Просто о химии. От античного атомизма к атомно-молекулярной теории.
Античный атомизм
Приблизительно в 5 до н.э. в древнегреческой философии возникла теория атомизма. Согласно это теории все вещества состояли из частиц – атомов. Основоположник этой теории – древнегреческий философ Левкипп, который утверждал, что существует предел деления – настолько малая частица, что дальнейшее ее деление невозможно. Демокрит, ученик Левкиппа, назвал такую частицу атомом. "Нет ничего, кроме атомов, вечно движущихся в бесконечной пустоте" – этот тезис Демокрита лёг в основу античного атомизма.
Основными характеристиками атомов, по мнению Демокрита, являлись размер, форма и весомость; число форм атомов бесконечно. Атомы вечны, неизменны, нераздельны, непроницаемы, не возникают и не уничтожаются. Соединяясь между собой в различных сочетаниях, атомы материи образуют новые вещества с различными свойствами. Сами атомы в соединениях сохраняют свою индивидуальность. Невидимые из-за своих малых размеров, они, имея неровную поверхность, способны сцепляться друг с другом и образовывать видимые вещи. Утверждая, что существуют только атомы и пустота, атомисты тем самым отвергают существование какого-нибудь "мирового ума", управляющего миром. Все события происходят путем взаимодействия атомов, их столкновения, сцепления или разъединения.
Атомы различались величиной, от которой в свою очередь зависела тяжесть. Догадка об атомном весе принадлежит древнегреческому философу Эпикуру. Однако уже Демокрит был на пути к этому понятию, признавая относительный вес атомов, который в зависимости от размеров бывает тяжелее или легче. Самыми легкими атомами он считал самые мелкие и гладкие шаровидные атомы огня, составляющие воздух, а также душу человека.
В средние века учение об атомах преследовалось религией, которая тормозила развитие всей науки и химии в частности.
Теория флогистона, кислородная теория и химическая революция как предпосылки к развитию теорий о строении атома.
Первой научной теорией химии стала теория флогистона. Основой для этой теории послужило представление о горении, как о процессе разложения тела. Создателями теории считаются два немецких химика – Георг Эрнст Шталь и Иоган Иоахим Бехер.
Суть теории флогистона можно изложить в следующих основных положениях:
1. Существует материальная субстанция, содержащаяся во всех горючих телах – флогистон (от греческого φλογιστοζ – горючий).
2. Горение представляет собой разложение тела с выделением флогистона, который необратимо рассеивается в воздухе. Вихреобразные движения флогистона, выделяющегося из горящего тела, и представляют собой видимый огонь. Извлекать флогистон из воздуха способны лишь растения.
3. Флогистон всегда находится в сочетании с другими веществами и не может быть выделен в чистом виде; наиболее богаты флогистоном вещества, сгорающие без остатка.
4. Флогистон обладает отрицательной массой.
Противоположностью теории флогистона стала кислородная теория. Она начала развиваться немного раньше теории флогистона, но окончательную «победу» над флогистоном одержала лишь после работ Пристли и Шееле по открытию кислорода. Труды этих двух химиков резюмировал третий – А.Л. Лавуазье и в 1777 году сформулировал основные положения кислородной теории горения:
1. Тела горят только в "чистом воздухе".
2. "Чистый воздух" поглощается при горении, и увеличение массы сгоревшего тела равно уменьшению массы воздуха.
3. Металлы при прокаливании превращаются в "земли". Сера или фосфор, соединяясь с "чистым воздухом", превращаются в кислоты.
Новая кислородная теория горения (термин кислород – oxygenium – появился в 1877 г. в работе Лавуазье "Общее рассмотрение природы кислот и принципов их соединения") имела ряд существенных преимуществ по сравнению с флогистоном. Она более проста, чем флогистонная, не содержала в себе "противоестественных" предположений о наличии у тел отрицательной массы, и, главное, не основывалась на существовании субстанций, не выделенных экспериментально. Вследствие этого кислородная теория горения довольно быстро получила широкое признание среди естествоиспытателей.
С созданием кислородной теории начался новый этап развития химии – «химическая революция». Именно в это время появились новая номенклатура веществ, «таблица простых тел». Так же были открыты законы, которые внесли важный вклад в развитие представлений о строении атома.
В 1789 г Лавуазье открыл закон сохранения масс:
"Можно принять в качестве принципа, что во всякой операции количество материи одинаково до и после опыта, что качество и количество начал остаются теми же самыми".
Закон эквивалентов сформулировал немецкий химик Иеремия Вениамин Рихтер (термин «эквивалент» ввел Г. Кавендиш):
"Если одно и то же количество какой-либо кислоты нейтрализуется различными количествами двух оснований, то эти количества эквивалентны и нейтрализуются одинаковым количеством любой другой кислоты"
В 1801 г Ж.Л. Пруст открыл закон постоянства состава:
"От одного полюса Земли до другого соединения имеют одинаковый состав и одинаковые свойства. Никакой разницы нет между оксидом железа из Южного полушария и Северного. Малахит из Сибири имеет тот же состав, как и малахит из Испании. Во всем мире есть лишь одна киноварь"
Закон кратных отношений, открытый в 1803 г Дальтоном.
Атомно-молекулярное учение развил и впервые применил в химии великий русский ученый М.В.Ломоносов. Основные положения этого учения изложены в работе "Элементы математической химии". Сущность учения Ломоносова можно свести к следующим положениям:
1. Все вещества состоят из "корпускул" (так Ломоносов называл молекулы).
2. Молекулы состоят из "элементов" (так Ломоносов называл атомы).
3. Частицы — молекулы и атомы — находятся в непрерывном движении. Тепловое состояние тел есть результат движения их частиц.
4. Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, молекулы сложных веществ — из различных атомов.
Через 67 лет после Ломоносова атомистическое учение в химии применил английский ученый Джон Дальтон. Он изложил основные положения атомистики в книге "Новая система химической философии". В своей основе учение Дальтона повторяет учение Ломоносова. Однако Дальтон отрицал существование молекул у простых веществ, что по сравнению с учением Ломоносова является шагом назад. По Дальтону, простые вещества состоят только из атомов, и лишь сложные вещества — из "сложных атомов" (в современном понимании — молекул). Атомно-молекулярное учение в химии окончательно утвердилось лишь в середине XIX в. На международном съезде химиков г. Карлсруэ в 1860 г. были приняты определения понятий молекулы и атома.
Большую роль в развитии атомистической теории сыграл выдающийся русский химик Д.И. Менделеев, разработавший в 1869 г. периодическую систему элементов, в которой впервые на научной основе был поставлен вопрос о единой природе атомов. Во второй половине XIX в. было экспериментально доказано, что электрон является одной из основных частей любого вещества. Эти выводы, а также многочисленные экспериментальные данные привели к тому, что в начале XX в. серьезно встал вопрос о строении атома.