Помоги проекту - поделись книгой:
В 1888 г. Оствальд открыл, названный затем его именем, закон разбавления — частный случай общего закона действия масс, который он использовал для объяснения электролитической диссоциации. Оствальд исследовал ряд органических кислот и выразил аналитически связь между степенью диссоциации и разбавлением раствора. Однако в случае сильных электролитов наблюдалось отклонение от этой закономерности. Через 20 лет причину этого явления выяснили немецкие физико-химики Петер Дебай и Эрих Хюккель.
Способности Оствальда как организатора и популяризатора науки проявились в создании различных журналов и обществ и руководстве ими. Среди них "Журнал физической химии", "Общество электрохимии" (основанное в 1894 г., получившее в 1899 г. название "Бунзеновское общество"). В 1911г. при активном участии В.Оствальда был образован "Международный союз химиков".
Оствальд был прекраснейшим педагогом; под его руководством Лейпцигский институт физической химии стал международным научным и учебным центром.
Катализ[101]
Своим быстрым развитием физическая химия обязана не только научным, педагогическим и организаторским способностям Оствальда, но и его работам, посвященным катализу.
Каталитические процессы и каталитическое действие некоторых веществ наблюдались и даже использовались уже давно. В конце XVIII в., например, было обнаружено каталитическое действие селитры при получении серной кислоты. Однако смысл этого явления тогда не был понят.
Оствальд, по собственному его признанию, прочитал много "старинных трудов по химии и физике, чтобы почерпнуть знания во всех областях физической химии из первоисточников". Он был знаком с определением каталитической силы, которое дал Берцелиус, и знал о дискуссии, развернувшейся по этому поводу между Берцелиусом и Либихом. Либих выступал против определения Берцелиуса, считая его умозрительным. Оствальду были известны также работы Р. Майера и Г. Гельмгольца о превращениях энергии, и именно в этом аспекте он рассматривал каталитические явления.
Оствальд определял катализатор как вещество, "которое изменяет скорость реакции, но не входит в состав конечного продукта реакции". Сущность катализа ученый видел не в том, что катализатор вызывает реакцию, а в том, что он ускоряет ее. Катализатор представляет собой вещество, которое побуждает к большей активности молекулы реагентов и тем самым способствует увеличению выхода продуктов превращения в течение данного периода времени. Таким образом, Оствальд обращал внимание на скорости химических процессов и их измерение.
К концу XIX — началу XX вв. важное значение катализаторов для неорганических и органических процессов становилось все яснее. К этому времени были открыты катализаторы нового типа — органические ферменты[102]. Кроме того, уже в XIX в. промышленность начала ориентироваться на использование катализаторов, например при контактном способе производства серной кислоты или при синтезе аммиака. Так, ученик Оствальда Г. Бредиг изучил действие металлов в коллоидном состоянии, назвав их неорганическими ферментами (1899 г.). Годом раньше Поль Сабатье и Жан Батист Сандеран установили, что никель и другие металлы могут быть использованы как катализаторы при гидрировании органических веществ. В начале XX в. изучением хода каталитических реакций начал заниматься русский химик В. Н. Ипатьев. Он исследовал каталитическое действие оксидов металлов при высоких давлениях и температурах и в 1910 г. установил, что при использовании смеси катализаторов их действие усиливается.
Долгое время развитие работ в области катализа происходило, в сущности, чисто эмпирическим путем, так как оставался неизвестным механизм действия катализатора. Поэтому химикам необходимо было испытывать большое количество соединений, чтобы выбрать из них те, которые могли бы служить катализаторами. Таким способом было открыто и использовано много веществ, обладающих каталитическими свойствами. В первом десятилетии XX в. немецкий химик Ф. Габер открыл каталитический способ синтеза аммиака (под давлением) из атмосферного азота и водорода. Во втором десятилетии XX в. немецкие химики К. Бош и А. Митташ предложили промышленный метод синтеза аммиака, используя смесь катализаторов — железо, глинозем (оксид алюминия), едкое кали (гидроксид калия) — при очень высоких давлениях и повышенных температурах. Почти в то же время (1913 г.) немецкий химик Ф. Бергиус приступил к каталитическому гидрированию угля под давлением. Его соотечественники Ф. Фишер и Г. Тропш создали в 1925 г. названный впоследствии их именами способ каталитического гидрирования монооксида углерода с получением смеси углеводородов. С 1934 г. этот способ стал использоваться в промышленном масштабе для получения топлива[103].
В 20-е годы учеными были обнаружены также каталитические процессы в животном и растительном мире: открыто каталитическое действие витаминов и гормонов и понят характер некоторых биологических процессов.
Термохимия
Начало другому направлению физической химии — термохимии[104] — было положено работами Г. Гесса[105]. В 1840 г. он установил, что количество тепла, выделяющегося в химическом процессе, не зависит от пути протекания процесса, и сформулировал "закон постоянства количества теплоты реакции". Вначале его работа привлекла столь же мало внимания, как и работа Р. Майера, который несколько ранее Дж. Джоуля сформулировал закон сохранения и превращения энергии.
В 1852 г. в Копенгагене Юлиус Томсен начал работы по термодинамике и в 1866 г. обнаружил, что различные химические реакции (образование солей или процессы восстановления) сопровождаются тепловыми эффектами. В 1867 г. М. Бертло установил, что химические превращения всегда протекают в том направлении, которое сопровождается выделением тепла. Однако вскоре было замечено, что это не относится к процессам, протекающим при повышенных температурах.
В 70-е годы XIX в. Дж. Гиббс сформулировал правило фаз. Фазой он назвал гомогенную часть системы, отделенную от других частей системы границами раздела (фазовыми границами). Замкнутое пространство, в котором, к примеру, находятся лед, вода и водяной пар, представляет собой систему одного вещества (одного компонента), в данном случае воды, состоящую из трех фаз. Правило фаз Гиббса применимо ко всем системам. Это правило определяет число степеней свободы. Число степеней свободы указывает количество характеристик системы, которые могут быть изменены независимо друг от друга, например давление, температура или состав газообразного, жидкого или твердого раствора. Согласно правилу фаз Гиббса, в каждой находящейся в состоянии равновесия системе сумма числа фаз и степеней свободы всегда на две единицы больше, чем число компонентов.
Дальнейшее развитие термодинамика химических равновесий получила в работах А. Ле Шателье[106], который установил принцип, носящий теперь его имя: в системе, находящейся в состоянии равновесия, изменение условий (давления или температуры) приводит к изменению равновесия (под действием внешних сил) в направлении, при котором восстанавливаются начальные условия.
Очень большое значение для развития термодинамики имели работы Сади Карно, Рудольфа Клаузиуса и Вальтера Нернста. В 1824 г. Карно опубликовал работу о наивысшем теоретически достижимом коэффициенте полезного действия паровой машины и установил, что тепловая энергия может превращаться в работу только при переходе тепла от более горячего тела к более холодному.
В 1850 г. Клаузиус сформулировал второй закон термодинамики, показывающий направление изменения энергии в замкнутой системе, а в 1865 г. ввел понятие энтропии: энтропия замкнутой системы при необратимом процессе всегда возрастает, а при обратимом процессе остается постоянной.
В 1906 г. Нернст сформулировал третье начало термодинамики; он обнаружил, что по мере приближения к температуре абсолютного нуля тепловой эффект и движущая сила (максимальная работа) химических реакций все более приближаются друг к другу, а при температуре абсолютного нуля совпадают (в формулировке, данной в 1911г. М. Планком, тепловой закон гласит: при неограниченном понижении температуры энтропия любой конденсированной химической системы неограниченно стремится к нулевому значению). Благодаря тепловому закону стал впервые возможным точный расчет химических равновесий. Кроме того получили объяснение данные, которые, казалось, ставили под сомнение закон Дюлонга — Пти, а именно то, что атомные теплоемкости элементов уменьшаются при понижении температуры и, таким образом, не могут быть постоянными величинами.
Вальтер Нернст (1864-1941)
Развитие кинетической теории газов
Еще в XVIII в. Д. Бернулли объяснял свойства газов на основе теплового движения молекул. Согласно положениям кинетической теории газов, молекулы газа находятся в хаотическом движении. Поэтому в любой данный момент времени все молекулы имеют неодинаковую скорость и различную кинетическую энергию. Средняя кинетическая энергия оказывается при одних и тех же температурах для всех газов одинаковой. С повышением температуры она увеличивается пропорционально абсолютной температуре.
Кинетическая теория газов объясняла, почему наблюдается закономерность, установленная Р. Бойлем и Э. Мариоттом (закон Бойля-Мариотта): при столкновении молекулы газа оказывают давление на стенки сосуда. Если объем газа уменьшается, например, наполовину, то число молекул в единице объема удваивается, при этом вдвое возрастает и число соударений молекул и соответственно давление (при постоянной температуре).
В свете кинетической теории газов нашел объяснение и закон Авогадро, так как при одной и той же температуре средняя кинетическая энергия молекул всех газов одинакова. Благодаря работам Рудольфа Клаузиуса (1850 г.) кинетическая теория газов получила всеобщее признание. Для развития этой теории большое значение имели работы Дж. Джоуля, А. Крёнига, Дж. Максвелла и Л. Больцмана.
Коллоидная химия
Зарождение коллоидной химии произошло в 60-е годы XIX в., когда Томас Грехэм, использовав метод диализа, произвел разделение веществ на коллоиды и кристаллоиды. Его исследования продолжили Альфред Лоттермозер и Рафаэль Лизеганг и особенно Ричард Зигмонди, Вольфганг Оствальд и Генрих Бехольд.
Герман Штаудингер, открывший в 1905 г. кетены, в 1921 г. доказал, что каучук и другие коллоидные вещества состоят из тысяч атомов, соединенных друг с другом ковалентными связями. Его работы (1926 г.) заложили основы макромолекулярной химии[108]. Штаудингер показал, что макромолекулы, подобно радикалам, могут переходить без изменения из одного соединения в другое. Макромолекулы представляют собой коллоидные частицы, которые ранее считались состоящими только из мицелл. Макромолекулярная химия с 30-х годов превратилась в самостоятельное научное направление. На основе положений макромолекулярной химии Удается объяснять природу органических соединений и разрабатывать методы получения синтетических веществ. Для развития макромолекулярной химии большое значение имели публикации статей в этой области знания в специально созданных научных журналах.
Модель строения атома Бора-Резерфорда[109]
Электрон и протон
Атомистическая теория Дальтона получила в начале XX в. такие важные подтверждения, которые привели к коренному изменению представлений о строении атомов. В XIX в. были сделаны два важнейших открытия, которые, как тогда казалось, поставили под сомнение правомерность атомистических представлений. Одно из этих открытий было следствием электрохимических работ Фарадея, а второе — результатом исследований необычного излучения, испускаемого некоторыми веществами. Это излучение, как показали Анри Беккерель, а также супруги Пьер и Мария Кюри, оказалось радиоактивностью. (Дальнейшую судьбу электрохимических воззрений Фарадея рассмотрим ниже.)
Фарадей пытался выяснить, является ли вакуум проводником электрического тока. Однако он не смог это установить, поскольку не добился достаточно хорошего вакуумирования. Это удалось Юлиусу Плюккеру, у которого было соответствующее оборудование — стеклянные сосуды, изобретенные в 1855 г. Генрихом Гейслером. Плюккер впаял в сосуд два электрода и создал между ними разность потенциалов. Ему удалось зарегистрировать прохождение тока между электродами. К тому же Плюккер наблюдал возникающее при этом свечение, яркость которого зависела от величины вакуума. При очень хорошем вакууме, например, наблюдалось очень яркое свечение, а вблизи анода стекло приобретало зеленоватый оттенок.
В 1875 г. Уильям Крукс изготовил трубки (названные затем его именем) с еще более глубоким вакуумом. Используя их, он смог обнаружить, что электрический ток направлен от катода к аноду. Вблизи анода ток попадал на стекло и вызывал его свечение. Чтобы показать это отчетливее, Крукс впаял в трубку металлическую пластину, которая отбрасывала тень на стекло в противоположном от катода конце трубки. Однако в то время трудно было понять, что представляет собой этот ток от катода к аноду, и лишь Эуген Гольдштейн первым произнес термин "катодные лучи". Он высказал предположение, что речь идет о каком-то виде света, так как катодные лучи распространялись, подобно свету, прямолинейно, не испытывая влияния силы тяжести. Одни физики присоединились к этому предположению, другие хотели видеть в катодных лучах частицы, которые могут так легко и быстро перемещаться потому, что они или вообще не испытывают действия силы тяжести, или же это действие не проявляется в сколько-нибудь заметной степени. Плюккер и Крукс обнаружили отклонение катодных лучей в магнитном поле. Это доказывало, что лучи представляют собой поток частиц, ибо волны должны были в значительно меньшей степени подвергаться влиянию магнитного поля.
Джозеф Джон Томсон (1856-1940)
Решительным защитником корпускулярной гипотезы был Джордж Джонстон Стони[110]. В 1891 г. он дал дискретной частице название "электрон", рассматривая ее как элементарную единицу электрического заряда.
В 1895 г. Жан Перрен показал, что катодные лучи состоят из отрицательно заряженных частичек; на пути катодных лучей он ставил экран со щелью и всю установку помещал в магнитное поле, при этом катодные лучи отклонялись к положительному полюсу.
Джозеф Джон Томсон в 1897 г. определил скорость катодных лучей, а из величины их отклонения в магнитном поле нашел отношение заряда к массе частиц. Значение массы оказалось примерно в 1000 раз меньше массы самого легкого атома — водорода[111]. На основе такой огромной разницы Томсон сделал вывод, что речь идет о неизвестной ранее элементарной частице[112]. Точную массу электрона, равную 1/1837 массы атома водорода, установил в 1909-1913 гг. Роберт Эндрус Милликен.
Открытие электрона предшествовало открытию протона- положительно заряженной частицы. Еще в 1886 г. Гольдштейн наблюдал, что при испускании катодных лучей на сам катод попадают лучи иной природы, которым ученый приписал поэтому противоположный электронам[113] положительный заряд. В 1907 г. Дж. Дж. Томсон назвал их положительно заряженными лучами. Дальнейшее исследование показало, что частицы, составляющие эти лучи, отличаются от электронов не только знаком заряда, но также и значительно большей массой. Масса "протонов", как назвал их в 1920 г. Э. Резерфорд, была примерно равна массе атома водорода, т. е. в 1837 раз больше массы электрона.
Роберт Эндрус Милликен (1868-1953)
В конце XIX — начале XX вв. были сделаны и другие открытия, которые заставили многих физиков сомневаться в правильности атомистических представлений. Среди них следует назвать, например, открытие Генрихом Рудольфом Герцем в 1888 г. фотоэлектрического эффекта (фотоэффекта): при облучении катода ультрафиолетовым светом наблюдается (даже при слабом напряжении) довольно сильный электрический разряд между двумя электродами. В 1898 г. Дж. Дж. Томсон обнаружил, что металлические пластины, облученные ультрафиолетовым светом, испускают отрицательные заряды. Спустя четыре года Филипп Эдуард А. Ленард[114] показал, что фотоэлектрический эффект заключается в "выбивании" электронов из металла, при этом нет необходимости в наложении внешнего электрического поля. Ленард представлял атом в виде облака, состоящего из положительных и отрицательных частиц. Дальнейшие исследования показали, что каждое вещество обладает определенным фотоэлектрическим порогом, который, например, у натрия лежит около 6500 А. Выбиваемые электроны, названные фотоэлектронами, приобретают кинетическую энергию, величина которой зависит от длины волны падающего света.
В 1905 г. Альберт Эйнштейн дал объяснение фотоэлектрического эффекта: кванты света, или фотоны, попадают на металл и их энергия вызывает испускание фотоэлектронов. При поглощении металлами света энергия фотонов превращается в энергию фотоэлектронов. Фотоэлектрон использует часть энергии, чтобы оторваться от металла, а остальная энергия остается у фотоэлектрона в виде кинетической.
Фредерик Содди (1877-1956)
Открытие рентгеновских лучей и особенно радиоактивности дало дальнейший толчок для критического переосмысления существующей атомистической теории. Превращение радиоактивных элементов в другие элементы показало, что существуют атомы, которые можно разделить, что противоречило всему накопленному к тому времени опыту, а также самому определению понятия "атом".
В 1902 г. Э. Резерфорд и Ф. Содди смогли доказать, что в результате. излучения атомом урана α-частиц возникает новый атом с иными радиоактивными признаками. Последний атом в результате радиоактивного распада превращается в другой атом и т.д. Вскоре после этого (в 1904 г.) Резерфорд установил период полураспада радиоактивных веществ; оказалось, что для разных элементов он очень различен: некоторые радиоактивные элементы распадаются уже в течение секунд, другие "живут" миллион лет.
Теоретическое объяснение нового явления было сделано главным образом в работах Резерфорда.
Эрнест Резерфорд (1871-1937)
В 1906 г. Резерфорд выполнил исследование, которое привело к созданию нового представления об атоме. Еще ранее (в 1903 г.) Томсон предложил одну из первых атомных моделей: атом — положительно заряженная сфера с вкрапленными в нее электронами. Сумма отрицательных зарядов этих электронов определяет равный по величине положительный заряд атомной сферы[116]. В соответствии с этим присоединение или отдача электронов приводит к появлению отрицательного или положительного заряда на атоме. Резерфорд провел бомбардировку золотой фольги α-частицами, чтобы выяснить, будут ли частицы, проходя через фольгу, менять траекторию движения. Если бы атомы золота имели шарообразную форму и заметные размеры, то α-частицы должны были бы отскакивать от них и изменять свое направление (по аналогии со столкновением бильярдных шаров). Толщина золотой фольги была такова, что α-частицы должны были пройти через слой в ~1000 атомов. Однако выяснилось, что из сотен тысяч α-частиц только отдельные изменяют траекторию. Поэтому Резерфорд сделал вывод, что атом имеет ядро, диаметр которого должен быть в 100 000 000 раз меньше диаметра всего атома[117]. Если попытаться представить себе это соотношение и предположить, что по величине атом равен небольшому мячу, то почти вся масса атома должна быть сосредоточена в его ядре размером в песчинку диаметром 1/20 мм. В этом масштабе а-частица тоже имела бы размеры такой песчинки, и поэтому вероятность ее столкновения с атомным ядром очень незначительна.
Следует еще добавить, что в опыте, проведенном Резерфорд ом в 1906 г., электроны вряд ли могли играть какую-либо роль, так как они намного легче α-частиц. После работ Резерфорда ученые стали представлять атом состоящим из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.
Макс фон Лауэ (1879-1960)
Следующий шаг в изучении структуры атома был сделан Максом Лауэ в 1912 г. Он облучал кристаллические вещества рентгеновскими лучами и установил, что кристаллы состоят из атомов, расположенных в определенном геометрическом порядке (структуре). Они рассеивают (дифрагируют) рентгеновские лучи, и по получающейся при этом дифракционной картине можно было рассчитать длину волны рентгеновского излучения. По сути, рентгеновские лучи похожи на световые лучи, но с очень малой длиной волны.
Заряд ядра и порядковый номер
В 1906 г. Чарлз Гловер Баркла установил, что различные элементы испускают определенные серии характеристических рентгеновских лучей. Уильям Генри Брэгг и его сын Уильям Лоренс Брэгг смогли объяснить это в 1912 г. дифракцией рентгеновских лучей кристаллическими веществами. В 1913 г. Генри Мозли, используя в качестве антикатодов в рентгеновских трубках различные элементы, получил по методу Брэггов эмиссионные спектры этих элементов. При этом он обнаружил, что длины волны таких рентгеновских лучей уменьшаются с увеличением атомной массы излучающего элемента. Связь между увеличением атомной массы элементов и уменьшением длины волны зависела от величины положительного заряда ядра атома. Мозли составил диаграмму и показал, что, зная длину волны рентгеновских лучей, можно рассчитать электрический заряд ядра элемента. Например, заряд ядра равен для водорода +1, гелия +2, лития +3, урана +92. Величина заряда ядра соответствует порядковому номеру, понятие о котором ввел Иоганнес Роберт Ридберг, чтобы исправить выявленное нарушение закономерности в расположении элементов в периодической системе. Некоторые элементы с большей атомной массой размещены в соответствии с зарядом их ядра в системе перед элементами с меньшей массой (Аr — перед К, Со — перед Ni, Те — перед I). Именно в этом заключается физический смысл порядкового номера элемента.
Эти новые данные привели в XX в. к изменению представлений об элементе: элементом стали называть вещество, все атомы которого имеют один и тот же порядковый номер. Однако это определение по-прежнему включало в себя представление о том, что элемент состоит из атомов одного вида и что он не подвергается дальнейшему разложению при химическом воздействии. Уже к 1913-1914 гг., за исключением шести порядковых номеров -43, 61, 72, 75, 85, 87,- все места в периодической системе были заняты открытыми элементами. К 1945 г. эти пустоты в периодической системе тоже были заполнены.
Кульминационным моментом в исследовании электронов и атомного ядра явилось создание в 1913 г. модели атома Бора и Резерфорда.
Нильс Бор (1885-1962)
Нильс Бор (родился в Копенгагене в 1885 г.) был учеником Резерфорда и в своих работах широко использовал предложенную Резерфордом модель атома, а также разработанную Максом Планком в 1900 г. квантовую теорию испускания света и развитые Эйнштейном теории квантовой структуры светового излучения и фотоэффекта.
Планк и Эйнштейн пришли к выводу, что вещество может испускать или поглощать свет (т.е. энергию) не в любых количествах, а только порциями — квантами (энергия которых пропорциональна частоте излучения hv). Когда, например, электрон атома водорода, находящийся на большой орбите, испускает квант света, то в результате этого он переходит на орбиту с меньшим радиусом, которая соответствует состоянию атома с меньшим запасом энергии.
Отсюда Бор сделал вывод, что атом водорода может существовать только в совершенно определенных "стационарных" состояниях. Основное, или нормальное, состояние атома датский физик определял как состояние, обладающее минимальным запасом энергии и соответствующее наиболее стабильному состоянию атома. Состояние с более высокой энергией Бор называл возбужденным. При переходе атома из более высокого (с энергией
Электронные оболочки
В начале XX в. представления о строении электронных оболочек основывались на результатах исследования свойств света, излучаемого атомом при его возбуждении (электрическом или за счет повышения температуры). Излучаемый атомом свет состоит из узких линий определенной частоты, совокупность которых составляет линейчатый спектр атома.
После создания Бором модели атома понадобилось еще 12 лет, чтобы объяснить электронное строение атома (1925 г.). Получить представление о свойствах электронов было совершенно необходимо для понимания характера связи атомов и строения молекулы в целом.
После открытия электронов немецкий физико-химик Рихард Абегг в 1904 г. предположил, что, поскольку инертные газы не образуют химических соединений, то они должны иметь устойчивую электронную конфигурацию. Ученый утверждал, что химическая реакция представляет собой взаимодействие между электронами, а ядра атомов при этом остаются без изменения. Равным образом электронное строение должно определять валентность элементов в зависимости от того, сколько электронов может отдать или принять атом. Таким образом, речь шла об электронных оболочках, которые должны содержать определенное количество электронов.
Однако для точного установления электронных конфигураций не хватало данных о числе электронов в атоме и представлений о строении атома. Положение изменилось после того, как Г. Мозли определил порядковые номера элементов, а Н. Бор создал модель строения атома.
Порядковый номер элемента соответствовал общему числу электронов, которые Бор располагал на определенных орбитах, обозначив их буквами К, L, M, N, О, Р (последовательно от первой внутренней орбиты к последней внешней). Сообразно с этим на каждой орбите может находиться определенное число электронов. Наиболее стабильными при этом являются конфигурации с 2, 8, 18 и 32 электронами на орбите (соответствующие конфигурациям инертных газов).
Например такой атом, как гелий, имеет 2 протона и 2 электрона; поскольку при этом К-орбита насыщена, у гелия не наблюдается тенденции к приобретению или отдаче электронов. У атома натрия положение иное. Он содержит 11 электронов, располагающихся на К-, L- и М-орбитах: соответственно 2, 8, 1. Электронная конфигурация М-оболочки очень "нестабильна", так что натрий имеет склонность к отдаче одного электрона взаимодействующему с ним веществу и поэтому является сильно реакционноспособным элементом. В атоме хлора имеется 17 электронов, расположенных на трех орбитах: соответственно 2, 8, 7. На М-орбите не хватает одного электрона до устойчивой 8-электронной конфигурации, поэтому хлор легко образует соединение с натрием.
Модель атома аргона (1916 г.): а — по Косселю, б — по Бору
Такими электронными конфигурациями объяснялся и ионный тип химической связи. Атом натрия отдал электрон и приобрел положительный заряд, так как на 11 протонов в нем теперь приходилось 10 электронов. Так атом натрия становился ионом натрия. Аналогично атом хлора превращался в ион, поскольку после приобретения им одного электрона он становился отрицательно заряженным.
Противоположные заряды Na+ и Сl- вызывают взаимное притяжение между обоими ионами и тем самым обусловливают стабильность образовавшегося соединения NaCl.
Изложенный выше способ образования связи между двумя различными элементами является результатом стремления атомов приобрести стабильную конфигурацию, аналогичную "конфигурации инертных газов" при объединении электронов атомов разных элементов. В приведенном выше примере атом натрия, превращаясь в ион Na+, приобретает электронную конфигурацию неона, а атом хлора, став ионом Cl-,- электронную конфигурацию аргона.
Электронная связь, изотопы, ядерные реакции
Оставался еще не выясненным вопрос, как осуществляется связь, например, в двухатомных молекулах одинаковых элементов. Ответ на это независимо друг от друга дали Вальтер Коссель в 1915г., а спустя год Гилберт Н.Льюис и Ирвинг Ленгмюр. Исходя из представлений Бора и Мозли о распределении электронов вокруг ядра атома, Коссель, Льюис, Ленгмюр объясняли связь между атомами в таких молекулах тем, что электроны атомов участвуют в образовании одной или более электронных пар. Таким образом, в молекуле становится возможным образование стабильной электронной конфигурации инертного газа. Например, при образовании молекулы хлора Сl2 происходит связывание электронов УИ-орбитали с образованием одной общей электронной пары двух атомов
Объяснение физической природы химической связи на основе образования общих электронных пар ("атомная", гомеополярная ковалентная связь) имело особенное значение для органической химии при трактовке образования связей между двумя или несколькими атомами углерода или между атомами углерода и водорода. Впоследствии (после 1920 г.) Нэвил В. Сиджвик распространил представление о ковалентной связи и на неорганические соединения.
Ирвинг Ленгмюр (1881-1957)
После этого химические реакции стали интерпретироваться как результат смещения электронов, протоны при этом не играли никакой роли. В отличие от всех элементов только атом водорода, превращаясь в ион, может полностью освободиться от электронов (поскольку электрон у него единственный).
В 1913 г. английский радиохимик Фредерик Содди решил еще одну проблему. Исследование продуктов распада радиоактивных элементов приводило к противоречию с периодической системой. Например, свинец, образующийся при распаде урана, имел атомную массу, отличающуюся от массы обычного свинца. Ф. Содди предложил в 1913 г. название "изотоп" для любого элемента, который отличается от известного ранее элемента атомной массой, но занимает то же место в периодической системе[118]. Причина такого отклонения была обнаружена только в 1932 г. благодаря открытию нейтронов английским физиком Джеймсом Чэдвиком. Изотопами стали называть элементы, обладающие одинаковыми химическими свойствами и одним и тем же порядковым номером, но отличающиеся атомными массами. Порядковый номер определяется зарядом ядра атома (числом протонов), а атомная масса — числом протонов и нейтронов в атомном ядре. Благодаря использованию масс-спектрометрии после 1920 г. было обнаружено также, что многие элементы, образующиеся не в результате радиоактивного распада, являются смесью изотопов.
Как до 1900 г. считалось, что атом в соответствии с его определением является неделимым, так и до 1919 г. атомное ядро тоже считалось неделимым. Открытие ядерного распада при исследовании радиоактивности поставило перед учеными новую задачу: нельзя ли искусственным путем разделить протоны в ядрах. Сомнения, существовавшие по этому поводу, были обусловлены тем, что силы, связывающие протоны, были чрезвычайно велики. Но в 1919 г. Э. Резерфорду удалось осуществить первую ядерную реакцию. Резерфорд бомбардировал газообразный азот быстрыми а-частицами (ядрами гелия), в результате чего ему удалось превратить атомы азота в атомы кислорода.
После открытия ядерных реакций физику и химию стали рассматривать как две взаимно дополняющие друг друга науки, занимающиеся исследованием явлений природы. Позже к ним присоединилась биохимия. Проникая таким образом в сокровенные тайны природы, люди получили сегодня мощное средство влияния на саму природу. Это средство в руках человека обладает не только созидательной, но и огромной разрушительной силой! И хотя уже 500 лет назад человечество осознало, что Земля не является центром Вселенной, следует помнить, что наша планета — пока единственное наше жизненное пространство и ее страдания — это наше горе, а ее радости — это наше счастье.
Развитие экспериментальной химии
Современная химия развилась благодаря аналитическим методам; всем ее важнейшим результатам предшествовали успехи в химическом анализе.
Предварительные замечания
С самого начала становления химии как науки о строении, свойствах и превращениях веществ ее успехи тесным образом были связаны с развитием экспериментальной химии. При этом имеется в виду совершенствование лабораторных приборов, методов, химических реактивов и исследовательских лабораторий.
Как правило, в это время исследовательские лаборатории были одновременно и учебными центрами. Экспериментируя, химики приобретали знания. Лишь в конце XIX в. в отдельных случаях стали создаваться специальные химические исследовательские лаборатории, в которых не проводилось обучения студентов.
В период эмпирического развития химии исследователи занимались в основном только экспериментированием, хотя и тогда они руководствовались при проведении опытов определенными теоретическими представлениями. Последние начали довольно интенсивно развиваться и расширяться с XV в. В середине XVIII в. выявилось довольно заметное различие между слепой, неосмысленной "стряпней наугад" и трудом исследователей, работающих на научной основе [8, с. 29 и сл.].
В результате широкого введения в химию количественных методов анализа (Лавуазье, Рихтер, Пруст и Дальтон), а также благодаря разработанным ими теоретическим представлениям химический эксперимент стал приобретать более осознанный и плановый характер. Теория стала определять характер проведения эксперимента, а методы исследования природы стали точнее.
В 1844 г. Либих писал: "Успех любого опыта, любой операции меньше всего зависит от механической сноровки и в большей степени — от сознательного подхода; причиной неудачи может быть недостаточность знаний. Открытие определяется уровнем экспериментальной техники и способностью человека создавать новые идеи" [33, с. 9].
В 1955 г. Л. Полинг охарактеризовал научную методологию следующим образом: "Первый этап применения научного метода заключается в заинтересованности некоторыми фактами, установленными путем наблюдения и опытов. В нашей науке таковыми являются факты описательной химии. Следующий шаг — это систематизация и сопоставление многих фактов, выработка определенного утверждения. Такое общее утверждение называют законом, а иногда законом природы" [1]. Закон, установленный индуктивным методом, конечно, может быть изменен вследствие обнаружения противоречащих ему данных, как это произошло с законом постоянства состава после открытия изотопов кислорода [1]. Полинг упоминает также метод последовательных приближений, важный для выявления химических закономерностей: вначале обнаруживают какую-нибудь "грубую закономерность", которая затем в результате различных исследований все более уточняется и может привести к установлению закона природы [1].
Лабораторные приборы. Рисунок из 'Начального курса химии' Лавуазье (1789 г.)
Поделиться книгой: