1.3. Основные понятия химии
Ученые прошлого пытались ответить на основные вопросы: из чего состоят вещества, почему вещества бывают разными и почему одни вещества могут превращаться в другие?
Древнегреческие философы пытались представить мир построенным из некоторых основных «начал», или элементов: воды, воздуха, огня и земли (Эмпедокл). С другой стороны, в это же время появляются представления о невидимых мельчайших частицах, из которых построены все вещества (Левкипп). Эти частицы Демокрит назвал атомами (от греч. ἄτομος– неделимый). Он считал, что атомы каждого элемента имеют особые размеры и форму, и что именно этим объясняются различия в свойствах элементов. Вещества, которые мы видим и ощущаем, представляют собой соединения атомов различных элементов, и, изменив природу этого соединения, можно одно вещество превратить в другое. Демокрит создал атомную теорию почти в современном виде. Однако эта теория – лишь плод философских размышлений, не связанный с окружающими явлениями. Она не была подтверждена экспериментально, поскольку древние греки вообще не проводили экспериментов.
Первый эксперимент, подтверждающий атомную природу вещества, был проведен лишь спустя 2000 лет. В 1662 г. Р. Бойль, сжимая воздух в U-образной трубке под действием столбика ртути, обнаружил, что объем воздуха обратно пропорционален давлению (pV = const). Э. Мариотт подтвердил это соотношение через 14 лет после Бойля и заметил, что оно выполняется только при постоянной температуре.
Объяснить результаты Бойля и Мариотта можно, только если признать, что воздух состоит из атомов, разделенных пустым пространством. Сжатие воздуха обусловлено сближением атомов и уменьшением объема пустого пространства.
Таким образом, эксперименты Бойля и Мариотта подтвердили существование мельчайших частиц вещества. Оставалось выяснить, что представляют собой эти частицы. Результатом дальнейших исследований стала атомно-молекулярная теория.
Атомно-молекулярное учение развил М. В. Ломоносов. Основные положения этого учения изложены в его работе «Элементы математической химии» (1741 г.) и др. Сущность учения Ломоносова сводится к следующему:
1. Все вещества состоят из молекул («корпускул»).
2. Молекулы состоят из атомов («элементов»).
3. Частицы – молекулы, атомы – находятся в непрерывном движении. Тепловое состояние тел есть результат движения этих частиц.
4. Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, молекулы сложных веществ – из различных атомов.
Через 67 лет после Ломоносова в 1808 г. атомистическое учение в химии применил Дж. Дальтон в книге «Новая система химической философии». В своей основе оно повторяет учение Ломоносова, но вместе с тем развивает его дальше, т. к. Дальтон впервые попытался установить атомные массы известных тогда элементов. К сожалению, эта система оказалась во многих отношениях неверной, поскольку при определении атомных масс Дальтон часто исходил из неправильных молекулярных формул. Он считал, что атомы элементов почти всегда соединяются попарно (например, формула воды – НО). Кроме того, ученый был уверен, что молекулы всех простых веществ содержат по одному атому.
Атомно-молекулярное учение в химии окончательно утвердилось лишь в середине XIX в., когда в 1860 г. на международном съезде химиков в г. Карлсруэ были приняты определения понятий молекулы и атома.