Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Лекции / 3. Атомно-теоритическая концепция хим.элемента (Палёная Н

.).doc
Скачиваний:
18
Добавлен:
19.05.2015
Размер:
11.7 Mб
Скачать

3. Первая концептуальная система химии. Атомно-теоретическая

концепция химического элемента

Главным недостатком эмперико - аналитической концепции ХЭ была её полная зависимость от уровня аналитической техники. Следуя ей, в ХХ веке к ХЭ надо было бы отнести элементарные частицы – электроны, протоны, нейтроны. Наряду с указанной концепцией формировалось атомно- теоретическая концепция ХЭ, которая прошла две основные стадии развития: до и после открытия периодического закона (ПЗ).

3.1. Первая стадия развития атомно- теоретической концепции химического элемента

Как мы уже говорили, Лавуазье изменил характер химического понятия об элементах, хотя он воздерживался от атомистических объяснений химических явлений. Но его мысль о конечности числа ХЭ и их вечности способствовала последующему слиянию атомистики и учения об элементах английского физика и химика-самоучки Джона Дальтона (1766-1844). Дальтон много лет занимался атмосферными процессами, свойствами газов и газовых смесей. К 1801 г. сложились основные положения « физической атомистики Дальтона»:

Дальтон Джон (1766–1844)- английский химик и физик. Проводил метерологические наблюдения, исследовал цвет неба, природу теплоты, преломление и отражение света. В результате создал теорию испарения и смешения газов. Описал дефект зрения, названный дальтонизмом. Открыл три закона, составивших сущность его физической атомистики и теории газовых смесей: парциальных давлений газов, зависимости расширения газов при постоянном давлении от температуры, независимо от Ж. Л. Гей Люссака, и зависимости растворимости газов от их парциальных давлений. Выдвинул и обосновал основные положения химической атомистики, ввел фундаментальные понятия атомного веса. Открыл закон кратных отношений. Составил первую таблицу относительных атомных весов водорода, азота, углерода, серы и фосфора, приняв за единицу атомный вес водорода. Предложил систему химических знаков для «простых» и «сложных» атомов.

1) атомы газов окружены теплородной оболочкой, объем которой увеличивается с температурой;

2) между частицами газов действуют силы отталкивания, обусловленные отталкиванием теплородных оболочек, силы же притяжения («химического сродства») в газах очень малы;

3) теплородные оболочки газов соприкасаются, т.е. частицы газа не движутся хаотически в пространстве;

4) атом имеют форму кубика (затем атом у Дальтона стал шаром– шар) с ядром в центре.

Обозначения атомов у Дальтона обозначается кружком с : точкой внутри (водород), заштрихованный ( углерод), пустой (кислород), с вертикальной чертой посередине (азот), с Z внутри – цинк, С I внутри – железо.

К 1803 г. Дальтон сформулировал основные положения химической атомистики (дневник от 6 сентября 1803 г.):

1) материя состоит из атомов;

2) атомы неделимы и не могут создаваться и разрушаться;

3) все атомы данного элемента имеют один и тот же неизменный вес;

4) атомы разных элементов обладают различным весом;

5) частица или соединение сформированы из определенного числа атомов элементов;

6) вес сложной частицы есть сумма весов составляющих ее атомов и т.д.

Именно в это время Дальтона особенно остро интересовала проблема веса частиц различных газов. Так, оставался открытым вопрос: «Почему атмосфера не расслаивается?» Для ответа на этот вопрос требовалось знать состав атмосферы и, в частности определять в ней содержание кислорода. Для определения кислорода Дальтон использовал «пробу Пристли» - реакцию окисления оксида азота (II). Реакции, лежащие в основу «пробы Пристли» Дальтон представлял себе так (в современной записи):

NO + O = NO2 селитроватая кислота

NO + 2O = NO3 селитряная кислота

N2O - селитряный оксид NO - селитряный газ

Чтобы определить содержание кислорода, надо было знать состав оксидов. Именно в процессе решение этой задачи Дальтон пришел к необходимость установления относительных атомных масс. В то время из работ Лавуазье было известно, что в воде содержится 85 % кислорода и 1 5% водорода, и из работ Вильяма Остина (1754-1783), что в аммиаке – 80 % азота и 20 % водорода. Других соединений водорода и кислорода, азота и водорода Дальтон не знал (перекись водорода была открыта только в 1818 г.). Дальтон считал, если два элемента дают только одно соединение, то состав этого соединения АВ («правило простоты»). Поэтому он принял для воды и аммиака формулы: НО и НN. Он принял условно, что атомная масса водорода равна 1. Тогда АN=80/20=4, AО=85/15=5,66. Отсюда для NO: AN:AО = 4:5,66; что согласовалось примерно с опытом ( 42 % N и 58 % О). Но селитряная кислота содержала 29,5 % азота и 70,5 % кислорода. Тогда 29,5:70,5 = 4: (m *5,66). Отсюда m=1,68 = 2. Таким образом, расчет, основанный на атомной теории, предсказал, что формула селитряной кислоты не NO3 , а NO2. В дальнейшем для определения атомного веса серы Дальтон принял состав серной кислоты как SO2 , а для определения атомного веса углерода - состав угольной кислоты как СО2 . Дальтон составил таблицу относительных атомных весов, которые уточнял в течении многих лет. Вот лишь некоторые значенияя:

Н О N C S

1 5,66 4 4,5 17

Таким образом, Дальтон открыл один из важнейших законов химии – закон простых кратных отношений (1803):

Если два элемента могут образовывать между собой несколько соединений, то массовые доли любого из элементов в этих соединениях относятся друг к другу как небольшие целые числа.

В дальнейшем он нашел и другие примеры, которые могли бы устранить все сомнения в том, что этот закон имеет всеобщее значение. Так, он исследовал соотношения между углеродом и водородом: в маслородном газе (этилене), в котором, по его анализам, на один атом углерода приходится один атом водорода; в болотном газа (метане), в котором он обнаружил содержание двух атомов водорода и один атом углерода. Кроме этого, Дальтон исследовал С:О в окислах углерода.

Свои воззрения Дальтон изложил в «Новой системе химической философии» (1808-1810.), которая оказала большое влияние на последующее развитие химии.

Открытия закона кратных отношений и введение понятия атомного веса ознаменовали начало современного этапа развитии химии. С этого времени химия сделалась точной наукой. Дальтон впервые дал количественный критерий для доказательства реального существования атомов и сложных атомных структур. Открытие закона кратных отношений и введение в научную практику понятия «относительный атомный вес» привело к возможности количественного оперирования моделями атомных структур сложных веществ.

Со времен Дальтона химическая атомистика стала основой химии. Дальнейшее развитие химической атомистики связано с именем французского химика и физика Жозефа Луи Гей -Люссака (1778-1850). В декабре 1808 г. он сообщил об открытии закона простых объемных отношений реагирующих газов, согласно которому:

Взаимодействие газообразных веществ всегда происходит в наиболее простых отношениях, так что с одним объемом газообразного вещества всегда соединяется такой же, или двойной, или самое большое тройной объем другого газа.

Гей-Люссак Жозеф Луи (1778–1850) - французский химик и физик. Независимо от Дж. Дальтона открыл закон (1802), устанавливающий количественные соотношения между степенью расширения газов и температурой при постоянном давлении, а также закон объемных отношений (1808). Разработал независимо от Г. Дэви способы получения калия и натрия восстановлением гидроксидов. Впервые построил (1819) кривые зависимости растворимости солей в воде от температуры. Усовершенствовал методы объемного анализа.

Гей-Люссак высказал мысль, что частицы газа настолько удалены друг от друга, что взаимодействие между ними практически отсутствует. Дальтон не принял открытия Гей-Люссака. Ведь по Дальтону частицы (атомы) заполняют все пространство (т.е. объем зависит от размеров частиц). Каждый атом (одного типа) имеет свой отличный от атома другого типа объем. Тогда при взаимодействии двух веществ А и В частицы А и В слипаются. Но тогда, по Дальтону, отношение объемов реагирующих и образующихся газов может быть любым. Из этого же вытекало, что в равных объемах газов должно содержаться разное число частиц. Вот почему Дальтон отвергал открытия Гей-Люссака.

Дальнейший шаг совершил итальянский физик Амедео Авогадро (1776- 1850). В 1811 г. он опубликовал «Очерк способа определения относительных масс элементарных молекул тел и пропорций, в соответствии с которыми атомы вступают в соединения».

Амадео Авогадро (1776-1856) – итальянский химик и физик. Открыл «закон Авогадро» (1811). Именем Авогадро названа универсальная постоянная – число молекул в 1 моль идеального газа. Создал (1811) метод определения молекулярной массы. Установил точный количественный атомный состав молекул многих веществ, в том числе состав ряда соединений щелочных и щелочноземельных металлов, метана, этилового спирта, этилена.

По Дальтону для реакции с участием газообразных веществ А + В = С отношение объемов VА : VВ : VС = nАνА : nВνВ : nСνС , где νi – объем i-ой частицы, а ni – число i–ых частиц. Авогадро же принял, что VА : VВ : VС = nА : nВ : nС . Т.е. отношение объемов не зависит от размера атомных частиц. Это согласовывалось с законом простых объёмных отношений Гей-Люссака. Авогадро принял, что существует очень простые отношения между объемами газов и числом молекул, из которых эти газы состоят. Так из VА / VВ = nА /nВ следует,что если VА = VВ ,то nА = nВ. Т.е.

В равных объемах газов число молекул одинаково (I гипотеза Авогадро).

Из этой гипотезы следовало, что

D = 1/2 = m1/V : V/m2 = m1* N/ m2* N = m1* / m2*. Т.е.

Отношение молекулярных масс газов равно отношению плотностей газов при одинаковых давлении и температуре.

II гипотеза Авогадро – о многоатомности молекул простых газов: молекулы простых газов делимы.

Правда, он считал, что в зависимости от условий одна и та же молекула может делиться на разное число частей. Впоследствии многочисленные опыты показали, что молекулы простых газов состоят из двух атомов. Так это следовало из реакций замещения типа: RН + CI2 = RCI + HCI.

Таким образом, Авагадро первым указал на различие понятий атом и молекула. Опираясь на эти представления он, вместо неверных формул для воды (НО), углекислого газа (СО), оксида углерода (II) – (С2О), метана (СН2) предложил правильный состав этих соединений.

Дальнейший принципиальный шаг в развитии химической атомистики и химии в целом сделал итальянский ученый Станислао Канницаро (1826- 1910).

Канниццаро Станислао (1826–1910)- итальянский химик. Один из основателей атомно-молекулярной теории. Открыл окислительно-восстановительное диспропорционирование ароматических альдегидов (реакция Канниццаро). Главное значение работ Канниццаро заключается в предложенной им системе основных химических понятий, означавшей реформу атомно-молекулярных представлений. Установил и обосновал правильные атомные веса многих металлов, на основе закона Авогадро четко разграничил понятия «атом», «молекула» и «эквивалент» и внес ясность в запутанный вопрос о различии атомных, молекулярных и эквивалентных

Он опирался на гипотезы Авагадро. Из I гипотезы можно было определить относительные молекулярные массы соединений по их плотностям в газовой среде. При этом водород он рассматривал двухатомный газ (II гипотеза).

Канницаро, например, определил, что МН2О=2D=2*9=18. Приняв АH=1, он получил АО=16. В селитряном газе (NO) М=2D=30, тогда если число атомов кислорода равно 1, то AN =14.

Он исходил из того, что различные количества одного и того же элемента, содержащиеся в разных молекулах, кратны одному и тому же количеству, которое всегда неразделимо и которое по праву может быть названо атомом (химическим атомом – по терминологии большинства современников Канницаро). Так, наименьшее количество кислорода всегда оказывалось равным 16. Следовательно, относительная атомная масса «химического» атома кислорода равна 16 условным водородным единицам. Для проверки правильности полученной атомной массы имелись и другие методы контроля, например, правило Дюлонга и Пти (Суд.*А=6,4 кал/г-атом.К).

Подчеркнем, что атом в понимании Канницаро – это не истинный «физический атом», не первичный объект природы, как его понимал Дальтон, а своего рода «эффективная величина».

Взгляды Канницаро получили широкое признания после Международного конгресса химиков в Карлсруэ (1860), на котором было принято называть молекулой – наименьшее количество вещества, участвующее в реакции, а атомом – наименьшее количество элемента, содержащиеся в молекуле.