2. Алхимический период

Родиной алхимии считается Древний Египет. Там с древних времен в строжайшей тайне сохранялись способы выплавки металлов, получения сплавов для монет, получения стойких красок, лекарственных составов, ядов и т. д. Приблизительно в 300 г. н. э. египтянин Зосима в энциклопедии из 28 томов обобщил все знания о взаимных превращениях веществ, накопленные за предыдущие столетия. Обычно этим событием датируют начало периода алхимии, который продлился почти до XVIв.

Алхимия, возникшая в условиях разложения рабовладельческого строя, достигла расцвета в средние века, при феодальном строе. Она представляла собой своеобразное явление культуры, сочетавшее элементы материализма и идеализма, практического знания и мистицизма. Научной основой алхимии стали взгляды Аристотеля о взаимопревращении элементов. С другой стороны, алхимия была тесно связана с астрологией и магией. Семь планет связывали с семью известными тогда металлами. Арабы, вторгшиеся в VIIв. в Египет, перефразировали слово “хеми” в “аль хеми”. Таким образом, термин “алхимия” имеет арабское происхождение.

Осуществляя превращения одних веществ в другие путем различных воздействий на них и их смеси, алхимики не видели препятствий для реализации любых превращений, в том числе превращений металлов друг в друга. Быстро развивавшиеся в государствах арабского Востока ремесла и торговля стимулировали деятельность алхимиков, направленную на этом этапе на поиски “философского камня”, “эликсира”, которые бы позволили получать золото и серебро из других веществ. В XIII–XIVвв. в связи с поисками эликсира были получены этанол и уксус, открыты многие соли, щелочи и, что особенно важно, сильные минеральныекислоты – серная и азотная, расширившие возможность химического воздействия на вещество.

Несмотря на сугубо утилитарную направленность и пронизанность мистическими ритуалами, алхимия сыграла огромную роль в развитии естественных наук. В поисках философского камня алхимики открыли человечеству исключительно ценный метод исследования – эксперимент, проверяющий гипотезу. По сути дела, лаборатории алхимиков были первыми помещениями, предназначенными для научных исследований.

II. Научный этап

1. Становление учения о составе

Этот период охватывает XVI–XVIIIвв. Он принципиально отличается от алхимического целями исследования. Вместо слепого экспериментирования в поисках философского камня начинается исследование законов превращения веществ для использования их в практической деятельности. Так, Т. Парацельс (1493–1541), создательятрохимии, считал, что равновесие в организмах можно достичь с помощью определенных химических соединений, содержащих минералы. Болезни вызываются избытком или недостатком каких-то элементов. Именно на поиск способов лечения болезней должны быть направлены химические исследования. Так ятрохимия отделялась от алхимии.

Больших успехов достигла техническая химия – развивалась металлургия, производство стекла, бумаги. Развитие ремесел, фармацевтики, промышленности требовало получения новых веществ. Все более ощущалось, что существует какой-то предел превращаемости веществ. Возрождение П. Гассенди идей атомизма привело к формулировке понятия молекулыкак мельчайшей частички, сохраняющей свойства вещества.

Формирование химии как науки связано с Р. Бойлем (1627–1691). Он отбросил частичку “аль” в самом термине, чтобы подчеркнуть отличие этой науки от алхимии. Он отделил химию от ремесленных и медицинских целей. Бойль ввел первое научное определениехимического элементакак составной части вещества, которую нельзя разложить на более простые части; положил начало методу химического анализа. Видя основную задачу химии в изучении состава тел, он требовал, чтобы элементы состава при соединении давали исходное вещество, то есть ввелсинтез как критерий верности анализа.

На рубеже XVII–XVIIIвв. появиласьпервая общая химическая теория – теория флогистона, разработанная немецким ученым Шталем (1659–1734). Согласно этой теории, горючесть веществ связана с содержанием в них флогистона: чем больше флогистона содержит вещество, тем более оно способно к горению. Металлы, сгорая, теряют флогистон и превращаются в извести. Если же к известям добавить флогистон, используя для этого богатый им уголь, то они снова превратятся в металлы. Теория флогистона, будучи качественной, описательной, стимулировала введение количественных методов анализа состава веществ.

М. В. Ломоносов (1711–1765) соединил корпускулярные представления о строении веществ и кинетическую теорию теплоты и пришел к формулировке закона сохранения вещества и движения. В 1756 г. он подтвердил это положение экспериментально, проведя опыты по измерению массы металлов после их прокаливания в запаянных сосудах.

Большой вклад в развитие химии внес Лавуазье (1743–1794). После открытия Шееле сложного состава воздуха Лавуазье выяснил роль кислорода в процессах дыхания, горения и обжигания металлов и пришел ккислородной теории горения. Тем самым флогистон был изгнан из химии, как и теплород из физики. Проводя точные измерения, Лавуазье установилзакон сохранения массы, не зависящий от характера реакции.

Количественные методы привели к открытию новых элементов: кобальта (1735); металлического никеля (1751); водорода (1776), ранее наблюдаемого Бойлем в 1766 г., Ломоносовым в 1745 г., Г. Кавендишем в 1766 г.; кислорода (1771–1774) (Пристли – в Англии, Шееле – в Швеции, Лавуазье – во Франции); фтора (1771) и т. д.

Лавуазье предпринял первую попытку систематизировать химические элементы. Классификация Лавуазье основана на соединениях кислорода (кислоты, основания, соли, органические вещества). Такучение о составевеществастало частью рациональной науки, но до ХIХ в. оно составляло всю химию. Развитие промышленного производства требовало расширения сырьевой базы, понимания происходящих в химических реакциях процессов.

Понятие химического соединения отражало развитие представлений об элементах. В 1773 г. И. Рихтер показал, что химические элементы взаимодействуют между собой в строго определенных пропорциях, сохраняющихся и при переходе от одного сложного вещества к другому. Эта упорядоченность была названастехиометрией, то есть мерой элементов, входящих в состав химического вида. Сам закон Рихтера стали называтьзаконом эквивалентов.

Закон постоянства состава установил французский химик Ж. Пруст (1799): любое химическое соединение обладает строго неизменным составом, атомы прочно притягиваются – этим химическое соединение отличается от смесей.

Дж. Дальтон теоретически обосновал этот закон с позиций атомизма. Он показал, что все вещества состоят из молекул, а молекулы – из атомов. Дальтон ввел обозначения атомов – составных частей молекул – и отметил возможность “обмена” атомами при реакциях. Так Дальтон пришел кзакону кратных отношений, согласно которому если определенное количество одного элемента вступает в соединение с другим элементом в нескольких весовых отношениях, то количества второго элемента относятся между собой как целые числа. Он полагал, что все атомы каждого отдельного элемента одинаковы и обладают определенныматомным весом. Поскольку абсолютное значение атомного веса нельзя установить, можно использовать относительные веса. Выбрав за единицу вес атома водорода, Дальтон составилпервую таблицу атомных весов. Атомные веса элементов более точно определил шведский химик Й. Берцеллиус.

Эти три закона стехиометрии (эквивалентов,постоянства состава икратных отношений)стали основанием химии. Утверждение дискретности химической организации вещества стало ведущим представлением вплоть до создания квантовой химии.

Развитие молекулярной физики позволило к этому времени открыть эмпирическиегазовые законы, связывающие параметры газов. Эти эмпирические законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака и Шарля удалось вывести из идеи молекулярного строения вещества Д. Бернулли и Ломоносову. В 1811 г. А. Авогадро установил, что при одинаковых условиях равные объемы газов содержат одинаковое число молекул. Это значит, что грамм-молекула любого газа при одинаковых условиях (давлении и температуре) занимает одинаковый объем. При нормальных условиях он равен 22,41 л, и в этом объеме содержится 6,02 ∙ 10²³молекул газа. Это число получило названиечисла Авогадро.Молекулой назвали наименьшую частичку вещества, сохраняющую его свойства.

Основные принципы, теории и законы химии, единые понятия были утверждены на первом Международном конгрессе химиков (1860 г., Карлсруэ).

Так в химии утвердились основные положения атомно-молекулярного учения:

1.       Все вещества состоят из атомов.

2.       Атомы каждого вида (элемента) одинаковы, но отличаются от атомов любого другого вида (элемента).

3.       При взаимодействии атомов образуются гомоядерные (при взаимодействии атомов одного элемента) или гетероядерные (при взаимодействии атомов разных элементов) молекулы.

4.       При физических явлениях молекулы сохраняются, при химических – разрушаются; в отличие от молекул, атомы сохраняются при химических реакциях.

5.       Химические реакции заключаются в образовании новых веществ из тех же самых атомов, из которых состоят первоначальные вещества.

Открытие новых элементов и изучение свойств элементов и свойств их соединений позволило накопить большой фактический материал, который требовал систематизации. Задачу создания естественной системы, охватывающей все химические элементы и отражающей природу их сходства и различия, смог решить выдающийся российский химик Д. И. Менделеев в 1869 г. Он предложил систему элементов, основанную на открытом им периодическом законе. Этот закон гласит: свойства простых тел, а также форма и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов. По выражению Зелинского, открытие периодического закона явилось «открытием взаимной связи всех атомов в мироздании». Впервые химия получила возможность теоретически предсказывать свойства еще не открытых химических элементов. Уже в 1875 г. был открыт предсказанный Менделеевым галлий, затем – скандий и германий.

Уже в XIXв. периодический закон стал “фундаментом общей химии”, упорядочил химические свойства, придал новое содержание проблеме соотношения состава и свойства.

Периодический закон получил развитие в XXв. в связи с развитием квантовой механики. Квантовая теория периодичности свойств элементов сложилась в 30-е гг., когда стало ясно, что понятиехимического элемента связанос одинаковым зарядом ядра атомов. В эту совокупность включаются и разныеизотопы – атомы одного и того же химического элемента с различной атомной массой. Поскольку при химических превращениях любой атом сохраняет заряд ядра, то он остается атомом данного элемента. Сам атом меняется, так как меняется его электронная оболочка, отвечающая за химические свойства.

Из учения о составе веществ развилась аналитическая химия. Учение о составе дало ключ к решению проблемы генезиса свойств веществ, появилась возможность планировать и осуществлять реакции, выполняющие определенную цель. Появились новые технологии, с 1804 г. в России стал издаваться специальный «Технологический журнал», где печатались статьи по химии и химической технологии производства кислот, щелочей, солей. Так первая концептуальная система химии привела к новой технологии.