Химия как раздел естествознания Основные задачи современной химии (стр. 4 из 68)

Другой древнегреческий философ, Аристотель (384-323 гг. до н.э.), считал, что природа не терпит пустоты, и, отвергая пустоту, вместе с ней отрицал и существование атомов Демокрита. Аристотель считал, что четыре стихии (тепло, холод, сухость и влажность), соединяясь попарно, составляют четыре элемента мира: воду, воздух, огонь и землю. Первоосновой же, или первоматерией мира, является идеальный пятый элемент - эфир. Эту концепцию называют континуальной концепцией строения вещества (других форм материи древние не знали) от латинского слова «континуум», то есть нечто сплошное и неделимое (как эфир). Следовательно, из континуальной концепции строения вещества вытекает вывод, что предела деления материи не существует. Ещѐ одним выводом, из учения Аристотеля, который взяла на вооружение алхимия средневековья, была идея о возможности трансмутации, то есть превращения одних элементов в другие, например, свинца или ртути в золото, или наоборот.

Какая же концепция строения верна? Решить это вопрос можно только опытным путѐм. Разлагая самые разные вещества на составные части, экспериментаторы убедились в том, что Аристотель неправ. Вода, например, не является простым элементом, так как из неѐ можно выделить ещѐ более простые субстанции – водород и кислород. Воздух также является сложной системой и состоит из смеси различных газов, основными компонентами которой являются азот и кислород. Земля состоит из множества веществ, как простых, так и сложных, некоторые из них по традиции даже называются «землями».

Континуальная концепция строения вещества зашла в тупик, и альтернативой ей послужил атомизм, о котором всѐ чаще вспоминали мыслители XVI-XVII веков. Так, например, в 1647 году Пьер Гассенди (1592-1655), французский ученый и философ, не только отверг представления Аристотеля об устройстве материи в виде вещества, но и объяснил на основе учения древних атомистов, каким именно образом возникают в мире многие миллионы разнообразных тел. Для этого, утверждал Гассенди, не требуется большого количества атомов. Атом - это все равно, что строительный материал для домов. Как из строительных материалов - кирпичей, досок гвоздей - можно построить и бедную хижину, и величественный дворец, так из нескольких десятков различных атомов природа может построить тысячи тысяч разнообразных тел. При этом различные атомы в каждом теле объединяются в небольшие группы, которые Гассенди назвал молекулами, от латинского слова moleс («массочка»).

В 1668 году Роберт Бойль(1627-1691), назвал истинными элементами, в отличие от алхимических «элементов мира», «... некоторые первоначальные и простые, вполне не смешанные тела; эти тела не состоят из других тел или друг из друга и являются составными частями, из которых сложены все вполне смешанные тела и на которые последние, в конце концов, распадаются», то есть определил предел качественного деления вещества, элемент. Количественным же пределом деления материи считались атомы.

Приверженцем атомного строения материи был Исаак Ньютон (1643 1727). «Мне представляется, - писал он, - что Бог с самого начала сотворил вещество в виде твердых, непроницаемых, подвижных частиц и что этим частицам он придал такие размеры и такую форму, и такие другие свойства, и создал их в таких относительных количествах, как Ему нужно было для той цели, для которой он их сотворил…». Огромный вклад в развитие атомно-молекулярного учения внѐс Михаил Васильевич Ломоносов (1711 - 1765). Ломоносов считал, что все тела состоят из атомов (правда, атомы он ошибочно называл элементами) и их сочетаний - молекул, которые он называл корпускулами. Ломоносов, одновременно с французским химиком Лавуазье, доказал закон сохранения вещества и позднее обобщил его до закона сохранения материи и движения. Природу теплоты Ломоносов объяснял вращательным и колебательным движением атомов и молекул. Следующий шаг в познании строения материи сделал английский химик, физик и метеоролог Джон Дальтон (1766 - 1844). Дальтон считал, что атомы различных элементов имеют различную массу. Изучая растворимость газов в жидкости, он вычислил относительные веса таких атомов, как азот, углерод, кислород и сера, взяв за единицу вес атома водорода. Он также вычислил молекулярные массы некоторых сложных веществ. Существование атомов и молекул стало научным фактом, после того, как Дальтон их «взвесил», а итальянский физик и химик Амедео Авогадро (1776 -1856) «сосчитал». По закону Авогадро, в количестве любого вещества, равном его молекулярной или атомной массе (это количество вещества называют молем) содержится одинаковое число атомов или молекул, а именно, число Авогадро 6,02∙10 ²³. Один моль любого газа занимает объѐм 22,4 литра – именно благодаря этому обстоятельству и удалось «сосчитать» атомы и молекулы. «Увидеть» молекулы удалось в 1827 году английскому ботанику, почѐтному члену Петербургской Академии наук, Роберту Броуну (1773 -1858). Броун наблюдал в микроскоп взвесь очень мелких частиц пыльцы растений в воде и установил, что они находятся в непрерывном хаотическом движении. Причиной этого движения является непрерывная «бомбардировка» видимых в микроскоп частиц пыльцы невидимыми из-за своих малых размеров молекулами воды. Правда, механизм броуновского движения, вызванного вечным движением молекул, Альберт Эйнштейн объяснил только в 1905 году.

Ещѐ не так давно считалось, что увидеть атомы невозможно. Однако с изобретением в конце 20 века сканирующих микроскопов со сверхвысоким разрешением такая возможность появилась, и наше поколение отличается от предыдущих поколений, прежде всего тем, что мы увидели атомы, из которых состоим (Рис. 1.1)

Рис. 1. 1. Кристалл кремния при увеличении в 100 миллионов раз

Фотография кристалла кремния сделана посредством сканирующего электронного микроскопа особого типа. Отдельные атомы (большие красно-жѐлтые треугольники) на поверхности кристалла расположены в строгом порядке, соединѐнные химическими связями (белые «облака»). Атомы не имеют строго определенных границ вследствие волновой природы электронов.

К середине XIX, когда было открыто 74 элемента с различными свойствами и появилось стройное атомно-молекулярное учение, победу корпускулярной концепции над концепцией континуальной можно было считать окончательной.

Суть атомно-молекулярного учения можно выразить следующим образом:

Существует предел деления материи – атом;

Атомы отличаются друг от друга массой и размерами, но внутренней структуры не имеют (неделимы);

Атомы с одинаковой массой образуют химический элемент;

Атомы соединяются друг с другом в соответствии со своей валентностью и образуют молекулы;

Валентностью называют свойство атомов одного элемента соединяться с определѐнным числом атомов другого

элемента;

Атомы и молекулы находятся в постоянном движении;

В совокупности, атомы или молекулы, состоящие из одинаковых атомов, образуют простые вещества. Эти вещества отличаются друг от друга по химическим свойствам (металлы и неметаллы);

В совокупности, молекулы, состоящие из разных атомов, образуют сложные вещества. Эти вещества отличаются по химическим свойствам (оксиды, кислоты, основания, соли и т.д.);

Процесс превращения одних молекул в другие в соответствующих условиях есть химическая реакция;

Превращение одних атомов в другие (трансмутация) невозможно.

В рамках корпускулярной концепции в виде атомно-молекулярного учения ответ на вопрос о строении материи при системном подходе с иерархическим усложнением можно представить следующим образом: Атом → Молекула → Вещество

В 1969 году Д.И. Менделеев (1834 -1907) открыл закон, объясняющий, как изменяются свойства химических элементов, который является вершиной атомно-молекулярного учения. Попытки систематизации химических элементов предпринимались и до Менделеева, но они основывались на объединении элементов в группы только на основании их физического сходства и химических свойств.

Так, немецкий химик Дѐберейнер еще в 1829 г. заметил сходство между некоторыми элементами (хлором, бромом и йодом; литием, натрием и калием) и объединил их в триады. В 1964 английский химик Ньюлендс предложил «закон октав», по которому элементы объединялись в группы, причем все восьмые элементы в этих группах имели одинаковые свойства. Сходную таблицу предложил и немецкий химик и физик Лотар-Мейер.

Менделеев пришел к выводу, что в основу систематики элементов должна быть положена их относительная атомная масса (атомный вес).

Массы атомов, выраженные в граммах, очень малы (атом

водорода, например, весит около 1,67∙10^-24 г), и пользоваться этими величинами крайне неудобно. Поэтому еще в 1803 году английский химик Д. Дальтон предложил использовать соотношение весов, или относительную массу элементов, взяв за единицу массу самого легкого атома, водорода (водородную единицу). Впоследствии водородная единица была заменена кислородной (1/16 часть массы атома кислорода). В 1961 году за атомную единицу массы была принята 1/12 часть массы атома углерода (вернее, изотопа углерода ¹²С). Атомные массы кислорода и водорода, например, равны соответственно 15,9994 и 1,00794. Размеры атомов оценивают в ангстрѐмах. Один ангстрѐм равен 10^-10 м (10^-8 см). Мы не можем видеть атомов, потому что они несоизмеримы с объектами «человеческих» размеров. Поэтому мир человека принято называть макромиром, а мир атомов – микромиром. Поскольку на микроуровне вещество (в рамках атомно-молекулярного учения) состоит из атомов, то его можно назвать микровеществом. Расположив все известные в то время элементы (74) в порядке возрастания их атомных масс (весов), Менделеев обнаружил, что сходные в химическом отношении элементы встречаются через правильные интервалы (периоды), то есть химические свойства элементов периодически повторяются. Периодический закон Менделеев сформулировал следующим образом: