гука, Мейоу у свій час отримали відпо відне теоретичне обгрунтування, то удосконалення хімічних знань могло б піти в іншому напрямку. Але історія зробила інакше. До ХVІІ ст. західні алхіміки і ятрохіміки робили спроби пояснити процеси, які виникають при горінні, випалі металів і диханні. Але суть цих процесів залишалась нерозгаданою і незрозумілою для експериментальних досліджень. Саме ці процеси стали відправним пунктом для створення єдиної теорії, що охопила усі явища, які відносяться до перетворення матерії, і в історію увійшла під ім’ям теорії флогістону (флогістон − той, що спалахується). Вона з′явилась на рубежі ХVІІ−ХVІІІ ст.ст. Майже 100 років вона володіла розумом переважної більшості дослідників. Врешті-решт теорія виявилась помилковою. Термін “флогістон” вже вживався лікарями для вказівки на особливий стан органів дихання, що запалюється. Гельмонт використав його, не надаючи йому особливого значення. Початок цієї історії розпочинається з кінця ХVІІ ст., коли увагу хіміків привернув процес горіння і кальцінації металів. Хіміки ХVІІІ ст. вважали своїм головним завданням ізолювати гіпотетичний флогістон і довести його існування. Пояснення явищ горіння могли базуватись у той час, як вже відзначалось, на уяві про горіння як розпад речовин. У свою чергу ці уявлення випливали з загально визнаних на той час учень про першоначала тіл Аристотеля або трьох начал алхіміків. Нові уявлення про елементи, що висловлені Бойлем, до початку ХVІІІ ст. не отримали визнання і подальшого розвитку. Тривалі спостереження вказували, що при кальцинації металів утворюється схожий на попіл продукт -«вапно» металів. Крім того, з того ж металу виділяються якісь газоподібні продукти, подібні диму при горінні органічних тіл. Яка природа цих летючих продуктів, залишалось відкритим. Гельмонт встановив утворення при горінні «лісного газу». Теоретичні погляди І.Бехера (1635−1682 рр.) були відсталими і неясними, викладки повні суперечностей. У 1667 р. він видав книгу «Підземна фізика». Тут відображені ідеї автора про складові першоначала складних тіл. Першоначалами усіх мінеральних, рослинних і тваринних тіл він вважав землю і воду. Причому, розрізнював три види землі: «перша земля» − плавка і кам′яниста; «друга земля» − жирна; «третя земля» − летка.

Це не що інше, як модифіковані начала алхіміків. На думку Бехера, горіння − процес розпаду тіл, що горять. Їх горючість пов′язана з наявністю у складі тіл «другої землі». Причиною горіння може бути і сірка, яка міститься в тілах. Звичайну сірку він вважав сладним тілом, яке складається з кислоти і «другої землі». Усі кислоти і солі, стверджував Бехер, утворені з елементарних земель шляхом сполучення їх з водою. Основою всіх кислот є деяка «першоначальна» кислота. Усі ці погляди Бехера склали основу теорії, що розробив німецький хімік Георг Ернст Шталь (1659−1734 рр.), який є засновником теорії флогістону − складової частини усіх тіл, яка виділяється при їх горінні. Головна його робота «Основи догматичної і експериментальної хімії». За основу елементарних складових частин тіл він приймав першоначала алхіміків. Стверджував, що розпадаючись вони стають неподільними.

Складову частину горючих тіл він називав «жирною землею». На його думку, усi пальнi речовини (дерево, мастила) i неблагородні метали (мідь, залізо, свинець, олово) складаються з флогiстону, − невагомої і неуловимої речовини, що виділяється при спаленнi i випалi та золи («окалина» і «вапно»). При цьому він підкреслював, що флогістон створює вихроподібні рухи, сполучаючись з повітрям. Це і є, на його думку, вогонь. Флогістон, який виділився, розсіюється у повітрі так, що його вже неможливо відділити від останнього. Тільки рослини здатні витягувати флогістон з повітря. Через них він попадає і у тваринні організми. Найбільш чистий флогістон міститься у речовинах, які згоряють без залишку. У них він приймає «матеріальну (речовинну) форму». Але, будучи у сполуці з іншими речовинами, флогістон сам собою не може бути вивчений. Він «абстрактний». Наявність флогістону в різних речовинах Шталь пояснював їх колір, запах та інші властивості. Пояснення Шталем явищ окислення і відновлення металів - це не що інше, як «киснева теорія», що поставлена на голову. Дійсно, виражаючи, наприклад, процес кальцінації металів рівнянням, маємо: Метал − флогістон − металеве вапно (оксид). Відповідно до кисневої теорії це ж рівняння має такий вигляд: метал + кисень = оксид металу (вапно флогістиків). За усіх недоліків і помилкових концепцій теорія флогістона вiдіграла і позитивну роль у розвитку хімії. Вона надала можливість розглядати і пояснювати цілком різні явища з єдиної точки зору. Досліди, що спрямовувались теорією флогістону, не пройшли безслідно для хімії, тому що експериментальні дані набуваються

назавжди і є прикладом для нових теорій. Це вчення вперше узагальнило численнi реакціїокислення, що стало важливим кроком у прогресi науки. Безперечно, теорія флогістону була помилковою. Але ж флогістика все ж таки була першою більш або менш влучною спробою пояснити явища горіння і окислення, яка пов′язувала ці процеси з відновленням. Саме перевірка фактів, зібраних за її допомогою, і дала можливість Лавуазьє встановити правильнішу уяву про природу окислювальних процесів. Наприкiнцi ХVІІІ ст. гiпотеза Бехера і Шталя про флогiстон була спростована працями французького вченого. Лавуазьє встановив роль кисню в процесах горіння. Але до Лавуазьє велику роботу в цьому напрямку проробив італійський фізик А.Вольта. Для розвитку хімії важливе значення мали його дослідження болотного газу. У 1776 р. він вперше описав цей газ як речовину, яка при горінні створює вуглекислоту. Вона відрізняється від газів розкладу рослинних масел кількістю повітря, що необхідне для горіння. В історію науки ХVІІІ ст. увійшов і флогістик Генрі Кавендіш (1731−1810 рр.). Він найбільший представник пневматичної хімії. Його девіз проголошував: «Усе визначається мірою і числом». Французький фізик Жан Батист Біо в некролозі назвав його «самим багатим з учених і, ймовірно, самим ученим з багатих». Та обставина, що він був переконаним прихильником теорії флогістону, часто заважала йому правильно інтерпретувати зроблені ним відкриття. У 1766 р., коли йому виповнилось 35 років, він опублікував першу роботу: «Досліди з штучним повітрям». Мова у ній йшла про «горюче повітря». У сучасному розумінні це − водень. Відомо, що до Кавендіша відкриття першої газоподібної речовини, якою є водень, «горюче повітря», спостерігали і Бойль, і французький хімік Нікола Лемері, і Михайло Ломоносов. Але вони обмежились лише констатацією факту. Кавендіш же описав своєрідні властивості водню як індивідуальної речовини. Діючи розведеними соляною і

сірчаною кислотами на залізо, цинк, олово, він кожного разу впевнювався, що виділяється один і той же газ. Кавендіш був впевнений, що «горюче повітря» (водень) і є флогістон, який випаровується з металів при їх обробці кислотами. Адже газ відрізняється надзвичайною легкістю. А вчення про флогістон містило ідею про від′ємну вагу цієї субстанції.

Продовжуючи дослідження, Кавендіш впевнився: газ за вагою і його щільність відносно повітря становить 009 (сучасне значення - 007). З′явилось нове пояснення: «горюче повітря» є сполукою флогістону з водою. Усе наведене є прикладом того, як флогістонна теорія Шталя

стала перешкодою на шляху правильного трактування одного з самих знаменитих відкрить - виявлення самого легкого хімічного елемента, який через 100 років «очолив» періодичну систему Д.І.Мендєєва. 70−і роки ХVІІІ cт. − це епоха тріумфу пневматичної хімії. У цей період відкриті основні гази атмосфери - азот і кисень. Незалежно від Даніеля Резерфорда Кавендіш у 1772 р. виділив «мефітичне повітря» (азот). Але цей результат не був оголошений. Він провів детальне дослідження властивостей цього газу. Істотний внесок Кавендіша у вивчення вогневого повітря (кисню). Ним його виявлено незалежно від Карла Шеєле і Джозефа Прістлі у 1773−1774 рр.. Для аналізу повітря Кавендіш використав власне сконструйований у 1773 р. спеціальний прилад − евдіометр (від грецького «еудіс» - «чисте», «ясне» - про повітря). У 1785 р. вчений задався питанням: чи не міститься в атмосфері, крім азоту, кисню і вуглекислого газу, ще який-небудь невідомий «різновид повітря»? Протягом двох тижнів Кавендіш пропускав електричний розряд через повітря, збагачене киснем. Оксиди, які при цьому утворювались, поглинались розчином КОН. Вилучивши потім залишок кисню, дослідник виявив цікавий факт: у розчині незмінною залишалась бульбочка повітря, яка складала приблизно 1/125 початкового об′єму газової суміші. Ні електричний розряд, ні хімічні реагенти на неї не діяли. Що це? Кавендіш відповіді не знайшов. І лише у 1894 р. його співвітчизники Уільям Рамзай і Джон Уільям Релєй відкрили аргон. Описали його властивості. Це відкриття здійснено поділом на фракції рідкого повітря. До кінця свого життя Кавендіш залишався вірним теорії флогістона. При поясненнях він використовував її, незважаючи на те, що багато його власних дослідів суперечили цій теорії. Таким чином, експериментальні дослідження Кавендіша багато в чому сприяли виникненню пневматичної хімії (від грецького слова - «пневма» - вітер, подих), тобто хімії газів. Створена камера Стефена Гейлса надала можливість досліджувати гази. Ще декілька досягнень ХVІІІ ст. До його кінця список хімічних елементів поповнили нікель, фтор, хлор, марганець, барій, молібден, вольфрам, теллур, уран, цирконій, стронцій, титан, іттрій, хром, берілій. Відкриті і деякі важливі неорганічні сполуки: сірчаний газ, сірководень, ряд оксидів азоту, оксид вуглецю, деякі солі. До кінця ХVІІІ ст. чіткі контури набули два важливих розділи хімії − неорганічна і аналітична хімія. З природних продуктів удалось виділити декілька десятків органічних сполук (головним чином, кислот). Були розроблені прийоми аналізу органічних речовин. Це сприяло виникненню органічної хімії. З′явились перші дослідження в галузі термохімії і електрохімії. Формування хімії як самостійної науки вступило у завершальну стадію. Однією з передумов хімічної революції стало широке застосування методу кількісних вимірів. Теоретичну основу кількісний метод отримав у законі збереження маси речовини у хімічних реакціях. Його сутність у 1760 р. чітко виразив російський вчений Михайло Ломоносов. Наприкінці ХVІІІ ст. в розвитку хімії спостерігається бурхливий прогрес. Промислове виробництво, промислова революція в Англії, соціальні процеси у Франції та інші вимагали розв′язання хіміко-технічних проблем, пошуків нових видів сировини, металевих руд, джерел енергії. Їх відкриття, у свою чергу, вимагало хіміко-аналітичних досліджень. Це привело до розвитку методів аналітичного аналіза. Його результатами було швидке розповсюдження фактичного матеріалу. Згодом це привело до «хімічної революції» ХVІІІ ст.

Хімічна революція

Великих успіхів у виділенні газів і вивченні їх властивостей досяг Джозеф Прістлі (1733–1804) протестантський священик, що захоплюався хімією. Поблизу Лідса (Англія), де він служив, знаходилася броварня, звідки можна було отримувати у великих кількостях «пов'язане повітря» (тепер ми знаємо, що це був двоокис вуглецю) для проведення дослідів. Прістлі виявив, що гази можуть розчинятися у воді, і спробував збирати їх не над водою, а над ртуттю. Так він зумів зібрати і вивчити оксид азоту, аміак, хлороводень, двоокис сірки (звичайно, це їх сучасні назви). У 1774 Прістлі зробив найважливіше своє відкриття: він виділив газ, в якому речовини горіли особливо яскраво. Будучи прихильником теорії флогістону, він назвав цей газ «дефлогістрованим повітрям». Газ, відкритий Прістлі, здавався антиподом «флогістрованого повітря» (азоту), виділеного в 1772 англійським хіміком Даніелем Резерфордом (1749–1819). В «флогістрованому повітрі» миші вмирали, а в «дефлогістрованому» були вельми активним. (Потрібно зазначити, що властивості газу, виділеної Прістлі, ще в 1771 описав шведський хімік Карл Вільгельм Шеєле (1742–1786), але його повідомлення через недбалість видавця друкується лише в 1777.) Великий французький хімік Антуан Лоран Лавуазьє (1743–1794) відразу ж оцінив значення відкриття Прістлі. У 1775 він підготував статтю, де стверджував, що повітря не проста речовина, а суміш двох газів, одне з них «дефлогістроване повітря» Прістлі Лавуазье назвав його oxygen, кисень, тобто «породжуючий кислоти». Другий удар по теорії елементів-стихій був нанесений після того, як з'ясувалося, що вода це також не проста речовина, яка сполучається з або ржавіючим предметами, що горять, переходить з руд в деревне вугілля і є необхідним для життя., а продукт з'єднання двох газів: кисню і водню. Всі ці відкриття і теорії, покінчивши з таємничими «стихіями», спричинили раціоналізацію хімії. На перший план вийшли тільки ті речовини, які можна зважити або кількість яких можна виміряти якимсь іншим способом. Протягом 1780-х років Лавуазье в співпраці з іншими французькими хіміками Антуаном Франсуа де Фуркруа (1755–1809), Гітоном де Морво (1737–1816) і Клодом Луї Бертолле (1748–1822) розробив логічну систему хімічної номенклатури; в ній було описано більше 30 простих речовин з вказівкою їх властивостей. Цю працю, «Метод хімічної номенклатури», було опубліковано в 1787.

 

Переворот в теоретичних поглядах хіміків, який стався в кінці 18 ст. внаслідок швидкого накопичення експериментального матеріалу в умовах панування теорії флогістону (хоч і незалежно від неї), зазвичай називають «хімічною революцією».

 

ХІМІЯ У ХІХ СТОЛІТТІ

Формування атомно-молекулярної теорії. З початку ХІХ ст. численні експерименти з речовинами тваринного і рослинного походження, їх аналіз показали, що вони складаються з величезного числа одних і тих же елементів: вуглецю, водню, кисню, азоту і деяких інших. Це було вагомим аргументом для введення у 1806 р. шведським хіміком Йєнсом Якобом Берцеліусом поняття «органічна хімія». ХІХ ст. знаменне рядом фундаментальних теорій як у фізиці, так і у хімії. У фізиці воно відзначається розробкою молекулярно-кінетичної теорії. Закономірності перетворення енергії з одного виду до іншого пояснювались з використанням поняття молекули. Хімії ж для опису складу сполучень і хімічних реакцій також необхідно було мати конкретний матеріальний об’єкт. Таким об’єктом став атом. У перші роки ХІХ ст. англійський вчений Джон Дальтон (1766–1844 рр.) сформулював основні принципи атомістики. З неї починається нова епоха в хімії, так висловився Єнгельс (а ми раніше відмітили, що з Лавуазьє). У фізиці, відповідно до цього – з

молекулярної теорії. Дальтон стверджував, що усі речовини складаються з обмеженої кількості часток. Це ї є сучасна атомістична теорія. Але пройшло майже 100 років після її встановлення, коли фізики довели, що «неподільна частинка» речовини є надзвичайно складною системою. Тут важливо підкреслити, що введене у 1803–1804 рр. Дальтоном фундаментального поняття атомної ваги – фактично першого кількісного параметра, який характеризує атом, – стрімко кристалізувало атомно-молекулярне вчення. Важливими віхами на цьому шляху були:

газові закони, встановлені французьким вченим Гей-Люссаком (1802–1808 рр.) таіталійцем Аледео Авогадро (1811 рр.); закон теплоємності, сформульований французькими вченими П’єром Дюлонгом і Алексі Пті (1819 р.); відкриття явища ізоформізму, виявлене німецьким хіміком Ейльхардом Мічерліхом (1819 р.). До цього додамо гіпотезу лікаря Англії Уільяма Праута, згідно якої всі хімічні елементи утворені з «первинної матерії» - атома водню з атомною вагою 1. У розвитку атомно-молекулярного вчення, як і хімії в цілому, велику роль відіграв шведський хімік Берцеліус (1779–1848 рр.). Видатний хімік і історик науки Пауль Вальден (1863–1957 рр.) так охарактеризував діяльнісь вченого Швеції: «Берцеліус включив до свого будівельного плану неорганічну і органічну хімію, аналітичну і мінералогічну, фізіологічну і електрохімію. Він дав будівельний матеріал, досліджуючи хімічні елементи, число яких збільшив новими відкриттями. Він заклав фундамент, розташувавши атоми за розміром, числом і вагою, і зв’язав їх електричними силами. Він більше, ніж хто до нього, сприяв заснуванню століття кількісної хімії. Він залишив цьому століттю мову символів, цінні нові поняття і нових майстрів хімії». На фундаменті атомно–молекулярної теорії зводилась будівля

класичної хімії. Шведський дослідник розробив злагоджену систему атомних ваг. З великою точністю визначив значення багатьох з них. До нього фактично були відсутні загальноприйняті позначення елементів. Склад сполук і хід реакцій хіміки описували словесно, причому, різними мовами. Берцеліус створив міжнародну хімічну мову: він увів літерні позначення латинських назв елементів. Запропоновані ним символи майже без змін збереглися до нашого часу. Чотири хімічних елементи відкрив сам Берцеліус: церій, серен, кремній і торій. Він майстерно володів методами хімічного аналізу. Був неперевершеним знавцем мінералів і розробив їх оригінальну класифікацію. Згодом її застосував В.І.Вернадський у лекціях з

мінералогії. Берцеліус є автором електрохімічної (дуалістичної) теорії: кожна хімічна сполука складається з двох частин – позитивно і негативно зарядженої. За життя вченого ця теорія критикувалась. На початку ХХ ст. вона відродилась у вигляді електронних теорій хімічного зв’язку. Ще раз відмітимо, що атомно-молекуляна теорія Берцеліуса стала основою самих різних досліджень середини ХІХ ст., які врешті-решт привели до становлення класичної хімії. Уводячи поняття «органічна хімія», Берцеліус був свідомим прихильником того, що органічні речовини створюються тільки у рослинних і тваринних організмах під дією якоїсь «життєвої сили». На його думку, штучно можуть бути отримані тільки неорганічні речовини. Ці помилкові уявлення гальмували розвиток органічної хімії. Але у 1928 р. німецький хімік Фрідрих Вьолер вперше штучним шляхом отримав природну органічну речовину мочевину з неорганічної солі. Ця подія відкрила дорогу до синтезу різних органічних сполук. У 1861 році органічна хімія вступила в нову епоху. 19 вересня 1861 року російський вчений О.М.Бутлеров виступив на з’їзді німецьких природодослідників і лікарів у місті Шпрее. У своїй доповіді він дав нове визначення поняття «хімічна побудова», запропонував способи відображення у формулах хімічної побудови речовин, чим фактично заклав основи сучасної теоретичної органічної хімії. Мова хімічних формул, якою сьогодні користуються сотні тисяч вчених в усьому світі, розроблена О.М.Бутлеровим.