Общая и Неорганическая химия с примерами решения задач

Если газы состоят из атомов, то вполне можно допустить, что жидкости и твердые вещества также состоят из атомов. Например, как испаряется вода? Если воду нагревают, она кипит, и при этом образуется пар. Водяной пар имеет физические свойства воздухоподобного вещества, и, следовательно, вполне естественно предположить, что он состоит из атомов. Но если вода состоит из атомов, будучи в газообразной форме, то почему она не может состоять из атомов, находясь в жидком или твердом (в виде льда) состоянии? А если это справедливо для воды, то почему не может быть справедливо для всех видом материи?

Впервые за свою двухтысячелетнюю историю атомизм начал завоевывать приверженцев, число которых быстро росло (например, к атомизму пришел Ньютон).

Ко времени начала научной деятельности Бойля термины «алхимия» и «алхимик» почти исчезли из научной литературы. Не удивительно, что Бойль опустил первый слог слова алхимик» в назывании своей книги «Химик-скептик» (The Sceptical Chymist»), опубликованный в 1661 г. С тех пор наука стала называться химией, а работающие в этой области – химиками.

Бойль не принимал утверждения древних философов, считавших, что элементы мироздания можно установить умозрительно. Установить, что предполагаемый элемент действительно является элементом, можно только с помощью эксперимента. Если вещество можно разложить на более простые компоненты, следовательно, оно не является элементом, а полученные более простые вещества могут представлять собой элементы или по крайней мере могут считаться таковыми до тех пор, пока химики не научатся разлагать и их на более простые вещества. Только в XX столетии стало возможным установить природу элементов не в условном плане.

Тот простой факт, что Бойль добивался эксперименталь-ного подхода к определению элементов (подхода, который в конечном счете и был принят), не означал, что он знал о су-ществовании различных элементов. Вполне могло оказаться, что экспериментальный подход подтвердил бы существование «греческих элементов»: огня, воздуха, воды и земли.

Бойль, например, был убежден в обоснованности воззрений алхимиков, считавших, что металлы не являются элементами и что одни металлы можно превратить в другие. Он считал, что

получив таким образом золото, удастся подтвердить атомную структуру материи.

Однако в этом Бойль ошибался: металлы оказались элементами. Один из элементов едва не открыл сам Бойль. В 1680 г. он выделил фосфор из мочи. Однако лет на десять до него то же самое сделал немецкий химик Хенник Бранд (? – после 1710 г.) которого иногда называют «последним алхимиком». Он открыл фосфор совершенно случайно во время поисков философского камня, который собирсля найти в моче. Правда, ряд литературных источников свидетельствует, что способ получения фосфора, вероятно, знали еще арабские алхимики XII в.

К числу открытий XVII в. имевших особе значение для развития химии, следует отнести открытие существования давления столба атмосферного воздуха, возможности использования этого давления и возможности создания вакуума.

Конструкция паровой машины была значительно усовершенствована шотландским механиком Джеймсом Уаттом (1736-1819), который и считается создателем универсальной паровой машины.

Появление паровой машины ознаменовало собой начало промышленной революции: человек получил машину, кото-рая, казалось могла переделать всю таяжелую работу на свете.

Не совсем обычное использование огня в паровой маши-не возродило у химиков интерес в процессу горения. Почему одни предметы горят, а другие не горят? Что представляет собой процесс горения? По представлениям древних греков все, что способно гореть, содержит в себе элемент огня, который в соответствующих условиях может высвобождаться. Алхимики придерживались примерно той же точки зрения, но считали, что

ХХХ

Нет страниц 19-22

ХХХ

«окалину» (оксид ртути). Пристли клал немного окалины

пробирку и нагревал ее, фокусируя на ней с помощью линзы солнечные лучи. Окалина при этом вновь превращалась в ртуть, и в верхней части пробирки появлялись блестящие шарики металла. При разложении окалины выделялся газ с весьма необычными свойствами. Горючие вещества горели в этом газе

быстрее и ярче, чем на воздухе. Тлеющая лучина, брошенная в сосуд с этим газом, вспыхивала ярким пламенем.

Пристли пытался объяснить это явление, используя теорию флогистона. Поскольку горючие вещества горели в этом газе весьма ярко, то они должны были очень легко выделять флогистон. Чем это объяснить? Как следует из теории флогистона, воздух легко поглощает флогистон, но до определенного предела, после чего горение прекращается. В открытом Пристли газе горение шло лучше, чем в воздухе, и он решил, что этот газ совсем не содержит флогистона, Пристли называл открытий им газ «дефлогистированным воздухом». (Однако через несколько лет его переименовали в кислород: этим названием мы пользуемся и сегодня.

«Дефлогистированный воздух» Пристли казался своего рода антиподом «флогистированного воздуха» Резерфорда. В последнем газе мыши умирали, тогда как в первом были весьма деятельными. Пристли сам попробовал подышать «дефлогис-тированным воздухом» и почувствовал при этом себя «легко и свободно».

Однако в открытии кислорода и Резерфорд и Пристли опередил шведский химик Карл Вильгельм Шееле (1742-1786) – представитель плеяды химиков, которые вывели Швецию в XVIII в. на передовые позиции науки.

Кронстедт (1722-1765) при изучении минералов впервые применил паяльную трубку. Это была длинная постепенно сужающаяся трубка, из узкого конца которой выходила струя сжатого воздуха.

Благодаря использованию новых технических приемов, подобных анализу в пламени паяльной трубки, химикам удалось накопить достаточно много данных о минералах. Исходя из этих данных, Кронстедт вполне справедливо полагал, что минералы следует классифицировать не только в соответствии с их внешним видом, но и в соответствии с их химической структурой. В 1758 г. он выпустил книгу «Система минералогии», в которой детально описал новую систему классификации.

Шведский минеролог Торберн Улаф Бергман (1735-1784) развил теорию, объясняющую, почему одно вещество реагирует с другим, но не реагирует с третьим. Он же предположил, что между двумя веществами существует «сродство» (affinities), и составил тщательно выверенные таблицы различных величин сродства. Эти таблицы пользовались широкой известностью при жизни их создателя и пережили его на несколько десятилетий.

Шееле открыл ряд кислот растительного и животного происхождения, в том числе винную, лимонную, бензойную, яб-лочную, щавелевую, галловую, молочную, мочевую, а также та-кие минеральные кислоты, как молибденовая и мышьяковая.

Шееле получил и изучил три сильно ядовитых газа: фторид водорода, сульфид водорода и цианид водорода. (Предполагают, что его ранняя смерть явилась результатом медленного отравления химикалиями, так как он имел обыкновение пробовать на вкус те вещества, с которыми работал).

Наиболее важные его открытия – получение кислорода и азота (соответственно в 1771 и 1772 гг.). Шееле получал кислород, нагревая вещества, непрочно его удерживающие. Он нагревал, тот самый красный оксид ртути, которым несколько лет спустя воспользовался Пристли.

Шееле подробно описал свои опыты по получению и столь же подробно описал свойства «огненного воздуха» (так он называл кислород), но из-за небрежности его издателя эти описа-ния не появлялись в печати до 1777 г.

К концу XVIII в. был накоплен большой экспериментальный материал, который необходимо было систематизировать в рамках единой теории. 5 июля 1748 г. М.В. Ломоносов впервые сформулировал закон сохранения материи и движения. В письме к Л.Эйлеру он писал: «Все встречающиеся в природе изменения происходят так, что если к чему-либо прибавилось, то это отнимается у чего-то другого. Так, сколько материи при-бавляется какому-либо телу, столько же теряется у другого… Так как это всеобщий закон природы: То он распространяется и на правила движения, столько же теряет он своего движения, сколько сообщает другому, им двинутому».

В 1756 г. М.В.Ломоносов, повторив опыт Р.Бойля, раньше А.Лавуазье высказал мысль, что увеличение массы металлов при обжигании следует приписать присоединению частиц воздуха И в отличие от своих современников он исключил «огненную материю» из числа химических агентов.

Создателем такой теории французский химик Антуан-Ло-ран Лавуазье (1743-1794). Лавуазье понял важность точного изменения. Первая значительная работа (1764 г.) быа посвящена изучению состава минерального гипса. Нагревая этот минерал, Лавуазье удалял из него воду и определял количество полученной таким образом воды.

Даже в 1770 г. ряд ученых придерживались старого опреде-ления элементов и утверждали, что трансмутация возможна, поскольку воду, например, при длительном нагревании можно превратить в землю.

Лавуазье решил проверить возможность превращения воды экспериментальным путем. С этой целью он в течение 101 дня кипятил воду в сосуде, в котором водяной пар конденсировался и возвращался обратно в колбу. Он взвешивал и сосуд и воду и до и после нагревания.

Осадок при этом действительно появился, но вес воды не изменился. Осадок образовывало выщелоченное стекло, осаждавшееся в виде твердых пластинок. Этот пример наглядно показывает. Что простое наблюдение может привести к ошибочным вывода, тогда как количественное измерение позволяет установить истинные причины явления.

Вопрос о том, что такое процесс горения, интересовал всех химиков XVIII в. В 1772 г. Лавуазье в складчину с другими химиками приобрел алмаз. Он поместил этот алмаз в закрытый сосуд и нагревал до тех пор, пока алмаз не исчез. При этом образовался углекислый газ. Таким образом было убедительно доказано, что алмаз состоит из углерода и, следовательно, ал-маз ближе всех других веществ к углю.

Лавуазье был не волне доволен полученными результатами. При соединении воздуха с металлом образовывалась окалина, а при соединении с деревом – газы. Но почему в таком взаимодействии участвовал не весь воздух, а только примерно пятая часть его?

В октябре 1774 г. Париж посетил Пристли и рассказал Лавуазье о своем открытии «дефлогистированного воздуха». Лавуазье в 1775 г. подготовил статью, в которой утверждал, что воздух является не простым веществом, а смесью двух газов. Одну пятую воздуха составляет «дефлогистированный воздух» Пристли (Лавуазье, к сожалению, оспаривал у Пристли честь открытия кислорода). И именно эта часть воздуха соединяется с горящими или ржавеющими предметами, переходит из руд в древесный уголь и необходима для жизни.

Второй газ, составляющий четыре пятых воздуха («флогис-тированный воздух» Резерфорда), был признан совершенно самостоятельным веществом. Этот газ не поддерживал горения, мыши в нем гибли. Лавуазье называл его азотом – безжизненным. Позднее азот был переименован в цитроген, что в переводе с латинского означает селитрообразующий, поскольку выяснилось, что азот является составной частью распространенного минерала селитры.

Лавуазье был убежден (и, надо сказать, совершенно справедливо), что жизнь поддерживается процессом, сходным с процессом горения: ибо мы вдыхаем воздух, богатый кислородом и бедный углекислым газом, а выдыхаем воздух, бедный кислородом и значительно обогащенный углекислым газом. Он и его коллега Пьер Симно де Лаплас (1749-1827), впоследствии известный астроном, попытались измерить количество вдыхаемого животным кислорода и выдыхаемого ими углекислого газа. Ре-зультаты оказались озадачивающими – часть вдыхаемого кис-лорода не превратилась в выдыхаемый углекислый газ.

Лавуазье, узнав об этом опыте, называл газ Квендиша водородом («образующим воду») и отметил, водород горит, соединяясь с кислородом, и, следовательно, вода является соединением водорода и кислорода. Лавуазье также полагал, что пищевая субстанция и живая ткань представляют собой множество различных соединений углерода и водорода, поэтому при вдыхании воздуха кислород расходуется на образование не только углекислого газа из углерода, но и воды из водорода. Таким образом Лавуазье объяснил, куда расходуется та часть кислород, которую он никак не мог учесть в своих первых опытах по изу-чению дыхания.

Русский химик Михаил Васильевич Ломоносов (1711-1765) еще в 1756 г., т.е. почти за двадцать лет до работ Лавуазье по горению, отказался от теории флогистона и предположил, что при горении вещества соединяются с частью воздуха. Ломоносов имел почти современные взгляды на теорию атомов и теорию теплоты. Опередив, таким образом, свое время почти на сто пятьдесят лет.

По названиям соединений, предложенных системой химической номенклатуры, можно было определить те элементы, из которых оно состоит. Например, оксид кальция состоит из кальция и кислорода. Четкая система приставок и суффиксов

была разработана таким образом, что стало возможным судить о соотношении входящих в состав веществ элементов. В то же время хлорат калия содержит больше кислорода, чем хлорит калия, в перхлорате калия содержание еще выше, тогда как хлорид калия совсем не содержит кислорода.

1789 г. Лавуазье опубликовал книгу «Элементарный курс химии». Это был первый учебник по химии в современном понимании. Лавуазье только в двух случаях допустил несомненные ошибки. Это касалось «света» и «теплорода» (тепла), которые, как стало очевидно спустя несколько десятилетий, представляют собой вовсе не материальные субстанции, а формы энергии.

Германии одним из первых приверженцев Лавуазье стал Мартин Генрих Клапорт (1743-1817). Среди немецких ученых считалось очень патриотичным придерживаться теории флогистона, поскольку автор теории Шталь был немцем. Поэтому выступление Клапорта в поддержку теории Лавуазье произвело сильное впечатление. Клапорт внес свой вклад в открытие элементов: в 1789 г. он открыл уран и цирконий.

Успех Лавуазье показал химикам, что применение количественных измерений может помочь понять суть химических реакций. Метод количественных измерений был использован, в частности, при исследовании кислот.

Реакции нейтрализации заинтересовали немецкого химика Иеремию Веньямина Рихтера (1762-1807). Он измерил точные количества различных кислот, необходимых для нейтрализации определенных количеств того или иного основания, и наоборот. Результаты измерений показали, что, проводя реакцию нейтрализации, нельзя пользоваться приемами повара, который в соответствии со своим вкусом может увеличить или уменьшить количество того или много компонента: в данном случае необходимы определенные и постоянные количества веществ.

Рихтер изложил свои взгляды в книге «Стехиометрия, или искусство измерения химических элементов».

Таким образом, Рихтеру принадлежит формулировка зако-на эквивалентов.

Бертолле придерживался второй точки зрения и считал, что соединение, состоящее из элементов Х и У, содержит большее количество Х, если при получении этого соединения использовался большой избыток Х.

Французский химик Жозеф Луи Пруст (1754-1826), который работал в Испании, придерживался противоположного мнения. С помощью тщательных анализов, Пруст в 1799 г. показал, например, что карбонат меди характеризуется определенным весовым соотношением меди, углерода и кислорода вне зависимости от того, каким способом эта соль получена в лаборатории или каким способом выделена из природных источников. Соединение всегда содержит 5,3 части меди, 4 части кислорода и 1 часть углерода.