4. Развитие химических концепций

Химия – наука о веществах, их строении, свойствах и превращениях. В широком понимании вещество – это любой вид материи, обладающий собственной массой, например, элементарные частицы. В химии понятие вещества более узкое, а именно вещество – это любая совокупность атомов и молекул. Уровень современной экспериментальной техники таков, что позволяет изучать превращения отдельных молекул. Поэтому можно считать, что даже одна единственная молекула образует вещество, которое обладает химическими свойствами и способно превращаться в другие вещества.

В истории развития химии выделяют четыре концептуальных уровня в познании вещества:

• исследование различных свойств веществ в зависимости от их химического состава, определяемого их элементами;

• исследование структуры. Т.е. способов взаимосвязи и взаимодействия элементов вещества;

• исследование внутренних механизмов и условий протекания химических процессов;

• изучение самоорганизации химических систем.

1. Учение о составе вещества

Уже с первых шагов химики на интуитивном и эмпирическом уровне поняли, что свойства простых веществ и химических соединений зависят от тех неизменных начал, которые впоследствии стали называться элементами.

Первый по-настоящему действенный способ определения свойств вещества был предложен во второй половине ХVII в. английским ученым Р. Бойлем (1627–1691). Результаты экспериментальных исследований Бойля показали, что качества и свойства тел зависят от того, из каких материальных элементов они состоят. Возникшее таким образом учение о составе вещества существует и сегодня и продолжает развиваться на качественно новом уровне.

1. Первые представления о химическом элементе

Для определения состава вещества необходимо установить, из каких элементов они состоят, а это предполагает наличие точного понятия химического элемента. Определение Р. Бойлем элемента как "простого тела", а тем более ранние попытки отождествить элементы непосредственно со свойствами и качествами вещей не достигали этой цели. Действительно, ни сам Бойль, ни его сторонники не имели ясного представления о "простом веществе" и поэтому принимали за него химическое соединение. В те времена для получения химического элемента как "простого тела" использовался универсальный метод разложения сложных тел – метод прокаливания. После прокаливания образовывалась окалина, которая принималась за элемент. В результате металлы (железо, медь, свинец, сурьму и т.д.) считали сложными телами, состоящими из соответствующих элементов, и универсального "невесомого тела" –флогистона(от греч.phlogistos– “горючий”).

Ошибочная теория флогистона послужила толчком к поиску истины. Усилия химиков были направлены на установления состава различных веществ. Вещества, которые разлагались на более простые вещества, были названы "соединениями" (сложными веществами), например, вода, углекислый газ, железная окалина. Вещества, которые нельзя было далее разложить, назывались "элементами", например, водород, медь, золото.

В 1774 г. английский ученый Д. Пристли (1733–1804) одним из первых получил кислород. Пристли наблюдал, что при внесении в кислород слабо горящей свечи или тлеющей лучины свеча ярко загоралась, а лучина вспыхивала. Роль кислорода в этих явлениях была объяснена великим французским химиком А. Лавуазье (1743–1794), опровергнувшим теорию флогистона – носителя "горючести" тел. В результате многочисленных анализов продуктов реакций Лавуазье установил, что горение – это не разложение горючих веществ с выделением флогистона, а соединение веществ с кислородом. Таким образом, была создана кислородная теория (1777), объяснившая процессы дыхания и горения как взаимодействие веществ с окислителем – кислородом.

Процесс становления химии как самостоятельной науки требовал создания общепринятой терминологии, в том числе, химической номенклатуры – системы названий химических соединений. Первую систему научных названий в химии выработала в 1787 г. Комиссия химиков во главе с Лавуазье. Современные символы химических элементов были предложены позднее шведским ученым Й. Берцеллиусом (1779–1848). Большой заслугой Лавуазье является приведение в систему огромного фактического материала, накопленного химией. В 1789 г. Лавуазье изложил разработанные им системы знаний в учебнике "Начальный курс химии, представленный в новом виде на основе новейших открытий". Система Лавуазье основывалась на точных качественных и количественных исследованиях.

Лавуазье сделал первую попытку систематизации химических элементов. В частности, он привел список всех известных элементов, содержащий 33 вещества. Два из этих веществ были неверными в принципе (свет и теплород), а 8 оказались впоследствии сложными веществами (известь, магнезия, глинозем, кремнезем и т.д.)

Первым разделом научной химии явилась стехиометрия, изучающая количественный состав веществ, а также количественные соотношения между веществами, вступающими в реакцию. В конце XVIII – начале XIX вв. были открытыстехиометрические законы(закон постоянства состава, закон кратных отношений, закон простых объемных отношений, закон Авогадро). Эти законы, на первый взгляд, могут показаться очевидными и тривиальными, но для своего времени они являлись гениальными догадками и составили фундамент, на котором базируется современная химия.